Linux標準IO概述

Linux標準I/O概述

文章目錄

1.0 標準I/O 的由來

標準IO是指ANSI C（ANSI C是美國國家標準協會（ANSI）對C語言發佈的標準）中定義的用於I/O操作的一系列函數。
只要操作系統中安裝了C庫，標準I/O函數就可以調用，換句話說，如果程序中使用的是標準I/O函數，那麼源代碼不需要修改就可以在其它操作系統下編譯運行，具有更好的可移植性
在執行系統調用時，Linux必須從用戶態切換到內核態，處理相應的請求，然後再返回到用戶態。如果頻繁執行必定增加系統開銷，爲避免這種情況，標準I/O使用時在用戶空間創建緩衝區，讀寫實先操作緩衝區，再通過系統調用訪問世紀的文件，而減少系統調用的次數。

1.2 流的含義

標準I/O的核心對象就是流。那流到底是什麼呢？
當使用標準I/O打開一個文件時，就會創建一個FILE結構體，這個結構體用來描述改文件（可以理解爲創建一個FILE結構體和實際打開的文件進行關聯起來），我們把這個FILE結構體就稱爲流，標準I/O函數都基於流進行所有的操作。

1.3 標準I/O的緩衝機制

在前面我們提到了標準I./O是有緩衝機制的，緩衝區創建於用戶空間，那麼緩衝的具體類型有哪些呢？
其實，標準I/O中流的緩衝類型有3種：
1、全緩衝：當填滿標準I/O緩衝區後再進行實際的I/O操作。
對於存放在磁盤上的普通文件，標準I/O打開的默認就是全緩衝。當緩衝區已滿或者執行FULSH操作室纔會進行磁盤操作。
2、行緩衝：當在輸入和輸出中遇到換行符時執行I/O操作。
標準輸入流和輸出流就是使用行緩衝，想想printf();的格式，就是遇到\n後進行輸出，行緩衝。
3、無緩衝：不對I/O操作進行緩衝。
即對流的讀寫時會立刻操作實際的文件。標準出錯流是不帶緩衝的，理論上所有出錯輸出都不應該是緩衝的，因爲出錯就應該立刻輸出。

1.4 標準I/O編程

本節只介紹最常用的函數。本就所討論的I/O操作都是基於流的，它包含ANSI C的標準。
首先扔一個問題，想想 open() 與 fopen()的區別？

1.4.1 流的打開

使用標準I/O打開的函數有fopen(),fdopen(),freopen()。它們可以用不同的模式打開文件，每一個都返回一個指向FILE的指針。此後，對文件的讀寫都通過這個FILE指針來進行。
fopen()：可以指定打開文件的路徑和模式；
fdopen()：可以指定打開文件的描述符和模式；
freopen()：可以指定打開的文件和模式，還可以指定特定的 I/O 流；

注意：給環境變量賦值需要用 export，而不是直接path = "********"

有些人可能會疑惑 “b” 是幹嘛的，其實在每個選項中加入 b 字符是用來告訴函數庫打開的文件是二進制文件，不是純文本文件，不過在linux系統中會忽略該符號。

注意： 當用戶進程運行時，系統會自動打開 3 個流: 標準輸入流stdin；標準輸出流stdout；標準錯誤流 stderr。
標準輸入流stdin：用來從標準輸入設備（默認鍵盤）中讀取輸入內容；
標準輸出流stdout：用來從標準輸出設備（默認當前終端）中輸出內容；
標準錯誤流 stderr：用來向標準錯誤設備（默認當前終端）中輸出錯誤信息；

1.4.2 流的關閉

關閉流的函數爲 fclose()；該函數將流的緩衝區的數據全部寫入文件中，並釋放相關資源。

注意：程序結束時，會自動關閉所有的打開的流

1.4.3 錯誤信息

標準 I/O 函數執行時如果出現錯誤，會把錯誤碼保存在全局變量 errno 中，程序員可以打印錯誤信息，處理錯誤的相關函數：1. perror()； 2. strerror()

perror():

其實，perror() 函數的使用還是比較簡單的，在之前的錯誤信息輸出中很多同學採用的是標記性輸出，printf("************"); 這種方式，這樣可以利用輸出的信息來斷點在某個區間，但無法獲取準確的錯誤信息，採用perror() 可以得到詳細的錯誤原因。
來，咱不止說，拿個例子試試看。

#include <stdio.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	FILE *fp;   //指定流指針
	if ( NULL ==  ( fp = fopen( "a.txt","r")))   // NULL爲系統宏，用流指針接收 fopen()的返回值；
	{
		perror(" fail to open");
		return -1;
	}
	fclose(fp);
	
	return 0;
}

接下來，我們看看實際的效果

錯誤信息分析：

 fail to open: No such file or directory

錯誤處理相關函數：
2. strerror()

同樣的，我們拿個例子試試手，看看怎麼操作，什麼結果。

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	FILE *fp;   //指定流指針
	if ( NULL ==  ( fp = fopen( "AA.txt", "r"))) 
	{
		printf(" fail to fopen: %s\n", strerror(errno));
		return -1;
	}
	
	fclose(fp);
	return 0;
}

在當前路徑下，並沒有“AA.txt” 文件。看看結果：

根據這兩個錯誤信息的打印，能夠知道這倆個都可以將具體的錯誤原因進行羅列輸出。

1.4.4 流的寫入

按照字符（字節）輸入
字符輸入 / 輸出函數一次僅讀寫一個字符。要點總結一下，如下：
字符輸入函數原型：
1. int getc ( FILE * stream);
2. int fgetc ( FILE * stream);
3. int getchar ( void );
getc() 和 fgetc()從指定的流中讀取一個字符（節），getchar() 從 stdin 中讀取一個字符（節）。
按照字符（字節）輸出
字符輸入函數原型：
1. int putc ( FILE * stream);
2. int fputc ( FILE * stream);
3. int putchar ( void );
putc() 和 fputc()從指定的流中讀取一個字符（節），putchar() 向 stdout 中輸出一個字符（節）。
同樣，我們還是簡單的實驗一下，結合fputc() 和 fgetc()嘗試一下。

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	int c;
	while( 1 )    //循環
	{
		c = fgetc (stdin);    // 從鍵盤讀取一個字符
		if (( '0' < c) && ( '9' >= c) )   // 字符判斷是否爲數字
		{
			fputc( c,stdout);      // 滿足標準輸出
		}
		else if( '\n' == c)			// 當遇到‘\n’時跳出
		{
			break;
		}
	}
	return 0;
}

運行後輸入1321rrerf，最終結果：1321。

按照行輸入
行輸入/輸出函數一次操作一行。
行輸入函數總結一波如下：
1. char * gets( char * s);
2. char * fgets( char *s, int size, FILE* stream);
注意：gets()函數不安全，容易造成緩衝區溢出，不建議使用。（原因：由於gets()不檢查字符串string的大小，必須遇到換行符或文件結尾纔會結束輸入，因此容易造成緩存溢出的安全性問題，導致程序崩潰，可以使用fgets()代替。）
fgets()從指定的流中讀取一個字符，當遇到換行符 \n 時，會讀取 \n 或者讀取sizee -1個字符後返回。
fgets()不能保證每次都能讀取到一行。
行輸出函數
1. int puts( const char * s);
2. int fputs( const char * s, FILE * stream);
慣例哈，思考：怎麼獲取一個文本文件的行數。文後提供代碼
指定大小爲單位讀寫文件
在文件流被打開以後，可對文件流按照指定大小爲單位進行讀寫操作。這裏簡單介紹一下，畢竟其他都差不多，只是函數參數和返回值的問題
函數：1. fread() ；2. fwrite();
fread()：

fwrite();

1.4.5 流的定位

每個打開的流內部都有一個當前讀寫位置。留在打開時，當前讀寫位置爲 0，表示文件的開始位置，每讀寫一次後，當前讀寫位置自動增加實際讀寫的大小，在讀寫流之間可先對流進行定位，即移動到當前指定的位置再進行操作。
函數1. fseek(), 2. ftell();

fseek()：
ftell()：

慣例哈，思考：怎麼獲取一個文件的大小。文後提供代碼
好了，今天我們就將Linux標準I/O編程進行了簡單的介紹，其中很多東西還需要朋友們自己去消化，比如偏移量是什麼，基準值是什麼，緩衝區在用戶空間什麼位置，怎麼確定緩衝區到底多大等等，篇幅問題就不過多介紹。

1.6 總結

接下來，我們進行兩個問題的解答：
1、怎麼計算一個文本文件的行數，比如算一下當前路徑下 1.txt 有多少行。
首先拿到題目，看目標，計算文本文件的行數，那麼，回憶一下用什麼行數可以來實現呢？
——行輸入函數
可是行輸入函數有 gets()和 fgets()，到底用什麼呢？
——fgets()
那爲什麼要選擇fgets()而不用gets()呢？
前面已經都介紹過了，自己回憶回憶，就不再重複介紹了。這道題我們用fgets()來實現一下。

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	int line = 0;    // 保存具體的行數
	char buf[128];   // 用數組來裝輸入的字符串，128字節大小
	FILE *fp;        // 指定流
	
	if( argc < 2)	// 參數個數，其實就是要求文件和 a.out一起執行
	{
		printf( "Usage: %s<file>\n", argv[0]);
		return -1;
	}
	
	if ( NULL == ( fp = fopen( argv[1], "r")))   // 判斷是否正常打開文件
	{
		perror(	"fail to open");
		return -1;
	}
	
	while( NULL != fgets( buf, 128, fp))   // 循環讀取，buf是數組名，也是首地址
	{
		if ( '\n' == buf[ strlen(buf) -1])    // 換行符即代表着新的一行了嘛，這就是行數增加的依據
		{
			line++;
		}
	}
	
	printf(" The lines of %s is %d \n",argv[1],line);
	return 0;
}

來來來，運行一下試試。在當前路徑下創建一個 1. txt，然後聯合a.out 運營一下看看實際效果

2、怎麼計算一個文件的大小。
思路理一理：
想想，文件的大小，這是什麼玩意？
文件大小是什麼意思？
大小，在計算機中指的是什麼？
單位是什麼？
這個單位是最小的單位嗎？
如果不是，那和最小的單位換算關係是什麼？
最小的單位又是什麼？
最小的單位怎麼計算呢？
來來來，繼續哈，想清楚了就繼續搞起來。

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
	FILE *fp;
	
	if ( argc <2)
	{
		printf( "Usage: %s<file>\n ", argv[0]);
		return -1;
	}
	
	if ( NULL == (fp = fopen( argv[1], "r")))
	{
		perror(" fail to open");
		return -1;
	}
	fseek(fp, 0, SEEK_END);
	printf( " The size of %s is %d k \n", argv[1],ftell(fp)) ;
	
	return 0;
}

fseek()函數在前面流的定位中已經講過相關參數，請理解偏移量，基準值。

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