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 1024

int 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。