文件读写

Tutorial: 卓越工程师 Category: 嵌入式 Published: 2026-10-23 11:05:29 Views: 1 Likes: 0 Comments: 0

343.4.4 文件读写

/* app_drv/app/app.c：本节开头实际滚动查看并讲解的 main()。 */
int main(int argc,char **argv) // 应用入口；课程程序未使用命令行参数。
{ // main 函数体开始。
	int fd_oled, fd_mpu; // 分别保存 OLED 和 MPU6050 的文件描述符。
	int error; // 保存 read() 或 close() 的返回值。
	unsigned char buf[200] = {0}; // 创建 200 字节并清零的 OLED 字符串缓冲区。
	short resive_data[6]; // 保存六个 16 位传感器原始值；resive 是课程源码原有拼写。
	struct pos pos_temp = { // 定义 OLED 显示坐标结构体并开始初始化。
		.x = 0, // 初始横坐标为 0。
		.y = 0, // 初始纵坐标为 0。
	}; // 坐标结构体初始化结束。
	fd_oled = open("/dev/oled",O_RDWR);   /* 打开字符设备/dev/oled */ // 请求以读写方式打开 OLED 设备节点。
	if(fd_oled < 0){ // 负返回值表示 OLED 打开失败。
		printf(" can't open /dev/oled \n\r"); // 输出课程原有错误提示。
		return -1; // 立即结束程序。
	} // OLED 打开失败分支结束。
	fd_mpu = open("/dev/I2C1_mpu6050", O_RDWR); // 打开 MPU6050 字符设备节点。
	if(fd_mpu < 0) // 检查第二次 open() 是否失败。
	{ // MPU6050 打开失败分支开始。
		printf("can't open /dev/mpu6050 \n\r"); // 此提示路径与实际打开的节点名不一致，原样保留。
		return -1; // 直接退出；课程源码没有在此显式关闭 fd_oled。
	} // MPU6050 打开失败分支结束。
	while (1) { // 在当前线程中进入无限循环，持续采样和刷新显示。
		error = read(fd_mpu,resive_data,12); // 从 MPU6050 设备请求 12 字节，即六个 short 原始值。
		if(error < 0) // 课程代码只检查负值，没有检查短读或返回 0。
		{ // 读取失败分支开始。
			printf("read file error! \n"); // 输出读取失败提示。
			close(fd_mpu); // 关闭 MPU6050 文件描述符。
			close(fd_oled); // 关闭 OLED 文件描述符。
			return 0; // 结束程序；发生错误却返回 0 是课程原有写法。
			/*判断是否关闭成功*/ // 原注释声称检查关闭结果，但实际未检查两个 close() 的返回值。
		} // 读取失败分支结束。
		/*打印数据*/ // 原注释：下面把传感器原始值输出到终端。
		printf("AX=%d, AY=%d, AZ=%d \n",(int)resive_data[0],(int)resive_data[1],(int)resive_data[2]); // 打印三轴加速度原始值。
		printf("GX=%d, GY=%d, GZ=%d \n",(int)resive_data[3],(int)resive_data[4],(int)resive_data[5]); // 打印三轴陀螺仪原始值。
		
		ioctl(fd_oled, OLED_CLEAR, 0); // 向 OLED 驱动发送清屏命令。
		
		pos_temp.x = 0; // 第一组文字的横坐标设为 0。
		pos_temp.y = 0; // 第一组文字的纵坐标设为 0。
		ioctl(fd_oled, OLED_OPS, &pos_temp); // 把坐标结构体地址传给驱动，设置显示位置。
		sprintf(buf, "AX:%d AY:%d", resive_data[0], resive_data[1]); // 把 AX、AY 值格式化为字符串。
		ioctl(fd_oled, OLED_DATA, buf); // 把字符串缓冲区地址传给 OLED 驱动显示。

		pos_temp.x = 0; // 第二组文字横坐标仍为 0。
		pos_temp.y = 3; // 第二组文字纵坐标设为 3。
		ioctl(fd_oled, OLED_OPS, &pos_temp); // 更新显示位置。
		sprintf(buf, "AZ:%d GX:%d", resive_data[2], resive_data[3]); // 格式化 AZ、GX 值。
		ioctl(fd_oled, OLED_DATA, buf); // 显示第二组数据。

		pos_temp.x = 0; // 第三组文字横坐标仍为 0。
		pos_temp.y = 6; // 第三组文字纵坐标设为 6。
		ioctl(fd_oled, OLED_OPS, &pos_temp); // 更新显示位置。
		sprintf(buf, "GY:%d GZ:%d", resive_data[4], resive_data[5]); // 格式化 GY、GZ 值。
		ioctl(fd_oled, OLED_DATA, buf); // 显示第三组数据。
		sleep(2); // 暂停 2 秒后再进行姿态解算。
		IMUupdate(resive_data[3],resive_data[4],resive_data[5], // 传入三轴陀螺仪原始值；函数调用在下一行继续。
			resive_data[0],resive_data[1],resive_data[2]); // 再传入三轴加速度原始值并完成调用。
		printf("Pitch=%f, Roll=%f, Yaw=%f\n", Pitch, Roll, Yaw); // 打印俯仰角、横滚角和偏航角。
		ioctl(fd_oled, OLED_CLEAR, 0); // 再次清空 OLED，准备显示姿态角。
		
		pos_temp.x = 0; // Pitch 文字横坐标设为 0。
		pos_temp.y = 0; // Pitch 文字纵坐标设为 0。
		ioctl(fd_oled, OLED_OPS, &pos_temp); // 设置 Pitch 的显示位置。
		sprintf(buf, "Pitch:%f", Pitch); // 把 Pitch 浮点值格式化到 buf。
		ioctl(fd_oled, OLED_DATA, buf); // 显示 Pitch。
		
		pos_temp.x = 0; // Roll 文字横坐标设为 0。
		pos_temp.y = 3; // Roll 文字纵坐标设为 3。
		ioctl(fd_oled, OLED_OPS, &pos_temp); // 设置 Roll 的显示位置。
		sprintf(buf, "Roll:%f", Roll); // 把 Roll 浮点值格式化到 buf。
		ioctl(fd_oled, OLED_DATA, buf); // 显示 Roll。

		pos_temp.x = 0; // Yaw 文字横坐标设为 0。
		pos_temp.y = 6; // Yaw 文字纵坐标设为 6。
		ioctl(fd_oled, OLED_OPS, &pos_temp); // 设置 Yaw 的显示位置。
		sprintf(buf, "Yaw:%f", Yaw); // 把 Yaw 浮点值格式化到 buf。
		ioctl(fd_oled, OLED_DATA, buf); // 显示 Yaw。
		sleep(2); // 暂停 2 秒，然后回到 while 循环开头继续采样。
	} // 无限循环体结束；当前源码没有 break，因此正常执行不会到达下面的关闭代码。
	
	error = close(fd_oled); // 设计意图是关闭 OLED 描述符并保存返回值，但当前无限循环使此行不可达。
	 if(error < 0) // 检查关闭 OLED 是否失败。
	{ // OLED 关闭失败分支开始。
		printf("close file error! \n"); // 输出关闭失败提示。
	} // OLED 关闭失败分支结束。
	error = close(fd_mpu); // 设计意图是关闭 MPU6050 描述符并保存返回值，同样不可达。
	 if(error < 0) // 检查关闭 MPU6050 是否失败。
	{ // MPU6050 关闭失败分支开始。
		printf("close file error! \n"); // 输出关闭失败提示。
	} // MPU6050 关闭失败分支结束。
	return 0; // main 正常返回；当前控制流无法到达这里。
} // main 函数体结束。

/* 简单文件读写测试/test.c：本节在 Ubuntu 中从零编写并最终展示的完整源码。 */
#include <stdio.h> // 声明 printf()。
#include <sys/types.h> // 提供系统数据类型；本例没有直接使用其中的类型名。
#include <sys/stat.h> // 提供文件状态与权限相关定义；本例两参数 open() 没有直接用到它。
#include <fcntl.h> // 声明 open() 并定义 O_RDWR、O_CREAT 等打开标志。
#include <string.h> // 声明 memset()。
#include <unistd.h> // 声明 write()、lseek()、read() 和 close()。

int main() // 测试程序入口；课程源码使用空参数列表写法。
{ // main 函数体开始。
	int fd; // 保存 open() 返回的文件描述符。
	char buff[]="i am wfeng222\n"; // 创建含换行和末尾空字符的可修改字符数组。
	fd = open("/home/wfeng/wf.txt",O_RDWR); // 以读写方式打开已存在的普通文件，不负责创建或清空它。
	if(fd<0) // 负返回值表示 open() 失败。
	{ // 打开失败分支开始。
		printf("open failed!\n"); // 输出课程原有错误提示；没有打印 errno 的具体原因。
		return fd; // 把负的 open() 返回值作为进程退出状态来源。
	} // 打开失败分支结束。
	

	write(fd,buff,sizeof(buff)); // 从当前偏移写入整个数组，连字符串末尾的空字符也写入文件。
	lseek(fd,0,SEEK_SET); // 把此打开文件描述的读写偏移重新定位到文件开头。

	memset(buff,'\0',sizeof(buff)); // 将 buff 的每个字节清零，清除写入前的旧字符串。
	read(fd,buff,sizeof(buff)); // 从当前偏移最多读取 sizeof(buff) 字节到 buff；源码未检查返回值。
	printf("buff is:%s\n",buff);	 // 按 C 字符串打印读取结果；文件内换行与格式串换行会连续出现。
	
	close(fd); // 关闭文件描述符；源码未检查 close() 的返回值。
	return 0; // 向操作系统报告程序正常结束。

} // main 函数体结束。

本节包含两部分：前约 4 分钟继续解读上一课的 OLED/MPU6050 应用，随后在 Ubuntu 用户 wfeng 的主目录中编写一个普通文件读写程序。课程最终源码均已在上方按实际内容抄录并逐行注释；没有把姿态解算函数体或其他未展示源码补进来。

一、文件读写

1.1 虚拟文件系统解析

上一课的核心仍然适用：应用使用 open() 得到文件描述符，再通过 read()、write()、ioctl()、close() 等接口访问已经打开的对象。Linux VFS 为不同文件系统和文件式对象提供统一的操作模型；内核用 struct file 表示打开文件，用文件操作表选择具体实现，参见 Linux VFS 官方文档。

但“加载驱动就自动形成一个文件”只是课堂中的入门化说法，不能当成普遍规则。对上一课的两个字符驱动，准确链路是：

设备树设备与 I²C 驱动匹配
        ↓
probe() 注册 cdev 和 file_operations
        ↓
device_create() 注册设备模型对象
        ↓
mdev 根据事件创建 /dev 设备节点
        ↓
应用通过节点打开字符设备

驱动代码本身没有被变成普通文件；/dev/oled 与 /dev/I2C1_mpu6050 是访问入口。本节后半段的 /home/wfeng/wf.txt 则是真正的普通文件。两者都能使用文件描述符接口，但后端与语义不同：

对象read/write/ioctl 的去向数据含义
普通文件 wf.txtVFS → 具体文件系统文件中的字节和文件偏移
字符设备 /dev/I2C1_mpu6050VFS/字符设备层 → 驱动回调驱动定义的六个传感器原始值
字符设备 /dev/oledVFS/字符设备层 → 驱动回调驱动定义的清屏、坐标与显示命令

ioctl 是 I/O control，用于发出对象或设备特有的控制请求，不宜理解成普通 write()，也不是“往下写命令”这一种固定动作。

1.2 文件读写应用案例

1.2.1 例题: 文件读写打开文件应用
应用代码的完整工作流

视频从 app.c 的 main() 开始滚动分析：

  1. 用 open("/dev/oled", O_RDWR) 打开 OLED 节点。
  2. 用 open("/dev/I2C1_mpu6050", O_RDWR) 打开 MPU6050 节点。
  3. 用 read(fd_mpu, resive_data, 12) 读取六个 16 位原始量。
  4. 用 printf() 输出原始加速度和角速度。
  5. 用 OLED_CLEAR 清屏，再用 OLED_OPS 设置坐标、用 OLED_DATA 显示字符串。
  6. 调用 IMUupdate() 计算 Pitch、Roll、Yaw，清屏后显示三种姿态角。
  7. 每个显示阶段 sleep(2)，然后无限循环重复。

这里有四处容易混淆：

  • O_RDWR 表示程序请求以可读写方式打开；内核仍会根据文件权限、访问控制和驱动实现决定能否成功，它不是给文件“授予读写权限”。
  • sprintf() 生成的是显示字符串，不是给 OLED 的“指令”。真正的控制请求是 ioctl() 的命令号。
  • while (1) 是当前线程中的无限循环，不会因为存在循环就自动成为“独立线程”。
  • 课程源码没有 break，所以循环后的正常 close() 路径不可达。按 Ctrl+C 终止时由内核回收进程仍持有的描述符，并非控制流跳出循环后执行了这些语句。
1.2.2 例题: 文件操作接口应用

本节新实验的目的，是把同一套接口用于普通 TXT 文件，从而直观看见：

open()  打开路径并取得 fd
write() 从内存缓冲区向文件写字节
lseek() 改变下一次读写使用的偏移
read()  从文件向内存缓冲区读字节
close() 关闭 fd

文件描述符只在当前进程中有意义，是一个非负整数索引。open() 还会创建一个“打开文件描述”，其中保存文件状态标志和当前文件偏移；fd 是对它的引用。这个区别解释了本节最关键的“写后为什么直接读不到”问题。官方定义与返回规则见 open(2)。

1.2.3 例题: TXT文件操作
实验路径与最初代码

视频在 Ubuntu 终端中操作，不是在 ARM 开发板 shell 中操作。实际用户与路径是：

用户：wfeng
源码：/home/wfeng/test.c
数据文件：/home/wfeng/wf.txt

转录和原笔记里的“王峰.txt”“汪汪峰.txt”只是语音/OCR 近似，最终源码明确写的是 /home/wfeng/wf.txt。

课程先执行：

vim test.c
gcc test.c

未用 -o 指定文件名时，GCC 默认生成 a.out。转录中的 jcc、a.25t、1.25克 都分别是 gcc 与 a.out 的识别错误。

最初编译暴露了两类问题：变量名把 fd 误写为 fs，以及缺少函数声明和 O_RDWR 定义。课程逐步修正变量名并补齐头文件，最终源码如文首所示。

1.2.4 open函数接口手册

视频使用：

man open

更明确地指定系统调用手册第 2 节可以写：

man 2 open

手册显示的核心原型是：

#include <fcntl.h>
int open(const char *path, int flags, ...);
  • path 是路径字符串，视频口述中的 pass name 应为 pathname。
  • flags 至少包含 O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR 三种访问模式之一。
  • 只有加入 O_CREAT 才能在路径不存在时请求创建文件；此时还必须传第三个 mode 参数。
  • 成功返回非负 fd，失败返回 -1 并设置 errno。
  • 在 man 阅读器中按 q 退出；转录中的 cure 是字母 q 的识别错误。

最终代码各头文件的直接用途是：

头文件本例使用的接口/定义
<stdio.h>printf()
<fcntl.h>open()、O_RDWR
<string.h>memset()
<unistd.h>read()、write()、lseek()、close()
<sys/types.h>、<sys/stat.h>课程从手册一并加入；当前两参数 open() 没有直接使用其中的类型或权限宏

“编译警告先不用管”不应作为常规做法。隐式函数声明意味着编译器没有看到正确原型，可能造成参数或返回值解释错误；现代 C 模式下还可能直接报错。应先补齐声明、类型和格式，再运行程序。

1.2.5 文件操作接口应用
第一次运行为什么 open failed!

最终调用是：

open("/home/wfeng/wf.txt", O_RDWR);

它没有 O_CREAT，所以目标必须已经存在。第一次运行时文件尚未创建，open() 返回 -1，程序打印：

open failed!

课程随后执行：

touch /home/wfeng/wf.txt
ls
./a.out

touch 在文件不存在时创建空文件；存在时通常只更新时间戳。再次运行时 open() 成功。

还应注意，代码也没有使用 O_TRUNC。若 wf.txt 原来比新字符串更长，从偏移 0 覆盖较短内容后，旧文件尾部仍可能保留。课程从新建空文件开始，所以没有遇到这个现象。O_CREAT、O_TRUNC 等标志的准确行为见 open(2)。

1.2.6 文件操作接口应用
write()、sizeof(buff) 与文件内容

课程先把字符串字面量和手写长度传给 write()，随后改成：

char buff[]="i am wfeng222\n";
write(fd,buff,sizeof(buff));

最终字符串中可见字符共有 14 字节：i am wfeng222 为 13 字节，再加换行 \n 为 1 字节；字符数组还自动包含一个末尾 \0，所以 sizeof(buff) 是 15。因此课程最终程序向文件写入 15 字节，连 C 字符串终止符也写进了普通文件。

原笔记称写字符串时“长度应包括 \0”，这不是一般规则。普通文本文件通常只写实际文本，常用长度是 strlen(buff)；\0 是内存中 C 字符串的边界标记，通常不属于文本文件内容。本节之所以用 sizeof(buff) 仍能显示，是因为 cat 对空字节没有可见输出。

write() 成功时返回实际写入字节数，可能少于请求数；失败返回 -1。课程代码没有保存或检查返回值，只适合作为接口演示。对可定位的普通文件，写入从当前文件偏移开始，并把偏移增加实际写入量，参见 write(2)。

课程通过以下命令查看结果：

./a.out
cat /home/wfeng/wf.txt
1.2.7 文件操作接口应用
1.2.7.1 知识点1:read函数的使用

read(fd, buff, sizeof(buff)) 尝试从 fd 当前偏移读取最多 sizeof(buff) 字节到内存数组。其返回值才说明实际读取量：

返回值含义
> 0实际读取的字节数，可能小于请求数
0已到文件末尾，没有读到字节
-1失败，具体原因在 errno

read() 不会自动在数据后追加 C 字符串终止符。若要用 %s 打印任意文本，稳妥模式是预留一字节，只读到“容量减 1”，成功后在 buff[n] 写 \0。课程示例依赖文件中已经被 write(sizeof(buff)) 写入的那个空字符，因此恰好能按字符串打印；其通用性有限。详细语义见 read(2)。

1.2.7.2 例题2: 文件写入与读取的测试

课程先单独启用 write()，编译运行后用 cat 看见 i am wfeng222，说明写入路径生效。接着在同一个 fd 上加入 read() 与 printf()，却只打印出空的 buff is:。

问题不在 read() 的基本参数，而在当前文件偏移：

open() 后偏移 = 0
        ↓
write(..., 15) 成功后偏移 = 15
        ↓
文件长度也约为 15，当前已在 EOF
        ↓
read() 从偏移 15 开始，返回 0

这也解释了为什么“先写再读”不能只看调用顺序；还必须知道二者是否共享同一个打开文件描述，以及当前偏移在哪里。

1.2.7.3 知识点2: 读取文件前的buffer处理

课程加入：

memset(buff,'\0',sizeof(buff));

memset() 把目标内存区域的前 n 个字节都设为同一个字节值；'\0' 的值是 0，所以这里将整个数组清零，需包含 <string.h>。参见 memset(3)。

清零有两个作用：避免失败或短读后继续显示旧字符串，并为未被覆盖的缓冲区尾部提供终止符。但它不会改变文件偏移，因此不能解决写后已在 EOF 的根因。此外，如果 read() 恰好覆盖缓冲区全部 15 字节，而输入本身没有空字符，printf("%s") 仍可能越界寻找终止符；所以仍应按返回值手动终止字符串。

1.2.7.4 知识点3: 编译过程中的警告处理

视频中的警告主要来自缺少正确函数声明。最终补入：

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

分别解决 printf()、memset()、read/write/lseek/close 的声明问题。课程最后重新执行 gcc test.c，画面中不再出现警告或错误。

对警告的正确处理顺序是：读清警告位置和原因，修复后再运行。不能因为生成了 a.out 就推断调用一定正确。

1.2.7.5 例题3: 文件读写综合操作及问题排查

当程序输出只有：

buff is:

可按以下顺序排查：

  1. 检查 open() 是否成功，以及路径是否正确。
  2. 保存并检查 write() 的返回值，确认写入量。
  3. 确认当前文件偏移；本例写完后已经位于 EOF。
  4. 保存并检查 read() 返回值；本例预期为 0。
  5. 只有 read() 返回正值后，才按实际长度处理和打印缓冲区。

原笔记只说“涉及底层机制”，这里的具体机制就是：普通文件的 read() 与 write() 共用该打开文件描述中的当前偏移，操作成功后会推进它。

1.2.8 文件操作接口应用
1.2.8.1 例题1: 文件操作接口应用基础代码编写

视频先尝试一种直观修复：写完后 close(fd)，再执行同一条 open()。新一次 open() 创建新的打开文件描述，初始文件偏移回到 0，所以随后 read() 能读到刚才写入的内容。

这种方法能解释现象，但必须再次检查新 open() 的返回值，而且会多做一次关闭和打开。本例保持文件打开并直接调用 lseek() 更清楚。

close(fd) 使这个整数描述符不再引用该文件，数字之后可以被进程复用；如果它是指向打开文件描述的最后一个 fd，相关资源才会释放。成功返回 0，失败返回 -1，参见 close(2)。

1.2.8.2 例题2: 文件指针移动与文件读写操作

课程最终采用：

lseek(fd,0,SEEK_SET);

三个参数分别是：

  • fd：要调整的已打开文件。
  • 0：目标偏移量。
  • SEEK_SET：以文件开头为基准，把偏移直接设为 0。

所以它不是移动 C 标准库的 FILE * 指针，也不是屏幕上的真实鼠标光标；准确名称是调整 fd 所引用打开文件描述的文件偏移。官方定义见 lseek(2)。

写前                         写后                         lseek 后
offset=0                     offset=15                    offset=0
↓                            ↓ EOF                        ↓
[ i am wfeng222\n\0 ]        [ i am wfeng222\n\0 ]        [ i am wfeng222\n\0 ]

并非所有 fd 都支持定位。管道、FIFO 和套接字没有普通文件这样的可寻址偏移，对它们调用 lseek() 通常以 ESPIPE 失败。驱动设备是否支持则取决于对象和驱动实现。

1.2.8.3 例题3: 文件操作中常见错误及修正

视频调试过程中出现的“多打一个 0”属于语法/实参错误，删除后 lseek(fd, 0, SEEK_SET) 才能编译。本例还留下若干值得主动检查的接口返回值：

调用课程源码状态应检查什么
open()已检查 < 0失败时再打印 errno/perror()
write()未检查是否为 -1，是否写满预期字节
lseek()未检查是否返回 (off_t)-1
read()未检查-1、0、正数以及短读
close()未检查是否返回 -1；数据持久化另需按需求考虑 fsync()

关闭 fd 是良好的资源管理习惯，但“必须 close() 数据才会写入文件”也不准确。write() 已把数据交给内核；close() 释放描述符，且成功关闭不等于数据已经物理落盘。需要持久化保证时应按场景使用同步接口，不能仅依赖 close()。

1.2.9 文件操作接口应用

最终实验流程可按视频还原为：

cd /home/wfeng
touch wf.txt
vim test.c
gcc test.c
./a.out
cat test.c
cat wf.txt
man 2 open
man 2 lseek

最终运行画面显示：

buff is:i am wfeng222

缓冲区字符串自身已有 \n，printf("buff is:%s\n", buff) 又追加一个换行，因此输出后会多换一行。文件中还包含不可见的 \0，仅用 cat 看不出来。

把整节课串起来，普通文件的状态变化是：

touch 创建空文件
        ↓
open(O_RDWR) → fd，初始 offset=0
        ↓
write(sizeof(buff)) → 写入 15 字节，offset=15
        ↓
lseek(fd, 0, SEEK_SET) → offset=0
        ↓
memset() → 只清空内存 buff，不影响文件
        ↓
read(sizeof(buff)) → 文件字节进入 buff，offset=15
        ↓
printf() 显示 buff
        ↓
close(fd) 释放描述符

课程源码完成了教学目标，但用于真实项目时还应修正三点：用实际文本长度避免把 \0 写进文本文件；逐项检查系统调用返回值并处理短读写；按 read() 返回字节数显式终止字符串。这些属于对课程代码行为的精确说明，文首仍完整保留了课程最终版本，没有擅自改写。

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