C程序設計語言精華筆記（五）：UNIX 系統接口、I/O 系統調用與標準庫實現原理

文件描述符

UNIX「一切皆文件」。Shell 啟動程序時預打開 3 個描述符：

• 0 - stdin（標準輸入）
• 1 - stdout（標準輸出）
• 2 - stderr（標準錯誤）

重定向 prog < in > out 由 Shell 修改描述符 0/1 指向，程序無感知。

底層 I/O：read / write

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);

• 返回實際傳輸字節數；read 返回 0 表示 EOF，-1 表示錯誤。
• 無緩衝，每次調用陷入內核。塊大小通常取 1（無緩衝字符）或 4KB（匹配磁盤塊）。

無緩衝 getchar 實現

int getchar(void) {
    char c;
    return (read(0, &c, 1) == 1) ? (unsigned char)c : EOF;
}

帶緩衝 getchar 實現（標準庫風格）

int getchar(void) {
    static char buf[BUFSIZ];
    static char *bufp = buf;
    static int n = 0;
    if (n == 0) {
        n = read(0, buf, sizeof buf);
        bufp = buf;
    }
    return (n-- > 0) ? (unsigned char)*bufp++ : EOF;
}

文件控制：open / creat / close / unlink

權限 mode：八進制如 0666（rw-rw-rw-），受 umask 影響。

隨機訪問：lseek

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
// whence: SEEK_SET(0) 開頭, SEEK_CUR(1) 當前, SEEK_END(2) 結尾
// 返回新偏移量，-1 表示錯誤

應用：lseek(fd, 0, SEEK_END) 定位尾部實現追加寫入。

標準庫 fopen / getc 實現原理

FILE 結構體（簡化版）：

typedef struct _iobuf {
    int cnt;       // 剩餘字符數
    char *ptr;     // 下一字符指針
    char *base;    // 緩衝區基址
    int flag;      // 標誌位
    int fd;        // 文件描述符
} FILE;

標誌位（位掩碼）：_READ(01) _WRITE(02) _UNBUF(04) _EOF(010) _ERR(020)。

全局表：FILE _iob[OPEN_MAX]，預置 stdin/stdout/stderr。

getc 宏：

#define getc(p) (--(p)->cnt >= 0 ? (unsigned char)*(p)->ptr++ : _fillbuf(p))

_fillbuf 填充緩衝區：

int _fillbuf(FILE *fp) {
    int bufsize = (fp->flag & _UNBUF) ? 1 : BUFSIZ;
    if ((fp->flag & (_READ | _EOF | _ERR)) != _READ) return EOF;
    if (fp->base == NULL) fp->base = malloc(bufsize);
    fp->ptr = fp->base;
    fp->cnt = read(fp->fd, fp->ptr, bufsize);
    if (--fp->cnt < 0) { /* 設置 EOF/ERR */ return EOF; }
    return (unsigned char)*fp->ptr++;
}

fopen 核心邏輯：解析模式 → 在 _iob 找空槽 → open/creat 獲取 fd → 填充 FILE 結構 → 返回指針。

性能與可移植性忠告

• 優先用小範圍整型（short）節省內存/提速。
• 聲明時初始化（int x = 0;）比賦值快。
• c += 5 僅求值一次，c = c + 5 求值兩次。
• && 將最可能為假的條件左置；|| 將最可能為真的左置（短路求值）。
• 用 EOF 而非 -1（ANSI 只保證負數）。
• 跨平台處理大整數用 long（至少 32 位）。

函數原型

int maximum(int, int, int);  // 參數名可省略

作用：編譯期檢查參數個數/類型/順序，自動進行參數類型轉換（如傳 int 給 double 參數）。