13.基礎IO(1)

文件的基本概念：內容與屬性

在 Linux 中，文件是操作系統存儲數據的基本單位，它包含兩部分：內容（即數據本身）和屬性（metadata）。屬性包括文件名、類型、大小、所有者、權限、創建/修改時間等元信息。據講稿與相關資料指出，任何文件都包含內容和屬性，即使一個文件沒有任何內容（空文件），它仍具有名稱、權限等屬性，并且這些屬性也需要占用磁盤空間。例如，用 ls -l 可以看到空文件大小為 0，但目錄中仍保留了它的 inode 信息和屬性；這是因為文件的屬性也記錄在磁盤上。

文件的內容則存儲在磁盤的數據塊中，當文件被打開后才會被加載到內存供進程訪問。根據馮諾依曼體系結構，CPU 只能直接訪問內存而無法直接訪問磁盤，因此要訪問一個文件，必須先將文件加載到內存，這個過程即為“打開文件”。綜上，文件 = 內容 + 屬性，而文件的屬性往往保存在 inode 等結構中。

【課外補充】在 Linux 文件系統中，每個文件在磁盤上用 inode（索引節點）來記錄其元數據和數據塊位置，包括權限、類型、大小、時間戳、硬鏈接數等信息。例如，ls -il 顯示的第一列就是 inode 編號，通過 inode 可以獲取文件的各種屬性。

文件的打開機制：fopen 和 open

在編程中訪問文件時，必須顯式地打開文件。C 語言標準庫提供 fopen 函數（位于 <stdio.h>）來打開文件，返回一個 FILE* 類型的文件指針供后續讀寫使用；而在系統調用層面，Linux 提供了 open 系統調用（位于 <fcntl.h>）來打開文件，返回一個非負整數的文件描述符（file descriptor）。兩者的主要區別是：fopen 是庫函數，會對調用參數進行封裝并返回 FILE*；open 是直接與內核交互的系統調用，需要傳入文件路徑、標志位 (flags) 和權限模式 (mode)，返回一個 int 型文件描述符。

只有當程序執行到打開文件的語句時，文件才真正被加載到內存中。例如，在下面代碼段中，只有當 fopen 或 open 運行時，文件才被打開：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {// 使用 fopen 打開文件，返回 FILE*FILE *fp = fopen("example.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("fopen");return 1;}fputs("Hello, world!\n", fp);fclose(fp);// 使用 open 打開文件，返回文件描述符int fd = open("example2.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}write(fd, "Hello, world!\n", 14);close(fd);return 0;
}

在上例中，直到程序運行到 fopen 或 open 并執行成功時，文件才真正被打開并加載到內存中。執行 fopen 返回 FILE* 后，可以通過 fread/fwrite/fputs 等接口對文件內容進行讀寫；執行 open 返回的文件描述符可以與 read、write、lseek 等系統調用配合使用。如果打開失敗，fopen 返回 NULL，open 返回 -1，并設置相應的錯誤碼。

被打開的文件與磁盤文件的區別

磁盤上的文件和被打開的文件是兩個不同的概念。磁盤上的文件是靜態存在的，包含文件內容和元數據（屬性），但尚未加載到內存。只有當進程調用 fopen 或 open 并成功時，文件才被打開，它的內容和屬性才被加載到內存，并由內核為其分配數據結構以供訪問。這種加載過程類似將文件從磁盤映射到內核空間，使得 CPU 可以直接操作它。

簡言之：未打開的文件只能在磁盤上存在；被打開的文件則在內存中有對應結構體供進程訪問。根據講稿和資料的描述，當我們打開一個文件時，操作系統會把文件的內容和屬性加載到內存中。在內存中的文件通常用文件對象（如 Linux 內核中的 struct file）來表示，該結構體包含文件的各種屬性以及指向文件數據的指針。相比之下，磁盤上的文件只是存儲在文件系統上的數據塊和 inode 信息。

因此，在一個系統中存在大量磁盤文件，但只有當進程需要時才會打開其中的少數文件。例如，一個 Linux 系統可能有上萬文件，但同時被打開的可能只有幾百個。操作系統需要跟蹤管理哪些文件已打開、對應哪個進程以及何時關閉，保障文件訪問的正確性和資源回收。

文件的內核數據結構

在 Linux 內核中，每個被打開的文件都會對應內核級數據結構來表示其狀態和屬性。常見的結構有 struct file（表示已打開的文件實例）和 struct inode（表示磁盤上的文件元數據）。講稿中提到，文件在內核中本質上也等于 內容 + 屬性，即有對應的結構體來描述，包括文件大小、權限、讀寫位置等信息。我們可以把 struct file 理解為文件的“內核鏡像”，它會保存文件當前位置（offset）、文件系統操作函數指針、引用計數等，當進程通過文件描述符讀寫文件時，實際上是通過這些結構體進行操作的。

操作系統如何管理被打開的文件呢？每個進程都有一個 task_struct，其中包含一個指向 struct files_struct 的指針。files_struct 中維護了一個文件描述符數組 fd_array，該數組的每個元素指向一個內核中的 struct file 結構。當進程調用 open 打開新文件時，內核會在這個數組中找到一個空閑的下標（例如 3、4、5 等）分配給該文件，并返回該下標作為文件描述符。可以說，系統層面訪問文件的唯一途徑就是文件描述符。例如，進程啟動時默認占用 0、1、2 三個文件描述符（分別對應 stdin、stdout、stderr），后續打開的第一個文件會獲得描述符 3。

此外，struct file 結構中還包含一個引用計數，用以記錄有多少個文件描述符或進程引用該文件。這意味著同一個文件可以被多個描述符（甚至不同進程）共享讀取或寫入。文件操作（讀/寫/關閉）最終都會通過這些內核結構執行，內核維護的這種數據結構保證了對文件的并發訪問和正確釋放。

文件與進程的交互方式

在 Linux 中，進程是訪問和操作文件的主體。只有進程才能調用 fopen、open 等接口來操作文件。講稿強調，當程序中出現了 fopen 或 open 語句，并且進程實際執行到這一句時，文件才被打開。也就是說，即便源代碼中有 fopen 調用，如果程序尚未運行或者未執行到該行，文件也不會被打開。執行完成后，進程會得到一個文件指針或文件描述符，通過它可以進行后續的讀寫操作，最后再調用 fclose 或 close 關閉文件釋放資源。

一個進程可以同時打開多個文件。實際上，每個進程啟動時就自動打開了三個標準流（stdin,stdout,stderr），而用戶程序可以根據需要繼續打開其他文件。操作系統為每個進程維護獨立的文件描述符表，確保各進程對文件的操作互不干擾。當進程結束或主動關閉文件時，內核會關閉對應的 struct file，更新引用計數，并回收內存和描述符。

總之，文件操作的發生總是伴隨著一個進程：訪問文件的始終是進程，而非靜態的代碼文本。進程運行時必須先打開文件，此時操作系統將文件加載到內存，并返回用于標識該文件的文件描述符或 FILE*。后續對文件內容的讀寫，都是通過該進程內的指針或描述符發起的。進程關閉文件后，文件可以從內存中卸載，相關資源被釋放。

標準輸入/輸出/錯誤與文件流

每個進程默認啟動時都會打開三個標準流，用于與外界（鍵盤、顯示器等）進行交互：標準輸入（stdin，通常對應鍵盤，文件描述符 0）、標準輸出（stdout，通常對應顯示器，文件描述符 1）和標準錯誤（stderr，也對應顯示器或終端，文件描述符 2）。在 C 語言中，這三個標準流都是 FILE* 類型指針，分別指向 stdin,stdout,stderr。例如，printf 默認向 stdout 寫入，而 scanf 則從 stdin 讀取。雖然鍵盤和顯示器是硬件設備，但 C 標準庫將它們抽象為文件流（通過底層的系統調用與操作系統交互），因此對它們的讀寫操作與普通文件類似。

標準流的具體對應關系如下：

• stdin：標準輸入（鍵盤），文件描述符 0。
• stdout：標準輸出（顯示器或終端），文件描述符 1。
• stderr：標準錯誤（顯示器或終端），文件描述符 2。

例如，下面的代碼會從標準輸入讀取一行，然后再通過標準輸出打印出來：

#include <stdio.h>int main() {char buf[100];// 從標準輸入(stdin)讀一行if (fgets(buf, sizeof(buf), stdin)) {// 將讀取到的內容打印到標準輸出(stdout)printf("你輸入了: %s", buf);}return 0;
}

可以看到，我們使用 stdin 和 stdout 完成了輸入輸出。由于它們都是 FILE*，底層實際上對應文件描述符 0 和 1。總之，標準輸入/輸出/錯誤在實現上也是文件，只是內核默認為每個新進程打開了這三個文件流。

系統調用與文件描述符

在 Linux 中進行文件操作的系統調用有 open、close、read、write 等。文件描述符是內核為進程打開文件后分配的整數句柄，用于索引進程的文件描述符表。調用 open 時，如果成功，內核返回一個非負整數（通常從 3 開始，因為 0、1、2 已被標準流占用）。這個整數就是文件描述符。例如：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (fd < 0) {perror("open失敗");return 1;}printf("打開文件得到文件描述符: %d\n", fd);// 可以使用 write(fd, ..., ...) 和 close(fd)close(fd);return 0;
}

上例中，如果 log.txt 打開成功，將打印出類似 3 這樣的文件描述符值。打開失敗時 fd 為 -1，并通過 perror 輸出錯誤信息。我們注意到文件描述符是一個索引，它指向內核中某個 struct file 結構。只有通過文件描述符，系統調用才能找到對應的文件資源。

此外，所有針對文件的系統調用（如 read、write、lseek、close 等）都以文件描述符作為參數。內核通過進程的 files_struct 中的 fd_array 找到對應的內核文件對象，然后執行操作。因此，系統層面上訪問文件的唯一途徑就是文件描述符。正因如此，FILE* 之類的用戶態結構內部也保存了一個文件描述符（可通過 fp->_fileno 獲取），以便通過系統調用完成實際的讀寫。

?現在知道，?件描述符就是從0開始的?整數。當我們打開?件時，操作系統在內存中要創建相應的數據結構來描述?標?件。于是就有了file結構體。表??個已經打開的?件對象。?進程執?open系統調?，所以必須讓進程和?件關聯起來。每個進程都有?個指針*files, 指向?張表files_struct,該表最重要的部分就是包含?個指針數組，每個元素都是?個指向打開?件的指針！所以，本質上，?件描述符就是該數組的下標。所以，只要拿著?件描述符，就可以找到對應的?件。

文件打開模式（r/w/a/a+）與權限控制

在 C 標準庫的 fopen 中，文件打開模式通過模式字符串指定，常用模式包括：

• "r"：以只讀方式打開文件，文件必須存在；讀操作從文件開頭開始。
• "r+"：以讀寫方式打開文件，文件必須存在；操作位置在開頭。
• "w"：以寫方式打開文件，如果文件不存在則創建；如果文件存在則清空原內容，相當于截斷文件再寫入。
• "w+"：以讀寫方式打開，效果類似于 w。
• "a"：以追加方式打開文件，如果文件不存在則創建；寫入時總是追加到文件末尾。
• "a+"：以讀寫方式打開，寫操作追加到末尾。

例如，上述代碼示例中 fopen("log.txt", "w") 會創建新文件或清空已有文件，并將數據寫入。如果改為 "a" 模式，則不會清空原文件，而是將內容追加到末尾。這些模式與 shell 中的重定向符號類似：> 對應清空寫入，>> 對應追加寫入。

對于系統調用 open，訪問模式和標志通過參數 flags 指定。常見的標志包括：

• 訪問模式：O_RDONLY（只讀）、O_WRONLY（只寫）、O_RDWR（讀寫）
• 創建模式：O_CREAT（如果文件不存在則創建）、O_EXCL（配合 O_CREAT 使用，如果文件已存在則打開失敗）
• 截斷追加：O_TRUNC（如果文件存在則清空其內容）、O_APPEND（寫操作追加到末尾）

這些標志是 位標志，可以通過按位或組合多個選項（位圖方式）。每個宏對應一個二進制位，例如 O_CREAT = 0x40。我們可以寫 O_WRONLY | O_CREAT 來同時設置只寫和創建標志。例如：

int fd = open("data.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0666);

上述調用試圖以讀寫模式打開 data.txt，如果不存在則創建，并在打開時清空原有內容。權限參數 0666 指定新文件的初始權限（隨后會受 umask 掩碼的影響，詳見下一節）。

需要注意的是，open 系統調用本身并不設置文件訪問權限，它只是使用提供的參數和當前進程的 umask 決定文件的最終權限。如果我們只讀打開已有文件（不需要創建），可以省略權限參數，只傳兩個參數即可。

C 語言與系統調用在文件管理中的應用

在 C 語言中，文件操作常用標準庫函數，如 fopen/fclose、fread/fwrite、fprintf/fscanf 等。這些函數在用戶態提供了方便的接口，但它們底層最終都會調用相應的系統調用。簡而言之：

• C 標準庫函數（例如 fopen, fclose, fread, fwrite）是一種對系統調用的封裝，使用起來更方便，自動管理緩沖區。
• 系統調用（例如 open, close, read, write）是內核提供的底層接口，功能更原始，需要程序員自己處理緩沖和錯誤。

講稿總結道：

fopen, fclose, fwrite, fread —— C 庫函數；
open, close, write, read —— 系統調用；
C 庫函數就是系統調用的封裝。

我們在前面的示例代碼中就使用了 fopen/fputs 和 open/write 的組合。二者的使用基本相同，只是一個返回 FILE*，另一個返回 int fd。C 庫函數在底層自動調用了相同功能的系統調用，并通常帶有文件緩沖機制。

比如，可以用下面代碼分別展示兩種方法寫文件：

// 使用 C 庫函數 fwrite
#include <stdio.h>
int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "w");if (!fp) return 1;fprintf(fp, "Hello, libc!\n");fclose(fp);return 0;
}
// 使用系統調用 write
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {int fd = open("test_sys.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (fd < 0) return 1;const char *msg = "Hello, syscall!\n";write(fd, msg, strlen(msg));close(fd);return 0;
}

兩個示例效果類似，但實現層次不同。第二個示例是直接與內核交互，第一種方式在內部會調用第二種方式并做緩沖。了解兩者的差異有助于在需要精細控制時直接使用系統調用，而大部分應用開發可以繼續使用更易用的 C 庫函數。

權限控制與 umask 的影響

Linux 中每個文件都有訪問權限設置，一般用三組 rwx 位表示屬主、屬組和其它用戶的讀寫執行權限。對于新創建的文件，open 系統調用第三個參數指定了文件的初始權限（如 0666，即默認可讀可寫），但最終權限還會受進程的文件模式掩碼（umask）影響。操作系統會將給定的權限值與 umask 做按位與再取反，從而得出文件的實際權限。例如：如果進程的 umask 為 022，新文件的默認權限 0666 會變成 0644（去掉了對“其它用戶”的寫權限）。

講稿中演示了這一過程：在 open("log.txt", O_CREAT, 0666) 后發現文件權限并非 0666 而是根據掩碼修正后的值。可以在程序中調用 umask(0) 來臨時將掩碼清零，這樣之后創建文件就會嚴格使用指定的權限。要注意，umask 是進程級的屬性，修改當前進程的 umask 不會影響其他進程。

例如：

# 進程默認 umask 為 022，創建文件時權限=0666&~022=0644
$ touch file1.txt
$ ls -l file1.txt
-rw-r--r-- # 改變 umask 后再創建
$ umask 000
$ touch file2.txt
$ ls -l file2.txt
-rw-rw-rw-  # 此時文件權限就是0666 

在上述示例中，可以看到 umask 影響了新文件的權限。此外，open 的權限參數只有在指定 O_CREAT 時才有效，如果只讀打開現有文件就不需提供權限參數。

位圖與標志位參數傳遞的機制

在許多系統調用（如 open、mmap、socket 等）中，為了同時傳遞多個選項，Linux 通常采用**位掩碼（bitmap）**的方式。即將整型參數的每一位作為獨立的開關。這樣我們可以用按位或（|）來組合多個選項，僅需一個參數即可表示多個布爾配置。

以 open 為例，其 flags 參數就是一個 32 位的位圖，每個標志宏（如 O_RDONLY=0x0000、O_WRONLY=0x0001、O_CREAT=0x0040 等）在這個整數中只有一個位為 1。多個標志可以組合，比如 O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC。下面這個示例片段演示了位掩碼的原理（簡化示意）：

#define ONE   (1<<0)
#define TWO   (1<<1)
#define THREE (1<<2)void Test(int flags) {if (flags & ONE)   printf("ONE\n");if (flags & TWO)   printf("TWO\n");if (flags & THREE) printf("THREE\n");
}int main() {Test(ONE | THREE);  // 輸出 ONE 和 THREEreturn 0;
}

在 open("file", O_WRONLY | O_CREAT) 的調用中，flags 參數的值就是上述位或的結果。內核讀取這個整數后，通過與操作檢查各個位是否被設置，從而知道用戶希望啟用哪些功能。這種位圖傳參機制非常靈活，能夠支持在單個參數中傳遞多個選項，也避免了傳遞過多單獨參數。對開發者來說，只需記住各個宏代表的含義，并使用按位或即可組合使用。

【課外補充】此處介紹的位圖傳參方法在很多系統調用和庫接口中都很常見，不限于文件操作。例如 open、fcntl、mmap、網絡編程的 socket 等調用都使用類似方式傳遞標志位。