C语言文件操作

前言

文件使我们每天都会用到的，那么为什么要使用文件，以及文件的分类、C语言中文件操作函数都是什么呢？我们一起来看看吧！

1.为什么使用文件

我们写的程序是存储在电脑的内存中，如果程序退出，内存回收，数据就丢失了；再次运行程序看不到上次程序数据，我们可以使用文件将数据进行持久化保存。

2.什么是文件

磁盘（硬盘）上存储的是文件，在程序设计中，根据文件功能可将其分类为程序文件、数据文件。

2.1 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）。

2.2 数据文件

文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。
处理的数据输入输出可以以终端为对象，即从终端的键盘输入数据，运行结果显示到显示器上。
如果把信息输出到磁盘上，有需要时从磁盘上把数据读取到内存中使用，此时处理的是磁盘上文件。

2.3 文件名

一个文件要有一个唯一的文件标识，以便用户识别和使用。
文件名包含三部分：文件路径+文件主干名+文件后缀
例如："C:\code\test.txt"
文件标识常被称为文件名。

3.二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二进制文件。
数据在内存中的存储：
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。
举个例子，如下图，整数10000，以ASCII码的形式输出到磁盘，磁盘中占用5个字节（每个字符一个字节）；以二进制型式输出，在磁盘上占四个字节。（0，1的ASCII码值分别是48，49）。

测试代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10000;FILE* pf = fopen("test.text", "wb");if (!pf){perror("fopen");return 1;}fwrite(&a, 4, 1, pf);fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

我们用VS的二进制编辑器打开test.txt，如下图所示，

VS是小端字节序，10000的二进制序列以16进制显示，与实际情况一致。

4.文件的打开和关闭

4.1 流和标准流

4.1.1 流

程序的数据需要输出到各种外部设备，也需要从外部设备获取数据，不同外部设备的输入输出操作各不相同，为了方便程序员对各种设备进行方便的操作，我们抽象出了流的概念，我们可以把流想象成流淌着字符的河。
C语言针对文件、画面、键盘等的输入输出操作都是通过流操作的。
一般情况下，我们想要向流里写数据，或者从流中读取数据，都是要打开流，然后操作。

4.1.2 标准流

C语言程序在启动的时候，默认打开三个流：

• 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，在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。

我们从键盘输入数据、向屏幕上输出数据，直接进行输入输出操作即可，无需手动打开流。
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。

4.2 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（如文件名、文件状态、文件当前位置等）。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头文件中有以下文件类型声明：

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FILE类型包含的内容不完全相同，但大同小异。
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，并填充其中的细节，使用者不必关心细节。
下面创建一个FILE*的指针变量：

FILE* pf;

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（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，即通过文件指针变量能够间接找到与它关联的文件。
比如：

4.3 文件的打开和关闭

文件在读写之前要先打开，使用结束后进行关闭。
在编写程序的时候，再打开文件的同时，都会返回一个FILE*指针变量指向该文件，也相当于建立了指针和文件的关系。
ANSIC规定使用fopen函数来打开文件，fclose函数来关闭文件。

函数原型如下所示

//打开文件
FILE* fopen("const char* filename. const char* mode);
//关闭文件
int fclose(FILE* stream);

mode表示文件的打开模式，以下为其可能情况

实例代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* pf = fopen("C:\\code\\test.txt", "r");//绝对路径FILE* pf = fopen(".\\..\\test.txt", "r");//相对路径//. 表示当前路径//..表示上一级路径return 0;
}

5.文件的顺序读写

5.1 顺序读写函数介绍

上面说的适用于所有输入流一般指适用于标准输入流和其他输入流（如文件输入流）；所有输出流一般指适用于标准输出流和其他输出流（如文件输出流）。

5.1.1 fgetc

函数说明

1. 返回指定流的内部文件位置指示符当前指向的字符。然后，内部文件位置指示器将前进到下一个字符。
2. 如果调用时流位于文件末尾，则函数返回EOF并为流设置文件末尾指示符（feof）。
3. 如果发生读取错误，该函数将返回EOF并为流设置错误指示符（ferror）。fgetc和getc是等效的，除了getc在某些库中可以实现为宏。

测试代码如下所示

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf){perror("fopen");return 1;}//读文件int ch = fgetc(pf);printf("%c\n", ch);ch = fgetc(pf);printf("%c\n", ch);ch = fgetc(pf);printf("%c\n", ch);ch = fgetc(pf);printf("%c\n", ch);ch = fgetc(pf);printf("%c\n", ch);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

VS2022 X64环境运行结果如下所示

a
b
c
d
e

5.1.2 fputc

函数说明

1. 将字符写入流并推进位置指示器。字符被写在流的内部位置指示器指示的位置，然后自动前进一个。 写入成功，返回写入的值；否则返回EOF.
2. 读取成功后，返回读取的字符（提升为int值）。返回类型为int，以容纳表示失败的特殊值EOF：
   如果位置指示符位于文件末尾，则函数返回EOF并设置流的EOF指示符（feof）。如果发生其他读取错误，该函数也会返回EOF，但会设置其错误指示器（ferror）。

测试代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.text", "w");if (!pf){perror("fopen");return 1;}//写文件for(int i='a';i<='z';i++)fputc(i,pf);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

也可以从标准输入流读取，从标准输出流输出

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf){perror("fopen");return 1;}int ch = fgetc(stdin);//从键盘（标准输入流）上读取fputc(ch, stdout);//将字符输出（写）到屏幕（标准输出流）//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

5.1.3 fgets

函数说明

1. 从流中读取字符，并将其作为C字符串存储到str中，直到读取了（num-1）个字符，或者到达换行符或文件末尾，以先发生者为准。换行符会使fgets停止读取，但函数会将其视为有效字符，并将其包含在复制到str的字符串中。在复制到sr的字符后会自动附加一个终止空字符。
2. 请注意，fgets与gets有很大不同：fgets不仅接受流参数，还允许指定str的最大大小，并在字符串中包含任何结束的换行符。

测试代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf){perror("fopen");return 1;}char arr[20] = "xxxxxxxxxxxxxx";fgets(arr, 10, pf);printf(arr);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

5.1.4 fputs

函数说明

1. 将str指向的C字符串写入流。函数从指定的地址（str）开始复制，直到到达终止的空字符（“\0”）。此终止空字符不会复制到流中。请注意，fputs与put的不同之处不仅在于可以指定目标流，而且fputs不会写入额外的字符，而put会自动在末尾添加换行符。
2. 成功后，返回一个非负值。出现错误时，该函数返回EOF并设置错误指示器（ferror）。

注意：fputs是一行一行输出的！
测试代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "w");if (!pf){perror("fopen");return 1;}fputs("I am a student\n", pf);fputs("are you ok??\n", pf);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

VS2022 X64测试结果如下

也可以从标准流进行输入和输出

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf){perror("fopen");return 1;}char arr[20] = { 0 };fgets(arr, 20, stdin);fputs(arr, stdout);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

VS2022 X64测试结果如下

数组大小是20，末尾放’\0’，因此有效字符是19个。

5.1.5 fwrite

函数说明

函数说明：

从ptr指向的内存块向流中的当前位置写入count个大小为size字节的元素。流的位置指示器按写入的总字节数前进。

在内部，该函数将ptr指向的块解释为一个无符号char类型的（大小*计数）元素数组，并将它们顺序写入流，就像每个字节都调用了fputc一样。

测试代码如下：

struct S
{char name[20];int age;float score;
};
#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "wb");if (!pf){perror("fopen");return 1;}struct S s = { "cuihua",25,88.8f};fwrite(&s, sizeof(struct S), 1, pf);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

5.1.6 fread

函数说明：

从流中读取一个count个元素的数组，每个元素的大小为size字节，并将其存储在ptr指定的内存块中。流的位置指示器按读取的总字节数前进。如果成功，读取的字节总数为（大小*计数）。

测试代码如下：

struct S
{char name[20];int age;float score;
};
#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "rb");if (!pf){perror("fopen");return 1;}struct S s = { 0};fread(&s, sizeof(struct S), 1, pf);printf("%s %d %f", s.name, s.age, s.score);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

VS2022 X64测试结果如下所示

5.2 对比一组函数

scanf/fscanf/sscanf
printf/fprintf/sprintf

我们先从熟悉的内容入手，printf的作用是在屏幕上打印格式化信息，下面第二张图是官网https://legacy.cplusplus.com/对printf, fprintf, sprintf的描述。

• 先看红色框和绿色框，可以看出，printf是输出到标准输出流，也就是控制台；
  fprintf是输出到给定的文件流，而sprintf是输出到指针指向的字符串，如下图所示。其实函数的名字也给了我们答案，f是file，s是string.
  
• 接着看橙色框，表示该函数可缺省参数。如下代码所示，printf函数的参数可以是2、3、4…个。

#include <stdio.h>
int main()
{printf("%d\n", 1);printf("%d &c\n", 1, 'A');printf("%d &c &s\n", 1, 'A', "abc");return 0;
}

无独有偶，scanf/fscanf/sscanf与上面三个函数之间的区别一致，三个函数的作用一直，都是从流中获取信息，区别是，scanf是标准输入流，fscanf是文件输入流，sscanf是输出到字符串。

fprintf函数代码示例如下：

#include <stdio.h>
struct S
{char name[20];int age;float score;
};
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "w");if (!pf){perror("fopen");return 1;}struct S s = { "lisi",18,88.0f };fprintf(pf, "%s %d %.1f", s.name, s.age, s.score);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

VS2022 X64测试结果如下所示（文件中的内容）

fscanf函数代码测试如下：

#include <stdio.h>
struct S
{char name[20];int age;float score;
};
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf){perror("fopen");return 1;}struct S s = { 0 };fscanf(pf, "%s %d %.1f", s.name, &(s.age), &(s.score));fprintf(stdout, "%s %d %.1f\n", s.name, s.age, s.score);//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

VS2022 X64测试结果如下所示

sprintf和sscanf函数代码如下

struct S
{char name[20];int age;float score;
};
#include <stdio.h>
int main()
{char arr[20] = { 0 };struct S s = { "wangwu",23,66.6f };//临时变量tmpstruct S tmp = { 0 };//将s中的各个数据转换成字符串，存放在arr中sprintf(arr, "%s %d %f", s.name, s.age, s.score);//从字符串arr中提取格式化的数据，存放在tmp中sscanf(arr, "%s %d %f", tmp.name, &(tmp.age), &(tmp.score));printf("%s %d %.1f", tmp.name, tmp.age, tmp.score);return 0;
}

VS2022 X64测试结果如下所示

6.文件的随机读写

6.1 fseek

根据文件指针的位置和其偏移量来定位文件指针（文件内容的光标）。
int fseek ( FILE * stream, long int offset, int origin );

fseek有三个参数，第一个是文件流，第二个是偏移量，第三个是文件光标的位置，其有三种情况，文件开始位置，光标当前位置，文件结束位置。

测试代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf){perror("fopen");return 1;}fseek(pf, 2, SEEK_SET);//fseek(pf, 2, SEEK_CUR);//如果文件光标在文件起始位置，该语句与另外两条语句结果一致//fseek(pf, -4, SEEK_END);//以上三行语句结果一致printf("%c\n", fgetc(pf));//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

6.2 ftell

返回文件指针相对于起始位置的偏移量
long int ftell ( FILE * stream );
测试代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf){perror("fopen");return 1;}printf("%d\n", ftell(pf));//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

VS2022 X64测试结果如下所示

0

6.3 rewind

让文件指针的位置回到文件的起始位置
void rewind ( FILE * stream );

测试代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf){perror("fopen");return 1;}fseek(pf, 2, SEEK_SET);printf("%d\n", ftell(pf));rewind(pf);printf("%d\n", ftell(pf));//关闭文件fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

VS2022 X64测试结果如下所示

2
0

简单应用：拷贝文件，代码如下所示

#include <stdio.h>
int main()
{//打开文件FILE* pfread = fopen("test1.txt", "r");if (!pfread){perror("fopen\n");return 1;}FILE* pfwrite = fopen("test2.txt", "w");if (!pfwrite){perror("fopen\n");fclose(pfread);pfread = NULL;return 1;}//读、写文件int ch = 0;while ((ch = fgetc(pfread)) != EOF)fputc(ch, pfwrite);//关闭文件fclose(pfread);pfread = NULL;fclose(pfwrite);pfwrite = NULL;return 0;
}

7.文件读取结束的判定

7.1 被错误使用的feof

在文件读取过程中，不能用feof函数的返回值直接来判断文件的是否结束。
feof的作用是，当文件读取结束的时候，判断读取结束的原因是否是：遇到文件尾结束。

7.1.1 文本文件

文本文件读取是否结束，判断返回值是否为EOF（fgetc），或者NULL（fgets）
例如：

• fgtec判断是否为EOF.
• fgets判断返回值是否为NULL.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{int c; // 注意：int，非char，要求处理EOFFILE* fp = fopen("test.txt", "r");if (!fp) {perror("File opening failed");return EXIT_FAILURE;}//fgetc 当读取失败的时候或者遇到⽂件结束的时候，都会返回EOFwhile ((c = fgetc(fp)) != EOF) // 标准C I/O读取⽂件循环{putchar(c);}//判断是什么原因结束的if (ferror(fp))puts("I/O error when reading");else if (feof(fp))puts("End of file reached successfully");fclose(fp);
}

VS2022 X64环境运行结果如下图所示

7.1.2 二进制文件

二进制文件的读取结束判断，判断返回值是否小于实际要读的个数。
例如：

• fread判断返回值是否小于实际要读的个数。

#include <stdio.h>
enum { SIZE = 5 };
int main(void)
{double a[SIZE] = { 1.,2.,3.,4.,5. };FILE* fp = fopen("test.bin", "wb"); // 必须⽤⼆进制模式fwrite(a, sizeof * a, SIZE, fp); // 写 double 的数组fclose(fp);double b[SIZE];fp = fopen("test.bin", "rb");size_t ret_code = fread(b, sizeof * b, SIZE, fp); // 读 double 的数组if (ret_code == SIZE) {puts("Array read successfully, contents: ");for (int n = 0; n < SIZE; ++n)printf("%f ", b[n]);putchar('\n');}else { // error handlingif (feof(fp))printf("Error reading test.bin: unexpected end of file\n");else if (ferror(fp)) {perror("Error reading test.bin");}}fclose(fp);
}

VS2022 X64环境运行结果如下图所示

8.文件缓冲区

ANSIC标准采用“缓冲文件系统”处理数据文件，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）。
缓冲区大小根据C语言编译系统决定。

因为文件从程序写入硬盘是需要调用操作系统接口的，并且电脑不止一个程序在运行，缓冲区的存在能够防止操作系统的调用频繁被打断。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
//VS2022 WIN11环境测试
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;
}

运行结果如下图所示，注意：关闭文件也会刷新缓冲区

所以在文件还没关闭的时候打开文件进行查看

因为缓冲区的存在，C语言在操作文件的时候，要刷新缓冲区或者在文件操作结束的时候关闭文件。
否则可能导致读写文件错误。

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总结

文件的内容不少，实操的时候也有可能因为环境等因素运行结果有误，可以尝试删除文件、重新建立文件。
清楚文件的打开模式，如果操作与其不一致，会报错的！