初识C语言（文件操作）

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前言

本文主要讲解文件操作相关的知识。

一、文件是什么？

1.文件的作用与分类

持久化存储数据
程序运行时产生的数据存储在内存中，程序退出后内存被回收，数据丢失。文件将数据保存到磁盘（硬盘），实现数据的持久化存储，确保程序多次运行时可访问历史数据。

文件的分类
从功能角度分为程序文件和数据文件：

• 程序文件：包括源代码（.c）、目标文件（.obj）、可执行程序（.exe）。
• 数据文件：存储程序运行时读写的数据，如输入数据或输出结果。本章重点讨论数据文件。

2.文件名结构

文件标识由三部分组成，例如c:\code\test.txt：

• 文件路径：c:\code\
• 文件名主干：test
• 文件后缀：.txt

3.二进制文件与文本文件

根据数据组织形式分为两类：

• 文本文件：以ASCII码存储字符数据。例如整数10000以ASCII形式存储占5字节（每个字符1字节）。
• 二进制文件：直接以内存中的二进制形式存储数据。同一整数10000仅占4字节（按整型存储）。

存储差异示例

• 文本文件：字符按ASCII存储，数值可转为ASCII或二进制。
• 二进制文件：数据无转换，存储紧凑，效率更高。

4.数据文件的应用场景

• 终端交互：默认从键盘输入、输出到显示器。
• 磁盘文件：需长期保存或大量数据时，读写磁盘文件更高效。

二、文件的打开和关闭（C语言）

在C语言中，文件操作是程序与外部存储设备交互的重要方式。要操作文件，首先需要打开文件，操作完成后需要关闭文件。以下是关于文件打开和关闭的详细说明：

1. 文件打开（fopen函数）

基本语法

FILE*fopen(constchar*filename,constchar*mode);

参数说明

• filename：要打开的文件名（包含路径）
• mode：打开模式，指定文件的操作方式

常用打开模式

二进制文件模式

在以上模式后加"b"表示二进制模式，如"rb"、"wb+"等

返回值

• 成功：返回FILE指针（文件指针）
• 失败：返回NULL

示例代码

FILE*fp;fp=fopen("example.txt","r");if(fp==NULL){printf("文件打开失败\n");exit(1);// 退出程序}

2. 文件关闭（fclose函数）

基本语法

intfclose(FILE*stream);

参数说明

• stream：要关闭的文件指针

返回值

• 成功：返回0
• 失败：返回EOF（-1）

示例代码

if(fclose(fp)!=0){printf("文件关闭失败\n");}

3. 注意事项

1. 错误处理：每次打开文件后都应检查返回值是否为NULL
2. 资源释放：打开的文件必须关闭，否则可能导致资源泄露
3. 缓冲区刷新：fclose会刷新缓冲区，确保数据写入文件
4. 路径表示：Windows中使用"\“或”/“表示路径，如"C:\data\file.txt”

4. 完整示例

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>intmain(){FILE*fp;// 打开文件fp=fopen("data.txt","w");if(fp==NULL){printf("无法创建文件\n");return1;}// 文件操作...fprintf(fp,"这是写入文件的内容\n");// 关闭文件if(fclose(fp)!=0){printf("文件关闭出错\n");return1;}return0;}

5. 常见问题

1. 权限问题：如果没有写权限，以写模式打开文件会失败
2. 文件锁定：某些系统会锁定正在使用的文件
3. 路径问题：相对路径是相对于程序运行时的当前目录
4. 缓冲区问题：未关闭文件可能导致数据未完全写入

三、文件的顺序读写

1. 基本概念

顺序读写是指按照文件中数据的物理存储顺序依次进行读写操作。与随机读写不同，顺序读写每次操作都会从当前位置开始，完成后文件指针会自动移动到下一个位置。

2. 顺序读写的函数

C语言提供了多个用于顺序读写文件的函数：

2.1 字符读写

• fgetc(): 从文件中读取一个字符

  intch=fgetc(fp);// fp为文件指针

• fputc(): 向文件写入一个字符

  fputc('A',fp);// 向文件写入字符'A'

2.2 字符串读写

• fgets(): 从文件中读取一行字符串

  charstr[100];fgets(str,100,fp);// 最多读取99个字符

• fputs(): 向文件写入字符串

  fputs("Hello World",fp);

2.3 格式化读写

• fscanf(): 从文件格式化读取

  intage;fscanf(fp,"%d",&age);// 从文件读取整数

• fprintf(): 向文件格式化写入

  fprintf(fp,"Name: %s, Age: %d","John",25);

3. 应用示例

3.1 文件复制

#include<stdio.h>intmain(){FILE*src=fopen("source.txt","r");FILE*dest=fopen("dest.txt","w");if(src==NULL||dest==NULL){printf("文件打开失败");return1;}intch;while((ch=fgetc(src))!=EOF){fputc(ch,dest);}fclose(src);fclose(dest);return0;}

3.2 日志记录

#include<stdio.h>#include<time.h>voidlog_message(constchar*msg){FILE*log=fopen("app.log","a");if(log==NULL)return;time_tnow;time(&now);fprintf(log,"[%s] %s\n",ctime(&now),msg);fclose(log);}

4. 注意事项

1. 每次读写操作后，文件指针会自动后移
2. 到达文件末尾时，fgetc()会返回EOF
3. 打开文件后必须检查文件指针是否为NULL
4. 操作完成后必须调用fclose()关闭文件
5. 对于文本文件，不同操作系统可能有不同的换行符表示方式

5. 性能考虑

• 对于大文件，逐个字符读写效率较低
• 可以考虑使用缓冲区或块读写提高性能
• 频繁打开关闭文件会影响性能，应尽量减少操作次数

四、文件的随机读写

1. 文件指针的概念

文件指针是一个指示当前读写位置的标记，它记录了在文件中进行操作的位置。在随机读写文件时，我们需要通过移动文件指针来定位到特定的位置进行操作。

文件指针具有以下特性：

1. 打开文件时，指针默认指向文件开头（位置0）
2. 每次读写操作后，指针会自动移动到下一个位置
3. 可以通过特定函数手动移动指针位置

2. 文件指针定位函数

fseek函数

intfseek(FILE*stream,longoffset,intorigin);

• 参数说明：
  • stream：文件指针
  • offset：偏移量（字节数），可正可负
  • origin：基准位置，可取以下值：
    • SEEK_SET：文件开头
    • SEEK_CUR：当前位置
    • SEEK_END：文件末尾

示例：

fseek(fp,10,SEEK_SET);// 将指针移动到距文件开头10字节处fseek(fp,-5,SEEK_END);// 将指针移动到距文件末尾前5字节处

ftell函数

longftell(FILE*stream);

返回当前文件指针的位置（相对于文件开头的字节偏移量）

示例：

longpos=ftell(fp);// 获取当前指针位置

rewind函数

voidrewind(FILE*stream);

将文件指针重置到文件开头，相当于：

fseek(fp,0,SEEK_SET);

3. 随机读写示例

示例1：读取文件中间部分内容

FILE*fp=fopen("data.txt","r");if(fp==NULL){perror("文件打开失败");return;}// 定位到文件中间位置fseek(fp,0,SEEK_END);longsize=ftell(fp);fseek(fp,size/2,SEEK_SET);// 读取中间部分内容charbuffer[100];fread(buffer,1,50,fp);fclose(fp);

示例2：修改二进制文件中的特定记录

typedefstruct{intid;charname[20];floatscore;}Student;// 修改第3条记录的成绩FILE*fp=fopen("students.dat","r+");if(fp==NULL){perror("文件打开失败");return;}// 定位到第3条记录fseek(fp,2*sizeof(Student),SEEK_SET);Student stu;fread(&stu,sizeof(Student),1,fp);// 修改成绩stu.score=95.5;// 写回文件fseek(fp,2*sizeof(Student),SEEK_SET);fwrite(&stu,sizeof(Student),1,fp);fclose(fp);

4. 注意事项

1. 二进制文件与文本文件：

   • 文本文件的随机读写可能会因系统不同而产生差异
   • 二进制文件的随机读写更加可靠

2. 边界检查：

   • 移动指针时要注意不要超出文件范围
   • 可以使用ftell和fseek结合检查文件大小

3. 错误处理：

   • 检查fseek的返回值（成功返回0，失败返回非0）
   • 处理可能的文件定位错误

4. 性能考虑：

   • 频繁的随机访问可能会降低IO性能
   • 对于大量随机访问，考虑使用内存缓存

五、文件缓冲区（C语言）

1. 缓冲区的概念与作用

文件缓冲区是内存中的一块区域，用于临时存储文件读写的数据。缓冲区的主要作用包括：

1. 提高I/O效率：减少直接访问磁盘的次数，通过批量读写提高性能
2. 协调速度差异：解决CPU处理速度与磁盘I/O速度不匹配的问题
3. 数据暂存：为流式I/O操作提供数据中转站

示例场景：当程序调用fwrite()写入100字节数据时，数据不会立即写入磁盘，而是先存入缓冲区，待缓冲区满或显式刷新时才执行实际磁盘写入。

2. 缓冲区的类型

C语言中主要有三种缓冲模式：

1. 全缓冲（Fully Buffered）

   • 缓冲区满时才执行实际I/O操作
   • 典型应用：普通文件读写
   • 缓冲区大小通常为BUFSIZ（在stdio.h中定义，通常为512或4096字节）

2. 行缓冲（Line Buffered）

   • 遇到换行符’\n’或缓冲区满时刷新
   • 典型应用：终端I/O(stdin/stdout)
   • 示例：printf()输出通常会在遇到\n或程序正常结束时自动刷新

3. 无缓冲（Unbuffered）

   • 立即执行I/O操作
   • 典型应用：stderr错误输出
   • 示例：perror()会立即将错误信息输出到屏幕

3. 缓冲区相关函数

1. 设置缓冲模式

   intsetvbuf(FILE*stream,char*buf,intmode,size_tsize);

   • 参数说明：
     • stream：文件指针
     • buf：用户提供的缓冲区(为NULL时由库自动分配)
     • mode：_IOFBF(全缓冲)/_IOLBF(行缓冲)/_IONBF(无缓冲)
     • size：缓冲区大小

2. 强制刷新缓冲区

   intfflush(FILE*stream);

   • 将缓冲区内容立即写入文件
   • stream为NULL时刷新所有输出流

3. 关闭文件时的自动刷新

   intfclose(FILE*stream);

   • 关闭文件前会自动调用fflush()
   • 示例：程序异常终止时可能丢失未刷新的缓冲区数据

4. 缓冲区使用注意事项

1. 数据一致性问题

   • 重要数据应及时fflush()，防止程序崩溃导致数据丢失
   • 示例：数据库日志记录应先fflush()再执行关键操作

2. 性能调优

   • 大文件处理时可适当增大缓冲区提高性能
   • 示例：视频处理程序可设置8KB或更大的缓冲区

3. 跨平台差异

   • 不同系统下默认缓冲区大小可能不同
   • 示例：Windows和Linux的BUFSIZ可能不同

4. 线程安全

   • 多线程环境下操作同一文件需加锁保护
   • 示例：使用flockfile()/funlockfile()函数族

5. 缓冲区示例代码

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>intmain(){FILE*fp=fopen("test.dat","w");if(!fp){perror("fopen failed");returnEXIT_FAILURE;}// 设置8KB的全缓冲区charbuf[8192];if(setvbuf(fp,buf,_IOFBF,sizeof(buf))!=0){perror("setvbuf failed");fclose(fp);returnEXIT_FAILURE;}// 写入数据(先存入缓冲区)for(inti=0;i<1000;i++){fprintf(fp,"Record %d\n",i);}// 强制刷新缓冲区fflush(fp);// 修改为行缓冲模式setvbuf(fp,NULL,_IOLBF,0);fprintf(fp,"This will be line buffered\n");fclose(fp);returnEXIT_SUCCESS;}

六、更新文件（C语言）

1. 文件更新概述

在C语言中，文件更新操作主要包括以下几种方式：

• 追加内容到文件末尾
• 修改文件中特定位置的内容
• 替换文件中的部分内容
• 插入新内容到文件指定位置

2. 基本操作函数

2.1 fopen()函数

FILE*fopen(constchar*filename,constchar*mode);

常用打开模式：

• “r”：只读
• “w”：只写（会清空原文件）
• “a”：追加（在文件末尾写入）
• “r+”：读写（从文件头开始）
• “w+”：读写（清空原文件）
• “a+”：读写（从文件末尾开始）

2.2 fseek()函数

intfseek(FILE*stream,longoffset,intwhence);

参数说明：

• whence取值：
  • SEEK_SET：从文件头开始
  • SEEK_CUR：从当前位置开始
  • SEEK_END：从文件末尾开始

3. 常见更新操作示例

3.1 追加内容

FILE*fp=fopen("example.txt","a");if(fp!=NULL){fprintf(fp,"This will be appended to the end.\n");fclose(fp);}

3.2 修改指定位置内容

FILE*fp=fopen("example.dat","r+");if(fp!=NULL){fseek(fp,10,SEEK_SET);// 定位到第10字节fwrite("new data",1,8,fp);// 写入8字节新数据fclose(fp);}

3.3 插入内容

// 1. 打开源文件和临时文件FILE*src=fopen("source.txt","r");FILE*tmp=fopen("temp.txt","w");// 2. 复制前半部分到临时文件intpos=0;while(pos<insert_position){intch=fgetc(src);fputc(ch,tmp);pos++;}// 3. 写入要插入的内容fputs("New inserted content\n",tmp);// 4. 复制剩余部分intch;while((ch=fgetc(src))!=EOF){fputc(ch,tmp);}// 5. 关闭文件并替换fclose(src);fclose(tmp);remove("source.txt");rename("temp.txt","source.txt");

4. 注意事项

1. 错误处理：所有文件操作都应检查返回值
2. 缓冲区刷新：必要时使用fflush()确保数据写入
3. 文件锁定：在多进程/线程环境中可能需要文件锁定
4. 性能考虑：频繁的小规模更新可能影响性能

5. 高级技巧

5.1 内存映射文件

对于大文件更新，可以使用内存映射提高效率：

#include<sys/mman.h>// 使用mmap()函数将文件映射到内存

5.2 事务处理

实现简单的文件更新事务：

1. 创建临时文件
2. 执行所有更新操作
3. 确认无误后替换原文件
4. 出现错误则回滚

6. 实际应用场景

1. 日志文件更新：追加新日志记录
2. 配置文件修改：更新特定配置项
3. 数据库操作：修改数据记录
4. 游戏存档：更新玩家进度

总结

文件操作对于信息的储存和再利用非常重要。