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标准IO库 ​

简介 ​

       标准 I/O 却有它自己的优势，标准 I/O 和文件 I/O 的区别如下：

  • 虽然标准 I/O 和文件 I/O 都是 C 语言函数，但是标准 I/O 是标准 C 库函数，而文件 I/O 则是 Linux系统调用；
  • 标准 I/O 是由文件 I/O 封装而来，标准 I/O 内部实际上是调用文件 I/O 来完成实际操作的；
  • 可移植性：标准 I/O 相比于文件 I/O 具有更好的可移植性，通常对于不同的操作系统，其内核向应用层提供的系统调用往往都是不同
  • 性能、效率： 标准 I/O 库在用户空间维护了自己的 stdio 缓冲区， 所以标准 I/O 是带有缓存的，而文件 I/O 在用户空间是不带有缓存的，所以在性能、效率上，标准 I/O 要优于文件 I/O。

FILE指针 ​

       FILE 是一个结构体数据类型，它包含了标准 I/O 库函数为管理文件所需要的所有信息，包括用于实际I/O 的文件描述符、指向文件缓冲区的指针、缓冲区的长度、当前缓冲区中的字节数以及出错标志等。 FILE数据结构定义在标准 I/O 库函数头文件 stdio.h 中。

标准输入、标准输出和标准错误 ​

       用户通过标准输入设备与系统进行交互， 进程将从标准输入（stdin）文件中得到输入数据，将正常输出数据（譬如程序中 printf 打印输出的字符串） 输出到标准输出（stdout） 文件，而将错误信息（譬如函数调用报错打印的信息）输出到标准错误（stderr） 文件。

       每个进程启动之后都会默认打开标准输入、标准输出以及标准错误， 得到三个文件描述符， 即 0、 1、2， 其中 0 代表标准输入、 1 代表标准输出、 2 代表标准错误； 在应用编程中可以使用宏 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO 和STDERR_FILENO 分别代表 0、 1、 2，这些宏定义在 unistd.h 头文件中：

c
/* Standard file descriptors. */
#define STDIN_FILENO 0 /* Standard input. */
#define STDOUT_FILENO1 /* Standard output. */
#define STDERR_FILENO2 /* Standard error output. */

       在标准 I/O 中，可以使用 stdin、 stdout、 stderr 来表示标准输入、标准输出和标准错误

打开文件 fopen() ​

c
#include <stdio.h>
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

path： 参数 path 指向文件路径，可以是绝对路径、也可以是相对路径。 mode： 参数 mode 指定了对该文件的读写权限，是一个字符串，稍后介绍。 返回值： 调用成功返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），该指针与打开或创建的文件相关联，后续的标准 I/O 操作将围绕 FILE 指针进行。 如果失败则返回 NULL，并设置 errno 以指示错误原因。

新建文件的权限 ​

       由 fopen()函数原型可知， fopen()只有两个参数 path 和 mode，不同于 open()系统调用，它并没有任何一个参数来指定新建文件的权限。 当参数 mode 取值为"w"、 "w+"、 "a"、 "a+"之一时，如果参数 path 指定的文件不存在，则会创建该文件，那么新的文件的权限是如何确定的呢？        虽然调用 fopen()函数新建文件时无法手动指定文件的权限，但却有一个默认值：

S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH (0666)

案例： 使用只读方式打开文件

c
fopen(path,"r")

读文件和写文件 ​

       我们便可以使用 fread()和 fwrite()库函数对文件进行读、写操作了，函数原型如下所示：

c
#include <stdio.h>
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

库函数 fread()用于读取文件数据，其参数和返回值含义如下：

  • ptr： fread()将读取到的数据存放在参数 ptr 指向的缓冲区中；
  • size： fread()从文件读取 nmemb 个数据项，每一个数据项的大小为 size 个字节，所以总共读取的数据大小为 nmemb * size 个字节。
  • nmemb： 参数 nmemb 指定了读取数据项的个数。
  • stream： FILE 指针。
  • 返回值： 调用成功时返回读取到的数据项的数目（数据项数目并不等于实际读取的字节数，除非参数size 等于 1）；

fseek 定位 ​

       库函数 fseek()的作用类似于 2.7 小节所学习的系统调用 lseek()， 用于设置文件读写位置偏移量， lseek()用于文件 I/O，而库函数 fseek()则用于标准 I/O，其函数原型如下所示：

c
#include <stdio.h>
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence)

譬如将文件的读写位置移动到文件开头处： fseek(file, 0, SEEK_SET); 将文件的读写位置移动到文件末尾： fseek(file, 0, SEEK_END); 将文件的读写位置移动到 100 个字节偏移量处： fseek(file, 100, SEEK_SET);

ftell()函数 ​

库函数 ftell()可用于获取文件当前的读写位置偏移量

c
#include <stdio.h>
long ftell(FILE *stream);

参数 stream 指向对应的文件，函数调用成功将返回当前读写位置偏移量；调用失败将返回-1，并会设置errno 以指示错误原因

检查或复位状态 ​

       调用 fread()读取数据时，如果返回值小于参数 nmemb 所指定的值，表示发生了错误或者已经到了文件末尾（文件结束 end-of-file），但 fread()无法具体确定是哪一种情况； 在这种情况下，可以通过判断错误标志或 end-of-file 标志来确定具体的情况。

feof()函数 ​

       库函数 feof()用于测试参数 stream 所指文件的 end-of-file 标志，如果 end-of-file 标志被设置了，则调用feof()函数将返回一个非零值，如果 end-of-file 标志没有被设置，则返回 0。

c
#include <stdio.h>
int feof(FILE *stream);

ferror()函数 ​

       库函数 ferror()用于测试参数 stream 所指文件的错误标志，如果错误标志被设置了，则调用 ferror()函数将返回一个非零值，如果错误标志没有被设置，则返回 0。

c
#include <stdio.h>
int ferror(FILE *stream);

clearerr()函数 ​

       库函数 clearerr()用于清除 end-of-file 标志和错误标志，当调用 feof()或 ferror()校验这些标志后，通常需要清除这些标志，避免下次校验时使用到的是上一次设置的值，此时可以手动调用 clearerr()函数清除标志。

c
#include <stdio.h>
void clearerr(FILE *stream)

格式化 I/O ​

格式化输出 ​

c
#include <stdio.h>
int printf(const char *format, ...);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int dprintf(int fd, const char *format, ...);
int sprintf(char *buf, const char *format, ...);
int snprintf(char *buf, size_t size, const char *format, ...);

格式化输入 ​

c
#include <stdio.h>
int scanf(const char *format, ...);
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sscanf(const char *str, const char *format, ...);

I/O 缓冲 ​

       出于速度和效率的考虑，系统 I/O 调用（即文件 I/O， open、 read、 write 等）和标准 C 语言库 I/O 函数（即标准 I/O 函数）在操作磁盘文件时会对数据进行缓冲

控制文件 I/O 内核缓冲的系统调用 ​

       Linux 中提供了一些系统调用可用于控制文件 I/O 内核缓冲，包括系统调用 sync()、 syncfs()、 fsync()以及 fdatasync()。

       系统调用 fsync()将参数 fd 所指文件的内容数据和元数据写入磁盘， 只有在对磁盘设备的写入操作完成之后， fsync()函数才会返回，其函数原型如下所示：

c
#include <unistd.h>
int fsync(int fd);

       系统调用 fdatasync()与 fsync()类似，不同之处在于 fdatasync()仅将参数 fd 所指文件的内容数据写入磁盘，并不包括文件的元数据；同样，只有在对磁盘设备的写入操作完成之后， fdatasync()函数才会返回。

       系统调用 sync()会将所有文件 I/O 内核缓冲区中的文件内容数据和元数据全部更新到磁盘设备中，该函数没有参数、也无返回值，意味着它不是对某一个指定的文件进行数据更新，而是刷新所有文件 I/O 内核缓冲区。

文件描述符与 FILE 指针互转 ​

       在应用程序中，在同一个文件上执行 I/O 操作时，还可以将文件 I/O（系统调用 I/O）与标准 I/O 混合使用，这个时候我们就需要将文件描述符和 FILE 指针对象之间进行转换，此时可以借助于库函数 fdopen()、fileno()来完成

c
#include <stdio.h>
int fileno(FILE *stream);
FILE *fdopen(int fd, const char *mode);