Linux操作系统—标准I/O库(1)(2015-8-3)

分类：Linux操作系统

不仅在linux，在很多操作系统上都实现了标准I/O库，该库由ANSI C标准说明。标准I/O库是在系统调用函数基础上构造的，它处理很多细节（例如缓存分配）以优化执行I/O。与基于文件描述符的I/O相比，基于流的I/O更加简单，方便，也更加高效。因而在Linux环境C程序的编写中，基于流的I/O使用更为广泛。

流和文件指针

在基于文件描述符中的底层系统调用的I/O操作中，所有的I/O函数都是针对文件描述符的。当打开一个文件时，即返回一个文件描述符，然后该问价描述符就用于后续的I/O操作。
在标准I/O库中，所有的I/O操作都是围绕流（stream）来进行的。在Linux中，文件和设备都可以看做是数据流。
什么是数据流？数据流是指无结构的字节序列。当用标准I/O库打开或创建一个文件时，即将一个流与一个文件结合起来。
标准I/O库提供了函数fopen用于打开一个流。当打开一个流时，该函数会返回一个指向FILE对象的指针，即文件指针（类型为FILE *）。FILE对象通常是一个结构，它包含了I/O库为管理该流所需要的所有信息：用于实际I/O的文件描述符，指向流缓存的指针，缓存长度，当前在缓存中的字节数，出错标志等。但一般应用程序没有必要关心FILE结构体的各成员值，使用流时，只需要将FILE指针作为参数传递给每个标准I/O函数。
Linux对一个进程预定义了三个流：标准输入流，标准输出流和标准错误输出流，它们自动地为进程打开并可用。这三个标准I/O流通过在头文件<stdio.h>中预定义的文件指针stdin，stdout和stderr加以引用。它们与文件描述符STDIN_FILENO，STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO所表示的标准输入，标准输出和标准错误输出相对应。

缓存

为什么要有缓存？
标准I/O库（注意：标准I/O库是在系统调用函数基础上构造的）提供缓存的目的是尽可能减少使用read和write调用的次数，以提高I/O效率。标准I/O也对每个I/O流自动进行缓存管理，免除了由应用程序考虑这一点的麻烦。
标准I/O提供了三种类型的缓存。
- 全缓存

使用全缓存时，只有当标准I/O缓存填满后才进行实际的I/O操作。
对磁盘文件的标准I/O操作一般是实施全缓存的。在一个流上执行第一次I/O操作时，相关标准I/O函数通常调用malloc函数分配所需要使用的缓存。
术语刷新（flush）用于说明标准I/O缓存的写操作。缓存可由标准I/O例程自动刷新（比如当填满一个缓存时），或者可以调用函数fflush显示刷新一个流。

行缓存

使用行缓存时，标准I/O库会在输入和输出中遇到换行符时执行实际的I/O操作。当流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），典型地使用行缓存。
对行缓存有两个限制：
1. 因为行的缓存长度是固定的，所以只要填满了缓存，即使还没有写一个换行符，也会进行I/O操作。
2. 任何时候只要通过标准I/O库要求从一个不带缓存的流或一个行缓存的流（它预先要求从内核中得到数据，所需要的数据可能已在该缓存中）得到输入的数据，那么就会造成刷新所有的行缓存输出流。

不带缓存

即不对字符进行缓存。如果用标准I/O函数写若干条字符到不带缓存的流中，则相当于用write系统调用函数将这些字符写至相关联的打开文件上。标准错误输出流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新行字符。

ANSI C规定了下列缓存特征：
- 当且仅当标准输入和标准输出并不涉及交互作用设备时，它们才是全缓存的。
- 标准错误输出绝对不会是全缓存的。

流的打开和关闭

标准I/O库提供了fopen系列函数用以创建或打开流文件，提供了fclose函数关闭已打开的流文件。

打开流

使用fopen系列函数可以创建或打开流文件，这些函数的原型如下。

#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);

这三个函数的区别如下：
（1）fopen打开路径名由path指定的一个文件。
（2）freopen在由stream指定的流上打开一个指定的文件（其路径由path指定），如若该流已经打开，则先关闭该流。次函数一般用于将一个指定的文件打开为一个预定义的标准流：标准输入，标准输出或者标准错误输出。
（3）fdopen取一个现存的文件描述符，并使一个标准的I/O流与该描述相结合。此函数常用于创建管道和网络通信通道函数获得的描述符。因为这些特殊类型的文件不能用标准I/O函数fopen打开，而必须先调用设备专用函数以获得一个文件描述符，然后用fdopen使一个标准I/O流与该描述符相结合。注意：fdopen函数不是ANSI C的标准函数，而是属于POSIX.1的标准。
这三个函数各参数和返回值的含义如下：
1. path：要打开或创建的文件的名字
2. mode：对该I/O流的读，写方式，ANSI C规定了15种不同的可能值

r或rb：以读方式打开
w或wb：以写方式打开或创建，并将文件长度截为0
a或ab：以写方式打开，新内容追加在文件尾
r+或r+b或rb+：以更新方式打开（读和写）
w+或w+b或wb+：以更新方式打开，并将文件长度截为0
a+或a+b或ab+：以更新方式打开，新内容追加在文件尾

注意：（1）字符b的作用是区分文本文件和二进制文件。但Linux内核并不对这两种文件进行区分，所以在Linux系统环境下字符b作为mode的一部分实际上并无作用。（2）对于fdopen，因为该描述符已经被打开，即所引用的文件必已存在，所以fdopen以写方式打开并不会创建该文件或截短该文件。
3-fd：待关联的底层文件描述符
4-stream：待关联的流的文件指针，若该流已经打开则会被先关闭
5-返回值：成功时返回流文件的指针，失败时返回NULL
能否成功打开文件流受打开方式的限制，如下表所示。另外，进程可打开的文件流的数量有一个上限，该上限值由stdio.h中定义的FOPEN_MAX常量定义。
打开一个I/O流的六种不同方式的限制

限制	r	w	a	r+	w+	a+
文件必须已存在	能			能
擦除文件以前的内容		能			能
流可读	能			能
流可写		能	能	能	能	能
流只可在尾端写			能			能

关闭流

在使用完流文件后，应调用fclose函数关闭流。fclose函数原型如下：

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

函数成功时返回0，失败时返回EOF（-1）
在文件流被关闭之前，fclose会刷新缓存中的输出数据，但缓存中的输入数据将被丢弃。如果标准I/O库已经为该流自动分配了一个缓存，则释放此缓存。
当一个进程正常终止时（直接调用exit函数，或从main函数返回），则所有带未写缓存数据的标准I/O流都被刷新，所有打开的标准I/O流都被关闭。

实践篇

目标一：在当前目录下创建一个file.txt文件
方法一：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{FILE *fp = NULL;fp = fopen("file.txt", "w");if (fp == NULL){printf("Cannot create files!\n");exit(-1);}fclose(fp);return 0;
}

该程序能够达到预定目标，它在我的机器上的运行结果如下：

biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gedit fopen.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gcc -o fopen fopen.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ./fopen
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ls
file.txt  fopen  fopen.c  fopen.c~
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ll file.txt
-rw-rw-r-- 1 biantiao biantiao 0  8月  4 08:57 file.txt
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$

运行结束后，它在当前目录下创建了一个空的file.txt文件。

方法二：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{FILE *fp = NULL;fp = fopen("file.txt", "r");if (fp == NULL){printf("Cannot create files!\n");exit(-1);}fclose(fp);return 0;
}

该方法和上面的区别是，fopen中的参数由w换成了r，结果怎样呢？结果是不行的，它在我的机器上的运行结果如下：

biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gedit fopen.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gcc -o fopen fopen.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ls
fopen  fopen.c  fopen.c~
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ./fopen
Cannot create files!
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ll
总用量 28
drwxr-xr-x  2 biantiao biantiao 4096  8月  4 09:04 ./
drwxr-xr-x 46 biantiao biantiao 4096  8月  3 21:41 ../
-rwxrwxr-x  1 biantiao biantiao 8704  8月  4 09:04 fopen*
-rw-rw-r--  1 biantiao biantiao  220  8月  4 09:01 fopen.c
-rw-rw-r--  1 biantiao biantiao  220  8月  4 08:56 fopen.c~
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$

应该能够明白创建文件该用哪个参数了吧。注意w和r的区别，如下：

r或rb：以读的方式打开（注意只能打开，不能创建）
w或wb：以写方式打开或创建，并将文件长度截为0

写到这里我又想写一个小程序来验证上面的话，真心不好意思，初学者好奇心很重。说干就干。验证什么呢？验证以w方式打开一个文件能将其长度截为0。首先先在当前目录创建一个test.txt文件，在里面输入一句hello world。如下图：

编写下列程序，保存为cut.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{FILE *fp = NULL;fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL){printf("Open file failed!\n");exit(-1);}fclose(fp);return 0;
}

从上面的程序可以看出，代码只是将已存在的test.txt文件打开，然后关闭。看看test.txt文件会有什么变化。原先test.txt文件中写有一句Hello World!。编译并运行，查看结果。

biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ gcc -o cut cut.c
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ls
cut  cut.c  test.txt
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ ./cut
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$ cat test.txt
biantiao@lazybone1994-ThinkPad-E430:~/桌面$

从命令行中cat的结果来看，test.txt文件确实被截短为0了。为了更直观我用gedit打开看看。如下图：

文件确实被截短为0了！（下次编程时要注意了，如果不想文件原来的内容被截掉，不能使用w参数，而得使用a或r参数来实现）

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流和文件指针

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流的打开和关闭

打开流

关闭流

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