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理解 I/O 有助于提升你的效率。

如果你打算學習 C 語言的輸入、輸出，可以從 stdio.h 包含文件開始。正如你從其名字中猜到的，該文件定義了所有的標準（“std”）的輸入和輸出（“io”）函數。

大多數人學習的第一個 stdio.h 的函數是打印格式化輸出的 printf 函數。或者是用來打印一個字符串的 puts 函數。這些函數非常有用，可以將信息打印給用戶，但是如果你想做更多的事情，則需要了解其他函數。

你可以通過編寫一個常見 Linux 命令的副本來了解其中一些功能和方法。cp 命令主要用于復制文件。如果你查看 cp 的幫助手冊，可以看到 cp 命令支持非常多的參數和選項。但最簡單的功能，就是復制文件：

cp infile outfile

你只需使用一些讀寫文件的基本函數，就可以用 C 語言來自己實現 cp 命令。

一次讀寫一個字符

你可以使用 fgetc 和 fputc 函數輕松地進行輸入輸出。這些函數一次只讀寫一個字符。該用法被定義在 stdio.h，并且這也很淺顯易懂：fgetc 是從文件中讀取一個字符，fputc 是將一個字符保存到文件中。

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

編寫 cp 命令需要訪問文件。在 C 語言中，你使用 fopen 函數打開一個文件，該函數需要兩個參數：文件名和打開文件的模式。模式通常是從文件讀取（r）或向文件寫入（w）。打開文件的方式也有其他選項，但是對于本教程而言，僅關注于讀寫操作。

因此，將一個文件復制到另一個文件就變成了打開源文件和目標文件，接著，不斷從第一個文件讀取字符，然后將該字符寫入第二個文件。fgetc 函數返回從輸入文件中讀取的單個字符，或者當文件完成后返回文件結束標記（EOF）。一旦讀取到 EOF，你就完成了復制操作，就可以關閉兩個文件。該代碼如下所示：

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

你可以使用此循環編寫自己的 cp 程序，以使用 fgetc 和 fputc 函數一次讀寫一個字符。cp.c 源代碼如下所示：

#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 gcc 來將 cp.c 文件編譯成一個可執行文件：

$ gcc -Wall -o cp cp.c

-o cp 選項告訴編譯器將編譯后的程序保存到 cp 文件中。-Wall 選項告訴編譯器提示所有可能的警告，如果你沒有看到任何警告，則表示一切正常。

讀寫數據塊

通過每次讀寫一個字符來實現自己的 cp 命令可以完成這項工作，但這并不是很快。在復制“日常”文件（例如文檔和文本文件）時，你可能不會注意到，但是在復制大型文件或通過網絡復制文件時，你才會注意到差異。每次處理一個字符需要大量的開銷。

實現此 cp 命令的一種更好的方法是，讀取一塊的輸入數據到內存中（稱為緩存），然后將該數據集合寫入到第二個文件。這樣做的速度要快得多，因為程序可以一次讀取更多的數據，這就就減少了從文件中“讀取”的次數。

你可以使用 fread 函數將文件讀入一個變量中。這個函數有幾個參數：將數據讀入的數組或內存緩沖區的指針（ptr），要讀取的最小對象的大小（size），要讀取對象的個數（nmemb），以及要讀取的文件（stream）：

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

不同的選項為更高級的文件輸入和輸出（例如，讀取和寫入具有特定數據結構的文件）提供了很大的靈活性。但是，在從一個文件讀取數據并將數據寫入另一個文件的簡單情況下，可以使用一個由字符數組組成的緩沖區。

你可以使用 fwrite 函數將緩沖區中的數據寫入到另一個文件。這使用了與 fread 函數有相似的一組選項：要從中讀取數據的數組或內存緩沖區的指針，要讀取的最小對象的大小，要讀取對象的個數以及要寫入的文件。

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

如果程序將文件讀入緩沖區，然后將該緩沖區寫入另一個文件，則數組（ptr）可以是固定大小的數組。例如，你可以使用長度為 200 個字符的字符數組作為緩沖區。

在該假設下，你需要更改 cp 程序中的循環，以將數據從文件讀取到緩沖區中，然后將該緩沖區寫入另一個文件中：

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

這是更新后的 cp 程序的完整源代碼，該程序現在使用緩沖區讀取和寫入數據：

#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;
}

由于你想將此程序與其他程序進行比較，因此請將此源代碼另存為 cp2.c。你可以使用 gcc 編譯程序：

$ gcc -Wall -o cp2 cp2.c

和之前一樣，-o cp2 選項告訴編譯器將編譯后的程序保存到 cp2 程序文件中。-Wall 選項告訴編譯器打開所有警告。如果你沒有看到任何警告，則表示一切正常。

是的，這真的更快了

使用緩沖區讀取和寫入數據是實現此版本 cp 程序更好的方法。由于它可以一次將文件的多個數據讀取到內存中，因此該程序不需要頻繁讀取數據。在小文件中，你可能沒有注意到使用這兩種方案的區別，但是如果你需要復制大文件，或者在較慢的介質（例如通過網絡連接）上復制數據時，會發現明顯的差距。

我使用 Linux time 命令進行了比較。此命令可以運行另一個程序，然后告訴你該程序花費了多長時間。對于我的測試，我希望了解所花費時間的差距，因此我復制了系統上的 628 MB CD-ROM 鏡像文件。

我首先使用標準的 Linux 的 cp 命令復制了映像文件，以查看所需多長時間。一開始通過運行 Linux 的 cp 命令，同時我還避免使用 Linux 內置的文件緩存系統，使其不會給程序帶來誤導性能提升的可能性。使用 Linux cp 進行的測試，總計花費不到一秒鐘的時間：

$ time cp FD13LIVE.iso tmpfile
 
real    0m0.040s
user    0m0.001s
sys     0m0.003s

運行我自己實現的 cp 命令版本，復制同一文件要花費更長的時間。每次讀寫一個字符則花了將近五秒鐘來復制文件：

$ time ./cp FD13LIVE.iso tmpfile
 
real    0m4.823s
user    0m4.100s
sys     0m0.571s

從輸入讀取數據到緩沖區，然后將該緩沖區寫入輸出文件則要快得多。使用此方法復制文件花不到一秒鐘：

$ time ./cp2 FD13LIVE.iso tmpfile
 
real    0m0.944s
user    0m0.224s
sys     0m0.608s

我演示的 cp 程序使用了 200 個字符大小的緩沖區。我確信如果一次將更多文件數據讀入內存，該程序將運行得更快。但是，通過這種比較，即使只有 200 個字符的緩沖區，你也已經看到了性能上的巨大差異。