文件 IO 与标准 IO

Linux 应用编程中最基础的知识：文件 I/O（Input、Outout）。

文件 I/O 指的是对文件的输入/输出操作，就是对文件的读写操作；Linux 下一切皆文件，文件作为 Linux 系统设计思想的核心理念，在 Linux 系统下显得尤为重要，所以对文件的 I/O 操作既是基础也是最重要的部分。

一个通用的 IO 模型通常包括打开文件、读写文件、关闭文件这些基本操作，主要涉及到 4 个函数：open()、read()、write()以及 close()。

文件IO

tips：我们在 Linux 系统下，可以通过 man 命令查看某函数的用法和帮助信息以及头文件引用信息。man 命令后面跟着两个参数，数字 1 表示查看 Linux 命令，数字 2 表示查看系统调用函数，数字 3表示查看标准 C 库函数，最后一个参数表示需要查看的系统调用函数名。举例：

man 2 open //查看 open 函数的帮助信息

打开文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

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

在 Linux 内核提供的标准文件 IO 中，主要以文件描述符fd作为操作句柄，去操作文件。调用open函数打开文件后会获得一个文件描述符fd，fd是一个int 类型的数据。一个进程可以打开多个文件，但是在 Linux 系统中，一个进程可以打开的文件数是有限制，我们可以通过 ulimit -n 命令来查看进程可打开的最大文件数，可以自己设置最大值。该最大值默认情况下是 1024。

所以对于一个进程来说，文件描述符是一种有限资源，文件描述符是从 0 开始分配的，譬如说进程中第一个被打开的文件对应的文件描述符是 0、第二个文件是 1、第三个文件是 2、第 4 个文件是 3……以此类推，所以由此可知，文件描述符数字最大值为 1023（0~1023）。每一个被打开的文件在同一个进程中都有一个唯一的文件描述符，不会重复，如果文件被关闭后，它对应的文件描述符将会被释放，那么这个文件描述符将可以再次分配给其它打开的文件、与对应的文件绑定起来。

在程序中，调用 open 函数打开文件的时候，分配的文件描述符一般都是从 3 开始，因为0、1、2 这三个文件描述符已经默认被系统占用了，分别分配给了系统标注输入（0）、标注输出（1）以及标准错误（2）。

写文件

#include <unistd.h>

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

读文件

#include <unistd.h>

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

关闭文件

#include <unistd.h>

int close(int fd);

标准IO

不仅是 Linux，很多其它的操作系统都实现了标准 I/O 库。标准 I/O 虽然是对文件 I/O 进行了封装，但事实上并不仅仅只是如此，标准 I/O 会处理很多细节，譬如分配 stdio 缓冲区、以优化的块长度执行 I/O 等，这些处理使用户不必担心如何选择使用正确的块长度。

标准 I/O 库是标准 C 库中用于文件 I/O 操作（譬如读文件、写文件等）相关的一系列库函数的集合，通常标准 I/O 库函数相关的函数定义都在头文件<stdio.h>中，所以我们需要在程序源码中包含<stdio.h>头文件。

标准 I/O 库函数是构建于文件 I/O 这些系统调用之上的，譬如标准 I/O 库函数 fopen()就利用系统调用 open()来执行打开文件的操作、fread()利用系统调用 read()来执行读文件操作、fwrite()则利用系统调用 write()来执行写文件操作等等。

打开文件

#include <stdio.h>

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

读写文件

#include <stdio.h>

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

标准 I/O 和文件 I/O 的区别如下：

⚫ 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。

所有文件 I/O 函数都是围绕文件描述符进行的，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。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。

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