第9章 I/O库函数
9.1 I/O库函数
系统调用是文件操作的基础，但它们只支持数据块的读/写。
实际上，用户程序可能希望以最适合应用程序的逻辑单元读/写文件，如行、字符、结构化记录等，而系统调用不支持这些逻辑单元。I/O库函数实现了这一目的。
9.2 I/O库函数与系统调用
- 系统调用函数：open()、read()、write()、lseek()、close()；
- I/O库函数：fopen()、fread()、fwrite()、fseek()、fclose()。
fopen()依赖于open()，fread()依赖于read()。
9.3 I/O库函数的算法
9.3.1 fread算法
算法如下：
- 在第一次调用fread()时，FILE结构体的缓冲区是空的，fread()使用保存的文件描述符fd发出一个
n = read(fd, fbuffer, BLKSIZE);
系统调用，用数据块填充内部的fbuf[]。然后，它会初始化fbu[]的指针、计数器和状态变量，以表明内部缓冲区中有一个数据块。接着，通过将数据复制到程序的缓冲区，尝试满足来自内部缓冲区的fread()调用。如果内部缓冲区没有足够的数据，则会再发出一个read()系统调用来填充内部缓冲区，将数据从内部缓冲区传输到程序缓冲区，直到满足所需的字节数(或者文件无更多数据)。将数据复制到程序的缓冲区之后，它会更新内部缓冲区的指针、计数器等，为下一个 fread()请求做好准备。然后，它会返回实际读取的数据对象数量。
- 在随后的每次fread()调用中，它都尝试满足来自FILE结构体内部缓冲区的调用。当缓冲区变为空时，它就会发出read()系统调用来重新填充内部缓冲区。因此，fread()一方面接受来自用户程序的调用，另一方面向操作系统内核发出 read()系统调用。除了read()系统调用之外，所有fread()处理都在用户模式映像中执行。它只在需要时才会进入操作系统内核，并且以一种最高效匹配文件的方式进人。它会提供自动缓冲机制。
9.3.2 fwrite()算法
fwrite()算法与fread()算法相似，只是数据传输方向不同。最开始，FILE结构体的内部缓冲区是空的。在每次调用fwrite()时，它将数据写入内部缓冲区，并调整缓冲区的指针、计数器和状态变量，以跟踪缓冲区中的字节数。如果缓冲区已满，则发出 write()系统调用，将整个缓冲区写入操作系统内核。
9.3.3 fclose()算法
若文件以写的方式被打开，fclose()会先关闭文件流的局部缓冲区。然后，它会发出一个close(fd)系统调用来关闭FILE结构体中的文件描述符。最后，它会释放FILE结构体，并将FILE指针重置为NULL。
9.4 使用I/O库函数或系统调用
对于以BLKSIZE为单位的读/写数据，使用系统调用比I/O库函数更高效。
9.5 I/O库模式
fopen()中的模式参数可以指定为："r"、"w"、"a"，分别代表读、写、追加。
每个模式字符串可包含一个+号，表示同时读写，或者在写入、追加情况下，如果文件不存在则创建文件。
- "r+":表示读/写,不会截断文件。
- "w+":表示读/写,但是会先截断文件；如果文件不存在，会创建文件。
- "a+":表示通过追加进行读/写；如果文件不存在，会创建文件。
9.5.1 字符模式I/O
int fgetc(FILE *fp); //get a char from fp, cast to int
int ungetc(int c, FILE *fp); //push a previously char got by fgetc() back to stream
int fput(int c, FILE *fp); //put a char to fp
注意，fgetc()返回的是整数，而不是字符。这是因为它必须在文件结束时返回文件结束符。文件结束符通常是一个整数-1,将它与文件流中的任何字符区分开。
对于fp=stdin或stdout，可能会使用c=getchar(); putchar(c)；来代替。对于运行时效来说，getchar()和putchar()通常不是getc()和 putc()的缩小版本。相反，可以将它们实现为宏，以避免额外的函数调用。
9.5.5 其他I/O库函数
- fseek()、ftell()、rewind()：更改文件流中的读/写字节位置。
- feof()、ferr()、fileno()：测试文件流状态。
- fdopen()：用文件描述符打开文件流。
- freopen()：以新名称重新打开现有的流。
- setbuf()、setvbuf()：设置缓冲方案。
- popen()：创建管道，复刻子进程来调用sh。
9.5.6 限制混合fread-fwrite
规范要求每对fread()和fwrite()之间至少有一个fseek()或ftell()。
9.6 文件流缓冲
每个文件流都有一个FILE结构体，其中包含一个内部缓冲区。对文件流进行读写需要遍历FILE结构体的内部缓冲区。文件流可以使用三种缓冲方案中的一种。
-
无缓冲:从非缓冲流中写入或读取的字符将尽快单独传输到文件或从文件中传输。例如,文件流stderr通常无缓冲。到 stderr 的所有输出都会立即发出。
-
行缓冲:遇到换行符时,写人行缓冲流的字符以块的形式传输。例如，文件流stdout通常是行缓冲,逐行输出数据。
-
全缓冲:写入全缓冲流或从中读取的字符以块大小传输到文件或从文件传输。这是文件流的正常缓冲方案。
通过fopen()创建文件流之后，在对其执行任何操作之前，用户均可发出一个
setvbuf(FTLE *stream,char *buf, int node, int size)
调用来设置缓冲区(buf)、缓冲区大小(size)和缓冲方案(mode)，它们必须是以下一个宏:
-
_IONBUF:无缓冲。
-
_IOLBUF:行缓冲。
-
_IOFBUF:全缓冲。
对于行缓冲流或全缓冲流，可用fflush(stream)立即清除流的缓冲区。
9.7 变参函数
目前，C语言和C++会强制执行类型检查，但这两种语言仍然允许参数数量可变的函数。这些函数必须至少使用一个参数进行声明，后跟3个点，如
int func(int m, int n ...) //n = last specified parameter
在函数内部，可以通过C语言库宏访问参数:
void va_start(va_list ap,last); // start param list from last parameter
type va_arg(va_list ap, type); // type = next parameter type
va_end(va_list ap); // clear parameter list
实践代码链接：
https://gitee.com/ye_jia_xing/unix-system-programming/tree/master/systems-programming/char9