第五章标准I/O库-平芜编程栈

1.流和FILE对象

对于标准I/O库，他们的操作是围绕流进行的。
当用标准IO库打开或创建一个文件时，我们已使一个流与一个文件相关联
与标准I/O不同,非标准I/O不使用文件流来读取和写入文件,而是直接操作文件的文件描述符(file descriptor) 。
非标准I/O通常提供以下函数或接口进行文件操作:
·open: 用于打开文件,返回文件描述符。
·read:从文件中读取数据。
·write: 将数据写入文件。
·lseek:设置文件的读写位置。
·close: 关闭文件。

标准IO vs. 文件IO（系统调用）

特性	标准IO	文件IO（系统调用）
接口级别	高级，封装了系统调用	低级，直接调用内核
操作对象	`FILE *`（流指针）	文件描述符（整数，如`0, 1, 2, 3...`）
缓冲	自动管理，有三种模式	无缓冲，或需要用户自己管理缓冲区
可移植性	高，符合C标准	低，不同Unix系统可能有细微差别
性能	通常更高，因为缓冲减少了系统调用次数	每次调用都是系统调用，上下文切换开销大
控制力	相对较弱，抽象程度高	极强，可以直接控制设备等

2.缓冲

(1)标准I/O库提供缓冲的目的是尽可能减少使用read和write调用的次数

04-Linux系统编程-第01天（文件IO、阻塞非阻塞） - hh9515 - 博客园

Linux系统编程 42 -系统调用和库函数的比较--预读入缓输出-CSDN博客

read、 write 函数常常被称为 Unbuffered I/O。指的是无用户级缓冲区。但不保证不使用内核缓冲区。

(2)标准IO提供了三种类型的缓冲

标准I/O缓冲区通常位于运行内存（RAM）中。C标准库使用内存来分配和管理缓冲区。
具体来说，当你打开一个文件流（通过fopen 函数）时，C标准库会为该文件流分配一个缓冲区，并将该缓冲区与文件流相关联。这个缓冲区通常是使用操作系统提供的内存管理函数（如mallo）来动态分配的。操作系统提供了内存分配和释放的机制，C标准库则利用这些机制来为文件流分配所需的内存空间。
文件流的缓冲区大小可以通过函数setvbuf来设置，你可以指定缓冲区的大小或选择使用标准库提供的默认大小。
虽然标准I/O缓冲区位于运行内存中，但它在实际应用中并不直接与物理文件进行读写。相反，标准库将缓冲区作为中间存储区域，当缓冲区被填满或满足一定条件时，数据将从缓冲区复制到操作系统的文件缓存区中，最终才会写入到物理文件中。

(3)标准IO提供了三种类型的缓冲

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。全缓冲的典型代表是对磁盘文件的读写。
行缓冲:当在输入和输出中遇到换行符时，执行真正的I/O操作。这时，我们输入的字符先存放在缓冲区，等按下回车键换行时才进行实际的I/O操作。典型代表是键盘输入数据。
不带缓冲:也就是不进行缓冲，标准出错情况stderr是典型代表，这使得出错信息可以直接尽快地显示出来。

3.打开流

fopen：FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
fdopen：用于将一个已存在的文件描述符（file descriptor）转换为一个对应的文件流（FILE *）。

4.读和写流

（1）每次读一个字符的IO：getc 或 fgetc

如果流是带缓冲的，可以使用 getc 或 fgetc 函数进行每次一个字符的 I/O 操作。带缓冲的流意味着数据会先被读取到缓冲区，然后一次性操作缓冲区中的数据，可以提高 I/O 的效率。

如果没有禁用流缓冲，默认会使用缓冲区的数据，每次调用 fgetc 都会从缓冲区中获取一个字符。
当缓冲区被耗尽时，会自动从文件中读取更多的数据进行填充。
当缓冲区被耗尽时，文件流会自动从文件中读取更多的数据来填充缓冲区。这样可以避免每次都直接与文件进行 I/O 操作，以提高 I/O 的效率。
默认情况下，标准I/O库会负责管理文件流的缓冲区，确保适当的数据量被从文件中读取到缓冲区中。当程序使用 fgetc 函数等来读取数据时，如果缓冲区中的数据已经被耗尽，标准I/O库会自动将更多数据从文件中读取到缓冲区。
#include <stdio.h> int main() { FILE *file = fopen("example.txt", "r"); if (file == NULL) { perror("文件打开失败"); return -1; } int ch; // 使用 fgetc 逐个字符读取 while ((ch = fgetc(file)) != EOF) { putchar(ch); } fclose(file); return 0; }

（2）每次一行IO：fgets

fgets 函数会从文件流 stream 中读取字符，直到达到指定的最大长度 n-1 或者读取到换行符为止（包括换行符），然后将读取的字符串存储到 buffer 中，并在末尾添加 null 字符来表示字符串的结束。

6.二进制IO

fread：用于从文件读取二进制数据
fread：用于从文件读取二进制数据

如何使用二进制 I/O 进行文件读取和写入：

#include <stdio.h> #include <string.h> typedef struct { int id; char name[50]; float score; } Student; // 写入结构体数组到文件 int write_students_to_file(const char *filename) { Student students[] = { {1, "张三", 85.5}, {2, "李四", 92.0}, {3, "王五", 78.5} }; FILE *file = fopen(filename, "wb"); if (!file) { perror("文件打开失败"); return -1; } // 写入整个数组 size_t written = fwrite(students, sizeof(Student), 3, file); printf("成功写入 %zu 个结构体\n", written); fclose(file); return 0; } // 从文件读取结构体数组 int read_students_from_file(const char *filename) { FILE *file = fopen(filename, "rb"); if (!file) { perror("文件打开失败"); return -1; } Student students[3]; size_t read = fread(students, sizeof(Student), 3, file); printf("成功读取 %zu 个结构体\n", read); for (int i = 0; i < read; i++) { printf("学生 %d: ID=%d, 姓名=%s, 分数=%.1f\n", i+1, students[i].id, students[i].name, students[i].score); } fclose(file); return 0; }

二进制 vs 文本 I/O 对比

特性	二进制 I/O	文本 I/O
数据表示	原始字节	字符编码
换行符处理	不转换	系统相关转换
适用场景	结构体、图片、音频等	文本文件
文件大小	精确控制	可能因编码而变化
可读性	不可直接阅读	可直接阅读