《UNIX 环境高级编程》笔记 - 标准 IO 库

不仅是 UNIX，很多其它操作系统都实现了标准 I/O 库，这个库是由 ISO C 标准定义的。

流和 FILE 对象

文件 I/O 函数都是围绕着文件描述符进行的。当打开一个文件时，即返回一个文件描述符，然后该文件描述符用于后续的 I/O 操作。

对于标准 I/O 库而言，它们的操作是围绕流（stream）进行的。当用标准 I/O 库打开或者创建一个文件时，我们使用一个流与一个文件相关联。

对于 ASCII 字符集，一个字符用一个字节表示。对于国际字符集（例如 UTF-8），一个字符可用多个字节（宽字节）表示。标准 I/O 文件流即可以用于单字节的，也可用于多字节的字符集。流的方向（orientation of stream）决定了它所读写的字符是单字节还是多字节的。

调用 fwide 函数可以设置流的方向。需要注意的是，fwide 函数并不会改变已经定向的流的方向。

#include <wchar.h>

int fwide(FILE *stream, int mode);

当打开一个流时，标准 I/O 函数 fopen 返回一个指向 FILE 对象的指针。FILE 对象通常是一个结构，它包含了标准 I/O 库为管理该流需要的所有信息，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。

标准输入、标准输出和标准错误

每个进程都预定义了 3 个流，并且这 3 个流可以自动地被进程所使用，它们是：标准输入、标准输出、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，文件指针定义在头文件 <stdio.h> 中。

缓冲

标准 I/O 库提供缓冲的目的是尽可能减少使用 read 函数和 write 函数的调用次数。标准 I/O 库提供了以下 3 种类型的缓冲：

• 全缓冲：标准 I/O 库将会在缓冲区填满之后，再进行实际的 I/O 操作。术语 flush 表示标准 I/O 缓冲区的写操作；

• 行缓冲：标准 I/O 库将会在输入和输出过程中遇到换行符时，再进行实际的 I/O 操作。

• 不带缓冲：标准 I/O 库不会对字符进行缓冲。标准错误流 stderr 通常是不带缓冲的。

调用 setbuf 函数或 setlinebuf 函数可以更改流的缓冲类型。

#include <stdio.h>

int setvbuf(FILE *restrict stream, char *restrict buf,
            int mode, size_t size);

void setbuf(FILE *restrict stream, char *restrict buf);
void setbuffer(FILE *restrict stream, char *restrict buf,
            size_t size);
void setlinebuf(FILE *stream);

打开流

调用 fopen 函数、fdopen 函数或 freopen 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 mode);
FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
FILE *freopen(const char *restrict pathname, const char *restrict mode,
              FILE *restrict stream);

fopen 函数打开指定的路径名为 pathname 的文件。

fdopen 函数打开指定的文件描述符 fd 上的文件。这个函数通常用于创建管道函数和网络通信函数返回的文件描述符。因为这些特殊类型的文件不能用标准 I/O 库中的 fopen 函数打开，因此必须先调用设备专用函数用以获取一个文件描述符，然后用 fdopen 函数将标准 I/O 流与该文件描述符相关联。

freopen 函数打开指定的路径名为 pathname 的文件，并且关联到指定的流 stream 上。如果指定的流 stream 已经打开，则会先关闭它。

fopen 函数和 freopen 函数是 ISO C 的一部分，因为 ISO C 并不涉及文件描述符，因此只有 POSIX 才有 fdopen 函数。

mode 参数指定对该 I/O 流的读写方式，ISO C 规定 mode 参数可以用 15 种不同的值。

mode	说明	对应的 open(2) 标志
r 或 rb	只读打开	O_RDONLY
r+ 或 r+b 或 rb+	读写打开	O_RDWR
w 或 wb	只写打开，当文件不存在时则会创建，将文件长度截断为 0	O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC
w+ 或 w+b 或 wb+	读写打开，将文件长度截断为 0	O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC
a 或 ab	只写打开，当文件不存在时则会创建，追加内容	O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND
a+ 或 a+b 或 ab+	读写打开，追加内容	O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND

读和写流

一旦打开了流，则可以使用 3 种不同类型的非格式化 I/O 对其进行读、写操作：

1. 每次只操作一个字符的 I/O：fgetc 函数和 fputc 函数在每次执行 I/O 操作时，只会读写一个字符；

2. 每次操作一行字符的 I/O：fgets 函数和 fputs 函数在每次执行 I/O 操作时，会以换行符为标记，读取一行的内容；

3. 直接 I/O（二进制 I/O）：fread 函数和 fwrite 函数在每次执行 I/O 操作时，会读写特定数量的对象，每个对象具有指定的长度。这两个函数通常用于从二进制文件中读写一个结构。

输入函数

调用 fgetc 函数、getc 函数或 getchar 函数可以读取一个字符。

#include <stdio.h>

int fgetc(FILE *stream);
int getc(FILE *stream);
int getchar(void);

int ungetc(int c, FILE *stream);

fgetc 函数可以作为地址，被当作参数传递给另一个函数。

getc 函数等同于 fgetc 函数，它可能是通过宏来实现的。

getchar 函数等同于 getc(stdin) 函数调用。

fgetc 函数、getc 函数和 getchar 函数在返回下一个字符时，会将 unsigned char 类型转换为 int 类型。

判断是出错还是达到文件尾端

不管是出错还是达到文件尾端，这 3 个函数都会返回同样的值。为了区分这两种不同的场景，必须调用 ferror 函数或 feof 函数。

#include <stdio.h>

void clearerr(FILE *stream);
int feof(FILE *stream);
int ferror(FILE *stream);

压送字符回到流中

从流中读取数据之后，可以调用 ungetc 函数将字符再压送回到流中。用 ungetc 函数压送回字符时，并没有真正将它们写到底层文件或者设备中，只是将它们写回到标准 I/O 库的缓冲区中。

#include <stdio.h>

int ungetc(int c, FILE *stream);

压送回到流中的字符之后可以再从流中被读取，但读取字符的顺序与压送回的字符顺序相反。虽然 ISO C 允许实现库支持任意次数的将字符压送回到流中的操作，但是它要求实现库一次只能压送一个字符。压送回到流中的字符不一定是上次读取的字符，但不能压送 EOF 字符。

当正在读取一个输入流，并进行某种形式的分词或者记号切分操作时，会经常用到 ungetc 函数。

输出函数

调用 fputc 函数、putc 函数或 putchar 函数可以写入一个字符。

#include <stdio.h>

int fputc(int c, FILE *stream);
int putc(int c, FILE *stream);
int putchar(int c);

每次一行 I/O

调用 fgets 函数可以读取一行字符。

#include <stdio.h>

char *fgets(char *restrict s, int size, FILE *restrict stream);

调用 fputs 函数和 puts 函数可以写入一行字符。

#include <stdio.h>

int fputs(const char *restrict s, FILE *restrict stream);
int puts(const char *s);

二进制 I/O

调用 fread 函数和 fwrite 函数可以读写一个完整的结构。

#include <stdio.h>

size_t fread(void *restrict ptr, size_t size, size_t nmemb,
             FILE *restrict stream);
size_t fwrite(const void *restrict ptr, size_t size, size_t nmemb,
             FILE *restrict stream);

fread 函数和 fwrite 函数通常被用于：读写一个二进制数组、读写一个结构。

定位流

调用 fseek 函数、ftell 函数、rewind 函数、fgetpos 函数和 fsetpos 函数可以查询和设置流的偏移量。

#include <stdio.h>

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
long ftell(FILE *stream);

void rewind(FILE *stream);

int fgetpos(FILE *restrict stream, fpos_t *restrict pos);
int fsetpos(FILE *stream, const fpos_t *pos);

对于一个二进制文件，其文件位置指示器是从文件起始位置开始度量，并以字节为度量单位。但对于一个文本文件，它的文件当前位置可能不能简单地以字节偏移量来度量。

ftell 函数可以获取流的偏移量，fseek 函数可以设置流的偏移量。rewind 函数可以重置流的偏移量为文件的起始位置。

fgetpos 函数和 fsetpos 函数与 ftell 函数和 fseek 函数类似，不过它们是 ISO C 标准引入的。

ftello 函数和 fseeko 函数支持以 off_t 类型来设置流的偏移量。

#include <stdio.h>

int fseeko(FILE *stream, off_t offset, int whence);
off_t ftello(FILE *stream);

格式化 I/O

格式化输出

调用 printf 函数、fprintf 函数、dprintf 函数、sprintf 函数和 snprintf 函数可以以格式化的方式输出 I/O 流。

#include <stdio.h>

int printf(const char *restrict format, ...);
int fprintf(FILE *restrict stream,
            const char *restrict format, ...);
int dprintf(int fd,
            const char *restrict format, ...);
int sprintf(char *restrict str,
            const char *restrict format, ...);
int snprintf(char *restrict str, size_t size,
            const char *restrict format, ...);

vprintf 函数、vfprintf 函数、vdprintf 函数、vsprintf 函数和 vsnprintf 函数也可以以格式化的方式输出 I/O 流，不过它们的可变参数列表变成了 vs_list 类型。

#include <stdarg.h>

int vprintf(const char *restrict format, va_list ap);
int vfprintf(FILE *restrict stream,
            const char *restrict format, va_list ap);
int vdprintf(int fd,
            const char *restrict format, va_list ap);
int vsprintf(char *restrict str,
            const char *restrict format, va_list ap);
int vsnprintf(char *restrict str, size_t size,
            const char *restrict format, va_list ap);

格式化输入

调用 scanf 函数、fscanf 函数和 sscanf 函数可以以格式化的方式输入 I/O 流。

#include <stdio.h>

int scanf(const char *restrict format, ...);
int fscanf(FILE *restrict stream,
           const char *restrict format, ...);
int sscanf(const char *restrict str,
           const char *restrict format, ...);

vscanf 函数、vfscanf 函数和 vsscanf 函数也可以以格式化的方式输入 I/O 流，不过它们的可变参数列表变成了 vs_list 类型。

#include <stdarg.h>

int vscanf(const char *restrict format, va_list ap);
int vfscanf(FILE *restrict stream,
           const char *restrict format, va_list ap);
int vsscanf(const char *restrict str,
           const char *restrict format, va_list ap);

实现细节

在 UNIX 中，标准 I/O 库最终都要调用文件 I/O 中的函数。每个标准 I/O 流中都有一个与其相关联的文件描述符。

调用 fileno 函数可以获取与流相关的文件描述符。

#include <stdio.h>

int fileno(FILE *stream);

临时文件

调用 tmpnam 函数或 tmpfile 函数可以创建一个临时文件。

#include <stdio.h>

char *tmpnam(char *s);
char *tmpnam_r(char *s);

FILE *tmpfile(void);

内存流

调用 fmemopen 函数、open_memstream 函数或 open_wmemstream 函数可以创建一个内存流。

#include <stdio.h>

FILE *fmemopen(void *buf, size_t size, const char *mode);

FILE *open_memstream(char **ptr, size_t *sizeloc);

#include <wchar.h>

FILE *open_wmemstream(wchar_t **ptr, size_t *sizeloc);

fmemopen 函数允许调用者将提供的缓冲区用于内存流。

open_memstream 函数可以创建面向字节的内存流， open_wmemstream 函数可以创建面向宽字节的内存流。

标准 I/O 库的替代软件

标准 I/O 库的一个不足之处是效率不高，这与它需要复制的数据量有关系。当使用每次读写一行的 fgets 函数和 fputs 函数时，通常需要复制两次数据：第一次是在内核和标准 I/O 库缓冲区之间，第二次是在标准 I/O 缓冲区和用户程序中之间。（源码位于 iofgets.c 和 iogetline.c 两个源文件中。）

可替代标准 I/O 库的软件包有：

• fio：快速 I/O 库；

• sfio 库；

• ASI（Alloc Stream Interface）：提供了 mmap 函数；

• uClibc C 库和 Newlib C 库：适用于内存较小的系统，例如嵌入式系统。