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obsidian/操作系统/实验/实验01_IO编程.md

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2026-06-13 23:46:22 +08:00
# 实验01 Linux I/O 编程
## 实验目的
1. 练习 UNIX I/O 函数(`open``close``read``write``lseek`)的使用
2. 掌握标准 I/O 函数(`fgets``fread``fwrite`)的操作方式
3. 建立 API 开销的概念,理解系统调用与库函数的性能差异
4. 熟悉结构体的二进制 I/O 读写方法
5. 综合运用文件 I/O 完成文本处理任务
## 涉及知识点
- 文件描述符与 `open`/`close`/`read`/`write` 系统调用
- 标准 I/O`fopen`/`fclose`/`fgets`/`fprintf`/`fread`/`fwrite`
- 文件打开模式:`O_RDONLY``O_WRONLY``O_CREAT``O_TRUNC``O_APPEND`
- 结构体与文件 I/O 结合(二进制序列化)
- `gettimeofday` 高精度计时
- 字符串处理:`strtok``strcmp``strstr``sscanf``%[^:]`
- 排序算法(词频统计中的字典序排列)
---
## 任务一task41.c —— 学生信息文件字段处理
### 任务要求
1. 创建文件 `student.txt`,写入若干学生记录,每行格式为 `姓名:学号:学院:年龄:性别`
2.`student.txt` 中查找所有属于"计算机与网络安全学院"的记录
3. 将找到的记录字段顺序调整为 `学号:姓名:性别:年龄:学院`
4. 将调整后的记录写入 `csStudent.txt`
### 关键代码提示
```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
// ---- 第一步:创建并写入 student.txt ----
int fd = open("student.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (fd < 0) { perror("open student.txt"); exit(1); }
const char *records[] = {
"张三:2023001:计算机与网络安全学院:20:男\n",
"李四:2023002:电子信息学院:21:女\n",
"王五:2023003:计算机与网络安全学院:22:男\n",
"赵六:2023004:数学学院:19:女\n",
"钱七:2023005:计算机与网络安全学院:20:男\n",
};
for (int i = 0; i < 5; i++)
write(fd, records[i], strlen(records[i]));
close(fd);
// ---- 第二步:读取、筛选、重组字段 ----
FILE *fin = fopen("student.txt", "r");
FILE *fout = fopen("csStudent.txt", "w");
char line[256];
while (fgets(line, sizeof(line), fin) != NULL) {
if (strstr(line, "计算机与网络安全学院") != NULL) {
char name[64], id[64], college[64], age[16], gender[16];
sscanf(line, "%[^:]:%[^:]:%[^:]:%[^:]:%s",
name, id, college, age, gender);
// 调整字段顺序:学号:姓名:性别:年龄:学院
fprintf(fout, "%s:%s:%s:%s:%s\n", id, name, gender, age, college);
}
}
fclose(fin);
fclose(fout);
return 0;
}
```
### 常见问题
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|------|------|----------|
| `write` 后文件内容为空 | 忘记 `close`,数据还在内核缓冲区 | 写完后务必 `close(fd)` |
| 读取中文出现乱码 | 编码不匹配 | 确保源文件为 UTF-8 编码,终端 locale 一致 |
| `strtok` 分割结果不对 | 行末换行符干扰 | 分割前先去除 `\n` |
| `sscanf` 读取不完整 | 格式字符串匹配错误 | 使用 `%[^:]` 匹配非冒号字符序列 |
---
## 任务二task42.c —— 结构体二进制文件读写
### 任务要求
1. 从键盘读入 5 个学生的信息(学号、姓名、语文、数学、英语成绩),存入结构体数组
2. 将结构体数组以二进制方式写入文件 `score.dat`(使用 `write` 写入原始字节)
3. 从文件中读取第 1、3、5 条记录并显示
### 关键代码提示
```c
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
typedef struct {
int id;
char name[32];
float chinese;
float math;
float english;
} Student;
int main() {
Student stu[5];
// 从键盘读入
for (int i = 0; i < 5; i++) {
printf("请输入第%d个学生(学号 姓名 语文 数学 英语): ", i + 1);
scanf("%d %s %f %f %f", &stu[i].id, stu[i].name,
&stu[i].chinese, &stu[i].math, &stu[i].english);
}
// 二进制写入
int fd = open("score.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
write(fd, stu, sizeof(Student) * 5);
close(fd);
// 读取第 1、3、5 条(下标 0、2、4
fd = open("score.dat", O_RDONLY);
Student temp;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
read(fd, &temp, sizeof(Student));
if (i == 0 || i == 2 || i == 4) {
printf("学号:%d 姓名:%s 语文:%.1f 数学:%.1f 英语:%.1f\n",
temp.id, temp.name, temp.chinese, temp.math, temp.english);
}
}
// 也可用 lseek 精确定位到第 3 条
lseek(fd, sizeof(Student) * 2, SEEK_SET);
read(fd, &temp, sizeof(Student));
printf("第3条: %s\n", temp.name);
close(fd);
return 0;
}
```
### 常见问题
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|------|------|----------|
| 读出的数值不对 | 结构体内存对齐padding | `sizeof(Student)` 可能大于各字段大小之和,属正常现象 |
| `lseek` 定位不准 | 偏移量计算错误 | 偏移量 = `sizeof(Student) * (n - 1)` |
| 中文姓名存储异常 | `char name[32]` 对 UTF-8 中文不够 | 增大缓冲区(一个汉字占 3 字节) |
---
## 任务三task43.c —— API 执行时间测量(选做)
### 任务要求
1. 分别测量 `read`/`write``fread`/`fwrite` 在不同数据量下的执行时间
2. 对比系统调用与库函数的性能差异
3. 绘制或输出性能对比表
### 关键代码提示
```c
#include <sys/time.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
long time_diff(struct timeval *start, struct timeval *end) {
return (end->tv_sec - start->tv_sec) * 1000000L
+ (end->tv_usec - start->tv_usec);
}
int main() {
struct timeval start, end;
int N = 1000000; // 循环次数
char buf[1];
// 测量 write逐字节
int fd = open("test.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
gettimeofday(&start, NULL);
for (int i = 0; i < N; i++)
write(fd, buf, 1);
gettimeofday(&end, NULL);
close(fd);
printf("write 逐字节: %ld 微秒\n", time_diff(&start, &end));
// 测量 fwrite逐字节带用户缓冲
FILE *fp = fopen("test2.dat", "w");
gettimeofday(&start, NULL);
for (int i = 0; i < N; i++)
fwrite(buf, 1, 1, fp);
gettimeofday(&end, NULL);
fclose(fp);
printf("fwrite 逐字节: %ld 微秒\n", time_diff(&start, &end));
return 0;
}
```
### 测量方案
| 测量项 | 操作 | 说明 |
|--------|------|------|
| `write` | 逐字节写 1MB | 基准:每次陷入内核 |
| `read` | 逐字节读 1MB | 基准:每次陷入内核 |
| `fwrite` | 逐字节写 1MB | 带用户空间缓冲 |
| `fread` | 逐字节读 1MB | 带用户空间缓冲 |
| `write` | 块写入4KB | 对比块大小影响 |
### 常见问题
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|------|------|----------|
| 计时结果为 0 | 操作太快,微秒级精度不够 | 增加循环次数到百万级 |
| 系统调用比库函数慢很多 | 每次 `read`/`write` 都陷入内核 | 正常现象,体现用户缓冲的价值 |
| 结果波动大 | 系统调度干扰 | 多次测量取平均值 |
---
## 任务四task44.c —— 英文文章词频统计
### 任务要求
1. 读取一篇英文文章(从文件或标准输入)
2. 统计每个单词出现的次数
3. 输出格式:`单词:次数`
4. 按字典序排列所有单词
5. 额外输出出现频度最高的 10 个单词
### 关键代码提示
```c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#define MAX_WORDS 10000
typedef struct {
char word[64];
int count;
} WordEntry;
WordEntry dict[MAX_WORDS];
int dict_size = 0;
// 查找已有单词或插入新单词
int find_or_insert(const char *word) {
for (int i = 0; i < dict_size; i++) {
if (strcmp(dict[i].word, word) == 0) {
dict[i].count++;
return i;
}
}
strcpy(dict[dict_size].word, word);
dict[dict_size].count = 1;
return dict_size++;
}
// qsort 比较函数:字典序
int cmp_alpha(const void *a, const void *b) {
return strcmp(((WordEntry *)a)->word, ((WordEntry *)b)->word);
}
// qsort 比较函数:频度降序
int cmp_freq(const void *a, const void *b) {
return ((WordEntry *)b)->count - ((WordEntry *)a)->count;
}
int main() {
FILE *fp = fopen("article.txt", "r");
if (!fp) { perror("fopen"); return 1; }
char word[64];
while (fscanf(fp, "%63s", word) == 1) {
// 去除标点,统一小写
char clean[64];
int j = 0;
for (int i = 0; word[i]; i++) {
if (isalpha(word[i]))
clean[j++] = tolower(word[i]);
}
clean[j] = '\0';
if (j > 0)
find_or_insert(clean);
}
fclose(fp);
// 按字典序输出
qsort(dict, dict_size, sizeof(WordEntry), cmp_alpha);
for (int i = 0; i < dict_size; i++)
printf("%s:%d\n", dict[i].word, dict[i].count);
// 按频度降序输出前 10 个
qsort(dict, dict_size, sizeof(WordEntry), cmp_freq);
printf("\n频度最高的10个单词:\n");
for (int i = 0; i < 10 && i < dict_size; i++)
printf("%s:%d\n", dict[i].word, dict[i].count);
return 0;
}
```
### 注意事项
- 单词提取时需过滤标点符号(逗号、句号、引号等)
- 不区分大小写(统一转为小写)
- 连字符(如 "well-known")可按需决定是否拆分
- 文件较大时注意 `MAX_WORDS` 的上限,可改用动态分配
### 常见问题
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|------|------|----------|
| 单词带着标点 | 没有清理非字母字符 | 用 `isalpha` 逐字符过滤 |
| 大小写被当成不同单词 | 未统一大小写 | 提取前用 `tolower` 转换 |
| 排序结果不对 | `qsort` 比较函数写错 | 注意比较函数的参数类型转换 |
| 数组越界 | 单词数超过 `MAX_WORDS` | 动态扩容(`realloc`)或增大数组 |
---
## 实验总结
通过本实验,应掌握以下能力:
1. 熟练使用底层 I/O`open`/`read`/`write`)和标准 I/O`fopen`/`fgets`/`fprintf`
2. 理解文件描述符与 `FILE *` 的区别
3. 能用结构体进行二进制文件读写
4. 了解系统调用与库函数的性能差异
5. 综合运用字符串处理和文件 I/O 解决实际问题