unix/Linux 低级IO函数的用法

本文详细解读Unix环境下高级编程中的关键I/O操作,包括open、read、write、ioctl和lseek等函数,通过实例代码演示如何进行文件的读写操作。

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写module ,必要的应用编程知识是应该要有的, 否则 ,怎么写应用程序来测试你的module或者driver呢?

而且最主要的是 , 了解上层调用的接口, 你就明白了上层的开发者需要什么, 自己才好实现什么。 


把手里的看书的事情都放下, 先把 Unix环境高级编程这本书 的第三章 彻底搞熟它 

内容包括:
open() ,尤其是各种常见的参数,到底是什么意思, 比如常用创建一个空文件: fd = open("/tmp/xx.txt",O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC);
读一个文件,         fd = open("/dev/hello",O_RDONLY );  
如果就是要写一个既有的文件, fd = open("/dev/hello",O_WRONLY );  

具体的参数: man 2 open 

read(), 
write()
ioctl()  ,这个最重要。
lseek() , 文件指针移动






比如下面的例子:

就是简单的读一个文件:

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc,char **argv)
{
        int fd = 0;
        int pid = 0;
        char buffer[20] = {'\0'};
        char *read_buffer[20] = {'\0'};

        //fd = open("/dev/hello",O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC);
        fd = open("/dev/hello",O_RDONLY ); //| O_NONBLOCK);
        printf("fd=%d\n",fd);
        if(fd < 0) {
                perror("/dev/hello");
                return -1;
        }

        read(fd,read_buffer,sizeof(read_buffer)-1);
        printf("read_buffer=%s\n",read_buffer);


        close(fd);

        return 0;
}





---

下面这个就是简单的写一个文件 ,
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc,char **argv)
{
        int fd = 0;
        int pid = 0;
        char buffer[20] = {'\0'};
        char write_buffer[20] = {'\0'};

        strcpy(write_buffer,"zhanglinbao");

        fd = open("/dev/hello",O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC);
        //fd = open("/dev/hello",O_RDONLY);
        printf("fd=%d\n",fd);
        if(fd < 0) {
                perror("/dev/hello");
                return -1;
        }

        write(fd,write_buffer,sizeof(write_buffer)-1);

        close(fd);

        return 0;
}
<think>首先,用户的问题是:“我想理解Linux中标准IO和文件IO的区别 请问Linux 标准IO与文件IO的差异”。我需要基于提供的引用材料来回答。 关键引用: - 引用[1]:描述了在Unix和类Unix系统中,标准输入(stdin)、标准输出(stdout)和标准错误(stderr)在系统IO和标准IO中行为一致,但表示形式不同。系统IO是底层IO。 - 引用[2]:LinuxIO操作基于文件描述符(int),使用系统调用如open、read、write、close。文件IO是不带缓冲的。 - 引用[3]:文件IO是不带缓冲的,因为每个read和write调用内核系统调用。数据不会实时写入磁盘,而是放在内核缓冲区中。 - 引用[4]:提到了标准IO函数如fopen、fclose、fgets、fputs等,以及全缓存函数如fread和fwrite。 我需要总结标准IO和文件IO的区别: 1. **标准IO(Standard I/O)**:高级库函数,提供缓冲机制,减少系统调用次数。函数如fopen, fclose, fread, fwrite, fgets, fputs等。它使用FILE指针(文件流)。 2. **文件IO(File I/O)或系统IO**:底层系统调用,直接与内核交互。使用文件描述符(整数),函数如open, read, write, close。它不带缓冲或只有内核级缓冲。 主要差异: - **缓冲**:标准IO有用户空间缓冲(行缓冲、全缓冲、无缓冲),而文件IO没有用户空间缓冲,每个操作直接调用系统调用。 - **接口**:标准IO使用FILE指针(如FILE *),文件IO使用文件描述符(如int fd)。 - **性能**:标准IO的缓冲减少了系统调用次数,提高了效率;文件IO更直接但可能更慢。 - **错误处理**:标准IO提供更丰富的错误处理机制。 - **可移植性**:标准IO更可移植,因为它是C标准库的一部分;文件IO是特定于Unix/Linux的系统调用。 - **使用场景**:标准IO适合一般文件操作;文件IO适合需要低级别控制的场景,如设备操作。 回答结构: - 先解释两者是什么。 - 列出主要差异。 - 提供例子或代码片段(如果需要)。 - 确保使用中文。 - 在回答中自然地添加引用标识。 - 生成相关问题。 系统级指令: - 行内数学表达式用$...$,但这里可能不需要数学表达式。 - 独立公式用$$...$$,但可能不适用。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 引用段落末尾添加引用标识。 回答结构: 1. **引言**:简要介绍主题。 2. **定义**:解释标准IO和文件IO。 3. **主要区别**:以列表或表格形式列出差异。 4. **例子**:提供代码示例(可选)。 5. **总结**:概括关键点。 6. **相关问题**:生成相关问题。 代码示例:如果提供,确保格式正确。引用中提到了一些函数,我可以简要描述。 最终,生成相关问题。</think>### Linux 标准IO与文件IO的差异 在Linux系统中,输入输出(I/O)操作是核心功能之一。标准IO(Standard I/O)和文件IO(File I/O)是两种不同的I/O处理方式,它们在实现机制、性能和应用场景上有显著差异。下面我将逐步解释它们的区别,帮助您清晰理解。 #### 1. **基本定义** - **标准IO(Standard I/O)**:这是基于C标准库的高级I/O接口,提供缓冲机制以减少系统调用次数。它使用文件流(FILE指针)进行操作,函数如`fopen`, `fclose`, `fread`, `fwrite`, `fgets`, `fputs`等。标准IO默认处理三个特殊文件:标准输入(stdin)、标准输出(stdout)和标准错误(stderr),这些文件的行为在系统IO和标准IO中是一致的[^1]。 - **文件IO(File I/O)**:也称为系统IO或底层IO,是直接调用Linux内核系统调用的低级接口。它使用文件描述符(一个非负整数)来标识文件,函数如`open`, `read`, `write`, `close`等。文件IO不带用户空间缓冲,每个操作都直接触发内核调用[^2]。 #### 2. **主要差异** 以下是标准IO和文件IO的关键区别,基于实现机制、性能和使用方式: | 特性 | 标准IO | 文件IO | 参考来源 | |------------------|--------------------------------------------|--------------------------------------------|----------| | **缓冲机制** | 提供用户空间缓冲(行缓冲、全缓冲或无缓冲),数据先缓存在用户内存,减少系统调用次数。例如,`fread`和`fwrite`使用全缓冲机制。 | 不带用户空间缓冲,每个`read`或`write`直接调用内核系统调用。数据可能暂存于内核缓冲区,但不立即写入磁盘[^3]。 | [^2][^3] | | **接口形式** | 使用文件流(FILE指针),如`FILE *fp = fopen("file.txt", "r")`。 | 使用文件描述符(整数),如`int fd = open("file.txt", O_RDONLY)`。 | [^1][^2] | | **性能影响** | 缓冲机制减少了内核调用次数,提高了I/O效率,尤其适用于频繁读写操作(如文本处理)。 | 无缓冲导致每次操作都涉及内核切换,可能较慢,但更直接可控,适合实时性要求高的场景(如设备驱动)。 | [^2][^3] | | **错误处理** | 提供更丰富的错误处理函数(如`ferror`和`feof`),可检测文件结束或错误状态。 | 错误通过系统调用返回值(如-1)和全局变量`errno`处理,需手动检查。 | [^4] | | **可移植性** | 基于C标准库(如glibc),高度可移植,适用于跨平台应用。 | 依赖Linux/Unix系统调用,可移植性较低,主要用于底层开发。 | [^1][^2] | | **使用场景** | 适合一般文件操作(如读写文本文件、格式化输出),简化开发。 | 适合需要精细控制的场景(如网络套接字、设备文件操作),或当标准IO缓冲不适合时。 | [^3][^4] | #### 3. **代码示例对比** 以下是一个简单的读写文件示例,展示两者在语法上的差异: - **标准IO示例**(使用缓冲机制): ```c #include <stdio.h> int main() { FILE *fp = fopen("example.txt", "w"); // 打开文件,使用FILE指针 if (fp != NULL) { fputs("Hello, Standard I/O!", fp); // 写入数据,缓冲后可能延迟写入 fclose(fp); // 关闭文件,刷新缓冲 } return 0; } ``` 这里,`fputs`可能不会立即写入磁盘,而是等待缓冲满或调用`fflush`。 - **文件IO示例**(无用户缓冲): ```c #include <fcntl.h> #include <unistd.h> int main() { int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644); // 打开文件,使用文件描述符 if (fd != -1) { write(fd, "Hello, File I/O!", 15); // 直接调用系统调用,数据进入内核缓冲区 close(fd); // 关闭文件,内核可能延迟写入磁盘 } return 0; } ``` 这里,`write`立即触发内核调用,但数据可能暂存于内核缓冲区,不保证实时写入磁盘[^3]。 #### 4. **总结** - **标准IO**:优势在于缓冲机制提升效率、简化编程,适合大多数应用层开发。缺点是缓冲可能引入延迟,不适合低延迟场景。 - **文件IO**:优势是直接控制、无额外缓冲,适合系统编程或高性能需求。缺点是开发复杂、性能开销大。 在实际开发中,两者常结合使用:例如,标准IO用于常规文件处理,而文件IO用于底层设备交互。理解这些差异有助于选择合适工具,优化程序性能[^2][^3]。
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