C标准库的文件IO

Linux系统的所有程序和数据都是以“文件”的形式进行存储，所有Linux用户和程序看到的文件、目录以及文件保护信息都存储在其中，在Linux系统中，一切皆文件。

Linux系统可以把文件分为以下七种：

1.规则文件          (-)    存储在外部存储器中，用于存储普通数据

2.目录文件          (d)    用于存放目录项，是文件系统管理的重要文件类型

3.管道文件          (p)    用于进程间通信的特殊文件，也被命名为管道（FIFO，先进先出）

4.套接字文件      (s)    一种用于网络间通信的特殊文件

5.链接文件          (l)    用于间接访问另外一个目标文件，类似于Windows的快捷方式，其中软连接具有独立的inode号，其在链接到的目标文件被删除后将失效，硬链接和源文件是相同的inode号，在源文件被删除后仍然可以正常访问

6.字符设备文件  (c)    字符设备在应用层的访问接口

7.块设备文件      (b)    块设备在应用层的访问接口

上述的数据都是以文件的形式存储在Linux系统当中，且Linux系统为简化不同类型的文件的操作流程，提供了一套POSIX标准，对不同操作系统的访问接口做出了统一的规范，其目的是提高程序的兼容性和可阅读性。

C语言同样也具有语法标准，并且C语法标准在发布的时候也会提供相应的库给用户，库函数同样遵循POSIX标准进行设计，并且具有良好的跨平台兼容性。

Linux系统提供了一套系统IO接口，系统IO是内核暴露给用户的系统调用接口，在调用时，系统会执行trap，CPU切换到内核态。系统IO的调用开销大，每次调用的时候都需要执行内核态与用户态之间的切换，并且由于不同系统的调用接口不同，其程序的跨平台兼容性相对较差。

在此基础上，标准C库提供了一套标准IO，其在系统IO的基础上封装了一层缓冲区，利用文件流的形式包装fd，通过批量读写减少系统调用次数。

标准IO与系统IO各有利弊，在常见的文件读取操作下，使用标准IO能够有效降低系统开销，并且标准IO提供了按行写入和按块读取等高级操作，其读写相对更方便，但是对于实时性要求较高的环境下或者进行网络编程时，仍然需要使用系统IO快速访问。

标准C库中关于文件输入和输出的函数接口一般被称为标准IO，访问文件的常用的标准IO函数有fopen(), fread(), fwrite(), fclose(), fputc(), fputs(), fscanf()等。

1.打开文件

在标准C库中，如果要打开访问一个文件，标准IO中提供了一个fopen函数，用户只需要包含头文件stdio.h即可调用，如果文件打开成功，则返回指向该文件的一个FILE类型指针，如果文件打开失败则返回NULL。FILE*是标准c定义的一个文件流指针，其数据结构为一个链表的形式，内核采用链表的形式进行管理。FILE是一个宏定义，其表示为一个_IO_FILE的结构体。

在调用fopen打开文件时，内核会从堆内存中申请一块FILE结构体大小的空间用于存储文件的所有信息，然后按照文件打开的顺序把每个打开的文件的结构体形成一张链表，然后使用链表头进行管理。打开文件的目的是对文件进行操作，在每次运行程序的时候，都会有三个文件流被打开，它们分别是标准输入流stdin、标准输出流stdout以及标准错误流stderr。

fopen函数的第一个参数为文件路径字符串，第二个路径也为字符串，其可以选择的范围有：

“r”     只读打开，需要文件存在
“r+”   以读写的方式打开，要求文件必须存在
“w”    以只写的方式打开，文件不存在将创建新文件，文件已存在将清空文件
“w+”  以读写的方式打开，文件不存在将创建文件，文件已存在将清空文件
“a”     以只写的方式打开，文件不存在将创建文件，文件光标自动定位到文件末尾，以追加方式进行写入
“a+”   以读写的方式打开，文件不存在将创建文件，文件光标自动定位到文件末尾，以追加的方式进行写入
“b”   以二进制的形式打开，在默认没有b参数的时候，文件默认按文本形式打开z

在Windows环境下，其换行默认为\r\n，因此，在计算机识别到\r\n是，会默认将其转换为\n返回，如果是写入\n，则会将其转换为\r\n，如果在文件打开时使用了b参数，则会将\r当作普通字符进行处理，与Unix环境统一。为了保证程序的跨平台兼容性，采用b参数可以预防一些意料之外的错误。

2.读取文件

读取函数在标准C库中主要有以下三类，分别是字符读取fgetc(), 按行读取fgets(), 按块读取fread()。

其中，fgetc函数为逐字符读取，其返回类型为unsigned char，在识别到"\n"后会将其当作普通字符返回，特别注意的是，当函数读取到EOF之后，其将返回EOF，且文件光标位置不会向后移动，如果再次读取其仍然会返回EOF。

fgets是按行读取函数，其在读取到"\n"、EOF或者第n-1个字符后将会自动终止。fread函数表示按块读取，其函数原型为

fread(void *restrict ptr, size_t size, size_t n, FILE *restrict stream)

其中第一个参数ptr表示读取结果dst存放地址，第二个表示单个数据的空间尺寸，第三个表示读取的块的个数，第四个参数为文件流。fread函数返回成功读取的文件个数，在不出错的情况下返回n。

在读取过程中，如果出现了错误，函数的返回值也会是EOF，在读取到末尾的时候也会是EOF，因此，在标准C库中还有一个feof()以及clearerr()接口，其中feof函数返回为一个int类型数据，其仅在文件流的指针指向末尾的时候返回非0值，换句话说，如果是正常读取到了文件的末尾，函数返回值为真，如果发生了错误，函数返回值为假。

clearerr函数是void类型函数，其主要作用是清除文件错误标识符。

3.写入文件

常见的写入函数有fputc、fputs等，其中fputc是按字符写入，其函数原型为int fputc(int c, FILE *stream)，如果写入成功则返回写入的值，写入失败则返回EOF，特别注意写入的参数c是int类别，其在写入的时候会被默认截断为unsigned int类别，这个操作通常是静默的。通常情况下，可以将返回值与写入值进行比较，以确保写入正确，未发生意外的截断。

fputs则是按字符串写入到文件，其函数原型为fputs(const char *restrict s, FILE *restrict stream)，写入成功返回一个非负整数，写入失败则返回EOF。这个写入在遇到"\0"时结束，并且在结尾处不会自动添加换行，如果需要添加换行，则需要自行添加\n。

此外还有标准格式化写入，fprintf(FILE *restrict _Nonnull, const char *restrict _Nonnull, ...)，其第一个参数为目标写入的文件，后面的参数的使用方法与printf完全一致，如果将第一个参数填写为标准输出流，那么这个函数等效于printf。

4.文件光标移动

在写入或者读取过程中，有时需要调整文件的光标的位置，在标准C库中通常提供了文件光标的有关操作函数。常见的光标操作函数有fgetpos(FILE *restrict stream, fpos_t *restrict pos)、fseek(FILE *stream, long off, int whence)

fgetpos函数用于读取当前打开的文件的光标位置，其函数原型为fgetpos(FILE *restrict stream, fpos_t *restrict pos)，其中fpos_t是一个结构体类型数据，其包含pos和state两个变量，其中pos是一个long类型变量用于记录指针偏移量，state是一个结构体类型变量，其主要用于记录多字节字符和宽字符的转换状态，其结构类型为

typedef struct
{
  int __count;
  union
  {
    __WINT_TYPE__ __wch;
    char __wchb[4];
  } __value;		/* Value so far.  */
} __mbstate_t;

其中，__count记录转换器当前已处理但尚未凑齐一个完整字符的字节数量，如果为0则代表上一个已经处理完毕，联合体变量__wch记录解析值，__wchb[4]记录已经读取的不完整的部分原始值。

fgetpos函数其读取到的光标位置存储在fpos_t变量里，其如果成功则返回0，失败则返回一个非0数值，并且会在errno中存储错误。

fseek函数能够快速实现对光标的偏移，其函数原型fseek(FILE *stream, long off, int whence)，stream参数传入打开的文件的文件流指针，off传入偏移量，向前偏移为正数向后偏移为负数，whence表示起始位置，其由三个宏来表达，分别是SEEK_SET，SEEK_CUR，SEEK_END，分别表示文件开头、当前位置、文件末尾。如果设置成功函数返回0，失败则返回一个非0值。