深入了解C read/write函数和cat命令实现

article/2025/10/24 18:43:46

1．文件描述符文件描述符（file descriptor）通常是一个小的非负整数，内核用以标识一个特定进程正在访问的文件。当内核打开一个现有文件或创建一个新文件时，它都返回一个文件描述符。在读、写文件时，可以使用这个文件描述符。

2．标准输入、标准输出和标准错误按惯例，每当运行一个新程序时，所有的 shell 都为其打开 3 个文件描述符，即标准输入（standard input）、标准输出（standard output）以及标准错误（standard error）。如果不做特殊处理，例如就像简单的命令ls，则这3个描述符都链接向终端。大多数shell都提供一种方法，使其中任何一个或所有这3个描述符都能重新定向到某个文件，例如： ls > file.list 执行ls命令，其标准输出重新定向到名为file.list的文件。

3．不带缓冲的I/O 函数open、read、write、lseek以及close提供了不带缓冲的I/O。这些函数都使用文件描述符。

1、read()

函数定义：ssize_t read(int fd, void * buf, size_t count);

函数说明：read()会把参数fd所指的文件传送count 个字节到buf 指针所指的内存中。

返回值：返回值为实际读取到的字节数, 如果返回0, 表示已到达文件尾或是无可读取的数据。若参数count 为0, 则read()不会有作用并返回0。另外，以下情况返回值小于count：
（1）读常规文件时，在读到count个字节之前已到达文件末尾。例如，距文件末尾还有50个字节而请求读100个字节，则read返回50，下次read将返回0。
（2）对于网络套接字接口，返回值可能小于count，但这不是错误，详细解释参考这篇文章https://blog.csdn.net/hhhlizhao/article/details/73912578
注意：read时fd中的数据如果小于要读取的数据，就会引起阻塞。（关于read的阻塞情况网上有朋友有不同意见，笔者查阅资料后作如下补充。）以下情况read不会引起阻塞：

（1）常规文件不会阻塞，不管读到多少数据都会返回；

（2）从终端读不一定阻塞：如果从终端输入的数据没有换行符，调用read读终端设备会阻塞，其他情况下不阻塞；

（3）从网络设备读不一定阻塞：如果网络上没有接收到数据包，调用read会阻塞，除此之外读取的数值小于count也可能不阻塞，原因见上面链接。

由于笔者水平有限，如果文中有谬误之处还恳请诸位指出，以免误导大家。

2、write()
函数定义：ssize_t write (int fd, const void * buf, size_t count);

函数说明：write()会把参数buf所指的内存写入count个字节到所指的文件fd内。

返回值：如果顺利write()会返回实际写入的字节数。当有错误发生时则返回-1，错误代码存入errno中。

附加说明：

（1）write()函数返回值一般无0，只有当如下情况发生时才会返回0：write(fd, buf, count)中第三参数为0，此时write()什么也不做，只返回0。

（2）write()函数从buf写数据到fd中时，若buf中数据无法一次性读完，那么第二次读buf中数据时，其读位置指针（也就是第二个参数buf）不会自动移动，需要程序员来控制，而不是简单的将buf首地址填入第二参数即可。如可按如下格式实现读位置移动：write(fp, p1+len, (strlen(p1)-len))。这样write第二次循环时便会从p1+len处写数据到fp, 之后的也一样。由此类推，直至(strlen(p1)-len)变为0。

（3）在write一次可以写的最大数据范围内（貌似是BUFSIZ ,8192），第三参数count大小最好为buf中数据的大小，以免出现错误。(经过笔者再次试验，write一次能够写入的并不只有8192这么多，笔者尝试一次写入81920000，结果也是可以，看来其一次最大写入数据并不是8192，但内核中确实有BUFSIZ这个参数，具体指什么还有待研究)

我们可以写一个简单的文件读写程序，实现从标准输入到标准输出echo（复读机）

#include "../all.h"
#include <unistd.h>
#define BUFFSIZE 4096int main(int argc, char* argv[]) {int n = 0;char buf[BUFFSIZE];printf("This is a simple read/write test\n");while((n = read(STDIN_FILENO, buf, BUFFSIZE)) > 0) {if(write(STDOUT_FILENO, buf, n)!=n) {printf("write error\n");}}if(n < 0) {printf("read error\n");}return 0;
}

echo复读机

还可以打开文件，输出到标准输出实现cat

#include "../all.h"
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define BUFFSIZE 4096
int main(int argc, char* argv[]) {printf("this is a simple cat, will show the file\n");if(argc  < 2) {printf("argument not enough , at least 2\n");exit(-1);}char buf[BUFFSIZE];memset(buf,0,BUFFSIZE);int n =0;int fd = open(argv[1], O_RDWR|O_CREAT);while(true) {int len = 0;while((n= read(fd, buf,BUFFSIZE)) > 0) {if(write(STDOUT_FILENO,buf + len,n) !=n) {printf("write error\n");exit(-1);} len+=n;}break;}return 0;
}

简单的cat

头文件<unistd.h>（apue.h中包含了此头文件）及两个常量 STDIN_FILENO和STDOUT_FILENO是POSIX标准的一部分（下一章将对此做更多的说明）。头文件<unistd.h>包含了很多UNIX系统服务的函数原型。

两个常量STDIN_FILENO和STDOUT_FILENO定义在<unistd.h>头文件中，它们指定了标准输入和标准输出的文件描述符。在POSIX标准中，它们的值分别是0和1，但是考虑到可读性，我们将使用这些名字来表示这些常量。

将详细讨论BUFFSIZE常量，说明它的各种不同值将如何影响程序的效率。但是不管该常量的值如何，此程序总能复制任一UNIX普通文件。

4．标准I/O
read函数返回读取的字节数，此值用作要写的字节数。当到达输入文件的尾端时，read返回0，程序停止执行。如果发生了一个读错误， read返回−1。出错时大多数系统函数返回−1。标准I/O函数为那些不带缓冲的I/O函数提供了一个带缓冲的接口。使用标准I/O函数无需担心如何选取最佳的缓冲区大小。例如，fgets函数读取一个完整的行，而read函数读取指定字节数。

我们最熟悉的标准I/O函数是printf。在调用printf的程序中，总是包含<stdio.h>（在本书中，该头文件包含在apue.h中），该头文件包括了所有标准I/O函数的原型。