文件与目录操作 (File and Directory Operations)

"文件描述符像房间的钥匙——open() 拿到钥匙，read/write 进出房间，close() 还钥匙。如果钥匙不还，房间就会越来越不够用。"

开篇故事

我住在一栋大型公寓楼里。大楼管理员（操作系统）负责管理所有房间（文件）。想进房间？你得先找管理员拿钥匙（open()）。拿到钥匙后，你可以在房间里读东西（read()）或放东西（write()）。用完之后，必须把钥匙还给管理员（close()），否则其他人就没钥匙可用了。

如果你想查看某个房间的状态——有多大、谁建的、什么时候装修的——你可以查房产登记（stat()）。如果你想看整栋楼有哪些房间，你拿着一份楼层表挨个查看（opendir() + readdir()），就像保安巡逻。

本章适合谁

学过 fopen/fprintf/fclose，但想知道"底层到底发生了什么"的人
听说过"文件描述符"但不知道它和文件指针区别的人
想写系统工具（文件管理器、日志轮转、目录扫描器）的人
好奇"为什么一切皆文件"的人

你会学到什么

文件描述符（File Descriptor）—— open()、read()、write()、close()
fcntl() 文件控制——设置文件状态标志
stat() 文件元数据——大小、权限、时间戳
opendir() / readdir() 目录扫描——像 ls 一样遍历目录
标准文件描述符：STDIN(0)、STDOUT(1)、STDERR(2)

前置要求

理解指针和基本数据类型
知道 stdio (fopen/fclose) 的基本用法
理解 errno 错误码模式
理解路径概念（绝对路径 vs 相对路径）

第一个例子

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

int main(void) {
    /* 拿到钥匙 */
    int fd = open("/tmp/hello.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd < 0) {
        perror("open failed");
        return 1;
    }

    /* 走进房间放东西 */
    const char *msg = "Hello, System Call!\n";
    write(fd, msg, strlen(msg));

    /* 还钥匙 */
    close(fd);
    return 0;
}

四步走：open → write → close——和 fopen → fprintf → fclose 思路一样，但更底层、更直接。

原理解析

1. 文件描述符 (File Descriptors)

Linux/macOS 中，一切皆文件。键盘、鼠标、网络套接字、普通文件——全部用整数 fd 表示。

标准 fd:
  STDIN_FILENO  = 0  (标准输入 — 键盘)
  STDOUT_FILENO = 1  (标准输出 — 屏幕)
  STDERR_FILENO = 2  (标准错误 — 屏幕)

自定义:
  open() 返回 ≥ 3 的整数（最小的可用 fd）

int fd = open("/tmp/test.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
// fd = 3 (假设 0,1,2 已被标准流占用)

write(fd, "hello", 5);  // 向 fd=3 写 5 字节
read(fd, buf, 10);      // 从 fd=3 读 10 字节（需 O_RDWR）
close(fd);              // 归还 fd=3

我的理解：fd 就是"钥匙编号"。0、1、2 是标配的三把钥匙，open() 给你第四把、第五把……用完必须 close() 归还，否则钥匙不够用（EMFILE 错误）。

2. open() 的打开模式

// 只读 — 只能 read
open("file.txt", O_RDONLY);

// 只写 — 只能 write, 创建或覆盖
open("file.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);

// 追加 — 只能 write, 每次从末尾写入
open("file.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0644);

// 读写 — 可以 read 和 write
open("file.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);

标志	含义
`O_RDONLY`	只读
`O_WRONLY`	只写
`O_RDWR`	读写
`O_CREAT`	文件不存在则创建（需要 mode 参数）
`O_TRUNC`	存在则截断为 0
`O_APPEND`	每次写入追加到文件末尾

3. stat() — 文件元数据

#include <sys/stat.h>

struct stat st;
stat("/tmp/test.txt", &st);

printf("大小: %lld\n", (long long)st.st_size);     // 文件大小（字节）
printf("类型: %s\n", S_ISREG(st.st_mode) ? "普通" : "目录");
printf("权限: %04o\n", st.st_mode & 07777);        // 如 0644
printf("修改: %lld\n", (long long)st.st_mtime);

stat 不打开文件——它查的是文件系统 inode 里的信息。即使你无权读取文件内容，也能 stat。

4. opendir / readdir — 目录扫描

#include <dirent.h>

DIR *dir = opendir("/tmp");
struct dirent *ent;
while ((ent = readdir(dir)) != NULL) {
    printf("%s\n", ent->d_name);  // 文件名
    // ent->d_type: DT_DIR, DT_REG, DT_LNK, ...
}
closedir(dir);

opendir 打开目录流，readdir 逐个返回目录条目，closedir 关闭。这就像 ls 命令的核心逻辑。

5. fcntl — 文件控制

#include <fcntl.h>

int flags = fcntl(fd, F_GETFL);        // 获取文件状态标志
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_APPEND);  // 追加设置 O_APPEND 标志

fcntl 是文件描述符的"万能遥控器"——获取或修改文件状态、设置文件锁、复制 fd 等。

常见错误

❌ 错误 1: 不检查 open 返回值

// ❌ open 失败返回 -1，后续 write 全部失败
int fd = open("/nonexistent", O_RDONLY);
write(fd, buf, 10);  // fd=-1，无意义操作

// ✅ 检查返回值
int fd = open("/nonexistent", O_RDONLY);
if (fd < 0) {
    perror("open");
    return 1;
}

❌ 错误 2: 忘记 close 导致 fd 泄漏

// ❌ 循环中打开但忘记关闭
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);  // fd 泄漏
    // ... do something ...
}
// 最终 open 返回 -1 (EMFILE: Too many open files)

// ✅ 配对 close
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    // ... do something ...
    close(fd);  // 归还钥匙
}

❌ 错误 3: read/write 不检查返回值

// ❌ write 可能只写入部分数据
write(fd, big_buf, big_len);  // 可能只写了部分!

// ✅ 检查并处理
ssize_t nw = write(fd, big_buf, big_len);
if (nw < 0) {
    perror("write");
} else if ((size_t)nw < big_len) {
    // 部分写入 — 需要补写剩余部分
}

❌ 错误 4: stat 前不检查路径是否存在

// ❌ 如果路径不存在，st 结构的内容是未定义的
struct stat st;
stat("/nonexistent", &st);
printf("大小: %lld\n", (long long)st.st_size);  // 垃圾值!

// ✅ 检查返回值
if (stat("/nonexistent", &st) == 0) {
    printf("大小: %lld\n", (long long)st.st_size);
} else {
    perror("stat");
}

动手练习

🟢 练习 1: 文件描述符复制

用 open/write/read/close 复制一个文件（从 src/data.txt 复制到 src/copy.txt）。

点击查看答案

int src = open("data.txt", O_RDONLY);
int dst = open("copy.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
char buf[4096];
ssize_t n;
while ((n = read(src, buf, sizeof(buf))) > 0) {
    write(dst, buf, (size_t)n);
}
close(src);
close(dst);

🟡 练习 2: stat 文件信息

写一个 my_stat 函数，接收文件路径，打印文件类型、大小、权限、修改时间。

点击查看答案

void my_stat(const char *path) {
    struct stat st;
    if (stat(path, &st) < 0) {
        perror("stat");
        return;
    }
    printf("类型: %s\n", S_ISDIR(st.st_mode) ? "目录" : "文件");
    printf("大小: %lld\n", (long long)st.st_size);
    printf("权限: %04o\n", st.st_mode & 07777);
    printf("mtime: %lld\n", (long long)st.st_mtime);
}

🔴 练习 3: 递归目录扫描

写一个递归函数遍历目录树，打印所有文件的绝对路径和大小。

点击查看答案

void scan_dir(const char *path, int depth) {
    DIR *dir = opendir(path);
    if (!dir) return;
    
    struct dirent *ent;
    while ((ent = readdir(dir)) != NULL) {
        if (strcmp(ent->d_name, ".") == 0 || strcmp(ent->d_name, "..") == 0)
            continue;
        
        char full[PATH_MAX];
        snprintf(full, sizeof(full), "%s/%s", path, ent->d_name);
        
        struct stat st;
        stat(full, &st);
        for (int i = 0; i < depth; i++) printf("  ");
        printf("%s (%lld bytes)\n", full, (long long)st.st_size);
        
        if (S_ISDIR(st.st_mode)) scan_dir(full, depth + 1);
    }
    closedir(dir);
}

O_SYNC: 每次 write 都等待磁盘确认（慢但安全，适合数据库日志）
O_DIRECT: 绕过内核缓冲区，直接磁盘 I/O（数据库常用，减少内存占用）

2. /dev/null, /dev/zero, /dev/urandom

// Linux/macOS 的特殊文件
int dev_null = open("/dev/null", O_WRONLY);   // 丢弃所有写入
int dev_zero = open("/dev/zero", O_RDONLY);   // 永远返回 \x00
int dev_rand = open("/dev/urandom", O_RDONLY); // 随机数

3. 软链接 vs 硬链接

ln target link     # 硬链接 — 同一个 inode，两个名字
ln -s target link  # 软链接 — 独立文件，内容是目标路径

硬链接不能跨文件系统、不能链接目录。软链接可以。

小结

文件描述符 = 钥匙编号（0,1,2 是标准流）
open → read/write → close 是底层 I/O 的基本模式
stat 查文件元数据（大小、权限、时间），不打开文件
opendir/readdir 扫描目录内容
每个 open() 必须配对 close()，否则 fd 泄漏

我的教训：第一次写文件操作时，我忘了 close()，程序运行几小时后 open 全部返回 -1。记住：每个 open 配 close。

术语表

术语（中 → 英）	说明
文件描述符（File Descriptor）	整数，标识已打开的文件
标准输入/输出/错误（STDIN/STDOUT/STDERR）	fd 0/1/2
文件元数据（File Metadata）	大小、权限、时间戳等 inode 信息
目录条目（Directory Entry）	`dirent` 结构，含文件名和类型
硬链接（Hard Link）	同一 inode 的多个名称
软链接（Symbolic Link）	指向目标路径的特殊文件

继续学习

你已经掌握了低层文件 I/O 的基本模式。接下来，我们将探索如何响应外部事件——POSIX 信号处理，让程序能优雅地对 Ctrl+C 等事件作出反应。

💡 提示：运行 src/advance/system_file_sample.c 查看所有演示。make build && make run。

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Hello C

文件与目录操作 (File and Directory Operations)

开篇故事

本章适合谁

你会学到什么

前置要求

第一个例子

原理解析

1. 文件描述符 (File Descriptors)

2. open() 的打开模式

3. stat() — 文件元数据

4. opendir / readdir — 目录扫描

5. fcntl — 文件控制

常见错误

❌ 错误 1: 不检查 open 返回值

❌ 错误 2: 忘记 close 导致 fd 泄漏

❌ 错误 3: read/write 不检查返回值

❌ 错误 4: stat 前不检查路径是否存在

动手练习

🟢 练习 1: 文件描述符复制

🟡 练习 2: stat 文件信息

🔴 练习 3: 递归目录扫描

故障排查

Q: open() 返回 -1，errno = 13 (EACCES)

Q: open() 返回 -1，errno = 2 (ENOENT)

Q: "Too many open files" (EMFILE)

Q: stat() 和 lstat() 区别？

知识扩展

1. O_DIRECT / O_SYNC

2. /dev/null, /dev/zero, /dev/urandom

3. 软链接 vs 硬链接

小结

术语表

延伸阅读

继续学习