Linux 系統程式設計筆記（二）：檔案 I/O 核心 API 完整速查表

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Linux 檔案描述符與無緩衝 I/O 核心介面詳解

Linux 核心將所有輸入輸出裝置（檔案、管道、Socket、終端機、裝置檔）統一抽象為檔案描述符（File Descriptor, FD）——非負整數。每個進程擁有獨立 FD 表，預設開啟三個標準描述符：

名稱	巨集	數值	用途
標準輸入	STDIN_FILENO	0	鍵盤/重導向輸入
標準輸出	STDOUT_FILENO	1	螢幕/管道輸出
標準錯誤	STDERR_FILENO	2	錯誤訊息輸出

核心系統呼叫速查

函式	原型	說明	回傳值
`open`	`int open(const char *path, int flags, mode_t mode);`	開啟/建立檔案，`flags` 組合：`O_RDONLY`\\|`O_WRONLY`\\|`O_RDWR`、`O_CREAT`、`O_TRUNC`、`O_APPEND`、`O_NONBLOCK` 等	成功≥0 (FD)，失敗 -1
`read`	`ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);`	讀取最多 count 位元組至 buf	>0 實際讀取量，0=EOF，-1 錯誤
`write`	`ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);`	將 buf 前 count 位元組寫入 fd	>0 實際寫入量，-1 錯誤
`close`	`int close(int fd);`	關閉檔案描述符	0 成功，-1 失敗
`lseek`	`off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);`	移動檔案偏移量，`whence`：`SEEK_SET`/`SEEK_CUR`/`SEEK_END`	新偏移量，-1 錯誤
`ioctl`	`int ioctl(int fd, int request, ...);`	裝置控制通用介面（終端機、磁碟、網卡等）	視 request 而定，-1 錯誤
`fcntl`	`int fcntl(int fd, int cmd, ...);`	檔案描述符屬性控制（`F_GETFL`/`F_SETFL`、鎖定 `F_SETLK`、`F_SETOWN` 等）	視 cmd 而定，-1 錯誤
`dup`	`int dup(int oldfd);`	複製 FD，回傳最小未用 FD	新 FD，-1 失敗
`dup2`	`int dup2(int oldfd, int newfd);`	指定新 FD 編號，若佔用先關閉	newfd，-1 失敗
`mkstemp`	`int mkstemp(char *template);`	建立唯一暫存檔，template 結尾需 6 個 `X`，原子操作	FD，-1 失敗

實務關鍵點

部分讀寫是常態：read/write 可能傳輸少於請求位元組（訊號中斷、非阻塞、管道滿/空），必須用迴圈處理殘餘。

ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t n) {
    size_t left = n;
    const char *p = buf;
    while (left > 0) {
        ssize_t written = write(fd, p, left);
        if (written <= 0) {
            if (errno == EINTR) continue; // 被信號中斷，重試
            return -1;
        }
        left -= written;
        p += written;
    }
    return n;
}

O_APPEND 原子附加：多進程同時寫入同一檔案不會覆蓋彼此資料。
lseek 不會引發 I/O，僅修改核心檔案表項的偏移量指標。
dup2 是 Shell 實現重導向（cmd > file）的核心：dup2(fd, STDOUT_FILENO)。
mkstemp 回傳已開啟 FD，避免 tmpnam/mktemp 的競爭條件 (TOCTOU)。

錯誤處理模式

int fd = open("data.bin", O_RDONLY);
if (fd < 0) {
    perror("open data.bin"); // 輸出 "open data.bin: No such file or directory"
    exit(EXIT_FAILURE);
}

所有系統呼叫失敗均設定全域 errno，配合 strerror(errno) 或 perror 診斷。