【C语言基础】：文件操作详解（前篇：准备知识）

用户11062259

发布于 2024-04-10 15:24:05

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发布于 2024-04-10 15:24:05

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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）。

#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。