C 语言文件操作详解

引言

在 C 语言中，文件操作是一个非常重要的主题。无论是保存用户数据、配置程序、还是读写日志文件，掌握文件操作都能使你的程序更加灵活和实用。本文将带你深入了解 C 语言中的文件操作，帮助你从基础到进阶，逐步掌握文件操作的技巧。

一、基本概念

1.什么是文件

文件是操作系统中存储数据的基本单位。文件可以是文本文档、二进制数据、图片、音频等各种形式。但是在程序设计中，我们⼀般谈的⽂件有两种：程序⽂件、数据⽂件（从⽂件功能的⻆度来分类的）。

程序⽂件：程序文件是包含程序代码的文件,例如 .c 文件（源代码文件）,.obj文件（目标文件）和 .exe 文件（可执行文件）。它们用于编译和运行程序。

数据⽂件：数据文件用于存储程序运行时生成或处理的数据。例如，文本文件、二进制文件、日志文件等。它们可以用来存储用户输入、计算结果、程序状态等信息。

本章讨论的是数据⽂件，C 语言通过文件指针与文件进行交互，进行读写操作。

2.文件的属性

文件的主要属性包括：

文件名：文件的名称。

文件路径：文件在文件系统中的位置。

文件大小：文件的字节数。

⽂件名：⼀个⽂件要有⼀个唯⼀的⽂件标识，以便⽤⼾识别和引⽤。

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

为了⽅便起⻅，⽂件标识常被称为⽂件名。

3.为什么使用文件

文件是持久化数据的主要手段之一。使用文件可以将数据存储到硬盘上，以便程序关闭后仍能保存数据。文件操作提供了以下几个主要用途：

• 数据持久化：将运行时的数据保存到文件中，程序重新启动时可以恢复这些数据。
• 配置管理：程序配置和用户设置通常保存在文件中，便于修改和持久保存。
• 日志记录：将程序运行中的日志信息记录到文件中，方便后续分析和调试。

4.二进制文件和文本文件

根据数据的组织形式，数据⽂件被称为⽂本⽂件或者⼆进制⽂件。

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。

• 文本文件：存储的是可读的字符数据，通常以 ASCII 或 UTF-8 编码。文本文件在不同平台（如 Windows 和 Unix）可能有不同的换行符表示方式（\r\n vs \n）。
  示例：example.txt文件中包含字符数据。
  
• 二进制文件：存储的是原始的二进制数据，不进行编码转换。适用于存储图像、音频、视频和其他非文本数据。
  示例：exemple.bin文件中包含整数、浮点数等原始数据。
  

⼀个数据在⽂件中是怎么存储的呢？

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。

如有整数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。

二、文件的打开和关闭

文件操作开始于打开文件，结束于关闭文件。C 语言提供了一系列函数来管理文件的打开和关闭。

1.流和标准流

流

流是数据输入和输出的抽象概念。通过流，程序可以读取数据或将数据写入文件。C 语言的标准库提供了对流的支持，主要通过 FILE 类型和相关函数实现。

FILE *：表示文件流的指针。

标准流

标准流是预定义的文件流，通常用于处理程序的输入和输出。

stdin：标准输入流，通常连接到键盘。
stdout：标准输出流，通常连接到屏幕。
stderr：标准错误流，通常连接到屏幕，用于输出错误信息。

2.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.

struct _iobuf {
    char *_ptr;     // 指向当前读取/写入位置的指针
    int _cnt;       // 缓冲区中的字节数
    char *_base;    // 指向缓冲区起始位置的指针
    int _flag;      // 文件状态标志
    int _file;      // 文件描述符
    int _charbuf;   // 用于存储单个字符的缓冲区
    int _bufsiz;    // 缓冲区大小
    char *_tmpfname; // 临时文件名（如果有）
    // 可能还会有其他字段
};
typedef struct _iobuf FILE;

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。 下⾯我们可以创建⼀个FILE*的指针变量:

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。 ⽐如：

3.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。

打开文件： 使用 fopen() 函数。

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

filename：文件名。mode：文件打开模式（如 "r", "w", "a"）。 关闭文件： 使用 fclose() 函数。

int fclose(FILE *stream);

关闭文件后，文件指针会失效，文件所占用的资源会被释放。

mode表⽰⽂件的打开模式，下⾯都是⽂件的打开模式：

文件的打开模式

显示详细信息

示例代码：

#include <stdio.h>
int main() {
    //打开文件
    FILE *file = fopen("example.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
    //文件操作
    fprintf(file, "Writing to a file.\n");
    //关闭文件
    fclose(file);
    return 0;
}

三、⽂件的顺序读写

1.顺序读写函数

顺序读写函数

2.详细介绍

1.fgetc

功能：从文件中读取一个字符。

用法：

int fgetc(FILE *stream);

返回值：成功读取一个字符，返回字符的 ASCII 码；遇到文件结尾或错误，返回 EOF。

示例：

FILE *file = fopen("example.txt", "r");
if (file != NULL) {
    int c;
    while ((c = fgetc(file)) != EOF) {
        putchar(c);  // 输出读取的字符
    }
    fclose(file);
}

2.fputc

功能：将一个字符写入到文件。

用法：

int fputc(int c, FILE *stream);

返回值：成功写入字符，返回字符；若出现错误，返回 EOF。

示例：

FILE *file = fopen("example.txt", "w");
if (file != NULL) {
    fputc('A', file);  // 写入字符 'A'
    fclose(file);
}

3.fgets

功能：从文件中读取一行文本。

用法：

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

参数：

str：存储读取数据的缓冲区。

n：要读取的最大字符数（包括终止符 \0）。

stream：文件流。

返回值：成功读取一行，返回 str；遇到文件结束或错误，返回 NULL。

示例：

FILE *file = fopen("example.txt", "r");
if (file != NULL) {
    char buffer[100];
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
        printf("%s", buffer);  // 输出读取的行
    }
    fclose(file);
}

4.fputs

功能：将一个字符串写入到文件。

用法：

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

返回值：成功写入字符串，返回非负值；若出现错误，返回 EOF。

示例：

FILE *file = fopen("example.txt", "w");
if (file != NULL) {
    fputs("Hello, World!\n", file);  // 写入字符串
    fclose(file);
}

5.fscanf

功能：从文件中读取格式化输入。

用法：

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

参数：

stream：文件流。

format：格式字符串，指定输入格式。

...：用于存储读取数据的变量。

返回值：成功读取的项目数量；若出现错误或到达文件末尾，返回 EOF。

示例：

FILE *file = fopen("example.txt", "r");
if (file != NULL) {
    int num;
    fscanf(file, "%d", &num);  // 读取整数
    printf("Number: %d\n", num);
    fclose(file);
}

6.fprintf

功能：将格式化数据写入到文件。

用法：

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

参数：

stream：文件流。

format：格式字符串，指定输出格式。

...：要写入的数据。

返回值：成功写入的字符数；若出现错误，返回负值。

示例：

FILE *file = fopen("example.txt", "w");
if (file != NULL) {
    fprintf(file, "Name: %s, Age: %d\n", "Alice", 30);  // 写入格式化数据
    fclose(file);
}

7.fread

功能：从文件中读取数据块。

用法：

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

参数：

ptr：数据存储缓冲区。

size：每个元素的大小（字节）。

count：要读取的元素数量。

stream：文件流。

返回值：成功读取的元素数量。

示例：

FILE *file = fopen("example.bin", "rb");
if (file != NULL) {
    int buffer[10];
    size_t n = fread(buffer, sizeof(int), 10, file);  // 读取数据块
    printf("Read %zu integers.\n", n);
    fclose(file);
}

8.fwrite

功能：将数据块写入到文件。

用法：

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

参数：

ptr：要写入的数据。

size：每个元素的大小（字节）。

count：要写入的元素数量。

stream：文件流。

返回值：成功写入的元素数量。

示例：

FILE *file = fopen("example.bin", "wb");
if (file != NULL) {
    int buffer[10] = {1, 2, 3, 4, 5};
    size_t n = fwrite(buffer, sizeof(int), 5, file);  // 写入数据块
    printf("Wrote %zu integers.\n", n);
    fclose(file);
}

3.对比一组函数

输入函数

scanf：从标准输入（如键盘）读取格式化数据。

示例：

int num;
scanf("%d", &num);

fscanf：从指定的文件流中读取格式化数据。

示例：

FILE *file = fopen("data.txt", "r");
int num;
fscanf(file, "%d", &num);
fclose(file);

sscanf：从字符串中读取格式化数据。

示例：

const char *str = "42";
int num;
sscanf(str, "%d", &num);

输出函数

printf：将格式化数据输出到标准输出（如屏幕）。

示例：

printf("Hello, %s!\n", "World");

fprintf：将格式化数据输出到指定的文件流。

示例：

FILE *file = fopen("output.txt", "w");
fprintf(file, "Hello, %s!\n", "World");
fclose(file);

sprintf：将格式化数据写入到字符串中。

示例：

char buffer[100];
sprintf(buffer, "Hello, %s!", "World");

四、文件的随机读写

随机读写允许在文件中任意位置进行读写操作。使用fseek()、ftell() 和 rewind() 函数来实现。

1.相关函数

1.fseek

功能：设置文件指针的位置。可以通过这个函数将文件指针移动到文件的任意位置，从而进行随机访问读写操作。

用法：

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

参数：

stream：文件流指针，指定要操作的文件。

offset：相对位置的偏移量，以字节为单位。

whence：起始位置，用于确定偏移量的参考点。可以是以下值之一：

SEEK_SET：文件开头。
SEEK_CUR：当前位置。
SEEK_END：文件末尾。

返回值：成功时返回 0；失败时返回非零值。

示例：

#include <stdio.h>
 
int main() {
    FILE *file = fopen("example.bin", "wb+");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
 
    // 写入数据
    int data = 12345;
    fseek(file, 0, SEEK_SET);  // 移动到文件开头
    fwrite(&data, sizeof(int), 1, file);
 
    // 随机读取数据
    fseek(file, 0, SEEK_SET);  // 移动到文件开头
    fread(&data, sizeof(int), 1, file);
    printf("Read from file: %d\n", data);
 
    fclose(file);
    return 0;
}

2.ftell

功能：获取当前文件指针的位置。此函数返回文件指针相对于文件开头的字节位置。

用法：

long ftell(FILE *stream);

参数：

stream：文件流指针，指定要查询位置的文件。

返回值：当前文件指针的位置（以字节为单位）；失败时返回 -1L。

示例：

#include <stdio.h>
 
int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
    fseek(file, 0, SEEK_END);  // 移动到文件末尾
    long filesize = ftell(file);  // 获取文件大小
    printf("File size: %ld bytes\n", filesize);
    fclose(file);
    return 0;
}

3.rewind

功能：将文件指针重置到文件开头。rewind 函数是 fseek 函数的简化版本，专门用于将文件指针设置到文件的起始位置。

用法：

void rewind(FILE *stream);

参数：

stream：文件流指针，指定要重置位置的文件。

示例：

#include <stdio.h>
 
int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
    fseek(file, 10, SEEK_SET);  // 移动到文件的第 10 字节
    rewind(file);  // 将文件指针重置到文件开头
    char buffer[100];
    fgets(buffer, sizeof(buffer), file);  // 读取文件开头的数据
    printf("Data at the beginning: %s", buffer);
    fclose(file);
    return 0;
}

2.总结

fseek：用于在文件中设置文件指针的位置。可以通过 offset 和 whence 参数指定新的位置。

ftell：用于获取当前文件指针的位置，以字节为单位。它可以帮助你确定文件指针在文件中的具体位置。

rewind：用于将文件指针重置到文件开头。它是 fseek 的简化版本，专门用于返回文件开头的操作。

五、文件的错误处理

在 C 语言的文件操作中，错误处理是确保程序稳定性和正确性的关键部分。下面详细介绍了常用的错误处理函数。

1.相关函数

1.perror

功能：perror 用于输出错误信息。它将描述 errno 变量中存储的错误代码对应的错误信息，并附加一个自定义的错误消息前缀。

用法：

void perror(const char *str);

参数：str：自定义的错误消息前缀，通常是描述错误来源的字符串。它会与 errno 中的错误信息一起输出。

输出：输出的错误信息包括自定义前缀和 errno 对应的系统错误描述。通常输出到标准错误流（stderr）。

示例：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
 
int main() {
    FILE *file = fopen("nonexistentfile.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        // Outputs something like: Error opening file: No such file or directory
    }
    return 0;
}

解释：

在尝试打开一个不存在的文件时，fopen 返回 NULL，perror 会输出类似于 “Error opening file: No such file or directory” 的错误信息，其中“Error opening file”是自定义的前缀。

2.feof

功能：feof 用于检查文件流是否到达文件末尾。它在尝试读取文件时非常有用，以确定是否已经读取到文件的末尾。

用法：

int feof(FILE *stream);

参数：

stream：要检查的文件流指针。

返回值：

如果文件流到达文件末尾，返回非零值（通常是 1）。

如果文件流尚未到达文件末尾，返回 0。

示例：

#include <stdio.h>
 
int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
 
    char buffer[100];
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file)) {
        // 读取文件内容
    }
 
    if (feof(file)) {
        printf("End of file reached.\n");
    } else {
        printf("File read error or other issue.\n");
    }
 
    fclose(file);
    return 0;
}

解释：

在 fgets 读取文件的过程中，循环直到 fgets 返回 NULL。之后使用 feof 检查是否因为到达文件末尾而结束循环。

3. ferror

功能：ferror 用于检查文件流是否发生了读取或写入错误。它帮助检测文件操作过程中是否出现了错误，并提供了对错误的响应处理。

用法：

int ferror(FILE *stream);

参数：

stream：要检查的文件流指针。

返回值：

如果发生了错误，返回非零值（通常是 1）。

如果没有发生错误，返回 0。

示例：

#include <stdio.h>
 
int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
 
    char buffer[100];
    if (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) == NULL) {
        if (ferror(file)) {
            perror("Error reading file");
            fclose(file);
            return 1;
        }
    }
 
    fclose(file);
    return 0;
}

解释：

在尝试读取文件时，如果 fgets 返回 NULL，使用 ferror 检查是否发生了错误。如果 ferror 返回非零值，则调用 perror 输出错误信息。

2.总结

perror：输出 errno 变量中存储的错误信息，并附加自定义的前缀，帮助诊断错误原因。

feof：检查文件流是否到达文件末尾，用于判断读取操作是否结束。

ferror：检查文件流是否发生了读取或写入错误，用于确定文件操作是否正常。

这些函数可以帮助你更有效地处理文件操作中的各种错误情况，确保程序在面对意外情况时能够做出适当的反应。

六、文件缓冲区

ANSIC 标准采⽤“缓冲⽂件系统” 处理的数据⽂件的，所谓缓冲⽂件系统是指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”。从内存向磁盘输出数据会先送到内存中的缓冲区，装满缓冲区后才⼀起送到磁盘上。如果从磁盘向计算机读⼊数据，则从磁盘⽂件中读取数据输⼊到内存缓冲区（充满缓冲区），然后再从缓冲区逐个地将数据送到程序数据区（程序变量等）。缓冲区的⼤⼩根据C编译系统决定的。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
 FILE*pf = fopen("test.txt", "w");
 fputs("abcdef", pf);//先将代码放在输出缓冲区
 printf("睡眠10秒-已经写数据了，打开test.txt⽂件，发现⽂件没有内容\n");
 Sleep(10000);
 printf("刷新缓冲区\n");
 fflush(pf);//刷新缓冲区时，才将输出缓冲区的数据写到⽂件（磁盘）
 //注：fflush 在⾼版本的VS上不能使⽤了
 printf("再睡眠10秒-此时，再次打开test.txt⽂件，⽂件有内容了\n");
 Sleep(10000);
 fclose(pf);
 //注：fclose在关闭⽂件的时候，也会刷新缓冲区
 pf = NULL;
 return 0;
} 

由此得出结论：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。

总结

在 C 语言中进行文件操作涉及打开、读写、定位和关闭文件等多个方面。通过掌握文件的基本概念、顺序和随机读写、错误处理、缓冲区等内容，你可以更加高效地进行文件操作。这不仅能帮助你保存和管理数据，还能在程序中实现更多功能。希望这些详细的讲解对你有所帮助。如果你有更多问题或需要进一步讨论，欢迎随时交流！