C语言之输入输出

标准库 IO

输入输出功能并非C语言的组成部分，ANSI标准定义了相关的库函数

输入输出 <stdio.h>

流stream是与设备关联的数据的源或者目的地。

• 文本流：由文本行组成的序列
  
  不同系统的特性可能不一样，比如行最大长度和行结束符
• 二进制流：未经处理的字节序列

程序运行时，默认打开 stdin, stdout, stderr

标准 IO 常量

• EOF：文件尾，实际值是几个字符避免混淆
• FOPEN_MAX：一个程序同时最多能够打开的文件数量，与编译器有关，值至少为 8
• FILENAM_MAX：编译器支持的最长文件名

文件流操作

文件指针指向包含文件信息的结构，包括缓冲区，读写状态等

打开与关闭

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);                    // 打开文件流
/*
mode:
* r, 打开读
* w, 打开或创建写，删除原有内容
* a, 打开或者创建，文件尾追加
* +, 更新，读或写，交叉操作前需要执行fflush或者定位操作
  * r+, 打开文件更新（读和写）
  * w+, 创建文件更新，删除原有内容
  * a+, 打开或创建文件，文件尾更新
* b, 二进制流模式

应始终检查返回值
*/

FILE *freopen(const char *filename, const char *mode, FILE *stream);    // 先关闭再打开文件流

FILE *fdopen(int fd, const char *type);   // POSIX标准，常用于由创建管道和网络通信通道函数返回的描述符，不能直接用 fopen 打开
// type 参数: r, w, a, (+)
// 注意读写模式下读写操作之间需要进行调用定位函数

int fclose(FILE *stream);                                               // 刷新输出缓冲，释放系统缓冲区，关闭流

int fileno(FILE *fp);   // POSIX 标准

流的定向

标准IO可用于单字节和多字节字符集，具体由流的定向决定。

• freopen函数清除一个流的定向
• fwide函数设置流的定向、

#include <stdio.h>
#include <wchar.h>

int fiwde(FILE *fp, int mode);
/*
mode<0, 试图设置为单字节
mode>0，试图设置为多字节
mode=0，不设置定向，返回流的定向

不会改变已经设置的流定向
*/

文件操纵函数

重命名

int remove(FILE *stream);                               // 删除文件

int rename(const char *oldname, const char *newname); // 重命名文件

临时文件

FILE *tmpfile(void);     // 以`wb+`模式创建临时文件，在关闭或者程序结束时自动删除
// 实现上tmpnam，创建文件，unlink(不会删除内容)，文件的关闭会在程序结束中自动进行

char *tmpnam(char s[L_tmpnam]); // 创建不同现有文件名的字符串，NULL返回指向静态数组的指针

// UNIX 优势是不存在时间间隙，避免其他进程创建同名文件
char *mkdtemp(char *temple);  // 创建目录
int mkstmp(char *temple);     // 创建文件，不会自动删除

缓冲操作

标准IO提供缓冲的目的是尽可能减少read/write的调用次数

• 全缓冲：缓冲区满了才进行实际IO操作

• 行缓冲：遇到换行符才进行IO操作

  • 行缓冲的长度是固定的，行缓冲满了即使没有换行符也会进行IO操作
  • 标准IO要求从不带缓冲或者行缓冲（需要从内核请求数据）获取数据，会立即刷新所有行缓冲的输出流

• 不带缓冲

ISO C标准

• 当且仅当标准输入和标准输出不指向交互式设备才是全缓冲的
• 标准错误不会是全缓冲的

默认情况

• 标准错误不带缓冲
• 若是指向终端设备的流，则是行缓冲的，否则是全缓冲的

更换缓冲的类型：流被打开之后，且在执行任何操作之前

int fflush(FILE *stream);                                               // 刷新缓冲区
/*
- 对于输出流，刷新写入缓冲区的内容至目标文件
- 对于输入流，其结果是未定义的
- NULL，刷新所有的缓冲区

实际使用技巧：每个调试 printf 之后立马调用 fflush
*/

int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);            // 必须在执行读写操作之前设置缓冲
/*
mode:
- _IOFBF 完全缓冲
- _IOLBF 行缓冲
- _IONBF 不设置缓冲
*/

void setbuf(FILE *stream, char *buf);     // char buf[BUFSIZ]
/*
- buff为 NULL, 关闭缓冲
- 否则，等价于 `_IOFBF`

// 注意：buf 不要使用自动变量类型，尽量使用系统缓冲区或者动态分配内存
*/

​#TODO#​查看流缓冲状态 《UNIX高级环境编程》

读写流操作

字符 IO

​#TODO#​输入输出函数家族 《C和指针》P301

int fgetc(FILE *stream);  // unsigned char 转 int, 兼容EOF
int getc(FILE *stream);   // 等价于 fgetc，注意实现为宏
int getchar(void);        // 等价于 getc(stdin)

int fputc(int c, FILE *stream);
int putc(int c, FILE *stream);  // 等价于 fputc, 注意实现为宏
int putchar(int c);             // 等价于 fputc(stdout)

// 只有fgetc和fputc是函数，其他都是宏

int ungetc(int c, FILE *stream);  // 将字符退回流中，依赖于当前位置
// 不同于写操作，仅涉及流本身而无关设备存储

未格式化的行IO

char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);  // 自动包含换行符，\n 换为 \0，最多n-1
char *gets(char *s);                        // 不自动包含换行符。没有缓冲区长度参数，可能导致越界；不推荐使用，已废弃

int fputs(const char *s, FILE *stream);     // 不自动包含换行符\n，逐字符输入任意个数换行符
int puts(const char *s);                    // 自动添加换行符\n

ssize_t getline(char **lineptr, size_t *n, FILE *stream);
// 根据输入动态分配内存，无需预先确定输入字符串的最大长度
// 在存储的字符串中将换行符替换为字符串结束符'\0'

格式化 IO

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int printf(const char *format, ...);                  // 等价于 `fprintf(stdout, fotmat, ...)`
int sprintf(char *s, const char *format, ...);        // 包含结束符 NUL，无长度参数，可能越界溢出
int snprintf(char *buf, szie_t n, const char *format, ...); // 超出部分截断，出错返回负值

int fdprintf(int fd, const char *format, ...);

// 变长参数列表变体
int vprintf(const char *format, va_list arg);
int vfprintf(FILE *stream, const char *format, va_list arg);
int vsprintf(char *s, const char *format, va_list arg);

转换格式：

• 普通字符：复制到输出流

• 转换说明：控制参数的格式转换

  • 开头 %

  • 标志[可选]

    • ​-​左对齐，缺省为右对齐
    • ​+​显示正负号
    • 空格 有符号值转换
    • 0​ 宽度不足时填充 0
    • ​#​指定另一种输出形式

  • 宽度数值[可选]：指定最小字段宽度

  • 精度数值[可选]：点号开始，后接十进制数值

  • 长度修饰符[可选]：指定参数的长度

    • h 按照short/unsigned short 输出
    • l 按照long/unsigned long 输出
    • L 按照long double 输出

  • 结尾: 转换字符, d, c, s, f, x等

int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
int scanf(const char *format, ...);
int sscanf(const char *s, char *format, ...);

int fdscanf(int fd, const char *format,...);

// 变长参数列表变体 ...

• 参数必须是指针
• 到文件尾或者出错返回EOF，否则返回实际输入的字符数

转换格式

• 空格或者制表符

• 普通字符：匹配下一个输入

• 转换说明

  • 开始标志%​[可选]
  • 赋值屏蔽符号*​[可选]
  • 最大字段宽度数值[可选]
  • 限定符 h\l\L​，指定参数的长度[可选]
  • 结束标志：转换字符 d,f,c, s, x等等

​#TODO#​4种使用场景P309

二进制 IO

直接IO/二进制IO，通常一次处理一个结构，能够处理null字节和换行符。

注意事项：只能用于同一系统，不同系统的偏移对齐以及存储格式可能不同。因此网络通信需要指定规范。

size_t fread(void *buffer, size_t size, size_t nobj, FILE *stream);

size_t fwrite(const void *buffer, size_t size, size_t nobj, FILE *stream);

/* 返回值是实际读写的元素的个数而非字节数
fread：少于nobj, 出错或者EOF，需要进一步分辨
fwrite：少于nobj，错误
*/

内存流

无关文件，直接在缓冲区和主存之间进行字节IO。非常适用于字符串。

Linux支持。

FILE *fmemopen(void *buf, size_t size, const char *type); // buf=null, 读写无意义；对于null字节的处理十分特殊

FILE *open_memstream(char **bufp, size_t sizep);   // 面向字节的流

FILE *open_wmemstream(wchar_t **bufp, size_t *sizep);  // 面向宽字节的流

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文件定位函数

• 二进制文件：使用字节偏移量，不一定支持 SEEK_END
• 文本文件：格式不同不能使用字节，orgin=SEEK_SET, offset=0/ftell

int fseek(FILE *stream, long offset, int origin);
/*
- 二进制文件
  - origin
    - `SEEK_SET` 文件开始处
    - `SEEK_CUR` 当前位置
    - `SEEK_END` 文件结束处，可能不支持
- 文本文件
  - `SEEK_SET`；offset是 0 或者 `ftell`返回值
  - `SEEK_CUR`/`SEEK_END`：offset只能是 0

注意事项
- 行末指示符将被清除
- 退回的字符将被丢弃
- 更新模式中的读写操作切换
*/

long ftell(FILE *stream);

void rewind(FILE *stream);    // 重置为起始位置
//等价于 `fseek(stream, 0L, SEEK_SET); clearerr(stream);`

// off_t, 大于32位 UNIX 标准
off_t ftello(FILE *fp);
int seeko(FILE *fp, off_t offset, int origin);

// fpos_t ISO C标准，更加通用
int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *ptr);

int fsetpos(FILE *stream, const fpos_t *ptr);

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错误处理函数

发生错误或者到达文件尾时会设置状态指示符

整型表达式 errno 包含错误编号，定义在 <errno.h>

• 只有库函数失败时才会设置 errno, 成功执行并不会修改 errno
• 任何函数都不会将常量置为0

/* ----- 流错误 -----*/
int feof(FILE *stream);     // 流设置了文件结束指示符，返回非0值

int ferror(FILE *stream);   // 流设置了错误指示符，返回非0值

int clearerr(FILE *stream); // 清除流的所有指示符

#include <string.h>
char *strerror(int crrno);  // 映射错误信息

#include  <stdio.h>
int perror(const char *s);  // 打印字符串和 errno 错误信息
// 类似于 fprintf(stderr, "%s: %s\n", s, "error essage");

标准IO的替代

标准IO 的效率不高，调用行IO需要进行两次数据的复制

• 快速IO fio: 使用指针而不是复制整行
• sfio: 提高速度，同时推广IO流
• mmap

适用于嵌入式系统的更低内存要求的实现

• uClibc C库
• Newlib C库

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参考

• 《C程序设计语言》
• 《UNIX 环境高级编程》