Книга: Операционная система UNIX

Стандартная библиотека ввода/вывода

Стандартная библиотека ввода/вывода

Функции, которые мы только что рассмотрели представляют интерфейс ввода/вывода между приложениями и ядром операционной системы. Хотя их использование напоминает использование библиотечных функций С, по существу они представляют собой лишь "обертки" к функциям ядра UNIX, фактически выполняющим операции ввода/вывода.

Однако программисты редко используют этот интерфейс низкого уровня, предпочитая возможности, предоставляемые стандартной библиотекой ввода/вывода. Функции этой библиотеки обеспечивают буферизованный ввод/вывод и более удобный стиль программирования. Для использования функций этой библиотеки в программу должен быть включен файл заголовков <stdio.h>. Эти функции входят в стандартную библиотеку С (libc.so или libc.a), которая, как правило, подключается по умолчанию на этапе связывания.

Вместо использования файлового дескриптора библиотека определяет указатель на специальную структуру данных (структура FILE), называемый потоком или файловым указателем. Стандартные потоки ввода/вывода обозначаются символическими именами stdin, stdout, stderr соответственно для потоков ввода, вывода и сообщений об ошибках. Они определены следующим образом:

extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;

Связь потоков стандартной библиотеки с файловыми дескрипторами приведена в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Стандартные потоки и их дескрипторы

Таблица 2.10. Наиболее употребительные функции стандартной библиотеки ввода/вывода

Выбор между функциями интерфейса системных вызовов и стандартной библиотеки зависит от многих факторов, в частности, степени контроля ввода/вывода, переносимости программы, простоты. Взгляните, например, на следующие эквивалентные строки программы:

write (1, "Здравствуй, Мир!n", 16);
printf("Здравствуй, Мир!n");

В первой строке сообщение выводится с использованием системной функции write(2), во второй — с помощью библиотечной функции printf(3S). Помимо того, что второй вариант кажется более лаконичным, отметим еще ряд особенностей. В первом варианте пришлось сделать предположение о том, что файловый дескриптор стандартного вывода равен 1, что может оказаться несправедливым для некоторых систем. Также пришлось явно указать число символов в строке, т.к. write(2) не делает никаких предположений о формате вывода, трактуя его как последовательность байтов. В отличие от wite(2), printf(3S) распознает строки, представляющие собой последовательность символов, заканчивающихся нулем. Функция printf(3S) также позволяет отформатировать выводимые данные для представления их в требуемом виде.

Но основным достоинством функций библиотеки является буферизация ввода/вывода, позволяющая минимизировать число системных вызовов read(2) и write(2). При открытии файла и создании потока функции библиотеки автоматически размещают необходимые буферы, позволяя приложению не заботиться о них.

Библиотека предоставляет три типа буферизации:

? Полная буферизация. В этом случае операция чтения или записи завершается после того, как будет заполнен буфер ввода/вывода. Ввод/вывод для дисковых файлов, как правило, полностью буферизуется. Буфер размещается с помощью функции malloc(3C) при первом обращении к потоку для чтения или записи и заполняется системными вызовами read(2) или write(2). Это означает, что последующие вызовы getc(3S), gets(3S), putc(3S), puts(3S) и т.д. не инициируют обращений к системным функциям, а будут производить чтение или запись из буфера библиотеки. Содержимое буфера очищается (т.е. данные сохраняются на диске) автоматически, либо при вызове функции fflush(3S).

? Построчная буферизация. В этом случае библиотека выполняет фактический ввод/вывод (т.е. производит системные вызовы read(2) или write(2)) построчно при обнаружении конца строки (символа перевода каретки). Такой тип буферизации обычно используется для ассоциированных с терминальными устройствами потоков, которыми, как правило являются стандартные потоки ввода и вывода.

? Отсутствие буферизации. В этом случае библиотека не производит никакой буферизации, фактически являясь только программной оболочкой системных вызовов. При этом достигаются минимальные задержки операций чтения и записи, необходимые, например, при выводе сообщений об ошибках. Отсутствие буферизации характерно для стандартного потока вывода сообщений об ошибках.

Характер буферизации может быть изменен с помощью функций:

#include <stdio.h>
void setbuf(FILE *stream, char *buf);
int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int type, size_t size);

Функция setbuf(3S) позволяет включить или отключить буферизацию для потока stream. В первом случае buf должен указывать на буфер размером BUFSIZ, во втором его значение должно быть равно NULL.

Функция setvbuf(3S) позволяет производить более тонкое управление буферизацией, явно указывая, какой ее тип мы хотим установить. Для этого используется аргумент type, который может принимать следующие значения:

В случае полной или построчной буферизации аргумент size определяет размер буфера, адресованного указателем buf.

Каждый поток стандартной библиотеки представлен указателем на структуру FILE, показанную на рис. 2.9, в которой хранится указатель на буфер _base, указатель на следующий символ, подлежащий чтению или записи _ptr, число байт в буфере _cnt, указатель на файловый дескриптор _file, с которым ассоциирован данный поток, а также флаги состояния потока _flag. При создании буфера библиотека выбирает оптимальный размер для данного потока. Обычно этот размер равен значению поля st_blksize структуры stat, возвращаемой системным вызовом stat(2), рассмотренный в разделе "Метаданные файла" этой главы. Если определить оптимальный размер невозможно, например для каналов или специальных файлов устройств, выбирается стандартное значение BUFSIZ, определенное в файле <stdio.h>.

Рис. 2.9. Структуры данных потока

Оглавление книги