MATLAB 之 文件操作

• MATLAB 语言和其他程序设计语言一样，程序运行中的所有变量都保存在称为工作区的内存空中，这些变量可以在程序中直接引用。
• 但是工作区的大小是有限的，如果处理的数据较大，就需要和磁盘文件中的数据进行交换。
• 有时要从外部设备中输入数据，有时要把程序处理过的数据输出到外部设备中。
• MATLAB 提供了多种不同层次的数据输入/输出函数。MATLAB 提供多种方法支持将磁盘文件和剪贴板中的数据导入到 MATLAB 的工作区。
• 最简单的办法是使用数据导入向导（可通过在 “主页” 选项卡 “变量” 命令组中单击“导入数据”命令按钮或在命令行窗口执行 uiimport 命令来激活它），而在程序中则可以使用 MATLAB 文件操作函数。

一、文件操作

• MATLAB 提供了一系列文件操作函数，这些函数是基于 ANSI 标准 C 语言库实现的，所以两者的格式和用法有许多相似之处。
• 其中，ANSI 标准是美国国家标准学会（AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE: ANSI）成立于 1918 年。当时，美国的许多企业和专业技术团体，已开始了标准化工作，但因彼此间没有协调，存在不少矛盾和问题。为了进一步提高效率，数百个科技学会、协会组织和团体，均认为有必要成立一个专门的标准化机构，并制订统一的通用标准。

1. 文件打开与关闭

• 对一个文件进行操作以前，必须先打开该文件，系统将为其分配一个输入/输出缓冲区。当文件操作结束后，还应关闭文件，及时释放缓冲区。

1.1 fopen 函数

• fopen 函数用于打开文件以供读写，其调用格式如下：

fid=fopen(filename, permission)

• 其中，fid 为文件识别号，filename 为待操作的文件，permission 为对文件的允许使用方式。
• 打开文件成功时，fid 返回一整数，用来标识该文件；打开文件不成功时，fid=-1。
• permission 常用值如下表所示。

参数	允许使用方式
r	以读方式打开一个文件。如果指定的文件不存在，则返回值为 -1。这是默认方式。
w	以写方式打开一个文件。如果指定的文件不存在，则创建一个新文件，再打开它；如果存在，则打开该文件，并清空原有内容。
a	打开一个文件，随后的操作可在该文件末尾添加数据。
r+	以读和写方式打开一个文件。

• fopen 函数默认打开二进制文件，如果打开的是文本文件，则需要在上述允许方式后加 t，加 rt、wt 等。例如：

F1=fopen('old.txt','rt')	%打开一个名为old.txt的文本文件，允许进行读操作
F2=fopen('new.dat','r+')	%打开一个名为new.dat的二进制文件，允许进行读和写操作

1.2 fclose 函数

• fclose 函数用于关闭已打开的文件，其调用格式如下：

status=fclose(fid)

• 关闭标识为 fid 的文件。
• 如果 fid 为 all，则关闭所有已打开的文件，但标准文件除外。返回 0 表示关闭成功，返回 -1 则表示关闭不成功。

2. 文件的读写

2.1 fscanf 函数

• fscanf 函数用于读取文本文件的内容，并按指定格式存入矩阵，其调用格式如下：

[A,count]=fscanf(fid,fmt,size)

• 其中，A 用于存放读取的数据，count 返回成功读取的数据元素个数，fid 为文件识别号，fmt 用以控制读取的数据格式，size 指定读取多少数据。
• 数据格式由%加上格式符组成，常见的格式符如下表所示。

格式符	含义
%d	十进制整数
%f	小数形式的实数
%u	无符号的十进制整数
%g	根据输出项的大小自动选择 e 格式或 f 格式
%o	八进制整数
%c	字符
%x	十六进制整数（0～9，a～f）
%s	不包含空格的字符串
%e	指数形式的实数

• 在 % 之后还可以加上数据宽度。例如，%3d，它控制读取的整型数据取 3 位数字；%10.3f 控制读取实型数据，取 10 个字符（含小数点），小数部分占 3 位。
• size 可以取下列值。
• （1） N：表示读取 N 个元素到一个列向量。
• （2） inf：表示读取整个文件。
• （3） [m,n]：表示读数据到 $m\times n$ 的矩阵中，数据按列存放。
• 例如：

x=fscanf(fid,'%5d',100);		%从指定文件中读取100个整数，并存入向量x中
y=fscanf(fid,'%5d',[10,10]);	%将读取的100个整数存入10×10矩阵y中

2.2 fprintf 函数

• fprintf 函数可以将数据按指定格式写入到文本文件中，其调用格式如下：

count=fprintf(fid,fmt,A)

• 其中，fid 和 fmt 的意义与 fscanf 函数相同，A 存放要写入文件的数据，count 返回成功输出的字节数。
• 先按 fmt 指定的格式将数据矩阵 A 格式化，然后写入到 fid 所关联的文件。如果不指定 fid，则默认输出到屏幕。
• 例如，我们计算当 $x=[0.0，0.1，0.2，\dots ，1.0]$ 时，$f(x)=e^x$的值，并将结果写入文件 demo1.txt。
• 程序如下：

x=0:0.1:1;
Y=[x;exp(x)];
fid=fopen('demo1.txt','w');
fprintf(fid,'%6.2f%12.8f\n',Y);
fclose(fid);

• 程序中 %6.2f 控制 x 的值占 6 位，其中小数部分占 2 位。同样，%12.8f 控制指数函数 exp(x) 的输出格式。由于是文本文件，可以在 MATLAB 命令行窗口用 type 命令显示其内容。

>> type demo1.txt

• 显示的文件内容如下所示。

  0.00  1.00000000
  0.10  1.10517092
  0.20  1.22140276
  0.30  1.34985881
  0.40  1.49182470
  0.50  1.64872127
  0.60  1.82211880
  0.70  2.01375271
  0.80  2.22554093
  0.90  2.45960311
  1.00  2.71828183

2.3 fgetl 与 fgets函数

• 除上述对文本文件进行读写操作的函数外，读取文本文件的函数还有 fgetl 和 fgets，它们按行读取数据，其调用格式如下：

line=fgetl (fid)
line=fgets(fid，nchar)

• fgetl 命令读入的字符串中不包括换行符，如读到文件末尾，则返回 -1。该命令只能对文本格式文件进行操作，如果读取没有换行符的二进制文件，则会运行很长时间。
• fgets 命令读入数据时保留原文件中的换行符，输入可选项 nchar 是整型数，如果指定此项数值，则读入一行时最多读 nchar 个字符。
• 例如，我们上例中生成的文件 demo1.txt 中的数据。
• 程序如下：

fid=fopen('demo1.txt','r');
while 1
	line=fgetl(fid);
	if line<0
		break
	end
	disp(line);
end
fclose(fid);

• 该程序把文件 demo1.txt 一行一行地读入到 line 中，每度一行在屏幕上显示一次，直至文件末尾。当读到文件末尾时，line 的返回值为 -1，终止读操作。

2.4 textscan 函数

• load 函数和 save 函数是 MATLAB 中为装载和存储数据提供的工具，但 load 函数只能读取以 ASCII 形式存储、每一行数据为固定长度的文件。
• 如果一个文件中的数据全部由 ASCII 字符组成，且数据间有间隔符（如空格、逗号、分号、制表位)，则文件称为有格式文件。
• 有格式文件可以使用文本输入函数 textscan 读取数据，函数调用格式如下：

C=textscan(fid,fmt,N,param,value)

• 其中，C 为单元矩阵，fid 为待操作的文件识别号，fmt 用以控制读取的数据格式，N 指定重复使用该格式的次数，param 指定一些特殊操作，value 是与特殊操作有关的值。例如，跳过两行标题行可将 ‘headerlines’ 参数设为 2。
• 例如，我们假定文件 textdemo.txt中有以下格式的数据：

Name	Chinese	English	Mathmatics
wang	99	98	100
Li	98	89	0
Zhang	80	90	97
Zhao	77	65	87

• 此文件第一行为标题行，第 2~5 行的第 1 列为字符型，后 3 列为整型。从该文件中将前 3 个数据读入到 grades 的程序段如下：

fid=fopen('textdemo.txt','r');
grades=textscan(fid,'%s %d %d %d',3,'headerlines',1);

2.5 fread 函数

• 该函数从文件中读入二进制数据，其调用格式如下：

[A,count]=fread(fid,size,precision,skip)

• 其中，A 用于存放读取的数据，count 返回所读取的数据元素个数，fid 为文件识别号，size 用于指定读入数据的元素数量（可取值与 fscanf 函数相同，省略时则读取整个文件内容），precision 指定读写数据的类型，常用的数据类型详细如下表所示，其默认值为 uchar。

标识符	说明
schar	有符号字符
uchar	无符号字符
int8、int16、int32、int64	8～64 位有符号整数
uint8、uint16、int32、uint64	8～64 位无符号整数
float32	32 位浮点数
float64、double	64 位双精度型数

• skip 称为循环因子，若指定 skip 值且该值不为 1，则按 skip 指定的比例周期性地跳过一些数据，使得读取的数据具有选择性。
• 例如，我们按 32 位有符号数据格式读取文件 exmp1.dat 的前 100 个数据，并将其放入向量 $d$。
• 程序如下：

fid=fopen('exmp1.dat','r');
d=fread(fid,100,'int32');

• 例如，我们假设文件 alphabet.txt 的内容是按顺序排列的 26 个大写英文字母，读取前 5 个字母的 ASCII 和这 5 个字符。
• 程序如下：

fid=fopen('alphabet.txt','r');
c=fread(fid,5);
frewind(fid);
d=fread(fid,5,'*char');
fclose(fid);

• 其中，frewind 函数用于将文件位置指针返回到文件的起始位置。
• fscanf 与 fread 函数在读取数据时较灵活，不论数据文件中的数据是否具有确定的规律，均可以将数据文件的全部数据读入。
• load 函数在载入数据时，要求数据文件中的数据是有规律排列的，数据的排列类似矩阵或表格形式，否则不能成功读取数据。

2.6 fwrite 函数

• fwrite 函数按照指定的数据类型将矩阵中的元素写入到文件中，其调用格式如下：

count=fwrite(fid,A,precision)

• 其中，count 返回成功写入文件的数据元素个数，fid 为文件句柄，A 用来存放要写入文件的数据，precision 用于控制所写数据的类型。
• 例如：

fid=fopen('aaa.dat','w') ;
fwrite(fid,x,'float32');

• 将矩阵 X 中的数据用 32 位浮点格式写入 aaa.dat 文件。
• 例如，我们建立一数据文件 magic5.dat，用于存放 5 阶魔方阵。
• 程序如下：

fid=fopen('magic5.dat','w');
cnt=fwrite(fid,magic(5),'int32');
fclose(fid);

• 上述程序段将 5 阶魔方阵以 32 位整数格式写入文件 magic5.dat 中。
• 下列程序则可实现对数据文件 magic5.dat 的读操作。

fid-fopen('magic5.dat','r');
[B,cnt]=fread(fid,[5,inf],'int32')
fclose(fid);

• 程序运行结果如下：

B =

    17    24     1     8    15
    23     5     7    14    16
     4     6    13    20    22
    10    12    19    21     3
    11    18    25     2     9


cnt =

    25
    

3. 数据文件定位

• 当打开文件并进行数据的读写时，需要判断和控制文件的读写位置，例如，判断文件数据是否已读完，或者需要读写指定位置上的数据等。
• MATLAB 自动创建一个文件位置指针来管理和维护文件读写数据的起始位置。

3.1 fseek 函数

• 该函数用于定位文件位置指针，其调用格式如下：

status=fseek(fid,offset,origin)

• 其中，fid 为文件识别号；offset 表示位置指针相对移动的字节数，若为正整数表示向文件尾方向移动，若为负整数表示向文件头方向移动。
• origin 表示位置指针移动的参照位置，它的取值有 3 种可能：‘cof’ 或 0 表示文件的当前位置，‘bof’ 或 -1 表示文件的开始位置，'eof’ 或 1 表示文件的结束位置。
• 若定位成功，status 返回值为 0，否则返回值为 -1。
• 例如：

fseek(fid,0,-1)			%指针指向文件头
fseek(fid,-5,'eof')		%指针指向文件尾前第5个字节

3.2 ftell 函数

• 该函数用来查询文件指针的当前位置，其调用格式如下：

position=ftell(fid)

• ftell 函数的返回值为从文件头到指针当前位置的字节数。若返回值为 -1，表示获取文件当前位置失败。
• 例如，我们编写如下程序，当程序运行后，变量 four、position 和 three 的值是多少？
• 所编写程序如下：

a=1:5;
fid=fopen('fdat.bin','w');		%以写方式打开文件
fdat.binfwrite(fid,a,'int16');	%将a的元素以双字节整型写入文件fdat.bin
fclose(fid);
fid=fopen('fdat.bin','r');		%以读数据方式打开文件fdat.bin
status=fseek(fid,6,'bof');	 	%将文件指针从开始位置向尾部移动6个字节
four=fread(fid,1,'int16');		%读取第4个数据，并移动指针到下一个数据
position=ftell(fid);			%ftell的返回值为8
status=fseek(fid,-4,'cof'); 	%将文件指针从当前位置往前移动4个字节
three=fread(fid,1,'int16');		%读取第3个数据
status=fclose(fid);

• 程序运行后，four 的值是 4，position 的值是 8 和 three 的值是 3。

3.3 feof 函数

• 该函数用来判断当前的文件位置指针是否到达文件尾部，其调用格式如下：

status=feof(fid)

• 当到达文件结束位置时，测试结果为 1，否则返回 0。

3.4 ferror 函数

• 该函数用来查询最近一次输入或输出操作中的出错信息，其调用格式如下：

message-ferror(fid)