9.标准I/O库

标准 I/O 和文件 I/O 都是 C 语言函数，但是标准 I/O 是标准 C 库函数，而文件 I/O 则是 Linux
系统调用；
⚫ 标准 I/O 是由文件 I/O 封装而来，标准 I/O 内部实际上是调用文件 I/O 来完成实际操作的；
⚫ 可移植性：标准 I/O 相比于文件 I/O 具有更好的可移植性，通常对于不同的操作系统，其内核向应用层提供的系统调用往往都是不同，譬如系统调用的定义、功能、参数列表、返回值等往往都是不一样的；而对于标准 I/O 来说，由于很多操作系统都实现了标准 I/O 库，标准 I/O 库在不同的操作系统之间其接口定义几乎是一样的，所以标准 I/O 在不同操作系统之间相比于文件 I/O 具有更好的可移植性。
⚫ 性能、效率：标准 I/O 库在用户空间维护了自己的 stdio 缓冲区，所以标准 I/O 是带有缓存的，而文件 I/O 在用户空间是不带有缓存的，所以在性能、效率上，标准 I/O 要优于文件 I/O。

一、FILE指针

使用标准 I/O 库函数打开或创建一个文件时，会返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），使用该 FILE 指针与被打开或创建的文件相关联，然后该 FILE 指针就用于后续的标准 I/O 操作。因此FILE指针相当于文件I/O中的文件描述符fd。

二、标准输入、标准输出和标准错误

用户通过标准输入设备与系统进行交互，进程将从据（譬如程序中 printf 打印输出的字符串）输出到标报错打印的信息）输出到标准错误（stderr）文件。

每个进程启动之后都会默认打开标准输入、标准输出以及标准错误，得到三个文件描述符，即 0、 1、2，其中 0 代表标准输入、 1 代表标准输出、 2 代表标准错误；在应用编程中可以使用宏 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO 和 STDERR_FILENO 分别代表 0、 1、 2，这些宏定义在 unistd.h 头文件中：

#define STDIN_FILENO 0 
#define STDOUT_FILENO 1 
#define STDERR_FILENO 2

而在标准I/O中没有文件描述符的概念，因此对文件进行读写等操作需要依托于FILE类型指针进行，在 stdio.h 头文件中有相应的定义，如下：

extern struct _IO_FILE *stdin; 
extern struct _IO_FILE *stdout; 
extern struct _IO_FILE *stderr; 

#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr

所以，在标准 I/O 中，可以使用 stdin、 stdout、 stderr 来表示标准输入、标准输出和标准错误。

三、标准I/O函数

fopen()打开文件

在文件I/O中通过使用open函数打开或创建文件,而在标准I/O中可以使用库函数fopen打开或创建文件。fopen()函数原型如下所示：

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

使用该函数需要包含头文件 stdio.h。
函数参数和返回值含义如下：
path： 参数 path 指向文件路径，可以是绝对路径、也可以是相对路径。
mode： 参数 mode 指定了对该文件的读写权限，是一个字符串，稍后介绍。
返回值： 调用成功返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），该指针与打开或创建的文件相关联，
后续的标准 I/O 操作将围绕 FILE 指针进行。 如果失败则返回 NULL，并设置 errno 以指示错误原因。

参数 mode 字符串类型，可取值为如下值之一：

mode	说明	对应于 open()函数的 flags 参数取值
r	以只读方式打开文件。	O_RDONLY
r+	以可读、可写方式打开文件。	O_RDWR
w	以只写方式打开文件，如果参数 path 指定的文件存在，将文件长度截断为 0；如果指定文件不存在则创建该文件	O_WRONLY \| O_CREAT \| O_TRUNC
w+	以可读、可写方式打开文件，如果参数 path 指定的文件存在，将文件长度截断为 0；如果指定文件不存在则创建该文件。	O_RDWR \| O_CREAT \| O_TRUNC
a	以只写方式打开文件，打开以进行追加内容（在文件末尾写入），如果文件不存在则创建该文件	O_WRONLY \| O_CREAT \| O_APPEND
a+	以可读、可写方式打开文件，以追加方式写入（在文件末尾写入），如果文件不存在则创建该文件。	O_RDWR \| O_CREAT \| O_APPEND

调用 fopen()函数新建文件时无法手动指定文件的权限，但却有一个默认值：

S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH (0666)

使用示例：
使用只读方式打开文件：

fopen(path, "r");

使用可读、可写方式打开文件：

fopen(path, "r+");

使用只写方式打开文件，并将文件长度截断为 0，如果文件不存在则创建该文件：

fopen(path, "w");

fclose()关闭文件

#include 
int fclose(FILE *stream);
参数 stream 为 FILE 类型指针，调用成功返回 0；失败将返回 EOF（也就是-1），并且会设置 errno 来
指示错误原因

fwrite()和fread()

#include 
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

库函数 fread()用于读取文件数据，其参数和返回值含义如下：
ptr： fread()将读取到的数据存放在参数 ptr 指向的缓冲区中；
size： fread()从文件读取 nmemb 个数据项，每一个数据项的大小为 size 个字节，所以总共读取的数据大
小为 nmemb * size 个字节。
nmemb： 参数 nmemb 指定了读取数据项的个数。
stream： FILE 指针。
返回值： 调用成功时返回读取到的数据项的数目（数据项数目并不等于实际读取的字节数，除非参数
size 等于 1）；如果发生错误或到达文件末尾，则 fread()返回的值将小于参数 nmemb，那么到底发生了错误
还是到达了文件末尾， fread()不能区分文件结尾和错误， 究竟是哪一种情况，此时可以使用 ferror()或 feof()


库函数 fwrite()用于将数据写入到文件中，其参数和返回值含义如下：
ptr： 将参数 ptr 指向的缓冲区中的数据写入到文件中。
size： 参数 size 指定了每个数据项的字节大小，与 fread()函数的 size 参数意义相同。
nmemb： 参数 nmemb 指定了写入的数据项个数，与 fread()函数的 nmemb 参数意义相同。
stream： FILE 指针。
返回值： 调用成功时返回写入的数据项的数目（数据项数目并不等于实际写的字节数，除非参数
size 等于 1）；如果发生错误，则 fwrite()返回的值将小于参数 nmemb（或者等于 0）。

使用案例如下：

fwrite.c

使用 fopen()函数将当前目录下的 test_file 文件打开，调用 fopen()时 mode 参数设置为"w"，表示以只写的方式打开文件，并将文件的长度截断为 0，如果指定文件不存在则创建该文件。打开文件之后调用fwrite()函数将"Hello World!"字符串数据写入到文件中

#include 
#include 

int main(void)
{
    char buf[] = "Hello World!n";
    FILE *fp = NULL;
    
    if (NULL == (fp = fopen("./test_file", "w"))) {
        perror("fopen error");
        exit(-1);
    }

    printf("文件打开成功!n");


    
    if (sizeof(buf) >
    fwrite(buf, 1, sizeof(buf), fp)) {
        printf("fwrite errorn");
        fclose(fp);
        exit(-1);
    }
    printf("数据写入成功!n");
    
    fclose(fp);
    exit(0);
}

fread.c

使用 fread()函数从文件中读取 12 * 1=12 个字节的数据，将读取到的数据存放在 buf 中，当读取到的字节数小于指定字节数时，表示发生了错误或者已经到达了文件末尾，程序中调用了库函数 ferror()来判断是不是发生了错误。

#include 
#include 


int main(void)
{
    char buf[50] = {0};
    FILE *fp = NULL;
    int size;
    
    if ((fp = fopen("./test_file", "r")) == NULL) {
        perror("fopen error");
        exit(-1);
    }
    printf("文件打开成功!n");

    
    if ((size = fread(buf, 1, 12, fp)) < 12) {
    if (ferror(fp)) { //使用 ferror 判断是否是发生错误
        printf("fread errorn");
        fclose(fp);
        exit(-1);
    }

    
    }
    printf("成功读取%d 个字节数据: %sn", size, buf);
    
    fclose(fp);
    exit(0);
}

编译后运行结果如下：

fseek函数

库函数 fseek()的作用类似于系统调用 lseek()，用于设置文件读写位置偏移量， lseek()用于文件 I/O，而库函数 fseek()则用于标准 I/O，其函数原型如下所示：

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

函数参数和返回值含义如下：
stream： FILE 指针。
offset： 与 lseek()函数的 offset 参数意义相同。
whence： 与 lseek()函数的 whence 参数意义相同。
返回值： 成功返回 0；发生错误将返回-1，并且会设置 errno 以指示错误原因； 与 lseek()函数的返回值
意义不同，这里要注意！

ftell()函数

库函数 ftell()可用于获取文件当前的读写位置偏移量，其函数原型如下所示：

#include 
long ftell(FILE *stream);
参数 stream 指向对应的文件，函数调用成功将返回当前读写位置偏移量；调用失败将返回-1，并会设置
errno 以指示错误原因

feof()函数
feof()用于测试参数 stream 所指文件的 end-of-file 标志，如果 end-of-file 标志被设置了，则调用feof()函数将返回一个非零值，如果 end-of-file 标志没有被设置，则返回 0。

#include 
int feof(FILE *stream);
当文件的读写位置移动到了文件末尾时， end-of-file 标志将会被设置。

用法如下：
if (feof(file)) {

}
else {

}

ferror()函数

库函数 ferror()用于测试参数 stream 所指文件的错误标志，如果错误标志被设置了，则调用 ferror()函数将返回一个非零值，如果错误标志没有被设置，则返回 0。

#include 
int ferror(FILE *stream);

当对文件的 I/O 操作发生错误时，错误标志将会被设置。
if (ferror(file)) {

}
else {

}

clearerr()函数

库函数 clearerr()用于清除 end-of-file 标志和错误标志，当调用 feof()或 ferror()校验这些标志后，通常需要清除这些标志，避免下次校验时使用到的是上一次设置的值，此时可以手动调用 clearerr()函数清除标志。

#include 
void clearerr(FILE *stream);

格式化输出：

C 库函数提供了 5 个格式化输出函数，包括： printf()、 fprintf()、 dprintf()、 sprintf()、 snprintf()，其函数定义如下所示：

#include 
int printf(const char *format, ...);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int dprintf(int fd, const char *format, ...);
int sprintf(char *buf, const char *format, ...);
int snprintf(char *buf, size_t size, const char *format, ...);

printf函数

作为最常用的函数可以实现，将程序的字符串信息输出到终端。常用的用法如下：

输出Hello Linux

printf("Hello Linuxn");

输出数字5

printf("%dn",5);

fprintf函数

fprintf()可将格式化数据写入到由 FILE 指针指定的文件中，譬如将字符串写入到标准输出：

#include 

int main(void)
{
    fprintf(stdout, "Hello worldn");
    fprintf(stdout, "数字是%dn",5);

    return 0;
}

运行结果如下：

dprintf()函数

dprintf()可将格式化数据写入到由文件描述符 fd 指定的文件中，譬如将字符串“Hello World”写入到标准输出：

#include 
#include 

int main(void)
{
    dprintf(STDOUT_FILENO, "Hello World!n");
    dprintf(STDOUT_FILENO, "数字是%dn",6);

    return 0;
}

运行结果如下：

sprintf()函数
sprintf()函数将格式化数据存储在由参数 buf 所指定的缓冲区中，譬如将字符串“Hello World”存放在缓冲区中：

#include 
#include 

int main(void)
{
    char buf[20];   //长度为20的缓冲区
    sprintf(buf, "Hello World!");
    printf("%sn", buf);
    return 0;
}

运行结果如下：

sprintf()函数可能会造成由参数 buf 指定的缓冲区溢出，调用者有责任确保该缓冲区足够大，因为缓冲区溢出会造成程序不稳定甚至安全隐患！

snprintf()函数

snprintf()函数；在该函数中，使用参数 size 显式的指定缓冲区的大小，如果写入到缓冲区的字节数大于参数 size 指定的大小，超出的部分将会被丢弃！

格式化输入：

C 库函数提供了 3 个格式化输入函数，包括： scanf()、 fscanf()、 sscanf()，其函数定义如下所示：

#include 
int scanf(const char *format, ...);
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sscanf(const char *str, const char *format, ...);

scanf()函数

int a, b, c;
scanf("%d %d %d", &a, &b, &c);

fscanf()函数
fscanf()函数从指定文件中读取数据，作为格式转换的输入数据，文件通过 FILE 指针指定，所以它有两个固定参数， FILE 指针和格式控制字符串 format。譬如从标准输入文件中读取数据进行格式化转换：

int a, b, c;
fscanf(stdin, "%d %d %d", &a, &b, &c);

sscanf()函数

sscanf()将从参数 str 所指向的字符串缓冲区中读取数据，作为格式转换的输入数据，所以它也有两个固定参数，字符串 str 和格式控制字符串 format，譬如

char *str = "5454 hello";
char buf[10];
int a;
sscanf(str, "%d %s", &a, buf);

文件描述符与 FILE 指针互转

库函数 fileno()可以将标准 I/O 中使用的 FILE 指针转换为文件 I/O 中所使用的文件描述符，而 fdopen()则进行着相反的操作，其函数原型如下所示：

#include 
int fileno(FILE *stream);
FILE *fdopen(int fd, const char *mode);

fdopen()函数与 fileno()功能相反，给定一个文件描述符，得到该文件对应的 FILE 指针，之后便可以使
用诸如 fread()、 fwrite()等标准 I/O 方式操作文件了。参数 mode 与 fopen()函数中的 mode 参数含义相同

9.标准I/O库

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