嵌入式Linux入门具备：C语言基础与基本驱动学习（2）：Linux GIibc IO基础

标准IO

标准 I/O 虽然是对文件 I/O 进行了封装，但事实上并不仅仅只是如此，标准 I/O 会处理很多细节，譬如分配 stdio 缓冲区、以优化的块长度执行 I/O 等，这些处理使用户不必担心如何选择使用正确的块长度。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， 在第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。

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。

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 stdou
t#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。

用库函数fopen()打开或创建文件， fopen()函数原型如下所示：

#include <stdio.h>
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);

使用该函数需要包含头文件 stdio.h。函数参数和返回值含义如下：

• path： 参数 path 指向文件路径，可以是绝对路径、也可以是相对路径。

• mode： 参数 mode 指定了对该文件的读写权限，是一个字符串，稍后介绍。

• 返回值： 调用成功返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），该指针与打开或创建的文件相关联，后续的标准 I/O 操作将围绕 FILE 指针进行。 如果失败则返回 NULL，并设置 errno 以指示错误原因。参数 mode 字符串类型，可取值为如下值之一：

mode	说明	flags 参数取值
r	以只读方式打开文件。	O_RDONLY
r+	以可读、可写方式打开文件。	O_RDWR
w	以只写方式打开文件；如果文件存在，将文件长度截断为0；如果文件不存在，则创建文件。	`O_WRONLY
w+	以可读、可写方式打开文件；如果文件存在，将文件长度截断为0；如果文件不存在，则创建文件。	`O_RDWR
a	以只写方式打开文件，进行追加内容（在文件末尾写入）；如果文件不存在，则创建文件。	`O_WRONLY
a+	以可读、可写方式打开文件，进行追加内容（在文件末尾写入）；如果文件不存在，则创建文件。	`O_RDWR

读文件和写文件

当使用 fopen()库函数打开文件之后，接着我们便可以使用 fread()和 fwrite()库函数对文件进行读、写操作了，函数原型如下所示：

#include <stdio.h>
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

库函数 fread()用于读取文件数据，其参数和返回值含义如下：

• ptr： fread()将读取到的数据存放在参数 ptr 指向的缓冲区中；

• size： fread()从文件读取 nmemb 个数据项，每一个数据项的大小为 size 个字节，所以总共读取的数据大小为 nmemb * size 个字节。

• nmemb： 参数 nmemb 指定了读取数据项的个数。stream： FILE 指针。

• 返回值： 调用成功时返回读取到的数据项的数目（数据项数目并不等于实际读取的字节数，除非参数size 等于 1）；如果发生错误或到达文件末尾，则 fread()返回的值将小于参数 nmemb，那么到底发生了错误还是到达了文件末尾， fread()不能区分文件结尾和错误， 究竟是哪一种情况，此时可以使用 ferror()或 feof()函数来判断

库函数 fwrite()用于将数据写入到文件中，其参数和返回值含义如下：

• ptr： 将参数 ptr 指向的缓冲区中的数据写入到文件中。

• size： 参数 size 指定了每个数据项的字节大小，与 fread()函数的 size 参数意义相同。

• nmemb： 参数 nmemb 指定了写入的数据项个数，与 fread()函数的 nmemb 参数意义相同。stream： FILE 指针。

• 返回值： 调用成功时返回写入的数据项的数目（数据项数目并不等于实际写入的字节数，除非参数 size等于 1）；如果发生错误，则 fwrite()返回的值将小于参数 nmemb（或者等于 0）。

由此可知，库函数 fread()、 fwrite()中指定读取或写入数据大小的方式与系统调用 read()、 write()不同，前者通过 nmemb（数据项个数） *size（每个数据项的大小）的方式来指定数据大小，而后者则直接通过一个 size 参数指定数据大小。譬如要将一个 struct mystr 结构体数据写入到文件中:

• 可按如下方式写入：fwrite(buf, sizeof(struct mystr), 1, file);

• 当然也可以按如下方式写：fwrite(buf, 1, sizeof(struct mystr), file);

库函数 fseek()的作用类似于系统调用 lseek()， 用于设置文件读写位置偏移量， lseek()用于文件 I/O，而库函数 fseek()则用于标准 I/O，其函数原型如下所示：

#include <stdio.h>int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);

函数参数和返回值含义如下：

• stream： FILE 指针。

• offset： 与 lseek()函数的 offset 参数意义相同。

• whence： 与 lseek()函数的 whence 参数意义相同。

• 返回值： 成功返回 0；发生错误将返回-1，并且会设置 errno 以指示错误原因； 与 lseek()函数的返回值意义不同，这里要注意！调用库函数 fread()、 fwrite()读写文件时，文件的读写位置偏移量会自动递增，使用 fseek()可手动设置文件当前的读写位置偏移量。

• 譬如将文件的读写位置移动到文件开头处：fseek(file, 0, SEEK_SET);

• 将文件的读写位置移动到文件末尾：fseek(file, 0, SEEK_END);

• 将文件的读写位置移动到 100 个字节偏移量处：fseek(file, 100, SEEK_SET);

调用 fread()读取数据时，如果返回值小于参数 nmemb 所指定的值，表示发生了错误或者已经到了文件末尾（文件结束 end-of-file），但 fread()无法具体确定是哪一种情况； 在这种情况下，可以通过判断错误标志或 end-of-file 标志来确定具体的情况。feof()函数库函数 feof()用于测试参数 stream 所指文件的 end-of-file 标志，如果 end-of-file 标志被设置了，则调用feof()函数将返回一个非零值，如果 end-of-file 标志没有被设置，则返回 0。

#include <stdio.h>
int feof(FILE *stream);

当文件的读写位置移动到了文件末尾时， end-of-file 标志将会被设置。库函数 ferror()用于测试参数 stream 所指文件的错误标志，如果错误标志被设置了，则调用 ferror()函数将返回一个非零值，如果错误标志没有被设置，则返回 0。其函数原型如下所示：

#include <stdio.h>
int ferror(FILE *stream);

C 库函数提供了 5 个格式化输出函数，包括： printf()、 fprintf()、 dprintf()、 sprintf()、 snprintf()，其函数定义如下所示：

#include <stdio.h>
int printf(const char *format, ...);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int dprintf(int fd, const char *format, ...);
int sprintf(char *buf, const char *format, ...);
int snprintf(char *buf, size_t size, const char *format, ...)；

这 5 个函数都是可变参函数，它们都有一个共同的参数 format，这是一个字符串，称为格式控制字符串，用于指定后续的参数如何进行格式转换， 所以才把这些函数称为格式化输出，因为它们可以以调用者指定的格式进行转换输出； 学习这些函数的重点就是掌握这个格式控制字符串 format 的书写格式以及它们所代表的意义， 每个函数除了固定参数之外，还可携带 0 个或多个可变参数。printf()函数

用于将格式化数据写入到标准输出； dprintf()和 fprintf()函数用于将格式化数据写入到指定的文件中，两者不同之处在于， fprintf()使用 FILE 指针指定对应的文件、而 dprintf()则使用文件描述符 fd 指定对应的文件； sprintf()、 snprintf()函数可将格式化的数据存储在用户指定的缓冲区 buf 中。printf()函数前面章节内容编写的示例代码中多次使用了该函数，用于将程序中的字符串信息输出显示到终端（也就是标准输出），它是一个可变参函数，除了一个固定参数 format外，后面还可携带 0 个或多个参数。函数调用成功返回打印输出的字符数；失败将返回一个负值！打印"Hello World"：printf("Hello World!\n");打印数字 5：printf("%d\n", 5);

fprintf()可将格式化数据写入到由 FILE 指针指定的文件中，譬如将字符串"Hello World"写入到标准错误：fprintf(stderr, "Hello World!\n");向标准错误写入数字 5：fprintf(stderr, "%d\n", 5);函数调用成功返回写入到文件中的字符数；失败将返回一个负值！

dprintf()可将格式化数据写入到由文件描述符 fd 指定的文件中，譬如将字符串"Hello World"写入到标准错误：dprintf(STDERR_FILENO, "Hello World!\n");向标准错误写入数字 5：dprintf(STDERR_FILENO, "%d\n", 5);函数调用成功返回写入到文件中的字符数；失败将返回一个负值！

sprintf()函数：sprintf()函数将格式化数据存储在由参数 buf 所指定的缓冲区中， 譬如将字符串"Hello World"存放在缓冲区中：

char buf[100];sprintf(buf, "Hello World!\n");

当然这种用法并没有意义，事实上，我们一般会使用这个函数进行格式化转换，并将转换后的字符串存放在缓冲区中，譬如将数字 100 转换为字符串"100"，将转换后得到的字符串存放在 buf 中：

char buf[20] = {0};
sprintf(buf, "%d", 100);

sprintf()函数会在字符串尾端自动加上一个字符串终止字符'\0'。

需要注意的是， sprintf()函数可能会造成由参数 buf 指定的缓冲区溢出，调用者有责任确保该缓冲区足够大，因为缓冲区溢出会造成程序不稳定甚至安全隐患！函数调用成功返回写入到 buf 中的字节数；失败将返回一个负值！snprintf()函数sprintf()函数可能会发生缓冲区溢出的问题，存在安全隐患，为了解决这个问题，引入了 snprintf()函数；在该函数中，使用参数 size 显式的指定缓冲区的大小，如果写入到缓冲区的字节数大于参数 size 指定的大小，超出的部分将会被丢弃！如果缓冲区空间足够大， snprintf()函数就会返回写入到缓冲区的字符数，与sprintf()函数相同，也会在字符串末尾自动添加终止字符'\0'。若发生错误， snprintf()将返回一个负值！

以上 5 个函数中的 format 参数应该怎么写，把这个参数称为格式控制字符串，顾名思义，首先它是一个字符串的形式，其次它能够控制后续变参的格式转换。格式控制字符串由两部分组成：普通字符（非%字符） 和转换说明。普通字符会进行原样输出，每个转换说明都会对应后续的一个参数，通常有几个转换说明就需要提供几个参数（除固定参数之外的参数）， 使之一一对应，用于控制对应的参数如何进行转换。如下所示：printf("转换说明 1 转换说明 2 转换说明 3", arg1, arg2, arg3);这里只是以 printf()函数举个例子，实际上并不这样用。三个转换说明与参数进行一一对应，按照顺序方式一一对应。每个转换说明都是以%字符开头，其格式如下所示（使用[ ]括起来的部分是可选的） ：

%[flags][width][.precision][length]type

• flags： 标志，可包含 0 个或多个标志；

• width： 输出最小宽度，表示转换后输出字符串的最小宽度；precision： 精度，前面有一个点号" . "；

• length： 长度修饰符；

• type： 转换类型，指定待转换数据的类型。

• 可以看到，只有%和 type 字段是必须的，其余都是可选的。

首先说明 type（类型）， 因为类型是格式控制字符串的重中之重，是必不可少的组成部分，其它的字段都是可选的， type 用于指定输出数据的类型， type 字段使用一个字符（字母字符）来表示:

字符	对应数据类型	含义	示例说明
d/i	int	输出有符号十进制表示的整数，i 是老式写法	printf("%d\n", 123); 输出: 123
o	unsigned int	输出无符号八进制表示的整数（默认不输出前缀0，可在 # 标志下输出前缀0）	printf("%o\n", 123); 输出: 173
u	unsigned int	输出无符号十进制表示的整数	printf("%u\n", 123); 输出: 123
x/X	unsigned int	输出无符号十六进制表示的整数，x 和 X 区别在于字母大小写	printf("%x\n", 123); 输出: 7b printf("%X\n", 123); 输出: 7B
f/F	double	输出浮点数，f 和 F 区别在于字母大小写，默认保留小数点后 6 位数	printf("%f\n", 520.1314); 输出: 520.131400 printf("%F\n", 520.1314); 输出: 520.131400
e/E	double	输出以科学计数法表示的浮点数，e 和 E 区别在于字母大小写	printf("%e\n", 520.1314); 输出: 5.201314e+02 printf("%E\n", 520.1314); 输出: 5.201314E+02
g	double	根据数值的长度，选择以最短方式输出，%f/%e	printf("%g %g\n", 0.000000123, 0.123); 输出: 1.23e-07 0.123
G	double	根据数值的长度，选择以最短方式输出，%F/%E	printf("%G %G\n", 0.000000123, 0.123); 输出: 1.23E-07 0.123
s	char *	字符串，输出字符串中的字符直到终止字符 \0	printf("%s\n", "Hello World"); 输出: Hello World
p	void *	输出十六进制表示的指针	printf("%p\n", "Hello World"); 输出: 0x400624
c	char	字符型，将输入的数字转换为对应的 ASCII 字符输出	printf("%c\n", 64); 输出: A

flags字段的含义如下：

字符	名称	作用
#	井号	对于 o 类型，输出字符串增加前缀 0；对于 x 或 X 类型，输出前缀 0x 或 0X。对于浮点数类型，强制输出小数点。
0	数字 0	当输出数字（非 c 或 s 类型）时，在输出前补 0，直到达到指定最小宽度。
-	减号	左对齐输出，若宽度不足则在右边填充空格。若同时指定 0 和 -，- 会覆盖 0。
' '	空格	输出正数时，在数字前加一个空格，负数则加负号 -。
+	加号	输出时无论正数还是负数，前面都带符号。正数带 +，负数带 -。+ 会覆盖 ' '（空格）。

宽度类型	描述	示例
数字	指定输出的最小宽度，若实际输出位数小于指定宽度，前面会补充空格或 0。	printf("%06d", 1000); 输出: 001000
*	不显示宽度数值，宽度由参数列表中的值指定。	printf("%0*d", 6, 1000); 输出: 001000

描述	类型	示例
数字	整型（d, i, o, u, x, X）	对于整型，指定输出的最小数字位数，不足时补前导零。 例如 printf("%8.5d", 100); 输出: 00100
	浮点型（a, A, e, E, f, F）	对于浮点数，指定小数点后数字的个数。默认6位。 例如 printf("%.8f", 520.1314); 输出: 520.13140000
	g, G	对于 g 和 G，表示最大有效数字位数。
字符串	s	指定最大输出字符数，超过则截断。 例如 printf("%.5s", "hello world"); 输出: hello
*	星号	精度由参数列表指定，例如 printf("%.*s", 5, "hello world"); 输出: hello

长度修饰符指明待转换数据的长度，因为 type 字段指定的的类型只有 int、unsigned int 以及 double 等几种数据类型，但是C 语言内置的数据类型不止这几种，譬如有 16bit 的 short、unsigned short，8bit 的char、unsigned char，也有64bit 的 long long 等，为了能够区别不同长度的数据类型，于是乎，长度修饰符（length）应运而生，成为转换说明的一部分。 length 长度修饰符也是使用字符（字母字符）来表示，结合type 字段以确定不同长度的数据类型：

type	length	描述
d, i	none	int 类型，输出有符号十进制整数。
u, o, x, X	none	unsigned int 类型，输出无符号十进制、八进制、十六进制整数。
f, F, e, E, g, G	none	double 类型，输出浮点数，使用小数表示或科学计数法。
c	none	char 类型，输出一个字符。
s	none	char * 类型，输出字符串。
p	none	void * 类型，输出指针的十六进制表示。
hh	signed char, unsigned char	signed char 或 unsigned char 类型，输出字符。
h	short int, unsigned short int	short int 或 unsigned short int 类型，输出整数。
l	long int, unsigned long int	long int 或 unsigned long int 类型，输出整数。
wint_t	wchar_t	宽字符类型（wint_t 或 wchar_t），用于宽字符处理。
ll	long long int, unsigned long long int	long long int 或 unsigned long long int 类型，输出整数。
L	long double	long double 类型，输出浮点数。
j	intmax_t, uintmax_t	intmax_t 或 uintmax_t 类型，输出整数。
z	size_t, ssize_t	size_t 或 ssize_t 类型，输出无符号或有符号整数。
t	ptrdiff_t	ptrdiff_t 类型，表示指针差值。

格式化输入是类似的，这里不加以赘述了。