c语言|C语言标准IO的理解操作系统

输入输出（后面简称 “IO”）是应用程序不可或缺的一种基本能力。为了保持设计上的精简， C 语言并没有在核心语言层面提供对 IO 相关接口的支持，相反，采用了标准库的方式来实现。通过引用名为 stdio.h 的标准库头文件，我们便可以快捷地为 C 程序添加读取用户键盘输入、输出内容到控制台，乃至读写文件等一系列常规的 IO 功能。
快速回顾 IO 接口的使用方法首先，让我们通过下面这段代码来快速回顾，应该如何在 C 语言中使用这些由标准库提供的 IO 接口。
#include <stdio.h>
int main(void) {
printf(\"Enter some characters:\\");
FILE* fp = fopen(\"./temp.txt\" \"w+\");
if (fp) {
char ch;
while (scanf(\"%c\" &ch)) {
if (ch == 'z') break;
putc(ch fp);

else {
perror(\"File open failed.\");

fclose(fp);
return 0;

这里，在 main 函数内部，我们通过多种不同的方式，让程序与进程预设的 IO 流以及我们自行打开的 IO 流产生了交互。
其中，代码第 3 行，通过 printf 函数，我们可以将指定的文本传送至标准输出流（stdout）中。紧接着，借助代码第 4 行的 fopen 函数，我们得以在当前目录下打开名为 “temp.txt” 的文件，并将其与一个特定的文件 IO 流相关联。而当文件打开失败时，通过代码第 12 行的 perror 函数，我们能够将特定的错误信息传送到标准错误流（stderr）。最后，在代码的第 7 行， scanf 函数的调用可以让我们从标准输入（stdin）流中，读取从外部环境输入的信息。
IO 接口的不同级别通常来说， IO 接口可以被分为不同层次。其中， C 语言提供的 IO 接口属于“标准 IO”的范畴。与其相对的，是名为“低级 IO”的另一套编程模型。顾名思义，低级 IO 会使用与具体操作系统相关的一系列底层接口来提供相应的 IO 能力，比如常用于 Unix 与类 Unix 操作系统上的 POSIX 接口标准。如果我们将上面的示例程序完全用该标准进行重写，将会得到如下所示的代码：
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(void) {
const char str[
= \"Enter some characters:\\";
write(STDOUT_FILENO str sizeof(str));
const int fd = open(\"./temp.txt\" O_RDWR | O_CREAT);
if (fd > 0) {
char ch;
while (read(STDIN_FILENO &ch 1)) {
if (ch == 'z') break;
【c语言|C语言标准IO的理解】write(fd &ch sizeof(ch));

else {
const char errMsg[
= \"File open failed.\";
write(STDERR_FILENO errMsg sizeof(errMsg));

close(fd);
return 0;

可以看到，在使用低级 IO 接口进行编程时，我们需要处理与所进行 IO 操作有关的更多细节。比如，在调用 write 接口时，你必须要指定不同的文件描述符（File Descriptor），才能够区分所要进行的操作是“向屏幕上输出字符” ，还是“向文件内写入数据” 。相反，在高级 IO 的实现中，我们并不需要关注这些细节，接口的名称可以直接反映其具体用途。
两者之所以会在接口使用粒度上存在差异，是由于“低级 IO 与操作系统实现紧密相关” 。对于 POSIX 标准来说，其所在系统会将绝大多数的 IO 相关资源，比如文档、目录、键盘、网络套接字，以及标准输入输出等，以“文件”的形式进行抽象，并使用相对统一的数据结构来表示。而在实际编码过程中，每一个可用的 IO 资源都会对应于一个唯一的整型文件描述符值。该值将被作为“单一可信源（The Single Source of Truth）” ，供相关接口使用。
而标准 IO 在接口设计与使用方式上，却不会与某类特定的操作系统进行“绑定” 。相反，它会提供更加统一和通用的接口，来屏蔽底层不同系统的不同实现细节，做到“一次编写，到处编译” 。
除此之外，即使上述两段采用不同级别 IO 接口实现的 C 代码，在实际的可观测执行效果方面基本一致，但它们在程序运行时，资源的背后使用逻辑上却有着较大的差异。
带缓冲的标准 IO 模型那么，这两种 IO 模型除了在接口使用方式上有不同外，还有哪些重要差异呢？简单来讲，与低级 IO 相比，标准 IO 会为我们提供带缓冲的输入与输出操作。事实上，标准 IO 接口在实现时，会直接使用所在平台提供的低级 IO 接口。而低级 IO 接口在每次调用时，都会通过系统调用来完成相应的 IO 操作。