一、什么是标准 I/O？（FILE* 接口）
标准 I/O 是 C 标准库为我们提供的一套高级文件操作接口，核心基于结构体 FILE，常见函数如：
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fopen() / fclose()
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fread() / fwrite()
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fprintf() / fscanf()
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fflush() / fseek() / ftell()
其背后的设计理念是：在用户空间加一层缓冲区机制，减少频繁的系统调用，提高 I/O 效率。
二、标准流与 FILE* 指针的关系
C 语言启动时自动打开的三个标准流：
| 名称 | 全局变量 | 描述 | 默认绑定设备 |
|---|---|---|---|
| 标准输入 | stdin | 键盘输入 | 文件描述符 0 |
| 标准输出 | stdout | 屏幕输出 | 文件描述符 1 |
| 标准错误输出 | stderr | 屏幕错误输出 | 文件描述符 2 |
它们本质上是三个全局变量指针：
extern FILE *stdin; // 标准输入
extern FILE *stdout; // 标准输出
extern FILE *stderr; // 标准错误
FILE 的结构体对象，这些对象在程序启动时已经初始化好，不需要手动打开。
三、标准 I/O 的缓冲机制分类
标准 I/O 相比 read()/write() 的一个显著特点是：内部使用了缓冲区机制（缓解频繁的系统调用）。
- 无缓冲（Unbuffered）
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直接写入/读取，不做缓存。
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特征：每次 fputc()、fprintf(stderr, ...) 都是一次系统调用。
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示例：标准错误流 stderr 通常是无缓冲。
- 行缓冲（Line Buffered）
- 读写一整行再提交，或者满足以下任一条件立即刷新：
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遇到换行符 \n
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调用 fflush()
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缓冲区被填满
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程序正常退出
- 示例：标准输出 stdout 在连接终端时通常是行缓冲。
- 全缓冲（Fully Buffered）
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只有当缓冲区满时或显示调用 fflush() 时才进行 I/O 操作。
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示例：对磁盘文件操作通常是全缓冲。
关于缓冲区的大小
标准 I/O 缓冲区大小（来自 APUE 的描述）
标准 I/O 使用的是 用户空间的缓冲机制，而这部分缓冲区的大小通常为：
✅ BUFSIZ，大小通常是 8192 字节（即 8KB）
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BUFSIZ 是一个宏，定义在 <stdio.h> 中，表示标准库默认的缓冲区大小。
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实际大小由系统实现决定，但大多数现代系统中是 8192 字节（8KB）。
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你可以通过下面代码查看具体大小：
#include <stdio.h> int main() { printf("BUFSIZ = %d\n", BUFSIZ); return0; }
🧠 说明一下：
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标准I/O函数（如 fopen/fread/fwrite）使用内部缓冲区，提高读写效率。
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这个缓冲区由 libc 实现，属于用户空间。
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不像 read() / write() 系统调用直接进入内核空间，标准IO通过一次性读写大块内容来减少系统调用次数。
🧪 补充说明：你还可以自己设定缓冲区
FILE *fp = fopen("file.txt", "r"); char buf[BUFSIZ]; setbuf(fp, buf); // 手动设置缓冲区
或者使用 setvbuf() 函数精细控制缓冲类型（全缓冲、行缓冲、无缓冲）和大小。
📝 总结
| 名称 | 值（常见） | 定义位置 | 用途 |
|---|---|---|---|
| BUFSIZ | 8192 字节 | <stdio.h> | 标准I/O默认缓冲区大小 |
📌 注意：BUFSIZ 是用于标准IO缓冲（如 fopen），而不是 read() 等系统调用（后者不涉及标准IO缓冲机制）。
这里FILE结构体需要描述
FILE 结构体的典型定义（简化版）
FILE 的真实定义是不公开的（属于 libc 实现细节），但你可以在 GNU libc 或 musl 的源码中看到类似的简化结构：
typedef struct _IO_FILE { int _fileno; // 文件描述符，对应 open 返回的 int char *_buffer; // 指向缓冲区的指针 char *_bufpos; // 当前缓冲位置 char *_bufend; // 缓冲区末尾 int _flags; // 文件状态，如可读、可写、错误、EOF 等 long _pos; // 当前文件位置（用于 ftell、fseek） // 还有更多复杂字段... } FILE;
📌注意：不同系统实现（如 glibc、musl）中，这个结构体的字段名称和结构会有所不同。
🎯 FILE 和底层文件描述符的区别
| 项目 | FILE（高级IO） | 文件描述符（低级IO） |
|---|---|---|
| 类型 | FILE *（结构体指针） | int（整数） |
| 接口 | fopen, fread, fwrite 等 | open, read, write 等 |
| 是否缓冲 | ✅ 有缓冲区（提高效率） | ❌ 无缓冲（每次都直接系统调用） |
| 是否格式化支持 | ✅ fprintf, fscanf | ❌ 不支持格式化 |
🧠 标准流的 FILE 示例
C语言一开始默认打开了三个标准流（在 <stdio.h> 中定义）：
extern FILE *stdin; // 标准输入 extern FILE *stdout; // 标准输出 extern FILE *stderr; // 标准错误
你可以直接使用这些来读写数据：
fprintf(stdout, "Hello\n"); fscanf(stdin, "%d", &num);
🧪 进阶：缓冲机制与 FILE
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FILE 内部包含了一个缓冲区，默认大小是 BUFSIZ（通常是 8192 字节）。
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分为：
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全缓冲（默认情况，大文件使用）
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行缓冲（用于终端）
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无缓冲（stderr）
你可以用 setvbuf() 或 setbuf() 控制缓冲方式。