C｜深入理解输入输出流、文件抽象及相关库函数

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计算机的核心就在于用数据来模拟事物，数据和处理数据的代码输入并存储到内存，处理后产生输出。

数据的输入可以来源于键盘、扫描仪、磁盘文件、控件，字符串缓存、网络连接设备（文件）。

数据的输的去向可以是显示屏、打印机、磁盘文件、控件，字符串缓存、网络连接设备（文件）。

指令集是对CPU的抽象，文件是对输入/输出设备的抽象，虚拟存储器是对程序存储的抽象，进程是对一个正在运行的程序的抽象，而虚拟机是对整个计算机（包括操作系统、处理器和程序）的抽象。

console程序与图形界面程序的区别在于，前者是通过函数调用，而后者则是通过消息传递，如单击工具栏图标或菜单项或命令按钮。另外的区别在于输入与输出的方式不同，Windows采用控件这种窗口进行交互。

1 输入输出流的概念

C语言的数据输入使用输入流的概念，可以简单理解为流的数据按“先入先出”的方式提取（extraction）或插入（insertion）。

流实际上是程序中输入或者输出设备的一种抽象表示，它表示了信息从源端到目的端的运动。在输入操作时，字节流从输入设备（如键盘、磁盘）流向内存；在输出操作时，字节流从内存流向输出设备（例如屏幕、打印机、磁盘等）。流中的内容可以是ASCII字符、二进制形式的数据、图形图像、数字音频视频或其他形式的信息。

实际上，在内存中为每个数据流开辟一个内存缓冲区，是用来存放流中的数据。流是与内存缓冲区相对应的，或者可以说，缓冲区中的数据就是流。

C的一个基本原则是避免不必要的成分。

在嵌入式编程中，I/O就不是必需的，所以C并没有内置输入输出语句，而是通过库实现。

<stdio.h> 中声明的大多数函数是对一个流进行操作， 这个流和一个打开的文件相关联。在开始执行程序的时候，将自动打开3 个文件和相关的流：

stdin：读取文本的标准源（标准输入流）。

stdout：写入文本的标准目的地（标准输出流）。

stderr：输出错误信息的标准目的地（标准错误流）。

它们都是FILE*型的指针。流提供了文件和程序的通信通道。

<stdio.h> 中声明的许多函数都用到了这些流， 用户不需要对它们命名。

对那些需要一个流参数的函数， 可以选其中一个名字作为流参数。

也可以通过名字打开一个文件， 并和一个流连接起来。可以通过调用函数fopen或freopen把—个流和—个打开的文件关联起来， 例如：

FILE* fptr = fopen (fname, fmode) ; FILE* fptr = freopen(fname, fmode, fptr);

只有当这两个函数使用模式fmode打开文件名为fname的文件， 并且把该文件和fptr指向的对象控制的流联系起来时， 它们才返回指向FILE类型的指针类型的非空值。

结构体FILE定义了以下数据成员：

文件结束符：记录是否需要结束此文件。

错误指示符：记录读或写是否导致不可恢复的数据传输错误。

文件定位符：记录从文件中读出或写入的下一个字节（这在某些类型的文件中可能没有定义）。

缓冲信息：记录任何读写缓冲区是否存在和它的大小。

状态信息：决定下一个是读操作还是写操作。

demo:

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> struct Student{ char name[24]; int age; double chinese; double math; }; int main() { struct Student arr[100] = {0}; int n,i; printf("请输入需要输入数据的学生个数："); scanf("%d",&n); printf("请输入每个学生的数据：\n"); for(i=0;i<n;i++) scanf("%s %d %lf %lf",&arr[i].name,&arr[i].age,&arr[i].chinese,&arr[i].math); printf("数据输出到控制台：\n"); for(i=0;i<n;i++) printf("%s %d %.1f %.1f\n", arr[i].name,arr[i].age,arr[i].chinese,arr[i].math); printf("数据输出到磁盘文件，并打开文件。\n"); FILE *fout = fopen("student.txt", "w" ); if(fout != NULL ) for(i=0;i<n;i++) fprintf(fout, "%s %d %.1f %.1f\n", arr[i].name,arr[i].age,arr[i].chinese,arr[i].math); fclose(fout); system("student.txt"); getchar(); // 读取回车字符'\n' getchar(); // 等待输入，停住console窗口 return 0; } /* 输入的数据可以一次性复制到console，复制到数据形成一个流，程序从流中逐个读取数据 3 wwu 18 66 77 fwu 17 99 68 zwu 16 78 96 */

输入的数据可以一次性复制到console，全部数据保存到了stdin缓冲区，stdin也是一个FILE*指针类型，有文件定位符（文件位置指示器）。输入函数按要求从缓冲区中读取数据。在它读取数据时，文件位置指示器被设置为指向刚读取字符的下一个字符。由于stdio.h系列的所有输入函数都使用相同的缓冲区， 所以调用任何一个函数都将从上一次函数停止调用的位置开始。

2 输入输出流的方向

数据的输入输出按流的概念进行抽象，有方向的概念：

3 参数、数据来源和去向不同的12个scanf()和printf()

以下I/O函数都使用了一个格式字符串const char *format。

格式format由一条或者多条指示组成：由符号%引导的字符与变长参数（变量）列表形成一一对应的关系，后者按前者指示的类型进行解析。

对于输出函数的format，普通的多字节字符(%除外）， 它们原封不动地被复制到输出流。format参数是一个指向只读的以空字符结尾的字符串的指针。这个格式告诉函数期望附加的参数是什么（如果有的话）以及如何转换它们。它也指定了散布在任意转换后的参数之间的字面量文本。

对于输入函数的format，格式告诉函数所需要的附加参数（如果有的话）和怎样把输入域转换为要存储的值。它也指定转换域之间想要匹配的字面量文本或空白。如果扫描格式看起来和打印格式非常相似，那么这种相似很有可能是有意的。格式由零个或者多个指示性语句组成：一个或者多个空白字符，一个普通的多字节字符（不是%和空白字符），或者一个转换说明。每一个转换说明都由字符%引入。%*是赋值取消操作（也就是忽略）。一个转换说明符指示通过读取输入来执行， 直到遇到第一个非空白字符（不对它进行读取），或者直到再也没有字符可以读取。一个普通的多字节字符指示读取流的下一个字符。如果一个字符和组成控制语句的字符不同， 则指示失败， 不同的字符和它后面的字符都不能被读取。跳过输入的空白字符（由isspace函数指定），除非说明包含一个l、C或者n说明符。一个输入项是输入字符的最长的匹配序列，除非它超过了指定的字段宽度，这种情况下它是序列中前面的该长度个字符。如果输入项后面还有字符的话，后面的第一个字符仍然没有被读取。如果输入项的长度为零，则指示执行失败：这种情况是匹配失败，除非一个错误阻止从流的输入，这种情况是输入失败。

函数sprintf等价于fprintf，只不过参数s指定了一个数组， 生成的输出写入到这个数组中，而不是写到一个流中。在写入的字符最后写入一个空字符， 它不计入返回和的一部分。如果两个交迭的对象之间发生了复制， 则行为未定义。

函数vfprintf等价千函数fprintf, 只不过可变参数表用arg代替，它已经被宏va_start (可能后来还有va_arg调用）初始化了。函数vfprintf不调用宏va_end。

输入要保持开放，输出要保持保守。（Be liberal in what you accept, and conservative in what you send.）

在程序设计中，大量的错误是发生在输入或输出范围的边界上，而不是发生在输入输出范围的内部。

3.1 printf

#include <stdio.h> int printf(const char *format, ... );

printf()函数根据format(格式)给出的格式打印输出到stdout(标准输出)。

字符串format(格式)由两类项目组成 – 显示到屏幕上的字符和定义printf()显示的其它参数。 基本上， 你可以指定一个包含文本在内的format(格式)字符串，也可以是映射到printf()其它参数的”特殊”字符。

char name[20] = "Bob"; int age = 21; printf( "Hello %s, you are %d years old\n", name, age );

显示下列输出:

Hello Bob, you are 21 years old

3.2 scanf

#include <stdio.h> int scanf(const char *format, ... );

scanf()函数根据由format(格式)指定的格式从stdin(标准输入)读取，并保存数据到其它参数。 它和printf()有点类似。format(格式)字符串由控制字符，空白字符和非空白字符组成。控制字符以一个%符号开始。

#include <stdio.h> int main () { char str [80]; int i; printf ("Enter your family name: "); scanf ("%79s",str); printf ("Enter your age: "); scanf ("%d",&i); printf ("Mr. %s , %d years old.\n",str,i); printf ("Enter a hexadecimal number: "); scanf ("%x",&i); printf ("You have entered %#x (%d).\n",i,i); return 0; }

3.3 fprintf

#include <stdio.h> int fprintf( FILE *stream, const char *format, ... );

fprintf()函数根据指定的format(格式)发送信息(参数)到由stream(流)指定的文件。

fprintf()的返回值是输出的字符数，发生错误时返回一个负值。

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { char name[20] = "Mary"; int age = 17; FILE *out; out = fopen( "output.txt", "w" ); if( out != NULL ) fprintf( out, "%s is %d old.\n", name,age); fclose(out); system("output.txt"); return 0; }

fprintf()和printf()一样工作，前者数据的去向是由stream(流)指定的文件，后者是stdout。

printf("hello world\n"); fprintf(stdout,"hello world\n");

3.4 fscanf

#include <stdio.h> int fscanf( FILE *stream, const char *format, ... );

函数fscanf()以scanf()的执行方式从给出的文件流中读取数据。

fscanf()的返回值是事实上已赋值的变量的数，如果未进行任何分配时返回EOF。

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { char name[20] = ""; int age = 0; FILE *fin; fin = fopen( "output.txt", "r" ); if(fin != NULL ) fscanf(fin, "%s is %d old.\n", &name,&age); fclose(fin); printf("%s %d\n",name,age); system("output.txt"); return 0; }

fscanf()数据的来源是stream(流)指定的文件，后者是stdin。

int a; scanf("%d",&a); fscanf(stdin,"%d",&a);

3.5 sprintf

#include <stdio.h> int sprintf( char *buffer, const char *format, ... );

sprintf()函数和printf()类似，只是把输出发送到buffer(缓冲区)中。

返回值是写入的字符数量。

char string[50]; int file_number = 0; sprintf( string, "file.%d", file_number ); file_number++; output_file = fopen( string, "w" );

3.6 sscanf

#include <stdio.h> int sscanf( const char *buffer, const char *format, ... );

函数sscanf()和scanf()类似，只是输入从buffer(缓冲区)中读取。

#include <stdio.h> int main () { char sentence []="Rudolph is 12 years old"; char str [20]; int i; sscanf (sentence,"%s %*s %d",str,&i); printf ("%s -> %d\n",str,i); // Rudolph -> 12 getchar(); return 0; }

3.7 vprintf, vfprintf和 vsprintf

#include <stdarg.h> #include <stdio.h> int vprintf( char *format, va_list arg_ptr ); int vfprintf( FILE *stream, const char *format, va_list arg_ptr ); int vsprintf( char *buffer, char *format, va_list arg_ptr );

这些函数和printf()非常相似，fprintf()和 sprintf()的不同在于参数列表是一个指向一系列参数的指针。 va_list在STDARG.H中定义，并且也可以被va_arg()使用。

void error( char *fmt, ... ) { va_list args; va_start( args, fmt ); fprintf( stderr, "Error: " ); vfprintf( stderr, fmt, args ); fprintf( stderr, "\n" ); va_end( args ); exit( 1 ); }

ref:

http://www.cplusplus.com/reference/cstdio/

https://www.shouce.ren/api/c/index.htm#

P.J. Plauger 《The standard C library》

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