APUE学习笔记3——第五章——标准I/O库

时间：2022-05-07 09:55:43

APUE学习笔记3——第五章——标准I/O库

学号:16340043
中山大学
本博客为《UNIX环境高级编程》的学习笔记，希望能对大家有所帮助

1.前面的废话

今天第二篇咯（过了国庆肯定做不到一天一更…一周能写两篇就不错了…）

2.博客正文

5.1 引言

本章讲述标准I/O库（终于有点熟悉的内容啦）

5.2 流和FILE对象

对于第三章中的I/O函数，所有的操作都是围绕着文件描述符的，而对于标准I/O库，它们的操作是围绕流进行的。当用标准I/O库打开或创建一个文件时，我们已使一个流与一个文件相关联。

流的定向决定了所读写的字符是单字节还是多字节的

只有两个函数可以改变流的定向。freopen函数（稍后讨论）清楚一个流的定向；fwide函数可用于设置流的定向：

#include <stdio.h>
#include <wchar.h>
int fwide(FILE *fp, int mode);

其中：

  • 根据mode参数的不同值，fwide函数执行不同的工作：
mode值 功能
负 使指定的流字节定向
正 使指定的流宽定向
0 不设置流的定向，但返回该流定向的值
  • fp：指向一个FILE对象的指针（文件指针）
  • 返回值：若流是宽定向的，返回正值；若流是字节定向的，返回负值；若流是未定向的，返回0

由于该函数没有出错返回，我们在使用它之前应把errno清除，使用后检查errno的值来判断流是否无效

5.3 标准输入、标准输出和标准错误

有3个流标准输入、标准输出和标准错误可以自动地被进程使用，通过文件指针stdin、stdout和stderr加以引用

5.4 缓冲

缓冲的目的使尽可能减少read和write的次数。标准I/O提供了以下3种类型的缓冲：

  • 1）全缓冲。要填满缓冲区后才能进行实际I/O操作

  • 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。行缓冲有两个限制：

    a.由于缓冲区的长度是固定的，所以只要填满了它，即使没有换行符，也会执行I/O操作
    b.通过I/O库要求从一个不带缓冲的流，或者是一个行缓冲的流得到输入数据，那么会冲洗1所有行缓冲输出流

  • 3）不带缓冲。不对字符进行缓冲存储。

很多系统默认使用下列类型的缓冲：

  • 标准错误是不带缓冲的
  • 若是指向终端设备的流，是行缓冲的；否则是全缓冲的

对任何一个给定的流，若我们不喜欢系统默认，可以用下列函数更改：

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

其中：

  • fp：指向文件的指针
  • 对于setbuf，若buf指向长度为BUFSIZE的缓冲区，设为全缓冲；若该流与终端设备相关，那么可能会被设置为行缓冲；若buf为NULL，则设为不带缓冲
  • 对于setvbuf，可通过mode具体设定所需缓冲类型：
mode值 类型
_IOFBF 全缓冲
_IOLBF 行缓冲
_IONBL 不带缓冲

mode的优先级高于buf参数，若mode为带缓冲的，而buf为NULL那么系统会自动分配一个缓冲区给流

一般而言，应由系统自动分配缓冲区，这样在关闭流的时候缓冲区被自动释放

任何时候，我们都可以强制冲洗一个流：

 #include <stdio.h>
int fflush(FILE *fp);
  • 返回值：若成功，返回0；若出错，返回EOF

特殊情况：若fp为NULL，则所有输出流被冲洗

5.5 打开流

下列3个函数用来打开一个标准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);

三个函数区别如下：

  • 1）fopen打开路径名为pathname的指定文件
  • 2）freopen在一个指定流上打开一个指定文件。若流已经打开，则消除该流；若流已经定向，则清除该定向
  • 3）fdopen使一个标准I/O流与一个文件描述符相结合

type有15种不同的值：

type 说明
r或rb2 为读而打开
w或wb 把文件截至0长，或为写而创建
a或ab 追加：为在文件尾写而打开，或为写而创建
r+或r+b或rb+ 为读和写而打开
w+或w+b或wb+ 把文件截至0长，或为读和写而打开
a+或a+b或ab+ 在文件尾读和写而打开或创建

调用fclose关闭一个打开的流：

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

在该文件被关闭之前，冲洗缓冲区中的输出数据，输入数据被丢弃

5.6 读和写流

一旦打开了流，可选择3种不同类型的I/O方式

  • 1）每次一个字符的I/O
  • 2）每次一行的I/O
  • 3）直接I/O

先说输入函数（这一块就有交叉啦）

一次读一字符：

#include <stdio.h>
int getc(FILE *fp);
int fgetc(FILE *fp);
int getchar(void);
  • 返回值：若成功，返回下一个字符；若出错或到达文件尾，返回EOF
  • getchar()相当于getc(stdin)
  • 前两个函数的区别是，前者可被实现为宏，而后者不行

为了区分上述返回值的-1是出错还是到达文件尾，必须调用ferror或feof

#include <stdio.h>
int ferror(FILE *fp);
int feof(FILE *fp);
//两个函数在条件为真时返回非0；否则返回0
void clearerr(FILE *fp);

使用clearerr可以清除出错标志和文件尾标志

从流中读取数据后，可用ungetc将字符再压进流中

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

回送的字符可以再读出（不知道这个函数有什么用…），但是读出顺序与压回顺序相反
不能回送EOF

最后是输出函数：

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

与输入函数之间的差别类似

5.7 每次一行的I/O

下面函数提供每次输入一行的功能：

#include <stdio.h>
char *fgets(char *restrict buf, int n, FILE *restrict fp);
char *gets(char *buf);
  • 返回值：若成功，返回buf；若出错或达到文件尾，返回NULL
  • gets3从标准输入读，fgets从指定的流读
  • n：缓冲的长度（fgets读取n-1个字符，以null字节结尾）

下面函数提供每次输出一行的功能：

#include <stdio.h>
int fputs(const char *restrict str, FILE *restrict fp);
int puts(const char *str);
  • 返回值：若成功，返回非负值；若出错，返回EOF
  • puts会在输出完后添加一个换行符

5.8 标准I/O的效率

以上几个函数在循环多次时，对内核提出的读写请求数基本相同，所以无需考虑缓冲及最佳I/O长度的选择。

使用每次一行I/O版本的效率约为每次一个版本的两倍。

5.9 二进制I/O

二进制I/O一次读或写一个完整的结构：

#include <stdio.h>
size_t fread(void *restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *restrict fp);
size_t fwrite(const void *restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *restrict fp);
  • 返回值：读或写的对象数
  • ptr：指向数据的指针
  • size：要读或写的元素的长度
  • nobj：要读或写的元素的个数

二进制I/O只能用来读同一系统上已写的数据
在不同的系统间交换二进制数据的实际方法是使用互认的规范格式

5.10 定位流

有三种方法可以定位标准I/O流

1）ftell和fseek函数

#include <stdio.h>
long ftell(FILE *fp);
//返回值：若成功，返回当前文件位置指示；若出错，返回-1L
int fseek(FILE *fp, long offset, int whence);
//返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1
void rewind(FILE *fp);
  • ftell用于二进制文档时，返回当前位置距起始位置的字节数
  • whence的值与3.6中fseek函数的相同
  • offset：偏移量。作用于文本文档时，文件当前位置不能简单地用偏移量来度量，此时offset只能有两种值：0或ftell返回的值
  • rewind函数用于将一个流设置到文件的起始位置

2）除了偏移量的类型是off_t而非long以外，ftello函数与ftell相同，fseeko函数与fseek相同

3）fgetpos和fsetpos函数

#include <stdio.h>
int fgetpos(FILE *fp, fpos_t *restrict pos);
int fsetpos(FILE *fp, const fpos_t *pos);
  • 返回值：若成功，返回0；若出错，返回非0
  • fpos_t：记录文件位置的数据类型

5.11 格式化I/O

格式化输出是由5个printf函数来处理的：

#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, ...);
//三个函数返回值：若成功，返回输出字符数；若输出出错，返回负值
int sprintf(char *restrict buf, const char *restrict format, ...);
//返回值：若成功，返回存入数组的字符数；若编码出错，返回负值
int snprintf(char *restrict buf, size_t n, const char *restrict format, ...);
//返回值：若缓冲区够大，返回将要存入数组的字符数；若编码出错，返回负值

printf将格式化数据写至标准输出，fprintf写至指定的流，dprintf写至指定的文件描述符，sprintf将格式化字符送入数组buf中，并加上一个null字节4。

  • snprintf中的n指定了最多读取的字符数，再多的被丢弃

至于怎么格式化输出（%d那一套东西），我就不记下来了，学过C的都知道

对，还有5中printf族的变体，在前面5个函数的前面加上一个v5，区别是可变参数（…）列表被替换成arg

格式化输入是由3个scanf函数来执行的：

#include <stdio.h>
int scanf(const char *restrict format, ...);
int fscanf(FILE *restrict fp, const char *restrict format, ...);
int sscanf(const char *restrict buf, const char *restrict format, ...);
  • 返回值：赋值的输入项数；若输入出错或在任一转换前已达到文件尾端，返回EOF

scanf族也有前面加v的3个scanf，区别与printf的的类似

5.12 实现细节6

可以对一个流调用fileno函数以取得其描述符

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

-返回值当然是文件描述符啦

5.13 临时文件

ISO C 标准I/O库提供了两个函数以帮助创建临时文件：

#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：若成功，返回文件指针；若失败，返回NULL
  • tmpnam函数产生一个与现有文件名不同的有效路径名字符串，最多调用次数为TMP_MAX7
  • 若ptr为NULL，所产生的路径名放在一个静态区中，指向该静态区的指针作为函数值返回，后续调用tmpnam时，会重写该静态区，所以我们应该保存路径名的副本而不是指针的副本
  • tmpfile创建一个二进制文件（UNIX中不区分）

函数mkdtemp和mkstemp可处理临时文件：

#include <stdlib.h>
char *mkdtemp(char *template);
//返回值：若成功，返回指向目录名的指针；若出错，返回NULL
int mkstemp(char *template);
//返回值：若成功，返回文件描述符；若出错，返回-1

其实这两个函数更像是创建随机文件名的非临时文件……（我的理解）只是访问权限略有不同。

5.14 内存流

内存流虽仍使用FILE进行访问，但其实没有底层文件

有三个函数可用于内存流的创建，第一个是fmemopen函数：

include <stdio.h>
FILE *fmemopen(void *restrict buf, size_t size, const char *restrict type);
  • 返回值：若成功，返回流指针；若出错，返回NULL

fmemopen函数允许调用者提供缓冲区用于内存流

  • buf：缓冲区开始位置
  • size：缓冲区大小的字节数
  • type：如何使用流：
type 说明
r或rb8 为读而打开
w或wb 为写而打开
a或ab 追加：为在第一个null字节处写而打开
r+或r+b或rb+ 为读和写而打开
w+或w+b或wb+ 把文件截至0长，为读和写而打开
a+或a+b或ab+ 追加：为在第一个null字节处读和写而打开
  • 这个type与5.5中有微小的差别
    1）无论何时以追加模式打开内存流，当前文件位置设为缓冲区中第一个null字节，若缓冲区中不存在null字节，那么当前位置就是缓冲区结尾的后一个字节
    2）若buf参数是null指针，打开流进行读写没有任何意义
    3）任何时候需要增加流缓冲区中的数据量，以及调用fclose、fflush、fseek、fseeko以及fsetpos时都会在当前位置写入一个null字节

用于创建内存流的其他两个函数是open_memstream和open_wmemstream：

#include <stdio.h>
FILE *open_memstream(char **bufp, size_t *sizep);

#include <wchar.h>
FILE *open_wmemstream(wchar_t **bufp, size_t *sizep);
  • 返回值：若成功，返回流指针；若出错，返回NULL
  • 从名字可以看出，带w的是面向宽字节的

这两个函数与前两个的区别是：

  • 1）创建的流只能写打开
  • 2）不能指定自己的缓冲区，但能通过两个参数访问缓冲区地址和大小
  • 3）关闭流后要自行释放缓冲区
  • 4）对流添加字节会增加缓冲区大小

因为避免了缓冲区溢出，内存流非常适用于创建字符串。

5.15 标准I/O的替换软件

标准I/O库并不完善
一个不足之处是效率不高，因为要复制的次数较多（内核->标准I/O缓冲区->行缓冲区）

替代品有：快速I/O库、sfio、ASI等

5.16 小结

大多数UNIX应用程序都使用标准I/O库
应该看到，标准I/O库使用了缓冲技术，而它正是产生很多问题、引起很多混淆的部分

3.习题

空

  1. 术语冲洗（flush）说明标准I/O缓冲区的写操作（就是把缓冲区的数据强行输出…吧） ↩
  2. 使用b使得I/O系统区分文本文件和二进制文件，因为UNIX系统对这两种文件不做区分，所以并无作用 ↩
  3. 不推荐使用gets，因为无法指定缓冲的长度n，所以可能造成缓冲区溢出 ↩
  4. 该字节不在返回值中 ↩
  5. printf好像就是由vprintf写的哦 ↩
  6. 本节是一个很长很长的实例，没法打… ↩
  7. 该常量定义在头文件<stdio.h>中 ↩
  8. 使用b使得I/O系统区分文本文件和二进制文件，因为UNIX系统对这两种文件不做区分，所以并无作用 ↩
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