Android C++系列：Linux文件IO操作

一、Linux文件IO在Android中的重要性

在Android NDK开发中，Linux文件IO操作是底层数据持久化的核心能力。不同于Java层的文件API，C++通过直接调用Linux系统调用（如open、read、write）实现更精细的控制。这种特性在需要高性能文件访问的场景（如数据库、日志系统、多媒体处理）中尤为重要。

Android系统基于Linux内核，其文件系统操作最终都映射到Linux VFS（虚拟文件系统）。理解Linux文件IO机制，能帮助开发者：

优化文件访问性能
实现跨平台兼容的存储方案
处理特殊文件类型（如设备文件、管道）
调试底层文件相关问题

二、基础文件IO操作详解

1. 文件打开与关闭

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int open_file(const char* path, int flags, mode_t mode) {
    int fd = open(path, flags, mode);
    if (fd == -1) {
        // 错误处理
        return -1;
    }
    return fd;
}
void close_file(int fd) {
    if (close(fd) == -1) {
        // 错误处理
    }
}

关键参数说明：

flags：常用组合
- O_RDONLY：只读
- O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC：写入并清空
- O_RDWR|O_APPEND：读写并追加
mode：文件权限（如0644）

Android特有考虑：

应用沙箱限制：只能访问自身数据目录或外部存储
SELinux策略：需要正确设置文件上下文
64位文件偏移：使用off64_t和O_LARGEFILE

2. 读写操作模式

同步IO（阻塞式）

char buf[1024];
ssize_t bytes_read = read(fd, buf, sizeof(buf));
if (bytes_read > 0) {
    ssize_t bytes_written = write(fd2, buf, bytes_read);
    // 处理写入结果
}

异步IO（AIO）

Android通过libaio或io_uring（Linux 5.1+）支持异步IO：

#include <libaio.h>
struct iocb cb = {0};
struct iocb* cbs[] = {&cb};
struct io_event events[1];
io_prep_pread(&cb, fd, buf, count, offset);
io_submit(ctx, 1, cbs);
io_getevents(ctx, 1, 1, events, NULL);

性能对比：
| 特性 | 同步IO | 异步IO |
|——————|——————-|——————-|
| 线程占用 | 高 | 低 |
| 延迟 | 高 | 低 |
| 实现复杂度 | 低 | 高 |

三、高级文件操作技术

1. 内存映射文件（mmap）

void* map_file(int fd, size_t length) {
    void* addr = mmap(NULL, length, PROT_READ|PROT_WRITE, 
                     MAP_SHARED, fd, 0);
    if (addr == MAP_FAILED) {
        return NULL;
    }
    return addr;
}
void unmap_file(void* addr, size_t length) {
    munmap(addr, length);
}

优势场景：

大文件随机访问
进程间共享内存
零拷贝优化

Android注意事项：

需要android.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE等权限
映射大小受系统限制（可通过/proc/sys/vm/max_map_count查看）

2. 文件锁机制

#include <sys/file.h>
int set_file_lock(int fd, int lock_type) {
    struct flock fl;
    fl.l_type = lock_type; // F_RDLCK/F_WRLCK/F_UNLCK
    fl.l_whence = SEEK_SET;
    fl.l_start = 0;
    fl.l_len = 0; // 锁定整个文件
    return fcntl(fd, F_SETLKW, &fl); // F_SETLK非阻塞，F_SETLKW阻塞
}

应用场景：

多进程数据同步
防止并发写入冲突
实现简单数据库

四、Android特有文件操作

1. Storage Access Framework (SAF)集成

虽然SAF主要提供Java API，但可通过JNI与C++交互：

// Java层
public native void processFile(Uri fileUri);

// C++层
void processFile(JNIEnv* env, jobject thiz, jobject fileUri) {
    jclass uriClass = env->GetObjectClass(fileUri);
    jmethodID getPathMethod = env->GetMethodID(uriClass, "getPath", "()Ljava/lang/String;");
    jstring pathStr = (jstring)env->CallObjectMethod(fileUri, getPathMethod);
    const char* path = env->GetStringUTFChars(pathStr, NULL);
    // 使用path进行文件操作
    // ...
    env->ReleaseStringUTFChars(pathStr, path);
}

2. 媒体文件特殊处理

Android对媒体文件（图片、视频等）有特殊索引机制，建议：

使用MediaStore API获取合法路径
通过ContentResolver开放文件
处理不同Android版本的存储差异（如Scoped Storage）

五、性能优化实践

1. 缓冲策略选择

策略	实现方式	适用场景
无缓冲	直接系统调用	小文件、实时性要求高
用户空间缓冲	自定义缓冲区（如8KB）	中等大小文件
内核缓冲	使用`setvbuf`	需要内核优化的情况

2. 预读取优化

#include <sys/sendfile.h>
ssize_t fast_copy(int in_fd, int out_fd, off_t* offset, size_t count) {
    return sendfile(out_fd, in_fd, offset, count);
}

效果：

减少用户空间与内核空间的数据拷贝
特别适合大文件传输
在Android上需要Linux内核支持

3. 多线程IO调度

#include <pthread.h>
struct io_task {
    int fd;
    void* buffer;
    size_t size;
};
void* io_worker(void* arg) {
    struct io_task* task = (struct io_task*)arg;
    // 执行IO操作
    return NULL;
}
int parallel_io(int fd, int thread_count) {
    pthread_t threads[thread_count];
    struct io_task tasks[thread_count];
    for (int i = 0; i < thread_count; i++) {
        tasks[i].fd = fd;
        tasks[i].buffer = malloc(BUFFER_SIZE);
        tasks[i].size = BUFFER_SIZE;
        pthread_create(&threads[i], NULL, io_worker, &tasks[i]);
    }
    for (int i = 0; i < thread_count; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
        free(tasks[i].buffer);
    }
    return 0;
}

线程数选择原则：

机械硬盘：1-2个线程
SSD：4-8个线程
取决于存储设备的IOPS能力

六、调试与问题排查

1. 常见错误处理

错误码	含义	解决方案
EACCES	权限不足	检查文件权限和SELinux上下文
ENOENT	文件不存在	检查路径是否正确
EINTR	系统调用被中断	重试操作
EMFILE	进程打开文件数过多	关闭不需要的文件描述符

2. 性能分析工具

strace：跟踪系统调用

strace -e trace=file,read,write your_app

perf：性能分析

perf stat -e cache-misses,context-switches your_app

Android Profiler：可视化分析（需连接设备）

七、最佳实践总结

资源管理：
- 确保每个open()都有对应的close()
- 使用RAII模式管理文件描述符
错误处理：
- 检查所有IO操作的返回值
- 区分可恢复错误和致命错误
兼容性：
- 处理不同Android版本的存储差异
- 考虑32/64位设备差异
安全性：
- 验证所有用户提供的文件路径
- 使用最小必要权限
性能：
- 批量操作代替多次小操作
- 根据设备特性调整缓冲大小

通过深入理解Linux文件IO机制，并结合Android平台的特性，开发者可以构建出高效、稳定的文件操作模块，为应用性能优化打下坚实基础。

Android C++开发进阶：Linux文件IO操作全解析