C 파일 입출력

1. 개요

C 파일 입출력은 C 표준 라이브러리의 헤더 파일을 통해 제공되며, 파일 접근, 직접 입출력, 형식화되지 않은 입출력, 형식화된 입출력, 파일 위치 지정, 오류 처리 등의 기능을 포함한다. 주요 기능은 C 표준 라이브러리에 정의되어 있으며, POSIX 표준에 의해 확장되었다. stdio.h의 대안으로는 C++ iostream과 Sfio가 있다.

2. 역사

stdio.h 라이브러리는 스트림을 사용하여 키보드, 프린터, 터미널 등 물리 장치나 시스템에서 지원하는 다른 종류의 파일을 조작한다. 스트림은 이러한 장치를 동일한 방식으로 처리하기 위한 추상화이다. 모든 스트림은 관련 물리 장치의 차이와 관계없이 유사한 속성을 갖는다.

POSIX 표준에서는 stdio에 대한 확장을 정의하고 있다. 이를 통해 메모리를 자동으로 할당하는 `readline` 함수, `FILE` 형식과 파일 디스크립터를 연결하는 `fileno` 함수와 `fdopen` 함수를 사용하는 것이 가능하게 된다.

3. 주요 기능

C 파일 입출력 기능의 대부분은 C 표준 라이브러리 헤더 파일인 `stdio.h`에 정의되어 있다. (C++의 경우 `cstdio` 헤더에 포함되어 있으며, `std` 네임스페이스를 사용해야 한다.)

이 라이브러리는 키보드, 프린터, 터미널과 같은 물리적 장치 또는 시스템에서 지원하는 다른 모든 유형의 파일과 작동하기 위해 스트림이라고 하는 것을 사용한다. 스트림은 이러한 장치와 통일된 방식으로 상호 작용하기 위한 추상화이다. 모든 스트림은 연결된 물리적 매체의 개별 특성과 관계없이 유사한 속성을 갖는다.

3.1. 파일 접근

C 언어에서 파일 입출력의 기본은 파일을 열고 닫는 것이다. 파일을 열 때는 `fopen()` 함수를 사용하고, 파일을 닫을 때는 `fclose()` 함수를 사용한다. `freopen()` 함수는 이미 열려 있는 스트림을 다른 파일에 연결할 때 사용된다.

`fflush()` 함수는 출력 스트림의 버퍼를 비워 그 내용을 실제 파일에 기록한다. `setbuf()` 함수와 `setvbuf()` 함수는 파일 스트림의 버퍼링 방식을 설정하는 데 사용된다.

`fwide()` 함수는 스트림의 입출력 단위를 바이트(반각 문자) 또는 와이드 문자(전각 문자)로 설정한다. 이 함수는 한국어와 같이 멀티바이트 문자를 처리하는 데 중요하다.

3.2. 직접 입출력

https://en.cppreference.com/w/c/io/fread fread 함수와 https://en.cppreference.com/w/c/io/fwrite fwrite 함수는 형식 지정 없이 파일에서 데이터를 읽고 쓴다.

3.3. 형식화되지 않은 입출력

C 언어에서 형식화되지 않은 입출력은 데이터를 있는 그대로 읽고 쓰는 방식이다. 즉, 정수, 실수, 문자열 등의 데이터 형식을 지정하지 않고 바이트 단위로 처리한다.

3.4. 형식화된 입출력

C 언어에서 형식화된 입출력은 데이터를 특정 형식에 맞춰 입출력하는 방식을 의미한다. 이는 C 표준 라이브러리의 `` 헤더 파일에 정의된 함수들을 통해 수행된다.

* 바이트 문자 함수:
* `printf`: 형식화된 데이터를 표준 출력(stdout)에 출력한다.
* `fprintf`: 형식화된 데이터를 지정된 파일 스트림에 출력한다.
* `sprintf`: 형식화된 데이터를 문자열 버퍼에 출력한다.
* `snprintf`: `sprintf`와 유사하지만, 버퍼 오버플로우를 방지하기 위해 최대 출력 문자 수를 지정할 수 있다.
* `scanf`: 표준 입력(stdin)으로부터 형식화된 데이터를 읽어온다.
* `fscanf`: 지정된 파일 스트림으로부터 형식화된 데이터를 읽어온다.
* `sscanf`: 문자열 버퍼로부터 형식화된 데이터를 읽어온다.
* 와이드 문자 함수:
* `wprintf`, `fwprintf`, `swprintf`: `printf`, `fprintf`, `sprintf`의 와이드 문자 버전으로, `wchar_t` 형식의 데이터를 처리한다. 한국어와 같은 멀티바이트 문자 처리에 중요하다.
* `wscanf`, `fwscanf`, `swscanf`: `scanf`, `fscanf`, `sscanf`의 와이드 문자 버전이다.
* 가변 인자 함수:
* `vprintf`, `vfprintf`, `vsprintf`, `vsnprintf`: `printf` 계열 함수들의 가변 인자 버전으로, `va_list`를 인자로 받는다.
* `vwprintf`, `vfwprintf`, `vswprintf`: `wprintf` 계열 함수들의 가변 인자 버전이다.
* `vscanf`, `vfscanf`, `vsscanf`: `scanf` 계열 함수들의 가변 인자 버전이다.
* `vwscanf`, `vfwscanf`, `vswscanf`: `wscanf` 계열 함수들의 가변 인자 버전이다.

3.5. 파일 위치 지정

* ftell/ftello: 현재 파일 위치 지시자를 반환한다.
* fseek/fseeko: 파일 위치 지시자를 파일의 특정 위치로 이동한다.
* fgetpos: 파일 위치 지시자를 얻는다.
* fsetpos: 파일 위치 지시자를 파일의 특정 위치로 이동한다.
* rewind: 파일 위치 지시자를 파일의 시작 부분으로 이동한다.

3.6. 오류 처리

* clearerr(): 파일 스트림의 오류 지시자를 지운다.
* feof(): 파일의 끝(EOF)에 도달했는지 확인한다.
* ferror(): 파일 스트림에 오류가 발생했는지 확인한다.
* perror(): 현재 오류 메시지를 표준 에러 스트림(stderr)에 출력한다.

4. 상수 및 변수

C 언어의 표준 입출력 기능은 스트림을 사용하여 키보드, 프린터, 터미널 등 물리 장치나 시스템에서 지원하는 다른 종류의 파일을 조작한다. 스트림은 이러한 장치를 동일한 조작으로 처리하기 위한 추상화에 이용된다. 모든 스트림은 관련 물리 장치의 차이와 관계없이 유사한 속성을 갖는다.

stdio.h^영어 헤더에는 파일 입출력과 관련된 상수와 변수들이 정의되어 있다.

4.1. 상수

stdio.h^영어 헤더에는 파일 입출력과 관련하여 다음과 같은 상수들이 정의되어 있다.

4.2. 변수

stdio.h^영어 헤더에는 다음과 같은 변수들이 정의되어 있다.

5. 멤버 타입

`stdio.h` 헤더에는 다음과 같은 데이터 타입들이 정의되어 있다.

* `FILE` – 파일 핸들이라고도 불리며, 파일이나 텍스트 스트림에 관한 정보를 담은 오파크 타입이다. 다음과 같은 정보들을 포함한다.
* 파일 식별자와 같은 입출력 장치와 관련된 플랫폼 특수 식별자.
* 버퍼.
* 스트림 지향 식별자 (unset, 좁은, 혹은 넓게).
* 스트림 버퍼링 상태 식별자 (버퍼링되지 않음, 라인 버퍼링, 완전 버퍼림).
* I/O 모드 식별자 (입력 스트림, 출력 스트림, 업데이트 스트림).
* 바이너리/텍스트 모드 식별자.
* 파일의 끝 식별자.
* 에러 식별자.
* 현재 스트림 위치 및 멀티바이트 전환 상태 ( `fpos_t` 타입의 객체).
* 재귀 잠금 (C11 요구함).
* `fpos_t` – 파일 내의 특정 위치를 나타내는 비배열 타입이다. 파일의 모든 바이트 위치와 모든 지원되는 멀티바이트 문자 인코딩에서 발생할 수 있는 모든 전환 상태를 담고 있다.
* `size_t` – `sizeof` 오퍼레이터의 결과를 나타낸 unsigned 정수 타입이다.

6. 확장 (POSIX)

POSIX 표준은 `stdio.h`에 대한 몇 가지 확장을 정의한다. 여기에는 메모리를 할당하는 `readline` 함수, `FILE` 객체와 파일 식별자 간의 연결을 만드는 `fileno` 및 `fdopen` 함수, 메모리 내 버퍼를 가리키는 `FILE` 객체를 생성하는 함수 그룹 등이 포함된다.

7. stdio.h의 대안

AT&T 벨 연구소에서 개발한 Sfio(Safe/Fast I/O)는 1991년에 도입되었으며, `stdio.h` 설계의 비일관성, 안전하지 않은 관행 및 비효율성을 개선하는 것을 목표로 했다. Sfio의 기능 중 하나는 스트림에 콜백 함수를 삽입하여 스트림에서 읽거나 스트림에 기록된 데이터의 처리를 사용자 지정할 수 있다는 것이다. Sfio는 1997년에 외부에 공개되었으며, 마지막 릴리스는 2005년 2월 1일이었다.

C++ {{lang 라이브러리는 ISO C++ 표준의 일부이다. ISO C++는 여전히 `stdio.h` 기능을 필요로 한다.

8. 예제

다음은 "myfile"이라는 이진 파일을 열어 파일 안의 다섯 바이트를 읽고 파일을 닫는 C 프로그램 예제이다.

```c
#include
#include

int main(void)
{
char buffer[5] = {0}; /* 초기화 */
int i;
FILE *fp = fopen("myfile", "rb");

if (fp == NULL) {
perror("파일 열기 실패. \"myfile\"");
return EXIT_FAILURE;
}

for (i = 0; i < 5; i++) {
int rc = getc(fp);
if (rc == EOF) {
fputs("읽는 도중 에러 발생.\n", stderr);
return EXIT_FAILURE;
}
buffer[i] = rc;
}

fclose(fp);

printf("파일에는 다음과 같은 글자들이 있습니다. %x %x %x %x %x\n", buffer[0], buffer[1], buffer[2], buffer[3], buffer[4]);

return EXIT_SUCCESS;
}
```

이 코드는 `fopen()` 함수를 사용하여 "myfile" 파일을 이진 읽기 모드("rb")로 연다. 파일 열기에 실패하면 `perror()` 함수를 호출하여 오류 메시지를 출력하고 프로그램을 종료한다. 파일 열기에 성공하면 `getc()` 함수를 사용하여 파일에서 5바이트를 읽어 `buffer` 배열에 저장한다. `getc()` 함수가 `EOF`를 반환하면 파일 읽기 중 오류가 발생한 것이므로, `fputs()` 함수를 사용하여 오류 메시지를 출력하고 프로그램을 종료한다. 5바이트를 모두 읽은 후에는 `fclose()` 함수를 사용하여 파일을 닫고, `printf()` 함수를 사용하여 읽은 내용을 16진수로 출력한다.

다음은 "myfile"이라는 바이너리 파일을 열어 5바이트를 읽은 다음 파일을 닫는 다른 C 프로그램 예제이다.

```c
#include
#include

int main(void) {
char buffer[5];
FILE* fp = fopen("myfile", "rb");

if (fp == NULL) {
perror("파일 \"myfile\" 열기에 실패했습니다");
return EXIT_FAILURE;
}

if (fread(buffer, 1, 5, fp) < 5) {
fclose(fp);
fputs("파일을 읽는 동안 오류가 발생했습니다.\n", stderr);
return EXIT_FAILURE;
}

fclose(fp);

printf("읽은 바이트는: ");
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
printf("%02X ", buffer[i]);
}
putchar('\n');

return EXIT_SUCCESS;
}
```

위 코드는 `fopen()` 함수로 "myfile"이라는 이름의 파일을 바이너리 읽기 모드("rb")로 연다. `fread()` 함수는 `fp` 파일 포인터에서 가리키는 파일에서 1바이트(`buffer`의 원소 크기)씩 5개(`buffer`의 길이)의 데이터를 읽어 `buffer` 배열에 저장한다. 만약 `fread()` 함수가 5보다 작은 값을 반환하면, 파일의 끝에 도달했거나 읽기 오류가 발생했음을 의미한다. 이때 `fclose(fp)`로 파일을 닫고 `fputs()`로 오류 메시지를 출력한 후 프로그램을 종료한다.

다음은 hogefile이라는 바이너리 파일을 열어 5바이트를 읽고 파일을 닫는 C 프로그램 예제이다.

```c
#include
#include

int main(void) {
char buffer[5];
FILE* fp = fopen("hogefile", "rb");

if (fp == NULL) {
perror("\"hogefile\"을 열 수 없습니다.");
return EXIT_FAILURE;
}

for (int i = 0; i < 5; i++) {
int rc = getc(fp);
if (rc == EOF) {
fputs("파일을 읽는 중에 오류가 발생했습니다.\n", stderr);
return EXIT_FAILURE;
}
buffer[i] = rc;
}

fclose(fp);

printf("읽은 바이트 열: %x %x %x %x %x\n", buffer[0], buffer[1],
buffer[2], buffer[3], buffer[4]);

return EXIT_SUCCESS;
}
```

위 코드는 `fopen()` 함수를 사용하여 "hogefile" 파일을 이진 읽기 모드("rb")로 연다. 파일 열기에 실패하면 `perror()` 함수를 호출하여 오류 메시지를 출력하고 프로그램을 종료한다. 파일 열기에 성공하면 `getc()` 함수를 사용하여 파일에서 5바이트를 읽어 `buffer` 배열에 저장한다. `getc()` 함수가 `EOF`를 반환하면 파일 읽기 중 오류가 발생한 것이므로, `fputs()` 함수를 사용하여 오류 메시지를 출력하고 프로그램을 종료한다. 5바이트를 모두 읽은 후에는 `fclose()` 함수를 사용하여 파일을 닫고, `printf()` 함수를 사용하여 읽은 내용을 16진수로 출력한다.

위 예제 코드들은 모두 `` 헤더 파일에 정의된 함수들을 사용한다.