APUE2读书笔记（5）标准I/O库

第五章 标准I/O库

本章讲述ISO C的标准I/O库函数（定义在）。这些库函数的特点是会在进程的地址空间中开辟一个缓冲区，在一定条件下时才触发I/O（称为冲洗flush）将缓冲区的数据刷到内核中。

1、文件流和FILE指针

ISO C中使用文件流的概念描述和操作磁盘文件

在实现了宽字符集的C99中，流的定向决定了在流中以单字节还是多字节读写字符。可使用fwide函数进行设置：

1. #include 
2. 
   
3. int fwide(FILE *fp, int mode);

mode的取值为：

>0： 宽字节定向

<0： 字节定向

=0： 不设置，返回当前定向方式

返回值：

>0： 宽字节定向

<0： 字节定向（需先结合errno判断是否发生函数调用失败）

=0： 未定向

2、stdin、stdout和stderr

这是三个预定义的文件流指针，定义在。

3、标准I/O的缓冲方式

全缓冲（fully buffered）： 缓冲区满时触发I/O；

行缓冲（line buffered）： 遇到'\0'换行符或缓冲区满时触发I/O；

非缓冲（unbuffered）： 直接触发I/O；

• 函数fflush用于立即冲洗指定的标准输出流，以NULL为输入参数时表示冲洗全部输出流：

1. #include 
2. 
   
3. int fflush(FILE *fp);

• 行缓冲常用于tty、telnet等交互式命令行终端，它们的特点是通过换行回车结束字符串输入，即这种方式输入的字符串都以'\n'+'\0'结尾。不涉及交互时通常是权缓冲的；

• 当内核从行输入缓冲区取数时，将造成行输出缓冲马上被冲洗。一个例子是当前shell的后台作业执行结束时，只要键入(stdin)回车，作业完成的提示将马上出现在终端屏幕(stdout)上；

• stderr的默认是非缓冲的方式输出的，ISO C规定stderr的输出不能为全缓冲；

• 进程正常终止（显式或隐式的调用了exit）时，所有的缓冲区将马上被冲洗；

• 设置缓冲方式的函数：

1. #include 
2. 
   
3. void setbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf);
4. int setvbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf, int mode, size_t size);

要求： ① 在fp已打开后才能调用；

② 在对流执行任何一个其它操作之前调用；

setbuf用于显式的为fp指向的文件流指定缓冲区为buf，缓冲区的长度必须为BUFSIZ（定义在）。buf为NULL时，表示关闭缓冲区；

setvbuf通过mode指定缓冲类型，并可通过size指定buf的长度（建议是BUFSIZ）。当buf是NULL时，表示让系统来分配缓冲区；mode参数的选项包括了：_IOFBUF（全缓冲）、_IOLBUF（行缓冲）、_IONBUF（非缓冲）；

4、对文件流进行打开、读写和关闭

1. 打开

1. #include 
2. 
   
3. FILE *fopen(const char *restrict pathname, const char *restrict type);
4. FILE *freopen(const char *restrict pathname, const char *restrict type, FILE *restrict fp);
5. FILE *fdopen(int filedes, const char *type);

freopen用于将fp指向的流重定向到pathname上，类似dup2；

fdopen不是ISO C，它根据一个已打开的文件描述符filedes创建指向文件流的FILE指针，它常用于将文件流指针关联到已打开的管道或套接字；

参数type是个字符串，包括了"r"、"w"、"a"、"r+"、"w+"、"a+"。对于type参数，应注意：

• 在使用w或a选项时，若文件不存在则自动创建，新建文件的访问模式通过进程的umask限制；

• 后缀b（如rb、wb、……等）对UNIX无意义。

• 对于fdopen，选项w不能截文件为0，而由filedes的open函数决定；

• r+和w+方式打开文件时，输出/输入之后必须等待冲洗或者改变流位置才能进行输入/输出；

若引用的文件是交互式终端，则默认打开方式为行缓冲，否则默认是全缓冲；

2. 关闭

1. int fclose(FILE *fp);

和close一样，进程结束时所有打开的文件流也被自动关闭；

3. 读写

① 每次读/写一个字符到buffer：

1.  #include 
2. 
   
3. /* 左边是读，右边是写 */
4. int getc(FILE *fp); int putc(int c, FILE *fp);
5. int fgetc(FILE, *fp); int fputc(int c, FILE *fp);
6. int getchar(void); int putchar(int c);

• getc和putc通常实现为宏，而fgetc和fputc不能实现为宏；

• 这几种读/写函数之间主要区别为：参数表达式、函数地址（宏函数无地址）、效率；

• 由于读函数在文件结束或出错时都将返回EOF，应通过以下两个函数返回值的真假作具体判断：

1. #include 
2. 
   
3. int ferror(FILE *fp);
4. int feof(FILE *fp);

• 函数clearerr则用于清除文件流的EOF标志：

1. #include 
2. 
   
3. void clearerr(FILE *fp);

• 函数ungetc可将一个字符压(push)到流中：

1. #include 
2. 
   
3. int ungetc(int c, FILE *fp);

下次getc时将再次读到这个字符，像栈的进出（push/pop）一样；

• getchar和putchar使用的文件流分别为stdin和stdout；

② 每次读/写一行字符串到buffer：

• 读（输入）：

1. #include 
2. 
   
3. char *fgets(char *restrict buf, int n, FILE *restrict fp);
4. char *gets(char *buf);

fgets从指定的流读取n个字符（或者读到一个'\0'）到stdin的buffer，buffer在满时往缓冲区的最后一格填充'\0'；

gets函数带来缓冲区溢出（buffer overflow）的安全隐患，ISO C已经不推荐使用。现代的系统仍然将其实现只是为了向前兼容的考虑；

• 写（输出）：

1. #include 
2. 
   
3. int fputs(const char *restrict str, FILE *restrict fp);
4. int puts(const char *str);

fputs将一个字符串送到指定的文件流，注意换行符'\n'需自己指定；

puts将指定的字符串送到stdout，并自动跟一个'\n'换行符（即总是换行，包括puts("")）；

③ 直接I/O（也称二进制I/O，面向结构的I/O等）

1. #include 
2. 
   
3. size_t fread(void *restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *restrict fp);
4. size_t fwrite(const void *restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *restrict fp);

fread从文件流fp读取nobj个记录到ptr中，其中每个记录的长度为size；fwrite则从ptr中取nobj个记录写到fp指向的文件流中，其中每个记录的长度为size。

返回值为实际读写的对象数。对于fread，返回值小于nobj时应通过feof或ferror判断结果，而fwrite则肯定是写失败；

注意：由于字节对齐方式以及字节顺序因编译器或体系结构而异，fread和fwrite容易造成二进制代码的不兼容；

5、文件流的定位

1. #include 
2. 
   
3. long ftell(FILE *fp);
4. int fseek(FILE *fp, long offset, int whence);
5. void rewind(FILE *fp);

ftell返回当前在文件流中的位置（以long为步长）；

fseek以whence指定的起始位置，将当前位置重新定位在offset处，whence的含义同lseek；

rewind复位当前位置到SEEK_SET；

另有ftello和fseeko以off_t为步长，参数列表类似ftell和fseek；

1. #include 
2. 
   
3. int fgetpos(FILE *restrict fp, fpos_t *restrict pos);
4. int fsetpos(FILE *fp, const fpost_t *pos);

fgetpos将文件流的当前位置存到pos处，而fsetpos将当前位置设置为pos；

6、文件流I/O的格式化函数

① printf家族：格式化输出

1. #include 
2. 
   
3. int printf(const char *restrict format, ...);
4. int fprintf(FILE *restrict fp, const char *restrict format, ...);
5. int sprintf(char *restrict buf, const char *restrict format, ...);
6. int snprintf(char *restrict buf, size_t n, const char *resctrict format, ...);

printf家族函数分别把指定的格式化字符串format输出到标准输出stdout/文件流fp/字符缓冲区buf，其中snprintf是为解决sprintf的缓冲区溢出隐患的替代函数；

可以使用的格式化标记可参考K&R编写的《The C Programming Language》一书，典型的使用包括%4d, %3.2f, %*.3f等；

vprintf(3)等前缀了个v的变体使用可变参数列表va_list替代格式化标记参数；

它们的返回值都是实际输出的字符数；

② scanf家族：格式化输入

包括了scanf(3), fscanf(3), sscanf(3)及前缀了v使用va_list的变体，函数原型略；

使用时应注意输入必须和格式化的字符串匹配，否则第一个不匹配的字符后面的部分将被直接丢弃。

空白字符（空格、制表符等）均归为转义符'\s'；

7、关联文件流到文件描述符（非ISO C）

1. #include 
2. 
   
3. int fileno(FILE *fp);

和fdopen互逆；

8、创建临时文件

1. #include 
2. 
   
3. char *tmpnam(char *ptr);
4. FILE *tmpfile(void);

tmpnam创建了一个包含路径名的字符串存入prt，并返回其值。供其它函数创建临时文件，ptr为NULL时，这个路径名保存在系统分配的静态区中，可能会被多次重写；

tmpfile以wb+创建一个临时文件并返回其指针，在关闭该指针或者进程结束时这个临时文件将被自动删除；

SUS的XSI扩展也提供了两个创建临时文件的函数：

1. #include 
2. 
   
3. char *tempnam(const char *directory, const char *prefix);

tempname在环境变量TMPDIR指定的目录下提供了一个以prefix指定为前缀的临时文件名，prefix只有效于最多前5个字符；

1. #include 
2. 
   
3. int mkstemp(char *template);

函数通过template生成一个临时文件，并打开之，返回其文件描述符。同时修改template为该文件的路径名。这个临时文件需要程序另行删除；

另有类似mkstemp的函数mktemp(2)，对应的shell命令为mktemp(1)，用于生成一个临时文件名，但不会创建之。