Linux应用开发：标准IO库（上）

Posted 2021-12-28 JeckXu666

文章目录

• Linux应用开发：标准IO库（上）
• • 一、标准IO库简介
  • 二、流和 FILE 对象
  • 三、标准输入、输出、错误
  • 四、标准 I/O 库函数操作文件
  • • 4.1 打开关闭文件
    • 4.2 读文件
    • 4.3 写文件
    • 4.4 定位文件

Linux应用开发：标准IO库（上）

一、标准IO库简介

标准 I/O 库是标准 C 库中用于文件 I/O 操作（读、写文件等操作）相关的一系列库函数的集合，通常标准 I/O 库函数相关的函数定义都在 <stdio.h> 头文件中

标准 I/O 库函数 本质上就是构建于文件 I/O（open()、read()、write()、lseek()、close()等）这些系统调用之上，对这些系统调用进行了封装

标准 I/O 和文件 I/O 的区别：

• 标准 I/O 是标准 C 库函数，而文件 I/O 则是 Linux 系统调用
• 标准 I/O 内部实际上是调用文件 I/O 来完成实际操作的
• 标准 I/O 相比于文件 I/O 具有更好的可移植性，系统调用对不不同版本系统可能不同，但标准 I/O 一般都是统一封装，更加规范，容易移植
• 标准 I/O 库在用户空间维护了自己的 stdio 缓冲区，所以 标准 I/O 是带有缓存的，而 文件 I/O 在用户空间是不带有缓存的，所以在性能、效率上，标准 I/O 要优于文件 I/O

二、流和 FILE 对象

在系统调用中，所有文件 I/O 函数（open()、read()、write()、lseek()等）都是围绕文件描述符进行的，而对于标准 I/O 库函数来说，它们的操作是 围绕 FILE 指针进行的；

在使用标准 I/O 库函数打开或创建一个文件时，会返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），标准 I/O 的所有文件操作都是围绕这个指针进行；

FILE 是一个结构体，包含了标准 I/O 库函数为管理文件所需要的所有信息，包括用于系统调用的文件描述符、指向文件缓冲区的指针、缓冲区的长度、当前缓冲区中的字节数以及出错标志等。FILE 数据结构定义在标准 I/O 库函数头文件 stdio.h 中

三、标准输入、输出、错误

• 标准输入：

标准输入设备指的就是计算机系统的标准的输入设备，通常指的是计算机所连接的键盘

• 标准输出：

标准输出设备指的是计算机系统中用于输出标准信息的设备，通常指的是计算机所连接的显示器

• 标准错误：

标准错误设备则指的是计算机系统中用于显示错误信息的设备，通常也指的是显示器设备

用户通过标准输入设备与系统进行交互，进程将从标准输入（stdin）文件中得到输入数据，将正常输出数据（譬如程序中 printf 打印输出的字符串）输出到标准输出（stdout）文件，而将错误信息（譬如函数调用报错打印的信息）输出到标准错误（stderr）文件

所以标准输入、输出、错误都是围绕文件的操作，所以每个进程启动之后都会默认打开标准输入、标准输出以及标准错误，得到三个文件描述符，即 0、1、2，其中 0 代表标准输入、1 代表标准输出、2 代表标准错误

应用编程中 可以使用宏 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO 和 STDERR_FILENO 分别代表 0、1、2，宏定义在 unistd.h 头文件

/* Standard file descriptors. */
#define STDIN_FILENO 0 /* Standard input. */
#define STDOUT_FILENO1 /* Standard output. */
#define STDERR_FILENO 2 /* Standard error output. */

以上的是文件描述符，在标准 I/O 中如果要对这三个文件进行操作，则要对 FILE 对象进行操作，在 unistd.h 头文件中定义如下：

/* Standard streams. */
extern struct _IO_FILE *stdin; /* Standard input stream. */
extern struct _IO_FILE *stdout; /* Standard output stream. */
extern struct _IO_FILE *stderr; /* Standard error output stream. */

/* C89/C99 say they're macros. Make them happy. */
#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr

struct _IO_FILE 结构体就是 FILE 结构体，只不过用 typedef 进行了重命名

所以在标准 I/O 中，stdin、stdout、stderr 来表示标准输入、标准输出和标准错误

四、标准 I/O 库函数操作文件

4.1 打开关闭文件

标准 I/O 中，使用库函数 fopen() 打开或创建文件，函数原型如下：

#include <stdio.h>
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

使时需要包含头文件 stdio.h

函数参数和返回值含义：

参数	含义
path	参数 path 指向文件路径，可以是绝对路径、也可以是相对路径
mode	参数 mode 指定了对该文件的读写权限，是一个字符串，稍后介绍
返回值	调用成功返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），该指针与打开或创建的文件相关联，后续的标准 I/O 操作将围绕 FILE 指针进行。如果失败则返回 NULL，并设置 errno 以指示错误原因

参数 mode 补充：

mode	说明	对应于 open() 系统调用函数的 flags 参数取值
r	以只读方式打开文件	O_RDONLY
r+	以可读可写方式打开文件	O_RDWR
w	以只写方式打开文件，如果参数path指定的文件存在，将文件长度截断为0，如果指定文件不存在 则创建该文件	O_WRONLY |O_CREAT| O_TRUNC
w+	以可读可写方式打开文件，如果参数path指定的文件存在,将文件长度截断为0；如果指定文件 不存在则创建该文件	O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC
a	以只写方式打开文件，打开以进行追加内容(在文件末尾写入)，如果文件不存在则创建该文件	O_WRONLY | O_CREAT|O_APPEND
a+	以可读可写方式打开文件，以追加方式写入 (在文件末尾写入)，如果文件不存在则创建该文件	O_RDWR |O_CREAT|O_APPEND

打开的文件通过 fclose() 进行关闭，关闭函数原型如下：

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

参数 stream 为文件流指针，调用成功返回 0；失败将返回 EOF（也就是-1），并且会设置 errno 来指示错误原因

4.2 读文件

使用 fread() 对文件进行读操作，函数原型如下：

#include <stdio.h>
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

参数和返回值含义：

参数	含义
ptr：	fread() 将读取到的数据存放在参数 ptr 指向的缓冲区中
size：	fread()从文件读取 nmemb 个数据项，每一个数据项的大小为 size 个字节，所以总共读取的数据大小为 nmemb * size 个字节
nmemb：	参数 nmemb 指定了读取 数据项的个数
stream：	FILE 指针
返回值：	调用成功时返回读取到的数据项的数目（数据项数目并不等于实际读取的字节数，除非参数size 等于 1）；如果发生错误或到达文件末尾，则 fread()返回的值将小于参数 nmemb，那么到底发生了错误还是到达了文件末尾，fread()不能区分文件结尾和错误，究竟是哪一种情况，此时可以使用 ferror()或 feof()函数来判断，具体参考 4.7 小节内容的介绍

4.3 写文件

fwrite() 库函数进行写操作，函数原型如下：

#include <stdio.h>
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

参数和返回值含义：

参数	含义
ptr：	将参数 ptr 指向的缓冲区中的数据写入到文件中
size：	参数 size 指定了每个 数据项的字节大小，与 fread()函数的 size 参数意义相同
nmemb：	参数 nmemb 指定了 写入的数据项个数，与 fread()函数的 nmemb 参数意义相同
stream：	FILE 指针
返回值：	调用成功时返回读取到的数据项的数目（数据项数目并不等于实际读取的字节数，除非参数size 等于 1）；如果发生错误，则 fwrite()返回的值将小于参数 nmemb（或者等于 0）

4.4 定位文件

• 库函数 fseek() 用于设置文件读写位置偏移量，和 lseek() 功能相同，但 lseek() 用于文件 I/O，而库函数 fseek() 则用于标准 I/O，函数原型：

#include <stdio.h>
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

函数参数和返回值含义

参数	含义
stream	FILE 流指针
offset	与 lseek() 函数的 offset 参数意义相同，相对偏移位置的偏移值
whence	与 lseek()函数的 whence 参数意义相同，偏移位置
返回值	成功返回 0；发生错误将返回-1，并且会设置 errno 以指示错误原因；与 lseek()函数的返回值意义不同，这里要注意

• 库函数 ftell() 可用于获取文件当前的读写位置偏移量，函数原型如下：

#include <stdio.h>
long ftell(FILE *stream);

参数 stream 指向对应的文件，函数 调用成功将返回当前读写位置偏移量；调用失败将返回-1，并会设置 errno 以指示错误原因