用C语言随机读写二进制文件

本节主要讨论如何使用C语言随机读写二进制文件。

本文引用自作者编写的下述图书; 本文允许以个人学习、教学等目的引用、讲授或转载，但需要注明原作者"海洋饼干叔
叔"；本文不允许以纸质及电子出版为目的进行抄摘或改编。
1.《Python编程基础及应用》，陈波，刘慧君，高等教育出版社。免费授课视频 Python编程基础及应用
2.《Python编程基础及应用实验教程》, 陈波，熊心志，张全和，刘慧君，赵恒军，高等教育出版社Python编程基础及应用实验教程
3. 《简明C及C++语言教程》，陈波，待出版书稿。免费授课视频

文件既可以顺序读写，也可以随机读写。所谓顺序读写，可以简单理解为从头读/写到尾，数据项是一个接着一个进行读取/写入的；而随机读写则允许我们随时改变文件的当前读写位置，如果在非文件尾的位置写入内容，则相应位置的原始数据会被覆盖。

二进制文件可以视为字节流，程序为每一个被打开的二进制文件维护了一个读写位置标记，该标记为一个整数，表示当前读写位置相对于文件起始处的偏移量，以字节为单位。随着文件读写操作的进行，该读写位置会自动后移，其偏移量等于读写操作的字节数。

表20-6 文件随机访问函数（C语言）

函数	说明
rewind	void rewind(FILE* f);说明：将文件f的读写位置移回文件头（起始处）。
fseek	int fseek(FILE* f, long offset, int origin);说明：该函数通常应用于二进制文件，其将文件f的读写位置移动至偏离参考点（origin）指定偏移量（offset）的位置。参考点origin应为SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END之一，依次为文件头、当前读写位置和文件尾。函数应用于文本文件时，offset只能是0或者是前次ftell()的返回值，而origin只能是SEEK_SET。操作成功，函数返回0，否则返回非零值。
ftell	long ftell(FILE* f);说明：对于二进制文件，返回文件的当前读写位置，即当前读写位置相对于文件头的偏移字节数。对于文本文件，函数返回值可能没有实际意义，但仍然可以配合fseek()函数恢复文件的读写位置。如果函数执行出错，返回-1。
fgetpos	int fgetpos(FILE* f, fpos_t* pos);说明：获取文件f的当前读写位置，写入指针pos所指向的fpos_t对象中。指针pos指向的对象必须是已分配好的。通常情况下，fpos_t事实上是长整型或者长长整型。操作成功，函数返回0，否则返回非零值。
fsetpos	int fsetpos(FILE* f, const fpos_t* pos);说明：设置文件f的读写位置，指针pos所指向的fpos_t对象即为目标位置。操作成功，函数返回0，否则返回非零值。

表20-6列出了C语言中用于二进制文件随机访问的常用函数，以这些函数为工具，我们可以在文件中随意移动读写位置，方便地读写二进制文件。

C语言程序BinaryPriceList展示了一个灵活的二进制商品价格表存储结构，该结构以不重复的固定的商品编号为基础进行工作。

//Project - BinaryPriceList
#include 
#include 
#include 
#include 

typedef struct {
    int iNo;            //商品编号，不重复
    char sName[20];     //名称
    float fPrice;       //价格
    int iQuantity;      //在库数量
} Commodity;

bool locateCommodity(FILE* f, int iNo){
    rewind(f);          //读写指针回到文件头
    int t;
    while (true){
        if (fread(&t,sizeof(int),1,f)!=1)
            return false;
        if (t==iNo){
            fseek(f,-sizeof(int),SEEK_CUR);
            return true;
        }
        else
            fseek(f,sizeof(int)+sizeof(float)+20,SEEK_CUR);
    }
}

void saveCommodity(FILE* f, const Commodity* c){
    if (!locateCommodity(f,c->iNo))
        fseek(f,0,SEEK_END);

    fwrite(&c->iNo,sizeof(int),1,f);
    fwrite(c->sName,20,1,f);
    fwrite(&c->fPrice,sizeof(float),1,f);
    fwrite(&c->iQuantity,sizeof(int),1,f);
}

bool loadCommodity(FILE* f, int iNo, Commodity* c){
    if (!locateCommodity(f,iNo))
        return false;

    fread(&c->iNo,sizeof(int),1,f);
    fread(c->sName,20,1,f);
    fread(&c->fPrice,sizeof(float),1,f);
    fread(&c->iQuantity,sizeof(int),1,f);
    return true;
}

int main() {
    char sPath[512];
    if (getcwd(sPath,512)!=NULL)              //获取并打印当前工作路径
        printf("cwd: %s\n",sPath);

    FILE* f = NULL;
    if (access("commodity.dat",F_OK)==0)     //判断文件是否存在
        f = fopen("commodity.dat","rb+");     //打开已有文件进行随机读写
    else
        f = fopen("commodity.dat","wb+");     //打开新文件进行随机读写

    Commodity c1 = {1,"Apple",5.2764123f,2000};
    saveCommodity(f,&c1);

    printf("ftell(f): %ld\n",ftell(f));      //输出文件当前读写位置

    Commodity c3 = {3,"Beef",65.741f,5000};
    saveCommodity(f,&c3);
    Commodity c5 = {5,"Cherry",117.4f,500};
    saveCommodity(f,&c5);
    strcpy(c3.sName,"Pork");
    saveCommodity(f,&c3);

    Commodity t;
    printf("%-6s%-20s%10s%10s\n","No","Name","Price","Quantity");
    printf("----------------------------------------------\n");
    for (int i=1;i<=5;i++){
        if (!loadCommodity(f,i,&t))
            printf("%-6d%-20s%10.2f%10d\n",i,"NA",0.0,0);
        else
            printf("%-6d%-20s%10.2f%10d\n",t.iNo,t.sName,t.fPrice,t.iQuantity);
    }

    fclose(f);
    return 0;
}

上述代码的执行结果为：

cwd: D:\C2Cpp\C20_FileIO\build-BinaryPriceList-Desktop_Qt_5_14_1_MinGW_64_bit-Debug
ftell(f): 32
No    Name                     Price  Quantity
----------------------------------------------
1     Apple                     5.28      2000
2     NA                        0.00         0
3     Pork                     65.74      5000
4     NA                        0.00         0
5     Cherry                  117.40       500

上述程序执行完成后，我们得到一个二进制文件commodity.dat，其尺寸为96字节。为了便于描述上述程序的随机读写过程及工作原理，我们画出了commodity.dat的内部结构，请见图20-7。请读者注意，图20-7只是一个示意图，其并不能“精细”表达commodity.dat的内部结构。

第7 ~ 12行：一个Commodity表示一条商品价格信息。简单计算可知，一个Commodity对象的内存尺寸为4 + 20 + 4 + 4 = 32字节。如图20-7所示，程序执行完成后，commodity.dat内部储存了编号为1、3、5的三条价格信息，分别对应3个Commodity对象，每个32字节，3个共96字节，地址范围为0 ~ 95。这里所称的地址，表示相对于文件起始处的偏移字节数。

第14 ~ 27行：locateCommodity()函数用于在已打开的二进制文件f中查找编号为iNo的商品价格信息。如果查找成功，函数将f的读写位置移至对应的商品价格信息的起始处并返回true，否则返回false。

第15行：rewind(f)将文件f的读写位置移至文件头，即地址0处。

第17 ~ 26行：通过while“死”循环对文件进行顺序查找。

第18 ~ 19行：从文件f读取商品编号至整数t，如果fread()函数的返回值不是1，说明已抵达文件尾，查找失败，返回false。

第20 ~ 23行：如果第18行读到的商品编号t等于iNo，说明找到了指定记录，使用fseek()函数将读写位置后退4个字节至该商品价格信息的起始处，然后返回true。此处的SEEK_CUR表示参考位置为当前位置，负的sizeof(int)表示回退4个字节。

第25行：如果第18行读到的商品编号t不等于iNo，说明匹配不成功，使用fseek()函数将当前读写位置前移28个字节至下一条商品价格信息的起始处，然后继续循环。

表20-7列出了locateCommodity(f,3)的执行过程，请读者结合图20-7进行分析。

表20-7 locateCommodity(f,3)的执行过程

序号	说明	代码行
1	rewind(f)将读写位置移至文件头，即地址0处。	15
2	在文件的当前位置读出商品编号，其值为1，fread()执行完后，读写位置前移至地址4。	18
3	1不等于3，说明匹配不成功，执行第25行，读写位置前移28至地址32，也就是下一条记录的起始位置。	20~25
4	循环继续，在文件的当前位置读出商品编号，其值为3，读写位置因读动作前移至36。	18
5	3等于3，匹配成功，执行第21行，读写位置后移4个字节至地址32，地址32正好是编号为3的商品价格记录在文件中的起始位置。	20~23
6	返回true，向函数的调用者报告定位成功的消息。	22

第29 ~ 37行：saveCommodity()函数用于将c所指向的商品价格对象存入文件f，如果对应编号的商品价格记录已存在，则覆盖更新原有信息。

第30 ~ 31行：使用locateCommodity()函数在文件f中定位指定商品编号的记录。如果locateCommodity()返回false，表示未找到，则将读写位置移至文件尾，准备在文件尾追加新记录。此处的SEEK_END表示参考位置为文件尾，0表示相对于文件尾偏移0字节。

第33 ~ 36行：向文件中依次写入商品编号、名称、价格以及库存数量。当读写位置位于文件尾时，这4行代码的执行结果相当于往文件尾附加了一条新记录。当读写位置位于locateCommodity()函数定位的原有记录的起始处，这4行代码的执行结果相当于覆盖更新了原有记录。

第39 ~ 48行：loadCommodity()函数从文件中查找并读取指定编号的商品价格信息至c指向的结构体。如果指定的编号不存在，返回false，否则返回true。

第40 ~ 41行：使用locateCommodity()定位指定编号的记录，如果没找到，返回false表示读取失败。

第43 ~ 46行：如果指定编号的记录在文件中存在，locateCommodity()函数执行后，文件的读写位置正好位于该记录的起始处。依次读入编号、名称、价格和库存数量。

第47行：返回true表示读取成功。

第55 ~ 59行：以二进制读写模式打开文件commodity.dat备用。程序第一次运行时，commodity.dat文件可能不存在，以wb+模式打开，该模式确保当文件不存在时，自动新建一个文件。程序第N次运行时，commodity.dat文件已存在，以rb+模式打开，该模式确保文件的原有内容不会被截断。

函数access()用于判断文件fname是否具体指定的访问权限，其原型如下。当文件具有指定的权限时，返回0，否则返回-1。

int access(const char* fname, int mode);

参数mode可以为F_OK、X_OK、W_OK和R_OK等值，依次表示文件是否存在、是否可执行、是否可写、是否可读。

第61 ~ 62行：存入编号为1的商品价格信息。在程序第1次运行时，第62行在文件中新增记录；在第N次运行时，第62行在文件中覆盖更新记录。

第64行：打印输出文件的当前读写位置。由于刚刚在第62行写入1号商品信息完毕，该读写位置的理论值应为32，因为如前所述，一行记录空间占用正好是32字节。

第66 ~ 69行：存储3号及5号商品价格信息。

第70 ~ 71行：修改3号商品的名称，再次将其写入文件。第71行执行前3号商品记录肯定已存在于文件中，因此第71行事实上覆盖更新了原有记录。执行结果的第7行证实，3号商品的名称被正确修改为Pork。

第73 ~ 81行：逐一读取并打印编号1至5的商品价格信息。执行结果的第6行和第8行证实，由于2号商品和4号商品不存在，第77行的loadCommodity()返回了false，第78行将对应的商品名称打印为“NA”，意为不可用（not available）。

第83行：关闭文件f。

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