【Unix】文件IO与标准IO
一、文件IO
大多数UNIX文件IO只需用到5个函数：open、read、write、lseek以及close。
这些函数经常被称为不带缓存的IO(unbuffered IO)，不带缓存是指每个read和write都调用内核中的一个系统调用。
这些不带缓存的IO函数不是ANSI C的组成部分，但是是POSIX.1和XPG3的组成部分。
1、对于内核而言，所有打开文件都由文件描述符引用。
2、由open返回的文件描述符一定是最小的未用描述符数字。
3、可用close函数关闭一个文件，关闭一个文件时也释放该进程加在该文件上的所有记录锁。
当一个进程终止时，它所有的打开文件都由内核自动关闭。
4、每个文件都有一个与其相关联的“当前文件位移量”，用以度量从文件开始处计算的字节数。
可以调用lseek显式地定位一个打开文件。
5、用read函数从打开文件中读取数据。如read成功，则返回读到的字节数，如已到达文件的尾端，则返回0。
6、用write函数向打开文件写数据，若成功返回已写的字节数，若出错为-1。
对Unix内核而言，文本文件和二进制代码文件并无区别。
7、IO效率
当Buffersize定义为文件系统的快长时，系统CPU时间最小，继续增加缓存长度对此文件并无影响。
二、文件共享
1、Unix支持在不同进程间共享打开文件。内核使用了三种数据结构。
1）每个进程在进程表中都有一个记录项，每个记录项中有一张打开文件描述符表。与每个文件描述符相关联的是：
文件描述符标志
指向一个文件表项的指针
2）内核为所有打开文件维持一张文件表，每个文件表项包含：
文件状态标志（读、写、增写、同步、非阻塞等）
当前文件位移量
指向该文件v节点表项的指针
3）每个打开文件（或设备）都有一个v节点结构。v节点包含了文件类型和对此文件进行各种操作的函数的指针信息。
2、这三张表的关系对于在不同进程之间共享文件的方式非常重要。
3、文件描述符标志和文件状态标志在作用范围方面的区别，前者只用于一个进程的一个描述符，而后者则适用于指向该给定文件表项
的任何进程中的所有描述符。
三、原子操作以及文件控制
1、打开文件时设置O_APPEND标志。
2、dup和dup2函数可以用来复制一个现存的文件描述符。
3、fcntl函数可以改变以及打开文件的性质。
4、ioctl函数是IO操作的杂物箱。不能用其他函数表示的IO操作通常都能用ioctl表示。
终端IO是ioctl的最大使用方面。
5、比较新的系统都提供名为/dev/fd的目录，其目录项名为0、1、2等的文件。打开文件/dev/fd/n等效于复制描述符n。
四、标准IO库
1、标准IO库，不仅在Unix而且在很多操作系统上都实现此库，它由ANSI C标准说明。
标准IO库处理很多细节，例如缓存分配，以优化长度执行IO等。
2、对于标准IO库，它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结合。
当打开一个流时，标准IO函数fopen返回一个指向FILE对象的指针。
该对象通常是一个结构，包含了：用于实际IO的文件描述符，指向流缓存的指针，缓存长度，当前缓存字符数，出错标志等。
为了引用一个流，需将FILE指针作为参数传递给每个标准IO函数。
五、缓存
1、标准IO提供缓存的目的是尽可能减少使用read和write调用的数量，它也对每个IO流自动地进行缓存管理。
2、标准IO提供了三种类型的缓存：
1）全缓存。在这种情况下，当填满标准IO缓存后才进行实际IO操作。对于驻在磁盘上的文件通常是由标准IO库实施全缓存的。
术语flush说明标准IO缓存的写操作。
2）行缓存。在这种情况下，当在输入和输出中遇到新行符时，标准IO库执行IO操作。
当流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），典型地使用行缓存。
3）不带缓存。标准IO库不对字符进行缓存。如果用标准IO函数写若干字符到不带缓存的流中，则相当于用write系统调用
函数将这些字符写到相关联的打开文件上。
标准出错流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新行字符。
3、ANSI C要求下列缓存特征：
1）当且仅当标准输入和标准输出并不涉及交互作用设备时，它们才是全缓存的。
2）标准出错绝不会是全缓存的。
4、可以通过setbuf和setvbuf函数来更改缓存类型。
5、任何时候，我们都可以使用函数fflush强制刷新一个流。
此函数使该流所有未写的数据都被传递至内核。
六、流
1、打开流，有如下三个函数：
fopen、freopen、fdopen
2、调用fclose函数关闭一个打开的流。
3、一旦打开了流，则可在三种不同类型的非格式化IO中进行选择，对其进行读、写操作。
1）每个一个字符的IO。一次读或写一个字符，如果流是带缓存的，则标准IO函数处理所有缓存。
2）每次一行的IO。使用fgets和fputs一次读或写一行。每行都以一个新行符终止。
3）直接IO。fread和fwrite函数支持这种类型的IO。
4、输入函数
以上三个函数可用于一次读一个字符：
getc、fgetc、getchar getchar等同于getc(stdin)
不管是出错还是到达文件尾端，这三个函数都返回同样的值。为了区分这两种不同的情况，必须调用ferror或feof。
在大多数实现的FILE对象中，为每个流保持了两个标志：
出错标准、文件结束标志
调用clearerr则清除这两个标志。
5、从一个流读之后，可以调用ungetc将字符再送回流中。EOF不能回送。
6、输出函数
对应于上面所述的每个输入函数都有一个输出函数：
putc、fputc、putchar putchar(c)等同于putc(c, stdout)
7、每次一行IO
下面两个函数提供每次输入一行的功能：
fgets、gets
下面两个函数提供每次输入一行的功能：
fputs、puts
七、标准IO的效率
1、系统调用与普通的函数调用相比是很花费时间的。
2、标准IO库与直接调用read和write函数相比并不慢很多。
八、二进制IO
使用下列两个函数执行二进制IO操作：
fread、fwrite
九、定位流
1、有两种方法定位标准IO流
1）ftell和fseek。
2）fgetpos和fsetpos。
十、格式化IO
1、执行格式化输出处理的是三个printf函数：
printf 将格式化数据写到标准输出
fprintf 写到指定的流
sprintf 将格式化的字符送入数组buf中
2、执行格式化输入处理的是三个scanf函数：
scanf
fscanf
sscanf
十一、实现细节
1、在Unix中，标准IO库最终都要调用IO例程。每个IO流都有一个与其关联的文件描述符，可以通过fileno函数获得其描述符。
2、标准IO库提供了两个函数以帮助创建临时文件
tmpnam、tmpfile
十二、总结
东西比较多也比较杂，但是保持一个清晰的头脑是最重要的。
多思考一下遇到的问题，以及如何解决这些问题，可以明白现在的实现机制已经是多么好的一种方式了。