Day19 C 语言标准 IO 机制
day19 C 语言标准 IO 机制
题目要求与程序实现
编写一个C程序，持续向文件 test.txt 中追加写入带序号和时间戳的日志行，每秒一行。程序需支持：
- 追加写入，不覆盖原有内容
- 序号自动接续上次最后的编号
- 按
Ctrl+C可中断程序 - 再次运行时能正确读取已有行数并继续编号
完整代码实现（含注释）
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>/*** 函数：get_line* 功能：统计文件当前总行数* 参数：FILE *fp - 文件指针* 返回值：文件行数* 说明：使用 fgets 逐行读取，通过判断每行末尾是否为换行符 '\n' 来计数*/
int get_line(FILE *fp)
{char buf[1024];int cnt = 0;// 重置文件位置到开头fseek(fp, 0, SEEK_SET);while (fgets(buf, sizeof(buf), fp) != NULL){// 判断读取的字符串是否以换行符结尾（说明是一整行）if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')cnt++;}return cnt;
}/*** 函数：do_log* 功能：循环写入日志数据* 参数：FILE *fp - 文件指针* 说明：* 1. 先调用 get_line 获取当前文件行数，作为起始序号* 2. 每隔1秒写入一行 "序号, YYYY-MM-DD HH:MM:SS"* 3. 使用 time() 和 localtime() 获取本地时间* 4. 调用 fflush 强制刷新缓冲区，确保数据立即写入磁盘*/
void do_log(FILE *fp)
{// 1. 统计当前文件已有行数，决定起始序号int line = get_line(fp);printf("lines = %d\n", line);// 2. 开始无限循环写入日志time_t t;while (1){time(&t); // 获取当前时间（UTC秒数）struct tm *ptm = localtime(&t); // 转换为本地时间结构体// 格式化输出到标准输出和文件fprintf(stdout, "%d,%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n",line,ptm->tm_year + 1900, // 年份需加上1900ptm->tm_mon + 1, // 月份从0开始，需+1ptm->tm_mday, // 日期ptm->tm_hour, // 小时ptm->tm_min, // 分钟ptm->tm_sec); // 秒fprintf(fp, "%d,%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n",line,ptm->tm_year + 1900,ptm->tm_mon + 1,ptm->tm_mday,ptm->tm_hour,ptm->tm_min,ptm->tm_sec);fflush(fp); // 强制刷新文件缓冲区，确保写入磁盘line++; // 序号递增sleep(1); // 程序休眠1秒}
}/*** 主函数* 功能：解析命令行参数，打开文件，启动日志写入* 参数：argc - 参数个数，argv - 参数数组* 运行方式：./a.out test.txt*/
int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 2){printf("Usage: %s <filename>\n", argv[0]);return -1;}// 以 "a+" 模式打开文件：可读可写，追加写入，文件不存在则创建FILE *fp = fopen(argv[1], "a+");if (fp == NULL){perror("fopen fail");return -1;}do_log(fp); // 启动日志写入循环fclose(fp); // 关闭文件（实际不会执行到此处，因循环无限）return 0;
}
理想运行结果示例
首次运行程序后，test.txt 内容如下：
1,2007-07-30 15:16:42
2,2007-07-30 15:16:43
3,2007-07-30 15:16:44
中断后再次运行，内容追加为：
1,2007-07-30 15:16:42
2,2007-07-30 15:16:43
3,2007-07-30 15:16:44
4,2007-07-30 15:19:02
5,2007-07-30 15:19:03
6,2007-07-30 15:19:04
提示：程序会持续输出类似内容，直到用户按下
Ctrl+C中断。
标准IO机制深入解析
用户空间与内核空间交互模型
[用户空间]printf("hello world!\n");| //缓存 --> ["hello world!\n"] //|
---------[系统调用]---------------------------------
[内核空间]|----->[屏幕]
----------------------------------------------------
标准IO基本概念
- 标准输入（stdin）：默认设备为键盘
/dev/input - 标准输出（stdout）：默认设备为显示器
- 标准错误（stderr）：用于输出错误信息
在Linux中，所有IO操作本质上都是对文件的操作。标准IO是对底层文件IO的封装，具有良好的可移植性。
标准IO的优势与原理
标准IO库由Dennis Ritchie于1975年编写，基于Mike Lesk的可移植IO库改进而来。50年来基本未变，稳定可靠。
标准IO处理的关键细节：
- 自动管理缓冲区分配
- 优化读写块长度
- 封装系统调用，内部使用文件描述符
✅ 优点：使用方便，无需手动优化块大小
⚠️ 注意：不同系统实现可能存在差异，不能完全保证跨平台兼容性
缓冲机制分类
| 类型 | 缓冲大小 | 典型用途 | 刷新条件 |
|---|---|---|---|
| 行缓冲 | 1KB | 终端交互（stdout） | 换行 \n、缓冲区满、程序结束、fflush |
| 全缓冲 | 4KB | 普通文件读写 | 缓冲区满、程序结束、fflush |
| 无缓冲 | 0KB | 错误输出（stderr） | 直接输出，不缓存 |
设计原则：
- 与终端关联 → 行缓冲
- 普通文件 → 全缓冲
- 错误处理 → 无缓冲
缓冲区信息查看代码
#include <stdio.h>int main(void)
{// 输出标准流的文件描述符printf("stdin fileno = %d\n", stdin->_fileno);printf("stdout fileno = %d\n", stdout->_fileno);printf("stderr fileno = %d\n", stderr->_fileno);getchar(); // 等待用户输入// 输出各标准流缓冲区大小printf("stdin buffer size = %ld\n", stdin->_IO_buf_end - stdin->_IO_buf_base);printf("stdout buffer size = %ld\n", stdout->_IO_buf_end - stdout->_IO_buf_base);printf("stderr buffer size = %ld\n", stderr->_IO_buf_end - stderr->_IO_buf_base);return 0;
}
理想输出示例：
stdin fileno = 0
stdout fileno = 1
stderr fileno = 2
stdin buffer size = 1024
stdout buffer size = 1024
stderr buffer size = 0
文件定位函数
fseek — 定位文件指针
int fseek(FILE *stream, long offset, int whence);
- 功能：将文件指针定位到指定位置
- 参数：
stream：文件指针offset：偏移量（可正可负）whence：参考点（SEEK_SET,SEEK_CUR,SEEK_END）
- 返回值：成功返回0，失败返回-1并设置
errno
示例：
fseek(fp, 0, SEEK_SET);→ 定位到文件开头fseek(fp, 0, SEEK_END);→ 定位到文件末尾fseek(fp, 100, SEEK_SET);→ 从头偏移100字节
注意：允许偏移超出文件范围，形成“空洞”，但需一次写操作才能真正扩展文件。
创建空洞文件示例
#include <stdio.h>int main(void)
{FILE *fp = fopen("hole.txt", "w");if (fp == NULL){perror("fopen fail");return -1;}int n = 0;scanf("%d", &n);fseek(fp, n - 1, SEEK_SET); // 定位到目标位置前一个字节fputc('\0', fp); // 写入一个空字符，创建空洞fclose(fp);return 0;
}
效果：创建大小为
n字节的空洞文件，中间填充\0
模拟云盘下载：复制文件并创建空洞
#include <stdio.h>int main(int argc, const char* argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <src> <dest>\n", argv[0]);return -1;}FILE *fp_s = fopen(argv[1], "r");FILE *fp_d = fopen(argv[2], "w");if (fp_s == NULL || fp_d == NULL){perror("fopen fail");return -1;}// 获取源文件大小fseek(fp_s, 0, SEEK_END);long len = ftell(fp_s);printf("len = %ld\n", len);// 创建同大小空洞文件fseek(fp_d, len - 1, SEEK_SET);fputc('\0', fp_d);fflush(fp_d);// 重置指针，开始复制rewind(fp_s);rewind(fp_d);int ret = 0;while ((ret = fgetc(fp_s)) != EOF){fputc(ret, fp_d);}fclose(fp_s);fclose(fp_d);return 0;
}
理想效果：成功复制文件，目标文件大小与源一致，内容完全相同。
标准IO vs 文件IO（系统调用）
| 对比项 | 标准IO（库函数） | 文件IO（系统调用） |
|---|---|---|
| 操作对象 | FILE * 流指针 | 文件描述符 int fd |
| 打开函数 | fopen() | open() |
| 读写函数 | fgetc/fgets/fread 等 | read()/write() |
| 关闭函数 | fclose() | close() |
| 定位函数 | fseek()/ftell()/rewind() | lseek() |
| 缓冲机制 | 有（行/全/无缓冲） | 无（直接系统调用） |
| 可移植性 | 高 | 依赖系统 |
| 性能 | 高效（减少系统调用） | 低效（每次调用都进内核） |
关系：标准IO库函数最终调用系统调用来实现功能。
open 系统调用详解
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
- flags：
- 必选：
O_RDONLY,O_WRONLY,O_RDWR - 可选：
O_APPEND,O_CREAT,O_TRUNC
- 必选：
- mode：创建文件权限（如
0666），仅在含O_CREAT时需要 - 返回值：成功返回文件描述符（>=3），失败返回-1
等价关系：
fopen("1.txt","r")→open("1.txt", O_RDONLY)fopen("1.txt","w")→open("1.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666)
文件权限与 umask
实际文件权限 = mode & ~umask
例如：
mode: 0666 (rw-rw-rw-)
umask: 0022 (----w--w-)
~umask:111101101
结果：0644 (rw-r--r--)
read 与 write 系统调用
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
- read：从文件描述符读取数据到缓冲区
- write：将缓冲区数据写入文件描述符
注意：
read读取的数据若用于字符串处理，需手动添加\0结尾。
使用 read/write 实现 cat 功能
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main(void)
{char buf[1024];int ret = read(0, buf, sizeof(buf)); // 从stdin读write(1, buf, ret); // 写入stdoutreturn 0;
}
运行示例：
$ ./a.out
hello
ret = 6 buf = hello
lseek 定位文件偏移
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
- 功能：移动文件读写位置
- 常用操作：
lseek(fd, 0, SEEK_SET);→ 定位开头lseek(fd, 0, SEEK_END);→ 定位末尾off_t len = lseek(fd, 0, SEEK_END);→ 获取文件大小
文件描述符与流指针转换
int fileno(FILE *stream);→ 将FILE*转为fdFILE *fdopen(int fd, const char *mode);→ 将fd转为FILE*
int fd = open("1.txt", O_WRONLY);
FILE *fp = fdopen(fd, "w"); // 关联FILE*指针
BMP图像合并示例（作业）
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main(void)
{FILE *fp1 = fopen("1.bmp","r");FILE *fp2 = fopen("2.bmp","r");FILE *fp3 = fopen("3.bmp","w");if(fp1==NULL || fp2==NULL || fp3==NULL){printf("No open bmp!\n");return -1;}char head[54];fread(head,1,54,fp1); // 读取BMP头fwrite(head,1,54,fp3); // 写入新文件头fseek(fp2,54,SEEK_SET); // 跳过第二张图头for(int i=0; i<600; ++i){char row1[2400], row2[2400], row3[2400];fread(row1,1,2400,fp1);fread(row2,1,2400,fp2);for(int j=0; j<800; ++j){int idx = j*3;char r1=row1[idx], g1=row1[idx+1], b1=row1[idx+2];char r2=row2[idx], g2=row2[idx+1], b2=row2[idx+2];if(r1==r2 && g1==g2 && b1==b2){row3[idx] = r1; row3[idx+1] = g1; row3[idx+2] = b1;}else{row3[idx] = (r1+r2)/2;row3[idx+1] = (g1+g2)/2;row3[idx+2] = (b1+b2)/2;}}fwrite(row3,1,2400,fp3);}fclose(fp1); fclose(fp2); fclose(fp3);printf("Output file:3.bmp\n");return 0;
}
功能：合并两张600×800的BMP图片，相同像素保留，不同则取平均值。
：这是 标准IO（C语言标准输入输出库)在 Linux 系统中的工作原理示意图，涉及以下实体和概念：
- 标准IO组件：stdin（标准输入）、stdout（标准输出）、stderr（标准错误输出 ），通过FILE *fp 指针操作，对应结构体 struct IO_FILE，包含缓存、文件描述符（fileNo ，关联内核文件操作）。
- 空间划分：分用户空间、内核空间，标准IO在用户空间，通过“系统调用”和内核交互。
- 内核文件管理结构：
- 文件描述符表：用 fd（如 0、1、2 分别对应标准输入、输出、错误）索引，关联文件操作。
- 文件表项：存文件状态标志、当前偏移量、v - node 指针、引用计数等，管理文件读写状态。
- vnode 节点：含 v - node、i - node 节点信息、文件长度等，最终关联磁盘文件，是用户操作和实际存储的桥梁 。
整体展示了标准IO从用户调用到内核操作文件（磁盘）的流程，体现缓存、系统调用封装、多结构协作管理文件IO的机制。