Linux软件编程：IO编程（1）

📘 一、Linux IO编程核心概念

1.1 "一切皆是文件"的理念

在Linux系统中，所有输入输出操作都统一为文件操作，具体分为以下几类：

1.2 IO操作的统一性

核心思想：无论操作什么类型的"文件"，都使用相似的IO接口。

1.3 IO接口分类体系

c

Linux IO系统
├── 标准IO（带缓存）
│ ├── 适用于：普通文件
│ ├── 特点：高效、带缓冲机制
│ └── 头文件：#include <stdio.h>
│
├── 文件IO（无缓存）
│ ├── 适用于：设备文件、通信文件
│ ├── 特点：直接、实时
│ └── 头文件：#include <unistd.h>、#include <fcntl.h>
│
└── 目录IO
├── 适用于：目录文件
└── 函数：opendir()、readdir()、closedir()

📂 二、标准IO详细解析

2.1 标准IO的基本特性

2.1.1 文件类型区分

• ASCII码文件：内容为可显示的ASCII字符

  • 示例：代码文件、配置文件、日志文件

• 二进制文件：存储二进制数据

  • 示例：图片、音频、视频、压缩包

• 注意：ASCII文件是二进制文件的特殊形式

2.1.2 标准IO操作流程

text

打开文件 (fopen)
↓
读写操作 (多种函数)
↓
关闭文件 (fclose)

2.2 默认打开的流（预定义文件指针）

2.3 缓存机制详解

2.3.1 全缓存（Full Buffering）

• 缓存大小：4096字节（4KB）

• 刷新条件：

• 缓存区满时自动刷新

• 调用fflush()函数强制刷新

• 程序正常结束时自动刷新

• 调用fclose()关闭文件时

• 应用场景：普通文件操作

2.3.2 行缓存（Line Buffering）

• 缓存大小：1024字节（1KB）

• 刷新条件：

• 遇到换行符\\n时刷新

• 缓存区满时刷新

• 调用fflush()函数强制刷新

• 程序正常结束

• 应用场景：终端输入输出（stdin/stdout）

2.3.3 无缓存（Unbuffered）

• 缓存大小：0字节

• 特点：立即输出，不缓存

• 应用场景：错误输出（stderr）、实时日志

2.4 标准IO函数全集（详细参数说明）

2.4.1 文件打开/关闭函数

fopen() 函数

c

/**
* 功能：打开文件并建立流
* 参数：
* pathname：文件路径
* mode：打开模式
* 返回值：
* 成功：FILE* 指针
* 失败：NULL
*/
FILE *fopen(const char *pathname, const char *mode);

mode参数详细说明：

fclose() 函数

c

/**
* 功能：关闭文件流
* 参数：
* stream：要关闭的文件流指针
* 返回值：
* 成功：0
* 失败：EOF(-1)
*/
int fclose(FILE *stream);

2.4.2 字符输入输出函数

fputc() 函数

c

/**
* 功能：向流中写入一个字符
* 参数：
* c：要写入的字符（ASCII码值）
* stream：目标文件流
* 返回值：
* 成功：写入字符的ASCII码值
* 失败：EOF(-1)
*/
int fputc(int c, FILE *stream);

// 等价关系
putchar(ch) ⇔ fputc(ch, stdout)

fgetc() 函数

c

/**
* 功能：从流中读取一个字符
* 参数：
* stream：源文件流
* 返回值：
* 成功：读取字符的ASCII码值
* 失败/文件结束：EOF(-1)
*/
int fgetc(FILE *stream);

// 等价关系
ch = getchar() ⇔ ch = fgetc(stdin)

2.4.3 字符串输入输出函数

fputs() 函数

c

/**
* 功能：向流中写入字符串
* 参数：
* s：要写入的字符串（以'\\0'结尾）
* stream：目标文件流
* 返回值：
* 成功：非负整数
* 失败：EOF(-1)
*/
int fputs(const char *s, FILE *stream);

fgets() 函数

c

/**
* 功能：从流中读取字符串
* 参数：
* s：存储读取结果的缓冲区
* size：最多读取的字符数（包括结尾的'\\0'）
* stream：源文件流
* 返回值：
* 成功：缓冲区地址s
* 失败/文件结束：NULL
*/
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);

重要区别说明：

c

// fgets vs gets
char str[100];
fgets(str, sizeof(str), stdin); // 保留换行符'\\n'
gets(str); // 不保留换行符

// 使用fgets模拟gets的功能
fgets(str, sizeof(str), stdin);
str[strlen(str) – 1] = '\\0'; // 去掉换行符

// fputs vs puts
fputs("Hello", stdout); // 不添加换行符
puts("Hello"); // 自动添加换行符

2.4.4 格式化输入输出函数

fprintf() 函数

c

/**
* 功能：向流中写入格式化字符串
* 参数：
* stream：目标文件流
* format：格式化字符串
* …：可变参数（要输出的变量）
* 返回值：
* 成功：输出的字符数
* 失败：负数
*/
int fprintf(FILE *stream, const char *format, …);

// 示例
fprintf(stdout, "Name: %s, Age: %d\\n", name, age);
fprintf(file, "Data: %f, %f, %f\\n", x, y, z);

fscanf() 函数

c

/**
* 功能：从流中读取格式化数据
* 参数：
* stream：源文件流
* format：格式化字符串
* …：可变参数（存储读取结果的变量地址）
* 返回值：
* 成功：成功匹配并赋值的参数个数
* 失败/文件结束：EOF(-1)
*/
int fscanf(FILE *stream, const char *format, …);

// 示例
int count = fscanf(file, "%d %s %f", &id, name, &score);

2.5 文件操作完整流程示例

示例1：完整文件读写流程

c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
FILE *fp = NULL;
char buffer[100];

// 1. 打开文件
fp = fopen("example.txt", "w+");
if (fp == NULL) {
perror("Error opening file");
return EXIT_FAILURE;
}

// 2. 写入数据（多种方式）
fputs("Hello, World!\\n", fp);
fprintf(fp, "This is line %d\\n", 2);
fputc('A', fp);
fputc('\\n', fp);

// 3. 重置文件指针到开头
rewind(fp);

// 4. 读取数据
printf("File content:\\n");
while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {
printf("%s", buffer);
}

// 5. 关闭文件
fclose(fp);

return EXIT_SUCCESS;
}

🔧 三、IO编程练习题详解

3.1 练习1：文件拷贝程序

要求：从终端接收两个文件路径，将第一个文件内容拷贝到第二个文件

c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
FILE *src, *dst;
int ch;

// 检查参数数量
if (argc != 3) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <source> <destination>\\n", argv[0]);
return 1;
}

// 打开源文件
src = fopen(argv[1], "r");
if (src == NULL) {
perror("Error opening source file");
return 1;
}

// 打开目标文件
dst = fopen(argv[2], "w");
if (dst == NULL) {
perror("Error opening destination file");
fclose(src);
return 1;
}

// 拷贝内容
while ((ch = fgetc(src)) != EOF) {
fputc(ch, dst);
}

// 检查是否读取错误
if (ferror(src)) {
fprintf(stderr, "Error reading from source file\\n");
}

// 关闭文件
fclose(src);
fclose(dst);

printf("File copied successfully from %s to %s\\n", argv[1], argv[2]);
return 0;
}

编译与运行：

bash

gcc file_copy.c -o file_copy
./file_copy source.txt destination.txt

3.2 练习2：字符频率统计程序

要求：统计文件中出现次数最多的字符及其出现次数

c

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <stdlib.h>

#define ASCII_SIZE 256

int main(int argc, char *argv[]) {
FILE *fp;
int freq[ASCII_SIZE] = {0};
int ch;
int max_index = 0;

// 检查参数
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <filename>\\n", argv[0]);
return 1;
}

// 打开文件
fp = fopen(argv[1], "r");
if (fp == NULL) {
perror("Error opening file");
return 1;
}

// 统计字符频率
while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {
// 只统计可打印字符
if (isprint(ch)) {
freq[ch]++;
if (freq[ch] > freq[max_index]) {
max_index = ch;
}
}
}

// 显示结果
if (freq[max_index] > 0) {
printf("Most frequent character: '%c' (ASCII: %d)\\n",
max_index, max_index);
printf("Frequency: %d times\\n", freq[max_index]);

// 可选：显示所有字符频率
printf("\\nCharacter frequency table:\\n");
printf("Char | Count\\n");
printf("—–|——\\n");
for (int i = 0; i < ASCII_SIZE; i++) {
if (freq[i] > 0 && isprint(i)) {
printf(" %c | %d\\n", i, freq[i]);
}
}
} else {
printf("File is empty or contains no printable characters.\\n");
}

fclose(fp);
return 0;
}

编译与运行：

bash

gcc char_freq.c -o char_freq
./char_freq example.txt

3.3 扩展练习：带缓存的批量拷贝（优化版）

c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

#define BUFFER_SIZE 4096 // 4KB缓冲区，匹配全缓存大小

int main(int argc, char *argv[]) {
FILE *src, *dst;
char buffer[BUFFER_SIZE];
size_t bytes_read, total_bytes = 0;
clock_t start, end;
double cpu_time_used;

if (argc != 3) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <source> <destination>\\n", argv[0]);
return 1;
}

start = clock();

src = fopen(argv[1], "rb"); // 二进制模式读取
if (!src) {
perror("Source file error");
return 1;
}

dst = fopen(argv[2], "wb"); // 二进制模式写入
if (!dst) {
perror("Destination file error");
fclose(src);
return 1;
}

// 使用缓冲区批量读写
while ((bytes_read = fread(buffer, 1, BUFFER_SIZE, src)) > 0) {
fwrite(buffer, 1, bytes_read, dst);
total_bytes += bytes_read;
}

// 检查错误
if (ferror(src)) {
fprintf(stderr, "Error reading source file\\n");
}
if (ferror(dst)) {
fprintf(stderr, "Error writing to destination file\\n");
}

fclose(src);
fclose(dst);

end = clock();
cpu_time_used = ((double)(end – start)) / CLOCKS_PER_SEC;

printf("Copy completed successfully!\\n");
printf("Total bytes copied: %ld\\n", total_bytes);
printf("Time used: %.6f seconds\\n", cpu_time_used);
printf("Transfer rate: %.2f KB/s\\n",
total_bytes / 1024.0 / cpu_time_used);

return 0;
}

📊 四、IO编程实践技巧与注意事项

4.1 错误处理最佳实践

c

// 不好的写法
FILE *fp = fopen("file.txt", "r");
// 直接使用fp，不检查是否成功

// 好的写法
FILE *fp = fopen("file.txt", "r");
if (fp == NULL) {
// 使用perror提供详细信息
perror("Error opening file");

// 或者使用strerror
fprintf(stderr, "Error: %s\\n", strerror(errno));

return EXIT_FAILURE;
}

4.2 资源管理（防止内存/文件泄漏）

c

// 安全地打开多个文件
FILE *fp1 = NULL, *fp2 = NULL, *fp3 = NULL;

fp1 = fopen("file1.txt", "r");
if (!fp1) goto cleanup;

fp2 = fopen("file2.txt", "r");
if (!fp2) goto cleanup;

fp3 = fopen("file3.txt", "w");
if (!fp3) goto cleanup;

// 正常处理逻辑…

cleanup:
// 安全关闭所有打开的文件
if (fp1) fclose(fp1);
if (fp2) fclose(fp2);
if (fp3) fclose(fp3);

4.3 缓存刷新策略

c

// 需要实时写入日志的场景
FILE *log_file = fopen("app.log", "a");
if (log_file) {
// 设置行缓存
setvbuf(log_file, NULL, _IOLBF, 0);

fprintf(log_file, "Event 1 occurred\\n");
fflush(log_file); // 立即写入，不等待缓存满

fprintf(log_file, "Event 2 occurred\\n");
fclose(log_file);
}

📝 五、总结与学习建议

5.1 核心要点回顾

5.2 学习路径建议

text

第一阶段：基础掌握
├── 理解"一切皆是文件"理念
├── 掌握标准I/O基本函数（fopen/fclose/fputc/fgetc）
└── 完成简单文件操作练习

第二阶段：熟练应用
├── 掌握格式化I/O（fprintf/fscanf）
├── 理解缓存机制与刷新策略
├── 学习二进制文件操作
└── 完成复杂文件处理任务

第三阶段：高级优化
├── 性能分析与调优
├── 错误处理与资源管理
├── 跨平台兼容性处理
└── 实际项目应用

5.3 推荐练习项目

5.4 常见陷阱与解决方案