APUE之第5章——标准I/O库

一、知识回顾：文件I/O

• 文件 I/O 是不带缓冲的 I/O（unbuffered I/O），指每个 read 和 write 都调用内核中的一个系统调用。
• 对于内核而言，所有打开的文件都通过文件描述符引用，即不带缓冲的 I/O 通过文件描述符的方式来引用一个文件。
• 大多数文件 I/O 只需用到5个函数：open、read、write、lseek、close。
  

二、标准I/O

• 标准 I/O 库由 ISO C 标准说明。
• 标准 I/O 库的操作围绕流进行，即带缓冲的 I/O 则通过文件流（stream）的方式来引用文件。
• 引入标准 I/O 库的目的是为了提高 I/O 的效率，尽可能地减少使用 read 和 write 调用的次数。因为系统调用会消耗较多的资源，标准 I/O 库提供了缓冲，可以通过累积一定量的数据后，集中写入到实际的文件中来减少系统调用。这样文件的读写就要经过缓冲区做缓冲，从而提高 I/O 效率。

    假设，每个人家里喝的水都是从自来水厂来的，自来水厂的水又是从水源地来的，这当中流动的水，就是水流，可以理解为IO流，

    在 UNIX 中，UNIX 就是自来水厂，水源地就是源，家就是目的。则从水源到自来水厂的水流，就是IO输入流，从自来水厂到家的水流，就是IO输出流。

    如果没有蓄水池，则每次用水都要运送一次。一万次用水就是运送一万次，这样的效率很低。若在水源地与自来水厂、自来水厂与家之间分别建造蓄水池，

    则自来水厂可以随时从蓄水池中取水、为用户供水，我们需要用水时也能随时有水可用。这里的蓄水池就可以类比成缓冲。

 

三、标准 I/O 与文件 I/O 的区别

 

	标准I/O	文件 I/O
遵循标准	标准 I/O 被称为高级磁盘I/O，遵循 ANSI C 相关标准。只要开发环境中有标准 I/O库，标准 I/O 就可以使用。	文件 I/O 被称为低级磁盘 I/O，遵循 POSIX 相关标准。任何兼容 POSIX 标准的操作系统上都支持文件 I/O。
缓冲机制	标准 I/O 默认采用缓冲机制，可以看成是在文件 I/O 的基础上封装了缓冲机制。先读写缓冲区，必要时再访问实际文件，从而减少了系统调用的次数。	低级 I/O 一般没有采用缓冲，需要自己创建缓冲区。通过文件 I/O 读写文件时，每次操作都会执行相关系统调用。这样处理的好处是直接读写实际文件，坏处是频繁的系统调用会增加系统开销。
操作设备	标准 I/O 中用 FILE（流）表示一个打开的文件，通常用来访问普通文件。针对的是控制台，打印输出到屏幕等。	文件 I/O 中用文件描述符表现一个打开的文件，可以访问不同类型的文件如普通文件、设备文件和管道文件等。主要针对的是文件操作、读写硬盘等。
以下为标准 I/O 函数和文件 I/O 函数的对比
打开	fopen,freopen,fdopen	open
fopen与open	标准 I/O 使用 fopen 函数打开一个指定文件。 pathname 是文件名。type 参数指定对I/O流的读、写方式，主要有"r"(只读打开)，"r+"(读写打开)，"w"(只写打开)，"w+"(读写打开)，"a"(追加打开)、"a+"(读和追加打开)，可以加上字母 b 用以指定以二进制模式打开文件。   若成功，会返回一个 FILE 类型的指针，作为我们打开文件的凭据，后面所有对这个文件的操作都需要使用这个文件指针，使用之后要调用 fclose 函数释放资源。 若失败，会返回一个指向 NULL 的指针，表示文件打开失败了，可以通过 errno 获取到具体失败的原因。	文件 I/O 使用 open 函数打开或创建一个文件。 path 参数是要打开或创建的文件名。aflag 参数可用来说明文件的打开模式，主要有 O_RDONLY(只读打开),O_WRONLY(只写打开),O_RDWR(读、写打开) 等。   若成功，返回文件描述符；失败则返回-1。
关闭	fclose	close
fclose与close	标准 I/O 使用 fclose 函数关闭一个打开的流。 如果成功关闭，返回 0，失败则返回 EOF。	文件 I/O 使用 close 函数关闭一个打开的文件。 如果成功关闭，返回 0，失败则返回-1，而不是 EOF。
读	getc,fgetc,getchar, fgets,gets, fread	read
	标准 I/O 可以用 3 种方式进行文件读取。 每次一个字符的I/O 函数getchar等同于getc（stdin）。前两个函数的区别是，getc可被实现为宏，而fgetc不能实现宏。 若成功，返回下一个字符；若已达到文件尾端或出错，则返回 EOF。 每次一行的I/O 这两个函数都指定了缓冲区的地址，读入的行将送入其中。gets从标准输入读，而fgets从指定的流读。 gets(不建议使用）：接受一个参数，不判断目标数组是否能够容纳读入的字符，可能导致存储溢出； fgets使用三个参数：第一个参数和gets一样，用于存储输入的地址，第二个参数为整数，表示输入字符串的最大长度，最后一个参数就是文件指针，指向要读取的文件。 若成功，返回 buf；若已达到文件尾端或出错，则返回 NULL。 直接I/O（二进制 I/O） 若成功，返回读或写的对象数。如果出错或达到文件尾端，则此数字可以少于 nobj。	文件 I/O 使用 read 函数从打开的文件中读取数据。 其中 fd 就是 open 返回的文件描述符，buf用于存储数据的目的缓冲区，而 nbytes 指定要读取的字节数。   如果成功读取，就返回读取的字节数，如已达到文件的尾端，则返回 0。如果失败，则返回-1。
写	putc,fputc,putchar, fputs,puts, fwrite	write
	标准 I/O 可以用 3 种方式进行文件写入。 每次一个字符的I/O 第一个参数是字符，第二个参数是文件指针。 putchar（c）等同于putc（stdin），putc可被实现为宏，而fputc不能。 若成功，返回c；失败则返回 EOF。 每次一行的I/O fputs 函数将一个 null 字节终止的字符串写到指定的流，尾端的终止符 null不写出。这并不一定是每次输出一行，因为字符串不需要换行符作为最后一个非null字节。通常，在 null 字节之前是一个换行符 puts 将一个 null 字节终止的字符串写到标准输出，终止符不写出。但是，puts 随后又将一个换行符写到标准输出。 若成功，返回非负值；失败则返回 EOF。 直接I/O（二进制 I/O） 若成功，返回读或写的对象数。如果出错或达到文件尾端，则此数字少于 nobj。	文件 I/O 使用 write 函数向打开的文件写数据。 其中 fd 就是文件描述符，buf是要写入的内存数据，而 nbytes 指定要写的字节数。   如果成功写入，就返回已写的字节数，失败则返回-1。
随机存取	ftell,fseek	lseek
	标准I/O 使用 fseek 和 ftell 完成文件的随机存取。 fseek 函数的第一个参数是文件指针，第二个参数是一个 long 类型的偏移量（offset），表示从起始点开始移动的距离。第三个参数就是用于指定起始点的模式，主要有 SEEK_SET（文件开始处）、SEEK_CUR（当前位置）、SEEK_END（文件结尾处）。 成功，返回0，出错，返回-1。   ftell 函数用于返回文件的当前位置，返回类型是一个 long 类型。 成功，返回当前文件位置指示，出错，返回-1L。	文件I/O 使用 lseek 来完成文件的随机存取。 fd 是文件描述符，offset 是偏移量，whence 指定起始点模式，取值与fseek相同：SEEK_SET,SEEK_CUR,SEEK_END，但也可以用整数0,1,2相应代替。 与fseek 不同的是，lseek有返回值，如果成功就返回指针变化前的位置，否则返回-1。

 

四、一图泛读 APUE 之标准 I/O 库

 

五、strace 命令跟踪 PHP 函数的系统调用

strace是一个可用于诊断、调试的Linux用户空间跟踪器，可以用它来监控用户空间进程和内核的交互，比如系统调用、信号传递、进程状态变更等。

创建一个php文件，内容如下：

?

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<?php     $file = fopen("test.txt", "wr");     fwrite($file, "test\n");     fclose($file); ?>

执行如下命令：

?

1	strace php open.php

可以看到strace的结果：

lstat 函数返回文件的信息。

open打开文件，第二个参数是文件的打开模式，

    O_WRONLY 只读打开，

    O_CREAT 此文件不存在则创建， 

    O_TRUNC 如果此文件存在，而且为只读或读-写成功打开，则将其长度截断为0。

fstat 函数获得已在文件描述符 fd 打开文件的有关信息。

lseek 函数为一个打开的文件设置偏移量。

write 写入内容

close 关闭文件

由此可以看出，PHP文件函数其实就是文件I/O上的一些封装。