C语言中read与fread如何选择使用？

核心区别：C标准库 vs. 操作系统API

这是理解两者最关键的一点：

• fread (Formatted Read)

  • 所属库： C标准库，也就是我们常说的 stdio.h。
  • 性质： 是一个高级I/O函数，它被设计为缓冲的，并且是可移植的，可以在任何支持C标准的操作系统（如Windows, Linux, macOS）上以相同的方式工作。
  • 工作方式： fread 并不直接与硬件（如磁盘）交互，它会通过一个缓冲区来操作，当你调用 fread 时，它可能先从文件描述符（底层操作系统资源）所关联的缓冲区读取数据，如果缓冲区为空，它会自动调用更底层的系统函数（在Linux/Unix上是 read，在Windows上是 ReadFile）来填充缓冲区，这个过程称为缓存或I/O优化。

• read (Read)

  • 所属库： POSIX标准，通常通过 unistd.h (在Linux/Unix/macOS上) 或 io.h (在Windows上) 引入。
  • 性质： 是一个底层I/O系统调用，它是操作系统提供给应用程序的接口，直接与内核交互。
  • 工作方式： read 是无缓冲的（或者说，缓冲区由操作系统内核管理，应用程序无法直接控制），它直接从文件描述符（一个整数，代表一个打开的文件、套接字等）读取原始字节到指定的内存缓冲区，它不关心数据的格式，只负责搬运字节。

函数原型详解

fread

#include <stdio.h>
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

• 参数:
  • void *ptr: 指向一个内存块的指针，fread 会将读取到的数据存放到这里。
  • size: 每个数据项的大小（单位：字节），如果你想读取一个 int 数组，size sizeof(int)。
  • nmemb: 你想要读取的数据项的个数。
  • FILE *stream: 一个指向 FILE 对象的指针，这个 FILE 对象代表了你想要读取的流（通过 fopen 打开的文件）。
• 返回值:
  • 成功时,返回实际读取到的数据项的个数（注意，不是字节数！）。
  • 如果到达文件末尾或发生错误,返回值可能小于 nmemb。
  • 如果发生错误或读到文件末尾且没有读取任何数据,则返回 0，你可以使用 feof() 或 ferror() 函数来区分是文件结束还是错误。
• 特点:
  • 面向“记录”或“块”：它以“size * nmemb”大小的块为单位进行操作。
  • 缓冲：性能通常更高，因为它减少了直接的系统调用次数。
  • 格式无关：它也是直接读写二进制数据，但常与 fwrite 配合使用来读写结构化数据。

read (以Linux/Unix为例)

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

• 参数:
  • int fd: 文件描述符，一个非负整数，唯一标识一个打开的文件、管道、套接字等，通过 open() 函数获得。
  • void *buf: 指向一个内存缓冲区的指针，用于存放读取到的数据。
  • size_t count: 你希望读取的字节数。
• 返回值:
  • 成功时,返回实际读取到的字节数。
  • 如果到达文件末尾,返回 0。
  • 如果发生错误,返回 -1，并设置 errno 来表示具体的错误。
• 特点:
  • 面向“字节流”：它以字节为单位进行操作。
  • 无缓冲：直接与内核交互，每次调用都会触发系统调用。
  • 低级：功能更基础，更接近操作系统。

使用场景对比

代码示例

示例 1: 使用 fread 读取文件

#include <stdio.h>
int main() {
    FILE *fp;
    char buffer[256];
    // 以二进制模式打开文件，避免平台相关的换行符转换
    fp = fopen("example.txt", "rb"); 
    if (fp == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
    // 一次读取一个 sizeof(char) 大小的数据项，共 256 个
    size_t items_read = fread(buffer, sizeof(char), 256, fp);
    if (items_read > 0) {
        printf("Successfully read %zu characters.\n", items_read);
        buffer[items_read] = '\0'; // 确保字符串正确终止
        printf("Content: %s\n", buffer);
    } else if (feof(fp)) {
        printf("Reached end of file.\n");
    } else if (ferror(fp)) {
        perror("Error reading file");
    }
    fclose(fp);
    return 0;
}

示例 2: 使用 read 读取文件 (Linux/Unix)

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main() {
    int fd;
    char buffer[256];
    ssize_t bytes_read;
    // 打开文件，返回文件描述符
    fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
    // 循环读取，直到文件末尾或出错
    while ((bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1)) > 0) {
        buffer[bytes_read] = '\0'; // 确保字符串正确终止
        printf("Read %zd bytes. Content: %s\n", bytes_read, buffer);
    }
    if (bytes_read == 0) {
        printf("Reached end of file.\n");
    } else if (bytes_read == -1) {
        perror("Error reading file");
    }
    close(fd);
    return 0;
}

总结与选择建议

如何选择？

1. 首选 fread：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 如果你正在进行常规的文件操作，无论是文本还是二进制，fread 几乎总是更好的选择。
   • 它的缓冲机制为你提供了更好的性能和更少的代码量。
   • 它的可移植性让你无需关心底层操作系统的差异。

2. 考虑 read：

   • 当你需要进行网络编程（通过 socket 的文件描述符读写数据）时，read 是标准做法。
   • 当你需要与特殊设备文件（如 /dev/input/mice）交互时。
   • 在一些对性能要求极致的特殊场景下，你可能想绕过C库的缓冲，自己管理内存缓冲区，这时可以直接使用 read。
   • 当你编写的代码需要高度依赖POSIX特性，并且不打算移植到Windows时。

一个简单的比喻：

• fread 就像你去超市买东西，你直接推着购物车（缓冲区）去货架取货，超市会保证货架上有货（自动填充缓冲区），你不需要关心货是从哪个仓库运来的。
• read 就像你直接去仓库，每次只能让仓库给你搬运一小箱货物（直接系统调用）到你指定的位置，你需要自己管理货物的存放和搬运计划。

对于绝大多数应用程序来说,使用 fread 这样的高级I/O函数是更安全、更高效、更简单的方式。