Linux 系统编程导读 - 缓冲输入输出

简介

本章主要介绍C所提供的标准I/O操作。不同于前面的open只能在Linux上被支持，C标准接口能够在不同系统中被支持。两个基本的概念，关于底层的I/O操作，效率问题。

1. 磁盘，读写最下层就是磁盘的操作。所有的磁盘操作都是基于块进行，这句话的意思就是如果跨越块进行读写会导致效率降低，因此读写请求若选择块大小的整数倍和约数倍的话，就能够保证不会出现跨越块进行读写的问题。
2. 内存，常听到的内存对齐问题。CPU进行读写数的时候，对于32位的机器，一次读取写入4字节，并且是按照起始地址开始的，例如CPU要读取一个值时，它只会从4的倍数的地址进行读写，只会读取0，4，8这些地址（起始地址为0）。因此内存对齐的好处是，假设我们要读一个4字节的值，地址在0x5，那么CPU就要先读0x4，取出3字节；然后再读0x8，取出1字节，相当于进行了两次操作，严重影响效率；对齐的话，就能够保证不会产生多余的操作。

而C的接口默认优化了这些问题，内存对齐一般编译器会优化好。
** 其他 **：
分区对齐：将分区的起始位置放在扇区的0处，这样才能保证每一个block都在单独的一个扇区中，一个扇区中包含多个block，若不对齐，那么将会导致一个block跨越两个扇区，严重影响速度。

用户缓冲I/O

用户缓冲I/O的作用类似于内核的缓冲区，在用户空间设置输入输出的缓冲区，目的也是为了提供I/O效率。
标准I/O不同于系统I/O，它使用的不是文件描述符操作，而是文件指针，也就是”流”，最常见的是标准输入输出流，stdin和stdout，对应于文件描述符0和1。

打开文件

返回的是文件指针，也就是 “流”，下面的接口也是最常用：

#include <stdio.h>
FILE* fopen(const char * path, const char * mode);

因为文件描述符和流是对应的，因此也可以由文件描述符转化为 流：

#include <stdio.h>
FILE * fdopen (int fd, const char *mode);

两者将会关联，通过一个修改就会影响另一个的操作。模式必须匹配。

关闭流

最常用的就是fclose了：

#include <stdio.h>
int fclose (FILE *stream);

关闭所有和当前进程相关的流接口：

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
int fcloseall (void);

该函数是Linux特有的。

从流中读取数据

单字节读取

#include <stdio.h>
int fgetc (FILE *stream);

从流中读取下一个字符，并将该无符号字符强转为int返回。

将字符放在流中

#include <stdio.h>
int ungetc (int c, FILE *stream);

类似于一个栈，后放入先被读出，一个简单的例子能够很好的表示：

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
/*
http://c.biancheng.net/cpp/html/269.html
*/
int main()
{
	char c ;
	while( (c = getchar()) != EOF && isdigit(c) )
	{
		printf("%c ", c) ;		
	} 
	ungetc(c, stdin) ;
	ungetc('c', stdin) ;

	printf("%c \n", getchar()) ;
	return 0 ;
}

icepng@ubuntu:~$ ./test 
12345qwe
1 2 3 4 5 c

按行读取

读取一个字符串

#include <stdio.h>
char * fgets (char *str, int size, FILE *stream);

从流中最多读取size-1个字节，并存入str中。当所有字节读入时，空字符会被存入字符串末尾。当读到EOF或换行符时读入结束，若读到一个换行符，则将”\n”存入。
也就是说最后一个会放入’\0’。例如：

#include <stdio.h>

int main()
{
	char c[10] ;
	
	fgets(c, 10, stdin) ;
	
	if( c[5] == '\0' ) puts("yes")  ;
	return 0 ;
}

icepng@ubuntu:~$ ./test 
1234
yes

可以得知，c[0-3]存入1-4，c[4]存入’\n’，c[5]存入’\0’。

读取二进制文件

#include <stdio.h>
size_t fread (void *buf, size_t size, size_t nr, FILE *stream);

从流中读入 nr个数据，每个数据size个字节。返回读入元素的个数。

向流中写数据

和读对应的一些接口

写入单个字符

#include <stdio.h>
int fputc (int c, FILE *stream);

写入字符串

#include <stdio.h>
int fputs (const char *str, FILE *stream);

写入二进制数据

#include <stdio.h>
size_t fwrite (void *buf, size_t size, size_t nr, FILE *stream);

定位流

目的是用于指定位置读写

#include <stdio.h>
int fseek (FILE *stream, long offset, int whence);

类似于系统I/O中的lseek，偏移也是由whence和offset共同决定的。成功返回0，失败返回-1。
fsetpos函数则用于直接定位到指定位置：

#include <stdio.h>
int fsetpos (FILE *stream, fpos_t *pos);

rewind函数用于重置流到初始位置：

#include <stdio.h>
void rewind (FILE *stream);

ftell用于返回当前流的位置：

#include <stdio.h>
long ftell (FILE *stream);

类似功能的接口为fgetpos，用于获取流的当前位置，并写入pos中：

#include <stdioh.h>
int fgetpos (FILE *stream, fpos_t *pos);

参考：http://www.runoob.com/cprogramming/c-function-fgetpos.html

清洗一个流

即将用户缓冲区的数据写入到内核之中。

#include <stdio.h>
int fflush (FILE *stream);

错误与文件结束

一些接口在遇到文件结束EOF和发生错误时返回的一样，如fread等。
用于测试是否在流中设置了错误标志的ferror：

#include <stdio.h>
int ferror (FILE *stream);

测试文件结束标志是否设置的feof：

#include <stdio.h>
int feof (FILE *stream);

为流清空错误和文件结尾标志的clearerr；

#include <stdio.h>
void clearerr (FILE *stream);

获得关联的文件描述符

由流获取到文件描述符，和fdopen正好是相反的功能：

#include <stdio.h>
int fileno (FILE *stream);

返回和流关联的文件描述符，失败时返回-1.

控制缓冲

即对用户缓冲区的控制，可以设置为不缓冲、行缓冲、块缓冲
行缓冲：在每次遇到换行符，缓冲区将被提交给内核缓冲区。（标准输出stdout，即屏幕输出，默认是行缓冲）
块缓冲：默认所有和文件相关的流都是块缓冲。块缓冲又称为全缓冲。

#include <stdio.h>
int setvbuf (FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);

模式用于设置三种缓冲形式：
_IONBF：无缓冲
_IOLBF：行缓冲
_IOFBF：块缓冲
buf指向一个size大小的缓冲区空间。无缓冲模式不考虑。如果buf为空，缓冲区则有glibc自动分配。
成功时返回0，不成功返回非0.
注意：在流关闭前，缓冲区必须存在，有时候设置buf为局部变量在作用域结束后导致缓冲区销毁；需注意在之前关闭流。

其他

标准C多线程访问，本质上是线程安全的，即多线程访问，默认会加锁处理。也可以人为加锁。