嵌入式Linux系统编程 — 2.1 标准I/O库简介

Linux系统中的标准I/O库是C语言标准库的一个关键组成部分，它提供了一套丰富的函数接口，用于执行文件的输入输出操作。这些函数定义在<stdio.h>头文件中，包括打开和关闭文件、读取和写入数据、格式化输入输出等。由于标准I/O是C语言标准的一部分，因此使用标准I/O库编写的程序具有良好的可移植性。

1.2 标准 I/O 和文件 I/O 的区别

虽然标准 I/O 和文件 I/O 都是 C 语言函数，但是标准 I/O 是标准 C 库函数，而文件 I/O 则是 Linux系统调用；
标准 I/O 是由文件 I/O 封装而来，标准 I/O 内部实际上是调用文件 I/O 来完成实际操作的；
可移植性：标准 I/O 相比于文件 I/O 具有更好的可移植性，通常对于不同的操作系统，其内核向应用层提供的系统调用往往都是不同，譬如系统调用的定义、功能、参数列表、返回值等往往都是不一样的；而对于标准 I/O 来说，由于很多操作系统都实现了标准 I/O 库，标准 I/O 库在不同的操作系统之间其接口定义几乎是一样的，所以标准 I/O 在不同操作系统之间相比于文件 I/O 具有更好的可移植性。
性能、效率：标准 I/O 库在用户空间维护了自己的 stdio 缓冲区，所以标准 I/O 是带有缓存的，而文件 I/O 在用户空间是不带有缓存的，所以在性能、效率上，标准 I/O 要优于文件 I/O。

2 FILE 指针

FILE 指针的作用相当于文件描述符，只不过 FILE 指针用于标准 I/O 库函数中、而文件描述符则用于文件I/O 系统调用中。

文件 I/O 函数都是围绕文件描述符进行的，当调用 open()函数打开一个文件时，即返回一个文件描述符 fd，然后该文件描述符就用于后续的 I/O 操作。而对于标准 I/O 库函数来说，它们的操作是围绕 FILE 指针进行的，当使用标准 I/O 库函数打开或创建一个文件时，会返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），使用该 FILE 指针与被打开或创建的文件相关联，然后该 FILE 指针就用于后续的标准 I/O 操作。

FILE指针是C语言标准库中用于处理文件输入输出的一种数据类型。它指向FILE结构体的一个实例，这个结构体包含了执行文件操作所需的各种信息，如文件缓冲区、文件状态标志、错误标志以及指向文件当前位置的指针等。

3 标准I/O库的主要函数简介

(1) 打开文件

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

filename：要打开的文件的名称。
mode：打开文件的模式，如"r"（只读），"w"（只写，会覆盖文件），"a"（追加），"r+"（读写）等。

(2) 关闭文件

fclose(FILE *stream)

stream：要关闭的文件的指针。

(3) 读取文件

fread(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream)

ptr：指向用于存储读取数据的缓冲区的指针。
size：每个数据项的大小（以字节为单位）。
count：要读取的数据项数量。
stream：指向包含要读取数据的文件的指针。

(4) 写入文件

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

ptr：指向要写入的数据的缓冲区的指针。
size：每个数据项的大小（以字节为单位）。
count：要写入的数据项数量。
stream：指向包含目标文件的指针。

(5) 从文件中读取一个字符

fgetc(FILE *stream)

stream：指向包含要读取字符的文件的指针。

(6) 从文件中读取一个字符

fputc(int c, FILE *stream)

c：要写入的字符（作为int类型传递）。
stream：指向包含目标文件的指针。

(7) 从文件中读取一行字符串

fgets(char *str, int num, FILE *stream)

str：指向用于存储读取字符串的缓冲区的指针。
num：最大字符数，包括空字符'\0'。
stream：指向包含要读取数据的文件的指针。

(8) 向文件写入一个字符串

fputs(const char *str, FILE *stream)

str：要写入的字符串。
stream：指向包含目标文件流的指针。

(9) 输出数据

fprintf(FILE *stream, const char *format, ...)

stream：指向包含目标文件的指针。
format：格式字符串，定义了后续参数的输出格式。
...：要输出的数据。

(10) 检测文件是否到达文件末尾

feof(FILE *stream)

stream：指向要检查的文件的指针。

(11) 检查文件流是否发生了错误

ferror(FILE *stream)

stream：指向要检查的文件的指针。

4 标准输入、标准输出和标准错误

4.1 标准输入、标准输出和标准错误概念

用户通过标准输入设备与系统进行交互，进程将从标准输入（stdin）文件中得到输入数据，将正常输出数据（譬如程序中 printf 打印输出的字符串）输出到标准输出（stdout）文件，而将错误信息（譬如函数调用报错打印的信息）输出到标准错误（stderr）文件。

在Linux系统中，标准输入（stdin）、标准输出（stdout）和标准错误（stderr）是进程与其环境之间通信的三种基本方式。它们是文件描述符，分别对应文件描述符0、1和2。下面是它们各自的功能：

标准输入（stdin）：

文件描述符：0
功能：允许用户将输入数据发送给正在运行的程序。
来源：通常是键盘输入，但也可以是重定向自文件、管道等。

标准输出（stdout）：

文件描述符：1
功能：程序的输出结果默认发送到标准输出。
去向：通常是终端或控制台（例如计算机所连接的显示器）。

标准错误（stderr）：

文件描述符：2
功能：用于发送错误消息或诊断信息。
去向：默认也是终端或控制台，但与标准输出分开，使得错误信息可以独立于正常输出被处理或重定向。

4.2 示例程序

下面的简单的示例程序会从标准输入读取一行文本，然后将这行文本通过标准输出打印出来，并同时将一个错误消息通过标准错误输出。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char buffer[1024]; // 缓冲区，用于存储输入

    // 从标准输入读取一行文本
    printf("请输入一些文本：");
    fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin); // 使用fgets从stdin读取

    // 将读取的文本通过标准输出打印
    printf("你输入的是：%s", buffer);

    // 检查输入的文本中是否包含空格
    if (strchr(buffer, ' ') != NULL) {
        // 如果包含空格，通过标准错误输出错误信息
        fprintf(stderr, "错误：输入的文本中包含空格。\n");
    }

    return 0;
}

在这个程序中：

stdin、stdout和stderr是stdio.h头文件中定义的宏，分别代表标准输入、标准输出和标准错误的文件指针。
fgets函数用于从stdin读取一行文本，直到遇到换行符或缓冲区满。它将文本存储在buffer数组中。
printf函数将读取的文本通过stdout打印到终端。
使用strchr函数来检查输入的字符串中是否包含空格。如果strchr返回非空指针，表示输入中包含空格，程序通过stderr输出错误信息。

5 打开文件fopen()

5.1 fopen()函数简介

在文件 I/O 中，使用 open()系统调用打开或创建文件，而在标准 I/O 中，我们将使用库函数fopen()打开或创建文件， fopen()函数原型如下所示：

#include <stdio.h>

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

path：参数 path 指向文件路径，可以是绝对路径、也可以是相对路径。
mode：参数 mode 指定了对该文件的读写权限，如下所示。

mode	说明	对应于 open()函数的 flags 参数取值
r	以只读方式打开文件。	O_RDONLY
r+	以可读、可写方式打开文件。	O_RDWR
w	以只写方式打开文件，如果参数 path 指定的文件存在，将文件长度截断为 0；如果指定文件不存在则创建该文件。	O_WRONLY \| O_CREAT \| O_TRUNC
w+	以可读、可写方式打开文件，如果参数 path 指定的文件存在，将文件长度截断为 0；如果指定文件不存在则创建该文件。	O_RDWR \| O_CREAT \| O_TRUNC
a	以只写方式打开文件，打开以进行追加内容（在文件末尾写入），如果文件不存在则创建该文件。	O_WRONLY \| O_CREAT \| O_APPEND
a+	以可读、可写方式打开文件，以追加方式写入（在文件末尾写入），如果文件不存在则创建该文件。	O_RDWR \| O_CREAT \| O_APPEND

返回值：调用成功返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），该指针与打开或创建的文件相关联，后续的标准 I/O 操作将围绕 FILE 指针进行。如果失败则返回 NULL，并设置 errno 以指示错误原因。

5.2 新建文件的权限

fopen()只有两个参数 path 和 mode，不同于 open()系统调用，它并没有任何一个参数来指定新建文件的权限。当参数 mode 取值为"w"、 "w+"、 "a"、 "a+"之一时，如果参数 path 指定的文件不存在，则会创建该文件。

虽然调用 fopen()函数新建文件时无法手动指定文件的权限，但却有一个默认值：

S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH (0666)

5.3 示例程序

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }

    fprintf(file, "Hello, World!\n");
    fclose(file); // 记得关闭文件

    return 0;
}

示例代码中，以写入模式打开example.txt文件。如果文件打开失败，fopen()将返回NULL，通过perror()函数输出错误信息。成功打开文件后，使用fprintf()向文件写入内容，并最终使用fclose()关闭文件。运行的结果如下：

6 fread()和fwrite()读文件和写文件

6.1 fread()和fwrite()简介

库函数中使用 fread()用于读取文件数据，函数原型如下所示：

#include <stdio.h>

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

ptr： fread()将读取到的数据存放在参数 ptr 指向的缓冲区中；
size： fread()从文件读取 nmemb 个数据项，每一个数据项的大小为 size 个字节，所以总共读取的数据大小为 nmemb * size 个字节。
nmemb： 参数 nmemb 指定了读取数据项的个数。
stream： FILE 指针。
返回值： 调用成功时返回读取到的数据项的数目（数据项数目并不等于实际读取的字节数，除非参数size 等于 1）；如果发生错误或到达文件末尾，则 fread()返回的值将小于参数 nmemb，那么到底发生了错误还是到达了文件末尾， fread()不能区分文件结尾和错误，究竟是哪一种情况，此时可以使用 ferror()或 feof()函数来判断。

库函数中使用 fwrite()将数据写入到文件中，函数原型如下所示：

#include <stdio.h>

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

ptr： 将参数 ptr 指向的缓冲区中的数据写入到文件中。
size： 参数 size 指定了每个数据项的字节大小，与 fread()函数的 size 参数意义相同。
nmemb： 参数 nmemb 指定了写入的数据项个数，与 fread()函数的 nmemb 参数意义相同。
stream： FILE 指针。
返回值： 调用成功时返回写入的数据项的数目（数据项数目并不等于实际写入的字节数，除非参数 size等于 1）；如果发生错误，则 fwrite()返回的值将小于参数 nmemb（或者等于 0）。

6.2 示例程序

下面代码演示了如何在C语言中使用标准I/O函数fopen、fwrite、rewind、fread和fclose来执行文件的基本读写操作。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    const char *filename = "example.txt";
    char buffer[] = "Hello, World!";
    char readBuffer[sizeof(buffer)];

    // 打开文件用于写入和读取
    FILE *fp = fopen(filename, "w+");
    if (fp == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }

    // 写入数据到文件
    if (fwrite(buffer, 1, sizeof(buffer), fp) != sizeof(buffer)) {
        fclose(fp);
        perror("Error writing to file");
        return 1;
    }

    // 移动文件指针到文件开头，准备读取
    rewind(fp);

    // 从文件读取数据
    if (fread(readBuffer, 1, sizeof(buffer), fp) != sizeof(buffer)) {
        fclose(fp);
        perror("Error reading from file");
        return 1;
    }

    // 确保字符串以空字符结尾
    readBuffer[sizeof(buffer) - 1] = '\0';

    // 打印读取的数据
    printf("Read from file: %s\n", readBuffer);

    // 关闭文件
    fclose(fp);

    return 0;
}

程序首先以读写模式打开一个名为"example.txt"的文件，然后向其中写入字符串"Hello, World!"。之后，程序将文件指针重置到文件开头，从文件中读取相同数量的数据到一个缓冲区，并确保字符串以空字符结尾，最后打印读取的字符串并关闭文件。程序还包括了基本的错误检查，以确保文件操作成功完成。程序运行结果如下：

7 fseek()定位

7.1 fseek()函数简介

库函数 fseek()的作用类似于系统调用 lseek()，用于设置文件读写位置偏移量， lseek()用于文件 I/O，而库函数 fseek()则用于标准 I/O，其函数原型如下所示：

#include <stdio.h>

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

stream： FILE 指针。
offset：与 lseek()函数的 offset 参数意义相同。
whence：与 lseek()函数的 whence 参数意义相同。
返回值：成功返回 0；发生错误将返回-1，并且会设置 errno 以指示错误原因；与 lseek()函数的返回值意义不同，这里要注意！

7.2 示例程序

如下程序如何使用fseek()来设置文件读写位置偏移量。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    const char *filename = "input.txt";
    char buffer[1024];
    int i;

    // 打开文件用于写入
    FILE *file = fopen(filename, "w");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file for writing");
        return 1;
    }

    // 提示用户输入文本
    printf("Enter your text (max 1024 characters): ");
    fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin); // 从标准输入读取一行文本

    // 写入文本到文件
    fputs(buffer, file);

    // 关闭文件
    fclose(file);

    // 重新打开文件用于读取
    file = fopen(filename, "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file for reading");
        return 1;
    }

    // 移动文件指针到文件开头
    fseek(file, 4, SEEK_SET);

    // 读取文件内容
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
        printf("Read from file: %s", buffer);
    }

    // 关闭文件
    fclose(file);

    return 0;
}

代码创建了一个名为"input.txt"的文件，并提示用户输入一段文本。输入的文本被写入到文件中，然后程序重新打开文件跳过前4个字节，并读取剩余的内容，将其打印到屏幕上。如果文件操作过程中出现错误，程序将显示错误信息并退出。运行结果如下：

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