先来看看C标准I/O库函数是如何用系统调用实现的。

fopen(3)

调用open(2)打开指定的文件,返回一个文件描述符(就是一个int 类型的编号),分配一 个FILE 结构体, 通常里面包含了：

• 文件fd
• 缓冲区指针
• 缓冲区长度
• 当前缓冲区读取长度
• 出错标志

返回这 个FILE 结构体的地址。

fgetc(3) 
通过传入的FILE *参数找到该文件的描述符、I/O缓冲区和当前读写位置,判断能否从I/O缓冲 区中读到下一个字符,如果能读到就直接返回该字符,否则调用read(2),把文件描述符传进 去,让内核读取该文件的数据到I/O缓冲区,然后返回下一个字符。注意,对于C标准I/O库来 说,打开的文件由FILE *指针标识,而对于内核来说,打开的文件由文件描述符标识,文件描述符从open 系统调用获得,在使用read 、write 、close 系统调用时都需要传文件描述符。

fputc(3) 
判断该文件的I/O缓冲区是否有空间再存放一个字符,如果有空间则直接保存在I/O缓冲区中并 返回,如果I/O缓冲区已满就调用write(2) ,让内核把I/O缓冲区的内容写回文件。

fclose(3) 
如果I/O缓冲区中还有数据没写回文件,就调用write(2) 写回文件,然后调用close(2) 关闭文 件,释放FILE 结构体和I/O缓冲区。

以写文件为例,C标准I/O库函数(printf(3) 、putchar(3) 、fputs(3) )与系统调用write(2) 的关 系如下图所示。

库函数与系统调用的层次关系

open 、read 、write 、close 等系统函数称为无缓冲I/O(Unbuffered I/O)函数,因为它们位于C标 准库的I/O缓冲区的底层。用户程序在读写文件时既可以调用C标准I/O库函数,也可以直接调用 底层的Unbuffered I/O函数,那么用哪一组函数好呢?

用Unbuffered I/O函数每次读写都要进内核,调一个系统调用比调一个用户空间的函数要慢很 多,所以在用户空间开辟I/O缓冲区还是必要的,用C标准I/O库函数就比较方便,省去了自己 管理I/O缓冲区的麻烦。

用c标准I/O库函数要时刻注意I/O缓冲区和实际文件有可能不一致,在必要时需调 用fflush(3) 。

我们知道UNIX的传统是Everything is a file,I/O函数不仅用于读写常规文件,也用于读写设 备,比如终端或网络设备。在读写设备时通常是不希望有缓冲的,例如向代表网络设备的文 件写数据就是希望数据通过网络设备发送出去,而不希望只写到缓冲区里就算完事儿了,当网络设备接收到数据时应用程序也希望第一时间被通知到,所以网络编程通常直接调 用Unbuffered I/O函数。

C标准库函数是C标准的一部分,而Unbuffered I/O函数是UNIX标准的一部分,在所有支持C语言的 平台上应该都可以用C标准库函数(除了有些平台的C编译器没有完全符合C标准之外),而只有 在UNIX平台上才能使用Unbuffered I/O函数,所以C标准I/O库函数在头文件stdio.h中声明, 而read 、write 等函数在头文件unistd.h 中声明。在支持C语言的非UNIX操作系统上,标准I/O库的 底层可能由另外一组系统函数支持,例如Windows系统的底层是Win32 API,其中读写文件的系统 函数是ReadFile 、WriteFile 。

参考: 《linux c 编程一站式学习》