Linux 系统 IO 编程入门：从文件操作到硬件设备访问

在 Linux 系统开发中，"一切皆文件" 的哲学贯穿始终，无论是普通文本还是硬件设备，都可以通过统一的文件操作接口进行交互。本文将从基础概念出发，详细讲解 Linux 系统 IO 的核心函数与使用方法，帮助初学者快速掌握文件操作与硬件设备访问的精髓。

一、Linux 系统开发核心范畴

Linux 系统开发主要围绕四大核心模块展开，这些模块共同构成了嵌入式与服务器端应用开发的基础：

1. 硬件设备访问：通过内核接口间接控制硬件（如显示器、串口），是嵌入式开发的核心
2. 多任务处理：基于进程、线程等机制实现并发程序设计
3. 网络编程：开发基于 TCP/IP、UDP 等协议的网络应用
4. 数据库编程：通过数据库接口实现数据的存储与管理

对于系统 IO 而言，我们重点关注的是硬件设备访问与文件操作的统一逻辑。

二、文件操作基础概念

2.1 文件的定义与类型

在 Linux 中，文件不仅包括普通数据文件，还包括硬件设备的抽象表示。主要类型有：

类型标识	说明	示例
-	普通文件	源码文件、可执行程序
d	目录文件	/home、/etc
l	链接文件	快捷方式
c	字符设备	键盘、串口（/dev/ttyS0）
b	块设备	硬盘、U 盘（/dev/sda1）
p	管道文件	进程间通信临时文件
s	套接字文件	网络通信文件（/var/run/docker.sock）

2.2 文件描述符（FD）

文件描述符是 Linux 中标识已打开文件 / 设备的非负整数，本质是内核文件记录表的索引。程序启动时会自动打开三个标准描述符：

• STDIN_FILENO = 0：标准输入（键盘）
• STDOUT_FILENO = 1：标准输出（终端）
• STDERR_FILENO = 2：标准错误（终端）

所有文件操作都通过文件描述符进行，需通过open()等函数获取，使用完毕后必须关闭以释放资源。

2.3 文件权限

Linux 文件权限分为所有者、组用户和其他用户三类，每类包含读（r）、写（w）、执行（x）权限，对应八进制值分别为 4、2、1。例如：

• rw-r--r--表示：所有者可读写，组用户和其他用户仅可读
• rwxr-xr-x表示：所有者拥有全部权限，组用户和其他用户可读写执行

三、系统 IO 核心函数详解

系统 IO 是直接调用内核接口的文件操作方式，无缓冲机制，适合对硬件设备的精准控制。核心函数如下：

3.1 access：检查文件存在性与权限

用于操作前验证文件是否存在或是否拥有指定权限：

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

int main(int argc, char**argv) {
    if(argc < 2) {
        printf("用法: %s <文件路径>\n", argv[0]);
        return -1;
    }
    
    // 检查文件是否存在
    if(access(argv[1], F_OK) == -1) {
        perror("文件不存在或无权限");
        return -1;
    }
    
    // 检查是否有读权限
    if(access(argv[1], R_OK) == 0) {
        printf("拥有读权限\n");
    }
    
    return 0;
}

3.2 open：打开或创建文件

打开已有文件或创建新文件，返回文件描述符：

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

int main() {
    // 以读写方式打开显示器设备
    int fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
    if(fd == -1) {
        perror("打开设备失败");
        return -1;
    }
    
    // 创建新文件（权限：所有者读写，其他只读）
    int file_fd = open("test.log", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if(file_fd == -1) {
        perror("创建文件失败");
        close(fd);
        return -1;
    }
    
    close(fd);
    close(file_fd);
    return 0;
}

flags参数关键选项：

• 必选项：O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）、O_RDWR（读写）
• 附加项：O_CREAT（创建文件）、O_APPEND（追加模式）、O_TRUNC（清空文件）

3.3 read/write：读写数据

从文件 / 设备读取或写入数据：

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

int main() {
    int fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    if(fd == -1) {
        perror("打开失败");
        return -1;
    }
    
    // 写入数据
    const char* data = "Hello Linux IO";
    write(fd, data, strlen(data));
    
    // 移动到文件开头
    lseek(fd, 0, SEEK_SET);
    
    // 读取数据
    char buf[128] = {0};
    read(fd, buf, sizeof(buf)-1);
    printf("读取内容: %s\n", buf);
    
    close(fd);
    return 0;
}

3.4 lseek：移动文件指针

调整读写位置，实现随机访问或获取文件大小：

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

int main(int argc, char**argv) {
    if(argc < 2) return -1;
    
    int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if(fd == -1) {
        perror("打开失败");
        return -1;
    }
    
    // 获取文件大小（将指针移到末尾）
    off_t size = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    printf("文件大小: %ld 字节\n", size);
    
    // 移到文件中间位置
    lseek(fd, size/2, SEEK_SET);
    
    close(fd);
    return 0;
}

3.5 mmap：高效文件映射（零拷贝技术）

将文件 / 设备直接映射到进程内存，操作内存即操作文件，大幅提升效率：

#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 打开文件
    int fd = open("map_test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    if(fd == -1) { perror("open"); return -1; }
    
    // 写入初始内容
    const char* init = "初始内容";
    write(fd, init, strlen(init));
    
    // 获取文件大小
    int size = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    
    // 建立内存映射
    char* map_addr = (char*)mmap(
        NULL,           // 系统自动分配地址
        size,           // 映射大小
        PROT_READ | PROT_WRITE,  // 读写权限
        MAP_SHARED,     // 修改同步到文件
        fd, 0           // 文件描述符和偏移量
    );
    
    if(map_addr == MAP_FAILED) { perror("mmap"); return -1; }
    
    // 操作内存即操作文件
    printf("原内容: %s\n", map_addr);
    strcpy(map_addr, "映射修改");
    
    // 解除映射
    munmap(map_addr, size);
    close(fd);
    return 0;
}

四、硬件设备访问实践

以显示器设备（/dev/fb0）为例，演示如何通过系统 IO 控制硬件：

#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开显示器设备
    int fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
    if(fd == -1) {
        perror("无法打开显示器");
        return -1;
    }
    
    // 获取屏幕参数
    struct fb_var_screeninfo info;
    ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &info);
    int width = info.xres;    // 宽度
    int height = info.yres;   // 高度
    int bpp = info.bits_per_pixel / 8;  // 每像素字节数
    
    // 计算帧缓冲大小并映射
    int size = width * height * bpp;
    int* lcd_mem = (int*)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(lcd_mem == MAP_FAILED) {
        perror("映射失败");
        close(fd);
        return -1;
    }
    
    // 填充红色（RGB格式：0x00FF0000）
    for(int i = 0; i < width * height; i++) {
        lcd_mem[i] = 0x00FF0000;
    }
    
    // 清理资源
    munmap(lcd_mem, size);
    close(fd);
    return 0;
}

五、总结

Linux 系统 IO 通过统一的文件操作接口，实现了对普通文件和硬件设备的一致访问。核心要点包括：

1. 掌握 "打开 - 操作 - 关闭" 的基本流程
2. 理解文件描述符的作用与生命周期
3. 熟悉核心函数（open/read/write/mmap 等）的参数与返回值
4. 利用 mmap 实现高效的设备操作

通过本文的学习，相信你已经对 Linux 系统 IO 有了初步认识。实际开发中，还需要注意错误处理、资源释放等细节，多动手实践才能真正掌握这一核心技术。