UNIX环境高级编程——标准I/O库

5.1 引言

本章讲述标准I/O库，这个库由ISO C标准说明。

5.2 流和FILE对象

• 对于标准I/O库，它们的操作是围绕流（stream）进行的，当用标准I/O库打开或创建一个文件时，就使一个流与一个文件关联；
• 标准I/O文件流可用于单字节或多字节（“宽”）字符集，流的定向决定了所读、写的字符是单字节还是多字节的，当一个流最初被创建时，它并没有定向。

fwide函数可用于设置流的定向：

#include 
#include 

int fwide(FILE *fp, int mode);
			// 返回值：若流是宽定向的，返回正值；若流是字节定向的，返回负值；若流是未定向的，返回0 

• 如若mode参数值为负，fwide将试图使指定的流是字节定向的；
• 如若mode参数值为正，fwide将试图使指定的流是宽定向的；
• 如若mode参数值为0，fwide将不试图设置流的定向，但返回标识该流定向的值。

注意：

• fwide不改变已定向流的定向；
• fwide无出错返回，在调用fwide前先清除errno，返回时检查errno的值。

当打开一个流时，标准I/O函数fopen返回一个指向FILE对象的指针。该对象包含了标准I/O库为管理该流需要的所有信息，包括用于实际I/O的文件描述符、指向用于该流缓冲区的指针加粗样式、缓冲区的长度、当前在缓冲区中的字符数以及出错标志等。

5.3 标准输入、标准输出和标准错误

对一个进程预定义了3个流，并且这3个流可以自动地被进程使用，它们分别是：标准输入、标准输出和标准错误，分别通过预定义文件指针stdin、stdout和stderr加以引用。

5.4 缓冲

标准I/O提供了以下3种类型的缓冲：

• 全缓冲：在填满标准I/O缓冲区后才进行实际I/O操作；
• 行缓冲：在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库执行I/O操作；
• 不带缓冲：标准I/O库不对字符进行缓冲存储。

可以调用setbuf或setvbuf来更改缓冲类型：

#include 

void setbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf);
int setvbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf, int mode, size_t size);
										// 返回值：若成功，返回0；若出错，返回非0

• 可使用setbuf函数打开或关闭缓冲机制，参数buf必须指向一个长度位BUFSIZ的缓冲区；为了关闭缓冲，将buf设置位NULL；
• setvbuf可以根据mode精确说明所需的缓冲类型：

mode	缓冲
_IOFBF	全缓冲
_IOLBF	行缓冲
_IONBF	不带缓冲

可以使用fflush强制冲洗一个流：

#include 

int fflush(FILE *fp);
					// 返回值：若成功，返回0；若出错，返回EOF

此函数使该流所有未写的数据都被传送至内核，特别的，如若fp是NULL，则此函数将导致所有输出流被冲洗。

5.5 打开流

下列3个函数打开一个标准I/O流：

#include 

FILE *fopen(const char *restrict pathname, const char *restrict type);
FILE *freopen(const char *restrict pathname, const char *restrict type, FILE *restrict fp);
FILE *fdopen(int fd, const char *type);
										// 3个函数的返回值：若成功，返回文件指针；若出错，返回NULL

这3个函数的区别如下：

• fopen函数打开路径名为pathname的一个指定的文件；
• freopen函数在一个指定的流上打开一个指定的文件，如若该流已经打开，则先关闭该流；若该流已经定向，则使用freopen清除该定向；此函数一般用于将一个指定的文件打开为一个预定义的流：标准输入、标准输出或标准错误；
• fdopen函数取一个已有的文件描述符，并使一个标准的I/O流与该描述符相结合；此函数常用于由创建管道和网络通信通道函数返回的描述符。

type参数指定对该I/O流的读、写方式，共有15种不同的值：

• 除非流引用终端设备，否则按系统默认，流被打开时是全缓冲的；
• 若流引用终端设备，则该流是行缓冲的。

调用fclose关闭一个打开的流：

#include 

int fclose(FILE *fp);
					// 返回值：若成功，返回0；若出错，返回EOF

• 在该文件被关闭之前，冲洗缓冲中的输出数据；
• 缓冲区中的任何输入数据被丢弃；
• 如果标准I/O库已经为该流自动分配了一个缓冲区，则释放此缓冲区；
• 当一个进程正常终止时，则所有带未写缓冲数据的标准I/O流都被冲洗，所有打开的标准I/O流都被关闭。

5.6 读和写流

一旦打开了流，则可在3种不同类型的非格式化I/O中进行选择，对其进行读、写操作：

• 每次一个字符的I/O：一次读或写一个字符，如果流是带缓冲的，则标准I/O函数处理所有缓冲；
• 每次一行的I/O：如果想要一次读或写一行，则使用fgets和fputs，每行都以一个换行符终止，当调用fgets时，应说明能处理的最大行长；
• 直接I/O：fread和fwrite函数支持这种类型的I/O，每次I/O操作读或写某种数量的对象，而每个对象具有指定的长度，这两个函数常用于从二进制文件中每次读或写一个结构。

1. 输入函数

以下3个函数可用于一次读一个字符：

#include 

int getc(FILE *fp);
int fgetc(FILE *fp);
int getchar(void);
					// 3个函数的返回值：若成功，返回下一个字符；若已到达文件尾端或出错，返回EOF

• 函数getchar等同于getc(stdin)；
• getc可被实现为宏，而fgetc不能实现为宏；
• 在中的常量EOF被要求是一个负值，其值通常是-1。

不管是出错还是到达文件尾端，这3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和feof：

#include 

int ferror(FILE *fp);
int feof(FILE *fp);
					// 两个函数的返回值：若条件为真，返回非0（真）；否则，返回0（假）

在大多数实现中，为每个流在FILE对象中维护了两个标志：

• 出错标志；
• 文件结束标志。

调用clearerr可以清除这两个标志：

#include 

void clearerr(FILE *fp);

从流中读取数据以后，可以调用ungetc将字符再压送回流中：

#include 

int ungetc(int c, FILE *fp);
										// 返回值：若成功，返回c；若出错，返回EOF

2. 输出函数

#include 

int putc(int c, FILE *fp);
int fputc(int c, FILE *fp);
int putchar(int c);
								// 3个函数返回值：若成功，返回c；若出错，返回EOF

• putchar(c)等同于putc(c, stdout)；
• putc可被实现为宏，而fputc不能实现为宏。

5.7 每次一行I/O

下面两个函数提供每次输入一行的功能：

#include 

char *fgets(char *restrict buf, int n, FILE *restrict fp);
char *gets(char *buf);
										// 两个函数返回值：若成功，返回buf；若已到达文件尾端或出错，返回NULL

• gets从标准输入读，fgets从指定的流读；
• fgets必须指定缓冲区的长度n，此函数一直读到下一个换行符为止，但不超过n-1个字符，读入的字符被送入缓冲区；
• 读缓冲区以null字节结尾。

fputs和puts提供每次输出一行的功能：

#include 

int fputs(const char *restrict str, FILE *restrict fp);
int puts(const char *str);
										// 两个函数返回值：若成功，返回非负值；若出错，返回EOF

• fputs将一个以null字节终止的字符串写到指定的流，尾端的终止符null不写出；
• puts将一个以null字节终止的字符串写到标准输出，终止符不写出，但puts随后又将一个换行符写到标准输出。

5.8 标准I/O的效率

• exit函数将会冲洗任何未写的数据，然后关闭所有打开的流；
• 系统调用与普通的函数调用相比需要花费更多的时间；
• 标准I/O库与直接调用read和write函数相比并不慢很多。

5.9 二进制I/O

二进制I/O操作，一次读或写一个完整的结构，下列两个函数用于执行I/O操作：

#include 

size_t fread(void *restrict buf, size_t size, size_t nobj, FILE *restrict fp);
size_t fwrite(const void *restrict ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *restrict fp);
										// 两个函数的返回值：读或写的对象数

• 对于读，如果出错或到达文件尾端，则返回值可以少于nobj，在这种情况下，应调用ferror或feof以判断究竟是哪一种情况；
• 对于写，如果返回值少于所要求的nobj，则报错。

5.10 定位流

有3种方法定位标准I/O流：

• ftell和fseek函数；
• ftello和fseeko函数；
• fgetpos和fsetpos函数。

#include 

long ftell(FILE *fp);
					// 返回值：若成功，返回当前文件位置指示；若出错，返回-1L
int fseek(FILE *fp, long offset, int whence);
					// 若成功，返回0；若出错，返回-1
void rewind(FILE *fp);

• 对于一个二进制文件，其文件位置指示器是从文件起始位置开始度量，并以字节为度量单位的；
• fseek的whence参数的可选值：SEEK_SET表示从文件的起始位置开始，SEEK_CUR表示从当前文件位置开始，SEEK_END表示从文件的尾端开始；
• 为了定位一个文本文件，whence一定要是SEEK_SET，而且offset只能有两种值：0（后退到文件的起始位置）或是对该文件的ftell所返回的值；
• rewind函数将一个流设置到文件的起始位置。

#include 

off_t ftello(FILE *fp);
										// 返回值：若成功，返回当前文件位置；若出错，返回(off_t)-1
int fseeko(FILE *fp, off_t offset, int whence)；
										// 返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

#include 

int fgetpos(FILE *restrict fp, fpos_t *restrict pos);
int fsetpos(FILE *fp, const fpos_t *pos)；
										// 两个函数返回值：若成功，返回0；若出错，返回非0

• fgetpos将文件位置指示器的当前值存入由pos指向的对象中，在以后调用fsetpos时，可以使用此值将流重新定位至该位置。

5.11 格式化I/O

1. 格式化输出

格式化输出是由5个printf函数来处理的：

#include 

int printf(const char *restrict format, ...);
int fprintf(FILE *restrict fp, const char *restrict format, ...);
int dprintf(int fd, const char *restrict format, ...);
										// 3个函数返回值：若成功，返回输出字符数；若输出出错，返回负值
int sprintf(char *restrict buf, const char *restrict format, ...);
										// 返回值：若成功，返回存入数组的字符数；若编码出错，返回负值
int snprintf(char *restrict buf, size_t n, const char *restrict format, ...);
										// 返回值：若缓冲区足够大，返回将要存入数组的字符数；若编码出错，返回负值

• printf将格式化数据写到标准输出；
• fprintf写至指定的流；
• dprintf写至指定的文件描述符；
• sprintf将格式化的字符送入数组buf中，在该数组的尾端自动添加一个null字节，但该字符不包括在返回值中；
• snprintf比sprintf多了一个参数n，它指明了缓冲区长度，超过缓冲区尾端写的所有字符都被丢弃。

每个参数按照转换说明编写，转换说明以百分号%开始，除转换说明外，格式字符串中的其他字符将按原样，不经任何修改被复制输出。一个转换说明有4个可选择的部分，下面将它们都展示于方括号中：
%[flags][fldwidth][precision][lenmodifier]convtype

• flags标志如下图所示：
  
• fldwidth说明最小字段宽度，转换后参数字符数若小于宽度，则多余字符位置用空格填充，字段宽度是一个非负十进制数，或是一个星号（*）;
• precision说明整型转换后最少输出数字位数、浮点数转换后小数点后的最少位数、字符串转后最大字节数，精度是一个点（.），其后跟随一个可选的非负十进制数或一个星号（*）；
• lenmodifier说明参数长度，其可能值如下图：
  
• convtype不是可选的，它控制如何解释参数，下图列出了各种转换类型字符：
  
  下列5种printf族的变体类似于上面的5种，但是可变参数（...）替换成了arg：

#include 
#include 

int vprintf(const char *restrict format, va_list arg);
int vfprintf(FILE *restrict fp, const char *restrict format, va_list arg);
int vdprintf(int fd, const char *restrict format, va_list arg);
										// 所有3个函数返回值：若成功，返回输出字符数；若输出出错，返回负值
int vsprintf(char *restrict buf, const char *restrict format, va_list arg);
										// 函数返回值：若成功，返回存入数组的字符数；若编码出错，返回负值
int vsnprintf(char *restrict buf, size_t n, const char *restrict format, va_list arg);
										// 函数返回值：若缓冲区足够大，返回存入数组的字符数；若编码出错，返回负值

2. 格式化输入

执行格式化输入处理的是3个scanf函数：

#include 

int scanf(const char *restrict format, ...);
int fscanf(FILE *restrict fp, const char *restrict format, ...);
int sscanf(const char *restrict buf, const char *restrict format, ...);
										// 3个函数返回值：赋值的输入项数；若输入出错或在任一转换前已到达文件尾端，返回EOF

• scanf族用于分析输入字符串，并将字符序列转换成指定类型的变量；
• 在格式之后的各参数包含了变量的地址，用转换结果对这些变量赋值；

格式说明控制如何转换参数，以便对它们赋值，转换说明以百分号%字符开始，除转换说明和空白字符外，格式字符串中的其他字符必须于输入匹配。一个转换说明有3个可选择的部分，下面将它们都示于方括号中：
%[*][fldwidth][m][lenmodifier]convtype

• 可选择的星号（*）用于抑制转换，按照转换说明的其余部分对输入进行转换，但转换结果并不存放在参数中；
• fldwidth说明最大宽度（即最大字符数）；
• lenmodifier说明要用转换结果赋值的参数大小，由printf函数族支持的长度修饰符同样得到scanf族函数的支持；
• convtype说明转换类型，scanf族函数支持的转换类型如下图：
  
  与printf族相同，scanf族也使用由说明的可变长度参数表：

#include 
#include 

int vscanf(const char *restrict format, va_list arg);
int vfscanf(FILE *restrict fp, const char *restrict format, va_list arg);
int vsscanf(const char *restrict buf, const char *restrict format, va_list arg);
										// 3个函数返回值：指定的输入项目数；若输入出错或在任一转换前文件结束，返回EOF

5.12 实现细节

每个标准I/O流都有一个与其相关联的文件描述符，可以对一个流调用fileno函数以获得其描述符：

#include 

int fileno(FILE *fp);
					// 返回值：与该流相关联的文件描述符

5.13 临时文件

ISO C标准I/O库提供了两个函数来创建临时文件：

#include 

char *tmpnam(char *ptr);
						// 返回值：指向唯一路径名的指针
FILE *tmpfile(void);
						// 返回值：若成功，返回文件指针；若出错，返回NULL

• tmpnam函数产生一个与现有文件名不同的一个有效路径名字符串，每次调用它时，都产生一个不同的路径名；
• 若ptr是NULL，则所产生的路径名存放在一个静态区中，指向该静态区的指针作为函数值返回，后续调用tmpnam时，会重写该静态区；
• 若ptr不是NULL，则认为它应该是指向长度至少是L_tmpnam个字符的数组，所产生的路径名存放在该数组中，ptr也作为函数值返回；
• tmpfile创建一个临时二进制文件（类型wb+），在关闭该文件或程序结束时将自动删除这种文件。

Single UNIX Specification为处理临时文件定义了另外两个函数，即mkdtemp和mkstemp：

#include 

char *mkdtemp(char *template);
								// 返回值：若成功，返回指向目录名的指针；若出错，返回NULL
int mkstemp(char *template);
								// 返回值：若成功，返回文件描述符；若出错，返回-1

• mkdtemp函数创建了一个目录，该目录有一个唯一的名字；
• mkstemp函数创建了一个文件，该文件有一个唯一的名字；
• 名字通过template字符串进行选择，这个字符串是后6位设置为XXXXXX的路径名，函数将这些占位符替换成不同的字符来构建一个唯一的路径名，如果成功的话，这两个函数将修改template字符串反映临时文件的名字；
• 由mkdtemp函数创建的目录使用下列访问权限位集：S_IRUSR | S_IWUSR | S_IXUSR；
• 由mkstemp函数创建的文件使用访问权限位：S_IRUSR | S_IWUSR；
• mkstemp创建的临时文件并不会自动删除。

5.14 内存流

有3个函数可用于内存流的创建，第一个是fmemopen函数：

#include 
FILE *fmemopen(void *restrict buf, size_t size, const char *restrict type);
										// 返回值：若成功，返回流指针；若错误，返回NULL

• buf参数指向缓冲区的开始位置，size参数指定了缓冲区大小的字节数，如果buf参数为空，fmemopen函数分配size字节的缓冲区，在这种情况下，当流关闭时缓冲区会被释放；
• type参数控制如何使用流，可能取值如下：
  

用于创建内存流的其他两个函数分别是open_memstream和open_wmemstream：

#include 
FILE *open_memstream(char **bufp, size_t *sizep);

#include 
FILE *open_wmemstream(wchar_t **bufp, size_t *sizep);
										// 两个函数的返回值：若成功，返回流指针；若出错，返回NULL

open_memstream函数创建的流是面向字节的，open_wmemstream函数创建的流是面向宽字节的，这两个函数与fmemopen函数的不同在于：

• 创建的流只能写打开；
• 不能指定自己的缓冲区，但可以分别通过bufp和sizep参数访问缓冲区地址和大小；
• 关闭流后需要自行释放缓冲区；
• 对流添加字节会增加缓冲区大小。

5.15 标准I/O的替代软件

5.16 实例代码

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