【C语言进阶】万字详解文件操作

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0.本章重点

1. 为什么使用文件
2. 什么是文件
3. 文件的打开和关闭
4. 文件的顺序读写
5. 文件的随机读写
6. 文本文件和二进制文件
7. 文件读取结束的判定
8. 文件缓冲区

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1.为什么使用文件

我们前面学习结构体时，写了通讯录的程序，当通讯录运行起来的时候，可以给通讯录中增加、删除数据，此时数据是存放在内存中，当程序退出的时候，通讯录中的数据自然就不存在了，等下次运行通讯录程序的时候，数据又得重新录入，如果使用这样的通讯录就很难受。
我们在想既然是通讯录就应该把信息记录下来，只有我们自己选择删除数据的时候，数据才不复存在。 这就涉及到了数据持久化的问题，我们一般数据持久化的方法有，把数据存放在磁盘文件、存放到数据库等方式。
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

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2.什么是文件

磁盘上的文件是文件。
但是在程序设计中，我们一般谈的文件有两种：程序文件、数据文件（从文件功能的角度来分类的）。

2.1 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）

2.2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。

本章讨论的是数据文件
在以前各章所处理数据的输入输出都是以终端为对象的，即从终端的键盘输入数据，运行结果显示到显 示器上。
其实有时候我们会把信息输出到磁盘上，当需要的时候再从磁盘上把数据读取到内存中使用，这里处理 的就是磁盘上文件。

2.3文件名

一个文件要有一个唯一的文件标识，以便用户识别和引用。
文件名包含3部分：文件路径+文件名主干+文件后缀
例如：c:\code\test.txt

为了方便起见，文件标识常被称为文件名。

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3. 文件的打开和关闭

3.1 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。该结构体类型是由系统声明的，取名FILE.
![[文件操作 2022-04-06 19.18.01.excalidraw|1000]]
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编译器的FILE类型包含的内容不完全相同，但是大同小异。
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。

3.2 文件的打开和关闭

文件在读写之前应该先打开文件，在使用结束之后应该关闭文件。
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.
[[fopen]]
[[fclose]]

//打开文件  
FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );  
//关闭文件  
int fclose ( FILE * stream )

int main(void)
{
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	//返回的是文件信息区的地址
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//写文件->输出操作：fputc
	//abcdef -> test.txt
	fputc('a', pf);
	fputc('b', pf);
	fputc('c', pf);
	fputc('d', pf);
	fputc('e', pf);
	char ch = 'f';
	for( ch ='f' ; ch<='z'; ch++)
	{
		fputc(ch, pf);
	}
	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

int main(void)
{
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	//返回的是文件信息区的地址
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//读文件->输入操作：
	int ch = 0;
	while( (ch = fgetc(pf) ) != EOF)
	{
		printf("%c ",ch );
	}
	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

3.2.1流

3.2.2文件操作注意事项：（返回值）

3.2.3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
“w”	（只写）	为了输出数据，打开一个文本文件
“a”	（追加）	向文本文件尾添加数据
“rb”	（只读）	为了输入数据，打开一个二进制文件
“wb”	（只写）	为了输出数据，打开一个二进制文件
“ab”	（追加）	向一个二进制文件尾添加数据
“r+”	（读写）	为了读和写，打开一个文本文件
“w+”	（读写）	为了读和写，建议一个新的文件
“a+”	（读写）	打开一个文件，在文件尾进行读写
“rb+”	（读写）	为了读和写打开一个二进制文件
“wb+”	（读写）	为了读和写，新建一个新的二进制文件
“ab+”	（读写）	打开一个二进制文件，在文件尾进行读和写

实例代码:

/* fopen fclose example */
#include 
int main()
{
	FILE* pFile;
	//打开文件
	pFile = fopen("myfile.txt", "w");
	//文件操作
	if (pFile != NULL)
	{
		fputs("fopen example", pFile);
		//关闭文件
		fclose(pFile);
	}
	return 0;
}

3.2.4实例:行输入、输出

3.2.4.1读一行

返回值:返回string的地址,如果文件错误,返回空指针

//程序一
int main(void)
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	fputs("qwertyuiop\n", pf);
	fputs("xxxxxxxxxx\n", pf);
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

//程序二
int main(void)
{
	char arr[256] = { 0 };
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	fgets(arr, 255, pf);
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

传入n，最多读n-1个字符（会留一个给\0）

3.2.4.2读所有行

需要使用while循环结构

int main(void)
{
	char arr[256] = { 0 };
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	while (fgets(arr, 256, pf) != NULL)
	{
		printf("%s",arr);
	}
	
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

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4.文件的顺序读写

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

4.1 对比一组函数：

scanf/fscanf/sscanf  
printf/fprintf/sprintf

函数	针对
print	标准的格式化输出函数
scanf	标准的格式化输入函数
fprint	针对所有流的标准的格式化输出函数
fscanf	针对所有流的标准的格式化输入函数
sprint	把一个格式化的数据转换成字符串
sscanf	把一个字符串转换成格式化的数据

struct S
{
	char name[20];
	int age;
	double d;
};
int main(void)
{
	struct S s = { "zhangsan",20,95.5 };
	struct S tmp = { 0 };
	char buf[255] = { 0 };
	sprintf(buf, "%s %d %lf\n", s.name, s.age, s.d);
	printf("%s",buf );
	//从buf字符串中提取出结构体数据
	sscanf(buf, "%s %d %lf", tmp.name, &(tmp.age), &(tmp.d));
	printf("%s %d %lf", tmp.name, tmp.age, tmp.d);
	return 0;
}

4.1.1 fprintf

struct S
{
	char name[20];
	int age;
	double d;
};
int main(void)
{
	struct S s = { "张三",20,95.5 };
	FILE* pf = fopen("test2.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	fprintf(pf, "%s %d %lf", s.name, s.age, s.d);
	return 0;
}

4.1.2 fscanf

struct S
{
	char name[20];
	int age;
	double d;
};
int main(void)
{
	struct S s = { 0 };
	FILE* pf = fopen("test2.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	fscanf(pf, "%s %d %lf", s.name, &(s.age), &(s.d));
	printf("%s %d %lf",s.name,s.age,s.d );
	return 0;
}

4.2 二进制输入输出

struct S
{
	char name[20];
	int age;
	double d;
};
int main(void)
{
	struct S s = { "zhangsan",20,95.5 };
	FILE* pf = fopen("test3.txt", "wb");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	fwrite(&s, sizeof(struct S), 1, pf);
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

struct S
{
	char name[20];
	int age;
	double d;
};
int main(void)
{
	struct S s = { 0 };
	FILE* pf = fopen("test3.txt", "rb");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//以二进制读文件
	fread(&s, sizeof(struct S), 1, pf);
	printf("%s %d %lf\n",s.name,s.age,s.d);
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

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5. 文件的随机读写

5.1 fseek

根据文件指针的位置和偏移量来定位文件指针.

int fseek ( FILE * stream, long int offset, int origin );

例子:

/* fseek example */
#include   
int main()
{
	FILE* pFile;
	pFile = fopen("example.txt", "wb");
	fputs("This is an apple.", pFile);
	fseek(pFile, 9, SEEK_SET);
	fputs(" sam", pFile);
	fclose(pFile);
	return 0;
}

#include
int main(void)
{
    //打开文件
    FILE* pf = fopen("test.txt","r");
    if (pf == NULL)
    {
        perror(fopen);
        return 1;
    }
    //随机读取:
    int ch = fgetc(pf);
    printf("%c",ch );
    ch = fgetc(pf);
    printf("%c", ch);

    fseek(pf, 4, SEEK_SET);

    ch = fgetc(pf);

    printf("%c\n", ch);

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

int main(void)
{
    //打开文件
    FILE* pf = fopen("test.txt","w");
    if (pf == NULL)
    {
        perror(fopen);
        return 1;
    }
    //随机写:
    fputc('a', pf);
    fputc('b', pf);
    fputc('c', pf);
    fputc('d', pf);
    fseek(pf, -3, SEEK_CUR);
    fputc('w', pf);
    //结果:awcd

    pf = NULL;
    return 0;
}

5.2ftell

返回文件指针相对于起始位置的偏移量

long int ftell ( FILE * stream );

例子:

/* ftell example : getting size of a file */
#include   
int main()
{
	FILE* pFile;
	long size;
	pFile = fopen("myfile.txt", "rb");
	if (pFile == NULL) perror("Error opening file");
	else
	{
		fseek(pFile, 0, SEEK_END); // non-portable  
		size = ftell(pFile);
		fclose(pFile);
		printf("Size of myfile.txt: %ld bytes.\n", size);
	}
	return 0;
}

int main(void)
{
    //打开文件
    FILE* pf = fopen("test.txt","w");
    if (pf == NULL)
    {
        perror(fopen);
        return 1;
    }
    //随机写:
    fputc('a', pf);
    fputc('b', pf);
    fputc('c', pf);
    fputc('d', pf);
    fseek(pf, -3, SEEK_CUR);
    fputc('w', pf);
    //结果:awcd,指针指向c,偏移量是2
    long pos = ftell(pf);
    printf("%ld\n",pos );
    pf = NULL;
    return 0;
}

5.3 rewind

让文件指针的位置回到文件的起始位置

void rewind ( FILE * stream );

例子:

/* rewind example */
#include   
int main()
{
	int n;
	FILE* pFile;
	char buffer[27];
	pFile = fopen("myfile.txt", "w+");
	for (n = 'A'; n <= 'Z'; n++)
		fputc(n, pFile);
	rewind(pFile);
	fread(buffer, 1, 26, pFile);
	fclose(pFile);
	buffer[26] = '\0';
	puts(buffer);
	return 0;
}

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6.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(VS2013测试).

测试代码:

#include 
	int main()
	{
		int a = 10000;
		FILE* pf = fopen("test.txt", "wb");
		fwrite(&a, 4, 1, pf);//二进制的形式写到文件中
		fclose(pf);
		pf = NULL;
		return 0;
	}

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7.文件读取结束的判定

7.1被错误使用的feof

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feof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：
   1. fgetc 判断是否为 EOF .
      2.fgets 判断返回值(指针)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。
   1. 例如： fread判断返回值是否小于实际要读的个数

正确的使用:

7.1.1文本文件的例子

#include 
#include 
	int main(void)
	{
		int c; // 注意：int，非char，要求处理EOF
		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) // 标准C I/O读取文件循环
		{
			putchar(c);
		}
		//判断是什么原因结束的
		if (ferror(fp))
		//文件读取发生错误,返回非0,否则返回0
			puts("I/O error when reading");
		else if (feof(fp))
		//遇到文件末尾结束,返回非0
			puts("End of file reached successfully");
		fclose(fp);
	}

7.1.2二进制文件的例子：

#include 
	enum { SIZE = 5 };
	int main(void)
	{
		double a[SIZE] = { 1.,2.,3.,4.,5. };
		FILE* fp = fopen("test.bin", "wb"); // 必须用二进制模式
		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); // 读 double 的数组
		if (ret_code == SIZE) {
			puts("Array read successfully, contents: ");
			for (int n = 0; n < SIZE; ++n) 
			printf("%f ", b[n]);
			putchar('\n');
		}
		else { // error handling
			if (feof(fp))
				printf("Error reading test.bin: unexpected end of file\n");
			else if (ferror(fp)) {
				perror("Error reading test.bin");
			}
		}
		fclose(fp);
	}

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8.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.

#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;
	}

这里可以得出一个结论：

因为有缓冲区的存在，C语言在操作文件的时候，需要做刷新缓冲区或者在文件操作结束的时候关闭文件。
如果不做，可能导致读写文件的问题.