Linux系统编程学习笔记（二）C标准I/O库

标准I/O
Buffered I/O：
Buffered I/O可以减少系统调用的次数，提高性能。每次读一个block的整数倍可以提高效率。
1、Standard I/O：
C语言的标准IO库stdio，提供了跨平台的，user-buffering的方案。
2、文件指针：
标准I/O不直接操作文件描述符，而是使用文件指针来操作文件。
FILE *fp
打开的文件被称为流，输入流、输出流、输入/输出流
3、打开文件：

#include <stdio.h>

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

mode描述了如何打开由path代表的文件:
r：打开文件，可读，流的位置在文件的开头
r+：打开文件，可读写，流的位置在文件的开头
w: 打开文件，可写，如果存在，清空。不存在创建，流的位置在文件的开头
w+：打开文件，可读写，如果存在，则清空，如果不存在则创建，流的位置在文件的开头
a：append模式，可写，如果不存在创建。流的位置在文件的末尾。
a+：append模式，可读写，如果不存在创建。流的位置在文件的末尾。
例子：

File *fp;

fp = fopen("/etc/manifest","r");
if(! fp )
	/* error */

4、通过文件 描述符打开：

#include <stdio.h>

FILE *fdopen(int fd, const char *mode);

mode的含义和fopen一样，除了w、w+不会清空文件。
例子：

FILE *fp;
int fd;

fd = open("/home/kidd/map.txt",O_RDONLY);
if(fd == -1)
  /* error */
fp = fdopen(fd,"r");
if(!fp)
 /* error */

一个可读的fd，如果fdopen设置mode是w，会如何？二者不一致会返回NULL，并设置
errno为EIVAL.

5、关闭流：
fclose可以关闭文件。

#include <stdio.h>

int fclose(FILE *fp);

buffer和没有写的数据首先被fushed。成功返回0，失败返回EOF。
6、关闭所有的流：
fcloseall关闭当前进程所有的流：

#define _GNU_SOURCE

#include<stdio.h>

int fcloseall(void);

总是返回0。
7、从流中读：
1）一次读一个字符：
fgetc:

#include <stdio.h>

int fgetc(FILE *fp);

返回读取字符转换成了int值，主要由于考虑文件结尾返回EOF，-1不在assci码范围。

int c;
while((c = fgetc(fp) != EOF){
	printf("%c\n",(char)c);
}

2)将字符压回流:
ungetc:
通过这个函数可以peek流中的字符，如果读超过了需要的字符，可以把
这个字符压回。

#include <stdio.h>

int ungetc(int c, FILE *fp);

成功返回c，失败返回EOF
3）读取一行：
fgets可以读取一行字符串：

#include <stdio.h>

char * fgets(char *str,int size, FILE *stream);

读取遇到换行或者EOF，成功返回str，失败返回NULL。
例子：

char buf[LINE_MAX];//LINE_MAX in <limits.h>du
if(!fgets(buf,LINE_MAX,fp)
	/* error */

4)读二进制数：
fread:

#include <stdio.h>

size_t fread(void *buf, size_t size, size_t nr, FILE *fp);

可以读取复杂的二进制数，比如c中的结构体。
读nr个数据，每一个大小为size字节。成功返回读取元素的个数，失败指示错误或者返回EOF，
但是如果不使用ferror（）和feof（）无法区分。
由于在不同机器的变量大小，对其，补齐，字节序不同，不具有跨机器性。
例子：

char buf[64];
size_t nr;

nr = fread(buf,sizeof(buf),1,fp);
if(nr == 0) 
	/* error */

8、写入流：
1）写入一个字符：

#include <stdio.h>

int fputc(int c, FILE *fp);

成功返回c，失败返回EOF。

if( fputc('p',fp) ) 
  /* error */

2)写入一个字符串：
fputs:

#include <stdio.h>

int fputs(const char *str, FILE *stream);

2）写入由\0结尾的字符串，成功返回非负数，失败返回EOF。
例子：

FILE *fp;

if(!(fp = fopen("journal.txt","a"))
  /* error */
if(fputs("The ship is made of wood.\n",fp) == EOF)
 /*error*/
if(fclose(fp) == EOF)
 /*error*/

3）写入二进制数据：
fwrtie可以将复杂的结构数据存储到文件中：

#include <stdio.h>

size_t fwrite(void *buf,size_t size, size_t nr, FILE *fp);

将右buf指向的数据写入文件fp中nr个元素，每一个元素的长度是size字节。
9、使用Buffered I/O 例子：

#include <stdio.h>

int main(void){
	FILE *in,*out;
	struct pirate{
		char name[100];
		unsigned long booty;
		unsigned int beard_len;
	}p,blackbeard = {"Edward Teach",950,48};
	
	out = fopen("data","w");

	if(! out ){
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	if(!fwrite(&blackbeard,sizeof(struct pirate),1,out)){
		perror("fwrite");
		return 1;
	}

	if(fclose(out)){
		perror("fclose");
		return 1;
	}

	in = fopen("data","r");
	if( !in ){
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	if(! fread(&p, sizeof(struct pirate),1,in)){
		perror("fread");
		return 1;
	}

	if(fclose(in)){
		perror("fclose");
		return 1;
	}

	printf("name=\"%s\" booty=%lu beard_len=%u\n",p.name,p.booty,p.beard_len);
	
	return 0;
}

10、Seeking a Stream
1）fseek和标准IO lseek类似：

#include <stdio.h>

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

whence可以取：SEEK_SET、SEEK_CUR,SEEK_END，和lseek含义一样。
2）fsetpos：

#include <stdio.h>

int fsetpos(FILE *fp,fpos_t *pos);

和fseek将whence设置成SEEK_SET一样。
3）rewind:
将文件位置重置，相当于fseek(fp,0,SEEK_SET);

#include <stdio.h>

void rewind(FILE *fp);

rewind 没有返回值，可以通过errno来判断是否成功：

errno = 0;
rewind(stream);
if(errno)
  /* error */

11、获取当前文件流的位置：
1)ftell:

#include <stdio.h>

long ftell(FILE *stream);

成功返回位置，失败返回-1，errno被设置。
2）fgetpos：

#include <stdio.h>

int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);

成功返回0，并设置pos，失败返回-1。
12、flush a Stream：
fflush：

#include <stdio.h>

int fflush(FILE *fp);

所有由fp标示的未写入的数据写入内核的buffer中。
成功返回0，失败返回EOF，并设置errno
write都会写入用户的buffer中，fflush可以将用户buffer的数据，写入内核buffer中，
并不能保证写入磁盘。
13、错误和文件结尾：
一些标准的I/O比如fread，没有提供区分error和EOF的机制，所以检查所给的流确定遇到错误还是文件
结尾很有用。标准I/O提供了两个接口：
1）ferror：

#include <stdio.h>

int ferror(FILE *fp);

返回非0表示设置了错误，0表示没有。
2）feof

#include <stdio.h>

int feof(FILE *fp);

测试流是否设置了EOF，返回非零表示设置，0表示没有。
3）清除错误和EOF设置：

#include<stdio.h>

void clearerr(FILE *fp);

例子：

if(ferror(f))
	printf("Error on f!\n");
if(feof(f))
	printf("EOF on f!\n");
clearerr(f);

14、获得相关的文件描述符：

#include <stdio.h>

int fileno(FILE *fp);

成功返回相关的文件描述符，失败返回-1
混用标准I/O和IO系统调用并不是值得推荐的。
15、控制buffer：
a、标准I/O实现了三种用户Buffer：
1）Unbuffered：
没有缓存，数据直接交给内核。stderr默认使用这种方式。
2）Line-buffered：
buffer缓存一行，当遇到换行符则提交给内核。stdout默认使用这种方式。
3）Block-buffered
与文件相关的I/O默认都是Block-buffered。
b、设置流的buffer类型：
setvbuf:

#include <stdio.h>

int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);

mode:
_IONBF: 没有buffer
_IOLBF: Line-buffered
_IOFBF: block-buffered/full buffered
除了_IONBF外，其他的两个，都需要用户提供一个size自己的buf。
提供的buffer在文件关闭的时候仍然要可见，否则显示的关闭操作会失败。
下面例子存在bug：

#include <stdio.h>

int main(void){
	char buf[BUFSIZ];
	
	setvbuf(stdout,buf,_IOFBF,BUFSIZ);
	printf("Arrr!\n");

	return 0;
}

程序退出的时候会隐式的关闭文件，导致失败。可以在上面程序return之前加上显示的close关闭stdout，或者
使用全局的buf。

16、格式化I/O：
1）使用可变参数族：

#include <stdio.h>

//正确返回输出的字节数，错误返回-1
int printf(const char *restrict format, ...);
int fprintf(FILE *restrict fp, const char * restrict format,...);

//调用者需要确保buf足够大，不会溢出，
int sprintf(char *restrict buf,const char * restrict format,...);
//显示指定了buf的大小，多出来的会被抛弃
int snprintf(char *restrict buf, size_t n, const char *restrict format,...);
//正确返回输出到数组buf中的字节数，错误返回-1。

2）使用va_list族：
va_list在<stdarg.h>中定义。

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

int vprintf(const char *restrict format, va_list arg);
int vfprintf(FILE *restrict fp, const char * restrict format,va_list arg);
int vsprintf(char *restrict buf,const char * restrict format,va_list arg);
int vsnprintf(char *restrict buf, size_t n, const char *restrict format,va_list arg);

17、格式化输入：
1）使用可变参数族：

#include <stdio.h>

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,...);

2）使用va_list族

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

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);

参考：
1、《Linux system programming》
2、《Unix system programming》
3、《Advanced Programming in the Unix Environment》