Linux编程学习笔记 | Linux IO学习[2] - 标准IO

在上一篇Linux编程学习笔记 | Linux IO学习[1] - 文件IO中，我总结了Linux下的文件IO。文件IO是偏底层的IO操作，在平时的日常工作中，使用文件IO的频率还是比较低的。我们每天使用的 printf() 就不是文件IO，而是另一类IO - 标准IO。在这篇文章中，我将介绍Linux下的标准IO并通过实例来说明如何使用它们。

标准IO库

要使用标准IO库，需要包含头文件 <stdio.h> 。该库为用户创建了一个连接底层系统调用的通用接口，它是ANSI C标准制定的库，因此具有可移植性（文件IO是基于Unix的POSIX标准，不可移植到Windows）。同文件IO类似，它需要先打开一个文件以建立一个访问途径，文件IO的访问途径是通过文件描述符，标准IO的访问途径是流（stream），它被实现为指向结构FILE的指针。

同文件IO类似，在程序启动时也有3个默认的文件流：

标准流	变量或宏	说明
0	stdin	标准输入
1	stdout	标准输出
2	stderr	标准错误输出

标准IO基本操作

标准IO的函数相对文件IO来说要多很多，我这里主要介绍13个标准IO函数。

打开/创建文件流

fopen() 和文件IO中的 open() 类似，用于打开文件流，函数说明如下：

FILE *fopen(const char *restrict pathname, const char *restrict mode);

args:
    const char *restrict pathname: 文件的路径
    const char *restrict mode    : 文件打开的模式
                                    
return:
    返回指向文件的指针，指针不为NULL是成功，指针为NULL是失败

文件打开的模式有以下6种：

1. "r" or "rb"            : 以只读形式打开文(文件必须存在)
2. "w" or "wb"            : 以写方式打开文件并将文件长度截为0或创建一个供写的文件 
3. "a" or "ab"            : 以写方式打开文件并将内容写到文件末或创建一个文件
4. "r+" or "rb+" or "r+b" : 以更新的方式(读/写)打开文件(文件必须存在)
5. "w+" or "wb+" or "w+b" : 以更新的方式(读/写)打开文件并将文件长度截为0或创建一个文件
6. "a+" or "ab+" or "a+b" : 以更新的方式(读/写)打开文件并将更新内容写到文件末或创建一个文件

fopen() 和 open() 不同， fopen() 并不能在创建文件时改变其访问权限。

关闭文件流

fclose() 和文件IO中的 close() 类似，用于关闭文件流，函数说明如下：

int fclose(FILE *stream);

args:
    FILE *stream: 指向被关闭文件的指针 

return:
    关闭文件成功返回0，关闭文件失败返回而EOF

我们来看第一个例子，文件的打开和关闭：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *fp;

    //fp = fopen("stdio.log", "r+");
    fp = fopen("stdio.log", "w+");
    if (fp == NULL) {
        printf("File create fail...\n");
        return -1; 
    } else {
        printf("File create success...\n");
    }
    
    fclose(fp);   

    return 0; 
}

运行结果:
新建一个叫 stdio.log 的文件，并输出
File create success...
如果我们注释掉第8行，去掉第7行的注释，那么将输出
File create fail... 。

修改文件流读写偏移量

fseek() 和文件IO中的 lseek() 类似，用于修改文件流读写的偏移量，函数说明如下：

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

args:
    FILE *stream: 指向文件的文件指针
    long offset : 偏移量移动的距离
    int whence  : 偏移量的基址
                    - SEEK_SET 文件开始处
                    - SEEK_CUR 文件当前位置
                    - SEEK_END 文件结束处

return:
    修改偏移量成功返回0, 修改偏移量失败返回-1

当 whence 是 SEEK_CUR 或 SEEK_END 时， offset 可正负。

写文件流

fwrite()

fwrite() 和文件IO中的 write() 类似，函数说明如下：

size_t fwrite(const void *restrict ptr, size_t size, size_t nitems, FILE *restrict stream);

args:
    const void *restrict ptr: 写入数据在内存空间存储的地址
    size_t size             : 单个元素的大小
    size_t nitems           : 写入数据元素的个数
    FILE *restrict stream   : 指向写入文件的文件指针 

return:
    实际写入的元素个数，非负整数是成功，-1是失败

fputs()

fputs() 将字符串(不包括 `\0` )写入文件，函数说明如下：

int fputs(const char *restrict s, FILE *restrict stream);

args:
    const char *restrict s: 写入的字符串
    FILE *restrict stream : 指向写入文件的文件指针  

return:
    写入文件的状态，非负整数是成功，EOF是失败

puts()

puts() 将字符串(不包括 `\0` )写入 stdout ,并在行末添加一个换行符，函数说明如下：

int puts(const char *s);

args:
    const char *s: 写入的字符串

return:
    写出到stdio的状态，非负整数是成功，EOF是失败

fputc()

fputc() 将一个字符写入文件，函数说明如下：

int fputc(int c, FILE *stream);

args:
    int char    : 要写入的字符
    FILE *stream: 指向写入文件的文件指针 

return:
    如果没有错误，返回写入的字符，否则返回EOF

putc()

putc() 和 fputc() 基本一样，只不过 putc() 是用宏实现而 fputc 是用函数实现。

int putc(int c, FILE *stream);

args:
    int c       : 要写入的字符
    FILE *stream: 指向写入文件的文件指针 

return:
    如果没有错误，返回写入的字符，否则返回EOF

我们通过例子来看看上面这几个函数的使用方法：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *fp;

    fp = fopen("stdio.log", "w+");
    if (fp == NULL) {
        printf("File create fail...\n");
        return -1; 
    } else {
        printf("File create success...\n");
    }
    
    /* fwrite() function */ 
    char buffer_1[] = "This is fwrite DEMO..."; 
    size_t wr_size = 0; 
    wr_size = fwrite(buffer_1, 1, sizeof(buffer_1), fp); 
    printf("wr_size = %d\n", wr_size); 

    /* fputs() function */ 
    char buffer_2[] = "\nThis is fputs DEMO...\n"; 
    int fputs_status = 0; 
    fputs_status = fputs(buffer_2, fp); 
    printf("fputs_status = %d\n", wr_size); 
    
    /* puts function */
    char buffer_3[] = "This is puts DEMO..."; 
    puts(buffer_3);

    /* fputc function */
    char buffer_4[] = "This is fputc DEMO...\n";
    int ret;
    for (int i = 0; i < sizeof(buffer_4); i++) {
        ret = fputc(buffer_4[i], fp);
        printf("%c", ret);
    }

    /* putc function */
    char buffer_5[] = "This is putc DEMO...\n";
    for (int i = 0; i < sizeof(buffer_5); i++) {
        ret = fputc(buffer_5[i], fp);
        printf("%c", ret);
    }
    
    fclose(fp);   

    return 0; 
}

运行结果：
在生成的 std_io.log 文件中会输出以下内容，其中 @^ 就是 `\0`

This is fwrite DEMO...^@
This is fputs DEMO...
This is fputc DEMO...
^@This is putc DEMO...
^@

注意 fputs 函数并没有输出 `\0` 。在终端会输出：

File create success...
wr_size = 23
fputs_status = 23
This is puts DEMO...
This is fputc DEMO...
This is putc DEMO...

puts 函数直接将字符串输出到 stdio 。

读文件流

fread()

fread() 和文件IO中的 read() 类似，函数说明如下：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

args:
    void *ptr   : 读取数据存储的内存空间的地址  
    size_t size : 单个元素的大小
    size_t nmemb: 读取数据元素的个数
    FILE *stream: 指向读取文件的文件指针

return:
    实际读取的元素个数，非负整数是成功，-1是失败

fgets()

fgets() 用于读取文件中的字符串，然后将其存储到内存空间，函数说明如下：

char *fgets(char *restrict s, int n, FILE *restrict stream);

args:
    char *restrict s     : 读取后字符串存储的内存空间地址 
    int n                : 最大读取字符数
    FILE *restrict stream: 指向读取文件的文件指针

return:
    如果读取没有错误且没有读入EOF，返回写入的字符串
    如果读取没有错误但读入EOF，返回NULL指针
    如果读取出现错误，返回NULL指针

这里需要注意下该函数将在何时停止读取:
如果读取的字符数量达到 n - 1 ，或读取了换行符，或读取了字符串结束符，只要有一个满足则该函数会停止继续读取。

gets()

gets() 从 stdin 中读取字符串并存放在内存中，函数说明如下：

char *gets(char *s);

args:
    char *s: 读取后字符串存储的内存空间地址  

return:
    如果读取没有错误且没有读入EOF，返回读取的字符串
    如果读取没有错误但读入EOF，返回NULL指针
    如果读取出现错误，返回NULL指针

读取操作将在读入换行符或EOF后结束。

fgetc()

fgetc() 从一个文件读取一个字符，函数说明如下：

int fgetc(FILE *stream);

args:
    FILE *stream: 指向读取文件的文件指针 

return:
    如果读取没有错误且没有读入EOF，返回读取的字符
    如果读取没有错误但读入EOF，返回EOF
    如果读取出现错误，返回EOF

getc()

getc() 和 fgetc() 基本一样，只不过 getc() 是用宏实现而 fgetc() 是用函数实现。

int getc(FILE *stream);

args:
    FILE *stream: 指向读取文件的文件指针 

return:
    如果读取没有错误且没有读入EOF，返回读取的字符
    如果读取没有错误但读入EOF，返回EOF
    如果读取出现错误，返回EOF

说完了读操作的函数，我们也通过一个例子来看看如何使用这些函数：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    FILE *fp;
    
    fp = fopen("stdio.log", "r+");
    if (fp == NULL) {
        printf("File open fail...\n");
        return -1; 
    } else {
        printf("File open success...\n");
    }
    
    /* fread() function */ 
    char buffer_1[50]; 
    size_t rd_size = 0; 
    rd_size = fread(buffer_1, 1, 24, fp); 
    printf("rd_size = %d\n", rd_size); 
    printf("fread get: %s\n", buffer_1);

    /* fgets() function */ 
    char buffer_2[50];
    char *fgets_status; 
    fgets_status = fgets(buffer_2, 23, fp); 
    printf("fgets_status = %s", fgets_status); 
    printf("fgets get: %s", buffer_2);
    
    /* gets function */
    char buffer_3[50];
    gets(buffer_3);
    printf("gets get: %s", buffer_3);

    /* fgetc function */
    int ret;
    while ((ret = fgetc(fp)) != EOF)
       printf("%c", ret);

    fclose(fp);   

    return 0; 
}

在编译过程中，编译器会警告:

warning: implicit declaration of function ‘gets’ [-Wimplicit-function-declaration]
     gets(buffer_3);
     ^~~~
/tmp/cc3YWk3i.o: In function `main':
fread_get.c:(.text+0x11d): warning: the `gets' function is dangerous and should not be used.

因为 gets() 函数过于危险，在C11中的 <stdio.h> 已经不再包含 gets() 函数，因此会出现这个警告。
运行结果：
要读取的文件是之前写函数生成的 stdio.log 文件，终端输出如下。

File open success...
rd_size = 24
fread get: This is fwrite DEMO...
fgets_status = This is fputs DEMO...
fgets get: This is fputs DEMO...
test
gets get: testThis is fputc DEMO...
This is putc DEMO...

总结

这篇文章主要介绍了如何使用几个基本的标准IO函数对文件进行操作，相对于文件IO而言，标准IO使用更方便，并且支持跨平台使用。同时在传输大文件时，标准IO也不比文件IO慢。文中出现的代码都可在我的github上找到。

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