数据的输入输出(IO)

基本概念

输入：数据从内核空间流向用户空间，站在用户空间的角度来看就是将数据从内核空间读到用户空间，属于读操作，例如库函数scanf；
输出：数据从用户空间流向内核空间，站在用户空间的角度来看就是将数据从用户空间写到内核空间，属于写操作，例如库函数printf。

标准IO

特性：
1、标准C库函数
2、属于高级IO，移植性和通用性较强
3、自带缓存，用于临时存放数据，以减少操作磁盘的次数，保护硬件
4、通过文件流操作IO
注：文件流本质上是结构体指针，指向struct _IO_FILE类型的结构体；此外标准IO也是基于文件IO来实现的。
linux自带3个标准流
标准输入 stdin
使用全缓存，4k大小，其刷新条件是
1)缓存区已满
2)程序正常退出
3)调用fflush函数，强制刷新缓存
4)关闭流
标准输出 stdout
使用行缓存，1k大小，其刷新条件是
1)缓存区已满
2)程序正常退出（包括main函数执行return或程序执行标准库函数exit）
3)调用fflush函数，强制刷新缓存
4)遇到换行符’\n’
标准错误 stderr
无缓存

常用接口

#include <stdio.h>
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
功能：打开指定文件
参数path：文件路径
参数mode：操作模式，如下
"r"读操作，文件若存在则从文件开头读，文件不存在会报错；
"r+"读写操作，文件若存在则从文件开头读写，文件不存在会报错；
"w"写操作，文件若存在则先清空后写入，文件不存在则创建同名文件；
"w+"读写操作，文件若存在则先清空后读写，文件不存在则创建同名文件；
"a"追加写操作，文件若存在则从文件末尾写，文件不存在则创建同名文件；
"a+"追加写和读操作，文件若存在则从文件末尾写，从文件开头读，文件不存在则创建同名文件；
返回：正确返回文件流指针，异常返回NULL并设置errno值。
errno是linux通用类型错误号，其数值与对应的错误绑定，可参考/usr/include/asm-gengeric/errno-base.h文件；
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
char *strerror(int errnum); //根据errno获取对应的错误描述
void perror(const char *s); //errno对应错误输出
例如perror("fail to open"); 等价于 fprintf(stderr, "fail to open:%s\n", strerror(errno));

int fclose(FILE *fp);
功能：关闭指定文件
返回：正确返回0，异常返回EOF并设置errno值
#define EOF (-1)

数据清空

void bzero(void *s, size_t n);
void *memset(void *s, int c, size_t n);

文件指针操作

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
功能：偏移文件指针
参数offset：偏移多少个byte，偏移方向取决于offset的正负，负号前移，正号后移。
参数whence：文件指针起始位置，通常设为SEEK_SET（文件开头），SEEK_CUR（当前位置），SEEK_END（文件末尾）。
返回：正确返回0，异常返回EOF并设置errno值。
因此执行fseek后的偏移位置等于(whence+offset)，应当注意从文件开头前移或从文件末尾后移都会出现异常。

long ftell(FILE *stream);
功能：获取文件指针当前位置
返回：正确返回当前位置与文件开头相差的byte数，异常返回EOF并设置errno值。
可以使用如下方式计算文件大小
fseek(fp,0,SEEK_END);
printf("size:%ld\n",ftell(fp));

void rewind(FILE *stream);
功能：将文件指针指向文件开头，等同于fseek(fp,0,SEEK_SET);

写操作

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
功能：格式化输出到指定文件流，类似于
int printf(const char *format, ...); //格式化输出到标准输出流 stdout

int fputc(int c, FILE *stream); // fputc(int c, stdout); 等价于 putchar(int c);
功能：将字符输出到指定文件流
返回：正确返回字符的ascii码，异常返回EOF

int fputs(const char *s, FILE *stream);
功能：将形参s指向的字符串输出到指定文件流，遇到'\0'结束写入
返回：正常返回非负数，异常返回EOF

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb,FILE *stream);
功能：将形参ptr指向的数据成块写入指定文件流
参数size：指定单个数据块有多少byte
参数nmemb：写入多少个数据块
返回：成功返回写入的块数（通常等于nmemb），异常返回0

读操作

int fgetc(FILE *stream); // fgetc(stdin); 等价于 getchar();
功能：从指定文件流读取一个字符
返回：正确返回字符的ascii码，异常返回EOF
异常返回有以下情况
1、读到文件末尾
2、操作出现错误
因此需要用feof函数做进一步判断
int feof(FILE *stream);
功能：判断是否指向文件末尾
返回：在文件末尾时返回非0，不在文件末尾时返回0

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
功能：从指定文件流读取一行字符（长度小于形参size），读取到换行符'\n'或者EOF时截止（会读入'\0'和'\n'），并且读取截止后在末尾自动添加'\0'。
参数s：读出的字符串存放在s指向的空间。
返回：正常返回s，异常返回NULL，异常返回的处理方式同fgetc。
如果是读入'\n'后截止，那么字符串末尾就有'\n''\0'，通常会用如下方法去掉换行符
if(buf[strlen(buf)-1] == '\n')
    buf[strlen(buf)-1] = '\0';

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
功能：从指定文件流成块读取数据
参数ptr：读出的数据存放在ptr指向的空间
参数size：指定单个数据块有多少byte
参数nmemb：读取多少个数据块
返回：成功返回读取的块数（不超过nmemb），异常返回0，异常返回的处理方式同fgetc。

文件IO

特性：
1、系统调用函数
2、属于低级IO，移植性较差
3、不带缓存（实际上有内核缓存）
4、通过文件描述符操作IO

文件描述符：本质上是数组下标（非负整数的索引值），而数组成员就是文件结构体指针；在linux系统中文件描述符的取值范围是0~1023，并且默认0用于标准输入stdin，1用于标准输出stdout，2用于标准错误stderr，因此文件描述符是从3开始分配最小的未使用值。

常用接口

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags); //打开文件
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); //创建并打开文件
参数pathname：文件路径
参数flags：标志位可分为访问标志（必选其一）、创建标志和状态标志3类，其常用值如下
访问标志
O_RDONLY（只读）
O_WRONLY（只写）
O_RDWR（可读可写）
创建标志
O_CREAT（创建）
O_EXCL（若文件已存在，open创建返回异常）
O_TRUNC（若文件可写，则清空数据）
状态标志
O_APPEND（写追加）
O_NONBLOCK（非阻塞）
fopen的参数mode与flags有如下对应关系
"r" == (O_RDONLY | O_EXCL)
"w" == (O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC)
"a" == (O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND)
参数mode：创建文件时指定使用权限，通常由以下常量按位或
S_IRWXU == 0700 用户可读可写可执行
S_IRUSR == 0400 用户可读
S_IWUSR == 0200 用户可写
S_IXUSR == 0100 用户可执行
S_IRWXG == 0070 用户组可读可写可执行
S_IRGRP == 0040 用户组可读
S_IWGRP == 0020 用户组可写
S_IXGRP == 0010 用户组可执行
S_IRWXO == 0007 其他人员可读可写可执行
S_IROTH == 0004 其他人员可读
S_IWOTH == 0002 其他人员可写
S_IXOTH == 0001 其他人员可执行
实际上文件最终的使用权限是(mode & ~umask)，umask是系统的文件权限掩码。
返回：正确返回文件描述符，异常返回-1并设errno值。

#include <unistd.h>
int close(int fd);
功能：关闭文件，同时回收文件描述符fd
返回：正确返回0，异常返回-1并设errno值

文件指针操作

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
功能：偏移文件指针
参数fd：文件描述符
参数offset：偏移多少个byte，偏移方向取决于offset的正负，负号前移，正号后移。
参数whence：文件指针起始位置，通常设为SEEK_SET（文件开头），SEEK_CUR（当前位置），SEEK_END（文件末尾）。
返回：正常返回指针当前位置与文件开头相差的byte数，异常返回-1并设errno值。

写操作

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
功能：将参数buf中的数据写入指定文件
参数fd：文件描述符，索引对应文件
参数count：要写入多少byte数据
返回：正常返回写入的byte数，异常返回-1并设errno值。

读操作

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
功能：从文件中读取数据
参数fd：文件描述符，索引对应文件
参数buf：存放读出的数据
参数count：要读取多少byte数
返回：正确返回实际读出多少byte数据，当读取到文件末尾时返回0，异常返回-1并设errno值。

目录操作

#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
DIR *opendir(const char *name);
功能：打开指定目录
参数name：目录名
返回：正常返回目录流指针，异常返回NULL并设errno值。

#include <dirent.h>
struct dirent *readdir(DIR *dirp);
功能：读取目录文件信息
返回值：正常返回文件目录结构体指针，异常返回NULL并设errno值，如果读到目录末尾则返回NULL而且不设errno（默认为0）。

#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
int closedir(DIR *dirp);
功能：关闭目录流
返回：正常返回0，异常返回-1并设errno值。