APUE学习笔记——标准I/O

　　今天我们围绕标准I/O做一些详细的讨论。

　　首先，我们先来看一些重要的概念。

流和文件指针

　　文件I/O操作都是针对文件描述符进行的，相对的，标准I/O的操作都是围绕一种叫做流（stream）的东西进行的，当使用标准 I/O 库打开或创建一个文件时，我们就已使一个流与这个文件相关联，通过流的读入和输出完成所需要的 I/O操作。

　　用fopen打开一个流会返回一个指向FILE对象的指针，即文件指针，FILE对象通常是一个结构，包含了标准I/O库为管理该流需要的所有信息，如用于实际I/O的文件描述符、指向用于该流缓冲区的指针、缓冲区长度、出错标志等。

　　系统为每个进程预定义了3个可以自动被使用的流：标准输入、标准输出和标准错误，这3个标准I/O流通过预定义的文件指针stdin、stdout、stderr加以引用。

缓冲

　　标准I/O库提供缓冲的目的是尽可能减少使用read和write系统调用的次数，缓冲类型有三种：

　　（1）全缓冲：填满标准I/O缓冲区后才进行实际I/O操作，磁盘中的文件通常是全缓冲，术语冲洗（flush）说明标准I/O缓冲区的写操作。

　　（2）行缓冲：在输入和输出中遇到换行符或行缓冲区被填满时执行实际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。

　　（3）不带缓冲：标准I/O不对字符进行缓冲存储，标准错误stderr通常默认为不带缓冲的。

ISO C规定：

　　当且仅当stdin和stdout不指向交互式设备时，他们才是全缓冲。

　　stderr决不会是全缓冲。

Linux系统默认：

　　stderr是不带缓冲的。

　　若流指向终端设备，则是行缓冲，否则为全缓冲。

　　

　　对于一个给定的已经打开且尚未执行任何操作的流，我们可以调用setbuf和setvbuf来更改系统默认的缓冲类型。

#include <stdio.h>
void setbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf);
int setvbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf, int mode, size_t size);

/*返回值：若成功。返回0；若出错，返回非0*/

　　我们来看一下这两个函数的区别：

　　setbuf只提供两种功能——打开或关闭由第一个参数fp指定的流的缓冲机制。若为打开缓冲，第二个参数buf必须指向一个长度为BUFSIZ的缓冲区，BUFSIZ定义在stdio.h中，至于调用函数之后究竟是全缓冲还是行缓冲，那就取决于该流是与终端相关还是与文件相关了；若想关闭该流的缓冲，只需把buf设为NULL即可。

　　setvbuf功能就要强大一些，它多了两个参数mode和size，不仅可以实现setbuf的功能，还可以在打开缓冲时由mode指定具体的指定缓冲类型，由size指定缓冲区的长度。

mode参数	缓冲类型
_IOFBF	全缓冲
_IOLBF	行缓冲
_IONBF	不带缓冲

　　关于这两个函数更详细的动作，可以看下下面这张表，这里就不再多费口舌了。

　　


关键字restrict：

　　大家可能都注意到了，这两个函数的参数中都带有restrict这个关键字，查了下发现是C99新增的，它只用于限定指针，作用是告诉编译器，所有修改该指针所指向内容的操作都必须通过该指针进行，而不能通过其它途径(其它变量或指针)来修改。这样做的好处是能帮助编译器进行更好的代码优化，生成更有效率的汇编代码。

　　

　　接下来，我们围绕对流的操作介绍一些函数，包括打开和关闭流、读和写流。

打开和关闭流

1、打开流

　　以下三个函数可以打开一个标准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 fd, const char *type);

/*三个函数返回值：若成功，返回文件指针；若失败，返回NULL*/

　　三个函数的区别：

　　（1）fopen：打开路径名为pathname的一个指定文件

　　（2）freopen：在一个指定的流上打开一个指定的文件，该函数一般用于将一个指定的文件打开为一个预定义的流，也就是前面说的标准输入、标准输出和标准错误。

　　（3）fdopen：读取一个现有的文件描述符，并使一个标准I/O流与其结合，常用于由创建管道和网络通信通道函数返回的描述符。

　　其中，type参数可以用来指定对该流的读写方式，如下图所示：



2、关闭流

#include <stdio.h>
int fclose(FILE *fp);
/*返回值：若成功，返回0；若失败，返回EOF*/

　　当我们使用完一个文件之后，需要调用 fclose函数关闭该文件、释放相关的资源，否则会造成内存泄漏，但在文件关闭前，系统还会进行一些操作，如冲洗缓冲区中输出数据、丢弃缓冲区中的所有输入数据、释放为流分配的缓冲区等。

读和写流

　　读写操作分成两大类：非格式化I/O、格式化I/O

　　非格式化I/O又包括三种：每次一个字符I/O、每次一行I/O、每次一个结构I/O。　

（一）非格式化I/O

1、每次一个字符的I/O

#include <stdio.h>

/*输入函数*/
int getc(FILE *fp);
int fgetc(FILE *fp);
int getchar(void);   /*等同于getc(stdin)*/

/*三个函数返回值：若成功，返回下一个字符；若已到达文件尾或出错，返回EOF*/

/*对应的输出函数*/
int putc(int c, FILE *fp);
int fputc(int c, FILE *fp);
int putchar(int c);

/*三个函数返回值：若成功，返回c；若出错，返回EOF*/

　　关于三个输入函数的返回值，注意这样一句话：若已到达文件尾或出错，返回EOF，所以如果想知道是哪一种情况，可以调用ferror或feof进行判断。

#include <stdio.h>

int ferror(FILE *fp);
int feof(FILE *fp);

/*两个函数返回值：若条件为真，返回真；否则，返回假*/

　　那么，ferror和feof是怎么知道条件是否为真呢？原来系统为每个流在FILE对象中维护了两个标志：出错标志和文件结束标志，所以当把FILE指针作为参数传递给这两个函数时，就可以通过这两个标志来判断条件是真还是假了。

2、每次一行I/O

#include <stdio.h>

/*buf：缓冲区地址； n：缓冲区长度； fp：指定的流*/
char *fgets(char *restrict buf, int n, FILE *restrict fp);
char *gets(char *buf);

/*两个函数返回值：若成功，返回buf；若已到达文件尾或出错，返回NULL*/

int fputs(const char *restrict str, FILE *restrict fp);
int puts(const char *str);

/*两个函数返回值：若成功，返回非负值；若出错，返回EOF*/

　　我们先来分析两个输入函数：

　　fgets和gets都指定了缓冲区的地址，读入的行送入其中，只不过gets从标准输入读，而fgets从指定的流读而已。

　　gets函数并不检查输入行的长度是否超过缓冲区长度，因此有缓冲区溢出的危险，历史上的蠕虫病毒就是利用这个漏洞做的，所以gets一般不推荐使用。fgets弥补了gets的缺点，我们必须给它指定缓冲区长度n，当输入行长度超过缓冲区长度时就会出错。

　　关于fgets、缓冲区长度、输入行长度要注意一个小问题：

　　fgets读取输入行直到遇到换行符，注意fgets也读入换行符，而缓冲区总以null字节结尾，所以输入行包括换行符在内的字符数不能超过n-1，也就是说除换行符外的实际字符数最多为n-2，否则fgets返回一个不完整的行，该行的剩余部分会在下一次调用fgets时接着读取。

　　测试代码

　　

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAXLINE 20

int main()
{
char buf[MAXLINE];

if (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL)
if (fputs(buf, stdout) == EOF)
printf("output error\n");

if (ferror(stdin))
printf("input error\n");

exit(0);
}

运行结果可看出，缓冲区长度20，第一次输入18个字符，fgets将这些字符与换行符一起读入，fputs输出有换行；第二次输入19字符，fgets没有读入换行符，fpus输出无换行。



　　分析完了输入，咱们再来看输出。

　　puts将一个字符串写到标准输出，尾部终止符’\0’不写出，随后puts会补一个换行符到标准输出，也就是说puts会自动换行。

　　fputs将一个字符串写到指定的流，尾部终止符’\0’不写出，但并不一定是每次输出一行，因为字符串不需要换行符作为最后一个非NULL字节。

3、二进制I/O（每次读写一个结构）

　　该方式可一次读写一个完整的结构，通过fread和fwrite实现。

#include <stdio.h>

size_t fread(void *restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *restrict fp);

sizt_t fwrite(const void *restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *restrict fp);

/*两个函数返回值：读或写的对象数*/
/*对于读，若出错或到达文件尾，返回值可少于nobj，需调用ferror或feof判断是哪一种*/
/*对于写，若返回值少于要求的nobj，则为出错*/

　　这两个函数有以下常见用法：

　　（1）读或写一个二进制数组：例如将一个数组的第2~5个元素写到一文件上，可以使用如下代码。其中，size为每个数组元素的长度，nobj为欲写的元素个数

int data[10];

if (fwrite(&data[1], sizeof(int), 4, fp) != 4)
printf("fwrite error\n");

　　（2）读或写一个结构：如下代码，其中，size为结构的长度，nobj为1（要写的结构体个数）

struct
{
short count;
long total;
char name[NAMESIZE];
} item;

if (fwrite(&item, sizeof(item), 1, fp) != 1)
printf("fwrite error\n");

　　（3）将（1）（2）结合起来就可以读或写一个结构数组：代码如下，其中size是结构的sizeof，nobj是数组的元素个数。

/*定义一个结构数组*/
struct student
{
char name[20];
char sex[2];
int age;
char address[100];
} student[40];

if (fwrite(student, sizeof(struct student), 40, fp) != 40)
printf("fwrite error\n");

（二）格式化I/O

1、格式化输出

#include <stdio.h>

int printf(const char *restrict format, ...);
int fprintf(FILE *restrict fp, const char *restrict format, ...);
int dprintf(int fd, const char *restrict format, ...);

int sprintf(char *restrict buf, const char *restrict format, ...);
int snprintf(char *restrict buf, size_t n,
　　　　　　　const char *restrict format, ...);

　　我们来比较一下这5个函数：

　　printf将格式化数据写到标准输出，注意它的返回值是成功打印的字符数（不包括\0字符）；

　　fdprintf将格式化数据写到指定的流，dprintf写到指定的文件描述符，这两个函数的返回值也是成功打印的字符数（不包括\0字符）；

　　sprintf将格式化数据写到数组buf中，并在数组尾端自动加一个\0，若成功，函数返回写入数组的字符数（不包括为数组自动添加的\0），否则返回负值。

　　与gets类似，sprintf也有可能造成缓冲区溢出，所以有了snprintf，需要显示指定缓冲区长度n，超过缓冲区尾端的所有字符都被丢弃。如果n足够大，返回写入buf的字符数，否则返回负值。

　　

2、格式化输入

#include <stdio.h>

int scanf(const char *restrict format, ...);
int fscasnf(FILE *restrict fp, const char *restrict format, ...);
int sscanf(char *restrict buf, const char *restrict format, ...);

　　这三个函数的区别和上面的printf函数族类似，大家比较着看下就行了，这里不再详细阐述了。

　　最后再来看下面这个函数：

#include <stdio.h>
int fileno(FILE *fp);

　　每个标准I/O流都有一个与其相关联的文件描述符，可以调用fileno获得其描述符并返回。