[APUE]標準IO庫(下)_ZenDei技術網路在線

一、標準IO的效率對比以下四個程式的用戶CPU、系統CPU與時鐘時間對比程式1：系統IO 程式2：標準IO getc版本程式3：標準IO fgets版本結果：【註:該表截取自APUE，上表中"表3-1中的最佳時間即《程式1》","表3-1中的單位元組時間指的是《程式1》中BUFSIZE為1時 ...

一、標準IO的效率

　　對比以下四個程式的用戶CPU、系統CPU與時鐘時間對比

　　程式1：系統IO

　　程式2：標準IO getc版本

　　程式3：標準IO fgets版本

　　結果：

　　【註:該表截取自APUE，上表中"表3-1中的最佳時間即《程式1》","表3-1中的單位元組時間指的是《程式1》中BUFSIZE為1時運行時間結果"，fgetc/fputc版本程式這裡沒放出】

　　對於三個標準IO版本的每一個其用戶CPU時間都大於最佳read版本，因為每次讀一個字元版本中有一個要執行150萬次的迴圈，而在每次讀一行的版本中有一個要執行30000次的迴圈。而在read版本中，其迴圈只需執行180次。因為系統CPU時間都相同，所以用戶CPU時間的差別造成了時鐘時間的差別。系統CPU時間相同的原因是所有這些程式對內核提出的讀寫請求數相同。

　　上表中最後一列是每個main函數的文本空間位元組數(由c編譯產生的機器指令)。從中可見getc/putc版本在文本空間做了大量巨集替換，所以它所需的指令數超過了調用fgetc/fputc函數所用的指令數。從用戶CPU時間看getc/putc版本與fgetc/fputc版本在此次測試中並沒有多大的差別。

　　使用每次一行IO的版本其速度大約是每次一個字元版本的兩倍(包括用戶CPU時間和時鐘時間)。如果fgets/fputs函數用getc/putc實現則可以預計fgets版本的時間會與getc版本相接近。可以預料每次一行的版本會更慢一些，因為除了現存的60000次函數調用外還需增加3百萬次巨集調用。而在本測試中每次一行參數是用memccoy實現的，為了提高效率memccpy函數用彙編寫。

　　【重點】fgetc版本與程式1 BUFSIZE=1的版本要快得多，兩者都用了約3百萬次函數調用，造成速度差距這麼大的原因在於《程式1》執行了3百萬次函數調用這也執行了3百萬次系統調用，而fgetc版本雖然執行了3百萬次函數調用但是只引起了360次系統調用。系統調用與普通的函數調用相比是很耗時間的。

二、二進位IO

　　為了可以讀取二進位文件我們可以通過getc/putc實現的，但是這樣必須迴圈整個結構。而fputs/fgets在遇到null字元時就結束，在結構中可能含有null位元組，所以不能使用fgets/fputs。綜上所以提供了下麵兩個函數以執行二進位IO操作

#include <stdio.h>

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *fp);
size_t fwrite(const char *ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *fp);
返回值:讀或寫的對象數

　　常見的用法:

讀或寫一個二進位數組。例如將一個浮點數組的第2至第5個元素寫至一個文件上:
```
float data[10];
if (fwrite(&data[2], sizeof(float), 4, fp) != 4) {
    fprintf(stderr, "fwrite error");  
}
```
其中，指定size為每個數組元素的長度，nobj為欲寫的元素數。

讀或寫一個結構。例：

struct {
    short count;
    long total;
    char name[NAMESIZE];    
} item;

if (fwrite(&item, sizeof(item), 1, fp) != 1) {
    fprintf(stderr, "fwrite error");
}

　　對於讀，如果出錯或到達文件尾，則fread返回的數字可能少於nobj。這時應該調用ferro+feof判斷是哪種情況。對於寫如果返回之小於nobj則出錯。

　　使用二進位IO的限制是只能用於讀已寫在同一系統上的數據。但是現在很多異構系統通過網路連接在一起，通常會在一個系統上讀取另外一個系統上的數據，這樣的話這兩個函數就不能工作了，原因:

在一個結構中，同一成員的位移量可能隨編譯程式和系統的不同而異，有些編譯器會有優化選項以對齊或緊密包裝結構(節省存儲空間)以便在運行時易於存取結構中的各個成員。這意味著即使在單一系統中，一個結構的二進位存放方式也可能因編譯器選項不通融而不同。
用來存儲多位元組整數和浮點值的二進位格式在不同系統結構間也可能不同。

三、定位流

　　有兩種方式可以定位標準IO流。

ftell和fseek。這兩個函數都假定文件的位置可以存放在一個長整型中。
fgetpos和fsetpos。這兩個函數是ANSI C引入的。這兩個函數引進了一個新的抽象數據類型fpos_t，它記錄文件的位置。在非UNIX系統中，這種數據類型可以定義為記錄一個文件的位置所需的長度。

　　需要移植到非UNIX系統上運行的程式應使用fgetpos和fsetpos。

#include <stdio.h>

long ftell(FILE *fp); 返回值:成功則為當前位置相對於文件首的偏移位元組數，出錯為-1L
int fseek(FILE *fp, long offset, int whence); 返回值:成功為0，出錯為非0
void rewind(FILE *fp);

　　對於一個二進位文件，其位置指示是從文件起始位置開始度量並以位元組為單位的。ftell用於二進位文件時，其返回值就是這種位元組位置。為了用fseek定位一個二進位文件，必須指定一個位元組offset，以及解釋這種位移量的方式。whence與lseek函數相同:SEEK_SET表示從文件的起始位置開始，SEEK_CUR表示從當前位置,SEEK_END表示從文件的尾端。

　　對於文本文件，它們的文件當前位置可能不以簡單的位元組位移量來度量。在非UNIX系統中可能以不同的格式存放文本文件，為了定位一個文本文件，whence一定要是SEEK_SET，而且offset只能有兩種值:0(表示反繞文件到其起始位置)，或者是對該文件的ftell所返回的值。使用rewind函數也可以將一個流設置到文件的起始位置。

#include <stdio.h>

int fgetpos(FILE *fp, fpos_t *pos);
int fsetpos(FILE *fp, const fpos_t *pos);
返回值:成功為0，出錯非0

　　fgetpos將當前位置存入pos指向的對象中。在以後調用fsetpos時，可以使用此值將流重定向至該位置。

四、格式化IO

　　1. 格式化輸出

#incldue <stdio.h>

in printf(const char *format, ...);
返回值:成功則為輸出字元數，出錯為負值

int fprintf(FILE *fp, const char *format, ...); 
返回值:成功則為輸出字元數，出錯為負值 

int sprintf(char *buf, const char *format, ...); 
返回值:存入數組的字元數

　　sprintf將格式化的字元送入數組buf中。sprintf在該數組的尾端自動加一個null位元組，但該位元組不包含在返回值中。sprintf有可能會使buf指向的緩存溢出。

　　printf族的三種變體類似於上面的三種，只不過是可變參數變成了arg

#include<stdarg.h>
#include<stdio.h>
int vprintf(const char * f o r m a t, va_list arg) ;
int vfprintf(FILE *f p, const char * f o r m a t, va_list arg) ;
兩個函數返回：若成功則為輸出字元數，若輸出出錯則為負值
int vsprintf(char *b u f, const char * f o r m a t, va_list arg) ;
返回：存入數組的字元數

　　2. 格式化輸入

　　三個scanf函數:

#include <stdio.h>

int scanf(const char *format, ...);
int fscanf(FILE *fp, const char *format, ...);
int sscanf(const char *buf, const char *format, ...);

五、實現細節

　　在UNIX中標準IO最終都要調用系統IO。每個IO流都有一個與其關聯的文件描述符，可以用fileno獲取該流對應的文件描述符。

#include <stdio.h>
int fileno(FILE *fp);
返回值:與流相關聯的文件描述符

　　為了瞭解所使用的系統中標準IO的實現最好從stdio.h頭文件開始。

　　【註:原書中下麵有一個案例這裡沒有放出】

六、臨時文件

　　標準IO庫提供了兩個函數以幫助創建臨時文件

#include <stdio.h>

char *tmpnam(char *ptr);
返回值:指向一唯一路徑名的指針
FILE *tmpfile(void);
返回值:成功則為文件指針，出錯為NULL

　　tmpnam產生一個與現在文件名(改文件名不是指ptr！該函數用來產生一個唯一文件)不同的一個有效路徑名字元串。每次調用它時，它都產生一個不同的路徑名，最多調用次數是TMP_MAX。TMP_MAX定義在<stdio.h>中

　　若ptr是NULL，則所產生的路徑名存放在一個靜態區中，指向該靜態區的指針作為函數值返回。下一次再調用tmpnam時會重寫該靜態區。(這意味著如果我們調用此函數多次，而且想保存路徑名，那我們應該保存該路徑名的副本而不是指針的副本) 如果ptr不是NULL，則認為它指向長度至少是L_tmpnam個字元的數組。(常數L_tmpnam定義在<stdio.h>中)所產生的路徑名存放在該數組中,ptr也作為函數值返回。

　　tmpfile創建一個臨時二進位文件。在關閉該文件或程式結束時會自動刪除這種文件。

　　tempnam是tmpnam的一個變體，它允許調用者為所產生的路徑名指定目錄和首碼。

#include <stdio.h>
char *tempnam(const char *directory, const char *prefix);
返回值:指向一唯一路徑名的指針

　　對於目錄有四種不同的選擇:(優先順序從高至低)

　　(1) 如果定義了環境變數TMPDIR，則用其作為目錄。

　　(2) 如果參數directory非NULL，則用其作為目錄。

　　(3) 將<stdio.h>中的字元串P_tmpdir用作為目錄。

　　(4) 將本地目錄，通常是/tmp用作為目錄。

　　如果prefix非NULL，則它通常是最多包含5個字元的字元串，用其作為文件名的前幾個字元。

　　該函數調用malloc函數分配動態存儲區，用其存放所構造的路徑名。當不再使用該路徑名時就可釋放次存儲區。