使用fread函数和fwrite函数进行读写数据的优化
引言
众所周知，在C语言里面，我们可以使用 scanf 函数读取数据，使用 printf 函数输出数据。由于这两个函数常常出现在C语言入门教材里面，它们常常受到广大学生的青睐。无论是各大OJ平台的题解中，还是用C编写一些简单的系统代码里面，这两个函数随处可见。
然而，当一个程序的读写速度成为性能的瓶颈（现实中很少会出现），我们就不得不考虑其他更加高效的读写函数，比如 getchar 函数、putchar 函数、puts 函数，由于它们只针对字符或字符串进行读写，无需像 scanf 和 printf 那样对读取的数据进行转换或格式化，往往可以有效地提升程序读写速度。当然，它们今天并不是我们这篇文章的主角。现在，如果你还是嫌弃读写速度太慢的话，就应该考虑使用今天的主角—— fread 函数和 fwrite 函数啦。
初探
这两个函数躺在标准库 stdio.h 中，与很多其他函数相比，显得默默无闻。我们先看看它们的定义：
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream)
- ptr -- 这是指向带有最小尺寸 size*nmemb 字节的内存块的指针。
- size -- 这是要读取的每个元素的大小，以字节为单位。
- nmemb -- 这是元素的个数，每个元素的大小为 size 字节。
- stream -- 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象指定了一个输入流。
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream)
- ptr -- 这是指向要被写入的元素数组的指针。
- size -- 这是要被写入的每个元素的大小，以字节为单位。
- nmemb -- 这是元素的个数，每个元素的大小为 size 字节。
- stream -- 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象指定了一个输出流。
上面的定义中 size_t 是一种由标准库定义的无符号整数类型，这两个函数的大致功能是，从（向）给定的文件（stream）读取（写入）一定量的数据，这些要读取（写入）的数据保存在 ptr 指针指向的内存中，数据总量由元素的大小 size 和元素个数 nmemb 确定。由此，fread 函数和 fwrite 函数的四个参数的功能便清楚了。
深入
你可能会问，这两个函数是从文件里面读取数据，平时我们写程序习惯于从黑窗口手动输入，它们如何派得上用场？这时就要感谢标准库为我们做的一些人性化工作啦。stdio.h 库中定义了 标准输入流 stdin 和标准输出流 stdout，我们把fread函数的第四个参数指定为 stdin，它就可以从命令行窗口读取我们输入的数据，把 fwrite 函数的第四个参数指定为stdout，即可完成向命令行窗口的输出。
说到这里，不妨扯几句题外话，我们常见的 scanf 函数和 printf 函数无非就是 fscanf 函数和 fprintf 函数将文件指针参数分别指定为 stdin 、stdout的一种特例，举个例子，见下表：
| 要求 | 习惯写法 | 另类写法 |
| 读取一个整数 | scanf("%d", &a); | fscanf(stdin ,"%d", &a); |
| 输出一个整数 | printf("%d", a); | fprintf(stdout,"%d", a); |
上表里面习惯写法和另类写法本质上是等价的，而且有的标准库就是先实现一个 fscanf 方法，把其中的文件指针指向 stdin 就得到了我们常用的scanf 函数（printf函数同）。
言归正传，我们用 fread 和 fwrite 可以实现更快速的读取，它的究竟是如何实现的？实现的原理又是什么呢？
实现及其原理
不妨先给出这种快速读写的实现代码，如下所示。
#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
//fread() 读取
inline char getc(){
static char buf[100000], *p1 = buf, *p2 = buf;
return p1 == p2 && (p2 = (p1=buf) + fread(buf,1,100000,stdin),p1 == p2) ?
EOF : *p1++;
}
char buf[100000], *pp = buf;
inline void putc(char c){
if(pp - buf == 100000) fwrite(buf,1,100000,stdout),pp = buf;
*pp++ = c;
}
//buf未满，在结尾要调用fsh函数刷新缓冲区，确保结果输出
inline void fsh(){
fwrite(buf,1,pp-buf,stdout);
pp = buf;
}
int main(){
char c = getc();
while(c != EOF) putc(c), c = getc();
fsh();
return 0;
}观察上面的代码，我们会发现有两个同名的 buf 字符数组，一个作为函数内部的静态数组，一个作为全局数组，它们是不一样的。这也正是这种读写方法的快速的原因所在。这两个 buf 数组其实起到了输入缓冲区和和输出缓冲区的作用。
计算机组成原理的知识告诉我们，计算机中不同的部件存取速度不同，CPU速度 > 内存速度 > I/O设备速度，其中以I/O设备存取速度最慢。我们通过标准输入输出进行读写，实际上就是通过I/O设备进行的读写，而访问数组里某个元素属于对内存的读写，如果可以减少I/O设备读写的次数，我们无疑可以为程序节省许多时间。
我们的快读代码中，fread 和 fwrite 的作用正在于此：先不管三七二十一，利用 fread 从标准输入流一口气读上100000个字符（如果不足100000，就读到文件结束），存入buf数组里，这样后面要获取数据时只需进行内存访问即可，而不必多次进行I/O读入，输出数据时类似，先把待输出的数据放在输出缓冲区buf（注意，它和那个输入缓冲区buf不一样）中，待缓冲区满，一次性把内容全部输出。最终这么运行下来，时间就节省下来了，这就是缓冲区的妙用！
参考资料
[1] 王道论坛 . 2023年计算机组成原理考研复习指导[M] . 电子工业出版社