【C语言】文件I/O的不同方式：文件描述符fd和FILE *

fd（文件描述符）和 FILE *（文件指针）是 C 语言中用于处理文件 I/O 的两种不同机制，分别属于 低层系统调用接口 和 标准库函数接口。它们在使用方式、功能特性和适用场景上有明显区别。

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📌 一、基本概念对比

特性	fd（文件描述符）	FILE *（文件指针）
类型	int 类型整数	FILE * 指针类型
所属接口	POSIX 系统调用（如 Linux/Unix）	ANSI C 标准库（stdio.h）
示例函数	open(), read(), write(), close()	fopen(), fread(), fwrite(), fclose()
缓冲机制	无缓冲（直接系统调用）	有缓冲（性能更好）

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1.1 缓冲机制的作用

• FILE * 的缓冲：C 标准库中的 FILE * 提供了用户空间的缓冲区。当你使用像 fread() 或 fwrite() 这样的函数读写数据时，数据首先被存储到这个缓冲区中。只有当缓冲区满、执行 fflush() 操作、或关闭文件时，这些数据才会一次性地传输到内核空间并最终写入磁盘或其他设备。这种方式减少了实际 I/O 操作的次数，从而提高了效率。

• fd 的无缓冲：直接使用系统调用如 read() 和 write() 对应的是文件描述符 fd。每次调用都会导致一次从用户空间到内核空间的切换，并且每次调用都可能产生一次实际的 I/O 操作。这种模式下没有额外的用户空间缓冲，所以对于小块数据的频繁读写来说，可能会更慢，因为每次操作都有固定的开销。

1.2 示例说明

假设你需要写入一条日志信息到文件：

• 使用 fd：

  write(fd, "Log message\n", strlen("Log message\n"));
  

  每次调用 write() 都会产生一次系统调用，这对于频繁的日志记录来说开销较大。

• 使用 FILE *：

  fprintf(fp, "Log message\n");
  

  数据首先会被写入用户空间的缓冲区，只有在缓冲区满了或者显式调用 fflush(fp) 时，才会真正触发一次系统调用。这样可以在不影响功能的前提下，大幅减少系统调用的频率。

🧱 二、核心区别详解

1. 抽象层级不同

• fd 是操作系统层面的 底层接口，直接操作内核提供的文件描述符。
• FILE * 是 C 标准库对 fd 的封装，提供了更高层次的抽象和缓冲机制。

2. 跨平台性

• fd：主要用于 Unix/Linux 系统，在 Windows 上不兼容。
• FILE *：跨平台支持好（Windows、Linux、Mac 都支持），推荐用于可移植代码。

3. 缓冲机制

• fd：没有缓冲，每次读写都直接访问磁盘或设备，效率较低。
• FILE *：自带缓冲区，减少实际 I/O 操作次数，提高性能。

4. 功能丰富性

• FILE * 支持格式化输入输出（如 fprintf, fscanf），而 fd 不支持，只能处理原始字节流。

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🛠️ 三、常见函数对照表

操作	fd 接口（系统调用）	FILE * 接口（标准库）
打开文件	open("file.txt", O_RDONLY)	fopen("file.txt", "r")
读取数据	read(fd, buf, size)	fread(buf, 1, size, fp)
写入数据	write(fd, buf, size)	fwrite(buf, 1, size, fp)
关闭文件	close(fd)	fclose(fp)
文件定位	lseek(fd, offset, SEEK_SET)	fseek(fp, offset, SEEK_SET)
获取当前位置	lseek(fd, 0, SEEK_CUR)	ftell(fp)

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🔁 四、如何相互转换？

从 fd 转换为 FILE *

int fd = open("file.txt", O_RDONLY);
FILE *fp = fdopen(fd, "r");  // 成功后可以用标准库函数读写

从 FILE * 转换为 fd

FILE *fp = fopen("file.txt", "r");
int fd = fileno(fp);  // 获取对应的文件描述符

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🎯 五、适用场景对比

场景	推荐使用
需要高性能、直接控制文件偏移	fd
需要格式化读写（如文本日志）	FILE *
跨平台开发	FILE *
嵌入式系统、驱动开发、网络通信	fd
需要缓冲优化性能	FILE *

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✅ 六、示例对比

使用 fd：

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int fd = open("test.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
const char *msg = "Hello, world!\n";
write(fd, msg, strlen(msg));
close(fd);

使用 FILE *：

#include <stdio.h>

FILE *fp = fopen("test.txt", "w");
fprintf(fp, "Hello, world!\n");
fclose(fp);

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🧾 总结一句话：

• fd 是更接近系统的底层接口，适合需要精确控制和高效处理的场景；
• FILE * 是 C 标准库封装的高层接口，使用简单、功能丰富，适用于大多数应用程序开发；