一、标准 IO 概述
标准 IO（Standard I/O）是 C 语言提供的一套文件操作接口，封装了底层的系统调用（如 read/write），并引入缓存机制提升 IO 效率。相比系统调用，标准 IO 具有跨平台性强、使用简单、缓存优化等优势，是 Linux C 编程中文件操作的首选方式。
1.1 核心头文件
所有标准 IO 接口均定义在<stdio.h>头文件中，使用前需引入：
c
运行
#include <stdio.h>1.2 文件类型基础
在 Linux 系统中，文件可分为多种类型，标准 IO 可操作的核心类型包括：
表格
| 文件类型 | 标识 | 说明 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| 普通文件 | - | 存储数据的基础文件 | 文本、图片、音视频 |
| 字符设备文件 | c | 按字符交互的设备 | 键盘、终端、鼠标 |
| 块设备文件 | b | 按块读写的存储设备 | 硬盘、U 盘 |
| 目录文件 | d | 存放文件信息的文件夹 | 文件夹目录 |
| 链接文件 | l | 指向其他文件的引用 | 软链接 / 硬链接 |
| 套接字文件 | s | 进程间网络通信 | 网络编程 |
| 管道文件 | p | 进程间本地通信 | 匿名管道 / 命名管道 |
1.3 普通文件的两种形式
- ASCII 码文件：内容为可显示的 ASCII 字符（如代码、文本文件），本质是特殊的二进制文件；
- 二进制文件：存放二进制数据（如图片、音视频、压缩包），无法直接通过终端解析显示。
二、标准 IO 的缓存机制
标准 IO 通过缓存减少系统调用次数，提升效率，缓存分为三类：
表格
| 缓存类型 | 大小 | 刷新条件 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 全缓存 | 4096 字节（4K） | 1. 缓存区满；2. 程序结束 /fclose；3. fflush 强制刷新 | 普通文件（如 txt、jpg） |
| 行缓存 | 1024 字节（1K） | 1. 缓存区满；2. 程序结束 /fclose；3. fflush 强制刷新；4. 遇到 \n | 终端（stdin、stdout） |
| 不缓存 | 0 字节 | 无缓存，直接写入 / 读取 | 错误输出（stderr）、人机交互 |
核心说明：
- 与文件关联的流默认是全缓存；
- 与终端关联的流（stdin/stdout）默认是行缓存；
- 标准错误流 stderr 默认不缓存，保证错误信息即时输出。
三、标准 IO 核心接口详解
3.1 文件打开与关闭
（1）fopen：打开文件并创建流
c
运行
FILE *fopen(const char *pathname, const char *mode);- 功能：打开指定路径的文件，建立文件与流的关联；
- 参数 ：
pathname：文件路径（绝对 / 相对路径）；mode：打开模式（核心模式如下）：
表格
| 模式 | 权限 | 文件不存在 | 文件存在 |
|---|---|---|---|
| r | 只读 | 报错（返回 NULL） | 只读打开 |
| r+ | 读写 | 报错（返回 NULL） | 读写打开 |
| w | 只写 | 创建新文件 | 清空内容后只写 |
| w+ | 写读 | 创建新文件 | 清空内容后写读 |
| a | 追加只写 | 创建新文件 | 从文件末尾追加写入 |
| a+ | 追加读写 | 创建新文件 | 读：任意位置；写：末尾追加 |
- 返回值：成功返回文件流指针（FILE*），失败返回 NULL（需检查 errno）。
（2）fclose：关闭文件流
c
运行
int fclose(FILE *stream);- 功能：关闭文件流，刷新缓存并释放资源；
- 返回值：成功返回 0，失败返回 EOF（-1）。
注意：打开文件后必须关闭，否则会导致资源泄漏；多次关闭同一流会触发未定义行为。
3.2 字符级读写
（1）fputc：写入单个字符
c
运行
int fputc(int c, FILE *stream);- 功能：向流中写入一个字符（c 为字符的 ASCII 码）；
- 返回值：成功返回写入字符的 ASCII 码，失败返回 EOF。
（2）fgetc：读取单个字符
c
运行
int fgetc(FILE *stream);- 功能：从流中读取一个字符；
- 返回值：成功返回字符 ASCII 码，失败 / 文件末尾返回 EOF。
等价简化：
c
运行
// 从标准输入读字符
ch = getchar(); // 等价于 ch = fgetc(stdin);
// 向标准输出写字符
putchar(ch); // 等价于 fputc(ch, stdout);3.3 字符串级读写
（1）fputs：写入字符串
c
运行
int fputs(const char *s, FILE *stream);- 功能 ：向流中写入以
\0结尾的字符串（不自动加 \n）； - 返回值：成功返回非负数，失败返回 EOF。
（2）fgets：读取字符串
c
运行
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);- 功能 ：从流中读取最多
size-1个字符（留 1 位存\0），遇到\n或 EOF 停止； - 参数 ：
s：存储字符串的缓冲区；size：缓冲区大小；
- 返回值：成功返回缓冲区地址，失败 / 文件末尾返回 NULL。
fgets 与 gets 的区别：
- gets 会丢弃读取到的
\n，且无缓冲区大小限制（易缓冲区溢出）； - fgets 保留读取到的
\n，且通过 size 限制读取长度（安全）。
fgets 模拟 gets 功能（去除 \n）：
c
运行
fgets(str, sizeof(str), stdin);
str[strlen(str)-1] = '\0'; // 替换末尾的\n为字符串结束符fputs 与 puts 的区别：
- puts 会自动在字符串末尾添加
\n； - fputs 仅写入字符串本身，不额外加
\n。
3.4 格式化读写
（1）fprintf：格式化写入
c
运行
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);- 功能：按指定格式向流中写入数据（类似 printf，printf 是 fprintf (stdout, ...) 的简化）；
- 返回值：成功返回写入的字符数，失败返回负数。
（2）fscanf：格式化读取
c
运行
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);- 功能：按指定格式从流中读取数据（类似 scanf，scanf 是 fscanf (stdin, ...) 的简化）；
- 返回值：成功返回匹配的项数，失败 / 文件末尾返回 EOF。
3.5 块级读写（二进制操作）
（1）fwrite：按块写入二进制数据
c
运行
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);- 功能：将 ptr 指向的内存数据，按 "每个对象 size 字节，共 nmemb 个对象" 写入流；
- 参数 ：
ptr：待写入数据的内存首地址；size：单个对象的字节大小；nmemb：要写入的对象个数；
- 返回值：成功返回实际写入的对象个数，失败返回 0。
（2）fread：按块读取二进制数据
c
运行
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);- 功能：从流中读取 "每个对象 size 字节，共 nmemb 个对象"，存入 ptr 指向的内存；
- 返回值：成功返回实际读取的对象个数，失败 / 文件末尾返回 0。
3.6 文件偏移量操作
（1）fseek：调整文件偏移量
c
运行
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);- 功能：移动文件指针（偏移量）到指定位置；
- 参数 ：
offset：偏移量（正数向后，负数向前）；whence：偏移基准：SEEK_SET：文件开头；SEEK_CUR：当前位置；SEEK_END：文件末尾；
- 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1。
（2）ftell：获取当前偏移量
c
运行
long ftell(FILE *stream);- 功能：返回当前文件指针相对于文件开头的偏移量（字节数）；
- 应用：结合 fseek (SEEK_END) 可获取文件大小。
（3）rewind：重置偏移量到文件开头
c
运行
void rewind(FILE *stream);- 等价于 ：
fseek(stream, 0, SEEK_SET);
3.7 状态判断
（1）feof：判断是否到达文件末尾
c
运行
int feof(FILE *stream);- 返回值：非 0 表示到达末尾，0 表示未到达。
（2）ferror：判断流是否出错
c
运行
int ferror(FILE *stream);- 返回值：非 0 表示流出错，0 表示正常；
- 出错后可通过
clearerr(stream)清除错误状态。
四、标准 IO 实战案例
案例 1：利用 fread/fwrite 实现图片文件拷贝
c
运行
编译运行：
bash
运行
案例 2：输入文件路径，打印文件大小
c
运行
运行：
案例 3：替换文件中指定字符串（string1→string2）
c
运行
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define BUF_SIZE 4096
// 替换字符串函数
void replace_str(char *buf, const char *old_str, const char *new_str) {
char temp[BUF_SIZE];
char *pos;
// 清空临时缓冲区
temp[0] = '\0';
// 查找旧字符串首次出现的位置
pos = strstr(buf, old_str);
while (pos != NULL) {
// 复制旧字符串前的内容
strncat(temp, buf, pos - buf);
// 拼接新字符串
strcat(temp, new_str);
// 移动指针到旧字符串末尾
buf = pos + strlen(old_str);
// 继续查找下一个旧字符串
pos = strstr(buf, old_str);
}
// 拼接剩余内容
strcat(temp, buf);
// 复制回原缓冲区
strcpy(buf, temp);
}
int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 4) {
fprintf(stderr, "用法：%s 文件名 旧字符串 新字符串\n", argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
FILE *fp = fopen(argv[1], "r+");
if (fp == NULL) {
perror("打开文件失败");
exit(EXIT_FAILURE);
}
char buf[BUF_SIZE];
size_t read_len = fread(buf, 1, BUF_SIZE-1, fp);
if (read_len == 0) {
perror("读取文件失败");
fclose(fp);
exit(EXIT_FAILURE);
}
buf[read_len] = '\0'; // 确保字符串结束
// 替换字符串
replace_str(buf, argv[2], argv[3]);
// 移动指针到文件开头，覆盖写入
rewind(fp);
fwrite(buf, 1, strlen(buf), fp);
printf("字符串替换完成！\n");
fclose(fp);
return 0;
}编译运行：
bash
运行
gcc -o replace replace.c
./replace test.txt "old" "new"五、标准 IO 使用注意事项
- 必须检查返回值：fopen、fread、fwrite 等接口的返回值是判断操作是否成功的关键，忽略返回值易导致隐藏错误；
- 二进制模式打开非文本文件 ：操作图片、音视频等二进制文件时，需用
rb/wb模式，避免 Windows 下换行符（\n↔\r\n）转换导致数据损坏； - 避免缓冲区溢出：使用 fgets、fread 时严格限制缓冲区大小，禁止使用 gets（已被废弃）；
- 及时关闭文件流：程序退出前必须 fclose，否则缓存中的数据可能丢失；
- 区分 EOF 的含义：EOF（-1）是宏定义，不是文件中的实际字符，仅用于标识读取结束 / 失败。
六、总结
标准 IO 是 Linux C 编程中文件操作的核心工具，其核心优势在于缓存机制和跨平台性。掌握 fopen/fclose 的打开模式、fread/fwrite 的块操作、fseek 的偏移量控制，以及缓存机制的特性，是实现高效、稳定文件操作的关键。本文通过基础讲解 + 实战案例，覆盖了标准 IO 的核心接口和常见应用场景，可作为日常开发的参考手册。
核心要点：
- 普通文件用全缓存，终端用行缓存，错误输出无缓存；
- 二进制文件操作必须用
rb/wb模式； - 块级读写（fread/fwrite）是二进制文件操作的首选；
- 所有 IO 操作必须检查返回值，避免隐藏错误。