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嵌入式 - Linux软件编程：标准IO

news 2025/8/12 11:25:44

目录

一、标准 IO 基础概念

二、标准 IO 核心接口与操作流程

1. 打开与关闭文件

fopen 函数：用于打开文件并建立流，原型为FILE *fopen(const char *pathname, const char *mode)。

 核心区别对比表

 详细说明与关键差异

重要注意事项

示例

fclose 函数：用于关闭已打开的流，原型为int fclose(FILE *stream)。

2. 读写操作接口

字符级读写：fputc（写字符）和fgetc（读字符）。例如，fputc('A', fp)将字符 'A' 写入流fp，fgetc(fp)从流fp中读取一个字符；

字符串级读写：fputs（写字符串）和fgets（读字符串）。fputs("hello", fp)写入字符串 "hello"，fgets(buf, 100, fp)从流中最多读取 99 个字符到buf（预留一个位置存结束符 '\0'）；

格式化读写：fprintf（格式化输出）和fscanf（格式化输入）。例如，fprintf(fp, "name: %s", name)按格式写入数据，fscanf(fp, "%d", &num)从流中读取整数到num；

3. 定位操作

4. 操作流程示例

三、特殊流与缓存机制

1. 三个默认打开的流

2. 缓存机制

四、man 手册：查询标准 IO 的利器

五、实战

1. 文件拷贝（fgets 与 fputs 实现）

2. 带记忆功能的数字平均值计算

在 Linux 系统编程中，IO 操作是与外部设备交互的核心环节。其中，标准 IO 作为 C 语言库提供的高级 IO 接口，凭借其缓存机制和简洁的接口设计，成为处理文件和设备交互的常用选择。本文将从标准 IO 的基础概念出发，详细解析其核心接口、缓存机制，并结合实践任务帮助理解与应用。

一、标准 IO 基础概念

标准 IO（Standard I/O）是基于 C 语言库实现的 IO 接口，其设计初衷是简化用户对文件的操作，并通过缓存机制提高 IO 效率。与直接操作内核的文件 IO 不同，标准 IO 为开发者提供了更上层的抽象，屏蔽了底层硬件的细节差异。

标准 IO 的操作对象主要是普通文件，而普通文件又可分为两类：

  • ASCII 码文件：所有内容均为可在屏幕上显示的 ASCII 字符，如程序源码、文本文件等，这类文件可直接通过文本编辑器阅读；
  • 二进制文件：内容以数据的二进制形式存储，包含不可显示的字符，如图片、音视频、压缩包等。需要注意的是，ASCII 码文件本质上也是一种特殊的二进制文件。

无论是哪种文件，标准 IO 都通过 “流（stream）” 的概念进行操作 —— 打开文件后，程序与文件之间建立一个流，所有读写操作都通过流来完成。

二、标准 IO 核心接口与操作流程

标准 IO 的操作遵循 “打开 - 读写 - 关闭” 的基本流程，围绕这一流程提供了一系列接口函数。

        标准 IO 的接口:

  1. fopen/fclose
  2. fgetc/fputc
  3. fgets/fputs
  4. fscanf/fprintf
  5. fread/fwrite
  6. fseek/rewind/ftell
  7. 操作步骤:
  • 打开文件
  • 读写文件
  • 关闭文件

1. 打开与关闭文件

  • fopen 函数：用于打开文件并建立流，原型为FILE *fopen(const char *pathname, const char *mode)。

原型：FILE *fopen(const char *pathname, const char *mode);

功能：

         打开pathname指向字符串对应的文件，并且和它建立一个流

参数：

         pathname:要打开的文件路径字符串

         mode:打开的方式

         r         只读         文件存在只读打开，文件不存在报错

         r+        读写         文件存在读写打开，文件不存在报错

         w         只写         文件存在清0，文件不存在创建，只写打开

         w+       写读         文件存在清0，文件不存在创建，写读打开

         a         追加         文件存在追加，文件不存在创建，只写打开

         a+       追加读写           文件存在追加，文件不存在创建，写读打开

返回值：

         成功返回FILE*指针

         失败返回NULL

补充：

 C语言 fopen 函数的几种主要模式及其核心区别总结如下：

 核心区别对比表

​模式​​读写权限​​文件存在时​​文件不存在时​​文件指针初始位置​​主要用途​
"r"​只读​打开​打开失败​开头安全读取已有文件
"r+"读写打开​打开失败​开头读取并修改已有文件内容
"w"​只写​​清空内容​（长度归零）创建新文件开头覆盖写入或创建新文件
"w+"读写​清空内容​（长度归零）创建新文件开头清空文件后读写（从头操作）
"a"​只写​保留内容创建新文件​末尾​（追加写入）日志追加（防覆盖旧数据）
"a+"读写保留内容创建新文件​读-开头 / 写-末尾​ 🌟读取后追加数据（如更新日志）

 详细说明与关键差异

  1. ​**"r"（只读）​**​

    • ​最严格​：文件必须存在，否则失败。
    • ​指针在开头，适合仅读取场景（如配置文件解析）。

  2. ​**"r+"（读写）​**​

    • 文件必须存在，否则失败。
    • ​可修改任意位置​（指针可自由移动），但不会自动清空文件​（需手动覆盖内容）。

  3. ​**"w"（只写）​**​

    • ​破坏性最强​：立即清空文件！
    • 适合覆盖写入​（如生成新报告），误用会导致数据丢失⚠️。

  4. ​**"w+"（读写）​**​

    • 同 "w" 会先清空文件，但支持读取（清空后从头读写）。
    • 可用于重建文件结构​（如初始化空数据库文件）。

  5. ​**"a"（追加只写）​**​

    • ​最安全​：永不覆盖原有内容，新数据总是写在末尾。
    • 适合日志记录、连续数据采集（如传感器数据保存）。

  6. ​**"a+"（追加读写）​**​ 🌟

    • ​唯一分离式指针​：
      • 读取时从开头开始（可读历史数据）。
      • 写入时强制跳到末尾​（避免中间插入破坏数据）。
    • 典型场景：读取日志分析后追加新条目。

重要注意事项

  • ​**"w"/"w+" 的破坏性​：打开即清空，​务必确认文件可覆盖**​！
  • ​**"a"/"a+" 的写入特性​：
    即使使用 fseek() 移动指针，写入时仍会    强制回到末尾**​（追加是绝对操作）。
  • ​**"r"/"r+" 的必要性**​：若文件可能不存在，需先检查（如 access()）或改用 "a"/"w" 系。
  • ​二进制文件​：在模式后加 "b"（如 "rb+"），处理非文本数据（如图像）。

示例

// 安全追加日志（文件不存在则创建）
FILE *log = fopen("debug.log", "a+"); 
if (log) {fseek(log, 0, SEEK_SET); // 跳到开头读取历史char buf[256];while (fgets(buf, sizeof(buf), log)) { /* 分析日志 */ }fprintf(log, "[New] Event recorded.\n"); // 自动追加到末尾fclose(log);
}

  • fclose 函数：用于关闭已打开的流，原型为int fclose(FILE *stream)。
    • 关闭成功返回 0，失败返回 EOF（-1）；
    • 关闭流的同时会刷新缓存，因此操作完成后务必关闭流，避免数据丢失。

原型：int fclose(FILE *stream);

功能：

         关闭已经打开的流

参数：

         stream:文件流指针

返回值：

         成功返回0，失败返回EOF(-1)

2. 读写操作接口

标准 IO 提供了多种读写函数，适用于不同场景：

  1. 字符级读写：fputc（写字符）和fgetc（读字符）。例如，fputc('A', fp)将字符 'A' 写入流fp，fgetc(fp)从流fp中读取一个字符；
  • fputc

原型：int fputc(int c, FILE *stream);

功能：

         将字符c写入流中

参数：

            c：要写入的字符

           stream:文件流指针

返回值：

         成功返回输出的ASCII码值

           失败返回EOF

注意： putchar()等价于fputc(ch, stdout)

  • fgetc

原型：int fgetc(FILE *stream);

功能：

         读取流中的下一个字符

参数：

         stream:文件流指针

返回值：

         成功返回读到字符的ASCII码值

         失败或者读到文件末尾返回EOF

注意： ch = getchar()等价于 ch = fgetc(stdin)

  • 字符串级读写：fputs（写字符串）和fgets（读字符串）。fputs("hello", fp)写入字符串 "hello"，fgets(buf, 100, fp)从流中最多读取 99 个字符到buf（预留一个位置存结束符 '\0'）；
  • fputs

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

功能：

 向流中写入s指向的字符串

参数：

 s:要写入的字符串的首地址

 stream:文件流指针

返回值：

 成功返回非负数

 失败返回EOF

注意： fputs不会多打印\n字符 puts会多打印一个\n字符

  • fgets

原型：char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);

功能：

 从流中最多读size-1个字节数据放入s指向的空间中,遇到\n读取截止

参数：

 s:存放数据空间的首地址

 size:最多存放元素的个数

 stream:文件流指针

返回值：

 成功返回存放数据空间的首地址

 失败返回NULL

 读到文件末尾返回NULL

注意： gets会去掉从终端接收的\n字符 fgets不会去掉从终端接收的\n字符

  • 格式化读写：fprintf（格式化输出）和fscanf（格式化输入）。例如，fprintf(fp, "name: %s", name)按格式写入数据，fscanf(fp, "%d", &num)从流中读取整数到num；
  • fprintf

原型：int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

功能：

 将格式化的字符串打印在流中

参数：

 stream:文件流指针

 format:格式化的字符串

 ...:参数

返回值：

 成功返回打印字符的个数

 失败返回负数

  • fscanf

原型：int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);

功能：

 从流中接收格式化的字符串

参数：

 stream:文件流指针

 format:格式化字符串

 ...:参数

返回值：

 成功返回匹配的输入控制符的个数

 失败返回EOF

 读到文件末尾返回EOF

  • 块级读写：fread和fwrite，适用于二进制文件，可一次性读写指定大小的数据块。

3. 定位操作

  • fseek：用于移动文件指针，原型int fseek(FILE *stream, long offset, int whence)，可实现文件内的随机访问；
  • ftell：返回当前文件指针位置；
  • rewind：将文件指针重置到文件开头。

4. 操作流程示例

// 打开文件
FILE *fp = fopen("test.txt", "w+");
if (fp == NULL) {perror("fopen error");return -1;
}// 写入数据
fputs("hello standard IO", fp);// 移动指针到开头
rewind(fp);// 读取数据
char buf[100];
fgets(buf, sizeof(buf), fp);
printf("read: %s\n", buf);// 关闭文件
fclose(fp);

三、特殊流与缓存机制

1. 三个默认打开的流

程序启动时，系统会自动打开三个特殊流，无需手动 fopen：

  • stdin：标准输入流，对应终端输入（如键盘）；
  • stdout：标准输出流，对应终端输出；
  • stderr：标准出错流，用于输出错误信息。

  • printf、puts、putchar都是通过stdout流实现在终端信息打印

  • scanf、gets、getchar都是通过stdin流实现获得终端信息

  • perror通过stderr流实现在终端打印出错信息

2. 缓存机制

标准 IO 的高效性源于其缓存机制 —— 数据先写入缓存，满足一定条件后再批量写入内核或设备，减少系统调用次数。缓存分为三类：

.标准IO缓存：

  1. 标准IO是一种有缓存的IO
  2. 效率高
  3. 实时性差

  • 全缓存：缓存区满（通常 4k）时刷新，或通过fflush强制刷新、关闭流时刷新，适用于普通文件；

    • 缓存区满刷新缓存

      刷新条件：

              缓存区满4k刷新

              fflush函数强制刷新

              fclose或者程序关闭刷新

      与文件建立的缓存一般为全缓存

  • 行缓存：遇到换行符\n或缓存区满（通常 1k）时刷新，适用于终端（stdin、stdout）；

    • 遇到\n刷新缓存区

      刷新条件：

              缓存区满1k刷新

              遇到\n刷新

              fflush函数强制刷新

              fclose或者程序关闭刷新

      与终端建立的缓存一般为行缓存（stdin、stdout均为行缓存）

  • 不缓存：数据立即刷新，无缓存，适用于stderr（保证错误信息及时输出）。

    • 立即刷新不缓存

      刷新条件：

              不缓存立即刷新

      出错处理或者人机交互一般使用不缓存（stderr不缓存）

注意：fflush(FILE *stream)可强制刷新指定流的缓存，在实时性要求高的场景（如日志输出）中常用。

四、man 手册：查询标准 IO 的利器

在 Linux 中，man手册是查询函数用法的权威工具，标准 IO 相关函数主要分布在第 3 章节（库函数）。

1. 章节：

1. 标准命令

2. 系统调用

3. 库函数

4. 设备说明

5. 文件格式

6. 娱乐

7. 杂项

8. 管理员命令

  • 查看fopen用法：man 3 fopen；

五、实战

1. 文件拷贝（fgets 与 fputs 实现）

任务：利用 fgets 和 fputs 拷贝文件

#include<stdio.h>
// 1. 利用fgets和fputs实现文件内容的拷贝int main(void)
{FILE *fp1 = NULL;FILE *fp2 = NULL;char file1[256] = {0};char file2[256] = {0};printf("请输入源文件:\n");gets(file1);printf("请输入目的文件:\n");gets(file2);fp1 = fopen(file1,"r");if(fp1 == NULL){perror("fail to fopen");return -1;}fp2 = fopen(file2,"w");if(fp2 == NULL){perror("fail to fopen");return -1;}char tmpbuff[1024] = {0};char *pret = 0;while(1){pret = fgets(tmpbuff,sizeof(tmpbuff),fp1);if(NULL == pret){break;}fputs(tmpbuff,fp2);}fclose(fp1);fclose(fp2);return 0;
}

结果：

2. 带记忆功能的数字平均值计算

任务：从终端接收数字，实时显示所有数字的平均值；程序关闭后重启，仍能显示历史所有数字的平均值。

// 2. 从终端接收数字，将数字存放在文件中，程序实时显示当前所有数字的平均数，
//如果程序关闭，再次启动时应该能够显示之前用户输入的所有数字的平均值（具有记忆功能）
// 1
// 2
// 3
// 4
// 5// 平均值：3.00
#include<stdio.h>int main(void)
{FILE *fp = NULL;float num = 0.0;int pret = 0;float sum = 0.0;int cnt = 0;float avg = 0.0;fp = fopen("a.txt","r");if(NULL == fp){perror("fail to fopen");return -1;}if(EOF == fscanf(fp,"%f",&num)){printf("当前文档内无数据\n");}else{   sum = num;cnt = 1;while(1){pret = fscanf(fp,"%f",&num);if(EOF == pret){break;}sum += num;cnt++;}avg = sum / cnt;printf("[历史记录] %d 个数据,平均值: %.3f\n",cnt,avg);}fclose(fp);//本次输入部分fp = fopen("a.txt","a");if(NULL == fp){perror("fail to fopen");return -1;}printf("请输入数字(输字母退出):\n");  //if (scanf("%lf", &number) != 1) break; //'1' 返回成功读取的变量数量while(1){   ///fscanf 返回成功读取的变量数量//输入字母时fscanf(stdin, "%f",&num)返回0（匹配失败）pret = fscanf(stdin,"%f",&num); if(EOF == pret || 0 == pret)break;fprintf(fp,"%f\n",num);sum += num;cnt++;avg = sum / cnt;printf("此为第%d个数据,当前平均值为: %.3f\n",cnt,avg);}fclose(fp);return 0;
}

结果：

  

diff：

http://www.dtcms.com/a/326523.html

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