UNIX环境高级编程（第5章 标准I/O库）

        UNIX系统文件I/O操作的函数，open、read、write、close等，是不带缓冲的IO操作。标准I/O库提供的fopen、fread、fwrite、fclose是带缓冲的，目的是尽可能减少使用read和write调用的次数。

系统文件I/O函数都是针对文件描述符的。而标准I/O库函数都是针对流的，并通过FILE对象指针（即文件指针）来引用该流。

1流

1.1)流的定义：

(1)一站式学习C编程

流是程序输入或输出的一个连续的字节序列，可用于单字节或多字节字符集，设备（如鼠标、键盘、屏幕、磁盘）的输入和输出都是用流来处理的。所有流均以文件的形式出现。

(2)K&R

流（stream）是与磁盘或其他外围设备相关联的数据的源或目的。

(3)

流是（表达）读写数据的一种可移植的方法，它为一般的I/O操作提供了灵活有效的手段。一个流是一个由指针操作的文件或者一个物理设备，而这个指针正是指向了这个流。

(4)C和指针

       ANSIC进一步对I/O的概念进行了抽象。就C程序而言，所有的I/O操作只是简单地从程序移进或移出字节的事情。因此，毫不惊奇的是，这种字节流便被称为流(stream)。程序只需要关心创建正确的输出字节数据，以及正确地解释从输入读取的字节数据。特定I/O设备的细节对程序员是隐藏的。

(5)C标准库

       不管是读出合适写入物理设备，例如终端，或者不管是读出还是写入到结构化存储设备支持的文件，输入和输出都和逻辑数据流相对应，这些逻辑数据流的属性比各种各样的输入输出更加统一。

1.2)概括：

       流是对各种各样的输入输出的抽象，流的属性也比各种各样的输入输出更加统一。

对一个进程提供了3种预先定义好的标准流：标准输入流、标准输出流、标准错误输出流。它们通过预定义的文件指针stdin、stdout、stderr加以引用。

2文件与文件流

FILE *fopen(pathname, type)打开（或创建新的）一个文件，创建一个与之相关联的流，并返回指向该流的文件指针。

文件可分为文本文件和二进制文件。

文本文件是用来保存字符的，文件中的字节都是字符的某种编码（如ASCII或UTF-8），可以用cat查看，用vi编辑，如源文件就是文本文件。

二进制文件不是用来保存字符的，如目标文件、可执行文件、库文件就是二进制文件。文件中的字节表示其他含义，如可执行文件中有些字节表示指令，有些字节表示各section在文件中的位置，有些字节表示各segment的加载地址。

        文件流可分为文本流和二进制流。

        文本流是组成文本行的有序字符序列，每一行都由零个或多个字符加上一个标志结束的换行符组成。

        二进制流是字符的有序序列，它可以透明地记录内部数据。在相同的实现下，从一个二进制流读入的数据应该和之前写入到这个流的数据相同。

3缓冲

     标准I/O提供了三种类型的缓冲：

(1)全缓冲

这种情况下，在填满标准I/O缓冲区后才进行实际I/O操作。

(2)行缓冲

这种情况下，当再输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库执行I/O操作。这允许我们一次输出一个字符（用标准I/O fputc函数），但只有在写了一行之后才进行实际I/O操作。

(3)不带缓冲

标准I/O库不对字符进行缓冲存储。

   很多系统默认使用下面类型的缓冲：

(1)标准出错是不带缓冲的。

(2)若是涉及终端设备的其他流，则它们是行缓冲的；否则是全缓冲的。

   下面代码是对各个标准I/O流打印缓冲状态信息：

#include "apue.h"

void pr_stdio(const char *name, FILE *fp)
{
    printf("stream = %s, ", name);

    if (fp->_IO_file_flags & _IO_UNBUFFERED)
        printf("unbuffered");
    else if (fp->_IO_file_flags & _IO_LINE_BUF)
        printf("line buffered");
    else
        printf("full buffered");


    printf(", buffer size = %d\n", fp->_IO_buf_end - fp->_IO_buf_base);

}

int main(void)
{

    FILE *fp;

    fputs("enter any charactr\n", stdout);
    if (getchar() == EOF)
        err_sys("getchar error");

    fputs("one line to standard error\n", stderr);

    pr_stdio("stdin", stdin);
    pr_stdio("stdout", stdout);
    pr_stdio("stderr", stderr);

    if ((fp = fopen("/etc/hosts", "r")) == NULL)
        err_sys("fopen error\n");

    if (fgetc(fp) == EOF)
        err_sys("getc error");

    pr_stdio("/etc/motd", fp);

    exit(0);

}

    对应的输出信息：

[root]# ./a.out 
enter any charactr

one line to standard error
stream = stdin, line buffered, buffer size = 4096
stream = stdout, line buffered, buffer size = 4096
stream = stderr, unbuffered, buffer size = 1
stream = /etc/motd, full buffered, buffer size = 4096

    三个流重定向：

[root]# ./a.out < /etc/termcap >std.out 2> std.err
[root]# cat std.err 
one line to standard error
[root]# cat std.out
enter any charactr
stream = stdin, full buffered, buffer size = 4096
stream = stdout, full buffered, buffer size = 16384
stream = stderr, unbuffered, buffer size = 1
stream = /etc/motd, full buffered, buffer size = 4096

fflush函数：冲洗一个流

头文件	#include <stdio.h>
函数原型	int fflush(FILE *fp)
参数	fp：文件指针，若fp为NULL，则将导致所有输出流被冲洗。
返回	若成功则返回0，出错则返回EOF
功能	强制冲洗一个流，使该流所有未写的数据都被传送至内核。

setbuf函数：打开或关闭缓冲

头文件	#include <stdio.h>
函数原型	void setbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf);
参数	fp：文件指针 buf:长度为BUFSIZ的缓冲区
返回	若成功则返回0，出错则返回非0
功能	打开或关闭缓冲机制。当buf为NULL时，关闭缓冲。

头文件	#include <stdio.h>
函数原型	void setvbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf, int mode, size_t size);
参数	fp：文件指针 buf:缓冲区 mode:缓冲类型，包括：     _IOFBF 全缓冲     _IOLBF 行缓冲     _IONBF 不带缓冲（忽略buf和size） size:缓冲区buf的长度
返回	若成功则返回0，出错则返回非0
功能	打开或关闭缓冲，可精确指定所需的缓冲类型。

4标准IO库函数

4.1打开流

fopen函数

头文件	#include <stdio.h>
函数原型	FILE *fopen(const char *restrict pathname, const char *restrict type);
参数	pathname：文件路径名 type: r或rb:        为读而打开 w或wb:       把文件截短至0长，或为写而创建 a或ab：      添加；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+：把文件截短至0长，或为读和写而打开 a+或a+b或ab+：为在文件尾读和写而打开或创建 注释：   字符b：表示打开二进制文件   字符+：表示文件为可读写
返回	若成功则返回文件指针，出错则返回NULL
功能	打开一个标准I/O流

4.2关闭流

fclose函数

头文件	#include <stdio.h>
函数原型	FILE *fclose(FILE *fp);
参数	fp：文件指针
返回	若成功则返回0，出错返回EOF
功能	关闭一个打开的文件流。在关闭文件之前，冲洗缓冲区中的输出数据，丢弃缓冲区中的任何输入数据。如果标准I/O库已经为该流自动分配一个缓冲区，则释放此缓冲区。

4.3读写流：非格式化I/O

   对打开的流进行读、写操作，有三种不同类型的非格式化I/O来选择：

1）每次一个字符的I/O。

fgetc	原型：int fgetc(FILE *stream); 功能：fgetc从stream指向的输入流中读取下一个字符，并且把它由unsigned char类型转换为int类型，并且流的相关的文件定位符向前移动一位。 返回：返回stream指向的输入流中的下一个字符。      如果输入流在文件结束出，则设在文件结束符，返回EOF。      如果发生了读错误，则设置流的错误指示符，返回EOF。
fputc	原型：int fputc(int c, FILE *stream); 功能：把c指定的字符(转换为unsigned char类型)写到stream指向的输出流中相关的文件定位符指定的位置处，并把文件定位符向前移动适当的位置。 返回：成功返回写入的字符；失败返回EOF
ungetc	原型：int ungetc(int c, FILE *stream); 功能：把c指定的字符(转换为unsigned char类型)退回到stream指向的输入流 中。 返回：成功返回转换后的回退字符，失败返回EOF
getc	原型：int getc(FILE *stream); 功能：等价于fgetc，是宏 返回：返回stream指向的输入流中的下一个字符。      如果到达文件尾或出现错误，返回EOF
putc	原型：int putc(int c, FILE *fp); 功能：等价于fputc，是宏 返回：成功返回写入的字符，失败返回EOF
getchar	原型：int getchar(void); 功能：等价于用参数stdin调用的getc。 #define getchar() getc(stdin) 返回：成功返回stdin指向的输入流的下一个字符。失败返回EOF
putchar	原型：int putchar(int c); 功能：等价于用stdout作为第二个参数调用的putc。#define putchar(c) putc((c), stdout) 返回：成功返回写入的字符，失败返回EOF

2）每次一行的I/O。

fgets	原型：char *fgets(char *s, int n, FILE *stream); 功能：行输入 fgets从stream指向的流中读取字符，读取字符的数目最多比n指定的数目少1，然后将字符写入到s指向的数组中。读入换行符或者文件结束之后，不再读取其他的字符。最后一个字符写入数组后立即写入一个空字符。 返回：成功返回s，失败返回空指针
fputs	原型：int fputs(const char *s, FILE *stream); 功能：行输出 fputs把s指向的字符串写入stream指向的流中，不写入结束的空字符。 返回：如果发生了写错误返回EOF；否则返回一个非负值
gets	原型：char *gets(char *s); 功能：gets从stdin指向的输入流中读取若干个字符，并将其保存到s指向的数组中，直到遇到文件结束或者读取一个换行符。所有的换行符都被丢弃，在最后一个字符读到数组中之后立即写入一个空字符。 返回： 成功返回s，失败返回空指针。
puts	原型：int puts(const char *s) 功能：puts把s指向的字符串写到stdout指向的流中，并且在输出最后添加一个换行符。不写入结束的空字符。 返回：如果发生写错误返回EOF，否则返回一个非负值。

3）直接I/O。

fread	原型：size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream); 功能：从stream指向的流中读取最多nmemb个元素到ptr指向的数组中，nmemb的大小是由size指定的。 返回：成功返回读取的元素的数目。      读错误或文件结束，返回值可能比nmemb小。      如果size或nmemb为零，则fread返回0
fwrite	原型：size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream); 功能：从ptr指向的数组中读取最多nmemb个元素并将其写到stream指向的流中，nmemb的大小是由size指定的。 返回：成功返回写入的元素的数目。      写错误，返回值可能比nmemb小。

4.4定位流

fseek	原型：int fseek(FILE *stream, long int offset, int whence); 功能：为stream指向的流设置文件定位符。       返回：错误返回非零值
ftell	原型：long int ftell(FILE *stream); 功能：获得stream指向的流的文件定位符的当前值。 返回：成功返回文件定位符的当前值，失败返回-1
feof	原型：int feof(FILE *stream); 功能：测试stream指向的流的文件结束符 返回：当且仅当stream流设置了文件结束符时，feof返回一个非零值。
ferror	原型：int ferror(FILE *stream); 功能：测试stream指向的流的错误指示符 返回：当前仅当stream流设置了错误指示符，ferror返回非零值
perror	原型：void perror(const char *s); 功能：把整数表达式errno中的错误编号转换为一条错误信息。 返回：void

4.5格式化I/O

fprintf	原型：int fprintf(FILE *stream, const char *format, …); 功能：格式化输出到stream指定的流 返回：成功返回输出的字符数目，失败返回负值
fscanf	原型：int fscanf(FILE *stream, const char *format, …); 功能：格式化输入到stream指定的流 返回：成返回输入的字符数目，失败返回EOF
sprintf	原型：int sprintf(char *string, char *format, argc1,arg2, …); 功能：按照format格式格式化参数序列arg1,arg2,…，并将输出结果存放到数组string中，而不是标准输出。 返回：返回写到数组中的字符的数目，不包括终止的空字符。
sscanf	原型：int sscanf(char *string, char *format, arg1, arg2, …); 功能：按照format格式扫描字符串string（而不是标准输入），并把结果分别保存到arg1,arg2,…这些参数上。 返回：成功返回输入项赋值的项目，失败返回EOF