【C语言基础】:文件操作详解(前篇:准备知识)

简介: 【C语言基础】:文件操作详解(前篇:准备知识)

一、什么是文件以及文件的分类

文件是指存储在计算机或其他电子设备上的数据集合,通常用来存储文本、图像、音频、视频或其他类型的信息。


在程序设计中,从文件的功能上可以将文件分为:程序文件和数据文件


1.1 程序文件

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)。


1.2 数据文件

文件内容为程序运行时读写的数据,比如程序运行需要从中读取数据或则输出内容的文件。


1.3 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:

D:\C语言程序1-VS\C语言基础\C语言基础\文件操作.c

文件识标常被称为文件名。


二、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和二进制文件。

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的文件中,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。


2.1 数据在文件中的存储

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。


【示例】:

假设一个整数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(VS2019测试)。

59b7927fb3ca0d133940b67fb48841c1_5aea0d86c1874cb08cfaa6ab9fb2f1e3.png

#include<stdio.h>

int main()
{
  int a = 10000;
  FILE* pf = fopen("test.txt", "wb");
  fwrite(&a, 4, 1, pf);
  fclose(pf);
  pf = NULL;
  return 0;
}

这里VS是以十六进制显示的。


三、文件的打开和关闭

3.1 流和标准流

3.1.1 流

流(Stream)是计算机中用来处理输入输出的抽象概念。流可以被视为数据在程序之间传输的方式,通常是连续的数据序列。流可以是输入流(Input Stream)用于从外部获取数据,也可以是输出流(Output Stream)用于向外部发送数据。


流的特点包括:


  • 连续性: 流是一系列连续的数据,通常以字节的形式组成。
  • 单向性: 流通常是单向的,即输入流只能用于读取数据,输出流只能用于写入数据。
  • 抽象性: 流提供了一个抽象的接口,隐藏了底层数据源(如文件、网络连接等)的细节,使得程序可以以相同的方式处理不同类型的数据源。
  • 实时性: 流可以实时处理数据,适用于处理大量数据或需要即时处理的场景。


C程序针对文件、画面、键盘等的数据输入输出操作都是通过流操作的。

一般情况下,我们要想向流里写数据,或者从流中读取数据,都是要打开流,然后操作。


流的操作通常包括读取和写入数据。具体来说,流的操作可以分为以下几类:


  • 打开流: 在使用流之前,需要先打开流,以便程序可以访问数据源。对于文件流,打开操作通常涉及指定文件路径和打开模式(读取、写入、追加等)。
  • 关闭流: 在流使用完毕后,应该及时关闭流,以释放资源并确保数据的完整性。关闭流操作可以保证数据的正确写入,并释放系统资源。
  • 读取数据: 对于输入流,常见的操作是从流中读取数据。这包括读取单个字节、一行数据或一定数量的字节等。
  • 写入数据: 对于输出流,常见的操作是向流中写入数据。这包括写入单个字节、一行数据或一定数量的字节等。
  • 定位操作: 对于某些流,可以进行定位操作,即将读写位置移动到指定位置。这样可以实现在流中随机访问数据的功能。
  • 刷新操作: 对于输出流,有时需要手动刷新流,以确保数据被及时写入到目标位置,而不是停留在缓冲区中。
  • 异常处理: 在进行流操作时,应该考虑可能发生的异常情况,如文件不存在、权限不足等,需要进行适当的异常处理,以确保程序的稳定性和健壮性。


3.1.2 标准流

在C程序中输入输出数据时,我们会发现我们并没有打开流的操作。这是因为C语言程序在启动的时候,默认打开了三个流:


  • stdin --> 标准输入流,在大多数的环境中从键盘输入,scanf函数就是从标准输入流中读取数据。
  • stdout --> 标准输出流,大多数的环境中输出至显示器界面,printf函数就是将信息输出到标准输出流中。
  • stderr --> 标准错误流,大多数环境中输出到显示器界面。

这是默认打开了这三个流,我们使用scanf、printf等函数就可以直接进行输入输出操作的。

stdin、stdout、stderr 三个流的类型是: FILE* ,通常称为文件指针。

C语言中,就是通过 FILE* 的文件指针来维护流的各种操作的。


3.3 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。

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;

VS2022编译环境:

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。

FILE* 类型指针变量的创建:

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间接找到与它关联的文件。

【示例】:

3.5 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。

规定使用 fopen 函数来打开文件, fclose 来关闭文件。


fopen函数原型:

FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );
  • filename:要打开的文件名。
  • mode:文件的打开模式。

fclose函数原型:

int fclose ( FILE * stream );
  • stream:指向 FILE 对象的指针,该 FILE 对象由之前成功的 fopen 调用返回。
  • 如果成功关闭文件,fclose 返回 0。
  • 如果关闭过程中出现错误,它会返回,并且错误码会被设置在全局变量 errno 中。

mode表示文件打开模式:


  • “r”(只读):为了输入数据,打开一个已经存在的文本文件,如果指定文件不存在,则出错
  • “w”(只写):为了输出数据,打开一个文本文件,如果指定文件不存在,则建立一个新的文件
  • “a”(追加):向文本文件尾添加数据,如果指定文件不存在,则建立一个新的文件
  • “rb”(只读):为了输入数据,打开一个二进制文件,如果指定文件不存在,则出错
  • “wb”(只写):为了输出数据,打开一个二进制文件,如果指定文件不存在,则建立一个新的文件
  • “ab”(追加):向一个二进制文件尾添加数据,如果指定文件不存在,则建立一个新的文件
  • “r+”(读写):为了读和写,打开一个文本文件,如果指定文件不存在,则出错
  • “w+”(读写):为了读和写,建立一个新的文件
  • “a+”(读写):打开一个文件,在文件尾进行续写。
  • “rb+”(读写):为了读和写打开一个二进制文件

【示例】:

#include<stdio.h>
int main()
{
  FILE* pf;  // 创建文件指针变量
  pf = fopen("test.txt", "w");  // 打开文件
  if (pf == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }
  // 文件操作
  fputs("hello world", pf);
  // 关闭文件
  fclose(pf);
  pf = NULL;
  return 0;
}

和free函数一样,fclose关闭文件后不会把pf置为空指针,为了避免之后误访问pf,我们要主动把pf置为空指针。

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