C言語の標準入出力

本記事C言語の標準入出力（シーげんごのひょうじゅんにゅうしゅつりょく）では、C言語で提供される、ファイル入出力用の、標準Cライブラリヘッダ <stdio.h> の大部分を構成する標準Cライブラリ関数について述べる。これらの機能は、1970年代初頭にベル研究所のマイク・レスクによって書かれた、「ポータブルI/Oパッケージ」に由来し、正式にVersion 7 UnixでUnixオペレーティングシステムの一部になった。

C言語の標準入出力機能は、現代使われるプログラミング言語の中ではかなり貧弱であり、すべてのファイル操作をバイトストリーム (「入力ストリーム」あるいは「出力ストリーム」) の操作に抽象化する。C言語以前のプログラミング言語とは異なり、C言語はランダムアクセスを直接サポートしていない。ファイルの途中から読み取るには、プログラマは、ストリームを作成し、ファイルの途中へシークし、ストリームからバイトを順番に読み取らなければならない。

ファイル入出力のストリームモデルは、C言語とほぼ同時に開発されたUnixによって普及した。最近のオペレーティングシステムの大部分はUnixのストリームモデルを継承している。また、C言語の影響を受けた多くの言語はC言語のファイル入出力インターフェイスを継承しており、差異はほぼ存在しない (例: PHP)。

概要

C言語の標準入出力機能は、ストリームと呼ばれるオブジェクトを使用して、キーボード、プリンタ、端末などの物理デバイス、またはシステムでサポートされている他の種類のファイルを操作する。ストリームは、これらのデバイスを 同じ操作で操作するための抽象化に利用される。すなわち、すべてのストリームは、関連付けられている物理デバイスの差異に関係なく、同様のプロパティを持つ。

関数

ほとんどのC言語入出力関数は、stdio.h (または、C++の場合 cstdio 上の std 名前空間) に定義されている。

C言語の標準入出力関数一覧

機能	バイト 文字	ワイド 文字	説明
ファイル アクセス	fopen		ファイルを開く (Windows上では非Unicodeファイル名、Linux上ではUTF-8ファイル名を使用可能)
	freopen		既存のストリームで別のファイルを開く
	fflush		出力ストリームを実際のファイルと同期する
	fclose		ファイルを閉じる
	setbuf		ファイルストリームのバッファを設定する
	setvbuf		ファイルストリームのバッファとサイズを設定する
	fwide		ファイルストリームの入出力単位を設定または取得する
直接入出力	fread		ファイルから読み取る
	fwrite		ファイルに書き込む
非フォーマット 入出力	fgetc getc	fgetwc getwc	ファイルストリームからバイトまたはワイド文字を読み取る
	fgets	fgetws	ファイルストリームからバイトまたはワイド文字列を1行読み取る
	fputc putc	fputwc putwc	ファイルストリームにバイトまたはワイド文字を書き込む
	fputs	fputws	ファイルストリームにバイトまたはワイド文字列を書き込む
	getchar	getwchar	標準入力ストリームからバイトまたはワイド文字を読み取る
	gets	N/A	改行またはファイルの終端に達するまで、標準入力ストリームからバイト文字列を読み取る (C99で非推奨、C11で削除)
	putchar	putwchar	標準出力ストリームにバイトまたはワイド文字を書き込む
	puts	N/A	標準出力ストリームにバイト文字列を書き込む
	ungetc	ungetwc	バイトまたはワイド文字をファイルストリームに戻す
フォーマット 入出力	scanf fscanf sscanf	wscanf fwscanf swscanf	標準入力ストリーム、ファイルストリーム、またはバッファからフォーマットされたバイトまたはワイド文字列を読み取る
	vscanf vfscanf vsscanf	vwscanf vfwscanf vswscanf	可変長引数リストを使用して、標準入力ストリーム、ファイルストリーム、またはバッファからフォーマットされたバイトまたはワイド文字列を読み取る
	printf fprintf sprintf snprintf	wprintf fwprintf swprintf	標準出力ストリーム、ファイルストリーム、またはバッファにフォーマットされたバイトまたはワイド文字列を出力する
	vprintf vfprintf vsprintf vsnprintf	vwprintf vfwprintf vswprintf	可変長引数リストを使用して、標準出力ストリーム、ファイルストリーム、またはバッファにフォーマットされたバイトまたはワイド文字列を出力する
	perror	N/A	現在のエラーの説明を標準エラーストリームに書き込む
ファイル 位置操作	ftell ftello		現在のファイル位置指示子を取得する
	fseek fseeko		ファイル内の任意の位置にファイル位置指示子を移動する
	fgetpos		現在のファイル位置指示子を取得する
	fsetpos		ファイル内の任意の位置にファイル位置指示子を移動する
	rewind		ファイル位置指示子をファイルの先頭に移動する
エラー ハンドリング	clearerr		エラーをクリアする
	feof		ファイルの終端かチェックする
	ferror		ファイルのエラーをチェックする
ファイル 操作	remove		ファイルを削除する
	rename		ファイルの名前を変更する
	tmpfile		一時ファイルのストリームを作成する
	tmpnam		一時ファイルの名前を作成する

定数

stdio.h で定義されている定数は次の通りである。

定数名	説明
EOF	ファイルの終端を表現する、int 型の負の整数
BUFSIZ	setbuf 関数に渡すバッファの大きさを表す定数
FILENAME_MAX	処理系が許すファイル名の char 型配列としての最大長
FOPEN_MAX	同時に開くことのできるファイル数、最低で8
_IOFBF	setvbuf 関数にフルバッファリングを行うことを要求する際使用する整数
_IOLBF	setvbuf 関数に行バッファリングを行うことを要求する際使用する整数
_IONBF	setvbuf 関数にバッファリングを行なわないことを要求する際使用する整数
L_tmpnam	tmpnam 関数が生成するファイル名を保持するために必要なchar 型配列の大きさを表す。
NULL	NULLポインター定数に展開されるマクロ。メモリ内の有効なオブジェクトのアドレスではないことが保証されているポインタ値を表す定数
SEEK_CUR	fseek 関数にファイルの現在位置を基準に位置変更を行うことを要求する際使用する整数
SEEK_END	fseek 関数にファイルの終端位置を基準に位置変更を行うことを要求する際使用する整数
SEEK_SET	fseek 関数にファイルの先頭位置を基準に位置変更を行うことを要求する際使用する整数
TMP_MAX	tmpnam 関数で生成可能な一意のファイル名の最大数、最低で25

変数

stdio.h で定義されている変数は次の通りである。

名前	説明
stdin	標準入力ストリーム (通常はキーボード) を参照する FILE 型へのポインタ
stdout	標準出力ストリーム (通常は表示する端末) を参照する FILE 型へのポインタ
stderr	標準エラーストリーム (通常は表示する端末) を参照する FILE 型へのポインタ

データ型

stdio.h で定義されているデータ型は次の通りである。

• FILE – ファイルハンドルとしても知られている。入出力操作を実行するために必要な以下のようなファイルまたはテキストストリームに関する情報を保持しているプログラマから隠蔽された型である。
  • ファイル記述子など、関連する入出力デバイスのプラットフォーム固有の識別子
  • バッファ
  • ストリームの方向の状態
  • バッファ状態
  • 入出力状態
  • モード (バイナリもしくはテキスト)
  • EOF状態
  • エラー状態
  • 現在位置とマルチバイト変換状態
  • 再入可能ロック (C11では必須)
• fpos_t – ファイル内の位置を表す型
• size_t – sizeof 演算子の結果の型であり、符号なし整数型

拡張機能

POSIX標準では、stdio に拡張を定義している。それによって、readline 関数を使用してメモリを自動で割り当てること、fileno 関数と fdopen 関数を使用して、FILE 型とファイル記述子を接続すること、メモリ上を参照するFILE型の参照を作成することが可能になる。

例

以下のCプログラムでは、 hogefile というバイナリファイルを開き、5バイト読み取り、ファイルを閉じている。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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

    if (fp == NULL) {
        perror("\"hogefile\"を開けませんでした。");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int rc = getc(fp);
        if (rc == EOF) {
            fputs("ファイルの読み取り中にエラーが発生しました。\n", stderr);
            return EXIT_FAILURE;
        }
        
        buffer[i] = rc;
    }

    fclose(fp);

    printf("読み取ったバイト列: %x %x %x %x %x\n", buffer[0], buffer[1],
        buffer[2], buffer[3], buffer[4]);

    return EXIT_SUCCESS;
}

stdioの代替

stdio の代替がいくつか開発されている。これらの中には、ISO C++標準の一部である iostream ライブラリがある。

他には、ベル研究所が開発しているSfio (Safe-fast / string-file I/O) ライブラリがある。1991年に開発されたこのライブラリは、stdio の設計における矛盾、危険な慣行、非効率性を回避することを目的にしている。特徴として、コールバック関数を導入してストリームに対して読み書きを行い、より柔軟にデータ処理を行うことを可能とすることが挙げられる。1997年に外部に公開された。

関連項目

• printf フォーマット文字列
• scanf フォーマット文字列