第9章 I/O库函数——教材知识点归纳

9.1~9.2系统调用和I/O库函数

• 系统调用：操作系统中，进程以两种不同的方式运行：内核模式（Kmode）和用户模式（Umode）。Umode权限有限，特殊权限的操作需要在Kmode下进行。系统调用（System Call）机制允许进程进入Kmode，执行更高权限的操作。
• 系统调用和I/O库函数不同，但I/O库函数建立在系统调用的基础上。如：fopen()依赖于open()、fread()依赖于read()
• 系统调用函数：open()、read()、write()、lseek()、close()；

9.3 I/O库函数的算法

• I/O库函数的算法分为fread算法、fwrite算法、fclose算法

读取：size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
写入：size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
关闭：int fclose(FILE *stream);

• 9.3.1 fread算法
  （1）在第一次调用fread()时，FILE结构体的缓冲区是空的，fread()使用保存的文件描述符fd发出一个

n=read(fd,fbuffer,BLKSIZE)；

系统调用，用数据块填充内部的fbuf[]。然后，它会初始化fbuf[]的指针、计数器和状态变量，以表明内部缓冲区中有一个数据块。

（2）在随后的每次fread()调用中，它都尝试满足来自FILE结构体内部缓冲区的调用。当缓冲区变为空时，它就会发出read()系统调用来重新填充内部缓冲区

• 9.3.2 fwrite()算法
  fwrite()算法与fread()算法相似，只是数据传输方向不同。
  开始的时候，FILE结构体的内部缓冲区是空的。在每次调用fwrite()时，它将数据写入内部缓冲区，并调整缓冲区的指针、计数器和状态变量，以跟踪缓冲区中的字节数。如果缓冲区已满，则发出 write()系统调用，将整个缓冲区写入操作系统内核。

• 9.3.3 fclose()算法
  若文件以写的方式被打开，fclose()会先关闭文件流的局部缓冲区。然后，它会发出一个close(fd)系统调用来关闭FILE结构体中的文件描述符。最后，它会释放FILE结构体，并将FILE指针重置为NULL。

9.4~9.5使用I/O库函数、I/O库模式

对于以BLKSIZE为单位的读/写数据，使用系统调用比I/O库函数更高效。
在fopen()中的模式参数中体现I/O库模式。

• I/O库模式中的字符模式有：

r：只读模式，文件必须存在，否则打开失败。
w：只写模式，若文件存在，则清除原文件内容后写入；否则，新建文件后写入。
a：追加模式。若文件存在，则位置指针移到文件末尾，在文件尾部追加写入。若文件不存在，则打开失败。
r+：表示读/写，不会截断文件。
w+：表示读/写，但是先截断文件，如果文件不存在，就先创建文件。
a+：表示通过追加的方式读/写；如果文件不存在就创建文件。

2021年大一的时候 娄老师所发的资料里有提到过I/O库模式也有二进制模式，和字符模式类似，只是以二进制的方式进行读写。相应模式有：

rb：只读模式，文件必须存在，否则打开失败。
wb：只写模式，若文件存在，则清除原文件内容后写入；否则，新建文件后写入。
ab：追加模式。若文件存在，则位置指针移到文件末尾，在文件尾部追加写入。若文件不存在，则打开失败。
rb+：表示读/写，不会截断文件。
wb+：表示读/写，但是先截断文件，如果文件不存在，就先创建文件。
ab+：表示通过追加的方式读/写；如果文件不存在就创建文件。

• 字符模式I/O：

字符模式I/O以字符为单位存取，文件在流中。

从文件指针中读取一个字符：`int fgetc(FILE *fp)`;
向文件流中退回一个字符: `int ungetc(int c, FILE *fp)`;
向文件流中存放一个字符：`int fputc(int c, FILE *fp)`;

注意！读取到文件结束时，会返回一个值-1，将它与文件流中其他字符区分。同时应注意返回值的类型是整数。

• 行模式I/O：
  行模式I/O以文本文件的行为单位进行存取。

读取一行：char *fgets(char *buf,int size, FILE *fp);
写入一行：int fputs(char *buf, FILE *fp);

• 格式化I/O:
  格式化输入和格式化输出就是我们C语言课常用的scan和print类型，scanf和printf指定输入输出流为stdin和stdout，而fscanf和fprintf就可以指定输入流和输出流了。
  格式化输入：

从stdin输入：scanf(char *FMT,&items);
从指定流输入：fscanf(fp,char *FMT, &items);

格式化输出：

输出到stdout: printf(char *FMT,&items);
输出到指定流：fprintf(fp,char *FMT, &items);

9.6文件流缓冲

每个文件流都有一个FILE结构体，其中包含一个内部缓冲区，对文件流进行读写要遍历FILE缓冲区，文件缓冲可以使用三种缓冲方案的一种。

无缓冲：尽快单独传输，如stderr就是通常无缓冲的。
行缓冲：遇到换行符时进行缓冲，逐行输入输出，如stdout。
全缓冲：以块大小传输到文件或者从文件传输，文件流常用的就是全缓冲。

9.7 变参函数

在学习C语言时，我们发现printf、scanf函数在传入参数时，参数的个数是不确定的，在学习本章后发现，原来它们都是变参函数。变参函数使用至少一个参数声明，后面跟三个点。如：
int function(int m, int n . . . );
在函数内部，可以通过C语言库宏访问参数。

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问题与解决思路

看完书后了解了文件流的三种缓冲方案，但对其实质不甚清楚。

参考网站

通常，文件数据的读写效率远低于内存读写效率。如果不存在缓冲，CPU 在读取文件数据时需要先发送指令给 DMA（专门处理 IO 数据读写的硬件），而后 DMA 从文件数据读取一个 0 到内存，CPU 再处理该数据。此过程 CPU 全程参加，极大浪费了 CPU 资源 文件流缓冲的目的正是降低 IO 对于 CPU 占用。如图所示，在添加缓冲区后，DMA 可以将文件数据先读取到缓冲区中，等待缓冲区满时，再通知 CPU，此时 CPU 将缓冲区的数据读取并处理。

询问chatgpt截图

实践过程截图，代码

实践通过I/O库函数执行一些简单的操作：
1.计算文本文件行数。
2.计算文本文件单词数
3.将文本文件小写转大写。

• 计算文本文件行数
  思路：行数的计算可以转换为计算换行符的个数，行数为换行符的数量+1。（大一看漫画学python曾学过）
  代码

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

int main(int argc, char* argv[]){
	int cnt=1;
	FILE *fp;
	fp=fopen("countline.txt","r");
	while(1){
		if(fgetc(fp)=='\n')
			cnt++;
		if(fgetc(fp)==EOF)
			break;
	}
	printf("Total lines:%d\n",cnt);
	return 0;
}

• 计算文本单词数

思路：单词，可以理解为连续的字母，如果出现连续的字母，就将计数器加一，即可实现。
代码

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

int is_letter(char ch){
	if(ch>='a'&&ch<='z'||ch>='A'&&ch<='Z')
		return 1;
	return 0;
}

int main(){
	int cnt=0;
	FILE *fp;
	fp=fopen("countword.txt","r");
	while(1){
		if(fgetc(fp)==EOF)
			break;
		if(is_letter(fgetc(fp))){
			cnt++;
			while(is_letter(fgetc(fp)));
		}
	}
	printf("Number of words:%d\n",cnt);
	return 0;
}

截图：


、

• 文本文件小写转大写

思路：读取一个文件，然后判断文件中的每个字符，如果为小写，就将其进行转换，整体较为简单。

#include <stdio.h>
FILE *fp,*gp;
int main(){
        char c;
        fp=fopen("text.txt","r");
        gp=fopen("result.txt","w");
        while((c=fgetc(fp))!=EOF){
                if(c>='a'&&c<='z')c=c-32;
                fputc(c,gp);
        }
        fclose(fp);
        fclose(gp);

        return 0;
}  

截图：