文件操作(打开关闭文件、文件顺序以及随机读写)

写在前面

文件允许将程序的数据持久地保存在磁盘上。当程序结束运行或计算机关闭后，数据仍然存在，可以在下一次运行程序时继续使用。因此学习文件操作使我们能够更好地掌握数据的存储、读取和管理。

1. 文件的打开与关闭

1.1 文件指针

文件指针是C语言中用于处理文件的一个关键概念。它是一个指向文件流的指针，允许我们在文件中进行读取和写入操作。文件指针通常用于标识和跟踪文件的当前位置，以便进行文件的读取和写入操作。

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。
  
  总的来说，通过文件指针变量能够找到与它关联的文件。

1.2 文件的打开(fopen)与关闭(fclose)

1.2.1 fopen函数

在C语言中，如果我们要打开一个文件，可以使用标准库函数fopen来打开文件。
函数原型：

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

• filename：要打开的文件的路径和名称。
• mode：打开文件的模式，以字符串形式传递，可以包括以下选项：

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	建立一个新的文件
“a”（追加）	向文本文件尾添加数据	建立一个新的文件
“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	建立一个新的文件
“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，建议一个新的文件	建立一个新的文件
“a+”（读写）	打开一个文件，在文件尾进行读写	建立一个新的文件
“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	建立一个新的文件
“ab+”（读写）	打开一个二进制文件，在文件尾进行读和写	建立一个新的文件

• 返回值：fopen函数打开文件成功，会返回一个指向FILE类型结构的指针，打开文件失败则返回NULL，因此在使用fopen打开文件的时候要对其返回值进行检查。

1.2.2 fclose函数

在C语言中，如果我们要关闭一个已经打开的文件，可以使用标准库函数fclose来关闭文件。
函数原型：

int fclose ( FILE * stream );

• stream：指向已打开文件的指针。
• 函数返回值：fclose函数返回一个整数值，返回0表示关闭文件成功，非0表示关闭文件出错。关闭文件后，文件指针将不再有效。

以下代码，展示使用fopen打开文件以及使用fclose关闭文件。

#include 

int main() 
{
    FILE* pf = fopen("data.txt", "w"); // 打开文件以写入模式
    if (pf == NULL) 
    {
        perror("fopen");
        return 1;
    }

    // 写入数据到文件
 	//.....

    // 关闭文件
   fclose(pf);
   pf = NULL;

    return 0;
}

2. 文件的顺序读写

以下是一些C语言标准库中常用的文件输入和输出函数，主要用于文件的顺序读写操作，按照文件中数据的顺序逐个读取或写入数据。

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

下面我们来一一介绍这些函数：

2.1. fgetc 和 fputc函数

fgetc 和 fputc 是C语言标准库提供的文件输入输出函数，它们从文件中读取或者向文件中写入一个字符。

2.1.1 fputc函数

该函数用于向指定文件流写入一个字符并移动光标到下一个位置。
函数原型：

int putc ( int character, FILE * stream );

• 参数 character ：是要写入的字符，通常是字符的ASCII码值。
• 返回值：如果成功写入字符，返回写入的字符，如果发生写入错误，则返回 EOF。

以下代码，展示了使用putc向文件中写入字符：

#include 

int main()
{
	FILE* pf = fopen("data.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//写文件
	fputc('a', pf);
	fputc('b', pf);
	fputc('c', pf);
	fputc('d', pf);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
}

运行结果：

2.1.2 fgetc函数

函数用于从指定文件流（通常是通过 fopen 打开的文件）中读取一个字符。返回光标当前指向的字符。然后，将光标移动到下一个位置。
函数原型：

int fgetc ( FILE * stream );

• 返回值：返回所读取的字符的ASCII码值，如果已经读取到文件末尾或者发生错误，则返回EOF。
  以下代码，展示了使用fgetc从文件中读取字符：

#include 

int main()
{
	FILE* pf = fopen("data.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//读文件
	int ch = fgetc(pf);
	printf("ch = %c\n");

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
}

运行结果：

2.2 fgets 和 fputs函数

2.2.1 fputs函数

该函数用于向指定文件流中写入一个字符串。
函数原型：

int fputs ( const char * str, FILE * stream );

• 参数 str ：是要写入的字符串。
• 参数 stream ：是文件指针，通常是通过 fopen 打开的文件。
• 返回值：如果成功写入字符串，返回非负数；如果发生错误，则返回 EOF。

以下代码，展示了使用puts向文件中写入一个字符串：

#include 

int main()
{
	FILE* pf = fopen("data.txt", "w");

	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//写文件
	fputs("hello ", pf);
	fputs("word", pf);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

运行结果：

2.2.2 fgets函数

该函数用于从指定文件流中读取一行文本，并将其存储到字符数组中。
函数原型：

char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream );

• 参数 str：是用于存储读取文本的字符数组。
• 参数 num：是要读取的最大字符数，函数最多读取num-1个字符。
• 参数 stream：是文件指针，通常是通过 fopen 打开的文件。
• 返回值：如果成功读取一行文本，返回 str；如果已经读取到文件末尾或发生错误，则返回 NULL。

以下代码，展示了使用fgets从文件中读取一行：

int main()
{
	FILE* pf = fopen("data.txt", "r");

	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//读文件
	char str[20] = { 0 };
	fgets(str, 11, pf);
	printf("%s\n", str);
	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

运行结果：

2.3 fscanf和fprintf函数

2.3.1 fprintf函数

该函数用于将格式化数据写入指定文件流，类似于 printf 函数用于将格式化数据写入标准输出流。
函数原型：

int fprintf ( FILE * stream, const char * format, ... );

对比printf：

int printf ( const char * format, ... );

与printf相比fprintf多了一个参数stream，该参数是文件指针。
以下代码，展示了向文件中写入格式化的数据：

#include 

struct A
{
	char a;
	int b;
	float c;
};

int main()
{
	struct A a;
	a.a = 'x';
	a.b = 10;
	a.c = 3.14f;

	FILE* pf = fopen("data.txt", "w");

	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//写文件
	fprintf(pf, "a = %c b = %d c = %f", a.a, a.b, a.c);
	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

运行结果：

2.3.2 fscanf函数

该函数用于从指定文件流中读取格式化数据，类似于 scanf 函数用于从标准输入中读取格式化数据。
函数原型：

int fscanf ( FILE * stream, const char * format, ... );

对比scanf：

int scanf ( const char * format, ... );

与scanf相比fscanf多了一个参数stream，该参数是文件指针。
以下代码，展示了从文件中读取格式化的数据：

#include 

struct A
{
	char a;
	int b;
	float c;
};

int main()
{
	struct A s;
	
	FILE* pf = fopen("data.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//读文件
	fscanf(pf, "a = %c b = %d c = %f", &a.a, &a.b, &a.c);
	//关闭文
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

运行结果：

2.4 fread和fwrite函数

fread 和 fwrite 是用来读写文件中的二进制数据。

2.4.1 fwrite函数

该函数用于ptr指向的内存块中的二进制数据写入指定文件流 stream。
函数原型：

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

• 参数 ptr：指向要写入的元素数组的指针。
• 参数 size：要写入的每个元素的大小（以字节为单位）。
• 参数 count：是要写入的元素的个数。
• 参数 stream：是文件指针，通常是通过 fopen 打开的文件。
• 返回值：返回实际成功写入的元素的个数。

以下代码，展示了向文件中写二进制的数据：

#include 

struct A
{
	char a;
	int b;
	float c;
};

int main()
{
	struct A a = {'q', 10, 3.14f};
	FILE* pf = fopen("data.txt", "wb");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//写文件
	fwrite(&a, sizeof(a), 1, pf);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	return 0;
}

运行结果：

2.4.2 fread函数

从指定文件流 stream中读取二进制数据并将其存储到ptr指向的内存块中。
函数原型：

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

• 参数ptr：指向大小至少为 （size*count） 字节的内存块的指针。
• 参数 size：要读取的每个元素的大小
• 参数 count：是要读取的元素个数。
• 参数 stream：是文件指针，通常是通过 fopen 打开的文件。
• 返回值：返回实际成功读取的元素个数，可能小于 count。

以下代码，展示了从文件中读取二进制的数据：

#include 

struct A
{
	char a;
	int b;
	float c;
};

int main()
{
	struct A a;
	FILE* pf = fopen("data.txt", "rb");

	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//读文件
	fread(&a, sizeof(a), 1, pf);
	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
}

运行结果：

3. 文件的随机读写

文件的随机读取是指能够以非连续的方式访问文件中的数据，而不必从文件的开始逐个读取每个数据。

3.1 fseek函数

根据文件指针的位置和偏移量来定位文件指针。
函数原型：

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

• stream：文件指针，通常是通过 fopen 打开的文件。
• offset：相对于 origin 的偏移量，以字节为单位。
• origin：用作偏移参考的位置，可以是 SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前位置）、或 SEEK_END（文件末尾）。
  例子：

FILE* pf = fopen("data.txt", "r");
if (pf) 
{
    fseek(pf, 5, SEEK_SET); // 将文件位置指针设置到文件开头后 5 字节的位置
    // 现在可以从这个位置读取数据
    
    fclose(pf);
    pf = NULL;
}

3.2 ftell函数

返回文件指针相对于起始位置的偏移量。
函数原型：

long int ftell ( FILE * stream );

• 返回值是当前位置相对于文件开头的偏移量。

例子：

#include 
int main()
{
	FILE* pf = fopen("data.txt", "r");
	if (pf)
	{
		fseek(pf, 5, SEEK_SET);
		long pos = ftell(pf); // 获取当前位置的偏移量
		printf("当前位置: %ld 字节\n", pos);
		fclose(pf);
		pf = NULL;
	}
	return 0;
}

3.3 rewind函数

让文件指针的位置回到文件的起始位置。
函数原型：

void rewind ( FILE * stream );

例子：

#include 

int main()
{
	FILE* pf = fopen("data.txt", "r");
	if (pf) 
	{
	    fseek(pf, 5, SEEK_SET);
	    rewind(pf); // 重新设置文件位置指针到文件开头
	    // 现在可以从文件开头读取数据
	    fclose(pf);
	    pf = NULL;
	}
	return 0;
}

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