Linux編程基礎:C標準IO庫函數與Unbuffered IO函數

先來看看C標準I/O庫函數是如何用系統調用實現的。 


fopen(3) 

調用open(2)打開指定的文件,返回一個文件描述符(就是一個int 類型的編號),分配一 個FILE 結構體, 通常裏面包含了：

• 文件fd
• 緩衝區指針
• 緩衝區長度
• 當前緩衝區讀取長度
• 出錯標誌

返回這 個FILE 結構體的地址。 

fgetc(3) 
通過傳入的FILE *參數找到該文件的描述符、I/O緩衝區和當前讀寫位置,判斷能否從I/O緩衝 區中讀到下一個字符,如果能讀到就直接返回該字符,否則調用read(2),把文件描述符傳進 去,讓內核讀取該文件的數據到I/O緩衝區,然後返回下一個字符。注意,對於C標準I/O庫來 說,打開的文件由FILE *指針標識,而對於內核來說,打開的文件由文件描述符標識,文件描述符從open 系統調用獲得,在使用read 、write 、close 系統調用時都需要傳文件描述符。 


fputc(3) 

判斷該文件的I/O緩衝區是否有空間再存放一個字符,如果有空間則直接保存在I/O緩衝區中並 返回,如果I/O緩衝區已滿就調用write(2) ,讓內核把I/O緩衝區的內容寫回文件。

fclose(3) 
如果I/O緩衝區中還有數據沒寫回文件,就調用write(2) 寫回文件,然後調用close(2) 關閉文 件,釋放FILE 結構體和I/O緩衝區。


以寫文件爲例,C標準I/O庫函數(printf(3) 、putchar(3) 、fputs(3) )與系統調用write(2) 的關 系如下圖所示。

 庫函數與系統調用的層次關係

open 、read 、write 、close 等系統函數稱爲無緩衝I/O(Unbuffered I/O)函數,因爲它們位於C標 準庫的I/O緩衝區的底層。用戶程序在讀寫文件時既可以調用C標準I/O庫函數,也可以直接調用 底層的Unbuffered I/O函數,那麼用哪一組函數好呢? 


用Unbuffered I/O函數每次讀寫都要進內核,調一個系統調用比調一個用戶空間的函數要慢很 多,所以在用戶空間開闢I/O緩衝區還是必要的,用C標準I/O庫函數就比較方便,省去了自己 管理I/O緩衝區的麻煩。 


用c標準I/O庫函數要時刻注意I/O緩衝區和實際文件有可能不一致,在必要時需調 用fflush(3) 。 


我們知道UNIX的傳統是Everything is a file,I/O函數不僅用於讀寫常規文件,也用於讀寫設 備,比如終端或網絡設備。在讀寫設備時通常是不希望有緩衝的,例如向代表網絡設備的文 件寫數據就是希望數據通過網絡設備發送出去,而不希望只寫到緩衝區裏就算完事兒了,當網絡設備接收到數據時應用程序也希望第一時間被通知到,所以網絡編程通常直接調 用Unbuffered I/O函數。 

C標準庫函數是C標準的一部分,而Unbuffered I/O函數是UNIX標準的一部分,在所有支持C語言的 平臺上應該都可以用C標準庫函數(除了有些平臺的C編譯器沒有完全符合C標準之外),而只有 在UNIX平臺上才能使用Unbuffered I/O函數,所以C標準I/O庫函數在頭文件stdio.h中聲明, 而read 、write 等函數在頭文件unistd.h 中聲明。在支持C語言的非UNIX操作系統上,標準I/O庫的 底層可能由另外一組系統函數支持,例如Windows系統的底層是Win32 API,其中讀寫文件的系統 函數是ReadFile 、WriteFile 。