Linux标准IO（一）-基础知识详解

1.标准I/O库简介

所谓标准 I/O 库则是标准 C 库中用于文件 I/O 操作（譬如读文件、写文件等）相关的一系列库函数的集合，通常标准 I/O 库函数相关的函数定义都在头文件<stdio.h>中，所以我们需要在程序源码中包含<stdio.h>头文件。

标准 I/O 库函数是构建于文件 I/O（open()、read()、write()、lseek()、close()等）这些系统调用之上的，譬如标准 I/O 库函数 fopen()就利用系统调用 open()来执行打开文件的操作、fread()利用系统调用 read()来执行读文件操作、fwrite()则利用系统调用 write()来执行写文件操作等等。

那既然如此，为何还需要设计标准 I/O 库？直接使用文件 I/O 系统调用不是更好吗？事实上，并非如此，在上一章中我们也提到过，设计库函数是为了提供比底层系统调用更为方便、好用的调用接口，虽然标准 I/O 构建于文件 I/O 之上，但标准 I/O 却有它自己的优势，标准 I/O 和文件 I/O 的区别如下：

• 虽然标准 I/O 和文件 I/O 都是 C 语言函数，但是标准 I/O 是标准 C 库函数，而文件 I/O 则是 Linux系统调用；
• 标准 I/O 是由文件 I/O 封装而来，标准 I/O 内部实际上是调用文件 I/O 来完成实际操作的；
• 可移植性：标准 I/O 相比于文件 I/O 具有更好的可移植性，通常对于不同的操作系统，其内核向应用层提供的系统调用往往都是不同，譬如系统调用的定义、功能、参数列表、返回值等往往都是不一样的；而对于标准 I/O 来说，由于很多操作系统都实现了标准 I/O 库，标准 I/O 库在不同的操作系统之间其接口定义几乎是一样的，所以标准 I/O 在不同操作系统之间相比于文件 I/O 具有更好的可移植性。
• 性能、效率：标准 I/O 库在用户空间维护了自己的 stdio 缓冲区，所以标准 I/O 是带有缓存的，而文件 I/O 在用户空间是不带有缓存的，所以在性能、效率上，标准 I/O 要优于文件 I/O。

2.FILE指针

在前面所介绍的所有文件 I/O 函数（open()、read()、write()、lseek()等）都是围绕文件描述符进行的，当调用 open()函数打开一个文件时，即返回一个文件描述符 fd，然后该文件描述符就用于后续的 I/O 操作。

而对于标准 I/O 库函数来说，它们的操作是围绕 FILE 指针进行的，当使用标准 I/O 库函数打开或创建一个文件时，会返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），使用该 FILE 指针与被打开或创建的文件相关联，然后该 FILE 指针就用于后续的标准 I/O 操作（使用标准 I/O 库函数进行 I/O 操作），所以由此可知，FILE 指针的作用相当于文件描述符，只不过 FILE 指针用于标准 I/O 库函数中、而文件描述符则用于文件I/O 系统调用中。 FILE 是一个结构体数据类型，它包含了标准 I/O 库函数为管理文件所需要的所有信息，包括用于实际 I/O 的文件描述符、指向文件缓冲区的指针、缓冲区的长度、当前缓冲区中的字节数以及出错标志等。

FILE数据结构定义在标准 I/O 库函数头文件 stdio.h 中。

3.标准输入、标准输出和标准错误

关于标准输入、标准输出以及标准错误这三个概念在前面小节有所提及，所谓标准输入设备指的就是计算机系统的标准的输入设备，通常指的是计算机所连接的键盘；而标准输出设备指的是计算机系统中用于输出标准信息的设备，通常指的是计算机所连接的显示器；标准错误设备则指的是计算机系统中用于显示错误信息的设备，通常也指的是显示器设备。 用户通过标准输入设备与系统进行交互，进程将从标准输入（stdin）文件中得到输入数据，将正常输出数据（譬如程序中 printf 打印输出的字符串）输出到标准输出（stdout）文件，而将错误信息（譬如函数调用报错打印的信息）输出到标准错误（stderr）文件。 标准输出文件和标准错误文件都对应终端的屏幕，而标准输入文件则对应于键盘。 每个进程启动之后都会默认打开标准输入、标准输出以及标准错误，得到三个文件描述符，即 0、1、 2，其中0 代表标准输入、1 代表标准输出、2 代表标准错误；

在应用编程中可以使用宏 STDIN_FILENO、 STDOUT_FILENO和 STDERR_FILENO

分别代表 0、1、2，这些宏定义在 unistd.h 头文件中：

/* Standard file descriptors. /
#define STDIN_FILENO 0 / Standard input. /
#define STDOUT_FILENO1 / Standard output. /
#define STDERR_FILENO2 / Standard error output. /

0、1、2 这三个是文件描述符，只能用于文件 I/O（read()、write()等），那么在标准 I/O 中，自然是无法使用文件描述符来对文件进行 I/O 操作的，它们需要围绕 FILE 类型指针来进行，在 stdio.h 头文件中有相应的定义，如下：

/ Standard streams. */
extern struct _IO_FILE stdin; / Standard input stream. */
extern struct _IO_FILE stdout; / Standard output stream. */
extern struct _IO_FILE stderr; / Standard error output stream. /
/ C89/C99 say they're macros. Make them happy. */
#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr

Tips：struct _IO_FILE 结构体就是 FILE 结构体，使用了 typedef 进行了重命名。 所以，在标准 I/O 中，可以使用 stdin、stdout、stderr 来表示标准输入、标准输出和标准错误。