一、標準 IO 的起源與概念

標準 IO（Standard Input/Output）是由 Dennis Ritchie 在 1975 年設計的一套 IO 庫，后來成為 C 語言的標準組成部分，并被 ANSI C 所采納。它是對底層文件 IO 的封裝，提供了更便捷、可移植的文件操作接口。

核心特點：

• 設備抽象：將輸入輸出設備抽象為文件操作
  • 標準輸入設備：默認是鍵盤（/dev/input）
  • 標準輸出設備：默認是顯示器
• 跨平臺性：任何支持標準 C 的系統都可使用
• 緩沖機制：在用戶程序和文件 IO 之間加入緩沖區，減少系統調用次數，提高效率

在 Linux 系統中，一切皆文件，IO 操作本質上都是對文件的操作。標準 IO 作為 C 語言標準庫的一部分，為文件操作提供了統一接口。

二、文件的基本概念

1. 文件的作用

文件是 Linux 系統中存儲數據（包括普通數據和指令）的基本單位，是數據持久化的載體。

2. Linux 文件類型（7 種）

• d：目錄文件
• -：普通文件
• l：鏈接文件（link）
• p：管道文件（pipe）
• s：套接字文件（socket）
• c：字符設備文件
• b：塊設備文件

可通過ls -l命令查看文件類型，第一個字符即表示文件類型。

3. 文件內容分類

• 文本文件：由 ASCII 字符組成，可直接閱讀
• 二進制文件：由二進制數據組成，通常需要特定程序解析

三、IO 的分類

1. 標準 IO

• 是 ANSI C 設計的一組封裝了文件 IO 的庫函數
• 頭文件：stdio.h（位于/usr/include/stdio.h）
• 實現方式：stdio.h→stdio.c→libc.so（動態庫，位于/usr/lib）
• 特點：帶緩沖機制，可移植性好

2. 文件 IO

• 屬于系統調用，是底層操作接口
• 特點：無緩沖，直接與內核交互，效率高但使用復雜

四、頭文件引用方式

• #include <stdio.h>：引用系統庫函數頭文件

  • 搜索路徑：系統默認路徑（如/usr/include/）

• #include "xxx.h"：引用用戶自定義頭文件

  • 搜索路徑：當前目錄

五、流（Stream）的概念

流是數據從文件流入和流出所體現的字節序列，在標準 IO 中用FILE*指針表示（稱為流對象或文件流指針）。

1. 流的分類

• 二進制流：由二進制數據組成的流
• 文本流：由 ASCII 碼數據組成的流

2. 標準流

C 語言默認打開三個標準流：

• stdin：標準輸入流（對應鍵盤）
• stdout：標準輸出流（對應顯示器）
• stderr：標準錯誤流（對應顯示器）

六、緩沖區機制

標準 IO 的一大特點是采用緩沖機制，目的是減少系統調用，提高效率。

1. 緩沖區類型

• 行緩沖（1KB）

  • 應用場景：主要用于終端交互（如stdout）
  • 刷新條件：遇到\n、緩沖區滿、程序正常結束、fflush()強制刷新

• 全緩沖（4KB）

  • 應用場景：主要用于普通文件操作
  • 刷新條件：緩沖區滿、程序正常結束、fflush()強制刷新

• 無緩沖（0KB）

  • 應用場景：主要用于錯誤處理（如stderr）
  • 特點：數據直接輸出，不經過緩沖

2. 緩沖區操作函數

• fflush(FILE *stream)：強制刷新緩沖區

七、標準 IO 常用函數

1. 文件打開與關閉

• fopen()：打開文件并建立流

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

  ?
  • mode參數：
    • r：只讀（文件不存在則報錯）
    • r+：讀寫（文件不存在則報錯）
    • w：只寫（文件不存在則創建，存在則清空）
    • w+：讀寫（文件不存在則創建，存在則清空）
    • a：追加寫（文件不存在則創建）
    • a+：追加讀寫（文件不存在則創建）

• fclose()：關閉文件流

  int fclose(FILE *stream);
  

2. 字符操作函數

• fgetc(FILE *stream)：從流中讀取一個字符
• fputc(int c, FILE *stream)：向流中寫入一個字符
• getchar()：從標準輸入讀取一個字符（fgetc(stdin)的宏定義）
• putchar(int c)：向標準輸出寫入一個字符（fputc(c, stdout)的宏定義）

示例：實現簡單的輸入輸出循環

while(1)fputc(fgetc(stdin), stdout);

3. 行操作函數

• fgets(char *s, int size, FILE *stream)：從流中讀取一行數據

  char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
  

  ?
  • 最多讀取size-1個字符，自動添加\0
  • 遇到\n會停止讀取，且\n會被包含在結果中

• fputs(const char *s, FILE *stream)：向流中寫入一行數據

  int fputs(const char *s, FILE *stream);
  

• gets()/puts()：與fgets()/fputs()類似，但gets()沒有緩沖區大小限制，存在安全隱患

4. 塊操作函數（二進制操作）

• fread()：從流中讀取指定大小的數據塊

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

• fwrite()：向流中寫入指定大小的數據塊

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

示例：結構體讀寫

struct person {char name[20];int age;char sex;char addr[100];
};struct person p = {"Tom", 20, 'M', "Beijing"};
fwrite(&p, sizeof(struct person), 1, fp);

5. 文件定位函數

• fseek()：移動文件指針

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

  ?
  • whence參數：
    • SEEK_SET：從文件開頭
    • SEEK_CUR：從當前位置
    • SEEK_END：從文件末尾

• ftell()：獲取當前文件指針位置

  long ftell(FILE *stream);
  

• rewind()：將文件指針移到開頭（等效于fseek(stream, 0L, SEEK_SET)）

  void rewind(FILE *stream);
  

6. 其他常用函數

• printf()/scanf()：格式化輸入輸出
• sprintf()：將格式化數據寫入字符串
• feof()：判斷文件是否到達末尾
• ferror()：檢測流是否出錯
• clearerr()：清除流出錯標記

八、標準 IO 操作流程

1. 打開文件：使用fopen()獲取文件流指針（FILE*）
2. 讀寫操作：根據需求選擇合適的 IO 函數（字符、行、塊操作）
3. 關閉文件：使用fclose()關閉文件流，釋放資源

九、實踐練習

1. 實現簡易cat程序

#include <stdio.h>int main(int argc, char *argv[]) {FILE *fp;int c;if (argc != 2) {fprintf(stderr, "Usage: %s filename\n", argv[0]);return 1;}fp = fopen(argv[1], "r");if (fp == NULL) {fprintf(stderr, "Cannot open file %s\n", argv[1]);return 1;}while ((c = fgetc(fp)) != EOF) {fputc(c, stdout);}fclose(fp);return 0;
}

2. 實現文件拷貝功能

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define BUFFER_SIZE 1024int main(int argc, char *argv[]) {FILE *src, *dest;char buffer[BUFFER_SIZE];size_t n;if (argc != 3) {fprintf(stderr, "Usage: %s source destination\n", argv[0]);return 1;}src = fopen(argv[1], "rb");if (src == NULL) {fprintf(stderr, "Cannot open source file %s\n", argv[1]);return 1;}dest = fopen(argv[2], "wb");if (dest == NULL) {fprintf(stderr, "Cannot open destination file %s\n", argv[2]);fclose(src);return 1;}while ((n = fread(buffer, 1, BUFFER_SIZE, src)) > 0) {fwrite(buffer, 1, n, dest);}fclose(src);fclose(dest);return 0;
}

十、man 手冊的使用

man 手冊是查詢函數和命令的重要工具，分為不同章節：

• man 1 xxx：查看命令幫助
• man 2 xxx：查看系統調用函數
• man 3 xxx：查看標準庫函數

例如：

• man 3 fopen：查看 fopen 函數的詳細說明
• man 3 printf：查看 printf 函數的用法

總結

標準 IO 是 C 語言中處理文件操作的重要接口，通過緩沖機制提高了 IO 效率，同時提供了豐富的函數族滿足不同場景的需求。掌握標準 IO 的使用，對于 C 語言程序開發至關重要。從基本的字符讀寫到復雜的文件定位，標準 IO 都提供了簡潔而強大的解決方案，是每個 C 程序員必須掌握的基礎知識。