Linux-C语言标准输入输出

　　标准 I/O 库（stdio）及其头文件 stdio.h 为底层 I/O 系统调用提供了一个通用的接口。这个库现在已经成为 ANSI 标准 C 的一部分。标准 I/O 库提供了许多复杂的函数用于格式化输出和扫描输入。在很多方面，你使用的标准 I/O 库的方式和使用底层文件描述符一样，需要先打开一个文件以建立一个访问路径，这个操作的返回值将作为其他 I/O 库函数的参数。在标准 I/O 库中，与底层文件描述符对应的是流（stream，需要注意的是这个流与 C++ 中的输入输出流不一样），它被实现为指向结构 FILE 的指针（文件指针）。

　　在启动程序时，有 3 个文件流是自动打开的，它们是 stdin、stdout 和 stderr，在 stdio.h 中定义，分别代表着标准输入、标准输出和标准错误输出，与底层文件描述符 0、1、2 相对应。可用的文件流数量与文件描述符一样，都是有限制的，实际的限制由头文件 stdio.h 中定义的 FOPEN_MAX 来定义，它的值至少为 8，在 Linux 系统中，通常是 16。

一、fopen 函数

　　用于文件和终端的输入输出,，类似于系统调用 open。调用 fopen 函数成功时，返回一个非空的 FILE * 指针，调用失败时，返回 NULL。函数原型如下：

#include <stdio.h>

FILE *fopen(const char *filename,const char *mode);

　　关于 FILE 结构，有：

typedef struct _iobuf{
    int   cnt;      // 剩余字符数
    char  *ptr;     // 下一个字符的位置
    char  *base;    // 缓冲区的位置
    int   flag;     // 文件访问模式
    int   fd;       // 文件描述符
}FILE;

　　fopen 打开由 filename 参数指定的文件，并把它与一个文件流（即 fopen 函数的返回值，一个指向 FILE 的指针）关联起来。mode 参数指定文件打开的方式，可以取以下的一些值：

字符串	说明
"r" 、"rb"	以只读方式打开文件
"w" 、"wb"	以写方式打开文件，并把文件长度截短为零
"a" 、"ab"	以写方式打开文件，新内容追加在文件尾
"r+" 、"rb+" 、"r+b"	以更新方式打开文件（读和写）
"w+" 、"wb+" 、"w+b"	以更新方式打开文件，并把文件长度截短为零
"a+" 、"ab+" 、"a+b"	以更新方式打开文件，新内容追加在文件尾

　　其中，字母 b 表示文件是一个二进制文件而不是文本文件。另外，需要注意的是，mode 参数是一个字符串而不是一个字符，因此总是需要使用双引号 " " 括起来。

二、fread 函数

　　fread 函数用于从一个文件流里读取数据。调用 fread 成功时，返回成功读到缓冲区里的记录个数（不是字节数）。函数原型如下：

#include <stdio.h>

size_t fread(void *ptr,size_t size,size_t nitems,FILE *stream);

　　数据从文件流 stream 读到由 ptr 指向的数据缓冲区里，size 参数指定每个数据记录的长度，计数器 nitems 给出要传输的记录个数。举个例子：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
        int buffer[];
        int i;
        int counter;
        counter = fread(buffer,,,stdin);
        printf("读取到缓冲区的记录个数为：%d\n",counter);
        fwrite(buffer,sizeof(int),,stdout);

        exit();
}

　　这段代码从标准输入读取 10 个 字符到缓冲区中，然后调用 fwrite 函数将缓冲区中的前 4 个字符写到标准输出。

三、fwrite 函数

　　fwrite 函数从指定的数据缓冲区里取出数据记录，并把它们写到输出流中，返回成功写入的记录个数，其参数与 fread 函数的参数类似。

#include <stdio.h>

siize_t fwrite(const void *ptr,size_t size,size_t nitems,FILE *stream);

　　需要注意的是，用 fwrite 写的文件在不同的计算机体系结构之间可能不具备可移植性，因此，不推荐把 fread 和 fwrite 用于结构化数据。演示代码如下：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
        char buffer[] = "hello,my name is tongye!";
        fwrite(buffer,,sizeof(buffer),stdout);
        exit();
}

/* 输出结果：
hello,my name is tongye!
*/

　　这段代码将 buffer 中的内容写入标准输出。

四、fclose 函数

　　fclose 函数关闭指定的文件流 stream，使所有尚未写出的数据都写出。因为 stdio 库会对数据进行缓冲，所以使用 fclose 是很重要的。如果程序需要确保数据已全部写出，则应该调用 fclose 函数。

#include <stdio.h>

int fclose(FILE *stream);

五、fflush 函数

　　fflush 函数的作用是把文件流里所有未写出的数据立刻写出。

#include <stdio.h>

int fflush(FILE *stream);

　　在 调用 fclose 函数时，隐含执行了一次 flush 操作，因此不需要再调用 fclose 之前调用 fflush。

六、fseek 函数

　　fseek 函数是与 lseek 系统调用对应的文件流函数。它在文件流里为下一次读写操作指定位置。当调用 fseek 成功时，返回 0，调用失败时 返回 -1 并设置 errno 指出错误。

#include <stdio.h>

int fseek(FILE *stream,long int offset,int whence);

七、fgetc、getc 和 getchar 函数

　　fgetc 函数从文件流里取出下一个字节，并把它作为一个字符返回（返回的是该字符的 ASCII 码）。当它到达文件尾或出现错误时，返回 EOF（在 stdio.h 中有定义： #define EOF -1）。必须通过 ferror 或 feof 来区分这两种情况。函数原型如下：

#include <stdio.h>

int fgetc(FILE *stream);　　　　// 注意，返回值是一个字符，但是这里用 int 类型来存放字符而不是用 char 类型
int getc(FILE *stream);
int getchar();

　　getc 函数的作用和 fgetc 函数一样，但是，getc 函数可以被实现为宏，因此：

1）getc 函数的参数不应该是具有副作用（如影响变量）的表达式，因为它可能会被计算多次；

2）fgetc 一定是一个函数，因此它的地址可以作为一个参数传递给另一个函数；而 gets 函数则不能保证其地址一定能作为一个函数指针传递给另一个函数；

3）由于 getc 函数可以被实现为宏，因此调用 getc 函数所用的时间可能会比 fgetc 要短。

　　getchar 函数的作用就相当于 getc(stdin)，它直接从标准输入里读取下一个字符。

注意：为什么返回值是四个字节的 int 类型？

　　这是为了考虑文件结束标志 EOF 的取值。EOF 取值是 -1，如果用 unsigned 类型的话，显然取不到 -1；而如果用 char 类型的话，则 -1 对应的值为 0xff（C 语言中，数值以补码形式存储），但是 0xff 又可以是一个字节的 ASCII 码值（一些扩展字符的 ASCII > 127溢出时，可能会产生值为 0xff 的ASCII 码），这样用 EOF 显然就不能判断文件是否结束了，因为会把 ASCII 码值为 0xff 的字节误判为文件结束符。如果将返回值用 int 类型来存放的话，那么 EOF（也就是 -1）将会被保存为 0xffffffff，这时在读到 0xff，用 int 类型进行存储的话，就是 0x000000ff，就不会和 EOF 相冲突了。

八、fputc、putc 和 putchar 函数

　　fputc 函数把一个字符写到一个输出文件流中。它返回写入的值，如果失败，则返回 EOF。

#include <stdio.h>

int fputc(int c,FILE *stream);　　　　// 需要注意的是，这里的 c 其实是字符，把字符当做 int 类型而不是 char 类型
int putc(int c,FILE *stream);
int putchar(int c);

　　putc 函数的作用与 fputc 函数一样，但是它能被实现为一个宏。putchar 函数相当于 putc(c,stdout)，它把单个字符写到标准输出。

　　注意：putchar 和 getchar 都是把字符当做 int 类型而不是 char 类型来使用的，理由上面有讲。用一个例子演示一下 fgetc 和 fputc 函数的用法：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
        int buf;
        FILE *file = fopen("hello.txt","r");
        if(file == NULL){
                printf("fail to open the file!\n");
                exit();
        }

        while((buf = fgetc(file)) != EOF){
                fputc(buf,stdout);
        }
        fclose(file);

        exit();
}

/* 输出结果：
hello,my name is tongye!
2018.10.26
*/

　　这段代码打开文件 hello.txt，并使用 fgetc 函数将文件中的内容一个字节一个字节地取出，同时使用 fputc 函数将该字节写到标准输出流中，直到文件结束。

九、fgets 和 gets 函数

　　fgets 函数从输入文件流 stream 里读取一个字符串，并存放到缓冲区中，一次读取的字符个数有限制。

#include <stdio.h>

char *fgets(char *s,int n,FILE *stream);
char *gets(char *s);

　　fgets 函数把读到的字符写到 s 指向的字符串里，直到：

1）遇到换行符，则停止读入字符，并将遇到的换行符一起传递给接收字符串，再加上一个表示结尾的空字节 \0；

2）已经传输了 n-1 个字符，则加上一个空字节 \0 结尾后，停止读入字符；

3）到达文件尾（EOF）。

　　当成功调用函数时，fgets 返回一个指向字符串 s 的指针。如果文件流已经到达文件尾，fgets 会设置这个文件流的 EOF 标识并返回一个空指针；如果调用函数出错，则 fgets 返回一个空指针并设置 errno 以指出错误的类型。

　　gets 函数类似于 fgets，只不过它直接从标准输入（stdin）读取数据并丢弃了遇到的换行符，它在接收字符串的尾部加上一个 null 字节、另外，需要注意的是，gets 函数并没有对传输字符的个数做限制，所以它可能会溢出自己的传输缓冲区。因此，一般来说，推荐使用 fgets 函数来替代 gets 函数。

参考资料：

《Linux程序设计 第四版》