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news 2025/7/1 16:34:11

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參考引用

UNIX 環(huán)境高級編程 (第3版)
嵌入式Linux C應用編程-正點原子

1. 標準 I/O 庫簡介

標準 I/O 庫是指：標準 C 庫中用于文件 I/O 操作（如：讀、寫文件等）相關的一系列庫函數的集合
- 標準 I/O 庫函數相關的函數定義都在頭文件 <stdio.h> 中
- 標準 I/O 庫函數構建于文件 I/O（open()、read()、write()、lseek()、close()等）這些系統調用之上，如：標準 I/O 庫函數 fopen() 就利用系統調用 open() 來執(zhí)行打開文件的操作
為什么需要標準 I/O 庫？直接使用文件 I/O 系統調用不是更好嗎？
- 設計庫函數是為了提供比底層系統調用更為方便、好用的調用接口，雖然標準 I/O 構建于文件 I/O 之上，但標準 I/O 卻有它自己的優(yōu)勢

標準 I/O 和文件 I/O 的區(qū)別如下
- 雖然標準 I/O 和文件 I/O 都是 C 語言函數，但是標準 I/O 是標準 C 庫函數，而文件 I/O 則是 Linux 系統調用
- 標準 I/O 是由文件 I/O 封裝而來，標準 I/O 內部實際上是調用文件 I/O 來完成實際操作的
- 可移植性：標準 I/O 相比于文件 I/O 具有更好的可移植性
  - 通常對于不同的操作系統，其內核向應用層提供的系統調用往往都是不同，如：系統調用的定義、功能、參數列表、返回值等往往都不同
  - 而對于標準 I/O 來說，由于很多操作系統都實現了標準 I/O 庫，標準 I/O 庫在不同的操作系統之間其接口定義幾乎是一樣的，所以標準 I/O 在不同操作系統之間相比于文件 I/O 具有更好的可移植性
- 性能、效率：標準 I/O 庫在用戶空間維護了自己的 stdio 緩沖區(qū)，所以標準 I/O 是帶有緩存的，而文件 I/O 在用戶空間是不帶有緩存的，所以在性能、效率上，標準 I/O 要優(yōu)于文件 I/O

2. FILE 指針

所有文件 I/O 函數（open()、read()、write()、lseek()等）都是圍繞文件描述符進行的，當調用 open()函數打開一個文件時，即返回一個文件描述符 fd，然后該文件描述符就用于后續(xù)的 I/O 操作
而對于標準 I/O 庫函數來說，它們的操作是圍繞 FILE 指針進行的，當使用標準 I/O 庫函數打開或創(chuàng)建一個文件時，會返回一個指向 FILE 類型對象的指針（FILE *），使用該 FILE 指針與被打開或創(chuàng)建的文件相關聯，然后該 FILE 指針就用于后續(xù)的標準 I/O 操作
FILE 指針的作用相當于文件描述符，FILE 指針用于標準 I/O 庫函數中，而文件描述符則用于文件 I/O 系統調用中
FILE 是一個結構體數據類型，它包含了標準 I/O 庫函數為管理文件所需要的所有信息，包括用于實際 I/O 的文件描述符、指向文件緩沖區(qū)的指針、緩沖區(qū)的長度、當前緩沖區(qū)中的字節(jié)數以及出錯標志等
- FILE 數據結構定義在標準 I/O 庫函數頭文件 stdio.h 中

3. 標準輸入、標準輸出和標準錯誤

用戶通過標準輸入設備與系統進行交互，進程將從標準輸入 (stdin) 文件中得到輸入數據，將正常輸出數據（如：printf 打印輸出）輸出到標準輸出(stdout) 文件，而將錯誤信息（如：函數調用報錯）輸出到標準錯誤 (stderr) 文件
- 標準輸出文件和標準錯誤文件都對應終端的顯示器，而標準輸入文件則對應于鍵盤
每個進程啟動之后都會默認打開標準輸入、標準輸出以及標準錯誤，得到三個文件描述符，即 0（標準輸入）、1（標準輸出）、2（標準錯誤），在應用編程中可以使用宏 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO 和 STDERR_FILENO 分別代表 0、1、2，這些宏定義在 unistd.h 頭文件中
```
#define STDIN_FILENO 0 /* Standard input. */
#define STDOUT_FILENO1 /* Standard output. */
#define STDERR_FILENO2 /* Standard error output. */
```

0、1、2 是文件描述符，只能用于文件 I/O，標準 I/O 中，需圍繞 FILE 類型指針進行，在 stdio.h 頭文件定義

// struct _IO_FILE 結構體就是 FILE 結構體，使用 typedef 進行了重命名
extern struct _IO_FILE *stdin; /* Standard input stream. */
extern struct _IO_FILE *stdout; /* Standard output stream. */
extern struct _IO_FILE *stderr; /* Standard error output stream. *//* C89/C99 say they're macros. */
#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr

4. 打開文件 fopen()、關閉文件 fclose()

標準 I/O 中，將使用庫函數 fopen() 打開或創(chuàng)建文件

#include <stdio.h>// path：參數 path 指向文件路徑，可以是絕對路徑或相對路徑
// mode：參數 mode 指定了對該文件的讀寫權限，是一個字符串
// 返回值：調用成功返回一個指向 FILE 類型對象的指針（FILE *）
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

參數 mode 字符串類型，可取值如下

在這里插入圖片描述

雖然調用 fopen()函數新建文件時無法手動指定文件的權限，但卻有一個默認值
```
S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH (0666)
```

調用 fclose() 庫函數可以關閉一個由 fopen() 打開的文件

#include <stdio.h>// 參數 stream 為 FILE 類型指針，調用成功返回 0；失敗將返回 EOF（也就是-1）
int fclose(FILE *stream);

5. 讀文件和寫文件

可以使用 fread() 和 fwrite() 庫函數對文件進行讀、寫操作

#include <stdio.h>/*  ptr：fread() 將讀取到的數據存放在參數 ptr 指向的緩沖區(qū)中size：fread() 從文件讀取 nmemb 個數據項，每一個數據項大小為 size 個字節(jié)，所以總共讀取 nmemb * size 個字節(jié)數據nmemb：參數 nmemb 指定了讀取數據項的個數stream：FILE 指針
*/
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
/*  ptr：將參數 ptr 指向的緩沖區(qū)中的數據寫入到文件中size：參數 size 指定了每個數據項的字節(jié)大小，與 fread() 函數的 size 參數意義相同nmemb：參數 nmemb 指定了寫入的數據項個數，與 fread() 函數的 nmemb 參數意義相同stream：FILE 指針
*/
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

5.1 使用 fwrite() 將數據寫入到文件中

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void) {char buff[] = "Hello World!\n";FILE *fp = NULL;if ((fp = fopen("./test_file", "w")) == NULL) {perror("fopen error");exit(-1);}   printf("open success\n");if (fwrite(buff, 1, sizeof(buff), fp) < sizeof(buff)) {printf("fwrite error\n");fclose(fp);exit(-1);}   printf("write success\n");fclose(fp);exit(0);
}

$ gcc fw.c -o fw
$ ./fw 
open success
write success$ cat test_file 
Hello World!

5.2 使用 fread() 從文件中讀取數據

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void) {char buf[50] = {0};FILE *fp = NULL;int size;/* 只讀方式打開文件 */if ((fp = fopen("./test_file", "r")) == NULL) {perror("fopen error");exit(-1);}   printf("文件打開成功!\n");/* 讀取 12 * 1=12 個字節(jié)的數據 */if ((size = fread(buf, 1, 12, fp)) < 12) {if (ferror(fp)) {  //使用 ferror 判斷是否是發(fā)生錯誤printf("fread error\n");fclose(fp);exit(-1);}   /* 如果未發(fā)生錯誤則意味著已經到達了文件末尾 */}   printf("成功讀取%d 個字節(jié)數據: %s\n", size, buf);/* 關閉文件 */fclose(fp);exit(0);
}

$ gcc fr.c -o fr
$ ./fr
文件打開成功!
成功讀取12 個字節(jié)數據: Hello World!$ cat test_file 
Hello World!

6. fseek 定位

庫函數 fseek() 的作用類似系統調用 lseek()，用于設置文件讀寫位置偏移量
- 調用庫函數 fread()、fwrite() 讀寫文件時，文件的讀寫位置偏移量會自動遞增，使用 fseek() 可手動設置文件當前的讀寫位置偏移量
```
#include <stdio.h>// stream：FILE 指針
// offset：與 lseek() 函數的 offset 參數意義相同
// whence：與 lseek() 函數的 whence 參數意義相同
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
```

6.1 使用 fseek() 調整文件讀寫位置

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void) {FILE *fp = NULL;char rd_buf[100] = {0};char wr_buf[] = "www.baidu.com\n";int ret;/* 打開文件 */if ((fp = fopen("./test_file", "w+")) == NULL) {perror("fopen error");exit(-1);}   printf("open seccess\n");/* 寫文件 */if (fwrite(wr_buf, 1, sizeof(wr_buf), fp) < sizeof(wr_buf)) {printf("fwrite error\n");fclose(fp);exit(-1);}   printf("write success\n");/* 將讀寫位置移動到文件頭部 */if (fseek(fp, 0, SEEK_SET) < 0) {perror("fseek error\n");fclose(fp);exit(-1);}   /* 讀文件 */if ((ret = fread(rd_buf, 1, sizeof(wr_buf), fp)) < sizeof(wr_buf)) {printf("fread error\n");fclose(fp);exit(-1);}   printf("成功讀取 %d 個字節(jié)數據: %s\n", ret, rd_buf);/* 關閉文件 */fclose(fp);exit(0);
}

$ gcc fseek.c -o fseek
$ ./fseek 
open seccess
write success
成功讀取 14 個字節(jié)數據: www.baidu.com

7. ftell() 函數

庫函數 ftell() 可用于獲取文件當前的讀寫位置偏移量

#include <stdio.h>// 參數 stream 指向對應的文件，函數調用成功將返回當前讀寫位置偏移量；調用失敗將返回 -1
long ftell(FILE *stream);

7.1 使用 fseek() 和 ftell() 獲取文件大小

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void) {FILE *fp = NULL;int ret;/* 打開文件 */if ((fp = fopen("./testApp.c", "r")) == NULL) {perror("fopen error");exit(-1);}printf("open success\n");/* 將讀寫位置移動到文件末尾 */if (fseek(fp, 0, SEEK_END) < 0>) {perror("fseek error");fclose(fp);exit(-1);}/* 獲取當前位置偏移量，也就得到了 testApp.c 整個文件的大小 */if ((ret = ftell(fp)) < 0) {perror("ftell error");fclose(fp);exit(-1);}   printf("file size: %d\n", ret);/* 關閉文件 */fclose(fp);exit(0);
}

$ gcc ftell.c -o ftell
$ ./ftell 
open success
file size: 13

8. 檢查或復位狀態(tài)

8.1 feof() 函數

庫函數 feof() 用于測試參數 stream 所指文件的 end-of-file 標志

如果 end-of-file 標志被設置了，則調用 feof() 函數將返回一個非零值
如果 end-of-file 標志沒有被設置，則返回 0

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

// 當文件的讀寫位置移動到了文件末尾時，end-of-file 標志將會被設置
if (feof(file)) {/* 到達文件末尾 */
}
else {/* 未到達文件末尾 */
}

8.2 ferror() 函數

庫函數 ferror() 用于測試參數 stream 所指文件的錯誤標志

如果錯誤標志被設置了，則調用 ferror() 函數將返回一個非零值
如果錯誤標志沒有被設置，則返回 0

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

// 當對文件的 I/O 操作發(fā)生錯誤時，錯誤標志將會被設置
if (ferror(file)) {/* 發(fā)生錯誤 */
}
else {/* 未發(fā)生錯誤 */
}

8.3 clearerr() 函數

庫函數 clearerr() 用于清除 end-of-file 標志和錯誤標志
- 當調用 feof() 或 ferror() 校驗這些標志后，通常需要清除這些標志，避免下次校驗時使用到的是上一次設置的值，此時可以手動調用 clearerr() 函數清除標志
- 對于 end-of-file 標志，除使用 clearerr() 顯式清除外，當調用 fseek() 成功時也會清除文件的 end-of-file 標志
```
#include <stdio.h>void clearerr(FILE *stream);
```
示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(void) {FILE *fp = NULL;char buf[20] = {0};/* 打開文件 */if ((fp = fopen("./testApp.c", "r")) == NULL) {perror("fopen error");exit(-1);}printf("文件打開成功!\n");/* 將讀寫位置移動到文件末尾 */if (fseek(fp, 0, SEEK_END) < 0) {perror("fseek error");fclose(fp);exit(-1);}/* 讀文件 */if (fread(buf, 1, 10, fp) < 10) {if (feof(fp))printf("end-of-file 標志被設置, 已到文件末尾!\n");clearerr(fp);  // 清除標志}/* 關閉文件 */fclose(fp);exit(0);
}

9. 格式化 I/O

9.1 格式化輸出

C 庫函數提供了 5 個格式化輸出函數，包括：printf()、fprintf()、dprintf()、sprintf()、snprintf()

#include <stdio.h>int printf(const char *format, ...);int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int dprintf(int fd, const char *format, ...);int sprintf(char *buf, const char *format, ...);
int snprintf(char *buf, size_t size, const char *format, ...);

這 5 個函數都是可變參函數，它們都有一個共同的參數 format，這是一個字符串，稱為格式控制字符串，用于指定后續(xù)的參數如何進行格式轉換，所以才把這些函數稱為格式化輸出
- printf() 函數用于將格式化數據寫入到標準輸出
```
printf("Hello World!\n");
printf("%d\n", 5);
```
- dprintf() 和 fprintf() 函數用于將格式化數據寫入到指定的文件中，兩者不同之處在于，fprintf() 使用 FILE 指針指定對應的文件，而 dprintf()則使用文件描述符 fd 指定對應的文件
```
fprintf(stderr, "Hello World!\n");
fprintf(stderr, "%d\n", 5);dprintf(STDERR_FILENO, "Hello World!\n");
dprintf(STDERR_FILENO, "%d\n", 5);
```
- sprintf()、snprintf() 函數可將格式化的數據存儲在用戶指定的緩沖區(qū) buf 中
```
char buf[100];
sprintf(buf, "Hello World!\n");// 一般會使用這個函數進行格式化轉換，并將轉換后的字符串存放在緩沖區(qū)中
// 如：將數字 100 轉換為字符串 "100"，將轉換后得到的字符串存放在 buf 中
// sprintf() 函數會在字符串尾端自動加上一個字符串終止字符 '\0'
char buf[20] = {0};
sprintf(buf, "%d", 100);
```
sprintf() 函數可能會造成由參數 buf 指定的緩沖區(qū)溢出，因為緩沖區(qū)溢出會造成程序不穩(wěn)定甚至安全隱患，為解決這個問題，引入 snprintf() 函數，在該函數中，使用參數 size 顯式的指定緩沖區(qū)的大小
- 如果寫入到緩沖區(qū)的字節(jié)數大于參數 size 指定的大小，超出的部分將會被丟棄
- 如果緩沖區(qū)空間足夠大，snprintf() 函數就會返回寫入到緩沖區(qū)的字符數

9.2 格式控制字符串 format：輸出

格式控制字符串由兩部分組成：普通字符（非 % 字符）和轉換說明
- 普通字符會進行原樣輸出，每個轉換說明都會對應后續(xù)的一個參數，通常有幾個轉換說明就需要提供幾個參數（除固定參數之外的參數），使之一一對應，用于控制對應的參數如何進行轉換
```
printf("轉換說明 1 轉換說明 2 轉換說明 3", arg1, arg2, arg3);
```

每個轉換說明都是以 % 字符開頭，其格式如下所示（使用 [] 括起來的部分是可選的）

/*flags：標志，用于規(guī)定輸出樣式,可包含 0 個或多個標志width：輸出最小寬度，表示轉換后輸出字符串的最小寬度precision：精度，前面有一個點號 "."length：長度修飾符type：轉換類型，指定待轉換數據的類型
*/
%[flags][width][.precision][length]type

9.2.1 type 類型

type 用于指定輸出數據的類型，type 字段使用一個字符（字母字符）來表示

在這里插入圖片描述

9.2.2 flags 樣式標志

flags 規(guī)定輸出樣式，% 后面可以跟 0 個或多個以下標志

在這里插入圖片描述

9.2.3 width 輸出寬度

最小的輸出寬度，用十進制數來表示輸出的最小位數
- 若實際的輸出位數大于指定的輸出的最小位數，則以實際的位數進行輸出
- 若實際的位數小于指定輸出的最小位數，則可按照指定的 flags 標志補 0 或補空格

9.2.4 precision 精度

精度字段以點號 “.” 開頭，后跟一個十進制正數，可取值如下

在這里插入圖片描述

9.2.5 length 長度修飾符

長度修飾符指明待轉換數據的長度，因為 type 字段指定的的類型只有 int、unsigned int 以及 double 等幾種數據類型，但是 C 語言內置的數據類型不止這幾種，如：16bit 的 short、unsigned short，8bit 的 char、unsigned char，64bit 的 long long 等，為了能夠區(qū)別不同長度的數據類型，于是長度修飾符（length）應運而生

length 長度修飾符也是使用字符（字母字符）來表示，結合 type 字段以確定不同長度的數據類型

printf("%hd\n", 12345);   // 將數據以 short int 類型進行轉換
printf("%ld\n", 12345);   // 將數據以 long int 類型進行轉換
printf("%lld\n", 12345);  // 將數據以 long long int 類型進行轉換

在這里插入圖片描述

9.3 格式化輸入

C 庫函數提供了 3 個格式化輸入函數，包括：scanf()、fscanf()、sscanf()
```
#include <stdio.h>int scanf(const char *format, ...);
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sscanf(const char *str, const char *format, ...);
```
- 這 3 個格式化輸入函數也是可變參函數，它們都有一個共同的參數 format，同樣也稱為格式控制字符串，用于指定輸入數據如何進行格式轉換
- scanf() 函數可將用戶輸入（標準輸入）的數據進行格式化轉換
  - 當程序中調用 scanf() 的時候，終端會被阻塞，等待用戶輸入數據，此時可以通過鍵盤輸入一些字符，如：數字、字母或者其它字符，輸入完成按回車即可
```
int a, b, c;
scanf("%d %d %d", &a, &b, &c);
```
- fscanf() 函數從 FILE 指針指定文件中讀取數據，并將數據進行格式化轉換
  - 標準輸入文件的數據就是用戶輸入的數據，如：通過鍵盤輸入的數據
```
int a, b, c;
fscanf(stdin, "%d %d %d", &a, &b, &c);
```
- sscanf() 函數從參數 str 所指向的字符串中讀取數據，并將數據進行格式化轉換
```
char *str = "5454 hello";
char buf[10];
int a;sscanf(str, "%d %s", &a, buf);
```

9.4 格式控制字符串 format：輸入

format 字符串包含一個或多個轉換說明，每一個轉換說明都是以百分號 “%”，轉換說明格式如下

/*width：最大字符寬度length：長度修飾符，與格式化輸出函數的 format 相同type：指定輸入數據的類型
*/
%[*][width][length]type
%[m][width][length]type

% 后面可選擇性添加星號 * 或字母 m
- 如果添加了星號*，格式化輸入函數會按照轉換說明的指示讀取輸入，但是丟棄輸入，意味著不需要對轉換后的結果進行存儲，所以也就不需要提供相應的指針參數
- 如果添加了 m，它只能與 %s、%c 以及 %[ 一起使用，調用者無需分配相應的緩沖區(qū)來保存格式轉換后的數據，原因在于添加了 m，這些格式化輸入函數內部會自動分配足夠大小的緩沖區(qū)，并將緩沖區(qū)的地址值通過與該格式轉換相對應的指針參數返回出來，該指針參數應該是指向 char* 變量的指針。隨后，當不再需要此緩沖區(qū)時，調用者應調用 free() 函數來釋放此緩沖區(qū)
```
char *buf;scanf("%ms", &buf);
......free(buf);
```

9.4.1 type 類型

此 type 字段與格式化輸出函數中的 format 參數的 type 字段是同樣的意義，用于指定輸入數據的類型

在這里插入圖片描述

9.4.2 width 最大字符寬度

是一個十進制表示的整數，用于指定最大字符寬度，當達到此最大值或發(fā)現不匹配的字符時（以先發(fā)生者為準），字符的讀取將停止。大多數 type 類型會丟棄初始的空白字符，并且這些丟棄的字符不會計入最大字符寬度。對于字符串轉換來說，scanf() 會在字符串末尾自動添加終止符 “\0”，最大字符寬度中不包括此終止符
```
scanf("%4s", buf);  // 匹配字符串，字符串長度不超過 4 個字符
// 用戶輸入 abcdefg，按回車，那么只能將 adcd 作為一個字符串存儲在 buf 數組中
```

9.4.3 length 長度修飾符

與格式化輸出函數的格式控制字符串 format 中的 length 字段意義相同，用于對 type 字段進行修飾，擴展識別更多不同長度的數據類型

scanf("%hd", var);   // 匹配 short int 類型數據
scanf("%hhd", var);  // 匹配 signed char 類型數據
scanf("%ld", var);   // 匹配 long int 類型數據
scanf("%f", var);    // 匹配 float 類型數據
scanf("%lf", var);   // 匹配 double 類型數據
scanf("%Lf", var);   // 匹配 long double 類型數據

在這里插入圖片描述

10. I/O 緩沖

1、首先，應用程序調用標準 I/O 庫函數將用戶數據寫入到 stdio 緩沖區(qū)中，stdio 緩沖區(qū)是由 stdio 庫所維護的用戶空間緩沖區(qū)
2、然后，針對不同的緩沖模式，當滿足條件時，stdio 庫會調用文件 I/O（系統調用 I/O）將 stdio 緩沖區(qū)中緩存的數據寫入到內核緩沖區(qū)中，內核緩沖區(qū)位于內核空間
3、最終，由內核向磁盤設備發(fā)起讀寫操作，將內核緩沖區(qū)中的數據寫入到磁盤（或者從磁盤設備讀取數據到內核緩沖區(qū)）

10.1 文件 I/O 的內核緩沖

read() 和 write() 系統調用在進行文件讀寫操作時并不會直接訪問磁盤設備，而是僅僅在用戶空間緩沖區(qū)和內核緩沖區(qū)之間復制數據。如：調用 write() 函數將 5 個字節(jié)數據從用戶空間內存拷貝到內核空間的緩沖區(qū)中
```
write(fd, "Hello", 5);  // 寫入 5 個字節(jié)數據
```
調用 write() 后僅僅只是將這 5 個字節(jié)數據拷貝到了內核空間的緩沖區(qū)中，拷貝完成之后函數就返回了，在后面的某個時刻，內核會將其緩沖區(qū)中的數據寫入（刷新）到磁盤設備中
- 由此可知，系統調用 write() 與磁盤操作并不是同步的，write() 函數并不會等待數據真正寫入到磁盤之后再返回
- 如果在此期間，其它系統調用如 read() 函數讀取該文件的這幾個字節(jié)數據，那么內核將自動從緩沖區(qū)中讀取這幾個字節(jié)數據返回給應用程序
對于讀文件而言亦是如此，內核會從磁盤設備中讀取文件數據并存儲到內核緩沖區(qū)中，當調用 read() 讀取數據時，read() 調用將從內核緩沖區(qū)中讀取數據，直至把緩沖區(qū)中的數據讀完，這時，內核會將文件的下一段內容讀入到內核緩沖區(qū)中進行緩存，把這個內核緩沖區(qū)就稱為文件 I/O 的內核緩沖

文件 I/O 的內核緩沖區(qū)的設計目的？
- 1. 提高文件 I/O 的速度和效率（使得系統調用 read()、write()的操作更為快速）
  - 不需要等待磁盤操作（將數據寫入到磁盤或從磁盤讀取出數據），磁盤操作通常是比較緩慢的
- 2. 減少內核操作磁盤的次數
  - 如：線程 1 調用 write() 向文件寫入 “abcd”，線程 2 也調用 write() 向文件寫入 “1234”，這樣，數據 “abcd” 和 “1234” 都被緩存在內核緩沖區(qū)中，稍后內核會將它們一起寫入磁盤中，只發(fā)起一次磁盤操作請求
文件 I/O 的內核緩沖區(qū)自然是越大越好，內核會分配盡可能多的內核來作為文件 I/O 的內核緩沖區(qū)，但受限于物理內存的總量，操作越大的文件也要依賴于更大空間的內核緩沖區(qū)

10.2 刷新文件 I/O 的內核緩沖區(qū)

強制將文件 I/O 內核緩沖區(qū)中緩存的數據寫入（刷新）到磁盤設備中，對于某些應用程序來說是很有必要的
- 例如，應用程序在進行某操作之前，必須要確保前面步驟調用 write() 寫入到文件的數據已經真正寫入到了磁盤中，諸如一些數據庫的日志進程
- 在 Ubuntu 系統下拷貝文件到 U 盤時：文件拷貝完成之后，通常在拔掉 U 盤之前，需要執(zhí)行 sync 命令進行同步操作，這個同步操作其實就是將文件 I/O 內核緩沖區(qū)中的數據更新到 U 盤硬件設備，所以如果在沒有執(zhí)行 sync 命令時拔掉 U 盤，很可能就會導致拷貝到 U 盤中的文件遭到破壞

10.2.1 控制文件 I/O 內核緩沖的系統調用

fsync() 函數

系統調用 fsync() 將參數 fd 所指文件的內容數據和元數據寫入磁盤，只有在對磁盤設備的寫入操作完成之后，fsync() 函數才會返回
元數據并不是文件內容本身的數據，而是一些用于記錄文件屬性相關的數據信息，如：文件大小、時間戳、權限等等信息，這里統稱為文件的元數據，這些信息也是存儲在磁盤設備中的

#include <unistd.h>int fsync(int fd);

示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>#define BUF_SIZE 4096
#define READ_FILE "./rfile"
#define WRITE_FILE "./wfile"static char buf[BUF_SIZE];int main(void) {int rfd, wfd;size_t size;/* 打開源文件 */rfd = open(READ_FILE, O_RDONLY);if (rfd < 0) {perror("open error");exit(-1);}/* 打開目標文件 */wfd = open(WRITE_FILE, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0664);if (wfd < 0) {perror("open error");exit(-1);}/* 拷貝數據 */while((size = read(rfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)write(wfd, buf, size);/* 對目標文件執(zhí)行 fsync 同步 */fsync(wfd);/* 關閉文件退出程序 */close(rfd);close(wfd);exit(0);
}

fdatasync() 函數
- 系統調用 fdatasync()與 fsync()類似，不同之處在于 fdatasync() 僅將參數 fd 所指文件的內容數據寫入磁盤，并不包括文件的元數據
```
#include <unistd.h>int fdatasync(int fd);
```
sync() 函數
- 系統調用 sync() 會將所有文件 I/O 內核緩沖區(qū)中的文件內容數據和元數據全部更新到磁盤設備中，該函數沒有參數、也無返回值，意味著它不是對某一個指定的文件進行數據更新，而是刷新所有文件 I/O 內核緩沖區(qū)
```
#include <unistd.h>void sync(void);
```

10.2.2 控制文件 I/O 內核緩沖的標志

O_DSYNC 標志
- 在調用 open() 函數時，指定 O_SYNC 標志，使得每個 write() 調用都會自動將文件內容數據和元數據刷新到磁盤設備中，其效果類似于在每個 write() 調用之后調用 fsync() 函數進行數據同步
```
fd = open(filepath, O_WRONLY | O_SYNC);
```

在程序中頻繁調用 fsync()、fdatasync()、sync()（或者調用 open 時指定 O_DSYNC 或 O_SYNC 標志）對性能的影響極大，大部分的應用程序是沒有這種需求的

10.3 直接 I/O：繞過內核緩沖

Linux 允許應用程序在執(zhí)行文件 I/O 操作時繞過內核緩沖區(qū)，從用戶空間直接將數據傳遞到文件或磁盤設備，把這種操作也稱為直接 I/O（direct I/O）或裸 I/O（raw I/O）
- 例如，某應用程序的作用是測試磁盤設備的讀寫速率，那么在這種應用需要下，就需要保證 read/write 操作是直接訪問磁盤設備，而不經過內核緩沖
- 對于大多數應用程序而言，使用直接 I/O 可能會大大降低性能
  - 直接 I/O 只在一些特定的需求場合，如：磁盤速率測試工具、數據庫系統等
- 可針對某一文件或塊設備執(zhí)行直接 I/O，需要在調用 open() 函數打開文件時指定 O_DIRECT 標志
```
fd = open(filepath, O_WRONLY | O_DIRECT);
```
因為直接 I/O 涉及到對磁盤設備的直接訪問，所以在執(zhí)行直接 I/O 時，必須要遵守三個對齊限制要求
- 應用程序中用于存放數據的緩沖區(qū)，其內存起始地址必須以塊大小的整數倍進行對齊
- 寫文件時，文件的位置偏移量必須是塊大小的整數倍
- 寫入到文件的數據大小必須是塊大小的整數倍
以上所說的塊大小指的是磁盤設備的物理塊大小，常見的塊大小包括 512 字節(jié)、1024 字節(jié)、2048 以及 4096 字節(jié)，如何確定磁盤分區(qū)的塊大小？通常，Ubuntu 系統的根文件系統掛載在 /dev/sda1 磁盤分區(qū)下
```
$ sudo tune2fs -l /dev/sda1 | grep "Block size"
Block size:               4096
```

10.4 stdio 緩沖

標準 I/O 是 C 語言標準庫函數，而文件 I/O 是系統調用，雖然標準 I/O 是在文件 I/O 基礎上進行封裝而實現，但在效率、性能上，標準 I/O 要優(yōu)于文件 I/O，原因在于標準 I/O 維護了自己的緩沖區(qū)，稱為 stdio 緩沖區(qū)
- 文件 I/O 內核緩沖，這是由內核維護的緩沖區(qū)，而標準 I/O 所維護的 stdio 緩沖是用戶空間緩沖區(qū)
- 當應用程序中通過標準 I/O 操作磁盤文件時，標準 I/O 函數會將用戶寫入或讀取文件的數據緩存在 stdio 緩沖區(qū)，然后再一次性將 stdio 緩沖區(qū)中緩存的數據通過調用系統調用 I/O（文件 I/O）寫入到文件 I/O 內核緩沖區(qū)或拷貝到應用程序的 buf 中

10.4.1 對 stdio 緩沖進行設置

1. setvbuf() 函數

調用 setvbuf() 庫函數可以對文件的 stdio 緩沖區(qū)進行設置，如：緩沖區(qū)的緩沖模式、緩沖區(qū)的大小、起始地址等
```
#include <stdio.h>int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);
```
stream
- FILE 指針，用于指定對應的文件，每一個文件都可以設置它對應的 stdio 緩沖區(qū)
buf
- 如果參數 buf 不為 NULL，那么 buf 指向 size 大小的內存區(qū)域將作為該文件的 stdio 緩沖區(qū)，因為 stdio 庫會使用 buf 指向的緩沖區(qū)，所以應該以動態(tài)（分配在堆內存，如 malloc）或靜態(tài)的方式在堆中為該緩沖區(qū)分配一塊空間，而不是分配在棧上的函數內的自動變量（局部變量）
- 如果 buf 等于 NULL，那么 stdio 庫會自動分配一塊空間作為該文件的 stdio 緩沖區(qū)（除非參數 mode 配置為非緩沖模式）
mode：用于指定緩沖區(qū)的緩沖類型
- _IONBF：不對 I/O 進行緩沖（無緩沖）。意味著每個標準 I/O 函數將立即調用 write() 或者 read()，并且忽略 buf 和 size 參數，可以分別指定兩個參數為 NULL 和 0。標準錯誤 stderr 默認屬于這一種類型，從而保證錯誤信息能夠立即輸出
- _IOLBF：采用行緩沖 I/O。這種情況下，當在輸入或輸出中遇到換行符 “\n” 時，標準 I/O 才會執(zhí)行文件 I/O 操作
  - 對于輸出流，在輸出一個換行符前將數據緩存（除非緩沖區(qū)已經被填滿），當輸出換行符時，再將這一行數據通過文件 I/O write() 函數刷入到內核緩沖區(qū)中
  - 對于輸入流，每次讀取一行數據。對于終端設備默認采用的就是行緩沖模式，譬如標準輸入和標準輸出
- _IOFBF：采用全緩沖 I/O。這種情況下，在填滿 stdio 緩沖區(qū)后才進行文件 I/O 操作（read、write）
  - 對于輸出流，當 fwrite 寫入文件的數據填滿緩沖區(qū)時，才調用 write() 將 stdio 緩沖區(qū)中數據刷入內核緩沖區(qū)
  - 對于輸入流，每次讀取 stdio 緩沖區(qū)大小個字節(jié)數據。默認普通磁盤上的常規(guī)文件常用這種緩沖模式
size：指定緩沖區(qū)的大小
返回值：成功返回 0，失敗將返回一個非 0 值，并設置 errno 指示錯誤原因

當 stdio 緩沖區(qū)中的數據被刷入到內核緩沖區(qū)或被讀取之后，這些數據就不會存在于緩沖區(qū)中了，數據被刷入了內核緩沖區(qū)或被讀走了

2. setbuf() 函數

setbuf() 函數構建于 setvbuf() 之上，執(zhí)行類似的任務
```
#include <stdio.h>void setbuf(FILE *stream, char *buf);
```

setbuf() 調用除了不返回函數結果（void）外，就相當于

// 要么將 buf 設置為 NULL 以表示無緩沖
// 要么指向由調用者分配的 BUFSIZ 個字節(jié)大小的緩沖區(qū)（BUFSIZ 定義于頭文件 <stdio.h> 中，該值通常為 8192）
setvbuf(stream, buf, buf ? _IOFBF : _IONBF, BUFSIZ);

3. setbuffer() 函數

setbuffer() 函數類似于 setbuf()，但允許調用者指定 buf 緩沖區(qū)的大小
```
#include <stdio.h>void setbuffer(FILE *stream, char *buf, size_t size);
```
setbuffer() 調用除了不返回函數結果（void）外，就相當于
```
setvbuf(stream, buf, buf ? _IOFBF : _IONBF, size);
```

10.4.2 標準輸出 printf() 的行緩沖模式測試

標準 printf() 輸出測試

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void) {printf("Hello World!\n");printf("Hello World!");for ( ; ; )sleep(1);
}

$ gcc io2.c -o io2
$ ./io2
Hello World!  # 只有第一個 printf() 打印的信息顯示出來了，第二個并沒有顯示出來

這就是 stdio 緩沖的問題，標準輸出默認采用的是行緩沖模式，printf() 輸出的字符串寫入到了標準輸出的 stdio 緩沖區(qū)中，只有輸出換行符時（不考慮緩沖區(qū)填滿的情況）才會將這一行數據刷入到內核緩沖區(qū)，也就是寫入標準輸出文件（終端設備）

第一個 printf 包含了換行符，所以已經刷入了內核緩沖區(qū)
第二個 printf 沒有包含換行符，所以輸出的 “Hello World!” 還緩存在 stdio 緩沖區(qū)中，需要等待一個換行符才可輸出到終端

將標準輸出配置為無緩沖模式

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void) {/* 將標準輸出設置為無緩沖模式 */if (setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0)) {perror("setvbuf error");exit(0);}printf("Hello World!\n");printf("Hello World!");for ( ; ; )sleep(1);
}

$ gcc io3.c -o io3
$ ./io3
Hello World!
Hello World!

10.4.3 刷新 stdio 緩沖區(qū)

無論采取何種緩沖模式，在任何時候都可以使用庫函數 fflush() 來強制刷新（將輸出到 stdio 緩沖區(qū)中的數據寫入到內核緩沖區(qū)）stdio 緩沖區(qū)，該函數會刷新指定文件的 stdio 輸出緩沖區(qū)
```
#include <stdio.h>// 參數 stream 指定需要進行強制刷新的文件，如果該參數設置為 NULL，則表示刷新所有的 stdio 緩沖區(qū)
int fflush(FILE *stream);
```

使用 fflush() 刷新 stdio 緩沖區(qū)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void) {printf("Hello World!\n");printf("Hello World!");fflush(stdout);  // 刷新標準輸出 stdio 緩沖區(qū)for ( ; ; )sleep(1);
}

$ gcc io4.c -o io4
$ ./io4
Hello World!
Hello World!

使用庫函數 fflush() 是一種強制刷新的手段，在一些其它的情況下，也會自動刷新 stdio 緩沖區(qū)
- 關閉文件時系統自動刷新 stdio 緩沖區(qū)
```
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void) {printf("Hello World!\n");printf("Hello World!");fclose(stdout);  // 關閉標準輸出for ( ; ; )sleep(1);
}
```
上面的測試程序中，在最后都使用了一個 for 死循環(huán)，讓程序處于休眠狀態(tài)無法退出，為什么要這樣做呢？原因在于程序退出時也會自動刷新 stdio 緩沖區(qū)，這樣的話就會影響到測試結果，下面去掉 for 死循環(huán)，讓程序結束
- 程序退出時系統自動刷新 stdio 緩沖區(qū)
```
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void) {printf("Hello World!\n");printf("Hello World!");
}
```
```
$ gcc io5.c -o io5
$ ./io5
Hello World!
Hello World! $
```

如果使用 exit()、return 或像上述示例代碼一樣不顯式調用相關函數或執(zhí)行 return 語句來結束程序，這些情況下程序終止時會自動刷新 stdio 緩沖區(qū)，但是如果使用 _exit 或 _Exit() 終止程序則不會自動刷新 stdio 緩沖區(qū)

11. 文件描述符與 FILE 指針互轉

在同一個文件上執(zhí)行 I/O 操作時，可以將文件 I/O（系統調用 I/O）與標準 I/O 混合使用，這個時候就需要將文件描述符和 FILE 指針對象之間進行轉換，此時可以借助于庫函數 fdopen()、fileno() 來完成
- 庫函數 fileno() 可以將標準 I/O 中使用的 FILE 指針轉換為文件 I/O 中所使用的文件描述符
- 而 fdopen() 則進行著相反的操作
```
#include <stdio.h>int fileno(FILE *stream);
FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
```
對于 fileno() 函數來說
- 根據傳入的 FILE 指針得到整數文件描述符，通過返回值得到文件描述符
- 如果轉換錯誤將返回 -1，并且會設置 errno 來指示錯誤原因
- 得到文件描述符之后，便可以使用諸如 read()、write()、lseek()、fcntl()等文件 I/O 方式操作文件
fdopen() 函數與 fileno() 功能相反
- 給定一個文件描述符，得到該文件對應的 FILE 指針
- 之后便可以使用諸如 fread()、fwrite() 等標準 I/O 方式操作文件了

當混合使用文件 I/O 和標準 I/O 時，需要特別注意緩沖的問題

文件 I/O 會直接將數據寫入到內核緩沖區(qū)進行高速緩存
標準 I/O 則會將數據寫入到 stdio 緩沖區(qū)，之后再調用 write() 將 stdio 緩沖區(qū)中的數據寫入到內核緩沖區(qū)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void) {printf("print");  // 缺換行符 "\n"write(STDOUT_FILENO, "write\n", 6);exit(0);
}

$ gcc test.c -o test
$ ./test 
write   # 先輸出了 "write" 字符串信息，接著再輸出了 "print" 字符串信息
print $

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1. 標準 I/O 庫簡介

2. FILE 指針

3. 標準輸入、標準輸出和標準錯誤

4. 打開文件 fopen()、關閉文件 fclose()

5. 讀文件和寫文件

5.1 使用 fwrite() 將數據寫入到文件中

5.2 使用 fread() 從文件中讀取數據

6. fseek 定位

6.1 使用 fseek() 調整文件讀寫位置

7. ftell() 函數

7.1 使用 fseek() 和 ftell() 獲取文件大小

8. 檢查或復位狀態(tài)

8.1 feof() 函數

8.2 ferror() 函數

8.3 clearerr() 函數

9. 格式化 I/O

9.1 格式化輸出

9.2 格式控制字符串 format：輸出

9.2.1 type 類型

9.2.2 flags 樣式標志

9.2.3 width 輸出寬度

9.2.4 precision 精度

9.2.5 length 長度修飾符

9.3 格式化輸入

9.4 格式控制字符串 format：輸入

9.4.1 type 類型

9.4.2 width 最大字符寬度

9.4.3 length 長度修飾符

10. I/O 緩沖

10.1 文件 I/O 的內核緩沖

10.2 刷新文件 I/O 的內核緩沖區(qū)

10.2.1 控制文件 I/O 內核緩沖的系統調用

10.2.2 控制文件 I/O 內核緩沖的標志

10.3 直接 I/O：繞過內核緩沖

10.4 stdio 緩沖

10.4.1 對 stdio 緩沖進行設置

1. setvbuf() 函數

2. setbuf() 函數

3. setbuffer() 函數

10.4.2 標準輸出 printf() 的行緩沖模式測試

10.4.3 刷新 stdio 緩沖區(qū)

11. 文件描述符與 FILE 指針互轉

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3. 標準輸入、標準輸出和標準錯誤