软件编程 | 标准IO编程

1、IO编程

1.1 IO概念

I：   Input（输入）

O：Output（输出）

 是指计算机与外部设备之间的数据交互过程，是程序与外部环境交换数据的核心方式。

IO操作的对象是文件

1.2 一切皆是文件

文件类型：

b        block                块设备文件                     代表块存储设备，如硬盘、U 盘

系统以数据块为单位读写数据，按块扫描信息的文件

c        character          字符设备文件                 代表字符流设备，如键盘、鼠标、串口、终端系统以单个字符为单位流式读写，按字符扫描信息的文件

d        directory            目录文件

存放文件或子目录信息的文件夹

–        regular                普通文件

用于存储各类数据，无固定结构，可存放文本、二进制、压缩包、源码等任意数据

l        link                     链接文件

将一个文件链接到另一个文件，分为  软链接（符号链接） 和硬链接

软链接 = 快捷方式，硬链接 = 文件的别名 / 分身

限制：软链接可跨文件系统、可链接目录；硬链接不可跨文件系统、不可链接目录

• 软链接（l）：独立文件，存储目标路径，删除原文件后软链接失效；
• 硬链接：无独立标识（显示为-），和原文件共用 inode，删除原文件不影响访问

• inode：系统分配的唯一数字编号，存储文件的元数据（权限、大小、存储位置、引用计数等），相当于文件的身份证号；
• 引用计数机制：inode 中有个链接计数，每创建一个硬链接，计数 + 1；删除一个链接（文件名），计数 – 1；只有计数归 0 时，系统才会真正删除文件数据
• 文件名：只是指向 inode 的标签 / 别名，用户通过文件名找到 inode，进而访问文件数据
• 系统判断两个文件是不是同一个文件，不看名字，只看 inode 号是否相同
• # 查看inode和详情         ls -li

s       socket                套接字文件

用于本地进程间通信（IPC），也可实现网络通信，支持双向数据传输，效率高于管道，常见于系统服务（如 MySQL）

p        pipe                    管道文件

用于本地进程间单向通信，分为匿名管道和命名管道，数据单向流动，先进先出（FIFO），读写阻塞式传输

1.3 IO的接口分类

2、标准IO

标准 IO 是C 语言标准库提供的 IO 操作接口，封装了底层系统调用，自带用户态缓冲区，适配所有支持 C 标准库的操作系统，是操作普通文件的首选方案。

2.1 标准IO头文件

所有标准 IO 函数均依赖该头文件，无其他额外依赖

#include <stdio.h>

2.2 核心接口分类

2.3 普通文件类型分类

（1）文本文件（ASCII 码文件）：

• 存储内容：文件中存放的内容均为能够在终端显示的ASCII码字符
• 典型场景：代码源文件、配置文件、文本文件；
• 特点：可直接用文本编辑器打开查看。

（2）二进制文件

• 存储内容：存放二进制数据本身的文件（无字符编码转换）；
• 典型场景：图片、音视频、可执行程序、压缩包；
• 特点：无法直接用文本编辑器正常解析，存储效率更高。

注意：ASCII码文件是一种特殊的二进制文件，二者本质都是二进制存储，区别仅在于数据编码规则和解析方式。

2.4 标准IO核心操作流程

打开文件：fopen 获取文件流指针（FILE*），建立程序与文件的关联；

数据交互：通过读写接口完成文件的读 / 写操作；

关闭文件：fclose 释放资源，刷新缓冲区，断开关联。

2.5 Linux/C 语言默认打开的流(与终端建立的流）

• stdin（标准输入流）：文件描述符 0，默认从键盘/终端读取

• stdout（标准输出流）：文件描述符 1，默认输出到终端

• stderr（标准错误流）：文件描述符 2，默认输出到终端

2.6 三种缓存类型

缓存的核心作用：减少磁盘 I/O/ 系统调用次数，提升程序运行效率，不同缓存策略适配不同使用场景。

 （1）全缓存：（Full Buffering）4096（4k）

• 缓存区大小：Linux/glibc （通用库）默认约4096 字节（磁盘 IO 块大小常用值）
• 核心特性：缓存区写满后才统一刷新，是效率最高的缓存策略
• 刷新触发条件：
• 缓存区写满，自动刷新；
• 程序正常退出；
• 调用fclose()关闭流；
• 调用fflush()手动强制刷新；
• 无换行符触发机制（和行缓存核心区别）
• 默认适用对象：stdin/stdout 重定向到普通文件时、所有通过fopen打开的普通文件流
• 典型场景：文件读写、批量写入减少 I/O 开销等

（2）行缓存：（Line Buffering）

• 缓存区大小：Linux/glibc 默认约1024 字节（非标准强制规定）
• 核心特性：以换行符 \\n 为触发刷新的核心标识
• 刷新触发条件：
• 缓存区写满，自动刷新；
• 程序正常退出（main执行完毕）；
• 调用fclose()关闭流；
• 调用fflush()手动强制刷新；
• 遇到换行符 \\n，立即刷新缓存区。
• 默认适用对象：stdin/stdout 连接终端时
• 典型场景：终端交互（命令行输出、用户输入），保证信息逐行实时显示

（3） 无缓存（No Buffering）

• 缓存区大小：0 字节，无临时存储区域
• 刷新规则：数据立即写入目标设备 / 文件，不做任何缓冲
• 强制刷新条件：无需手动刷新，写入即输出
• 默认适用对象：stderr（标准错误流，固定无缓存）
• 典型场景： 用于错误处理或者人机交互

3、核心函数接口

3.1 fopen—-打开文件，建立文件流

3.1.1 函数原型

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

3.1.2 功能

打开指定路径的文件，创建并返回文件流指针，建立程序与文件之间的数据通道

3.1.3 参数

3.1.4 打开模式详解

补充：模式后加b（如rb/wb）表示二进制模式，Linux 系统下文本 / 二进制模式无差异，Windows 系统下会自动转换换行符。

3.1.5 返回值

• 成功：返回指向文件流的FILE*指针（流的首地址）
• 失败：返回NULL

3.2 fclose—关闭文件流

3.2.1 函数原型

int fclose(FILE *stream);

3.2.2 功能

关闭文件流，刷新缓冲区剩余数据，释放系统资源，断开程序与文件的关联。

重要：文件操作完成后必须调用fclose，避免数据丢失、文件句柄泄漏

3.2.3 参数

stream：通过fopen获取的文件流指针

3.2.4 返回值

• 成功：返回0
• 失败：返回EOF（宏定义，值为-1）

3.3 fputc—写入单个字符

 3.3.1 函数原型

int fputc(int c, FILE *stream);

3.3.2 功能

向指定文件流中写入一个字符，写入后文件位置指针自动后移一位。

3.3.3 参数

3.3.4 返回值

• 成功：返回写入字符的ASCII码值（无符号字符形式）
• 失败：返回EOF(-1)

// 向标准输出（终端）打印字符，二者完全等价
putchar(c); // 标准库宏/函数
fputc(c, stdout);

3.4 fgetc—读取单个字符

 3.4.1 函数原型

int fgetc(FILE *stream);

3.4.2 功能

从指定文件流中读取一个字符，读取后文件位置指针自动后移一位。

3.4.3 参数

stream：源文件流指针

3.4.4 返回值

• 成功：返回写入字符的ASCII码值（无符号字符形式）
• 失败：返回EOF(-1)

注意：返回值用int接收，用于区分有效字符和EOF（-1）

// 从标准输入（键盘）读取字符，二者完全等价
getchar();
fgetc(stdin);

3.5 fputs—写入字符串（无换行）

3.5.1 函数原型

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

3.5.2 功能

将以\\0结尾的字符串写入指定文件流，不会自动写入字符串结束符\\0，也不会自动添加换行符。

3.5.3 参数

3.5.4 返回值

• 成功：返回非负整数（通常为0）
• 失败：返回EOF(-1)

// 向终端输出字符串，二者不完全等价
puts(s); // 会自动在末尾添加换行符
fputs(s, stdout);// 不会自动添加换行符

3.6 fgets—读取指定长度字符串

3.6.1 函数原型

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

3.6.2 功能

从指定文件流中读取最多size-1个字符，存储到s指向的缓冲区，自动在末尾添加字符串结束符\\0；遇到换行符\\n 或文件末尾时提前停止读取。

参数

表格

返回值

• 成功：返回缓冲区指针s
• 读到文件末尾 / 失败：返回NULL

3.7 fprintf—格式化写入文件流

3.7.1 函数原型

int fprintf(FILE *stream, const char *format, …);

3.7.2 功能

按指定格式向文件流中写入字符串 / 数据（类似printf，但输出目标是文件流而非终端）。

3.7.3 参数

3.7.4 返回值

• 成功：返回实际写入的字符总数
• 失败：返回负数（通常为-1）

示例：

// 向文件写入格式化数据
fprintf(fp, "姓名：%s，年龄：%d\\n", "张三", 20);
// 向终端输出（等价于printf）
fprintf(stdout, "计算结果：%f\\n", 3.1415);

3.8 fscanf—格式化读取文件流

3.8.1 函数原型

int fscanf(FILE *stream, const char *format, …);

3.8.2  功能

按指定格式从文件流中读取数据（类似scanf，但读取源是文件流而非键盘）。

3.8.3 参数

3.8.4 返回值

• 成功：返回成功匹配并读取的参数个数
• 失败 / 读到文件末尾：返回EOF(-1)

示例：

char name[20];
int age;
// 从文件读取姓名和年龄
fscanf(fp, "%s %d", name, &age);
// 从键盘读取（等价于scanf）
fscanf(stdin, "%d", &age);