APUE知识点记录【三】标准I/O库

通过文件I/O读写文件时，每次操作都会执行相关系统调用。这样处理的好处是直接读写实际文件，坏处是频繁的系统调用会增加系统开销，标准I/O可以看成是在文件I/O的基础上封装了缓冲机制。先读写缓冲区，必要时再访问实际文件，从而减少了系统调用的次数。

int fflush(FILE *fp);//如若fp是NULL，则次函数将导致所有输出流被冲洗。

1. 流与FILE对象

标准I/O库的所有操作都是围绕流（stream）进行的。当用标准I/O库打开一个或撞见一个文件时，我们已使一个流与文件关联。
ascii的一个字符用一个字节表示，而国际字符集的一个字符可用多个字符表示，成为宽字符集。

当一个流最初被创建时，它并没有定向。如若在未定向的流上使用一个多字节I/O函数，则将该流的定向设置为宽定向的。若在未定向的流上使用一个单字节I/O函数，则将该流的定向设为字节定向的。
只有两个函数可改变流的定向。freopen函数清除一个流的定向；fwide函数可用于设置流的定向。

#include <stdio.h>
#include <wchar.h>
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并不改变已定向流的方向。
还应注意，fwide无出错返回。可以在调用前先清除errno，从fwide返回时检查errno的值。

2 标准输入、标准输出与标准错误

文件描述符分别：STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO
可以通过头文件<stdio.h>中定义的文件指针stdin、stdout和stderr加以引用。

3 缓冲

讲解缓冲之前需要先明白冲洗（flush），它是将缓冲区的内容写入磁盘中（即使缓冲区未填满）。
缓冲的作用：减少系统read和write的次数。
标准IO提供3中类型的缓冲：

全缓冲：在填满标准I/O缓冲区后，才进行实际I/O操作。全缓冲使用malloc来分配缓冲区
行缓冲：在输入或输出中遇到了换行符或者缓冲区被填满，才进行实际I/O操作。例如用getc读取一个字符时，实际读取了一行在缓冲区中。（注：当标准I/O库不使用缓冲或者使用行缓冲需要从内核读取数据时，行输出缓冲会被flush）
不带缓冲

一般缓冲区类型特征是：

当且仅当标准输入和标准输出并不指向交互式设备时，它们才是全缓冲的。（iso c）
标准错误绝不会是全缓冲的，通常是不带缓冲的，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换行符。
若是指向终端设备的流，则是行缓冲的；否则是全缓冲的。（很多系统默认）

调用下列两个函数可以更改缓冲类型。

#include <stdio.h>
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

这两个函数一定要在流被打开后、执行任何一个其他操作之前使用。
对于setbuf来说，如果buf参数为空，则关闭数据流的缓冲功能；如果buf的值不为空，指向一个缓冲区，那么就将缓冲类型设置为全缓冲（一些系统实现了当数据流来自Terminal时，设置为行缓冲）
对于setvbuf的_IPFBF和_IOLBF，如果buf为空，则为系统默认缓冲区，如果buf不为空，则使用用户自定义的缓冲区。

使用setvbuf，我们可以精确地说明所需的缓冲类型。这是用mode参数实现的：
_IOFBF 全缓冲
_ IOLBF 行缓冲
_IONBF 不带缓冲
具体buf、mode、size参数选择如下图。
在这里插入图片描述

4. 打开流

#include <stdio.h>
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

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（可能从open、dup、dup2、fcntl、pipe、socket、socketpair或accept 函数得到此文件描述符），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。因为这些特殊类型的文件不能用标准I/O函数fopen打开，所以我们必须先调用设备专用函数以获得一个文件描述符，然后用 fdopen使一个标准I/O流与该描述符相结合。

参数type制定对IO流的读写方式。
其中b的作用是区分文本文件和二进制文件——这在unix系统中毫无意义。
+的作用是表示读和写类型。
在这里插入图片描述
对于fdopen，因为文件描述符已打开，所以fdopen为写而打开并不截短该文件。另外，标准IO添加(追加写)方式也不能用于创建文件，因为如果一个文件描述符引用一个文件则该文件一定已经存在。
若使用读和写类型打开一个文件（+）,有以下限制：

若中间没有fflush、fseek、fsetpos或rewind，则在输出之后不能直接跟输入。
若中间没有fseek、fsetpos或rewind，或者一个输入操作没有到文件尾端，则输入之后不能直接跟输出。

用fclose关闭一个打开的流，文件关闭之前对于缓冲区中flush输出数据，丢弃输入数据，然后释放缓冲区。

#include <stdio.h>
int fclose(FILE *fp);
//返回值: 成功0，出错EOF

5. 读和写流

对于打开的流有三种I/O读写操作可以选择：

每次读或写一个字符，若带有缓冲则有标准I/O函数处理所有缓冲。
每次读或写一行，使用fgets和fputs，以一个换行符终止。fgets应说明能处理的最大行长。
直接I/O，使用fread和fwrite，每次读或写某个数量的对象，每个对象具有制定的长度，常用语从二进制文件中读写一个结构。

5.1 输入函数

#include <stdio.h>
int gets(FILE *fp);     //宏实现，快
int fgetc(FILE *fp);    //函数实现，可作为参数给另一个参数
int getchar(void); //等同于getc(stdin);
//若成功返回下一个字符；若出错或到达尾端，返回EOF

返回值将字符从unsigned char转化为int型是为了兼容EOF（该值通常是-1）。
为了区分出现EOF时究竟是出错还是到达尾端，需要调用ferror或feof。

#include <stdio.h>
int ferror(FILE *fp);  //fp中标记为error返回非0，eof返回0
int feof(FILE *fp);    //fp中标记为error返回0，eof返回非0
void clearerr(FILE *fp);//清除标记

从流中读取数据后可以用回送字符操作int ungetc(int c, FILE *fp);将字符再次压入流中，并且可以清楚文件结束标志。回送字符操作经常用于进行切词或几号切分操作时，先看一下下一个字符再决定如何处理当前字符。

5.2 输出函数

#include <stdio.h>
int puts(int c, FILE *fp);     //宏实现，快
int fputc(int c, FILE *fp);    //函数实现，可作为参数给另一个参数
int getchar(int c); //等同于putc(int c, stdin);
//若成功, 返回c；若出错，返回EOF

6 每次一行I/O

6.1每次输入一行

#include <stdio.h>
char *fgets(char *restrict buf, int n, FILE *restrict fp);//从指定流读
char *gets(char *buf);//从标准输入读取
//若成功，返回buf；若出错或到达尾端，返回NULL

buf指定了缓冲区的地址。
fgets必须指定缓冲的长度n，然后读取到换行符或超过n-1的字符为止。
gets无法指定缓冲区长度导致可能造成缓冲区溢出。并且gets不会讲换行符存入缓冲区。

6.2 每次输出一行

#include <stdio.h>
char *fputs(const char *restrict str, FILE *restrict fp);
char *puts(const char *str);
//若成功，返回非负值；若出错，返回EOF

两个函数都是将以null为终止符的字符串输出，切不写出null。但puts随后是再想标准输出写入一个换行符，而fputs需要自己写入换行符。