[C]带你了解C语言是如何操作文件的

一、认识文件

1.1 为什么要使用文件

使用文件我们可以将数据直接存放在电脑的硬盘上，做到了数据的持久化。

1.2 什么是文件

电脑磁盘上的文件是文件，但是在程序设计当中，从文件功能的角度来看一般把文件分为两种：程序文件、数据文件。
程序文件

包括源程序文件（后缀为.c）,目标文件（windows环境后缀为.obj）,可执行程序（windows环境后缀为.exe）。

数据文件

文件的内容不一定是程序，而是程序运行时读写的数据，比如程序运行需要从中读取数据的文件，或者输出内容的文件。

本文主要是讨论数据文件，在以前的学习中所处理数据的输入输出都是以终端为对象，现在我们来讨论如何把数据输出到磁盘上以及如何把磁盘上的数据读取到内存中。

1.3 文件名

一个文件要有一个唯一的文件标识，以便用户识别和使用。
文件名包含三部分：文件路径+文件名主干+文件后缀
为了方便起见，文件标识通常被称为文件名

1.4 文件指针

缓冲文件系统中，关键的概念是“文件类型指针”，简称“文件指针”。
每个被使用的文件都在内存中开辟了一个相应的文件信息区，用来存放文件的相关信息（如文件的名字，文件状态及文件当前的位置等）。这些信息是保存在一个结构体变量中的。该结构体类型是有系统声明的，取名FILE.
例如，VS2013编译环境提供的 stdio.h 头文件中有以下的文件类型申明：

struct _iobuf {
        char *_ptr;
        int   _cnt;
        char *_base;
        int   _flag;
        int   _file;
        int   _charbuf;
        int   _bufsiz;
        char *_tmpfname;
       };
typedef struct _iobuf FILE;

不同的C语言编译器,FILE类型包含的内容大同小异。
每当打开一个文件的时候，系统会根据文件的情况自动创建一个FILE结构的变量，并填充其中的信息，使用者不必关心细节。
一般都是通过一个FILE的指针来维护这个FILE结构的变量，这样使用起来更加方便。
下面我们可以创建一个FILE*的指针变量:

FILE* pf;//文件指针变量

定义pf是一个指向FILE类型数据的指针变量。可以使pf指向某个文件的文件信息区（是一个结构体变量）。通过该文件信息区中的信息就能够访问该文件。也就是说，通过文件指针变量能够找到与它关联的文件。
比如：

1.5 文件的打开和关闭

读写文件之前，先要打开文件，在使用结束之后关闭文件。
在编写程序的时候，在打开文件的同时，都会返回一个FILE*的指针变量指向该文件，也相当于建立了指针和文件的关系。
ANSIC 规定使用fopen函数来打开文件，fclose来关闭文件。其函数原型如下：

FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );
//返回FILE的指针， filename表示文件名，mode是打开文件的方式
//例子
//打开文件
FILE * pf = fopen ( "test.txt", "w" );
//关闭文件
fclose ( pf );
pf = NULL;

打开方式如下：

文件使用方式	含义	如果指定文件不存在
“r” (只读)	为了输入数据，打开一个已经存在的文本文件	出错
“w” (只写)	为了输出数据，打开一个文本文件	建立一个新文件
“a” (追加)	向文件尾添加数据	建立一个新文件
“rb” (只读)	为了输入数据，打开一个二进制文件	出错
“wb” (只写)	为了输出数据，打开一个二进制文件	建立一个新文件
“ab” (追加)	向一个二进制文件尾添加数据	出错
“r+” (读写)	为了读和写，打开一个文本文件	出错
“w+” (读写)	为了读和写，建立一个新文件	建立一个新文件
“a+” (读写)	打开一个文本文件，在文件尾进行读和写	建立一个新文件
“rb+” (读写)	为了读和写，打开一个二进制文件	出错
“wb+” (读写)	为了读和写，新建一个新的二进制文件	建立一个新文件
“ab+” (读写)	打开一个二进制文件，在文件尾进行读和写	建立一个新文件

例子：

#include 

int main ()
{
  //打开文件,以只读的方式打开名字为 myfile.txt 的文件
  FILE * pFile = fopen ("myfile.txt","w");
  //文件操作
  if (pFile!=NULL)  //打开成功
 {
    fputs ("fopen example",pFile);//写
    //关闭文件
    fclose (pFile);   
    pFile = NULL; //置为空指针
 }
  return 0;
}

执行上述程序，可以再工程目录下找到名字为 myfile.txt 的文件，打开文件可以看到字符串"fopen example"。

二、文件的顺序读写

在C语言中提供了以下几种函数：

功能	函数名	适用于
字符输入函数	fgetc	所有输入流
字符输出函数	fputc	所有输出流
文本行输入函数	fgets	所有输入流
文本行输出函数	fputs	所有输出流
格式化输入函数	fscanf	所有输入流
格式化输出函数	fprintf	所有输出流
二进制输入	fread	文件
二进制输出	fwrite	文件

需要注意的是这些函数都是顺序读写的。

2.1 fgetc和fputc

fgetc是字符输入函数适用于所有输入流；
fputc是字符输出函数适用于所有输出流。

不管是fgetc（读）还是fputc（写）它们读或者写的对象都是单个的字符，并且都是按照顺序读写字符。
函数原型：

//例子
#include 

int main()
{
	//写文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");//打印错误信息
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 'a'; i <= 'z'; i++)
	{
		fputc(i, pf);  //把a~z依次写入文件中
	}
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	//读文件
	pf = fopen("test.txt", "r");
	for (i = 'a'; i <= 'z'; i++)
	{
		char ch = fgetc(pf);//把a~z依次读取，并赋值给c
		printf("%c ", ch);//打印
	}
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	return 0;
}	

执行上述程序，可以再工程目录中看到新建了一个 test.txt 文件，在文件中可以看到顺序存放的a ~ z字母，并且程序会在屏幕上打印出a ~ z 26个字母。

2.2 fgets和fputs

fgets是行输入函数，即在文件中顺序读取一个字符串。
fputs是行输出函数，即在文件中顺序写入一个字符串。

其函数原型如下：

//例子
#include 

int main()
{
	//写文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");//打印错误信息
		return 1;
	}
	//使用
	//int fputs ( const char * str, FILE * stream );
	//把str所指向的字符串写入stream所指向的文件流当中
	//写入成功返回非负值,写入失败返回eof
	fputs("The harder the luckier", pf);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	//读文件
	//char* fgets(char* str, int num, FILE * stream);
	//从stream指向的文件中读取长度最大为num的字符串并返回一个指向该字符串的指针
	//读取失败返回空指针
	pf = fopen("test.txt", "r");
	char arr[30] = { 0 };
	fgets(arr,20,pf);
	printf("%s\n", arr);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	return 0;
}

执行程序，可以再工程目录下看到test.txt文件中写入了"The harder the luckier"，并且屏幕上会打印出来。

需要注意的是：

1.fgets函数在读取字符串时，假设最大读取字符数是num，实际上fgets只会读取（num-1）个字符加上一个‘\0’。
2.如果想要fputs函数写入字符串不在同一行，再字符串后加‘\n’即可。

2.3 fscanf和fprintf

fsacnf是格式化输入函数适用于所有输入流；
fprintf是格式化输出函数适用于所有输出流。

其函数原型如下：

//例子
#include 
struct S
{
	char name[20];
	int age;
	int score;
};

int main()
{
	//写文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");//打印错误信息
		return 1;
	}
	//使用
	//int fprintf ( FILE * stream, const char * format, ... );
	//与printf()的使用非常类似，只不过在前面加了一个文件指针,表示写入到文件中
	struct S s1 = { "zhangsan",18,60 };
	fprintf(pf, "%s %d %d", s1.name, s1.age, s1.score);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	//读文件
	pf = fopen("test.txt", "r");
	//int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... );
	//与scanf()的使用非常类似，只不过在前面加了一个文件指针,表示从文件中读取
	struct S s2 = { 0 };
	fscanf(pf, "%s %d %d", s2.name, &(s2.age), &(s2.score));
	printf("%s %d %d\n", s2.name, s2.age, s2.score);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	return 0;
}

执行程序，可以再工程目录下看到 test.txt 文件中写入了s1的信息，并且屏幕上会打印出来。

2.4 fread和fwrite

fread是二进制输入函数只适用于文件；
fwrite是二进制输出函数只适用于文件。

其函数原型如下：

//例子
#include 
struct S
{
	char name[20];
	int age;
	int score;
};

int main()
{
	//写文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "wb");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");//打印错误信息
		return 1;
	}
	//使用
    //size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
	//把ptr所指向的空间count个大小为size字节的数据写入到stream当中去
	//返回成功写入数据的个数
	struct S s1 = { "zhangsan",18,60 };
	fwrite(&s1,sizeof(struct S),1,pf);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	//读文件
	pf = fopen("test.txt", "rb");
	//size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
	//从stream所指向的文件中读取count个大小为size字节的数据放到ptr所指向的空间中
	//返回成功读取数据的个数
	struct S s2 = { 0 };
	fread(&s2, sizeof(struct S),1,pf);
	printf("%s %d %d\n", s2.name, s2.age, s2.score);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	return 0;
}

执行程序，可以看到下图所示结果：

在工程目录下找到 test.txt 文件，打开 test.txt 文件发现有些东西我们是看不懂的，因为此时数据是以二进制的形式放进去的。而因为“zhangsan”以文本的形式和以二进制的形式放进去内容是一样的，所以我们能看懂。

而当我们以二进制的形式打开test.txt文件时，可以看到里面存放的是二进制的数据。

2.5 对比一组函数

scanf/fscanf/sscanf
printf/fprintf/sprintf

//这是一个例子
#include 
struct S
{
	char name[20];
	int age;
	int score;
};

int main()
{
	//int sscanf(const char* s, const char* format, ...);
	struct S s = { 0 };
	char arr[] = "zhangsan 18 60"; //字符串
	sscanf(arr,"%s %d %d",s.name,&(s.age),&(s.score));//把arr中字符串转换成一个格式化数据
	printf("%s %d %d\n", s.name, s.age, s.score);
	
	//int sprintf ( char * str, const char * format, ... );
	char arr1[20] = { 0 };
	sprintf(arr1, "%s %d %d", s.name, s.age, s.score);//把s中格式化数据转换成字符串
	printf("%s \n", arr);
	
	return 0;
}

三、文件的随机读写

3.1 fseek

根据文件指针的位置和偏移量来定位文件指针。

其函数原型如下：

origin取值如下：

例子：

//例子
#include 

//int fseek ( FILE * stream, long int offset, int origin );
//offset表示偏移量
int main()
{
	//写文件
	FILE* pf = fopen("example.txt", "w");
	fputs("abcdef", pf);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	//读文件
	pf = fopen("example.txt", "r");

	char ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch); //第一次读肯定是a

	//不改变文件指针的位置再读一次
	ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch); //b

	//改变文件指针的位置再读一次
	fseek(pf, 0, SEEK_SET);    
	//从文件头开始偏移量为0
	ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch); //会是什么呢？

	fseek(pf, 3, SEEK_SET);
	//从文件头开始偏移量为3
	ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch); //会是什么呢？

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

可以看到打印的依次是a b a d。

3.2 ftell

返回文件指针相对于起始位置的偏移量。

其函数原型如下：

#include 

int main()
{
	//写文件
	FILE* pf = fopen("example.txt", "w");
	fputs("abcdef", pf);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	//读文件
	pf = fopen("example.txt", "r");


	fseek(pf, 3, SEEK_SET);
	char ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch); //d
	//当我们改变文件指针频繁时，
	//可能会忘记文件指针当前所指向的位置
	//long int ftell ( FILE * stream );
	//使用ftell会把偏移量返回给我们
	int i = ftell(pf);
	printf("%d\n", i); 
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

3.3 rewind

让文件指针的位置回到文件的起始位置。

其函数原型如下：

#include 


int main()
{
	//写文件
	FILE* pf = fopen("example.txt", "w");
	fputs("abcdef", pf);
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	//读文件
	pf = fopen("example.txt", "r");
	fseek(pf, 3, SEEK_SET);
	char ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch); //d

	//void rewind ( FILE * stream );
	//让文件指针的位置回到文件的起始位置
	rewind(pf); 
	ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch); //a
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

四、文本文件和二进制文件

根据数据的组织形式，数据文件被称为文本文件或者二进制文件。

• 数据在内存中以二进制的形式存储，如果不加转换的输出到外存，就是二进制文件。
• 如果要求在外存上以ASCII码的形式存储，则需要在存储前转换。以ASCII字符的形式存储的文件就是文本文件。

一个数据在内存中是怎么存储的呢？

字符一律以ASCII形式存储，数值型数据既可以用ASCII形式存储，也可以使用二进制形式存储。如有整数10000，如果以ASCII码的形式输出到磁盘，则磁盘中占用5个字节（每个字符一个字节），而二进制形式输出，则在磁盘上只占4个字节。

五、文件读取结束的判定

5.1 feof 和 ferror

牢记：在文件读取过程中，不能用feof函数的返回值直接用来判断文件的是否结束。
而是应用于当文件读取结束的时候，判断是读取失败结束，还是遇到文件尾结束。

1. 文本文件读取是否结束，判断返回值是否为 EOF （ fgetc ），或者 NULL （ fgets ）
   例如：
   • fgetc 判断是否为 EOF .
   • fgets 判断返回值是否为 NULL.
2. 二进制文件的读取结束判断，判断返回值是否小于实际要读的个数。
   例如：
   • fread判断返回值是否小于实际要读的个数。

ferror

ferror是检查错误指示器，用来判断是否读取时遇到错误而导致读取文件结束。

文本文件的例子：

#include 
#include 
int main(void)
{
    int c; 
    FILE* fp = fopen("test.txt", "r");
    if (!fp) 
    {
        perror("File opening failed");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    //fgetc 当读取失败的时候或者遇到文件结束的时候，都会返回EOF
    while ((c = fgetc(fp)) != EOF) // 读取文件循环
    {
        putchar(c);
    }
    //判断是什么原因结束的
    if (ferror(fp))     //如果ferror(fp)为真，则是读取失败结束
        puts("I/O error when reading");
    else if (feof(fp)) //如果feof(fp)为真，则是遇到文件结尾结束
        puts("End of file reached successfully");
    fclose(fp);
    fp = NULL;
}

二进制文件的例子：

#include 
enum { SIZE = 5 };
int main(void)
{
    double a[SIZE] = { 1.,2.,3.,4.,5. };
    FILE* fp = fopen("test.bin", "wb"); 
    fwrite(a, sizeof * a, SIZE, fp); // 写 double 的数组
    fclose(fp);
    double b[SIZE];
    fp = fopen("test.bin", "rb");
    size_t ret_code = fread(b, sizeof * b, SIZE, fp); // fread返回读取到double数据的个数

    if (ret_code == SIZE) //判断是否读到SIZE个数据
    {
        puts("Array read successfully, contents: ");
        for (int n = 0; n < SIZE; ++n) printf("%f ", b[n]);
        putchar('\n');
    }
    else 
    { 
        // 判断结束原因
        if (feof(fp))   //feof(fp)为真，遇到文件结尾结束
            printf("Error reading test.bin: unexpected end of file\n");
        else if (ferror(fp))  //ferror(fp)为真，则是读取文件失败结束
        {
            perror("Error reading test.bin");
        }
    }
    fclose(fp);
    fp = NULL;
    return 0;
}

六、文件缓冲区

ANSIC 标准采用“缓冲文件系统”处理的数据文件的，所谓缓冲文件系统是指系统自动地在内存中为程序中每一个正在使用的文件开辟一块“文件缓冲区”。从内存向磁盘输出数据会先送到内存中的缓冲区，装满缓冲区后才一起送到磁盘上。如果从磁盘向计算机读入数据，则从磁盘文件中读取数据输入到内存缓冲区（充满缓冲区），然后再从缓冲区逐个地将数据送到程序数据区（程序变量等）。缓冲区的大小根据C编译系统决定的。

注意：

对文件进行读写操作时，会先调用系统（操作系统提供的接口）系统帮我们读写文件，读写文件很频繁时会频繁打断操作系统，使操作系统效率降低。缓冲区可以提高操作系统的效率。

• 当我们要把内存中的数据写入到硬盘（把硬盘上的数据输入到内存）中时，写入到硬盘的（输入到内存中的）数据是先会存放在一个输出（输入 ）缓冲区，当输出（输入 ）的数据把缓冲区填满时，系统才会一次性把数据写入到硬盘（输入到内存中去）。
• 当我们打开一个文件写入数据时，如果数据不够填满输出缓冲区，操作系统就不会把数据写入到硬盘上；这时如果一直不关闭文件写入或者刷新缓冲区，就有可能会发生错误导致数据丢失。

//这是一个例子
#include 
#include 
//VS2013 WIN10环境测试
int main()
{
 FILE*pf = fopen("test.txt", "w");
 fputs("abcdef", pf);//先将代码放在输出缓冲区
 printf("睡眠10秒-已经写数据了，打开test.txt文件，发现文件没有内容\n");
 Sleep(10000);
 printf("刷新缓冲区\n");
 fflush(pf);//刷新缓冲区时，才将输出缓冲区的数据写到文件（磁盘）
 //注：fflush 在高版本的VS上不能使用了
 printf("再睡眠10秒-此时，再次打开test.txt文件，文件有内容了\n");
 Sleep(10000);
 fclose(pf);
 //注：fclose在关闭文件的时候，也会刷新缓冲区
 pf = NULL;
 return 0;
}

等待fflush(pf)刷新缓冲区，就可以看到文件有内容了。