在 Linux 系統下，IO（輸入/輸出）操作是程序與外部設備（如文件、網絡等）交互的重要方式。Linux 提供了豐富的系統調用和庫函數來支持各種 IO 操作。以下是對 Linux 下 IO 操作的詳細解析，包括文件 IO、網絡 IO 和緩沖機制等內容。

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一、文件 IO 操作

1. 打開文件（open?系統調用）

open 系統調用用于打開一個文件，返回一個文件描述符（file descriptor），后續操作都通過這個文件描述符進行。

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDONLY); // 打開文件用于只讀if (fd == -1) {perror("open failed");return 1;}std::cout << "File opened successfully, file descriptor: " << fd << std::endl;close(fd); // 關閉文件return 0;
}

• O_RDONLY：只讀模式。

• O_WRONLY：只寫模式。

• O_RDWR：讀寫模式。

• O_CREAT：如果文件不存在，則創建文件。

• O_TRUNC：如果文件已存在，將其長度截斷為 0。

• O_APPEND：寫入時將數據追加到文件末尾。

2. 讀取文件（read?系統調用）

read 系統調用從文件描述符指定的文件中讀取數據。

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open failed");return 1;}char buffer[128];ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (bytesRead == -1) {perror("read failed");close(fd);return 1;}buffer[bytesRead] = '\0'; // 確保字符串以 null 結尾std::cout << "Read " << bytesRead << " bytes: " << buffer << std::endl;close(fd);return 0;
}

• read 返回讀取的字節數，如果返回 0 表示已到達文件末尾，返回 -1 表示出錯。

3. 寫入文件（write?系統調用）

write 系統調用將數據寫入到文件描述符指定的文件中。

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>int main() {int fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (fd == -1) {perror("open failed");return 1;}const char* msg = "Hello, world!";ssize_t bytesWritten = write(fd, msg, strlen(msg));if (bytesWritten == -1) {perror("write failed");close(fd);return 1;}std::cout << "Wrote " << bytesWritten << " bytes." << std::endl;close(fd);return 0;
}

• O_CREAT：如果文件不存在，則創建文件。

• 0644：文件權限，表示所有者有讀寫權限，組用戶和其他用戶有讀權限。

4. 關閉文件（close?系統調用）

close 系統調用用于關閉文件描述符，釋放資源。

close(fd);

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二、網絡 IO 操作

1. 創建套接字（socket?系統調用）

socket 系統調用用于創建一個套接字，用于網絡通信。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <iostream>int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 創建 TCP 套接字if (sockfd == -1) {perror("socket failed");return 1;}std::cout << "Socket created successfully, file descriptor: " << sockfd << std::endl;close(sockfd);return 0;
}

• AF_INET：IPv4 地址族。

• SOCK_STREAM：TCP 套接字。

• SOCK_DGRAM：UDP 套接字。

2. 綁定地址（bind?系統調用）

bind 系統調用將套接字綁定到一個本地地址和端口。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <iostream>int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd == -1) {perror("socket failed");return 1;}struct sockaddr_in addr;addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(8080); // 端口號addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 綁定到所有可用地址if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {perror("bind failed");close(sockfd);return 1;}std::cout << "Socket bound to port 8080." << std::endl;close(sockfd);return 0;
}

3. 監聽連接（listen?系統調用）

listen 系統調用將套接字設置為監聽狀態，等待客戶端連接。

if (listen(sockfd, 5) == -1) { // 最大連接隊列長度為 5perror("listen failed");close(sockfd);return 1;
}std::cout << "Server is listening on port 8080." << std::endl;

4. 接受連接（accept?系統調用）

accept 系統調用接受一個客戶端連接，返回一個新的套接字用于與客戶端通信。

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
if (clientfd == -1) {perror("accept failed");close(sockfd);return 1;
}std::cout << "Client connected." << std::endl;

5. 讀寫網絡數據

使用 read 和 write 系統調用（或 recv 和 send 函數）進行網絡數據的讀寫。

char buffer[1024];
ssize_t bytesRead = read(clientfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
if (bytesRead == -1) {perror("read failed");close(clientfd);close(sockfd);return 1;
}buffer[bytesRead] = '\0';
std::cout << "Received message: " << buffer << std::endl;const char* response = "Hello, client!";
write(clientfd, response, strlen(response));

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三、緩沖機制

1. 標準 IO 緩沖

C 標準庫提供了緩沖機制，通過 FILE* 指針操作文件。例如：

#include <cstdio>
#include <iostream>int main() {FILE* file = fopen("example.txt", "r");if (!file) {perror("fopen failed");return 1;}char buffer[128];while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file)) {std::cout << buffer;}fclose(file);return 0;
}

• fgets 從文件中讀取一行，自動處理緩沖。

• fputs 將字符串寫入文件，也使用緩沖機制。

2. 系統調用與緩沖

系統調用（如 read 和 write）通常不使用緩沖，直接與內核交互。如果需要緩沖，可以手動實現，例如：

char buffer[1024];
ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer));

3. 非阻塞 IO 和異步 IO

• 非阻塞 IO：通過設置文件描述符為非阻塞模式，使 read 和 write 在數據未準備好時立即返回

  int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
  fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

• 異步 IO：使用 aio 或 io_uring 等機制，允許程序在 IO 操作完成之前繼續執行。