【Linux】进程IO|系统调用|open|write|文件描述符fd|封装|理解一切皆文件

博主：小蓝
发布时间：2024 年 08 月 01 日
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4697字数
分类： Linux 技术杂烩

# 理解Linux中的进程IO与系统调用

在Linux操作系统中，进程与系统之间的交互主要通过系统调用完成。文件IO是最常见的系统调用之一，包括打开文件、读写文件等操作。本文将详细介绍Linux中的进程IO、系统调用、文件描述符（fd）及其封装，并深入探讨“理解一切皆文件”的概念。

## 一、系统调用简介

系统调用（System Call）是操作系统提供给应用程序的编程接口。通过系统调用，应用程序可以请求操作系统提供的各种服务，例如文件操作、进程控制、网络通信等。

在Linux中，常用的文件操作系统调用包括：

- `open`：打开文件
- `read`：读取文件
- `write`：写入文件
- `close`：关闭文件

## 二、文件描述符（File Descriptor）

文件描述符（fd）是一个非负整数，用于标识已打开的文件或其他IO资源。在Linux中，文件描述符是进程级别的，每个进程都有一张独立的文件描述符表。标准文件描述符包括：

- `0`：标准输入（stdin）
- `1`：标准输出（stdout）
- `2`：标准错误（stderr）

## 三、系统调用详解

### 3.1 `open`系统调用

`open`系统调用用于打开文件，并返回一个文件描述符。其原型定义在 `<fcntl.h>`头文件中：

```c
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
```

- `pathname`：要打开的文件路径。
- `flags`：打开文件的模式（例如 `O_RDONLY`、`O_WRONLY`、`O_RDWR`）。
- `mode`：文件权限（用于创建文件时）。

示例代码：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("File opened with fd: %d\n", fd);
    close(fd);
    return 0;
}
```

### 3.2 `write`系统调用

`write`系统调用用于向文件写入数据。其原型定义在 `<unistd.h>`头文件中：

```c
#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
```

- `fd`：文件描述符。
- `buf`：要写入的数据缓冲区。
- `count`：要写入的数据字节数。

示例代码：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    const char *msg = "Hello, world!\n";
    ssize_t bytes_written = write(fd, msg, 14);
    if (bytes_written == -1) {
        perror("write");
        close(fd);
        return 1;
    }
    printf("Wrote %ld bytes\n", bytes_written);
    close(fd);
    return 0;
}
```

### 3.3 `read`系统调用

`read`系统调用用于从文件读取数据。其原型定义在 `<unistd.h>`头文件中：

```c
#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
```

- `fd`：文件描述符。
- `buf`：用于存储读取数据的缓冲区。
- `count`：要读取的数据字节数。

示例代码：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    char buf[128];
    ssize_t bytes_read = read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (bytes_read == -1) {
        perror("read");
        close(fd);
        return 1;
    }
    buf[bytes_read] = '\0';
    printf("Read %ld bytes: %s\n", bytes_read, buf);
    close(fd);
    return 0;
}
```

### 3.4 `close`系统调用

`close`系统调用用于关闭文件描述符。其原型定义在 `<unistd.h>`头文件中：

```c
#include <unistd.h>

int close(int fd);
```

- `fd`：要关闭的文件描述符。

示例代码：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("File opened with fd: %d\n", fd);
    if (close(fd) == -1) {
        perror("close");
        return 1;
    }
    printf("File closed\n");
    return 0;
}
```

## 四、理解“一切皆文件”

在Linux中，一切皆文件。这意味着所有的IO操作（包括文件、设备、网络通信等）都通过文件描述符进行。这种设计简化了系统调用的接口，使得程序可以用统一的方式处理不同类型的IO设备。

### 4.1 文件

常规文件通过文件描述符进行读写操作，如前文所述的 `open`、`read`、`write`和 `close`。

### 4.2 设备

设备文件（如 `/dev/null`、`/dev/sda`）也可以通过文件描述符操作。例如，读取系统内存信息：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/mem", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    // 读取内存数据的操作...
    close(fd);
    return 0;
}
```

### 4.3 网络

网络套接字也通过文件描述符操作。以下是一个简单的TCP客户端示例：

```c
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }

struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("connect");
        close(sockfd);
        return 1;
    }

const char *msg = "Hello, server!";
    send(sockfd, msg, strlen(msg), 0);

char buf[128];
    ssize_t bytes_received = recv(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
    if (bytes_received == -1) {
        perror("recv");
        close(sockfd);
        return 1;
    }
    buf[bytes_received] = '\0';
    printf("Received: %s\n", buf);

close(sockfd);
    return 0;
}
```

## 五、总结

本文详细介绍了Linux中的进程IO与系统调用，包括 `open`、`write`、`read`和 `close`函数及其用法，解释了文件描述符（fd）的概念，并深入探讨了Linux中的“一切皆文件”思想。这种设计极大地简化了系统编程，使得处理不同类型的IO设备变得更加一致和简单。通过本文的学习，您应该能够更好地理解和应用Linux中的进程IO操作，提高系统编程的效率和能力。

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最后修改：2024 年 08 月 01 日

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【Linux】进程IO|系统调用|open|write|文件描述符fd|封装|理解一切皆文件

小蓝 • 2024 年 08 月 01 日

# 理解Linux中的进程IO与系统调用

## 一、系统调用简介

在Linux中，常用的文件操作系统调用包括：

- `open`：打开文件
- `read`：读取文件
- `write`：写入文件
- `close`：关闭文件

## 二、文件描述符（File Descriptor）

- `0`：标准输入（stdin）
- `1`：标准输出（stdout）
- `2`：标准错误（stderr）

## 三、系统调用详解

### 3.1 `open`系统调用

`open`系统调用用于打开文件，并返回一个文件描述符。其原型定义在 `<fcntl.h>`头文件中：

```c
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
```

- `pathname`：要打开的文件路径。
- `flags`：打开文件的模式（例如 `O_RDONLY`、`O_WRONLY`、`O_RDWR`）。
- `mode`：文件权限（用于创建文件时）。

示例代码：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

### 3.2 `write`系统调用

`write`系统调用用于向文件写入数据。其原型定义在 `<unistd.h>`头文件中：

```c
#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
```

- `fd`：文件描述符。
- `buf`：要写入的数据缓冲区。
- `count`：要写入的数据字节数。

示例代码：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

### 3.3 `read`系统调用

`read`系统调用用于从文件读取数据。其原型定义在 `<unistd.h>`头文件中：

```c
#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
```

- `fd`：文件描述符。
- `buf`：用于存储读取数据的缓冲区。
- `count`：要读取的数据字节数。

示例代码：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

### 3.4 `close`系统调用

`close`系统调用用于关闭文件描述符。其原型定义在 `<unistd.h>`头文件中：

```c
#include <unistd.h>

int close(int fd);
```

- `fd`：要关闭的文件描述符。

示例代码：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

## 四、理解“一切皆文件”

### 4.1 文件

常规文件通过文件描述符进行读写操作，如前文所述的 `open`、`read`、`write`和 `close`。

### 4.2 设备

设备文件（如 `/dev/null`、`/dev/sda`）也可以通过文件描述符操作。例如，读取系统内存信息：

```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/mem", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        return 1;
    }
    // 读取内存数据的操作...
    close(fd);
    return 0;
}
```

### 4.3 网络

网络套接字也通过文件描述符操作。以下是一个简单的TCP客户端示例：

```c
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }

if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("connect");
        close(sockfd);
        return 1;
    }

const char *msg = "Hello, server!";
    send(sockfd, msg, strlen(msg), 0);

close(sockfd);
    return 0;
}
```

## 五、总结

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