Ⅰ. 标准库函数与系统调用

1.fopen(3)

调用open(2)打开制定的文件，返回一个文件描述符FD（就是一个int类型的编号），分配一个FILE结构体，其中包含改文件的描述符、I/O缓冲区和当前读写位置等信息，返回这个FILE结构体的地址。

Linux系统编程笔记（2）——文件与I/O（1）-萤火
  • I/O缓冲区：buffer
  • 当前读写位置：相对buffer首地址的偏移量
  • 用户程序通过得到的是FILE结构体的地址，通过操作这个结构体实现对文件的操作

FILE* 其实就是句柄（或者也可以叫做上下文）。柄就是把手的意思，我们开门关门其实只对门把手进行操作，而不是直接对门操作，即我们对FILE* 进行操作其实就可以实现对文件的操作。

2.fgetc(3)

通过传入的FILE* 参数找到该文件的描述符、I/O缓冲区和当前读写位置，判断能否从I/O缓冲区中读取到下一个字符，如果能读到就直接返回该字符，否则就调用read(2)，把文件描述符传进去，让内核读取该文件的数据到I/O缓冲区，然后返回下一个字符。

  • tip：第一次去读buffer中肯定是没有东西的，因此肯定会去调用read 
#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("./hello.txt", "r");
    if (!fp) {
        perror("open file");
        return -1;
    }
    char c;
    while ((c = fgetc(fp)) != EOF) {
        printf("%c", c);
    }

    fclose(fp);

    return 0;
}

3.fputc(3)

判断该文件的I/O缓冲区是否有空间在存放一个字符，如果有空间则直接保存在I/O缓冲区中并返回，如果I/O缓冲区已满就调用write(2)，让内核把I/O缓冲区的内容写回文件。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("./hello.txt", "r+");
    if (!fp) {
        perror("open file");
        return -1;
    }
    fputc('A', fp);

    fclose(fp);

    return 0;
}

4.fclose(3)

如果I/O缓冲区中还有数据没写回文件，就调用write(2)写回文件，然后调用close(2)关闭文件，释放FILE结构体和I/O缓冲区。

Q：open、read、write、close等系统函数称为无缓冲I/O（Unbuffer I/O）函数，因为它们位于C标准库函数的I/O缓冲区的底层。用户在读写文件时既可以调用C标准I/O库函数，也可以直接调用底层的Unbuffer I/O函数，那么用哪一组函数更好呢？

A：对于大部分不需要实时操作的场景，优先使用C标准I/O库函数，因为可以提高效率，减少用户空间和内核空间的切换。可以将buffer类比成快递驿站，用户寄快递时将快递放到驿站中，等到驿站满了，快递员再去发快递。或者快递员送快递的时候将快递放在驿站中，让用户自己去取，而不是将每个快递挨个送到不同的用户手中。
但是对于需要实时操作的内容（例如网络操作、stderr），最好直接使用系统调用。

Ⅱ. 缓冲（buffer）分类

  • 全缓冲：当把buffer填满就触发系统调用
  • 行缓冲：当出现换行（\n）时就触发系统调用（当然，buffer满了也是会触发的） 
#include <stdio.h>

int main(void) {
    fputc('A', stdout);  // stdout:标准输出，行缓冲
    fputc('\n', stdout);

    // 将1kb的缓冲区写满
    //for (int i = 0; i < 1024; i++) {
    //    fputc('B', stdout);
    //}

    while (1) {
      // 写个死循环是为了不让程序结束，否则会自动调用系统调用将缓冲区写入文件
    }

    return 0;
}
  • 无缓冲：有缓冲区，但是就是不缓冲
#include <stdio.h>

int main(void) {
    fputc('A', stderr);  // stderr:标准错误输出，无缓冲
    while (1) {
        // 写个死循环是为了不让程序结束，否则会自动调用系统调用将缓冲区写入文件
    }

    return 0;
}

Ⅲ. 文件描述符FD

Linux系统编程笔记（2）——文件与I/O（1）-萤火

每个进程在Linux内核中都有一个task_struck结构体来维护进程相关的信息，称为进程控制块（Process Control Block，PCB）。task_struct中有一个指针指向file_struct结构体，称为文件描述符表，其中每个表项包含一个指向已打开的文件的指针，用户程序不能直接访问内核中的文件描述符表，而只能使用文件描述符表的索引（即0、1、2、3这些数字），这些索引就称为文件描述符（File Descriptor），用int型变量保存。

(句柄思想)

程序启动时会自动打开三个文件：标准输入，标准输出和标准错误输出。在C标准库中分别用FILE*指针stdin、stdout和stderr来表示。这三个文件的描述符分别是0、1、2，保存在相应的FILE结构体中。头文件unistd.h中有如下的宏定义来表示这三个文件描述符：

/* Standard file descriptors */
#define STDIN_FILENO 0 /* Standard input. */
#define STDOUT_FILENO 1 /* Standard output. */
#define STDERR_FILENO 2 /* Standard error output. */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    printf("%d\n", STDIN_FILENO);
    printf("%d\n", STDOUT_FILENO);
    printf("%d\n", STDERR_FILENO);

    return 0;
}
//输出结果：
//0
//1
//2