【Linux】标准IO库

Linux系统的文件IO都是针对文件描述符的，而标准IO（ISO C）的操作则是围绕流进行的，一个最明显的区别是标准IO比Linux文件IO多了缓冲机制。为了使用流，需要用到文件指针即指向FILE结构的指针，在“libio.h”头文件中有FILE结构的详细说明。“stdio.h”头文件中定义了三个标准流，stdin、stdout和stderr，分别是标准输入、标准输出和标准出错。流可以分为非格式化IO和格式化IO，前者又分为字符IO、行IO和二进制IO，后者如常见的scanf、printf函数等。对于ASCII字符集，有的字符用一个字节（单字节）表示，有的字符用多个字节（宽字节）表示，当一个流最初被创建时，它并没有定向，若在未定向的流上使用一个多字节IO函数，则将该流的定向设置为宽定向，若在未定向的流上使用一个单字节IO函数，则将该流的定向设置为字节定向，更改流定向只有两个函数，freopen和fwide，freopen用以清除流定向，fwide用于设置流定向。

#include <stdio.h>
FILE *freopen(const char *path, const char *mode, FILE *stream);
#include <wchar.h>
int fwide(FILE *stream, int mode);

缓冲——

标准IO提供缓冲的目的是尽可能地减少read和write系统调用的次数，它对每个IO流自动地进行缓冲管理，从而避免了应用程序需要考虑这一点所带来的麻烦。标准IO提供了三种类型的缓冲，全缓冲、行缓冲和无缓冲。全缓冲在填满标准IO缓冲区后才进行实际IO操作；行缓冲在输入和输出中遇到换行符或行缓冲区填满时执行IO操作；无缓冲即标准IO不对字符进行缓冲存储。一般清空下，有默认的缓冲方式，标准出错流stderr不带缓冲，从而使得出错信息可以尽快显示出来，涉及终端设备时流是行缓冲的，其它情况是全缓冲的，更改缓冲方式可通过setbuf和setvbuf函数完成，setvbuf可以指定具体的缓冲方式（mode），在“stdio.h”头文件中有一个适合系统的缓冲区长度宏定义BUFSIZ。

#include <stdio.h>
void setbuf(FILE *stream, char *buf);
int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);

调用fflush函数可强制冲洗一个流或所有输出流：

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

当一个进程正常终止时，即调用exit函数或者从main函数返回，那么所有未写的带缓冲数据的标准IO流都会被冲洗，所有打开的标准IO流都会被关闭。

打开与关闭流——

#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);
int fclose(FILE *fp);

上面前三个函数可以打开一个标准IO流，fopen打开指定的文件，freopen在预定义的流（一般为stdin/stdout/stderr）上打开指定的文件，fdopen使得流关联到一个文件描述符上。fclose函数用以关闭一个打开的流。

流状态——

下面三个函数用于检查、设置流的状态，如EOF标志（一般为-1）、错误标志。

#include <stdio.h>
int ferror(FILE *stream);
int feof(FILE *stream);
void clearerr(FILE *stream);

流定位——

下面列出的是用于流定位的几个函数，它们基于不同的标准。

#include <stdio.h>
int ftell(FILE *stream);
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
void rewind(FILE *stream);
int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);
int fsetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);
off_t ftello(FILE *stream);
int fseeko(FILE *stream, off_t offset, int whence);

字符IO——

#include <stdio.h>
int getc(FILE *stream);
int fgetc(FILE *stream);
int getchar(void);
int ungetc(int c, FILE *stream);
int putc(int c, FILE *stream);
int fputc(int c, FILE *stream);
int putchar(int c);

在上面的字符IO中，前三个get系列函数用于一次读取一个字符，其中getchar等效于getc(stdin)，getc可实现为宏而fgetc不能，这意味着getc的参数不能是有副作用的表达式，fgetc的函数地址看作为参数传递，fgetc耗时可能比getc要长。ungetc函数用于把字符压送会流中，后面三个put系列函数则用于一次输入一个字符。

行IO——

#include <stdio.h>
char* gets(char *s);
char* fgets(char *s, int size, FILE *stream);
int puts(const char *s);
int fputs(const char *s, FILE *stream);

在上面的行IO中，get系列函数用于一次读取一行，put系列函数用于一次输入一行，需要注意的是gets由于未指定行的长度，有可能造成缓冲区溢出，这几个函数的行尾换行符也要注意。

二进制IO——

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

上面的两个二进制IO在处理复杂的数据结构时，如果在不同的机器上执行，可能会有问题，如编译方式、字节对齐等问题。

格式IO——

下面列出的是常见的格式化输入、输出IO。

#include <stdio.h>
int printf(const char *format, …);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sprintf(char *str, const char *format, ...);
int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);
int scanf(const char *format, ...);
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sscanf(const char *str, const char *format, ...);
#include <stdarg.h>
int vprintf(const char *format, va_list ap);
int vfprintf(FILE *stream, const char *format, va_list ap);
int vsprintf(char *str, const char *format, va_list ap);
int vsnprintf(char *str, size_t size, const char *format, va_list ap);
int vscanf(const char *format, va_list ap);
int vsscanf(const char *str, const char *format, va_list ap);
int vfscanf(FILE *stream, const char *format, va_list ap);

printf系列函数的format中，需要进行格式控制时由百分号开始，其余字符则原样输出。格式控制形式如下：

%[flag][width][precision][modifier]type

flag可选，“-”表示左对齐，默认右对齐，“+”表示输出正负号，默认正数和零不输出，“ ”即空格，表示不带正负号时在前面添加空格，默认不添加，“#”表示添加进制符号，如十六进制的0x，默认不添加，“0”表示填充数字零，默认使用空格填充。

width表示输出的字符宽度，是一个十进制数，或是一个星号“*”，星号的意思是具体宽度由后面的参数给出。

precision表示精度，对于整型来说表示最少输出位数，对于浮点型来说表示小数点后的最少位数，对于字符串来说表示最多输出位数，precision以小数点开始，后接一个十进制整数或者星号“*”。

modifier表示参数长度，如下：

type表示参数类型，如下：

临时文件——

标准IO库还提供了用于创建临时文件的若干函数，tmpnam、tempnam、mktemp用以构建临时文件名，tmpfile、mkstemp用于创建临时文件。

#include <stdio.h>
FILE *tmpfile(void);
char *tmpnam(char *s);
char *tempnam(const char *dir, const char *pfx);
#include <stdlib.h>
int mktemp(char *template);
int mkstemp(char *template);

标准IO不足——

标准IO库的一个不足之处是效率不高，这与它需要复制的数据量有关。当使用每次一行函数fgets和fputs时，通常需要复制两次数据：一次是在内核和标准IO缓冲之间（当调用read和write时），第二次是在标准IO缓冲区和用户程序中的行缓冲区之间。而快速IO库则避免了这一点，其方法是使读一行的函数返回指向该行的指针，而不是将该行复制到另一个缓冲区。