C语言标准I/O与Linux系统调用的文件操作

01. 标准库函数与系统调用对比

系统调用	标准I/O库
open/read/write/close	fopen/fread/fwrite/fclose
文件描述符(fd)	文件指针(FILE*)
无缓冲，直接系统调用	自动缓冲管理
每次操作触发系统调用	减少系统调用次数
<fcntl.h> <unistd.h>	<stdio.h>

系统调用封装层：
标准库函数在保证功能的前提下能够提升性能，扩展专属功能。

fopen与fread设计系统调用示例：

数据交换方式：

读写操作异同

系统调用族：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
//文件定位
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

标准库函数：

//文件读写
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
int fgetc(FILE *stream);
int fputc(int c, FILE *stream);
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
int fputs(const char *s, FILE *stream);
//文件查找
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
long int ftell(FILE *stream);
void rewind(FILE *stream);

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02. 系统调用文件操作

2.1 文件打开open()

系统调用 open()

向文件描述符fd写入数据。

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

• 参数说明：
  • flags：必选其一：O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR
  • 可选标志(一个/多个)：O_CREAT（创建）, O_APPEND（追加）, O_TRUNC（清空）等
  • mode：文件权限umask（八进制数，如0666）

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2.2 文件关闭close()

int close(int fd);

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2.3 文件写入write()

从用户空间buf读取count个字节数据写到fd指向的文件中。

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

• 参数：
  • fd：文件描述符
  • buf：被写入的数据缓冲区
  • count：要写入的字节数
• 返回值：成功返回写入的字节数，失败返回-1

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2.4 文件读取read()

从文件描述符fd指向的文件中读取count字节数据放到buf缓冲区内。

ssize_t read(int fd, const void *buf, size_t count);

• 参数：
  • fd：文件描述符
  • buf：读出的数据存放位置
  • count：要写入的字节数
• 返回值：成功返回写入的字节数，失败返回-1

ssize_t指有一个-1错误码表示失败的情况。

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2.5 文件定位lseek()

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

• whence参数：
  • SEEK_SET：文件开头
  • SEEK_CUR：当前位置
  • SEEK_END：文件结尾

返回值:成功: 返回新的offset。失败:返回(off_t)-1

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啊

文件操作基础流程： 打开文件 → 读写操作 → 关闭文件

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03.C文件的打开与关闭

3.2 二进制文件语文本文件

如数字63，在文本文件中表示6和3两个ASCII字符表示

'6' → 0x36
'3' → 0x33
文件内容：36 33//与字符编码一致

而在二进制文件中将63直接转化成二进制形式

//在32位下，int类型，
//小端对齐（字节内部顺序不变，储存顺序与阅读顺序相反即：00 00 00 3F是我们转换的二进制内容）
//需考虑字节序/对齐
3F 00 00 00  // 63的十六进制是0x3F

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3.2 文件的打开fopen()

//文件打开
FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

• 功能：打开文件并返回文件指针
• 参数：
  • pathname：文件路径
  • mode：打开模式（“r”, “w”, “a”, “r+”, “w+”, "a+"等）
• 返回值：成功返回FILE指针，失败返回NULL

打开模式： 输出->到磁盘

模式字符串	含义	如果指定文件不存在
“r”	只读 - 打开文本文件输入数据	出错
“w”	只写 - 创建文本文件输出数据	建立新文件
“a”	追加 - 向文本文件尾添加数据	建立新文件
“rb”	只读 - 打开二进制文件输入数据	出错
“wb”	只写 - 创建二进制文件输出数据	建立新文件
“ab”	追加 - 向二进制文件尾添加数据	建立新文件
“r+”	读写 - 打开文本文件进行读写	出错
“w+”	读写 - 创建新文本文件进行读写	建立新文件
“a+”	读写 - 打开文本文件在文件尾读写	建立新文件
“rb+”	读写 - 打开二进制文件进行读写	出错
“wb+”	读写 - 创建新二进制文件进行读写	建立新文件
“ab+”	读写 - 打开二进制文件在文件尾读写	建立新文件

注意：

• w 系列模式（"w", "w+","wb", "wb+"）：强制清空。
• a 系列模式（"a", "a+","ab", "ab+"）：追加写入。
• r 系列模式（"r", "r+","rb", "rb+"）：保留内容（文件必须存在）

示例：fopen("log.txt", "r")

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3.3 文件的关闭fclose()

int fclose(FILE *stream);

• 成功返回 0，失败返回 EOF
• 必须调用以避免资源泄漏

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04. 文件顺序读写

4.1字符读写

int fgetc(FILE *stream);      // 读取一个字符
int fputc(int c, FILE *stream); // 写入一个字符到流中

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4.2字符串读写

int fputs(const char *str, FILE *stream);    // 写入字符串到流中

特性：

• 函数在遇到第一个 \0 时就停止

char *fgets(char *str, int n, FILE *stream); // 读取n-1字符到str中，最后一个位置自动补`\0`

• fgets 读取到换行符或 n-1 个字符后停止
• 自动添加 \0 终止符

4.3 格式化读写

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...); // 格式化写入到磁盘

将可变参数中的数据，按照编写的format格式写入到strem流（先缓存再刷新到磁盘）中。

• stream：目标文件（如 stdout、stderr 或 FILE* 文件指针）
• format：格式化字符串（类似 printf）
• ...：可变参数
• 返回值：成功时返回写入的字符数，失败返回负值。

+--------------------------+    格式化转换    +-------------------+    写入文件
|  变量 (age, score,add)   |  ------------>  | 格式化后的字符串    | ------------> log.txt
+--------------------------+                 +-------------------+

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int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);  // 格式化读取内存

从strem(文件流)中按照format的格式匹配数据，转换数据并存储到变量当中。

• stream：源文件（如 stdin 或 FILE* 文件指针）
• format：格式化字符串（指定如何解析数据）
• ...：可变参数（存储读取的数据）
• 返回值：成功匹配的参数个数，失败或 EOF 时返回 EOF（-1）

+-------------------+    解析 & 转换     +---------------------+
| 文件内容 (字符串) |    ------------>   | 变量 (age, score,add)|
+-------------------+                   +---------------------+

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//将格式化数据写入字符串str
int sprintf(char *str, const char *format, ...);

//从字符串str中读取格式化输入 变量...
int sscanf(const char *str, const char *format, ...);

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4.4 二进制读写

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

参数说明：

• ptr：指向要读写的数据的指针
• size：单个元素字节数
• nmemb：读写元素数量
• stream: 文件指针

返回值：成功读写的元素个数

二进制写/读：stus是一个结构体数组可做首地址类似于数组名。

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05. 文件随机读写

5.1 fseek()

功能：根据文件指针位置和偏移量来定位文件指针,跳转到指定位置

int fseek(FILE *stream, long offset, int origin);

• 参数：
  • stream：文件指针。
  • offset：偏移量（字节数）。
  • origin：基准位置，可选值：
    • SEEK_SET：文件开头。
    • SEEK_CUR：当前位置。
    • SEEK_END：文件末尾。

5.2 ftell()

功能：返回当前文件指针相对于起始位置偏移量

long ftell(FILE *stream);

5.3 rewind()

功能：让文件指针回到文件起始位置

void rewind(FILE *stream);