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wzjs 2025/9/15 7:11:31

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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

打开文件：使用fopen()获取文件流指针（FILE*）
读写操作：根据需求选择合适的 IO 函数（字符、行、块操作）
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;
}