《Unix环境高级编程》之 标准IO库

　　标准I/O库是由C语言标准ISO C定义的，不仅在Unix上，还有很多系统都实现了此库，与第三章介绍的常用文件I/O函数的区别：后者是POSIX.1标准定义的，且都是不带缓冲的I/O函数，可以看作是系统调用，而前者都是带缓冲的I/O函数，是在系统调用的基础上实现的。 　　 1. 系统调用和库函数的区别 　　系统调用是操作系统提供的一组特殊接口，通过这组接口用户程序可以使用操作系统内核提供的各种功能，例如分配内存、创建进程、实现进程之间的通信等。 　　库函数可以说是对系统调用的一种封装，如果直接使用系统调用，会影响程序的移植性，所以才有了各种库函数，比如C库。 　　 2. 流和FILE对象 　　文件I/O函数是针对文件描述符进行操作的，而标准I/O库则是围绕流进行的，当用标准I/O函数打开文件时，就使流与一个文件相关联。标准I/O库使用FILE对象来管理流的各种信息，包括：用于实际I/O的文件描述符、指向用于该流缓冲区的指针、缓冲区的长度、当前在缓冲区中的字符数以及出错标志等。 　　流的定向决定了所读、写的字符是单字节的还是多字节的，当流最初创建时，并没有定向，第一次在未定向的流上使用多字节I/O函数还是单字节I/O函数，决定了该流的定向。 　　操作系统对一个进程预定义的三个流，分别是：标准输入、标准输出和标准出错，通过定义在<stdio.h>中的FILE指针：stdin、stdout和stderr加以引用。它们引用的文件已第三章中文件描述符：STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO 引用的文件相同。 　　 3. 标准I/O库提供的缓冲 　　标准I/O库提供缓冲的目的是尽可能的减少使用read和write系统调用的次数。提供了三种类型的缓冲： 　　(1)全缓冲。这种情况下，在填满标准I/O缓冲区后才进行实际I/O操作，在一个流上执行第一个I/O操作时，相关标准I/O函数会调用malloc获得所需的缓冲区。 　　(2) 行缓冲。当在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库执行I/O操作，这允许一个输出一个字符，但只有在写了一行后才进行实际的I/O操作。当流涉及一个终端（如标准输入和标准输出）时，通常使用行缓冲。行缓冲有两个限制：只要填满了缓冲区，即使没有遇见换行符，也进行I/O操作；当标准I/O库要求从内核中得到数据时，需要将缓冲区中的所有待输出数据进行冲洗。冲洗（flush）指缓冲区的写操作。 　　(3) 不带缓冲。不对字符进行缓冲存储，例如若使用不带缓冲的流进行I/O写操作，则标准I/O函数可能直接调用write系统调用，将字符立即写入相关文件。标准出错stderr通常是不带缓冲的，这就使得出错信息会尽快显示出来。 　　很多操作系统默认使用下列类型的缓冲： 　　* 标准出错是不带缓冲的； 　　* 若是涉及终端设备的其它流，则是行缓冲的；否则是全缓冲的。 　　 4. 打开流 　　以下三个函数打开一个标准I/O流:

#include <stdio.h> 　　FILE * fopen(const char * restrict pathname, const char* restrict type); 　　FILE * freopen(const char * restrict pathname, const char* restrict type, FILE * restrict fp); 　　FILE * fdopen(int filedes, const char* type); 返回值：若成功返回文件指针，若出错返回NULL

　　三者的区别：fopen打开一个指定的文件；freopen在一个指定的流上打开一个文件，若该流已打开，则先关闭该流，若已定向，则清除定向；fdopen使一个流与文件描述符所引用的文件相关联，适用于不能通过fopen打开的特殊文件。 type参数指定对该I/O流的读、写方式，可取以下值：

type说明r或rb为读打开w或wb为写打开并将文件截短至0a或ab在文件尾端添加或为写创建r+或r+b或rb+为读和写打开w+或w+b或wb+为读和写打开并将文件截短至0a+或a+b或ab+为在文件尾读和写打开或创建

　　b用于区分文件是文本文件还是二进制文件。当以a或w创建一个新文件时，无法说明该文件的访问权限位

#include <stdio.h> int fclose(FILE *fp); 关闭一个打开的流 返回值：成功返回0，出错返回EOF

　　文件关闭前，冲洗缓冲区中的输出数据，丢弃任何输入数据。当进程正常退出（直接调用exit或从main函数返回），所有打开的流会被自动关闭，所有缓冲区中未写的数据会被冲洗。 　　 5. 读和写流 ：非格式化I/O函数 　　非格式化I/O函数包括三种：每次一个字符的I/O；每次一行的I/O；直接I/O，每次I/O操作读或写某种数量的对象，而每个对象具有指定的长度。 　　以下三个函数用于一次读一个字符：

#include <stdio.h> int getc(FILE *fp); int fgetc(FILE *fp); int getchar(void); 返回值： 成功返回下一个字符，到文件尾或出错返回EOF

　　函数getchar可以视为getc(stdin)，getc和fgetc区别是前者可被实现为宏。这三个函数在返回下一个字符时，会将其unsigned char转换为int类型，之所以转换为整型，是需要一个负值表示EOF(常用-1表示)，所以不能用char来表示返回值；之所以unsigned，是因为即使最高位为1也不会使返回值为负。 　　出错和到达文件尾都返回EOF，所以需要函数来判断是哪种情况，每个流在FILE对象中维持了两个标志：出错标志和文件结束标志。

#include <stdio.h> int ferror(FILE * fp); int feof(FILE * fp); 返回值：条件为真返回非0，为假返回0； void clearerr(FILE *fp); 清楚这两个标志

　　ungetc将字符回压入流中，当到达文件尾时，调用ungetc会清除文件结束标志：

#include <stdio.h> int ungetc(int c, FILE* fp); 返回值：成功返回c，出错返回EOF

　　对应的输出函数：

#include <stdio.h> int putc(int c, FILE* fp); int fputc(int c, FILE* fp); int putchar(void); 返回值：成功返回c，出错返回EOF

　　putc可实现为宏 　　 6. 每次一行的I/O

#include <stdio.h> char * fgets(char *restrict buf, int n, FILE* fp); char * gets(char * buf); 返回值：成功返回buf，出错或到达文件尾返回NULL

　　gets从标准输入读，且不能指定缓冲区长度，不将换行符存入缓冲区； 　　fgets从指定的流读且必须指定缓冲区长度n，此函数一直读取一行，但是不超过n-1个字符，如果该行超过n-1个字符，则返回一个不完整的行，但缓冲区的结尾总是NULL字符。 　　gets不将换行符输入缓冲区，fgets将换行符输入缓冲区。

#include<stdio.h> int fputs(const char* restrict str, FILE *fp); int puts(const char* str); 返回值：成功返回非负值，出错返回EOF

　　fputs输出以NULL字符结尾的字符串到指定的流，尾端的NULL不写出，并不一定输出一行，因为NULL字符前不一定是换行符。 　　puts将以NULL字符结尾的字符串写到标准输出，NULL字符不写出，但puts又将 一个换行符输出。 　　fgets和fputs都不处理换行符。 　　 7. 二进制I/O

#include <stdio.h> size_t fread(void * restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE* fp); size_t fwrite(void *restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE* fp); 返回值：读或写的对象数

　　这两个函数常用于读或写数组或结构，只能用于在同一系统上读写数据，因为不同系统中，同一个结构，大小可能不一样。 　　 8. 定位流

#include <stdio.h> long ftell(FILE *fp); 返回值：成功则返回当前文件位置指示，失败则返回-1L; int fseek(FILE *fp, long offset, int wherece); 返回值： 成功则返回0，出错返回非0值； void rewind(FILE* fp);

　　wherece参数与第三章中lseek函数的相同：SEEK_SET，SEEK_CUR，SEEK_END 　　rewind使一个流返回到文件的起始位置。 　　 9. 格式化I/O

#include <stdio.h> int printf(const char* restrict format, ...); int fprintf(FILE* fp, const char* restrict format, ...); 返回值： 成功返回输出字符数，出错返回负值； int sprintf(char* restrict buf, const char* restrict format, ...); int snprintf(char* restrict buf, size_t n, const char* restrict format, ...); 返回值：成功返回输入数组的字符数，出错返回负值。

　　sprintf在数组的尾端自动添加一个NULL字节，但该字节不包含在返回个数中。 　　 10. 临时文件

#include <stdio.h> char * tmpnam(char* ptr); 返回值：指向唯一路径名的指针； FILE * tmpfile(void); 返回值：成功则返回文件指针，出错返回NULL int mkstemp(char * template); 返回值：成功则返回文件描述符，出错返回-1。

　　tmpnam产生一个与现有文件路径名不同的有效路径名字字符串，最多可调用TMP_MAX次。若ptr是NULL，则产生的字符串存在静态内存区中，若ptr不是NULL，则它至少指向长度是L_tmpnam个字符的数组，产生的路径名存放在该数组中，ptr作为返回值返回。 　　tmpfile函数先调用tmpnam产生一个唯一的路径名，如何创建临时文件，并立即unlink它。 　　mkstemp与tmpfile类似，但它并不自动unlink临时文件，需要手动unlink。 　　tmpnam的不足之处：在返回唯一路径名和应用程序用该路径名创建临时文件的空隙，另一个进程可能产生一个同名文件，所以应当避免使用它。