《Unix环境高级编程》读书笔记第5章-标准I/O流

2024-06-28 13:24:56

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《Unix环境高级编程》读书笔记第5章-标准I/O流1. 引言

标准I/O库由ISO C标准说明，由各个操作系统实现
标准I/O库处理很多细节，如缓冲区分配、以优化的块长度执行I/O等。这些处理使用户不必担心如何使用正确的块长度，这使得它便于用于使用，但是如果不深入地了解I/O库函数的操作，也会带来一些问题。

2. 流和FILE对象

第3章中，所有I/O函数都是围绕文件描述符的；对于标准I/O库，它们的操作是围绕流FILE *进行的，称其为文件指针。
FILE对象通常是一个结构，它包括了标准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、缓冲区的长度、当前在缓冲区中的字符数以及出错标志等。
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。若在为定向的流上使用一个多字节I/O函数，则将流的定向设置为宽定向的；若在为定向的流上使用一个单字节I/O函数，则将流的定向设置为字节定向的。

#include <stdio.h>
#include <wchar.h>
int fwide(FILE *fp, int mode);
　　Returns: positive if stream is wide oriented, negative if stream is byte oriented, or 0 if stream has no orientation

根据mode参数的不同字，fwide函数执行不同的工作。
1. mode为负，则字节定向；
2. mode为正，则宽定向；
3. mode为0，则不设置流的定向，fwide返回标识该流定向的值
注意，fwide并不改变已定向流的定向

3. 标准输入、标准输出、标准错误

3个标准I/O流通过预定义文件指针（即FILE *) stdin、stdout、stderr加以引用。

4. 缓冲

标准I/O库提供缓冲的目的是尽可能减少使用read和write调用的次数。它对每个I/O流自动地进行缓冲管理，从而避免了应用程序需要考虑这一点所带来的麻烦。遗憾的是，标准I/O库最令人迷惑的也是它的缓冲。
标准I/O提供了以下3种类型的缓冲：
1. 全缓冲。在填满标准I/O缓冲区后才进行实际I/O操作。对于驻留在磁盘上的文件通常由标准I/O库实施全缓冲。缓冲区可由标准I/O例程自动地冲洗（flush），也可通过调用函数fflush冲洗一个流。
  - 术语flush有两种意思：在标准I/O库方面，flush（冲洗）意味着缓冲区中的内容写到磁盘上；在终端驱动程序方面，flush（刷清）表示丢弃已存储在缓冲区中的数据。
2. 行缓冲。当输入或输出中遇到换行符时，标准I/O库执行I/O操作。当流涉及一个终端时，通常使用行缓冲。
  - 对于行缓冲有两个限制：
    只要填满了缓冲区，即使还没遇到换行符，也进行I/O操作；
    任何时候只要通过标准I/O库要求从（a）一个不带缓冲的流，或者（b）一个行缓冲的流得到输入数据，那么就会flush所有行缓冲输出流。
3. 不带缓冲。标准I/O库不对字符进行缓冲存储。如fputs函数。标准错误流stderr通常是不带缓冲的。
ISO C要求下列缓冲特征：
- 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
- 标准错误决不会是全缓冲的
很多系统默认使用下列类型的缓冲：
- 标准错误是不带缓冲的
- 若是指向终端设备的流，则是行缓冲的；否则是全缓冲的

#include <stdio.h>
void setbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf );
// 使用该函数打开或关闭缓冲机制。参数buf必须指向一个长度为BUFSIZ的缓冲区；或为NULL以关闭缓冲
int setvbuf(FILE *restrict fp, char *restrict buf, int mode, size_t size);
Returns: 0 if OK, nonzero on error

上面两个函数必须在流被打开后，且对流执行任何一个其他操作之前调用
mode参数：_IOFBF全缓冲、_IOLBF行缓冲、_IONBF不带缓冲
如果指定全缓冲或行缓冲，则buf和size可选择地指定一个缓冲区及其长度。若流带缓冲而buf是NULL，则标准I/O库将自动地为该流分配适当长度的缓冲区。

#include <stdio.h>
int fflush(FILE *fp); // 若fp为NULL，则导致所有输出流被冲洗
　　Returns: 0 if OK, EOF on error

5. 打开流

下列3个函数打开一个标准I/O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);
// 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
FILE *fdopen(int fd, const char *type); // 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
　　All three return: file pointer if OK, NULL on error

打开标准I/O流的type参数
字符b，代表二进制。但Unix内核并不对文本文件和二进制文件进行区分
注意：在指定w或a类型创建一个新文件时，我们无法说明该文件的访问权限位；而open和creat可以
如果以读和写类型打开一个文件时（type中带+号），具有下列限制：
1. 如果中间没有fflush、fseek、fsetpos或rewind，则在输出的后面不能直接跟随输入
2. 如果中间没有fseek、fsetpos或rewind，或者一个输入操作没有到达文件尾端，则在输入操作之后不能直接跟随输出
打开一个标准I/O流的6种不同方式
除非流引用终端设备，否则按系统默认，流被打开是全缓冲的。若流引用终端设备，则该流是行缓冲的。

#include <stdio.h>
int fclose(FILE *fp);
　　Returns: 0 if OK, EOF on error

当一个进程正常终止时（调用exit或从main函数返回），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。

6. 读和写流

一旦打开了流，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
1. 每次一个字符的I/O
2. 每次一行的I/O
3. 直接I/O（二进制I/O、面向记录的I/O、一次一个对象的I/O）
在大多数实现中，为每个流在FILE对象中维护了两个标志：
1. 出错标志
2. 文件结束标志
区分是出错还是到达文件尾端，因为这两种情况下返回值相同