文件I/O编程之： 标准I/O编程

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        6.5  标准I/O编程

        本章前面几节所述的文件及I/O读写都是基于文件描述符的。这些都是基本的I/O控制，是不带缓存的。而本节所要讨论的I/O操作都是基于流缓冲的，它是符合ANSI C的标准I/O处理，这里有很多函数读者已经非常熟悉了（如printf()、scantf()函数等），因此本节中仅简要介绍最主要的函数。
         
        前面讲述的系统调用是操作系统直接提供的函数接口。因为运行系统调用时，Linux必须从用户态切换到内核态，执行相应的请求，然后再返回到用户态，所以应该尽量减少系统调用的次数，从而提高程序的效率。
         
        标准I/O提供流缓冲的目的是尽可能减少使用read()和write()等系统调用的数量。标准I/O提供了3种类型的缓冲存储。
         
        n 全缓冲：在这种情况下，当填满标准I/O缓存后才进行实际I/O操作。存放在磁盘上的文件通常是由标准I/O库实施全缓冲的。在一个流上执行第一次I/O操作时，通常调用malloc()就是使用全缓冲。
        n 行缓冲：在这种情况下，当在输入和输出中遇到行结束符时，标准I/O库执行I/O操作。这允许我们一次输出一个字符（如fputc()函数），但只有写了一行之后才进行实际I/O操作。标准输入和标准输出就是使用行缓冲的典型例子。
        n 不带缓冲：标准I/O库不对字符进行缓冲。如果用标准I/O函数写若干字符到不带缓冲的流中，则相当于用系统调用write()函数将这些字符全写到被打开的文件上。标准出错stderr通常是不带缓存的，这就使得出错信息可以尽快显示出来，而不管它们是否含有一个行结束符。
        在下面讨论具体函数时，请读者注意区分以上的三种不同情况。
         
        6.5.1  基本操作

        1．打开文件

        （1）函数说明。
        打开文件有三个标准函数，分别为：fopen()、fdopen()和freopen()。它们可以以不同的模式打开，但都返回一个指向FILE的指针，该指针指向对应的I/O流。此后，对文件的读写都是通过这个FILE指针来进行。其中fopen()可以指定打开文件的路径和模式，fdopen()可以指定打开的文件描述符和模式，而freopen()除可指定打开的文件、模式外，还可指定特定的I/O流。
         
        （2）函数格式定义。
        fopen()函数格式如表6.14所示。
        表6.14 fopen()函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	FILE * fopen(const char * path, const char * mode)
函数传入值	Path：包含要打开的文件路径及文件名
	mode：文件打开状态（后面会具体说明）
函数返回值	成功：指向FILE的指针                                         失败：NULL

         
        其中，mode类似于open()函数中的flag，可以定义打开文件的访问权限等，表6.15说明了fopen()中mode的各种取值。
        表6.15 mode取值说明

r或rb	打开只读文件，该文件必须存在
r＋或r＋b	打开可读写的文件，该文件必须存在
W或wb	打开只写文件，若文件存在则文件长度清为0，即会擦写文件以前的内容。若文件不存在则建立该文件
w+或w＋b	打开可读写文件，若文件存在则文件长度清为0，即会擦写文件以前的内容。若文件不存在则建立该文件
a或ab	以附加的方式打开只写文件。若文件不存在，则会建立该文件；如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾，即文件原先的内容会被保留
a+或a＋b	以附加方式打开可读写的文件。若文件不存在，则会建立该文件；如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾后，即文件原先的内容会被保留

         
        注意在每个选项中加入b字符用来告诉函数库打开的文件为二进制文件，而非纯文本文件。不过在Linux系统中会自动识别不同类型的文件而将此符号忽略。
         
        fdopen()函数格式如表6.16所示。
        表6.16 fdopen()函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	FILE * fdopen(int fd, const char * mode)
函数传入值	fd：要打开的文件描述符
	mode：文件打开状态（后面会具体说明）
函数返回值	成功：指向FILE的指针                                         失败：NULL

         
        freopen()函数格式如表6.17所示。
        表6.17 freopen()函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	FILE * freopen(const char *path, const char * mode, FILE * stream)
函数传入值	path：包含要打开的文件路径及文件名
	mode：文件打开状态（后面会具体说明）
	stream：已打开的文件指针
函数返回值	成功：指向FILE的指针                                         失败：NULL

         
        2．关闭文件

        （1）函数说明。
        关闭标准流文件的函数为fclose()，该函数将缓冲区内的数据全部写入到文件中，并释放系统所提供的文件资源。
         
        （2）函数格式说明。
        fclose()函数格式如表6.18所示。
        表6.18 fclose()函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	int fclose(FILE * stream)
函数传入值	stream：已打开的文件指针
函数返回值	成功：0                                         失败：EOF

         
        3．读文件

        （1）fread()函数说明。
        在文件流被打开之后，可对文件流进行读写等操作，其中读操作的函数为fread()。
         
        （2）fread()函数格式。
        fread()函数格式如表6.19所示。
        表6.19 fread()函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	size_t fread(void * ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE * stream)
函数传入值	ptr：存放读入记录的缓冲区
	size：读取的记录大小
	nmemb：读取的记录数
	stream：要读取的文件流
函数返回值	成功：返回实际读取到的nmemb数目                                         失败：EOF

         
        4．写文件

        （1）fwrite()函数说明。
        fwrite()函数用于对指定的文件流进行写操作。
         
        （2）fwrite()函数格式。
        fwrite()函数格式如表6.20所示。
        表6.20 fwrite()函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	size_t fwrite(const void * ptr,size_t size, size_t nmemb, FILE * stream)

        续表

函数传入值	ptr：存放写入记录的缓冲区
	size：写入的记录大小
	nmemb：写入的记录数
	stream：要写入的文件流
函数返回值	成功：返回实际写入的记录数目                                         失败：EOF

         
        5．使用实例

        下面实例的功能跟底层I/O操作的实例基本相同，运行结果也相同（请参考6.3.1节的实例），只是用标准I/O库的文件操作来替代原先的底层文件系统调用而已。
        读者可以观察哪种方法的效率更高，其原因又是什么。
         
        #include <stdlib.h>
        #include <stdio.h>
         
        #define BUFFER_SIZE      1024         /* 每次读写缓存大小 */
        #define SRC_FILE_NAME   "src_file"  /* 源文件名 */
        #define DEST_FILE_NAME  "dest_file" /* 目标文件名文件名 */
        #define OFFSET            10240        /* 复制的数据大小 */
             
        int main()
        {
             FILE *src_file, *dest_file;
             unsigned char buff[BUFFER_SIZE];
             int real_read_len;
             
             /* 以只读方式打开源文件 */
             src_file = fopen(SRC_FILE_NAME, "r");
             
             /* 以写方式打开目标文件，若此文件不存在则创建 */
             dest_file = fopen(DEST_FILE_NAME, "w");
             
             if (!src_file || !dest_file)
             {
                  printf("Open file error\n");
                  exit(1);
             }
             
             /* 将源文件的读写指针移到最后10KB的起始位置*/
             fseek(src_file, -OFFSET, SEEK_END);
             
             /* 读取源文件的最后10KB数据并写到目标文件中，每次读写1KB */
             while ((real_read_len = fread(buff, 1, sizeof(buff), src_file)) > 0)
             {
                  fwrite(buff, 1, real_read_len, dest_file);
             }
             fclose(dest_file);
             fclose(src_file);
             return 0;
        }
         
        读者可以尝试用其他文件打开函数进行练习。
         
        6.5.2  其他操作

        文件打开之后，根据一次读写文件中字符的数目可分为字符输入输出、行输入输出和格式化输入输出，下面分别对这3种不同的方式进行讲解。
         
        1．字符输入输出

        字符输入输出函数一次仅读写一个字符。其中字符输入输出函数如表6.21和表6.22所示。
        表6.21 字符输出函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	int getc(FILE * stream)                                         int fgetc(FILE * stream)                                         int getchar(void)
函数传入值	stream：要输入的文件流
函数返回值	成功：下一个字符                                         失败：EOF

         
        表6.22 字符输入函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	int putc(int c, FILE * stream)                                         int fputc(int c, FILE * stream)                                         int putchar(int c)
函数返回值	成功：字符c                                         失败：EOF

         
        这几个函数功能类似，其区别仅在于getc()和putc()通常被实现为宏，而fgetc()和fputc()不能实现为宏，因此，函数的实现时间会有所差别。
         
        下面这个实例结合fputc()和fgetc()将标准输入复制到标准输出中去。
         
        /*fput.c*/
        #include<stdio.h>
        main()
        {
              int c;
             /*把fgetc()的结果作为fputc()的输入*/
             fputc(fgetc(stdin), stdout);
        }
        运行结果如下所示：
         
        $ ./fput
        w（用户输入）
        w（屏幕输出）
         
        2．行输入输出

        行输入输出函数一次操作一行。其中行输入输出函数如表6.23和表6.24所示。
        表6.23 行输出函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	char * gets(char *s)                                         char fgets(char * s, int size, FILE * stream)
函数传入值	s：要输入的字符串                                         size：输入的字符串长度                                         stream：对应的文件流
函数返回值	成功：s                                         失败：NULL

         
        表6.24 行输入函数语法要点

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	int puts(const char *s)                                         int fputs(const char * s, FILE * stream)
函数传入值	s：要输出的字符串                                         stream：对应的文件流
函数返回值	成功：s                                         失败：NULL

         
        这里以gets()和puts()为例进行说明，本实例将标准输入复制到标准输出，如下所示：
         
        /*gets.c*/
        #include<stdio.h>
        main()
        {
             char s[80];
             /*同上例，把fgets()的结果作为fputs()的输入*/
             fputs(fgets(s, 80, stdin), stdout);
        }
         
        运行该程序，结果如下所示：
        $ ./gets
        This is stdin（用户输入）
        This is stdin（屏幕输出）
         
        3．格式化输入输出

        格式化输入输出函数可以指定输入输出的具体格式，这里有读者已经非常熟悉的printf()、scanf()等函数，这里就简要介绍一下它们的格式，如表6.25～表6.27所示。
        表6.25 格式化输出函数1

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	int printf(const char *format,…)                                         int fprintf(FILE *fp, const char *format,…)                                         int sprintf(char *buf, const char *format,…)
函数传入值	format：记录输出格式                                         fp：文件描述符                                         buf：记录输出缓冲区
函数返回值	成功：输出字符数（sprintf返回存入数组中的字符数）                                         失败：NULL

        表6.26 格式化输出函数2

所需头文件	#include <stdarg.h>                                         #include <stdio.h>
函数原型	int vprintf(const char *format, va_list arg)                                         int vfprintf(FILE *fp, const char *format, va_list arg)                                         int vsprintf(char *buf, const char *format, va_list arg)
函数传入值	format：记录输出格式                                         fp：文件描述符                                         arg：相关命令参数
函数返回值	成功：存入数组的字符数                                         失败：NULL

         
        表6.27 格式化输入函数

所需头文件	#include <stdio.h>
函数原型	int scanf(const char *format,…)                                         int fscanf(FILE *fp, const char *format,…)                                         int sscanf(char *buf, const char *format,…)
函数传入值	format：记录输出格式                                         fp：文件描述符                                         buf：记录输入缓冲区
函数返回值	成功：输出字符数（sprintf返回存入数组中的字符数）                                         失败：NULL

         
        由于本节的函数用法比较简单，并且比较常用，因此就不再举例了，请读者需要用到时自行查找其用法。