UNIX环境高级编程之第５章：标准I/O库

时间：2021-10-14 22:17:16

5.1　引言

标准I/O库处理很多细节，如缓冲区分配，以优化的块长度执行I/O。这些处理用户不必担心如何选择使用正确的块长度

5.2　流和FILE对象

在第３章，所有I/O函数都是围绕文件描述符(file desctriptor)的。而对于标准I/O库，他们的操作是围绕流(stream)进行的。当标准I/O库打开或创建一个文件是，我们以使一个流与一个文件相关联。

流的定向(stream's orientation)决定了所读，写的字符是单字节还是多字节

fwide函数可用于设置流的定向

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

(1) mode 为负数，fwide将试图使指定的流是 字节定向的

(2) mode为正数，fwide将试图使指定的流是宽定向的

(3) mode 为０，fwide将不试图设置流的定向，但返回标示该流定向的值

5.3　标准输入、标准输出和标准错误

对一个进程预定义了３个流，并且这３个流可以自动地被进程使用，他们是标准输入，标准输出和标准错误

5.4　缓冲(Buffering)

标准I/O库提供缓冲的目的是尽可能减少使用read和write调用的次数

标准I/O提供了以下３种类型的缓冲

(1)全缓冲：再填满标准I/O缓冲区后才进行实际I/O操作。对于驻留再磁盘上的文件通常是由标准I/O库实施全缓冲的。标准I/O函数通常调用malloc获得需使用的缓冲区。

(2)行缓冲：当在输入和输出中遇到换行符是，标准I/O库执行I/O操作

(3)不带缓冲：标准I/O库不对字符进行缓冲储存，例如标准I/O函数fputs，就是立即讲字符输出

例如标准错误流，就是不带缓冲的，一旦有错误就尽快输出

大多数系统默认使用一下的类型

(1)标准错误是不带缓冲的

(2)如果指向终端设备的流是行缓冲，其他都是全缓冲

我们可以使用setbuf和setvbuf来改变缓冲类型

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

可以使用setbuf函数打开或关闭缓冲机制，为了带缓冲进行I/O，参数buf必须指向一个长度为BUFSIZ的缓冲区。关闭缓冲讲buf设置为NULL

任何时候，我们可以强制冲洗一个流

#include<stdio.h>

int fflush(FILE *fp);

此函数使该流所有未写的数据都传到内核(kernel)，作为一种特殊情景，若fp是NULL，则次韩式将导致所有的输出流被冲洗。

5.5　打开流

下列３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 fd, const char *type);

这三个函数的区别如下：

(1)fopen函数打开路径名为pathname的一个制定的文件

(2)freopen函数再一个指定的流上打开一个指定的文件，如果该流已经打开，则先将其关闭。若该流已经定向，则使用freopen清除该定向。此函数一般用于讲一个制定的文件打开为一个预定义的流：标准输入、标准输出、标准错误。

(3)fdopen函数区一个已有的文件描述符(file descriptor)，并使一个标准的I/O流与该描述符相结合。

type参数指定对该I/O流的读写方式

UNIX环境高级编程之第５章：标准I/O库

调用fclose关闭一个打开的流

#include<stdio.h>

int fclose(FILE *fp);

5.6　读和写流

一旦打开了流，则可在 ３种不同类型的非格式化I/O中进行选择，对其进行读写操作。
(1)每次一个字符的I/O。每次读或者写一个字符，如果流是带缓冲的，则标准I/O函数处理所有缓冲。
(2)每次一行的I/O。如果想一次读或者写一行，使用fgets和fputs。
(3)直接I/O。fread和fwrite支持这种类型的I/O
格式化I/O函数：printf, scanf
1.　输入函数
一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);

getc可以实现为宏，fgetc则不能
注意：不管是出错还是到达文件尾，这三个函数都返回同样的值。为了区分两种不同的情况，必须调用ferror或feof 
#include <stdio.h>
int ferror(FILE *fp);
int feof(FILE *fp);

void clearerr(FILE *fp);

从流中读取数据以后，可以调用ungetc将字符再压送回流中 
#include <stdio.h>
int ungetc(int c, FILE *fp);

2.　输出函数
对于上述的每个输入函数都有一个输出函数 
#include<stdio.h>
int putc(int c,FILE *fp);
int fputc(int c, FILE *fp);
int putchar(int c);

同样putchar(c)等同于putc(c,stdout)，putc可被实现为宏，而fputc不能

5.7　每次一行I/O

下面每个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);

这两个函数都指定了 缓冲区的地址，将读入的行送入其中。gets从标准输入读，而fgets则从指定的流读。
gets是一个不推荐使用的函数。其原因是调用者在使用gets时不能指定缓冲区的长度。这样就可能造成缓冲区一出（如若该行长于缓冲区的长度）

fputs和puts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);

函数 fputs将一个以null字节终止的字符串写到指定流中，尾端终止符null不写出。

5.8　标准I/O的效率

UNIX环境高级编程之第５章：标准I/O库
系统CPU时间几乎相同，原因是所有这些程序对内核提出的读、写请求数基本相同
注意：使用标准I/O例程的一个有点是 无需考虑缓冲以及最佳I/O长度的选择。使用fgets需要考虑最大行，但比选择最佳I/O长度方便的多

5.9　二进制I/O

用getc或putc则太慢了。如果使用fputs和fgets，因为fputs遇到null字节时就会停止（因为buf缓冲区就是以null标记结束的），而结构中可能包含null字节，所以不能用来读结构。相似，如果数据中包含null字节或换行符，则fgets特不能正常工作 
#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);

这些函数有一下两个常见的用法
(1)读或写一个一个二进制数组，例如将一个浮点数组的第2~5个元素写到一个文件上 
float data[10];
if(fwrite(&data[2], sizeof(flaot),4,fp)!=4)
           err_sys("fwrite eerror");

size为每个数组元素的长度，nobj为欲写的元素的个数

(2)读或写一个结构

struct {
    short count;
    long tatal;
    char name[NAMESIZE];
}item;
if(fwrite(&item, sizeof(item), 1, fp)!=1)
    err_sys("fwrite error");

5.10　定位流

有三种方法定位标准I/O流

(1)ftell和fseek函数，但它们都假定文件的位置可以存放在一个长整型中

#include <stdio.h>
long ftell (FILE *fp);
int fseek(FILE *fp, long offset, int whence);
void rewind(FILE *fp);

ftell用于二进制文件时，其返回值就是这种字节位置

为了用fseek定位一个二进制文件，必须制定一个字节offset，以及解释这种偏移量的方式。whence的值lseek函数的相同:

SEEK_SET：表示从文件的起始位置开始

SEEK_CUP：表示从当前文件位置开始

SEEK_END：表示从文件的尾端开始

使用rewind函数也可以讲一个流设置到起始位置

(2)ftello和fseeko函数使文件偏移量可以不必为长整型，使用off_t数据类型代替

#include <stdio.h>
off_t ftello(FILE *fp);
int fseeko(FILE *fp, off_t offset, int whence);
除了用off_t替换了long剩下的和ftell一样

(3)fgetpos和fsetpos函数。它们使用一个抽象数据类型fpos_t记录文件的位置。这种数据类型可以更具需要定义为一个足够大的数，用以记录文件的位置

#include <stdio.h>
int fgetpos(FILE *restrict fp, fpos_t *restrict pos);
int fsetpos(FILE *fp, const fpos_t *pos);
fgetpos将文件位置指示器的当前值存入由pos指向的对象中。以后调用fsetpos时，可以使用此值将流重新定位到该位置

5.11　格式化I/O

1.格式化输出

格式化输出是由５个printf函数来处理 
#include <stdio.h>
int printf(const char *restrcit 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);

printf将格式化数据写到标准输出。
fprintf写到指定的流中
dprintf写到指定的文件描述符
sprintf讲指定格式写到数组buf中，再该数组的尾端自动加一个null字节，但该字节不包含再返回值中
notice：sprintf函数可能造成由buf指向的缓冲区的溢出。调用必须确保缓冲区足够大
为了解决这个问题引入了snprintf函数，再该函数，缓冲区长度是一个显示参数。大于缓冲区长度则 截断(truncated)

2.格式化输入

执行格式化输入处理的是三个scanf函数 
#include<stdio.h>
int scanf(const char *restrict format, ...);
init fscanf(FILE *restrict fp, const char *restrict format);
int sscanf(const char *restrict buf, const char *restrict format);

5.12　实现细节

在UNIX中，标准I/O库最终都要调用文件描述符的相关操作函数。 每个标准I/O流都有一个与其相关联的文件描述符，可以对一个流调用fileno函数以获得其描述符 
#include<stdio.h>
int fileno(FILE *fp);
如果要调用dup（获得新的文件描述符）或fcntl（改变已经打开的文件的属性）等函数，则需要此函数

5.13　临时文件

IOS 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);
FILE *temfile(void);

tmpnam函数产生一个与现有的文件名不同的一个有效路径名字字符串

若ptr是NULL，则产生的路径名存放再一个静态区中，指向该静态去的指针作为函数值返回

若ptr不是NULL，则认为它应该是指向长度至少是L_tmpnam个字符的数组，所产生的路径名存放在该数组中

对一个文件解除链接并不删除其内容，关闭该文件是才删除内容

5.14　内存流

用于对内存缓冲区的字符串进行操作
有3个函数可以用于内存流打开，fmemopen 
#include <stdio.h>
FILE *fmemopen(void *restrict buf, size_t size, const char *restrict type);
fmemopen函数允许调用者提供缓冲区用于内存流
buf指向缓冲区的开始位置
size参数指定了缓冲区大小的字节数
type控制如何使用流
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