数据结构day7——文件IO

一、标准 IO 的起源与概念

标准 IO（Standard Input/Output）是由 Dennis Ritchie 在 1975 年设计的一套 IO 库，后来成为 C 语言的标准组成部分，并被 ANSI C 所采纳。它是对底层文件 IO 的封装，提供了更便捷、可移植的文件操作接口。

核心特点：

  • 设备抽象：将输入输出设备抽象为文件操作
    • 标准输入设备：默认是键盘（/dev/input）
    • 标准输出设备：默认是显示器
  • 跨平台性：任何支持标准 C 的系统都可使用
  • 缓冲机制：在用户程序和文件 IO 之间加入缓冲区，减少系统调用次数，提高效率

在 Linux 系统中，一切皆文件，IO 操作本质上都是对文件的操作。标准 IO 作为 C 语言标准库的一部分，为文件操作提供了统一接口。

二、文件的基本概念

1. 文件的作用

文件是 Linux 系统中存储数据（包括普通数据和指令）的基本单位，是数据持久化的载体。

2. Linux 文件类型（7 种）

  • d：目录文件
  • -：普通文件
  • l：链接文件（link）
  • p：管道文件（pipe）
  • s：套接字文件（socket）
  • c：字符设备文件
  • b：块设备文件

可通过ls -l命令查看文件类型，第一个字符即表示文件类型。

3. 文件内容分类

  • 文本文件：由 ASCII 字符组成，可直接阅读
  • 二进制文件：由二进制数据组成，通常需要特定程序解析

三、IO 的分类

1. 标准 IO

  • 是 ANSI C 设计的一组封装了文件 IO 的库函数
  • 头文件：stdio.h（位于/usr/include/stdio.h）
  • 实现方式：stdio.h→stdio.c→libc.so（动态库，位于/usr/lib）
  • 特点：带缓冲机制，可移植性好

2. 文件 IO

  • 属于系统调用，是底层操作接口
  • 特点：无缓冲，直接与内核交互，效率高但使用复杂

四、头文件引用方式

  • #include <stdio.h>：引用系统库函数头文件

    • 搜索路径：系统默认路径（如/usr/include/）

  • #include "xxx.h"：引用用户自定义头文件

    • 搜索路径：当前目录

五、流（Stream）的概念

流是数据从文件流入和流出所体现的字节序列，在标准 IO 中用FILE*指针表示（称为流对象或文件流指针）。

1. 流的分类

  • 二进制流：由二进制数据组成的流
  • 文本流：由 ASCII 码数据组成的流

2. 标准流

C 语言默认打开三个标准流：

  • stdin：标准输入流（对应键盘）
  • stdout：标准输出流（对应显示器）
  • stderr：标准错误流（对应显示器）

六、缓冲区机制

标准 IO 的一大特点是采用缓冲机制，目的是减少系统调用，提高效率。

1. 缓冲区类型

  • 行缓冲（1KB）

    • 应用场景：主要用于终端交互（如stdout）
    • 刷新条件：遇到\n、缓冲区满、程序正常结束、fflush()强制刷新

  • 全缓冲（4KB）

    • 应用场景：主要用于普通文件操作
    • 刷新条件：缓冲区满、程序正常结束、fflush()强制刷新

  • 无缓冲（0KB）

    • 应用场景：主要用于错误处理（如stderr）
    • 特点：数据直接输出，不经过缓冲

2. 缓冲区操作函数

  • fflush(FILE *stream)：强制刷新缓冲区

七、标准 IO 常用函数

1. 文件打开与关闭

  • fopen()：打开文件并建立流

    FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
     
    • mode参数：
      • r：只读（文件不存在则报错）
      • r+：读写（文件不存在则报错）
      • w：只写（文件不存在则创建，存在则清空）
      • w+：读写（文件不存在则创建，存在则清空）
      • a：追加写（文件不存在则创建）
      • a+：追加读写（文件不存在则创建）

  • fclose()：关闭文件流

    int fclose(FILE *stream);

2. 字符操作函数

  • fgetc(FILE *stream)：从流中读取一个字符
  • fputc(int c, FILE *stream)：向流中写入一个字符
  • getchar()：从标准输入读取一个字符（fgetc(stdin)的宏定义）
  • putchar(int c)：向标准输出写入一个字符（fputc(c, stdout)的宏定义）

示例：实现简单的输入输出循环

while(1)fputc(fgetc(stdin), stdout);

3. 行操作函数

  • fgets(char *s, int size, FILE *stream)：从流中读取一行数据

    char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
     
    • 最多读取size-1个字符，自动添加\0
    • 遇到\n会停止读取，且\n会被包含在结果中

  • fputs(const char *s, FILE *stream)：向流中写入一行数据

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

  • gets()/puts()：与fgets()/fputs()类似，但gets()没有缓冲区大小限制，存在安全隐患

4. 块操作函数（二进制操作）

  • fread()：从流中读取指定大小的数据块

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

  • fwrite()：向流中写入指定大小的数据块

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

示例：结构体读写

struct person {char name[20];int age;char sex;char addr[100];
};struct person p = {"Tom", 20, 'M', "Beijing"};
fwrite(&p, sizeof(struct person), 1, fp);

5. 文件定位函数

  • fseek()：移动文件指针

    int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
     
    • whence参数：
      • SEEK_SET：从文件开头
      • SEEK_CUR：从当前位置
      • SEEK_END：从文件末尾

  • ftell()：获取当前文件指针位置

    long ftell(FILE *stream);

  • rewind()：将文件指针移到开头（等效于fseek(stream, 0L, SEEK_SET)）

    void rewind(FILE *stream);

6. 其他常用函数

  • printf()/scanf()：格式化输入输出
  • sprintf()：将格式化数据写入字符串
  • feof()：判断文件是否到达末尾
  • ferror()：检测流是否出错
  • clearerr()：清除流出错标记

八、标准 IO 操作流程

  1. 打开文件：使用fopen()获取文件流指针（FILE*）
  2. 读写操作：根据需求选择合适的 IO 函数（字符、行、块操作）
  3. 关闭文件：使用fclose()关闭文件流，释放资源

九、实践练习

1. 实现简易cat程序

#include <stdio.h>int main(int argc, char *argv[]) {FILE *fp;int c;if (argc != 2) {fprintf(stderr, "Usage: %s filename\n", argv[0]);return 1;}fp = fopen(argv[1], "r");if (fp == NULL) {fprintf(stderr, "Cannot open file %s\n", argv[1]);return 1;}while ((c = fgetc(fp)) != EOF) {fputc(c, stdout);}fclose(fp);return 0;
}

2. 实现文件拷贝功能

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[]) {FILE *src, *dest;char buffer[BUFFER_SIZE];size_t n;if (argc != 3) {fprintf(stderr, "Usage: %s source destination\n", argv[0]);return 1;}src = fopen(argv[1], "rb");if (src == NULL) {fprintf(stderr, "Cannot open source file %s\n", argv[1]);return 1;}dest = fopen(argv[2], "wb");if (dest == NULL) {fprintf(stderr, "Cannot open destination file %s\n", argv[2]);fclose(src);return 1;}while ((n = fread(buffer, 1, BUFFER_SIZE, src)) > 0) {fwrite(buffer, 1, n, dest);}fclose(src);fclose(dest);return 0;
}

十、man 手册的使用

man 手册是查询函数和命令的重要工具，分为不同章节：

  • man 1 xxx：查看命令帮助
  • man 2 xxx：查看系统调用函数
  • man 3 xxx：查看标准库函数

例如：

  • man 3 fopen：查看 fopen 函数的详细说明
  • man 3 printf：查看 printf 函数的用法

总结

标准 IO 是 C 语言中处理文件操作的重要接口，通过缓冲机制提高了 IO 效率，同时提供了丰富的函数族满足不同场景的需求。掌握标准 IO 的使用，对于 C 语言程序开发至关重要。从基本的字符读写到复杂的文件定位，标准 IO 都提供了简洁而强大的解决方案，是每个 C 程序员必须掌握的基础知识。

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