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6.5 标准I/O编程
本章前面几节所述的文件及I/O读写都是基于文件描述符的。这些都是基本的I/O控制，是不带缓存的。而本节所要讨论的I/O操作都是基于流缓冲的，它是符合ANSI C的标准I/O处理，这里有很多函数读者已经非常熟悉了（如printf()、scantf()函数等），因此本节中仅简要介绍最主要的函数。
前面讲述的系统调用是操作系统直接提供的函数接口。因为运行系统调用时，Linux必须从用户态切换到内核态，执行相应的请求，然后再返回到用户态，所以应该尽量减少系统调用的次数，从而提高程序的效率。
标准I/O提供流缓冲的目的是尽可能减少使用read()和write()等系统调用的数量。标准I/O提供了3种类型的缓冲存储。
n 全缓冲：在这种情况下，当填满标准I/O缓存后才进行实际I/O操作。存放在磁盘上的文件通常是由标准I/O库实施全缓冲的。在一个流上执行第一次I/O操作时，通常调用malloc()就是使用全缓冲。
n 行缓冲：在这种情况下，当在输入和输出中遇到行结束符时，标准I/O库执行I/O操作。这允许我们一次输出一个字符（如fputc()函数），但只有写了一行之后才进行实际I/O操作。标准输入和标准输出就是使用行缓冲的典型例子。
n 不带缓冲：标准I/O库不对字符进行缓冲。如果用标准I/O函数写若干字符到不带缓冲的流中，则相当于用系统调用write()函数将这些字符全写到被打开的文件上。标准出错stderr通常是不带缓存的，这就使得出错信息可以尽快显示出来，而不管它们是否含有一个行结束符。
在下面讨论具体函数时，请读者注意区分以上的三种不同情况。
6.5.1 基本操作
1．打开文件
（1）函数说明。
打开文件有三个标准函数，分别为：fopen()、fdopen()和freopen()。它们可以以不同的模式打开，但都返回一个指向FILE的指针，该指针指向对应的I/O流。此后，对文件的读写都是通过这个FILE指针来进行。其中fopen()可以指定打开文件的路径和模式，fdopen()可以指定打开的文件描述符和模式，而freopen()除可指定打开的文件、模式外，还可指定特定的I/O流。
（2）函数格式定义。
fopen()函数格式如表6.14所示。
表6.14 fopen()函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
FILE * fopen(const char * path, const char * mode) |
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函数传入值 |
Path：包含要打开的文件路径及文件名 |
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mode：文件打开状态（后面会具体说明） |
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函数返回值 |
成功：指向FILE的指针 |
其中，mode类似于open()函数中的flag，可以定义打开文件的访问权限等，表6.15说明了fopen()中mode的各种取值。
表6.15 mode取值说明
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r或rb |
打开只读文件，该文件必须存在 |
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r＋或r＋b |
打开可读写的文件，该文件必须存在 |
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W或wb |
打开只写文件，若文件存在则文件长度清为0，即会擦写文件以前的内容。若文件不存在则建立该文件 |
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w+或w＋b |
打开可读写文件，若文件存在则文件长度清为0，即会擦写文件以前的内容。若文件不存在则建立该文件 |
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a或ab |
以附加的方式打开只写文件。若文件不存在，则会建立该文件；如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾，即文件原先的内容会被保留 |
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a+或a＋b |
以附加方式打开可读写的文件。若文件不存在，则会建立该文件；如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾后，即文件原先的内容会被保留 |
注意在每个选项中加入b字符用来告诉函数库打开的文件为二进制文件，而非纯文本文件。不过在Linux系统中会自动识别不同类型的文件而将此符号忽略。
fdopen()函数格式如表6.16所示。
表6.16 fdopen()函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
FILE * fdopen(int fd, const char * mode) |
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函数传入值 |
fd：要打开的文件描述符 |
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mode：文件打开状态（后面会具体说明） |
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函数返回值 |
成功：指向FILE的指针 |
freopen()函数格式如表6.17所示。
表6.17 freopen()函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
FILE * freopen(const char *path, const char * mode, FILE * stream) |
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函数传入值 |
path：包含要打开的文件路径及文件名 |
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mode：文件打开状态（后面会具体说明） |
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stream：已打开的文件指针 |
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函数返回值 |
成功：指向FILE的指针 |
2．关闭文件
（1）函数说明。
关闭标准流文件的函数为fclose()，该函数将缓冲区内的数据全部写入到文件中，并释放系统所提供的文件资源。
（2）函数格式说明。
fclose()函数格式如表6.18所示。
表6.18 fclose()函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
int fclose(FILE * stream) |
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函数传入值 |
stream：已打开的文件指针 |
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函数返回值 |
成功：0 |
3．读文件
（1）fread()函数说明。
在文件流被打开之后，可对文件流进行读写等操作，其中读操作的函数为fread()。
（2）fread()函数格式。
fread()函数格式如表6.19所示。
表6.19 fread()函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
size_t fread(void * ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE * stream) |
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函数传入值 |
ptr：存放读入记录的缓冲区 |
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size：读取的记录大小 |
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nmemb：读取的记录数 |
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stream：要读取的文件流 |
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函数返回值 |
成功：返回实际读取到的nmemb数目 |
4．写文件
（1）fwrite()函数说明。
fwrite()函数用于对指定的文件流进行写操作。
（2）fwrite()函数格式。
fwrite()函数格式如表6.20所示。
表6.20 fwrite()函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
size_t fwrite(const void * ptr,size_t size, size_t nmemb, FILE * stream) |
续表
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函数传入值 |
ptr：存放写入记录的缓冲区 |
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size：写入的记录大小 |
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nmemb：写入的记录数 |
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stream：要写入的文件流 |
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函数返回值 |
成功：返回实际写入的记录数目 |
5．使用实例
下面实例的功能跟底层I/O操作的实例基本相同，运行结果也相同（请参考6.3.1节的实例），只是用标准I/O库的文件操作来替代原先的底层文件系统调用而已。
读者可以观察哪种方法的效率更高，其原因又是什么。
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#define BUFFER_SIZE 1024 /* 每次读写缓存大小 */
#define SRC_FILE_NAME "src_file" /* 源文件名 */
#define DEST_FILE_NAME "dest_file" /* 目标文件名文件名 */
#define OFFSET 10240 /* 复制的数据大小 */
int main()
{
FILE *src_file, *dest_file;
unsigned char buff[BUFFER_SIZE];
int real_read_len;
/* 以只读方式打开源文件 */
src_file = fopen(SRC_FILE_NAME, "r");
/* 以写方式打开目标文件，若此文件不存在则创建 */
dest_file = fopen(DEST_FILE_NAME, "w");
if (!src_file || !dest_file)
{
printf("Open file error\n");
exit(1);
}
/* 将源文件的读写指针移到最后10KB的起始位置*/
fseek(src_file, -OFFSET, SEEK_END);
/* 读取源文件的最后10KB数据并写到目标文件中，每次读写1KB */
while ((real_read_len = fread(buff, 1, sizeof(buff), src_file)) > 0)
{
fwrite(buff, 1, real_read_len, dest_file);
}
fclose(dest_file);
fclose(src_file);
return 0;
}
读者可以尝试用其他文件打开函数进行练习。
6.5.2 其他操作
文件打开之后，根据一次读写文件中字符的数目可分为字符输入输出、行输入输出和格式化输入输出，下面分别对这3种不同的方式进行讲解。
1．字符输入输出
字符输入输出函数一次仅读写一个字符。其中字符输入输出函数如表6.21和表6.22所示。
表6.21 字符输出函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
int getc(FILE * stream) |
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函数传入值 |
stream：要输入的文件流 |
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函数返回值 |
成功：下一个字符 |
表6.22 字符输入函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
int putc(int c, FILE * stream) |
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函数返回值 |
成功：字符c |
这几个函数功能类似，其区别仅在于getc()和putc()通常被实现为宏，而fgetc()和fputc()不能实现为宏，因此，函数的实现时间会有所差别。
下面这个实例结合fputc()和fgetc()将标准输入复制到标准输出中去。
/*fput.c*/
#include<stdio.h>
main()
{
int c;
/*把fgetc()的结果作为fputc()的输入*/
fputc(fgetc(stdin), stdout);
}
运行结果如下所示：
$ ./fput
w（用户输入）
w（屏幕输出）
2．行输入输出
行输入输出函数一次操作一行。其中行输入输出函数如表6.23和表6.24所示。
表6.23 行输出函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
char * gets(char *s) |
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函数传入值 |
s：要输入的字符串 |
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函数返回值 |
成功：s |
表6.24 行输入函数语法要点
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
int puts(const char *s) |
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函数传入值 |
s：要输出的字符串 |
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函数返回值 |
成功：s |
这里以gets()和puts()为例进行说明，本实例将标准输入复制到标准输出，如下所示：
/*gets.c*/
#include<stdio.h>
main()
{
char s[80];
/*同上例，把fgets()的结果作为fputs()的输入*/
fputs(fgets(s, 80, stdin), stdout);
}
运行该程序，结果如下所示：
$ ./gets
This is stdin（用户输入）
This is stdin（屏幕输出）
3．格式化输入输出
格式化输入输出函数可以指定输入输出的具体格式，这里有读者已经非常熟悉的printf()、scanf()等函数，这里就简要介绍一下它们的格式，如表6.25～表6.27所示。
表6.25 格式化输出函数1
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
int printf(const char *format,…) |
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函数传入值 |
format：记录输出格式 |
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函数返回值 |
成功：输出字符数（sprintf返回存入数组中的字符数） |
表6.26 格式化输出函数2
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所需头文件 |
#include <stdarg.h> |
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函数原型 |
int vprintf(const char *format, va_list arg) |
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函数传入值 |
format：记录输出格式 |
|
函数返回值 |
成功：存入数组的字符数 |
表6.27 格式化输入函数
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所需头文件 |
#include <stdio.h> |
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函数原型 |
int scanf(const char *format,…) |
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函数传入值 |
format：记录输出格式 |
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函数返回值 |
成功：输出字符数（sprintf返回存入数组中的字符数） |
由于本节的函数用法比较简单，并且比较常用，因此就不再举例了，请读者需要用到时自行查找其用法。
