Linux I/O 文件操作详解：从系统调用到实际工程应用

一、写在前面

在 Linux 或任何类 Unix 操作系统中，文件是一切的核心 —— 无论是硬盘上的文本文件，还是串口设备、GPIO寄存器、甚至网络接口，几乎都被抽象为“文件”。理解 Linux 下的 I/O 文件操作机制，不仅是嵌入式开发的基础，也是进行系统编程与底层控制的关键。

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二、I/O 的本质：一切皆文件

Linux 将外设抽象成文件的方式，统一了对各种资源的操作模型。你可以用 open 打开串口设备 /dev/ttyS0，也可以用 read/write 操作传感器 /sys/class/hwmon/，它们底层走的是同一套文件 I/O 接口。

文件类型示意：

类型	路径示例	描述
普通文件	/home/user/log.txt	文本或二进制文件
设备文件	/dev/ttyUSB0	串口、I2C、SPI 等设备
虚拟文件	/proc/cpuinfo	内核状态接口
管道/套接字	/tmp/mysocket	IPC、网络通信

三、系统调用层：open、read、write、close

这是 C/C++ 程序员在 Linux 中进行文件操作最基本的方式，适用于嵌入式系统、驱动开发等需要精细控制资源的场景。

1. open() - 打开文件

#include int fd = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);

• O_RDONLY / O_WRONLY / O_RDWR：读、写、读写权限

• O_CREAT：若文件不存在则创建（需搭配 mode_t 权限位）

• 返回值：文件描述符（int 类型，≥0）或 -1（出错）

2. read() - 读取数据

ssize_t len = read(fd, buf, sizeo(buf));

 

• 阻塞直到读取到数据或出错

• 返回读取的字节数

3. write() - 写入数据

write(fd, "hello", 5);

4. close() - 关闭文件

close(fd);

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四、标准 I/O 层（C库层）：fopen、fread、fwrite、fclose

stdio.h 提供的标准 I/O 函数基于文件流，适合操作文本文件或非高实时性的文件操作，底层仍通过系统调用实现。

示例：

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

标准 I/O 提供了缓冲机制，默认对终端是行缓冲、对文件是全缓冲，这使得它更适合批量文件操作。

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五、文件描述符与 FILE* 的区别

层级	类型	示例	是否缓冲
系统调用层	int	open()	否
C标准库层	FILE*	fopen()	是

标准库封装了系统调用，并加上了缓冲处理。在高性能嵌入式应用中，建议使用系统调用方式获得最大控制力。

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六、文件权限与访问控制

Linux 每个文件都具备权限控制位（rwx），其权限由 chmod 设置，程序中也可以指定：

int fd = open("data.txt", O_CREAT | O_WRONLY, 0644);

• 0644：所有者读写，其他人只读

• 0777：全权限

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七、常用文件操作函数一览（快速参考）

操作	系统调用	标准库函数
打开文件	open()	fopen()
读取文件	read()	fread()  / fgets()
写入文件	write()	fwrite()  / fprintf()
移动指针	lseek()	fseek()
关闭文件	close()	fclose()
删除文件	unlink()	remove()