了解如何在 C 语言中使用文件输入和输出

如果你想学习 C 语言的输入和输出，首先要查看 stdio.h 包含文件。正如你可能从名称中猜到的那样，该文件定义了所有标准 ("std") 输入和输出 ("io") 函数。

大多数人学习的第一个 stdio.h 函数是 printf 函数，用于打印格式化输出。或者 puts 函数，用于打印简单的字符串。这些函数非常适合向用户打印信息，但如果你想做更多的事情，你需要探索其他函数。

你可以通过编写一个常见 Linux 命令的副本来了解这些函数和方法。 cp 命令将一个文件复制到另一个文件。如果你查看 cp 的 man 手册，你会看到 cp 支持广泛的命令行参数和选项。但在最简单的情况下，cp 支持将一个文件复制到另一个文件。

cp infile outfile

你可以用 C 语言编写你自己的这个 cp 命令版本，只需使用几个基本函数来读取和写入文件。

一次读取和写入一个字符

你可以使用 fgetc 和 fputc 函数轻松地进行输入和输出。这些函数一次读取和写入一个字符的数据。 用法在 stdio.h 中定义，非常简单： fgetc 从文件中读取（获取）一个字符，而 fputc 将一个字符放入文件中。

int fgetc(FILE *stream);
int fputc(int c, FILE *stream);

编写 cp 命令需要访问文件。在 C 语言中，你可以使用 fopen 函数打开文件，该函数接受两个参数：文件的名称和你想要使用的模式。该模式通常为 r，表示从文件读取，或 w，表示写入文件。该模式也支持其他选项，但对于本教程，请仅关注读取和写入。

因此，将一个文件复制到另一个文件就变成打开源文件和目标文件的问题，然后一次从第一个文件读取一个字符，然后将该字符写入第二个文件。当文件结束时，fgetc 函数返回从输入文件读取的单个字符，或者文件结束（EOF）标记。一旦你读取了 EOF，你就完成了复制，你可以关闭两个文件。 该代码如下所示

  do {
    ch = fgetc(infile);
    if (ch != EOF) {
      fputc(ch, outfile);
    }
  } while (ch != EOF);

你可以使用此循环编写你自己的 cp 程序，通过使用 fgetc 和 fputc 函数一次读取和写入一个字符。 cp.c 源代码如下所示

#include <stdio.h>

int
main(int argc, char **argv)
{
  FILE *infile;
  FILE *outfile;
  int ch;

  /* parse the command line */

  /* usage: cp infile outfile */

  if (argc != 3) {
    fprintf(stderr, "Incorrect usage\n");
    fprintf(stderr, "Usage: cp infile outfile\n");
    return 1;
  }

  /* open the input file */

  infile = fopen(argv[1], "r");
  if (infile == NULL) {
    fprintf(stderr, "Cannot open file for reading: %s\n", argv[1]);
    return 2;
  }

  /* open the output file */

  outfile = fopen(argv[2], "w");
  if (outfile == NULL) {
    fprintf(stderr, "Cannot open file for writing: %s\n", argv[2]);
    fclose(infile);
    return 3;
  }

  /* copy one file to the other */

  /* use fgetc and fputc */

  do {
    ch = fgetc(infile);
    if (ch != EOF) {
      fputc(ch, outfile);
    }
  } while (ch != EOF);

  /* done */

  fclose(infile);
  fclose(outfile);

  return 0;
}

你可以使用 GNU 编译器集合 (GCC) 将该 cp.c 文件编译成一个完整的可执行文件

$ gcc -Wall -o cp cp.c

-o cp 选项告诉编译器将编译后的程序保存到 cp 程序文件中。 -Wall 选项告诉编译器打开所有警告。 如果你没有看到任何警告，则表示一切正常。

读取和写入数据块

通过一次读取和写入一个字符的数据来编程你自己的 cp 命令可以完成工作，但速度不是很快。 复制像文档和文本文件这样的“日常”文件时，你可能不会注意到，但是在复制大文件或通过网络复制文件时，你会真正注意到其中的区别。 一次处理一个字符需要大量的开销。

编写此 cp 命令的更好方法是将输入的块读取到内存中（称为缓冲区），然后将该数据集合写入第二个文件。 这要快得多，因为程序可以一次读取更多数据，这需要从文件中“读取”的次数更少。

你可以使用 fread 函数将文件读取到变量中。 此函数采用多个参数：要将数据读入的数组或内存缓冲区 (ptr)、要读取的最小事物的大小 (size)、你要读取的这些事物的数量 (nmemb) 以及要从中读取的文件 (stream)

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

不同的选项为更高级的文件输入和输出提供了相当大的灵活性，例如读取和写入具有特定数据结构的文件。 但是在从一个文件读取数据和将数据写入另一个文件的简单情况下，你可以使用作为字符数组的缓冲区。

你可以使用 fwrite 函数将缓冲区写入另一个文件。 这使用与 fread 函数相似的一组选项：从中读取数据的数组或内存缓冲区、需要写入的最小事物的大小、需要写入的这些事物的数量以及要写入的文件。

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

在程序将文件读取到缓冲区，然后将该缓冲区写入另一个文件的情况下，数组 (ptr) 可以是固定大小的数组。 例如，你可以使用一个名为 buffer 的 char 数组，其长度为 200 个字符。

有了这个假设，你需要更改 cp 程序中的循环，以便从文件读取数据到缓冲区，然后将该缓冲区写入另一个文件

  while (!feof(infile)) {
    buffer_length = fread(buffer, sizeof(char), 200, infile);
    fwrite(buffer, sizeof(char), buffer_length, outfile);
  }

这是你更新后的 cp 程序的完整源代码，该程序现在使用缓冲区来读取和写入数据

#include <stdio.h>

int
main(int argc, char **argv)
{
  FILE *infile;
  FILE *outfile;
  char buffer[200];
  size_t buffer_length;

  /* parse the command line */

  /* usage: cp infile outfile */

  if (argc != 3) {
    fprintf(stderr, "Incorrect usage\n");
    fprintf(stderr, "Usage: cp infile outfile\n");
    return 1;
  }

  /* open the input file */

  infile = fopen(argv[1], "r");
  if (infile == NULL) {
    fprintf(stderr, "Cannot open file for reading: %s\n", argv[1]);
    return 2;
  }

  /* open the output file */

  outfile = fopen(argv[2], "w");
  if (outfile == NULL) {
    fprintf(stderr, "Cannot open file for writing: %s\n", argv[2]);
    fclose(infile);
    return 3;
  }

  /* copy one file to the other */

  /* use fread and fwrite */

  while (!feof(infile)) {
    buffer_length = fread(buffer, sizeof(char), 200, infile);
    fwrite(buffer, sizeof(char), buffer_length, outfile);
  }

  /* done */

  fclose(infile);
  fclose(outfile);

  return 0;
}

由于你想将此程序与另一个程序进行比较，因此请将此源代码另存为 cp2.c。 你可以使用 GCC 编译该更新的程序

$ gcc -Wall -o cp2 cp2.c

与以前一样，-o cp2 选项告诉编译器将编译后的程序保存到 cp2 程序文件中。 -Wall 选项告诉编译器打开所有警告。 如果你没有看到任何警告，则表示一切正常。

是的，它真的更快

使用缓冲区读取和写入数据是编写此版本的 cp 程序的更好方法。 因为它可以一次将文件的块读取到内存中，所以程序不需要经常读取数据。 在较小的文件上使用任何一种方法，你可能不会注意到任何差异，但是如果你需要复制更大的文件，或者在较慢的介质（如网络连接）上复制数据时，你将真正看到其中的差异。

我使用 Linux time 命令运行了运行时比较。 此命令运行另一个程序，然后告诉你该程序完成需要多长时间。 对于我的测试，我想看看时间的差异，所以我复制了一个 628MB 的 CD-ROM 映像文件到我的系统上。

我首先使用标准的 Linux cp 命令复制映像文件，以查看需要多长时间。 通过首先运行 Linux cp 命令，我还消除了 Linux 内置文件缓存系统不会为我的程序提供虚假性能提升的可能性。 使用 Linux cp 的测试花费的时间远不到一秒钟

$ time cp FD13LIVE.iso tmpfile

real	0m0.040s
user	0m0.001s
sys	0m0.003s

使用我自己版本的 cp 命令复制同一文件花费的时间明显更长。 一次读取和写入一个字符花费了将近 5 秒钟的时间来复制文件

$ time ./cp FD13LIVE.iso tmpfile

real	0m4.823s
user	0m4.100s
sys	0m0.571s

从输入读取数据到缓冲区，然后将该缓冲区写入输出文件要快得多。 使用此方法复制文件花费的时间不到一秒钟

$ time ./cp2 FD13LIVE.iso tmpfile

real	0m0.944s
user	0m0.224s
sys	0m0.608s

我的演示 cp 程序使用了一个 200 个字符的缓冲区。 我确信如果我一次将更多文件读入内存，该程序将运行得更快。 但是对于这种比较，你已经可以看到性能上的巨大差异，即使使用一个小的 200 字符缓冲区也是如此。