Linux 基本I/O库函数__io_getc

根据《Unix/Linux系统编程》中关于IO库函数部分内容进行总结
包括系统调用与IO库函数关系，基本IO库函数
fopen
fclose
fgetc getchar getc
fputc putchar putc
fgets gets
fputs puts
fscanf scanf sscanf
fprintf printf sprintf
fread
fwrite

1. Linux中的系统调用与I/O库函数

系统调用是文件操作基础，但是系统调用只支持数据块的读写（BLKSIZE如4KB）。然而实际用户可能更希望以适合于应用程序的逻辑单元来读写文件，这时候就可以用IO库函数，方便用户使用且效率更高。

IO库函数是建立在系统调用基础上的：

可以从上面的表格中看出I/O库函数是建立在系统调用基础上的，即I/O库函数内部会调用系统调用。

系统调用对文件的操作是依靠文件描述符（一个整数）进行操作的，而I/O库函数是依靠文件流指针FILE*进行操作的。

fopen()库函数会发出open()系统调用。失败返回NULL，成功则在堆分配一个FILE结构体，该结构体包含了一个内部缓冲区char fbuf[BLKSIZE]，其大小通常与文件系统的数据块BLKSIZE一致。FILE还包含一个整数用于表示文件描述符fd，除此之外还有用于操作缓冲区fbuf的各种指针、计数器和状态变量。

当调用fgetc(fp)库函数会尝试从文件流FILE*中获取一个字符。如果FILE结构体中的内部缓冲区fbuf为空，则发出read(fd,fbuf,BLKSIZE)系统调用，从文件描述符fd指向的文件中取出BLKSIZE个字节并存放在fbuf中，然后从fbuf中返回一个字符作为fgetc库函数的返回值。因此只要fbuf中有数据，fgetc就可以直接从fbuf中获取字符作为返回值，直到fbuf为空再发出read系统调用获取BLKSIZE个字节。即read系统调用仅用于重新装填fbuf，且系统调用总是以文件系统数据块大小（4KB）进行数据传输。

因此，在这个例子中对于单个字符的读写，系统调用是非常低效的，因为系统调用以数据块作为传输单位。这也解释了为什么在一些情景下I/O库函数的效率比系统调用效率高。

2. 什么时候使用系统调用，什么时候使用IO库函数

如上所述，如fgetc这样的IO库函数先将数据从内核复制到FILE结构体内部缓冲区，再从内部缓冲区将数据复制到程序的缓冲区，因此IO库函数传输了两次数据。而系统调用直接将数据从内核复制到程序的缓冲区，只传输了一次数据。因此对于以数据块BLKSIZE为单位的读写数据来说，系统调用的效率要更高，因为只用传输一次数据而不是两次。

因此对于以BLKSIZE为单位的数据读写，使用系统调用的效率更高。但是如果不是以BLKSIZE为单位进行数据读写（如上文以单个字节进行读写），那么使用IO库函数效率要更高，虽然IO库函数内部也会发出系统调用，但是这些系统调用仅仅是为了填充或者清除内部缓冲区，并不是每一次IO库函数都会发出系统调用的。并且进程进入内核模式（如发出系统调用使之从用户态陷入内核态）的代价要比停留在用户模式更高。

3. 基本I/O库函数

3.1 fopen打开文件

打开文件，成功返回FILE*指针，失败返回NULL并制定errno值来表示错误。

FILE * fopen(const char * filename, const char * modes)
1

发出open系统调用，并在堆区创建FILE结构体。该结构体对象包含打开文件的文件描述符fd，内部缓冲区fbuf和操作内部缓冲区的各种指针、计数器和状态变量。

• 第一个参数filename：文件路径

• 第二个参数modes：打开文件方式

  参数值	描述
  “r”	只读打开文件。读写指针被定位于文件的开始。
  “