标准 I/O、格式化与文件错误

从“每次 I/O 都可能只完成协议的一步”开始

C 标准库用

FILE 表示外部字符序列。流不仅有当前位置，还可能有方向、文本或二进制模式、缓冲区、文件尾指示器和错误指示器。FILE * 是访问句柄，不应解引用其内部成员，也不能假设它必然包装 Unix 文件描述符。

程序启动时可使用

stdin、stdout 和 stderr。 它们是标准流宏，不是 ISO C 规定的描述符 0、1、2。终端、文件、管道与设备的连接方式属于宿主环境。

标准输入输出与缓冲边界

标准输入输出 把调用者与具体设备隔开。库可以分批传送字符以减少外部操作次数，这称为缓冲。完全缓冲通常在缓冲区填满时传送；行缓冲通常在遇到换行等规定时机传送；不缓冲则尽快传送字符。具体默认行为受流和环境影响，不能从“当前在命令行运行”推导所有实现都相同。

程序需要输出在继续运行前对外可见时，应检查输出操作，再调用

fflush。 换行只对行缓冲流具有特定作用，对重定向后的完全缓冲流不能替代显式同步。ISO C 的 fflush 面向输出流或满足规定状态的更新流；用 fflush(stdin) 试图丢弃输入不具可移植定义。

#include <stdio.h>
 
int ask_to_continue(void)
{
    int answer;
 
    if (fputs("continue? [y/n] ", stdout) == EOF)
        return EOF;
    if (fflush(stdout) == EOF)
        return EOF;
    answer = getchar();
    return answer;
}

这里显式刷写是因为程序马上等待输入，而提示文字没有换行。fflush 成功也不等于磁盘已经断电安全；物理持久化需要操作系统特定接口，不属于 K&R 本章的标准 I/O 保证。

格式化输出：格式串就是类型契约

格式化输出 由转换说明决定如何取得每个实参。printf 是 可变参数 函数：float 会提升为 double，char 和 short 通常经整数提升，但指针不会自动改成另一种指针。格式说明与提升后的实际类型不匹配，行为未定义，不是“读取部分字节后输出乱码”这么可预测。

#include <stdio.h>
 
int print_measurement(FILE *stream, const char *name, long count,
                      double average)
{
    int written;
 
    written = fprintf(stream, "%s: count=%ld average=%.3f\n",
                      name, count, average);
    if (written < 0)
        return 0;
    return 1;
}

%ld 对应 long，%f 在 printf 家族中取得经提升的 double，精度 .3 控制小数位显示而非计算精度。fprintf 返回写入字符数，失败时返回负值；仍可能存在后续刷写或关闭才报告的延迟错误。

外部文本绝不能直接作为格式串。printf(user_text) 会让其中的 % 触发参数读取，可能造成未定义行为与安全漏洞；应写 printf("%s", user_text)。宽度和精度也要避免无界放大输出；从 * 取得的宽度与精度仍属于可变参数契约。

用 vfprintf 实现可变参数包装

自定义日志包装器应使用 <stdarg.h> 中的 va_list、va_start、va_end 与接收列表的 vfprintf，而不是猜测调用栈布局。每次 va_start 后都必须在同一函数中 va_end；一个列表被某个 v 函数消费后的状态不能随意重用。

#include <stdarg.h>
#include <stdio.h>
 
int report_error(const char *format, ...)
{
    int result;
    va_list arguments;
 
    if (fputs("error: ", stderr) == EOF)
        return -1;
    va_start(arguments, format);
    result = vfprintf(stderr, format, arguments);
    va_end(arguments);
    return result;
}

编译器可能识别标准 printf 调用并发出格式警告，但语言层契约仍由调用者负责。项目应启用格式警告并把警告当错误；自定义包装器若使用编译器属性，那是额外工具能力，不是 ISO C 语法。

格式化输入：写入地址比输出更危险

格式化输入 取得的是目标对象指针。%d 需要 int *，%ld 需要 long *，而读取 double 必须用 %lf 和 double *；这与 printf 中 %f 取得 double 不同。指针类型不匹配会向错误大小或表示的对象写入，行为未定义。

scanf 返回成功赋值的输入项数；到达文件尾或在首次转换前发生读取错误时返回 EOF。返回 1 只证明一个转换成功，不证明整行没有尾随垃圾。转换说明中的空白会消费任意长度空白，%c 默认不跳过空白，格式串末尾的空白可能等待下一枚非空白字符。

#include <stdio.h>
 
int read_pair(FILE *stream, int *left, int *right)
{
    int assigned;
 
    assigned = fscanf(stream, "%d %d", left, right);
    if (assigned == 2)
        return 1;
    if (assigned == EOF)
        return feof(stream) ? 0 : -1;
    return -2;
}

这里把完整成功、正常文件尾、读取错误和格式不匹配分开。格式不匹配时，未匹配字符可能仍留在流中；若调用者不消费或放弃该记录，重复调用会在同一字符上再次失败。

%s 不知道数组容量，必须给字段宽度并为结尾空字符留一格，例如 char word[32]; scanf("%31s", word)。但它仍以空白分词，无法可靠读取含空格记录，也不方便判断整行是否超长。复杂输入优先先读一行，再做受控解析。

行输入输出：边界内读到的不一定是整行

行输入输出 通常比直接 scanf 更容易建立记录边界。fgets(buffer, size, stream) 最多存入 size - 1 个字符，若读到换行会保留它；返回空指针表示没有读到字符。缓冲中没有换行可能表示末行无换行，也可能表示一条长行只读到一段，必须结合容量和下一次读取判断。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
#define LINE_CAPACITY 128
 
int copy_lines(FILE *input, FILE *output)
{
    char line[LINE_CAPACITY];
 
    while (fgets(line, sizeof line, input) != NULL) {
        if (fputs(line, output) == EOF)
            return 0;
    }
    if (ferror(input))
        return 0;
    return 1;
}

这段复制允许长行分多次传送，所以不丢数据；若业务要求“一次得到完整记录”，就要在未见换行时继续累积或报告超长，并消费剩余片段以恢复下一条记录边界。gets 没有容量参数，无法阻止溢出，不能使用。

先用 fgets 取得记录，再用 strtol 等函数解析，可检查无数字、范围错误和尾随字符。sscanf 虽然把读取限制在字符串内，仍需宽度和完整消费检查；“不会越过行”不等于“业务格式严格”。

先预测：128 字节缓冲调用一次 fgets 成功，是否证明读到完整一行？不证明；若未读到换行，可能只是长行片段，也可能是文件末尾的最后一行。

文件访问：从 fopen 到 fclose 都要检查

文件访问 从 fopen(path, mode) 开始。失败返回空指针；成功后模式决定读、写、追加或更新权限。带 b 的二进制模式在某些系统与文本模式相同，在另一些系统会影响换行翻译、可定位位置或特殊字符解释，跨平台二进制数据应明确使用它。

#include <stdio.h>
 
int copy_file(const char *source_path, const char *target_path)
{
    unsigned char buffer[4096];
    FILE *source;
    FILE *target;
    size_t count;
    int ok = 1;
 
    source = fopen(source_path, "rb");
    if (source == NULL)
        return 0;
    target = fopen(target_path, "wb");
    if (target == NULL) {
        fclose(source);
        return 0;
    }
 
    while ((count = fread(buffer, 1, sizeof buffer, source)) != 0)
        if (fwrite(buffer, 1, count, target) != count) {
            ok = 0;
            break;
        }
    if (ferror(source))
        ok = 0;
    if (fclose(source) == EOF)
        ok = 0;
    if (fclose(target) == EOF)
        ok = 0;
    return ok;
}

fread 的短读可能是文件尾或错误，所以循环后检查 ferror(source)。fwrite 短写直接失败。目标流的最后一批数据可能直到 fclose 才交付，因此关闭结果属于写入事务，不能忽略。示例为了聚焦 I/O 返回布尔结果；实际工具还应报告是哪条路径、哪一步失败，并考虑失败时是否删除不完整目标或采用临时文件后重命名。

更新模式同时允许读写，但方向切换有同步规则：输出后读取前通常需要 fflush 或定位操作，输入后输出前通常需要定位操作，除非输入已遇文件尾。最稳妥的接口会集中管理方向切换，而不是让任意调用者交错操作同一流。

错误处理：文件尾、格式和设备错误不是一回事

错误处理 先从函数返回值判断失败，再检查附加状态。feof 只报告流的文件尾指示器，ferror 报告错误指示器；clearerr 可清除二者，但不会修复底层原因。errno 只有在某个文档化为设置它的函数已经报告失败时才有意义，成功调用后不能据旧值判断错误。

perror("open config") 会把调用上下文与当前 errno 描述写到 stderr。若之后的关闭或清理可能改变 errno，需要先保存它。错误消息应包含操作、路径或记录号，而不只打印“failed”；库函数通常返回错误给上层，不应在深层随意终止整个进程。

exit(status) 执行正常终止流程，包括调用已注册的终止函数并关闭流；写入仍可能失败，但 exit 没有逐个把关闭结果交回业务逻辑。因此关键输出应在调用 exit 前显式刷写或关闭并检查。异常终止、进程崩溃和断电都不能保证普通输出缓冲被提交。

字符、字符串与其他标准库接口

K&R 第 7 章还把 I/O 与常用库函数连接起来。getc/fgetc 返回 int，是为了同时表示所有 unsigned char 值和负的 EOF；若先存进 char，可能丢失区分能力。putc/fputc 成功时返回写入字符，失败返回 EOF。ungetc 只应依赖标准保证的最小回退能力，并在成功后按流状态规则继续读取。

字符分类函数如 isspace 的参数必须是 EOF 或可表示为 unsigned char 的值。普通 char 可能有符号，直接传负值会违反前置条件；应写 isspace((unsigned char)ch)，但保留 int 读取结果并先排除 EOF。

字符串、数学、转换和存储管理函数各有独立失败与范围协议。学习标准库的通用方法是：先看参数对象和容量，再看返回值，再看是否设置流状态或 errno，最后确认资源释放。函数名相似不代表错误语义相同。

小结

• FILE 是标准库管理的流对象，内部布局、底层描述符和标准流连接设备都不是 ISO C 保证
• 缓冲改变传送时机；需要可见性时检查输出并显式 fflush，不能用 fflush(stdin) 清输入
• printf 取得经默认提升的值，scanf 写入精确指针类型；格式不匹配会导致未定义行为
• 输入循环以操作返回值驱动，失败后再用 feof 和 ferror 区分正常文件尾与设备错误
• fgets 受容量限制但一次成功不保证完整行；文件写入只有检查 fclose 后才算完成
• 错误处理要带操作和资源上下文，errno 只能在相应函数已经报告失败后解释