第 13 章 文件输入/输出

第十三章 文件输入/输出

👉【复习题】【编程练习题】

文件用于 存储程序、文档、数据、书信、表格、照片、视频 等。

1. 与文件进行通信

文件：通常是在磁盘或固态硬盘上的一段已命名的存储区。

C语言提供两种文件模式：文本模式 和 二进制模式。

所有文件的内容都以二进制形式（0或1）存储。

2. 标准I/O

C程序会自动打开3个文件：标准输入（standard input）、标准输出（standard ouput）、标准错误输出（standard error output）。

标准文件	文件指针	通常使用的设备
标准输入	stdin	键盘
标准输出	stdout	显示器
标准错误	stderr	显示器

标准I/O的好处： - 可移植 - 有专门的函数简化了处理不同I/O的问题 - 输入和输出都是缓冲（缓冲极大提高数据传输速率）。

在打开文件时，程序一定要判断文件是否打开成功。

if(fopen==NULL){ 
    ...
    exit(EXIT_FAILURE);
}

一旦打开失败，直接会终止后续操作。

exit() 函数 关闭所有打开的文件并结束程序。

在stdlib.h头文件中：

标准要求 0或 宏 EXIT_SUCCESS：表明成功结束程序。

宏 EXIT_FAILURE：表明结束程序失败。

2.1 fopen() 和 fclose() 函数

都声明在 stdlib.h 头文件中。

函数	函数原型	语法格式	功能	备注
fopen()	FILE *fopen(const char *filename,const char * mode);	FILE *fp = fopen("filename",mode)	打开文件	返回一个文件指针：FILE *fp 指向一个记录文件信息的数据结构 例：fp = fopen("hello_c.txt","r");
fclose()	int fclose(FILE * stream);	fclose(fp)	关闭文件	关闭成功返回0，失败返回EOF(-1)，存储空间不足或者被移除都会出现I/O错误，都会导致失败。

文件指针的类型是指向FILE的指针，FILE是一个定义在 stdlib.h 中的派生类型。

mode的内容参考：

2.2 getc() 和 putc() 函数

与 getchar() 和 putchar() 函数类似。

区别：

需要告知 getc() 和 putc() 函数 使用哪一个文件。

函数	函数原型	语法格式	功能	备注
gets()	int getc(FILE *stream)	ch = getc(fp)	从fp指定文件中获取一个字符，读到文件结尾返回EOF	getc(stdin) == getchar(ch);
putc()	int putc(int char,FILE *stream)	putc(ch,fp)	把ch放入fp指向文件	puts(ch,stdout) == putchar(ch);

2.3 一个简单的文件压缩程序

例子：把一个文件中选定的数据拷贝到另一个文件中。

//reducto.c 把文件压缩成原来的1/3
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h> //提供exi()原型
#include<string.h> //提供strcpy()、strcat()原型
#define LEN 40
int main(int argc, char * argv[])
{
    FILE * in, *out; //声明两个指向FILE的指针
    int ch; 
    char name[LEN]; //存储输出文件名
    int count = 0;

    if (argc < 2)//检查命令行参数
    {
        fprintf(stderr, "Usage: %s filename\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE); //表明程序失败退出
    }
    //设置输入，设置mode为可读
    if ((in = fopen(argv[1], "r")) == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "I couldn't open the file \"%s\"\n ", argv[1]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //设置输出
    strncpy(name, argv[1], LEN - 5); // 拷贝文件名
    name[LEN - 5] = '\0';
    strcat(name, ".red");
    if ((out = fopen(name, "w")) == NULL) //设置可写方式打开file
    {
        fprintf(stderr, "Can't create output file.\n");
        exit(3);
    }
    //拷贝数据
    while ( (ch=getc(in))!=EOF) //通过使用EOF来告知程序已经读取到文件结尾，从而结束程序。
    {
        if (count++ % 3 == 0)
            putc(ch, out);
    }
    if (fclose(in) != 0 || fclose(out) != 0)
        fprintf(stderr, "Error in closing files.\n");

    return 0;
}

fprintf()和 printf() 类似，⚠️注意点：fptrintf() 第一个参数必须是一个文件指针。

2.4 标准I/O的原理

步骤： - 调用fopen()打开文件。 - fopen()不仅打开一个文件，还创建了一个缓冲区（在读写模式下会创建两个缓冲区）以及一个包含文件和缓冲区数据的结构。 - fopen()返回一个指向该结构的指针，以便其他函数知道该如何找到该结构。 - 结构中通常包含一个指定流中当前未知的文件位置指示器。还包括错误和文件结尾的指示器、一个指向缓冲区开始处的指针，一个文件标识符和一个计数（统计实际拷贝进缓冲区的字节数）。

• 调用一个定义在 stdio.h 中的输入函数，如fscanf()、getc()或fgets()。
  • 调用函数时，文件中的数据块会被拷贝到缓冲区中，最初调用函数，除了填充缓冲区外，还要设置指针变量所指向的结构中的值。
  • 在初始化结构和缓冲区后，输入函数按要求从缓冲区中读取数据，在读取数据时，文件位置指示器被设置为指向刚读取字符的下一个字符。
  • 当输入函数发现已读完缓冲区中的所有字符时，会请求把下一个缓冲大小的数据块从文件拷贝到该缓冲区中。
  • 输出函数以类似的方式把数据写入缓冲区。当缓冲区被填满时，数据将被拷贝至文件中。

3. 文件I/O：fprintf()、fscanf()、fgets()、fputs()

3.1 fprintf() 和 fscanf() 函数

fprintf() 和 fscanf()函数的工作方式与 printf() 和 fscanf()函数的类似。

👉小区别：

fprintf() 和 fscanf() 函数的第一个参数必须指定待处理的文件。

例子：

/*addaword.c --fprintf() fscanf() rewind()*/
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#define MAX 41

int main(void)
{
    FILE *fp;
    char words[MAX];
    if ((fp = fopen("wordy", "a+")) == NULL) //更新（读写）模式打开文件，只允许在文件末尾添加内容
    {
        fprintf(stdout, "Can't open \"wordy\" file.\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    puts("Enter words to add to the file; press the #");
    puts("key at the beginning of a line to terminate.");
    while ((fscanf(stdin, "%40s", words) == 1) && (words[0] != '#'))
        fprintf(fp, "%s\n", words);
    puts("File contents:");
    /** 关于 rewind() 函数的介绍说明
     *
     * rewind()函数 在头文件 stdio.h 中
     * 用于将文件指针重新指向文件的开头，同时清除和文件流相关的错误和EOF标记。
     * 相当于调用 fseek()函数
     * 函数原型：void rewind(FILE *stream);
     * 
     */
    rewind(fp);//回到文件开始处。
    while (fscanf(fp, "%s", words) == 1)
        puts(words);
    puts("Done!");
    if (fclose(fp) != 0)
        fprintf(stderr, "Error closing file\n");

    return 0;
}

3.2 fgets() 和 fputs()函数

移步 👉 【第11章】

4. 随机访问

4.1 fseek() 和 ftell() 函数

函数名	函数原型	功能	参数	返回值
fseek()	int fseek(FILE *stream, long int offset, int whence);	重定位流上的文件指针	第一个参数stream为文件指针 第二个参数offset为偏移量，正数表示正向偏移，负数表示负向偏移 第三个参数是模式，确定文件起始点,几种明示常量为：SEEK_SET（文件开头）、 SEEK_CUR（当前位置） 或 SEEK_END（文件末尾）	如果成功，则该函数返回零，否则返回非零值。
ftell	long ftell(FILE *stream);	得到文件位置指针当前位置相对于文件首的偏移字节数。	FILE *stream返回指针的文件流	成功----返回当前文件指针的位置 出错----返回-1L，是长整数的-1值。

fseek例子：

fseek(fp,0L,SEEK_SET); //定位至文件开始处
fseek(fp,10L,SEEK_SET); //定位至文件中的第10个字节
fseek(fp,2L,SEEK_CUR); //从文件当前位置前移2个字节
fseek(fp,0L,SEEK_END); // 定位至文件结尾
fseek(fp,-10L,SEEK_END); // 从文件结尾处回退10个

ftell例子：

#include<stdio.h>

int main()
{
    FILE *stream;
    int len;

    stream = fopen("file.txt","r"); // 只读方式打开
    if(stream == NULL)
    {
        perror("打开文件错误");
        return(-1);
    }
    fseek(stream,0,SEEK_END);
    len = ftell(stream); //返回类型为long，把file.txt文件开始处到文件结尾的字节数赋给len
    fclose(stream);

    printf("file.txt的总大小为 = %d 字节\n",len);

    return(0);
}

假设文件file.txt中的内容为

www.github.com/solerho

使用gcc运行程序后结果如下：

[root@centos8 examples]# gcc ftell.c 
[root@centos8 examples]# ls
a.out  file.txt  ftell.c
[root@centos8 examples]# ./a.out 
file.txt的总大小为 = 23 字节

4.2 二进制模式和文本模式

不同之处： - UNIX - UNIX只有一种文件格式，所以不需要进行特殊的转换。 - UNIX使用 \n 表示换行符。 >以文本模式打开时，C能识别Ctrl-Z作为文件结尾标记的字符。 > >以二进制模式打开相同的文件时，Ctrl-Z 字符被看作是文件中的一个字符，而实际的文件结尾符在该字符后面。 - MS-DOS - MS-DOS编译器都用 Ctrl + Z 标记文件。 - MS-DOS用 \r\n 组合表示文件换行符。 >以文本模式打开相同的文件，C程序把\r\n看成\n，但是，以二进制模式打开该文件时，程序能看见这两个字符。

4.3 可移植性

C模型无法做到与Unix模型一致，因为历史上C就是因为Unix而生，但是其他系统不能保证与Unix模型一致。因此，ANSI对这些函数降低了要求，下面是一些限制：

• 在二进制模式中，实现不必支持SEEK_END模式。
• 在文本模式中，只有以下调用能保证其相应的行为。

函数调用	效果
fseek(file,0L,SEEK_SET)	定位至文件开始处
fseek(file,0L,SEEK_CUR)	保持当前位置不动
fseek(file,0L,SEEK_END)	定位至文件结尾
fseek(file,ftell-pos,SEEK_SET)	到距文件开始处ftell-pos的位置，ftell-pos是ftell()的返回值

4.4 fgetpos() 和 fsetpos() 函数

• fgetpos() 函数

语法格式：

int fgetpos( FILE *stream, fpos_t *position );

参数说明：

stream : 当前文件流的指针

fpos_t : 用来表示文件读写指针位置的类型，用来指明正在操作的文件中读或写的位置，文件头处为0。fpos_t在不同的平台下有不同的类型。

position ： 指向 fpos_t 对象的指针

功能：处理较大文件（字节数超过long范围），解决 fseek() 和 ftell()函数存在的问题。

返回值：执行成功时返回0，否则返回非0值。

ANSI C定义了如何使用 fpos_t 类型，fgetpos() 函数的原型如下：

int fgetpos(FILE * restrict stream,fpos_t * restrict pos);

• fsetpos() 函数

语法格式：

int fsetpos(FILE *stream,const fpost_t *pos);

调用函数时，使用pos指向位置上的 fpos_t 类型值来设置文件指针指向该值指定的位置。

函数成功返回0，失败则返回非0。

5. 二进制I/O：fread() 和 fwrite()

如果以程序所用的表示法把数据储存在文件中。则称以二进制形式存储数据。

不存在从数值形式到字符串的转换过程。对于标准I/O，fread() 和 fwrite() 函数用于以二进制形式处理数据。

所有的数据都是以 二进制形式存储。

ANSI C 和许多OS都识别两种文件格式：二进制 和 文本。

6. 其他I/O函数

一般都是成功返回0，不成功返回非零值：EOF（-1）

函数	函数原型	功能
ungetc()	int ungetc(int c, FILE* fp)	把c指定的字符放回输入流中，如果把一个字符放回输入流，下次调用标准输入函数时将读取该字符。
fflush()	int fflush(FILE *stream)	调用函数引起输出缓冲区中所有的未写入数据被发送到stream指定的输出文件，该过程叫作 刷新缓冲区。 如果指针stream是空指针，所有输出缓冲区都被刷新。
setvbuf()	int setvbuf(FILE* fp, char * buf, int mode, size_t size);	创建一个提供I/O函数替换使用的缓冲区。

6.1 size_t fwrite() 函数

fwrite() 函数的原型：

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

指针ptr ：待写入数据块的地址。

size：待写入数据块的大小（以字节为单位）。

nmemb ：待写入数据块的数量。

stream ：指定待写入的文件。 fwrite() 函数返回成功写入项的数量。

6.2 size_t fread() 函数

fread() 函数的原型：

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

在 fread() 函数中，ptr 是待读取文件数据在内存中的地址。stream 指定待读取的文件。

fread() 函数返回成功读取项的数量。

6.3 int feof(FILE *fp) 和 int ferror(FILE *fp) 函数

如果标准输入函数EOF，则通常表明函数已到达文件结尾。

feof() 函数返回一个非零值，否则返回0。

ferror() 函数返回一个非零值，否则返回0。

/* append.c -- 把文件附加到另一个文件末尾 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define BUFSIZE 4096
#define SLEN 81
void append(FILE *source, FILE *dest);
char * s_gets(char * st, int n);
int main(void)
{
   FILE *fa, *fs;     // fa 指向目标文件，fs 指向源文件
   int files = 0;     // 附加的文件数量
   char file_app[SLEN];  // 目标文件名
   char file_src[SLEN];  // 源文件名
   int ch;
   puts("Enter name of destination file:");
   s_gets(file_app, SLEN);
   if ((fa = fopen(file_app, "a+")) == NULL)
   {
     fprintf(stderr, "Can't open %s\n", file_app);
     exit(EXIT_FAILURE);
   }
   if (setvbuf(fa, NULL, _IOFBF, BUFSIZE) != 0)
   {
     fputs("Can't create output buffer\n", stderr);
     exit(EXIT_FAILURE);
   }
   puts("Enter name of first source file (empty line to quit):");
   while (s_gets(file_src, SLEN) && file_src[0] != '\0')
   {
     if (strcmp(file_src, file_app) == 0)
        fputs("Can't append file to itself\n", stderr);
     else if ((fs = fopen(file_src, "r")) == NULL)
        fprintf(stderr, "Can't open %s\n", file_src);
     else
     {
        if (setvbuf(fs, NULL, _IOFBF, BUFSIZE) != 0)
        {
          fputs("Can't create input buffer\n", stderr);
          continue;
        }
        append(fs, fa);
        if (ferror(fs) != 0)
          fprintf(stderr, "Error in reading file %s.\n",
               file_src);
        if (ferror(fa) != 0)
          fprintf(stderr, "Error in writing file %s.\n",
               file_app);
        fclose(fs);
        files++;
        printf("File %s appended.\n", file_src);
        puts("Next file (empty line to quit):");
     }
   }

   printf("Done appending. %d files appended.\n", files);
   rewind(fa);
   printf("%s contents:\n", file_app);
   while ((ch = getc(fa)) != EOF)
     putchar(ch);
   puts("Done displaying.");
   fclose(fa);
   return 0;
}

void append(FILE *source, FILE *dest)
{
   size_t bytes;
   static char temp[BUFSIZE];  // 只分配一次
   while ((bytes = fread(temp, sizeof(char), BUFSIZE, source)) > 0)
     fwrite(temp, sizeof(char), bytes, dest);
}

char * s_gets(char * st, int n)
{
   char * ret_val;
   char * find;
   ret_val = fgets(st, n, stdin);
   if (ret_val)
   {
     find = strchr(st, '\n');   // 查找换行符
     if (find)          // 如果地址不是NULL，
        *find = '\0';      // 在此处放置一个空字符
     else
        while (getchar() != '\n')
          continue;
   }
   return ret_val;
}

7. 用二进制I/O进行随机访问

/* randbin.c -- 用二进制I/O进行随机访问 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define ARSIZE 1000
int main()
{
   double numbers[ARSIZE];
   double value;
   const char * file = "numbers.dat";
   int i;
   long pos;
   FILE *iofile;
   // 创建一组 double类型的值
   for (i = 0; i < ARSIZE; i++)
     numbers[i] = 100.0 * i + 1.0 / (i + 1);
   // 尝试打开文件
   if ((iofile = fopen(file, "wb")) == NULL)
   {
     fprintf(stderr, "Could not open %s for output.\n", file);
     exit(EXIT_FAILURE);
   }
   // 以二进制格式把数组写入文件
   fwrite(numbers, sizeof(double), ARSIZE, iofile);
   fclose(iofile);
   if ((iofile = fopen(file, "rb")) == NULL)
   {
     fprintf(stderr,
        "Could not open %s for random access.\n", file);
     exit(EXIT_FAILURE);
   }
   // 从文件中读取选定的内容
   printf("Enter an index in the range 0-%d.\n", ARSIZE - 1);
   while (scanf("%d", &i) == 1 && i >= 0 && i < ARSIZE)
   {
     pos = (long) i * sizeof(double);  // 计算偏移量
     fseek(iofile, pos, SEEK_SET);    // 定位到此处
     fread(&value, sizeof(double), 1, iofile); //读取该位置上的数据值
     printf("The value there is %f.\n", value);
     printf("Next index (out of range to quit):\n");
   }
   // 完成
   fclose(iofile);
   puts("Bye!");
   return 0;
}

总结

输入函数getc()、fgets()、fscanf()和fread() 都是从文件开始处按顺序读取文件。

fseek() 和 ftell() 函数让程序可以随机访问文件中的任意位置。fgetpos() 和 fsetpos() 把类似的功能扩展到更大的文件。

与文本模式相比，二进制模式更容易进行随机访问。