Linux操作系統-標準IO庫(1)

Linux操作系統—標準I/O庫(1)(2015-8-3)

分類：Linux操作系統

  不僅在linux，在很多操作系統上都實現了標準I/O庫，該庫由ANSI C標準說明。標準I/O庫是在系統調用函數基礎上構造的，它處理很多細節（例如緩存分配）以優化執行I/O。與基於文件描述符的I/O相比，基於流的I/O更加簡單，方便，也更加高效。因而在Linux環境C程序的編寫中，基於流的I/O使用更爲廣泛。

流和文件指針

  在基於文件描述符中的底層系統調用的I/O操作中，所有的I/O函數都是針對文件描述符的。當打開一個文件時，即返回一個文件描述符，然後該問價描述符就用於後續的I/O操作。
  在標準I/O庫中，所有的I/O操作都是圍繞流（stream）來進行的。在Linux中，文件和設備都可以看做是數據流。
  什麼是數據流？數據流是指無結構的字節序列。當用標準I/O庫打開或創建一個文件時，即將一個流與一個文件結合起來。
  標準I/O庫提供了函數fopen用於打開一個流。當打開一個流時，該函數會返回一個指向FILE對象的指針，即文件指針（類型爲FILE *）。FILE對象通常是一個結構，它包含了I/O庫爲管理該流所需要的所有信息：用於實際I/O的文件描述符，指向流緩存的指針，緩存長度，當前在緩存中的字節數，出錯標誌等。但一般應用程序沒有必要關心FILE結構體的各成員值，使用流時，只需要將FILE指針作爲參數傳遞給每個標準I/O函數。
  Linux對一個進程預定義了三個流：標準輸入流，標準輸出流和標準錯誤輸出流，它們自動地爲進程打開並可用。這三個標準I/O流通過在頭文件<stdio.h>中預定義的文件指針stdin，stdout和stderr加以引用。它們與文件描述符STDIN_FILENO，STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO所表示的標準輸入，標準輸出和標準錯誤輸出相對應。

緩存

  爲什麼要有緩存？
  標準I/O庫（注意：標準I/O庫是在系統調用函數基礎上構造的）提供緩存的目的是儘可能減少使用read和write調用的次數，以提高I/O效率。標準I/O也對每個I/O流自動進行緩存管理，免除了由應用程序考慮這一點的麻煩。
  標準I/O提供了三種類型的緩存。
- 全緩存

  使用全緩存時，只有當標準I/O緩存填滿後才進行實際的I/O操作。
  對磁盤文件的標準I/O操作一般是實施全緩存的。在一個流上執行第一次I/O操作時，相關標準I/O函數通常調用malloc函數分配所需要使用的緩存。
  術語刷新（flush）用於說明標準I/O緩存的寫操作。緩存可由標準I/O例程自動刷新（比如當填滿一個緩存時），或者可以調用函數fflush顯示刷新一個流。

• 行緩存

  使用行緩存時，標準I/O庫會在輸入和輸出中遇到換行符時執行實際的I/O操作。當流涉及一個終端時（例如標準輸入和標準輸出），典型地使用行緩存。
  對行緩存有兩個限制：
1. 因爲行的緩存長度是固定的，所以只要填滿了緩存，即使還沒有寫一個換行符，也會進行I/O操作。
2. 任何時候只要通過標準I/O庫要求從一個不帶緩存的流或一個行緩存的流（它預先要求從內核中得到數據，所需要的數據可能已在該緩存中）得到輸入的數據，那麼就會造成刷新所有的行緩存輸出流。

• 不帶緩存

  即不對字符進行緩存。如果用標準I/O函數寫若干條字符到不帶緩存的流中，則相當於用write系統調用函數將這些字符寫至相關聯的打開文件上。標準錯誤輸出流stderr通常是不帶緩存的，這就使得出錯信息可以儘快顯示出來，而不管它們是否含有一個新行字符。

ANSI C規定了下列緩存特徵：
- 當且僅當標準輸入和標準輸出並不涉及交互作用設備時，它們纔是全緩存的。
- 標準錯誤輸出絕對不會是全緩存的。

流的打開和關閉

  標準I/O庫提供了fopen系列函數用以創建或打開流文件，提供了fclose函數關閉已打開的流文件。

打開流

  使用fopen系列函數可以創建或打開流文件，這些函數的原型如下。

#include <stdio.h>

FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
FILE *freopen(const char *path, const char *mode, FILE *stream);

  這三個函數的區別如下：
（1）fopen打開路徑名由path指定的一個文件。
（2）freopen在由stream指定的流上打開一個指定的文件（其路徑由path指定），如若該流已經打開，則先關閉該流。次函數一般用於將一個指定的文件打開爲一個預定義的標準流：標準輸入，標準輸出或者標準錯誤輸出。
（3）fdopen取一個現存的文件描述符，並使一個標準的I/O流與該描述相結合。此函數常用於創建管道和網絡通信通道函數獲得的描述符。因爲這些特殊類型的文件不能用標準I/O函數fopen打開，而必須先調用設備專用函數以獲得一個文件描述符，然後用fdopen使一個標準I/O流與該描述符相結合。注意：fdopen函數不是ANSI C的標準函數，而是屬於POSIX.1的標準。
  這三個函數各參數和返回值的含義如下：
1. path：要打開或創建的文件的名字
2. mode：對該I/O流的讀，寫方式，ANSI C規定了15種不同的可能值

• r或rb：以讀方式打開
• w或wb：以寫方式打開或創建，並將文件長度截爲0
• a或ab：以寫方式打開，新內容追加在文件尾
• r+或r+b或rb+：以更新方式打開（讀和寫）
• w+或w+b或wb+：以更新方式打開，並將文件長度截爲0
• a+或a+b或ab+：以更新方式打開，新內容追加在文件尾

  注意：（1）字符b的作用是區分文本文件和二進制文件。但Linux內核並不對這兩種文件進行區分，所以在Linux系統環境下字符b作爲mode的一部分實際上並無作用。（2）對於fdopen，因爲該描述符已經被打開，即所引用的文件必已存在，所以fdopen以寫方式打開並不會創建該文件或截短該文件。
3-fd：待關聯的底層文件描述符
4-stream：待關聯的流的文件指針，若該流已經打開則會被先關閉
5-返回值：成功時返回流文件的指針，失敗時返回NULL
  能否成功打開文件流受打開方式的限制，如下表所示。另外，進程可打開的文件流的數量有一個上限，該上限值由stdio.h中定義的FOPEN_MAX常量定義。
  打開一個I/O流的六種不同方式的限制

限制	r	w	a	r+	w+	a+
文件必須已存在	能			能
擦除文件以前的內容		能			能
流可讀	能			能
流可寫		能	能	能	能	能
流只可在尾端寫			能			能

  在指定w或a類型創建一個新文件時，無法指定該文件的存取許可權位，POSIX.1要求這種方式創建的文件具有以下存取許可權。
S_USR | S_WUSR | S_RGRP | S_WGRP | S_ROTH | S_WOTH
  除非流引用終端設備，否則系統默認它被打開時是全緩存的。若流引用終端設備，則該流四行緩存的。

關閉流

  在使用完流文件後，應調用fclose函數關閉流。fclose函數原型如下：

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

  函數成功時返回0，失敗時返回EOF（-1）
  在文件流被關閉之前，fclose會刷新緩存中的輸出數據，但緩存中的輸入數據將被丟棄。如果標準I/O庫已經爲該流自動分配了一個緩存，則釋放此緩存。
  當一個進程正常終止時（直接調用exit函數，或從main函數返回），則所有帶未寫緩存數據的標準I/O流都被刷新，所有打開的標準I/O流都被關閉。

實踐篇

   目標一：在當前目錄下創建一個file.txt文件
方法一：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *fp = NULL;
    fp = fopen("file.txt", "w");

    if (fp == NULL){
        printf("Cannot create files!\n");
        exit(-1);
    }
    fclose(fp);

    return 0;
}

  該程序能夠達到預定目標，它在我的機器上的運行結果如下：

biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gedit fopen.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gcc -o fopen fopen.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ./fopen
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ls
file.txt  fopen  fopen.c  fopen.c~
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ll file.txt
-rw-rw-r-- 1 biantiao biantiao 0  8月  4 08:57 file.txt
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$

運行結束後，它在當前目錄下創建了一個空的file.txt文件。

方法二：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *fp = NULL;
    fp = fopen("file.txt", "r");

    if (fp == NULL){
        printf("Cannot create files!\n");
        exit(-1);
    }
    fclose(fp);

    return 0;
}

  該方法和上面的區別是，fopen中的參數由w換成了r，結果怎樣呢？結果是不行的，它在我的機器上的運行結果如下：

biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gedit fopen.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gcc -o fopen fopen.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ls
fopen  fopen.c  fopen.c~
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ./fopen
Cannot create files!
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ll
總用量 28
drwxr-xr-x  2 biantiao biantiao 4096  8月  4 09:04 ./
drwxr-xr-x 46 biantiao biantiao 4096  8月  3 21:41 ../
-rwxrwxr-x  1 biantiao biantiao 8704  8月  4 09:04 fopen*
-rw-rw-r--  1 biantiao biantiao  220  8月  4 09:01 fopen.c
-rw-rw-r--  1 biantiao biantiao  220  8月  4 08:56 fopen.c~
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$

  應該能夠明白創建文件該用哪個參數了吧。注意w和r的區別，如下：

r或rb：以讀的方式打開（注意只能打開，不能創建）
w或wb：以寫方式打開或創建，並將文件長度截爲0

  寫到這裏我又想寫一個小程序來驗證上面的話，真心不好意思，初學者好奇心很重。說幹就幹。驗證什麼呢？驗證以w方式打開一個文件能將其長度截爲0。首先先在當前目錄創建一個test.txt文件，在裏面輸入一句hello world。如下圖：

  編寫下列程序，保存爲cut.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *fp = NULL;
    fp = fopen("test.txt", "w");

    if (fp == NULL){
        printf("Open file failed!\n");
        exit(-1);
    }
    fclose(fp);

    return 0;
}

  從上面的程序可以看出，代碼只是將已存在的test.txt文件打開，然後關閉。看看test.txt文件會有什麼變化。原先test.txt文件中寫有一句Hello World!。編譯並運行，查看結果。

biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gcc -o cut cut.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ls
cut  cut.c  test.txt
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ./cut
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ cat test.txt
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$

  從命令行中cat的結果來看，test.txt文件確實被截短爲0了。爲了更直觀我用gedit打開看看。如下圖：

文件確實被截短爲0了！（下次編程時要注意了，如果不想文件原來的內容被截掉，不能使用w參數，而得使用a或r參數來實現）