文件 I/O （Input/Output）和標準 I/O 庫是用于在 C 語言中進行文件操作的兩種不同的方法。

1文件I/O

文 I/O（Input/Output）是指程序與文件之間進行數據交換的過程。在計算機編程中，文件 I/O 是通過讀取和寫入文件來實現數據的輸入和輸出操作。文件 I/O 主要涉及打開文件、讀取文件內容、寫入文件內容和關閉文件等操作。

常見文件 I/O 操作包括使用系統調用（如 open()、read()、write()、close()）來進行文件操作。通過文件 I/O，程序可以從文件中讀取數據，對數據進行處理，然后將結果寫入文件中，實現數據的持久化存儲和處理。

在Linux系統中，一切皆文件是其核心設計理念之一，因此文件I/O操作在Linux系統中顯得尤為重要。

1.1、文件描述符

文件描述符是操作系統中用于標識打開文件的整數值。它是進程與文件之間的橋梁，允許進程對文件進行讀取、寫入和其他操作。在Linux系統中，每個打開的文件都與一個文件描述符相關聯，這個文件描述符是一個非負整數，通常是從0開始遞增的。

文件描述符直接與操作系統的文件表項相關聯，是操作系統提供的抽象。

舉例來說，假設我們有一個C語言程序，打開了一個名為“example.txt”的文本文件進行讀取。在這個程序中，文件描述符是用于表示這個打開的文件的整數值。當程序調用open函數打開文件時，操作系統會分配一個文件描述符，并將其返回給程序。程序可以使用這個文件描述符執行讀取操作，如讀取文件內容并將其輸出到終端上。

#include#include#include

int main() {    int fd; // 文件描述符    char buf[1024]; // 用于存儲讀取的數據
    // 打開文件 example.txt    fd = open("example.txt", O_RDONLY);    if (fd == -1) {        perror("open");        return 1;    }
    // 讀取文件內容并輸出到終端上    ssize_t bytes_read;    while ((bytes_read = read(fd, buf, sizeof(buf))) > 0) {        write(STDOUT_FILENO, buf, bytes_read);    }
    // 關閉文件    close(fd);
    return 0;}

在這個示例中，open函數打開文件example.txt并返回一個文件描述符，然后read函數使用這個文件描述符來從文件中讀取數據。最后，close函數關閉文件，并釋放對應的文件描述符。

1.2、open打開文件

在Linux系統中，操作文件需要先打開它以獲取文件描述符，然后進行讀寫或其他操作，最后關閉文件。open函數可用于打開現有文件或創建新文件。函數原型如下所示：

#include#include#include
int open(const char *pathname, int flags);int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

函數的參數和返回值含義如下：

• pathname：字符串類型，用于標識需要打開或創建的文件。它可以包含路徑信息，可以是絕對路徑或相對路徑，例如："./src_file"（當前目錄下的 src_file 文件）或 "/home/dengtao/hello.c"。如果 pathname 是一個符號鏈接，open 函數會對其進行解引用。

• flags：調用 open 函數時需要提供的標志，包括文件訪問模式標志以及其他文件相關標志。這些標志使用宏定義進行描述，并都是常量。open 函數提供了豐富的標志選項，我們可以單獨使用某一個標志，也可以通過位或運算（|）將多個標志進行組合。

• mode：用于指定新建文件的訪問權限，僅在flags參數中包含O_CREAT或O_TMPFILE標志時有效。在Linux系統中，權限對于文件是一個重要的屬性。我們可以使用touch命令在Linux系統中創建一個文件，此時文件會有默認的權限。如果需要修改文件權限，可以使用chmod命令進行修改。例如，在Linux系統下，我們可以使用ls -l命令查看文件對應的權限。

• 返回值：成功將返回文件描述符，文件描述符是一個非負整數；失敗將返回-1。

open函數的flags參數用于指定打開文件時的行為和權限。下面是一些常用的flags參數值：

• O_RDONLY：只讀方式打開文件。

• O_WRONLY：只寫方式打開文件。

• O_RDWR：讀寫方式打開文件。

• O_CREAT：如果文件不存在，則創建文件。

• O_EXCL：與O_CREAT一同使用，如果文件已經存在，則返回錯誤。

• O_TRUNC：如果文件存在且為只寫或讀寫打開，則將其長度截斷為0。

• O_APPEND：追加方式打開文件，在寫入數據時追加到文件末尾。

• O_NONBLOCK：非阻塞方式打開文件，在沒有數據可讀取時不阻塞。

• O_SYNC：同步寫入方式打開文件，對寫入文件的每個操作進行同步。

• O_DIRECT：直接IO方式打開文件，繞過系統緩存，數據直接讀寫到磁盤。

• O_TMPFILE：創建一個臨時文件，文件在關閉時自動刪除。

open函數的常用的mode參數：

• S_IRUSR：文件所有者讀權限。

• S_IWUSR：文件所有者寫權限。

• S_IXUSR：文件所有者執行權限。

• S_IRGRP：文件組用戶讀權限。

• S_IWGRP：文件組用戶寫權限。

• S_IXGRP：文件組用戶執行權限。

• S_IROTH：其他用戶讀權限。

• S_IWOTH：其他用戶寫權限。

• S_IXOTH：其他用戶執行權限。

在應用程序中使用 open 函數時，需要包含 3 個頭文件“#include”、“#include”、“#include”。

下面是一個使用 open 函數的簡單示例：

#include#include#include#include
int main() {    const char *filename = "example.txt";    int fd;
    // 使用 open 函數打開文件，如果文件不存在，則創建    fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);    if (fd == -1) {        perror("open");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 向文件寫入內容    if (write(fd, "Hello, World!", 13) == -1) {        perror("write");        close(fd);        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 關閉文件    if (close(fd) == -1) {        perror("close");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    printf("File created and written successfully.n");
    return 0;}

在這個示例中：

• 我們首先定義了一個文件名 example.txt。

• 使用 open 函數打開文件，使用 O_WRONLY 標志表示以只寫方式打開文件，O_CREAT 標志表示如果文件不存在則創建，O_TRUNC 標志表示如果文件存在則將其截斷為空文件，最后一個參數 S_IRUSR | S_IWUSR 指定了新創建文件的權限為用戶可讀可寫。

• 如果 open 函數調用失敗，會打印錯誤消息并退出程序。

• 使用 write 函數向文件中寫入內容。

• 最后使用 close 函數關閉文件。

1.3、write寫文件

write 函數用于將數據寫入文件。其函數原型如下：

#include
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

函數的參數和返回值含義如下：

• fd：文件描述符，代表要寫入數據的文件。需要將要寫入數據的文件對應的文件描述符傳遞給 write 函數。

• buf：指定要寫入數據的緩沖區。

• count：指定要寫入的字節數。

• 返回值：成功時返回寫入的字節數（0 表示未寫入任何字節）。如果返回值小于 count 參數，這不一定是錯誤，例如磁盤空間已滿可能導致未寫入所有字節。如果寫入出錯，則返回 -1。

對于普通文件，無論是讀取還是寫入，一個關鍵問題是確定從文件的哪個位置開始進行操作。即所謂的I/O操作位置偏移量。讀寫操作都從文件的當前位置偏移量開始。默認情況下，當前位置偏移量通常是0，即指向文件的起始位置。隨著read、write函數的調用，當前位置偏移量也會相應移動。例如，如果當前位置偏移量為1000字節，調用write()寫入或read()讀取500字節后，當前位置偏移量將移動到1500字節處。

使用 write 函數需要先包含 unistd.h 頭文件。

下面是一個示例代碼，將字符串寫入文件：

#include#include#include
int main() {    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);    if (fd == -1) {        perror("open");        return 1;    }
    const char *message = "Hello, world!";    ssize_t bytes_written = write(fd, message, strlen(message));    if (bytes_written == -1) {        perror("write");        close(fd);        return 1;    }
    close(fd);    printf("Data written successfully.n");    return 0;}

在此示例中，我們首先打開了一個文件 example.txt 以供寫入，然后使用 write 函數將字符串 "Hello, world!" 寫入文件中。 

1.4、read讀文件

調用 read 函數可從打開的文件中讀取數據，其函數原型如下所示：

#include
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

函數參數和返回值含義如下：

• fd：文件描述符，用于標識要讀取的文件。

• buf：用于存儲讀取數據的緩沖區。

• count：需要讀取的字節數。

• 返回值：如果讀取成功，返回讀取到的字節數。實際讀取到的字節數可能小于請求的字節數，也可能為0，例如當文件已到達末尾時。

使用 read 函數需要先包含 unistd.h 頭文件。

例如，下面是一個簡單的示例，從文件中讀取數據：

#include#include#include#include
#define BUF_SIZE 1024
int main() {    int fd;    ssize_t bytes_read;    char buffer[BUF_SIZE];
    // 打開文件    fd = open("example.txt", O_RDONLY);    if (fd == -1) {        perror("open");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 讀取文件內容    bytes_read = read(fd, buffer, BUF_SIZE);    if (bytes_read == -1) {        perror("read");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 輸出讀取的內容    write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read);
    // 關閉文件    close(fd);
    return 0;}

這個示例打開一個名為example.txt的文件，從中讀取數據并將其寫入標準輸出。

1.5、close關閉文件

close 函數用于關閉一個已經打開的文件描述符，釋放對應的資源。在Linux系統中，文件描述符是有限資源，因此在不再需要使用文件時，應該及時關閉，以釋放資源并避免資源泄漏。

函數原型如下所示：

#include
int close(int fd);

函數參數和返回值含義如下：

• fd：文件描述符，需要關閉的文件所對應的文件描述符。

• 返回值：如果成功返回 0，如果失敗則返回-1。

使用 close 函數需要先包含頭文件。

以下是一個簡單的示例，演示如何使用 close 函數關閉文件：

#include#include#include#include
int main() {    // 打開一個文件，獲取文件描述符    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);    if (fd == -1) {        perror("open");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    // 關閉文件    if (close(fd) == -1) {        perror("close");        exit(EXIT_FAILURE);    }
    printf("File closed successfully.n");
    return 0;}

在這個例子中，首先通過 open 函數打開了一個文件，然后使用 close 函數關閉了文件描述符。perror 函數用于打印出發生錯誤的詳細信息。

除了使用 close 函數顯式關閉文件之外，在 Linux 系統中，當一個進程終止時，內核會自動關閉它打開的所有文件。這意味著如果一個程序在退出時沒有關閉已打開的文件，內核會代為關閉這些文件。許多程序都依賴于這一特性，因此沒有顯式地使用 close 函數來關閉文件。

然而，顯式關閉不再需要的文件描述符通常是良好的編程習慣。這樣做可以提高代碼的可讀性和可靠性，并確保在后續修改時代碼的行為符合預期。此外，釋放不再需要的文件描述符可以有效地管理有限的系統資源。

2

標準I/O庫

標準I/O庫是C語言中用于進行輸入和輸出操作的標準庫之一。它提供了一組函數和數據結構，用于與文件、終端設備、管道等進行交互，使得程序可以方便地進行輸入和輸出操作，而無需直接操作文件描述符。

標準I/O庫函數構建在文件I/O系統調用（如 open()、read()、write()、lseek()、close() 等）之上。例如，fopen() 利用 open() 系統調用打開文件，fread() 利用 read() 系統調用讀取文件，fwrite() 利用 write() 系統調用寫入文件等。

盡管標準I/O和文件I/O都是C語言函數，但它們有明顯區別：

• 標準 I/O 是標準 C 庫函數，而文件 I/O 是 Linux 系統調用；

• 標準 I/O 是文件 I/O 的封裝，實際上調用文件 I/O 完成操作；

• 可移植性方面，標準 I/O 更優，因為不同操作系統的系統調用接口不同，而標準 I/O 接口幾乎相同；

• 在性能和效率方面，標準 I/O 由于維護自己的緩沖區，性能更高，而文件 I/O 在用戶空間無緩存。

標準I/O庫通常包含在C標準庫中，其函數和數據結構被定義在頭文件中。一些常用的標準I/O函數包括fopen、fclose、fread、fwrite、fprintf、fscanf等。所以使用時候需要在程序源碼中包含頭文件。

標準I/O庫的主要特點包括：

• 緩沖機制：標準I/O庫通常使用緩沖區來提高性能。例如，在輸出時，數據首先寫入到緩沖區，然后在適當的時機才會被刷新到實際的輸出設備上，從而減少了系統調用的次數，提高了效率。

• 格式化輸入輸出：標準I/O庫提供了格式化輸入輸出的功能，例如printf和scanf函數允許以特定格式輸出和輸入數據，使得數據的處理更加方便。

• 文件操作：標準I/O庫提供了一系列函數用于文件的打開、關閉、讀取、寫入等操作，例如fopen、fclose、fread、fwrite等。

• 錯誤處理：標準I/O庫提供了一套錯誤處理機制，允許程序員檢測和處理輸入輸出操作中可能出現的錯誤情況。

使用標準I/O庫可以使得程序更加可移植，因為它們提供了對底層系統調用的封裝，使得程序不依賴于特定的操作系統或文件系統。因此，標準I/O庫是C語言中進行文件操作和輸入輸出的主要方式之一。

2.1、FILE指針

標準I/O庫函數操作圍繞FILE指針展開。調用標準I/O庫函數打開或創建文件時，返回一個指向FILE類型對象的指針（FILE *），該指針與被打開或創建的文件相關聯，用于后續的標準I/O操作。因此，FILE指針在標準I/O庫中扮演了與文件描述符類似的角色，但用于更高級別的操作。

FILE結構體包含了標準I/O庫函數所需的所有文件管理信息，如文件描述符、文件緩沖區指針、緩沖區長度、當前緩沖區字節數以及出錯標志等。

當使用標準I/O庫函數打開或創建文件時，會返回一個指向FILE類型對象的指針，該指針與被打開或創建的文件相關聯。下面是一個簡單的示例：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;
    // 使用標準I/O庫函數打開文件    file_ptr = fopen("example.txt", "w");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 使用 FILE 指針進行寫入操作    fprintf(file_ptr, "Hello, world!n");
    // 關閉文件    fclose(file_ptr);
    return 0;}

在這個示例中，file_ptr指針與文件相關聯，用于后續的標準I/O操作（寫入操作）。通過FILE指針，我們可以方便地進行文件的讀寫操作，而不必直接操作文件描述符和底層的文件系統。

2.2、fopen打開文件

fopen() 是C語言標準庫中用于打開文件的函數之一。它的原型如下：

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

函數參數和返回值含義如下：

• path：參數 path 是一個指向文件路徑的指針，可以是文件的絕對路徑或相對路徑。這個路徑指定了要打開或創建的文件的位置和名稱。

• mode：參數 mode 是一個字符串，指定了對文件的讀寫權限。它描述了打開或創建文件時所需的操作類型。常見的模式包括：

• "r"：只讀模式，用于打開一個已存在的文本文件，文件必須存在。

• "w"：寫入模式，用于創建一個新的空文本文件，如果文件已存在，則刪除其內容。

• "a"：追加模式，用于打開一個文本文件以便寫入，如果文件不存在，則創建文件，文件指針被放在文件的末尾。

• "r+"：讀寫模式，用于打開一個文本文件用于讀取和寫入，文件必須存在。

• "w+"：讀寫模式，用于創建一個新的空文本文件用于讀取和寫入，如果文件已存在，則刪除其內容。

• "a+"：讀寫模式，用于打開一個文本文件用于讀取和寫入，如果文件不存在，則創建文件，文件指針被放在文件的末尾。

• 返回值：函數調用成功時，返回一個指向 FILE 類型對象的指針（FILE *），該指針與打開或創建的文件相關聯。后續的標準 I/O 操作將圍繞這個 FILE 指針進行。如果函數調用失敗，則返回 NULL，并設置 errno 以指示錯誤原因。

以下是一個簡單的示例，演示了如何使用 fopen() 打開文件：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;
    // 以只讀模式打開文件    file_ptr = fopen("example.txt", "r");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 在這里可以進行文件讀取操作
    // 關閉文件    fclose(file_ptr);
    return 0;}

在這個示例中，我們嘗試以只讀模式打開名為 example.txt 的文件。如果文件打開失敗，則會打印一條消息并退出程序。否則，我們可以在之后的代碼中對文件進行讀取操作。最后，我們使用 fclose() 函數關閉文件，釋放資源。

2.3、fwrite寫文件

fwrite() 是C語言標準庫中用于向文件寫入數據的函數之一。它的原型如下：

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

函數參數和返回值含義如下：

• ptr：參數 ptr 是一個指向緩沖區的指針，該緩沖區中存儲了要寫入到文件中的數據。函數將會把這個緩沖區中的數據寫入到文件中。

• size：參數 size 指定了每個數據項的字節大小，即每次寫入的數據的大小。

• nmemb：參數 nmemb 指定了寫入的數據項的個數，即要寫入到文件中的數據項的數量。

• stream：參數 stream 是一個指向 FILE 結構的指針，它標識了要寫入數據的文件。

• 返回值：調用成功時，fwrite() 函數返回實際成功寫入到文件中的數據項的數目。如果發生錯誤，則返回值可能小于參數 nmemb（或者等于 0）。

fwrite() 函數返回成功寫入的數據項數目，如果返回值與 nmemb 不同，則表示寫入出現了錯誤。

以下是一個簡單的示例，演示了如何使用 fwrite() 向文件寫入數據：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;    char buffer[] = "Hello, world!";
    // 打開文件以便寫入    file_ptr = fopen("example.txt", "w");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 向文件寫入數據    size_t num_written = fwrite(buffer, sizeof(char), sizeof(buffer), file_ptr);    if (num_written != sizeof(buffer)) {        printf("Failed to write to file.n");        fclose(file_ptr);        return 1;    }
    // 關閉文件    fclose(file_ptr);
    return 0;}

在這個示例中，我們向文件 "example.txt" 寫入了字符串 "Hello, world!"。首先我們打開文件以便寫入，然后使用 fwrite() 函數將數據寫入文件，最后關閉文件。

2.4、fread讀文件

fread() 是C語言標準庫中用于從文件讀取數據的函數之一。它的原型如下：

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

函數參數和返回值含義如下：

• ptr：fread() 函數將讀取到的數據存放在參數 ptr 指向的緩沖區中。這個緩沖區是用來存儲從文件中讀取的數據的。

• size：fread() 函數從文件讀取 nmemb 個數據項，每個數據項的大小為 size 個字節。因此，總共讀取的數據大小為 nmemb * size 個字節。

• nmemb：參數 nmemb 指定了要讀取的數據項的個數。

• stream：參數 stream 是一個指向 FILE 結構的指針，它標識了要從中讀取數據的文件。

• 返回值：調用成功時，fread() 函數返回成功讀取到的數據項的數目。如果發生錯誤或到達文件末尾，則返回值可能小于參數 nmemb。由于 fread() 無法區分文件結尾和錯誤，返回值小于 nmemb 時，可以使用 ferror() 或 feof() 函數來進一步判斷是發生了錯誤還是已經到達了文件末尾。

fread() 函數返回成功讀取的數據項數目，如果返回值與 nmemb 不同，則表示讀取出現了錯誤。

以下是一個簡單的示例，演示了如何使用 fread() 從文件中讀取數據：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;    char buffer[100]; // 緩沖區用于存儲讀取的數據
    // 打開文件以便讀取    file_ptr = fopen("example.txt", "r");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 從文件讀取數據    size_t num_read = fread(buffer, sizeof(char), sizeof(buffer), file_ptr);    if (num_read == 0) {        printf("Failed to read from file.n");        fclose(file_ptr);        return 1;    }
    // 輸出讀取的數據    printf("Read from file: %sn", buffer);
    // 關閉文件    fclose(file_ptr);
    return 0;}

在這個示例中，我們打開了一個名為 "example.txt" 的文件以便讀取。我們使用 fread() 函數從文件中讀取數據，并將其存儲在名為 buffer 的緩沖區中。最后，我們打印出讀取到的數據，并關閉文件。

2.5、fclose關閉文件

fclose() 是C語言標準庫中用于關閉文件的函數之一。它的原型如下：

int fclose(FILE *stream);

函數參數和返回值含義如下：

• stream：指向 FILE 結構的指針，標識要關閉的文件。

• 返回值：調用成功返回 0；失敗將返回 EOF（也就是-1）。

以下是一個示例，演示了如何使用 fclose() 關閉文件：

#include
int main() {    FILE *file_ptr;
    // 打開文件以便讀取    file_ptr = fopen("example.txt", "r");    if (file_ptr == NULL) {        printf("Failed to open file.n");        return 1;    }
    // 在這里可以進行文件讀取操作...
    // 關閉文件    if (fclose(file_ptr) != 0) {        printf("Failed to close file.n");        return 1;    }
    return 0;}

在這個示例中，我們打開了一個名為 "example.txt" 的文件以便讀取。在文件讀取操作完成后，我們使用 fclose() 函數關閉了文件。如果關閉文件失敗，則會打印一條錯誤消息并退出程序。