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1. 文件I/O概述

• 文件I/O：操作系统为了方便用户使用系统功能而提供的一组系统函数，称为系统调用。文件I/O是其中的一部分。
• 特性：
  • 没有缓存区。
  • 操作对象是文件描述符（int类型），而不是流（FILE*）。
  • 文件描述符是一个很小的非负整数（0-1023），内核每打开一个文件就会分配一个文件描述符。
• 默认文件描述符：
  • 0：STDIN_FILENO（标准输入，对应stdin）。
  • 1：STDOUT_FILENO（标准输出，对应stdout）。
  • 2：STDERR_FILENO（标准错误，对应stderr）。

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2. 文件I/O函数接口

• open：
  • 函数原型：int open(const char *pathname, int flags, int mode);
  • 功能：打开文件并返回文件描述符。
  • 参数：
    • pathname：文件名。
    • flags：打开文件的模式（如O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR等）。
    • mode：文件权限（如0666）。
  • 返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1。
• write：
  • 函数原型：ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • 功能：向文件中写入数据。
  • 参数：
    • fd：文件描述符。
    • buf：要写入的数据缓冲区。
    • count：要写入的字节数。
  • 返回值：成功返回实际写入的字节数，失败返回-1。
• read：
  • 函数原型：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • 功能：从文件中读取数据。
  • 参数：
    • fd：文件描述符。
    • buf：存放读取数据的缓冲区。
    • count：要读取的字节数。
  • 返回值：成功返回实际读取的字节数，失败返回-1，读到文件末尾返回0。
• close：
  • 函数原型：int close(int fd);
  • 功能：关闭文件描述符。
  • 返回值：成功返回0，失败返回-1。

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3. 文件定位

• lseek：
  • 函数原型：off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
  • 功能：移动文件指针。
  • 参数：
    • fd：文件描述符。
    • offset：偏移量（正数向后偏移，负数向前偏移）。
    • whence：起始位置（SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END）。
  • 返回值：成功返回偏移量，失败返回-1。
• lseek与fseek的区别：
  • lseek不支持O_APPEND模式，无法生成空洞文件。
  • lseek在设备文件上偏移无效。

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4. 文件描述符与文件流指针的转换

• fileno：
  • 函数原型：int fileno(FILE *stream);
  • 功能：将文件流指针（FILE*）转换为文件描述符（int）。
  • 返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1。
• fdopen：
  • 函数原型：FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
  • 功能：将文件描述符（int）转换为文件流指针（FILE*）。
  • 参数：
    • fd：文件描述符。
    • mode：打开模式（如"r"、"w"等）。
  • 返回值：成功返回文件流指针，失败返回NULL。

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5. 文件I/O与标准I/O的比较

• 文件I/O：
  • 无缓存，直接操作文件描述符。
  • 适用于底层设备开发，效率和安全性较低。
• 标准I/O：
  • 有缓存，操作对象是文件流指针（FILE*）。
  • 适用于上层开发，效率高且移植性好。

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6. 练习与作业

• 练习1：使用文件I/O测试无缓存特性，验证终端和文件的直接读写。
• 练习2：封装一个简单的printf函数，支持缓存和直接输出。
• 作业1：使用文件I/O完成两个文件的比较功能，测试文件是否相等。
• 作业2：使用文件I/O向终端输出100以内的所有偶数。

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7. 文件I/O与标准I/O的对应关系

标准I/O	文件I/O
fopen	open
fputc / fgetc	write / read
fputs / fgets	write / read
fwrite / fread	write / read
fclose	close
fseek	lseek
ftell	lseek
rewind	lseek(fd, 0, SEEK_SET)

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8. 其他注意事项

• 文件描述符的最大值：1024（范围0-1023），可通过ulimit -a查看。
• 阻塞与非阻塞：
  • 阻塞：程序因某种条件未触发而暂停执行。
  • 非阻塞：程序继续执行，不等待条件触发。

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9. 总结

文件I/O是操作系统提供的底层接口，适用于设备相关的开发。与标准I/O相比，文件I/O没有缓存，操作对象是文件描述符。通过open、read、write、close等函数可以实现文件的读写操作。文件I/O与标准I/O各有优缺点，开发时应根据需求选择合适的I/O方式。