2 系统调用IO

2.1 基本概念

Linux系统调用IO（也叫"不带缓冲的IO"或"原始IO"）是操作系统提供的最底层文件操作接口。每个 open/read/write/close 调用都会直接陷入内核，由内核完成实际的IO操作。

与C库IO的本质区别：

C库IO：用户空间有缓冲区，攒够数据再调用系统调用（减少陷入内核次数）
系统调用IO：每次操作都直接陷入内核（无用户空间缓冲）

为什么系统调用IO重要：

嵌入式开发中，设备文件（如 /dev/input/event0、/dev/fb0）必须用系统调用IO操作
ioctl、mmap、fcntl 等系统调用只能通过文件描述符使用
理解系统调用IO是理解驱动 file_operations 接口的前提
多路复用（select/poll/epoll）基于文件描述符工作

文件描述符（File Descriptor）：

进程打开文件时，内核返回一个非负整数作为文件描述符（fd）
每个进程有一个文件描述符表，fd是该表的索引
标准输入 fd=0，标准输出 fd=1，标准错误 fd=2
新打开的文件通常从fd=3开始分配

2.2 核心API详解

2.2.1 open — 打开或创建文件

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

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

参数：

pathname：文件路径
flags：打开标志（必须指定以下之一）
mode：文件权限（仅在创建新文件时有效，受 umask 影响）

必选标志（三选一）：

标志	含义
`O_RDONLY`	只读打开
`O_WRONLY`	只写打开
`O_RDWR`	读写打开

可选标志（按位或组合使用）：

标志	含义
`O_CREAT`	文件不存在则创建（需要mode参数）
`O_TRUNC`	打开时清空文件内容（等效"w"）
`O_APPEND`	追加模式，每次写入自动定位到末尾
`O_NONBLOCK`	非阻塞模式（设备文件、管道、socket常用）
`O_EXCL`	与O_CREAT组合使用，文件已存在则报错（原子创建）
`O_SYNC`	每次write等待数据写入磁盘后才返回
`O_NOCTTY`	如果pathname是终端设备，不将其设为控制终端

返回值：

成功：返回文件描述符（非负整数）
失败：返回 -1，设置 errno

mode权限值（八进制）：

权限	含义
`S_IRUSR`	用户读（0400）
`S_IWUSR`	用户写（0200）
`S_IXUSR`	用户执行（0100）
`S_IRGRP`	组读（0040）
`S_IWGRP`	组写（0020）
`S_IXGRP`	组执行（0010）
`S_IROTH`	其他读（0004）
`S_IWOTH`	其他写（0002）
`S_IXOTH`	其他执行（0001）

常用组合：S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH（0644，用户读写，组和其他只读）

2.2.2 close — 关闭文件描述符

#include <unistd.h>

int close(int fd);

返回值： 成功返回 0，失败返回 -1

重要： 关闭文件描述符会释放该fd对应的内核资源（file struct、inode引用等）。如果不关闭，进程退出时会自动关闭，但长期运行的进程可能耗尽文件描述符。

易错点： 关闭后再使用该fd是未定义行为。如果有其他文件描述符指向同一个打开文件（如dup复制的），关闭一个不影响另一个。

2.2.3 read — 读取数据

#include <unistd.h>

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

参数：

fd：文件描述符
buf：读取数据的缓冲区
count：最多读取的字节数

返回值：

成功：实际读取的字节数（0表示已到文件末尾）
失败：返回 -1，设置 errno
被信号中断：返回 -1，errno 为 EINTR（需要重试）

注意： read 可能返回小于 count 的值，原因包括：

到达文件末尾
被信号中断
从管道或socket读取时数据不足

2.2.4 write — 写入数据

#include <unistd.h>

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

参数：

fd：文件描述符
buf：要写入的数据缓冲区
count：要写入的字节数

返回值：

成功：实际写入的字节数
失败：返回 -1，设置 errno

易错点： write 返回值小于 count 是正常的（磁盘快满、信号中断等），需要处理部分写入的情况。

2.2.5 lseek — 文件定位

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

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

参数：

fd：文件描述符
offset：偏移量（字节）
whence：基准位置
- SEEK_SET：文件开头
- SEEK_CUR：当前位置
- SEEK_END：文件末尾

返回值： 成功返回新的文件偏移量（距文件开头的字节数），失败返回 -1

常见用途：

lseek(fd, 0, SEEK_END) — 获取文件大小
lseek(fd, 0, SEEK_SET) — 回到文件开头
lseek(fd, offset, SEEK_CUR) — 跳过某些数据

特殊用法 — 创建稀疏文件：

lseek(fd, 1024 * 1024, SEEK_SET); // 跳到1MB位置
write(fd, "A", 1);                 // 写入1字节
// 文件大小为1MB+1，但实际只占用很少的磁盘块

易错点： 管道、socket、某些设备文件不支持 lseek（会返回 -1，errno为ESPIPE）。

2.2.6 ioctl — 设备控制

#include <sys/ioctl.h>

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

参数：

fd：文件描述符（指向设备文件）
request：控制命令（设备特定的宏定义）
...：可选参数（取决于request）

用途：

获取设备信息
配置设备参数
控制设备行为（如电机转动、LED闪烁）

常见示例：

#include <linux/fb.h>

// 获取 framebuffer 信息
struct fb_var_screeninfo vinfo;
int ret = ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);

// 获取终端窗口大小
struct winsize ws;
ioctl(STDOUT_FILENO, TIOCGWINSZ, &ws);

嵌入式应用举例：

// 操作GPIO设备文件
int fd = open("/dev/gpio0", O_RDWR);
int value = 1;
ioctl(fd, GPIO_SET_VALUE, &value);  // 设置GPIO高电平
close(fd);

ioctl是嵌入式Linux应用开发的核心接口之一，驱动通过ioctl向用户空间暴露各种控制功能。

2.3 完整代码示例

示例1：系统调用IO文件复制（对比C库版本）

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

#define BUF_SIZE 4096

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 3) {
        fprintf(stderr, "用法: %s <源文件> <目标文件>\n", argv[0]);
        return 1;
    }

    // 打开源文件
    int src_fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (src_fd < 0) {
        perror("open src");
        return 1;
    }

    // 创建目标文件（权限0644）
    int dst_fd = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (dst_fd < 0) {
        perror("open dst");
        close(src_fd);
        return 1;
    }

    char buf[BUF_SIZE];
    ssize_t n;
    while ((n = read(src_fd, buf, BUF_SIZE)) > 0) {
        ssize_t written = 0;
        // 处理部分写入
        while (written < n) {
            ssize_t w = write(dst_fd, buf + written, n - written);
            if (w < 0) {
                perror("write");
                close(src_fd);
                close(dst_fd);
                return 1;
            }
            written += w;
        }
    }

    if (n < 0) {
        perror("read");
    }

    close(src_fd);
    close(dst_fd);
    printf("复制完成\n");
    return 0;
}

编译：gcc -o syscall_copy syscall_copy.c

与C库版本的关键差异：

没有缓冲区概念，每次read/write都是系统调用
write需要处理部分写入（循环写入直到全部写完）
错误处理中需要手动关闭已打开的fd

示例2：读取设备信息（ioctl）

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

int main() {
    int fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("打开framebuffer设备失败");
        return 1;
    }

    struct fb_var_screeninfo vinfo;
    if (ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo) < 0) {
        perror("ioctl FBIOGET_VSCREENINFO");
        close(fd);
        return 1;
    }

    printf("分辨率: %dx%d\n", vinfo.xres, vinfo.yres);
    printf("色深: %d bpp\n", vinfo.bits_per_pixel);
    printf("红通道: %d-%d bits\n", vinfo.red.offset, vinfo.red.length);

    close(fd);
    return 0;
}

编译：gcc -o fb_info fb_info.c（需要root权限运行）

示例3：非阻塞IO示例

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

int main() {
    // 以非阻塞方式打开设备文件
    int fd = open("/dev/input/event0", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buf[256];
    while (1) {
        ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if (n < 0) {
            if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {
                // 非阻塞模式下没有数据，稍后重试
                printf("暂无数据，等待中...\n");
                usleep(100000); // 100ms
                continue;
            }
            perror("read");
            break;
        }
        if (n == 0) {
            printf("设备关闭\n");
            break;
        }
        printf("读取到 %zd 字节数据\n", n);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

编译：gcc -o nonblock nonblock.c

2.4 注意事项与易错点

序号	坑点	说明
1	O_TRUNC的危险	`O_WRONLY \\| O_TRUNC` 会清空文件，等同于"w"模式
2	read返回EINTR	被信号中断时read返回-1且errno=EINTR，不是错误，需要重试
3	write部分写入	write可能写入比请求少的字节数，必须循环写入
4	O_NONBLOCK配合select/poll/epoll	非阻塞IO通常与IO多路复用配合使用
5	fd最小可用原则	open返回当前未使用的最小fd编号
6	errno不是全局变量	errno是线程局部的（TLS），多线程中每个线程有自己的errno
7	O_EXCL原子创建	`O_CREAT \\| O_EXCL` 保证文件不存在时才创建，避免竞态条件
8	O_SYNC的性能	O_SYNC每次write都等待磁盘写入完成，性能很低，嵌入式中慎用
9	lseek与管道	管道、socket、FIFO不支持lseek，返回-1且errno=ESPIPE
10	设备文件的read/write	设备文件的read/write由驱动实现，行为取决于驱动，不一定遵循普通文件语义

2.5 面试要点

Q: open的flags参数中O_WRONLY和O_RDWR有什么区别？ A: O_WRONLY只允许写操作，O_RDWR允许读写。对于某些设备（如只读设备），使用错误的flags会导致open失败。驱动通过fops->open检查flags来验证访问权限。

Q: read返回-1一定是错误吗？ A: 不一定。errno=EINTR表示被信号中断，应该重试；errno=EAGAIN/EWOULDBLOCK表示非阻塞模式下没有数据，也应该重试。只有其他errno值才是真正的错误。

Q: 文件描述符是什么？内核如何管理？ A: 文件描述符是进程文件描述符表的索引，每个fd指向一个内核中的file struct。进程通过fd操作文件，内核通过file struct找到对应的inode和驱动操作。进程退出时自动关闭所有fd。

Q: write写入不完整怎么处理？ A: write返回值小于请求的count是正常的。应该用循环写入：记录已写入的字节数，每次write的buf指针偏移，count减小，直到全部写完。

Q: 系统调用IO和C库IO什么时候用哪个？ A: 普通文件操作优先用C库IO（有缓冲，效率高）；设备文件操作用系统调用IO（需要ioctl/mmap等）；需要精确控制IO时机（如O_SYNC）用系统调用IO。

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2 系统调用IO

2.1 基本概念

2.2 核心API详解

2.2.1 open — 打开或创建文件

2.2.2 close — 关闭文件描述符

2.2.3 read — 读取数据

2.2.4 write — 写入数据

2.2.5 lseek — 文件定位

2.2.6 ioctl — 设备控制

2.3 完整代码示例

示例1：系统调用IO文件复制（对比C库版本）

示例2：读取设备信息（ioctl）

示例3：非阻塞IO示例

2.4 注意事项与易错点

2.5 面试要点

2. 系统调用IO.md 13 KB

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