【C语言】IO流（文件操作）- scanf / printf没那么简单！

1. 为什么使用文件？

当程序运行时数据是存放在内存中的，如果没有文件，程序退出时操作系统回收内存，那么数据就会丢失，等下次运行程序又要重新录入以往的数据，这样会非常麻烦。理应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。

注：数据库存储数据，实际上也是存储在磁盘文件上的，只是数据库对这些文件数据的操作做了很高层次的封装，使用起来更方便。

2. 什么是文件？

在程序设计中，我们一般谈的文件有两种（从文件功能的角度来分类的）：

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. 数据文件：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。

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。

3. IO流的概念

IO流即输入流和输出流，输入即“读”数据，输出即“写”数据。流即数据流，可以把数据想象成水一样流动。

流也是一种设计思想。键盘和磁盘是一种外部设备，外部设备也是有很多种的，每种外部设备的读写方式都不一样（如光盘和硬盘），对于程序员而言学会每种读写方式学习成本较高，所以C语言统一实现了这些方式，程序员不需要单独学习外部设备的读写方式。

scanf或printf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（scanf从内存读取数据），运行结果显示到显示器上（printf输出数据）。

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。

不过文件流操作才是我们该学习的，输入即“从文件读取数据到程序内存”，输出即“把程序内存中数据写入到文件”，简称读数据和写数据。

4. 操作文件的步骤

1. 打开文件；
2. 读写文件；
3. 关闭文件。

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。

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。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。

4.1 打开文件和关闭文件

• 文件在读写之前应该先打开文件，打开文件库函数原型如下：

FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );

1. filename表示路径+文件名，路径可以用绝对路径或相对路径。
2. mode表示打开方式，是以“读”的方式还是“写”的方式打开。
3. 如果文件打开失败返回NULL指针。

文件打开方式：

方式	含义
“w”	输出数据到文本文件
“r”	从文本文件输入数据
“a”	向文本文件末尾追加数据
“wb”	输出数据到二进制文件
“rb”	从二进制文件输入数据
“ab”	向二进制文件末尾追加数据
“w+” “r+” “a+” “wb+” “rb+” “ab+”	以读和写的方式打开文件

如果以"w" “a” “wb” “w+” “wb+” "ab+"输出数据形式打开文件，如果文件不存在，C会调用系统指令创建这个文件；其余以输入数据形式打开文件方式，如果文件不存在则会报错。

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• 文件在使用结束之后应该关闭文件，关闭文件库函数原型如下：

int fclose ( FILE * stream );

文件打开和关闭是一 一对应的，打开一个流，用完了就得把这个流关闭（自带flush操作）。

如果不关闭文件流会造成以下后果：

1. 数据可能会丢失；
2. 资源浪费，能打开文件流的数量不是无穷的。

4.2 读写文件（顺序读取）

字符、字符行以及格式化输入输出适用于所有输入输出流（无论是文件流还是C的标准输入输出流），二进制输入输出只能用于文件流。

4.2.1 字符输入输出

1. 写一个字符

int fputc ( int character, FILE * stream ); // 函数原型

void Testfputc()
{	
	// 1.以写文本数据形式打开文件
	FILE* pfWrite = fopen("test.txt", "w");
	if (pfWrite == NULL)
	{
		perror("Testfputc");
		return;
	}
	// 2.向文件流写数据
	for (int i = 'A'; i <= 'Z'; i++)
	{
		fputc(i, pfWrite);
	}
	// 3.关闭文件流
	fclose(pfWrite);
	pfWrite = NULL;
}

文件路径使用的是相对路径，运行后打开项目文件夹可以看到自动创建了一个test.txt文件，其中已有写入的数据。

2. 读一个字符：

int fgetc ( FILE * stream ); // 函数原型

• fgetc从指定的流中读取数据，一次操作读取一个字符，并且流中的指针指向下一个字符位置。
• 如果已经读完了（读到了文件末尾），返回EOF（值为-1，全称end of file）。

void Testfgetc()
{
	// 1.以读数据形式打开文件
	FILE* pfRead = fopen("test.txt", "r");
	if (pfRead == NULL)
	{
		perror("Testfgetc");
		return;
	}
	// 2.从文件流中读取每个字符并输出到屏幕
	int ch;
	while ((ch = fgetc(pfRead)) != EOF)
	{
		printf("%c", ch);
	}
	// 3.关闭文件流
	fclose(pfRead);
	pfRead = NULL;
}

4.2.2 字符串（文本行）输入输出

1. 写一行字符串

int fputs ( const char * str, FILE * stream ); // 函数原型

• 写数据不会自动带换行，如果想要一行行写入的效果，字符串中应该带上换行符'\n'。

void Testfputs()
{
	FILE* pfWrite = fopen("test.txt", "w");
	if (pfWrite == NULL)
	{
		perror("Testfputs");
		return;
	}
	// 写
	fputs("abc\n", pfWrite);
	fputs("def\n", pfWrite);
	
	fclose(pfWrite);
	pfWrite = NULL;
}

2. 读一行字符串：

char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream ); // 函数原型

• str：读取到的字符串拷贝到str；
• num：指定读取的字符个数；
• 读取失败或读到文件末尾返回NULL指针。

void Testfgets()
{
	FILE* pfRead = fopen("test.txt", "r");
	if (pfRead == NULL)
	{
		perror("Testfgets");
		return;
	}
	// 读
	char str[30] = { 0 };
	while (fgets(str, 10, pfRead) != NULL)
	{
		printf("%s", str);
	}
	
	fclose(pfRead);
	pfRead = NULL;
}

读取到每行并输出。

4.2.3 格式化输入输出

1. 写一个带格式化参数的字符串

int fprintf ( FILE * stream, const char * format, ... ); // 函数原型

struct Student
{
	char gender;
	int age;
	char name[20];
};
void Testfprintf(struct Student* s)
{
	FILE* pfWrite = fopen("test.txt", "w");
	if (pfWrite == NULL)
	{
		perror("Testfprintf");
		return;
	}
	// 写
	fprintf(pfWrite, "%c %d %s", s->gender, s->age, s->name);
	
	fclose(pfWrite);
	pfWrite = NULL;
}
int main()
{
	struct Student s = {'m', 20, "zhangsan"};
	Testfprintf(&s);
	return 0;
}

2. 读一个带格式化参数的字符串

int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... ); // 函数原型

void Testfpscanf(struct Student* s)
{
	FILE* pfRead = fopen("test.txt", "r");
	if (pfRead == NULL)
	{
		perror("Testfpscanf");
		return;
	}
	// 读，并输出到屏幕
	fscanf(pfRead, "%c %d %s", &s->gender, &s->age, s->name);
	printf("%c %d %s\n", s->gender, s->age, s->name);
	
	fclose(pfRead);
	pfRead = NULL;
}

int main()
{
	struct Student s = { 0 };
	Testfpscanf(&s);
	return 0;
}

4.2.4 二进制输入输出

1. 写二进制数据到文件

size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream ); 

• ptr：一个有效的指针，且指向的内存地址中有数据，比如一个结构体指针；
• size：一次写多少字节，比如sizeof(结构体)；
• count：一次写多少个ptr指向的数据，比如多少个结构体。

void Testfwrite(struct Student* s)
{
	FILE* pfWrite =  fopen("test.txt", "wb");
	if (pfWrite == NULL)
	{
		perror("Testfwrite");
		return;
	}

	// 写
	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		fwrite(s, sizeof(struct Student), 1, pfWrite);
	}

	fclose(pfWrite);
	pfWrite = NULL;
}
int main()
{
	struct Student s[3] = { {'m', 20, "zhangsan"}, {'m', 21, "lisi"}, {'m', 22, "wangwu"}};
	Testfwrite(s);
	return 0;
}

由于是二进制数据，记事本打开有些数据乱码也是正常的。

2. 从文件读二进制数据

size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );

void Testfread(struct Student* s)
{
	FILE* pfRead = fopen("test.txt", "rb");
	if (pfRead == NULL)
	{
		perror("Testfread");
		return;
	}

	// 读并打印到屏幕
	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		fread(s + i, sizeof(struct Student), 1, pfRead);
		printf("%c %d %s\n", (s+i)->gender, (s+i)->age, (s+i)->name);
	}

	fclose(pfRead);
	pfRead = NULL;
}
int main()
{
	struct Student s[3] = {0};
	Testfread(s);
	return 0;
}

5. C的标准输入输出流

对任何一个C程序，一旦运行起来就会默认打开三个流：

1. 标准输入流：stdin，从键盘缓冲区读取数据；
2. 标准输出流：stdout，将数据输出到屏幕；
3. 标准错误流：stderr，将错误信息输出到屏幕。

而我们所常用的scanf和printf默认就是使用标准输入输出流，这也是为什么scanf数据会从键盘获取，printf会将数据输出到屏幕。

上面除了二进制文件流以外，其余的输入输出流函数都可以应用所有输入输出流，所以也可以使用stdin和stdout。
如：

int main()
{
	// 从键盘获取一个字符（fgetc会返回这个字符），并且输出到屏幕
	fputc(fgetc(stdin), stdout);
	return 0;
}

6. 指定读取/随机读取

6.1 对比顺序读取

有一个txt文件，文件内容是abcdefg，如果对这个文件一个个字符顺序读取：

int main()
{
	FILE* pfRead = fopen("test.txt", "rb");
	if (pfRead == NULL)
	{
		perror("reading test.txt");
		return;
	}
	int ch;
	ch = fgetc(pfRead); // a
	printf("%c\n", ch);

	ch = fgetc(pfRead); // b
	printf("%c\n", ch);

	ch = fgetc(pfRead); // c
	printf("%c\n", ch);

	ch = fgetc(pfRead); // d
	printf("%c\n", ch);
	// ...或循环读也一样

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

每读一次，文件指针都会指向下一个字符。

6.2 fseek 根据文件指针偏移量读取

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

• offset代表偏移多少个字节；
• origin代表从哪里开始偏移（文件开始、文件指针当前指向位置、文件末尾）。

偏移起始位置分别有三个常量对应：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END。

还是上面那个文件，内容是abcdefg，如果我只想读c和f，怎么读呢？

int main()
{
	FILE* pfRead = fopen("test.txt", "rb");
	if (pfRead == NULL)
	{
		perror("reading test.txt");
		return;
	}

	int ch;
	fseek(pfRead, 2, SEEK_SET);
	ch = fgetc(pfRead); // c
	printf("%c\n", ch);
	fseek(pfRead, 2, SEEK_CUR); // f
	ch = fgetc(pfRead);
	printf("%c\n", ch);

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

从文件开始偏移0个字节也就是字符a，偏移2位就是c；然后这时指针指向下一个字节，也就是字符d，然后从当前指针位置d的位置开始偏移2位，找到f。

6.2 ftell 返回相对起始位置的偏移量

long int ftell ( FILE * stream );

经过上面两次偏移之后：

printf("%d\n", ftell(pfRead)); // 6，也就是g的位置

6.3 rewind 文件指针回到文件起始位置

void rewind ( FILE * stream );

7. 判定文件读取结束

feof和ferror通常配合使用，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，也就是写在读文件之后，关闭文件之前。

// ... 读

// 判定具体原因
if (ferror(fp))
	puts("I/O error when reading");
else if (feof(fp))
	puts("End of file reached successfully");
	
fclose(fp);

1. 如何判定文本文件读取结束？

   • fgetc读取到文件末尾会返回EOF，判断返回值是否是EOF；
   • fgets读取到文件末尾会返回NULL，判断返回值是否是NULL。

2. 如何判定二进制文件读取结束？

   • fread返回成功/实际读取的个数，判断返回值是否小于要读取个数。

8. 文件缓冲区 & 为什么要有文件缓冲区？

ANSIC 标准采用“缓冲文件系统”处理的数据文件的，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”。

比如程序从文件读取数据，读取到的数据实际上是先放在缓冲区，最后缓冲区放满了，或者程序刷新了缓冲区（fflush或者fclose），程序才实际拿到数据。程序向文件写入数据也是一样的，要写入的数据也会先被放入缓冲区，后面才会从缓冲区逐个写入到文件。

缓冲区的大小根据C编译系统决定的，至于为什么要有文件缓冲区，那是因为有了文件缓冲区可以提高程序读写数据的效率。如果每次只读写一点点数据，比如几个字节的数据，操作系统都要帮程序进行读写操作，那太慢了，非常耗费性能！

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。