文件I/O编程之： 标准I/O编程

本章前面几节所述的文件及I/O读写都是基于文件描述符的。这些都是基本的I/O控制，是不带缓存的。而本节所要讨论的I/O操作都是基于流缓冲的，它是符合ANSIC的标准I/O处理，这里有很多函数读者已经非常熟悉了（如printf()、scantf()函数等），因此本节中仅简要介绍最主要的函数。

前面讲述的系统调用是操作系统直接提供的函数接口。因为运行系统调用时，Linux必须从用户态切换到内核态，执行相应的请求，然后再返回到用户态，所以应该尽量减少系统调用的次数，从而提高程序的效率。

标准I/O提供流缓冲的目的是尽可能减少使用read()和write()等系统调用的数量。标准I/O提供了3种类型的缓冲存储。

n 全缓冲：在这种情况下，当填满标准I/O缓存后才进行实际I/O操作。存放在磁盘上的文件通常是由标准I/O库实施全缓冲的。在一个流上执行第一次I/O操作时，通常调用malloc()就是使用全缓冲。

n 行缓冲：在这种情况下，当在输入和输出中遇到行结束符时，标准I/O库执行I/O操作。这允许我们一次输出一个字符（如fputc()函数），但只有写了一行之后才进行实际I/O操作。标准输入和标准输出就是使用行缓冲的典型例子。

n 不带缓冲：标准I/O库不对字符进行缓冲。如果用标准I/O函数写若干字符到不带缓冲的流中，则相当于用系统调用write()函数将这些字符全写到被打开的文件上。标准出错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行结束符。

在下面讨论具体函数时，请读者注意区分以上的三种不同情况。

（1）函数说明。

打开文件有三个标准函数，分别为：fopen()、fdopen()和freopen()。它们可以以不同的模式打开，但都返回一个指向FILE的指针，该指针指向对应的I/O流。此后，对文件的读写都是通过这个FILE指针来进行。其中fopen()可以指定打开文件的路径和模式，fdopen()可以指定打开的文件描述符和模式，而freopen()除可指定打开的文件、模式外，还可指定特定的I/O流。

（2）函数格式定义。

fopen()函数格式如表6.14所示。

表6.14 fopen()函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

FILE*fopen(constchar*path,constchar*mode)

函数传入值

Path：包含要打开的文件路径及文件名

mode：文件打开状态（后面会具体说明）

函数返回值

成功：指向FILE的指针
失败：NULL

其中，mode类似于open()函数中的flag，可以定义打开文件的访问权限等，表6.15说明了fopen()中mode的各种取值。

表6.15 mode取值说明

r或rb

打开只读文件，该文件必须存在

r＋或r＋b

打开可读写的文件，该文件必须存在

W或wb

打开只写文件，若文件存在则文件长度清为0，即会擦写文件以前的内容。若文件不存在则建立该文件

w+或w＋b

打开可读写文件，若文件存在则文件长度清为0，即会擦写文件以前的内容。若文件不存在则建立该文件

a或ab

以附加的方式打开只写文件。若文件不存在，则会建立该文件；如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾，即文件原先的内容会被保留

a+或a＋b

以附加方式打开可读写的文件。若文件不存在，则会建立该文件；如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾后，即文件原先的内容会被保留

注意在每个选项中加入b字符用来告诉函数库打开的文件为二进制文件，而非纯文本文件。不过在Linux系统中会自动识别不同类型的文件而将此符号忽略。

fdopen()函数格式如表6.16所示。

表6.16 fdopen()函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

FILE*fdopen(intfd,constchar*mode)

函数传入值

fd：要打开的文件描述符

mode：文件打开状态（后面会具体说明）

函数返回值

成功：指向FILE的指针
失败：NULL

freopen()函数格式如表6.17所示。

表6.17 freopen()函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

FILE*freopen(constchar*path,constchar*mode,FILE*stream)

函数传入值

path：包含要打开的文件路径及文件名

mode：文件打开状态（后面会具体说明）

stream：已打开的文件指针

函数返回值

成功：指向FILE的指针
失败：NULL

（1）函数说明。

关闭标准流文件的函数为fclose()，该函数将缓冲区内的数据全部写入到文件中，并释放系统所提供的文件资源。

（2）函数格式说明。

fclose()函数格式如表6.18所示。

表6.18 fclose()函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

intfclose(FILE*stream)

函数传入值

stream：已打开的文件指针

函数返回值

成功：0
失败：EOF

（1）fread()函数说明。

在文件流被打开之后，可对文件流进行读写等操作，其中读操作的函数为fread()。

（2）fread()函数格式。

fread()函数格式如表6.19所示。

表6.19 fread()函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

size_tfread(void*ptr,size_tsize,size_tnmemb,FILE*stream)

函数传入值

ptr：存放读入记录的缓冲区

size：读取的记录大小

nmemb：读取的记录数

stream：要读取的文件流

函数返回值

成功：返回实际读取到的nmemb数目
失败：EOF

（1）fwrite()函数说明。

fwrite()函数用于对指定的文件流进行写操作。

（2）fwrite()函数格式。

fwrite()函数格式如表6.20所示。

表6.20 fwrite()函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

size_tfwrite(constvoid*ptr,size_tsize,size_tnmemb,FILE*stream)

续表

函数传入值

ptr：存放写入记录的缓冲区

size：写入的记录大小

nmemb：写入的记录数

stream：要写入的文件流

函数返回值

成功：返回实际写入的记录数目
失败：EOF

下面实例的功能跟底层I/O操作的实例基本相同，运行结果也相同（请参考6.3.1节的实例），只是用标准I/O库的文件操作来替代原先的底层文件系统调用而已。

读者可以观察哪种方法的效率更高，其原因又是什么。

#include<stdlib.h>

#include<stdio.h>

#defineBUFFER_SIZE1024/*每次读写缓存大小*/

#defineSRC_FILE_NAME"src_file"/*源文件名*/

#defineDEST_FILE_NAME"dest_file"/*目标文件名文件名*/

#defineOFFSET10240/*复制的数据大小*/

intmain()

{

FILE*src_file,*dest_file;

unsignedcharbuff[BUFFER_SIZE];

intreal_read_len;

/*以只读方式打开源文件*/

src_file=fopen(SRC_FILE_NAME,"r");

/*以写方式打开目标文件，若此文件不存在则创建*/

dest_file=fopen(DEST_FILE_NAME,"w");

if(!src_file||!dest_file)

{

printf("Openfileerror\n");

exit(1);

}

/*将源文件的读写指针移到最后10KB的起始位置*/

fseek(src_file,-OFFSET,SEEK_END);

/*读取源文件的最后10KB数据并写到目标文件中，每次读写1KB*/

while((real_read_len=fread(buff,1,sizeof(buff),src_file))>0)

{

fwrite(buff,1,real_read_len,dest_file);

}

fclose(dest_file);

fclose(src_file);

return0;

}

读者可以尝试用其他文件打开函数进行练习。

文件打开之后，根据一次读写文件中字符的数目可分为字符输入输出、行输入输出和格式化输入输出，下面分别对这3种不同的方式进行讲解。

字符输入输出函数一次仅读写一个字符。其中字符输入输出函数如表6.21和表6.22所示。

表6.21 字符输出函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

intgetc(FILE*stream)
intfgetc(FILE*stream)
intgetchar(void)

函数传入值

stream：要输入的文件流

函数返回值

成功：下一个字符
失败：EOF

表6.22 字符输入函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

intputc(intc,FILE*stream)
intfputc(intc,FILE*stream)
intputchar(intc)

函数返回值

成功：字符c
失败：EOF

这几个函数功能类似，其区别仅在于getc()和putc()通常被实现为宏，而fgetc()和fputc()不能实现为宏，因此，函数的实现时间会有所差别。

下面这个实例结合fputc()和fgetc()将标准输入复制到标准输出中去。

/*fput.c*/

#include<stdio.h>

main()

{

intc;

/*把fgetc()的结果作为fputc()的输入*/

fputc(fgetc(stdin),stdout);

}

运行结果如下所示：

$./fput

w（用户输入）

w（屏幕输出）

行输入输出函数一次操作一行。其中行输入输出函数如表6.23和表6.24所示。

表6.23 行输出函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

char*gets(char*s)
charfgets(char*s,intsize,FILE*stream)

函数传入值

s：要输入的字符串
size：输入的字符串长度
stream：对应的文件流

函数返回值

成功：s
失败：NULL

表6.24 行输入函数语法要点

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

intputs(constchar*s)
intfputs(constchar*s,FILE*stream)

函数传入值

s：要输出的字符串
stream：对应的文件流

函数返回值

成功：s
失败：NULL

这里以gets()和puts()为例进行说明，本实例将标准输入复制到标准输出，如下所示：

/*gets.c*/

#include<stdio.h>

main()

{

chars[80];

/*同上例，把fgets()的结果作为fputs()的输入*/

fputs(fgets(s,80,stdin),stdout);

}

运行该程序，结果如下所示：

$./gets

Thisisstdin（用户输入）

Thisisstdin（屏幕输出）

格式化输入输出函数可以指定输入输出的具体格式，这里有读者已经非常熟悉的printf()、scanf()等函数，这里就简要介绍一下它们的格式，如表6.25～表6.27所示。

表6.25 格式化输出函数1

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

intprintf(constchar*format,…)
intfprintf(FILE*fp,constchar*format,…)
intsprintf(char*buf,constchar*format,…)

函数传入值

format：记录输出格式
fp：文件描述符
buf：记录输出缓冲区

函数返回值

成功：输出字符数（sprintf返回存入数组中的字符数）
失败：NULL

表6.26 格式化输出函数2

所需头文件

#include<stdarg.h>
#include<stdio.h>

函数原型

intvprintf(constchar*format,va_listarg)
intvfprintf(FILE*fp,constchar*format,va_listarg)
intvsprintf(char*buf,constchar*format,va_listarg)

函数传入值

format：记录输出格式
fp：文件描述符
arg：相关命令参数

函数返回值

成功：存入数组的字符数
失败：NULL

表6.27 格式化输入函数

所需头文件

#include<stdio.h>

函数原型

intscanf(constchar*format,…)
intfscanf(FILE*fp,constchar*format,…)
intsscanf(char*buf,constchar*format,…)

函数传入值

format：记录输出格式
fp：文件描述符
buf：记录输入缓冲区

函数返回值

成功：输出字符数（sprintf返回存入数组中的字符数）
失败：NULL

由于本节的函数用法比较简单，并且比较常用，因此就不再举例了，请读者需要用到时自行查找其用法。