Linux应用开发：标准IO库（下）

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linux应用开发：标准IO库（下）

一、文件状态判断

1.1 feof() 函数

1.2 ferror() 函数

1.3 clearerr() 函数

二、格式化 I/O

2.1 格式化输出

2.2 格式化输入

三、I/O 缓冲

3.1 什么是文件 I/O 的内核缓冲

3.2 刷新文件 I/O 的内核缓冲区

3.3 内核缓冲标志

3.4 直接 I/O：绕过内核缓冲

3.5 标准 I/O 的 stdio 缓冲

四、文件描述符与 FILE 指针互转

Linux应用开发：标准IO库（下）

一、文件状态判断

我们在使用 fread() 读取数据时，如果发生了错误或者已经到了文件末尾（文件结束 end-of-file 置位）的情况，读取文件操作会停止，这时我们可以通过错误标志和判断文件末尾标志进行判断，定位问题出现在哪里，下面的函数就是判断这些标志的接口函数

1.1 feof() 函数

feof() 用于 测试参数文件的 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，函数原型如下：

#include int feof(FILE *stream);

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判断文件是否到末尾可以用如下判断方式：

if(feof(file)) { //指向文件已经到达文件末尾 }else { //指向文件未到达文件末尾 }

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1.2 ferror() 函数

用于 测试文件的错误标志，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，函数原型如下：

#include int ferror(FILE *stream);

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判断操作文件是否发生错误：

if (ferror(file)) { // 发生错误 } else { // 未发生错误 }

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1.3 clearerr() 函数

clearerr() 用于清除 end-of-file 标志和错误标志，在调用 feof()或 ferror() 校验标志后，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，函数原型：

#include void clearerr(FILE *stream);

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函数没有返回值，调用将总会成功

二、格式化 I/O

2.1 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()，函数定义如下

#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, ...);

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2.1.1 printf() 函数

将程序中的字符串信息输出显示到终端

2.1.2 fprintf()函数

可将格式化数据写入到 由 FILE 指针指定的文件中，如将字符串“Hello World”写入到标准错误文件中：

fprintf(stderr, "Hello World!\n");

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2.1.3 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，将字符串“Hello World”写入到标准错误文件

dprintf(STDERR_FILENO, "Hello World!\n");

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2.1.4 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

char buf[100]; sprintf(buf, "Hello World!\n");

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sprintf()函数会在字符串尾端自动加上一个字符串终止字符’

sprintf()函数会在字符串尾端自动加上一个字符串终止字符’\0’

2.1.5 snprintf()函数

sprintf() 函数可能会发生缓冲区溢出的问题，存在安全隐患，为了解决这个问题，引入了 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！如果缓冲区空间足够大，snprintf()函数就会 返回写入到缓冲区的字符数，与 sprintf() 函数相同，也会在字符串末尾自动添加终止字符’

sprintf() 函数可能会发生缓冲区溢出的问题，存在安全隐患，为了解决这个问题，引入了 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！如果缓冲区空间足够大，snprintf()函数就会 返回写入到缓冲区的字符数，与 sprintf() 函数相同，也会在字符串末尾自动添加终止字符’\0’

2.2 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()，其函数原型如下：

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

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2.2.1 scanf() 函数

scanf()函数将用户输入（标准输入）的数据进行格式化转换并进行存储，当程序中调用 scanf()的时候，终端会被阻塞，等待用户输入数据，例如从键盘输入数据存储到 a，b，c

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

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函数发生错误则返回负值

2.2.2 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，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);

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调用成功后，将返回成功匹配和分配的输入项的数量；如果较早匹配失败，则该数目可能小于所提供的数目，甚至为零。发生错误则返回负值

2.2.3 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，如下从 str 中按照格式读数据存储到 buf 中：

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

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三、I/O 缓冲

系统 I/O 调用（即文件 I/O，open、read、write 等）和标准 C 语言库 I/O 函数（即标准 I/O 函数）在操作磁盘文件时会对数据进行缓冲！

3.1 什么是文件 I/O 的内核缓冲

read() 和 write() 系统调用在进行文件读写操作的时候 不会直接访问磁盘设备，而是 在用户空间缓冲区和内核缓冲区（kernel buffer cache）之间复制数据，这个内核缓冲区就称为文件 I/O 的内核缓冲，因为磁盘操作通常是比较缓慢的，这一设计可以减少内核操作磁盘的次数，提高效率，至于内核什么时候将数据写入到磁盘设备中，具体什么时间点写入到磁盘，这个是不确定的，由内核根据相应的存储算法自动判断

文件 I/O 的内核缓冲区自然是越大越好，Linux 内核本身对内核缓冲区的大小没有固定上限。内核会分配尽可能多的内核空间来作为文件 I/O 的内核缓冲区，但也会受限于物理内存的总量，如果系统可用的物理内存越多，那自然对应的内核缓冲区也就越大，操作越大的文件也要依赖于更大空间的内核缓冲。

3.2 刷新文件 I/O 的内核缓冲区

Linux 中提供了一些系统调用可用于控制文件 I/O 内核缓冲，包括系统调用 sync()、syncfs()、fsync()以及 fdatasync() ，用于强制将文件 I/O 内核缓冲区中缓存的数据写入（刷新）到磁盘设备中或者其他的一些操作

3.2.1 fsync()函数

系统调用 fsync() 将参数 fd （文件描述符） 所指文件的内容数据和元数据写入磁盘，只有在对磁盘设备的写入操作完成之后，fsync()函数才会返回，函数原型

#include int fsync(int fd);

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元数据并不是文件内容本身的数据，而是一些用于记录文件属性相关的数据信息，譬如文件大小、时间戳、权限等等信息，这里统称为文件的元数据，这些信息也是存储在磁盘设备中的

3.2.2 fdatasync()函数

系统调用 fdatasync()与 fsync()类似，不同之处在于 fdatasync() 仅将参数 fd 所指文件的内容数据写入磁盘，并不包括文件的元数据；只有在对磁盘设备的写入操作完成之后，fdatasync()函数才会返回，函数原型：

#include int fdatasync(int fd);

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3.2.3 sync()函数

系统调用 sync()会将所有文件 I/O 内核缓冲区中的文件内容数据和元数据全部更新到磁盘设备中，该函数没有参数、也无返回值，函数原型

#include void sync(void);

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频繁调用 fsync()、fdatasync()、sync() 会对性能的影响极大，使用需要注意

3.3 内核缓冲标志

调用 open() 函数时指定一些标志也可以影响到文件 I/O 内核缓冲，譬如 O_DSYNC 标志和 O_SYNC 标志

3.3.1 O_DSYNC 标志

调用 open()函数时，指定 O_DSYNC 标志，其效果类似于在每个 write() 调用之后调用 fdatasync() 函数进行数据同步，使用如下：

fd = open(filepath, O_WRONLY | O_DSYNC);

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3.3.2 O_SYNC 标志

指定 O_SYNC 标志，其效果类似于在每个 write()调用之后调用 fsync() 函数进行数据同步，使用如下：

fd = open(filepath, O_WRONLY | O_SYNC);

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3.4 直接 I/O：绕过内核缓冲

从 Linux 内核 2.4 版本开始，Linux 允许应用程序在执行文件 I/O 操作时绕过内核缓冲区，从用户空间直接将数据传递到文件或磁盘设备，把这种操作也称为直接 I/O（direct I/O）或裸 I/O（raw I/O）

要对某一文件或块设备执行直接 I/O，要在调用 open()函数打开文件时，指定 O_DIRECT 标志，该标志在 Linux 内核 2.4.10 版本开始生效，使用实例如下：

fd = open(filepath, O_WRONLY | O_DIRECT);

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直接 I/O 使用的对齐限制

直接 I/O 涉及到对磁盘设备的直接访问，所以在执行直接 I/O 时，必须要遵守以下三个对齐限制：

应用程序中用于存放数据的缓冲区，其内存起始地址必须以块大小的整数倍进行对齐

写文件时，文件的位置偏移量必须是块大小的整数倍

写入到文件的数据大小必须是块大小的整数倍

不满足以上任何一个要求，调用 write() 进行写入时均为以错误返回 Invalid argument

直接 I/O 效率、性能比较低，绝大部分应用程序不会使用直接 I/O 方式对文件进行 I/O 操作，通常只在一些特殊的应用场合下才可能会使用，比如使用直接 I/O 方式来测试磁盘设备的读写速率，这种测试方式相比普通 I/O 方式就会更加准确

3.5 标准 I/O 的 stdio 缓冲

首先我们知道一点：

标准 I/O（fopen、fread、fwrite、fclose、fseek 等）是 C 语言标准库函数

文件 I/O（open、read、write、close、lseek 等）是系统调用

虽然标准 I/O 是在文件 I/O 基础上进行封装而实现，但在 效率、性能上标准 I/O 要优于文件 I/O，其 原因在于标准 I/O 实现维护了自己的缓冲区，我们把这个缓冲区称为 stdio 缓冲区

文件 I/O 内核缓冲，这是由内核维护的缓冲区，而标准 I/O 所维护的 stdio 缓冲是用户空间的缓冲区，下面介绍一些对 stdio 缓冲区进行操作的函数：

3.5.1 setbuf()

setvbuf() 库函数可以对文件的 stdio 缓冲区进行设置，譬如缓冲区的缓冲模式、缓冲区的大小、起始地址等。其函数原型如下：

#include int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);

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函数参数和返回值含义如下：

mode 取值

3.5.2 setbuffer()

setbuf()函数构建与 setvbuf()之上，函数原型

#include void setbuf(FILE *stream, char *buf);

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相当于执行如下程序：

setvbuf(stream, buf, buf ? _IOFBF : _IONBF, BUFSIZ);

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3.5.3 setvbuf()

setbuffer() 函数类似于 setbuf()，但允许调用者指定 buf 缓冲区的大小，函数原型：

#include void setbuffer(FILE *stream, char *buf, size_t size);

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调用除了不返回函数结果，调用结果类似于调用下面的代码

setvbuf(stream, buf, buf ? _IOFBF : _IONBF, size);

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3.5.4 fflush()

fflush() 来强制刷新 stdio 缓冲区，该函数会刷新指定文件的 stdio 输出缓冲区，其实就是通过 write() 函数将输出到 stdio 缓冲区中的数据写入到内核缓冲区，函数原型如下：

#include int fflush(FILE *stream);

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参数 stream 指定需要进行强制刷新的文件，如果该参数设置为 NULL，则表示刷新所有的 stdio 缓冲区，调用成功返回 0，否则将返回-1，并设置 errno 以指示错误原因

调用 fclose() 关闭文件时会自动刷新文件的 stdio 缓冲区

文件 I/O 内核缓冲区和 stdio 缓冲区之间的联系与区别如下图：

应用程序调用标准 I/O 库函数将用户数据写入到 stdio 缓冲区中（stdio 缓冲区是由 stdio 库所维护的用户空间缓冲区），当满足条件时，stdio 库会调用文件 I/O（系统调用 I/O）将 stdio 缓冲区中缓存的数据写入到内核缓冲区中，内核缓冲区位于内核空间，最终由内核向磁盘设备发起读写操作，将内核缓冲区中的数据写入到磁盘（写入操作由具体算法控制）

应用程序可以调用相关系统调用对内核缓冲区进行控制，譬如调用 fsync()、fdatasync()或 sync()来刷新内核缓冲区

四、文件描述符与 FILE 指针互转

在同一个文件上执行 I/O 操作时，可以将文件 I/O（系统调用 I/O）与标准 I/O 混合使用，这个时候我们就需要将文件描述符和 FILE 指针对象之间进行转换，

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，函数原型如下：

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

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fileno() 根据传入的 FILE 指针得到整数文件描述符，通过返回值得到文件描述符，如果转换错误将返回-1，且会设置 errno 来指示错误原因

fdopen() 给定一个文件描述符，得到该文件对应的 FILE 指针

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