学习笔记2

9.1~9.2 系统调用和I/O库函数

在操作系统中，进程以两种不同的方式运行：内核模式（Kmode）和用户模式（Umode）。用户模式的权限有限，某些特殊权限的操作需要在内核模式下进行。系统调用（System Call）机制允许进程进入内核模式，执行更高权限的操作。

系统调用和I/O库函数不同，但I/O库函数是基于系统调用构建的。例如，许多I/O库函数依赖于底层的系统调用，如fopen()依赖于open()，fread()依赖于read()。

常见系统调用及功能

1. open()：用于打开文件或创建新文件。可以指定文件名、访问模式（读、写、执行等）、文件权限等参数。返回一个文件描述符，用于后续文件操作。

2. read()：用于从已打开的文件中读取数据。需要提供文件描述符、读取位置和读取字节数等参数。

3. write()：用于向已打开的文件中写入数据。需要提供文件描述符、写入位置和写入字节数等参数。

4. lseek()：用于移动文件读写指针的位置。可以在文件中随机访问数据。

5. close()：用于关闭已打开的文件，释放文件描述符以及与文件相关的资源。

这些系统调用提供了对文件操作的底层支持。在其上，I/O库函数被构建，以提供更高级别的文件操作接口，使程序员更容易使用这些系统调用来进行文件处理。

例如，C标准库的文件函数，如fopen()，fread()，fwrite()，以及fclose()，都是建立在系统调用的基础上的。fopen()函数实际上使用open()系统调用来打开文件，而fread()和fwrite()则使用read()和write()系统调用来进行数据读写操作。

通过系统调用，用户程序可以与操作系统内核进行通信，并获得对底层资源的访问权限，这是编写系统级应用程序和操作系统的关键部分。

9.3 I/O库函数的算法

I/O库函数的算法主要包括fread算法、fwrite算法、以及fclose算法。

9.3.1 fread算法

1. 第一次调用fread()

• 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. 随后的fread()调用

• 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，它就会再次发出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，不同之处在于数据传输方向不同。
• 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。

这些算法描述了I/O库函数在内部如何操作，以及它们如何与底层系统调用交互。这对于理解文件读写的底层机制非常重要，尤其是在编写需要高效I/O操作的程序时。

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。

I/O库模式中的字符模式

• 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。

I/O库模式中的二进制模式

• 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scanf和printf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。

问题与解决思路

在进行文件I/O操作时，常常会面临各种问题，如文件不存在、权限问题、编码错误、内存消耗过大等。

文件不存在问题：

问题描述： 尝试打开或读取一个不存在的文件，导致FileNotFoundError。

解决方式：

1. 在打开文件前，确保文件存在，可以使用os.path.exists()来检查。

2. 使用try...except块来捕获FileNotFoundError并进行适当的错误处理。

import os

file_path = "example.txt"

if os.path.exists(file_path):
    with open(file_path, 'r') as file:
        content = file.read()
else:
    print(f"File '{file_path}' does not exist.")

实践过程

创建并写入文件：

 #include <stdio.h>

int main() {
    // 创建文件并打开以写入模式
    FILE *file = fopen("pro.txt", "w");

    // 检查文件是否成功打开
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }

    // 写入数据到文件
    fprintf(file, "Hello, world!\n");
    fprintf(file, "C program\n");

    // 关闭文件
    fclose(file);

    printf("已经成功写入\n");

    return 0;
}

读取文件内容：

 #include <stdio.h>

int main() {
    // 打开文件以读取模式
    FILE *file = fopen("pro.txt", "r");

    // 检查文件是否成功打开
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }

    // 读取文件内容并打印
    char buffer[100]; // 缓冲区
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
        printf("%s", buffer); // 不打印多余的换行符
    }

    // 关闭文件
    fclose(file);

    return 0;
}

3. 追加内容到文件：

#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开文件以追加模式
    FILE *file = fopen("pro.txt", "a");

    // 检查文件是否成功打开
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }

    // 写入数据到文件
    fprintf(file, "This line is appended.\n");
    printf("print successfully");
    // 关闭文件
    fclose(file);

    return 0;
}