文件的基本概念

文本文件和二進制文件的差異

• 存儲方式
  • 文本文件：以字符編碼形式存儲，例如 ASCII 碼。每個字符（如字母、數字、標點符號）都有對應的編碼值，存儲時按編碼值的二進制形式寫入文件。例如，字符 ‘A’ 的 ASCII 碼是 65，在文件中存儲為二進制的 01000001。
  • 二進制文件：直接以數據在內存中的二進制表示形式存儲。例如，一個整數 10 在內存中以 32 位二進制 00000000 00000000 00000000 00001010 存儲，在二進制文件中也是這樣的形式。
• 可讀性
  • 文本文件：可以用文本編輯器直接查看和編輯，因為其內容是人類可讀的字符。
  • 二進制文件：用文本編輯器打開會顯示亂碼，因為它存儲的是二進制數據，需要特定的程序來解析。
• 應用場景
  • 文本文件：常用于存儲配置信息、日志文件、代碼文件等，方便人類查看和修改。
  • 二進制文件：常用于存儲圖像、音頻、視頻等多媒體數據，以及程序的中間數據、數據庫文件等，能更高效地存儲和處理大量數據。

文件指針

FILE 結構體

FILE 結構體是一個復雜的數據結構，包含了文件操作所需的各種信息，不同的編譯器實現可能會有所不同，但通常包含以下幾個重要成員：

• 文件狀態信息：記錄文件的打開模式、是否出錯、是否到達文件末尾等狀態。
• 文件緩沖區指針：指向用于文件讀寫的緩沖區，以提高文件操作的效率。
• 文件當前位置指針：指示當前文件讀寫的位置。

文件指針的初始化和賦值

在使用文件指針之前，需要將其初始化為 NULL，以避免成為野指針。例如：

FILE *fp = NULL;

當使用 fopen 函數打開文件后，將返回的文件指針賦值給 fp，此時 fp 就指向了打開的文件。

文件打開與關閉

常見操作

文件的打開

使用fopen函數來打開一個文件，其原型如下：

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

• filename：要打開的文件的名稱，可以包含文件的路徑。
• mode：打開文件的模式，常見的模式有：
  • "r"：以只讀模式打開文本文件，文件必須存在。
  • "w"：以寫入模式打開文本文件，如果文件不存在則創建，如果文件存在則清空文件內容。
  • "a"：以追加模式打開文本文件，如果文件不存在則創建，寫入的數據將追加到文件末尾。
  • "rb"：以只讀模式打開二進制文件，文件必須存在。
  • "wb"：以寫入模式打開二進制文件，如果文件不存在則創建，如果文件存在則清空文件內容。
  • "ab"：以追加模式打開二進制文件，如果文件不存在則創建，寫入的數據將追加到文件末尾。
  • "r+"：以讀寫模式打開文本文件，文件必須存在。
  • "w+"：以讀寫模式打開文本文件，如果文件不存在則創建，如果文件存在則清空文件內容。
  • "a+"：以讀寫模式打開文本文件，如果文件不存在則創建，寫入的數據將追加到文件末尾，在讀取數據前需要將文件指針移動到文件開頭。
  • "rb+"、"wb+"、"ab+"：分別對應二進制文件的讀寫模式。
• 示例代碼：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以寫入模式打開文件fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 文件操作...fclose(fp);return 0;
}

文件的關閉

使用fclose函數來關閉一個已打開的文件，其原型如下：

int fclose(FILE *stream);

stream：要關閉的文件指針。
返回值：如果文件關閉成功，返回 0；否則返回 EOF（-1）。

常見問題

打開文件時的路徑問題

• 絕對路徑：完整地指定了文件在文件系統中的位置，從根目錄開始。
  • 在 Windows 系統中，“C:\Users\Username\Documents\test.txt”；
  • 在 Linux 系統中，“/home/username/Documents/test.txt”。
• 相對路徑：相對于當前工作目錄的路徑。例如，當前工作目錄是 /home/username，要打開 Documents 目錄下的 test.txt 文件，可以使用相對路徑 “Documents/test.txt”。

打開文件失敗的常見原因

• 文件不存在：使用 “r”、“r+”、“rb”、“rb+” 等模式打開文件時，如果文件不存在，fopen 會返回 NULL。
• 權限不足：沒有足夠的權限訪問文件或目錄，例如在 Linux 系統中，嘗試以寫入模式打開一個只讀文件。
• 文件被占用：文件正在被其他程序使用，無法同時打開。

fclose 函數的重要性

關閉文件不僅可以釋放系統資源，還可以確保文件緩沖區中的數據被正確寫入磁盤。如果不關閉文件，可能會導致數據丟失或文件損壞。例如，在程序結束時，如果沒有調用 fclose 關閉文件，緩沖區中的數據可能不會被寫入文件。

文件讀寫操作

常見操作

字符讀寫

• fgetc函數：從文件中讀取一個字符，其原型如下：

int fgetc(FILE *stream);

返回值：如果讀取成功，返回讀取的字符；如果到達文件末尾或發生錯誤，返回 EOF。

• fputc函數：向文件中寫入一個字符，其原型如下：

int fputc(int c, FILE *stream);

c：要寫入的字符。
返回值：如果寫入成功，返回寫入的字符；如果發生錯誤，返回 EOF。

• 示例代碼：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以寫入模式打開文件fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 寫入字符fputc('H', fp);fputc('e', fp);fputc('l', fp);fputc('l', fp);fputc('o', fp);fclose(fp);// 以只讀模式打開文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 讀取字符int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {putchar(ch);}fclose(fp);return 0;
}

字符串讀寫

• fgets函數：從文件中讀取一行字符串，其原型如下：

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

str：用于存儲讀取的字符串的字符數組。
n：最多讀取的字符數（包括字符串結束符 ‘\0’）。
返回值：如果讀取成功，返回 str；如果到達文件末尾或發生錯誤，返回 NULL。

• fputs函數：向文件中寫入一個字符串，其原型如下：

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

str：要寫入的字符串。
返回值：如果寫入成功，返回非負數；如果發生錯誤，返回 EOF。

• 示例代碼：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以寫入模式打開文件fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 寫入字符串fputs("Hello, World!\n", fp);fclose(fp);// 以只讀模式打開文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 讀取字符串char buffer[100];while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {printf("%s", buffer);}fclose(fp);return 0;
}

格式化讀寫

• fscanf函數：從文件中按照指定的格式讀取數據，其原型如下：

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

stream：要讀取的文件指針。
format：格式化字符串，指定讀取數據的格式。
返回值：成功匹配并賦值的輸入項的數量，如果到達文件末尾或發生錯誤，返回 EOF。

• fprintf函數：向文件中按照指定的格式寫入數據，其原型如下：

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

stream：要寫入的文件指針。
format：格式化字符串，指定寫入數據的格式。
返回值：成功寫入的字符數，如果發生錯誤，返回負數。

• 示例代碼：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以寫入模式打開文件fp = fopen("test.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 寫入格式化數據int num = 10;float f = 3.14;fprintf(fp, "整數: %d, 浮點數: %f\n", num, f);fclose(fp);// 以只讀模式打開文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 讀取格式化數據int read_num;float read_f;fscanf(fp, "整數: %d, 浮點數: %f", &read_num, &read_f);printf("讀取的整數: %d, 讀取的浮點數: %f\n", read_num, read_f);fclose(fp);return 0;
}

二進制讀寫

• fread函數：從文件中讀取二進制數據，其原型如下：

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

ptr：用于存儲讀取數據的內存地址。
size：每個數據項的大小（字節數）。
nmemb：要讀取的數據項的數量。
返回值：實際讀取的數據項的數量。

• fwrite函數：向文件中寫入二進制數據，其原型如下：

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

ptr：要寫入的數據的內存地址。
size：每個數據項的大小（字節數）。
nmemb：要寫入的數據項的數量。
返回值：實際寫入的數據項的數量。

• 示例代碼：

#include <stdio.h>typedef struct {int id;char name[20];
} Student;int main() {FILE *fp;// 以二進制寫入模式打開文件fp = fopen("students.dat", "wb");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 寫入二進制數據Student s = {1, "John"};fwrite(&s, sizeof(Student), 1, fp);fclose(fp);// 以二進制只讀模式打開文件fp = fopen("students.dat", "rb");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 讀取二進制數據Student read_s;fread(&read_s, sizeof(Student), 1, fp);printf("ID: %d, Name: %s\n", read_s.id, read_s.name);fclose(fp);return 0;
}

常見問題

字符讀寫的性能考慮

• 緩沖區機制：fgetc 和 fputc 函數在讀寫字符時，會使用文件緩沖區。當調用 fputc 寫入字符時，字符先被寫入緩沖區，當緩沖區滿或調用 fclose 時，緩沖區中的數據才會被寫入磁盤。同樣，調用 fgetc 讀取字符時，會先從緩沖區中讀取，如果緩沖區為空，則從磁盤讀取一批數據到緩沖區。
• 頻繁讀寫的性能問題：由于每次調用 fgetc 或 fputc 都可能涉及到緩沖區的操作，頻繁的字符讀寫會導致性能下降。在需要大量讀寫字符時，可以考慮使用 fread 和 fwrite 函數進行批量讀寫。

字符串讀寫的邊界問題

• fgets 函數的截斷問題：fgets 函數最多讀取 n - 1 個字符，然后在末尾添加字符串結束符 ‘\0’。如果文件中的一行字符數超過 n - 1，則會截斷該行，剩余的字符會在下一次調用 fgets 時讀取。
• fputs 函數的換行問題：fputs 函數不會自動添加換行符，需要手動添加。例如：

fputs("Hello\n", fp);

格式化讀寫的精度和錯誤處理

• 格式化精度：在使用 fscanf 和 fprintf 進行格式化讀寫時，需要注意格式化字符串的精度。例如，使用 %.2f 可以控制浮點數的輸出精度為兩位小數。
• 錯誤處理：fscanf 函數在讀取數據時，如果輸入數據的格式與格式化字符串不匹配，可能會導致讀取錯誤。可以通過檢查 fscanf 的返回值來判斷是否讀取成功。

二進制讀寫的字節序問題

• 字節序：在不同的計算機系統中，整數等多字節數據的存儲方式可能不同，分為大端字節序（Big Endian）和小端字節序（Little Endian）。大端字節序將高位字節存儲在低地址，小端字節序將低位字節存儲在低地址。
• 跨平臺問題：在進行二進制文件讀寫時，如果涉及到跨平臺操作，需要注意字節序的問題。可以通過字節序轉換函數（如 htons、htonl、ntohs、ntohl）來確保數據的正確讀寫。

文件指針的定位

在文件操作過程中，有時需要移動文件指針的位置，以便在文件的不同位置進行讀寫操作。

常見操作

fseek函數

• fseek函數用于將文件指針移動到指定的位置，其原型如下：

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

stream：要操作的文件指針。
offset：偏移量，以字節為單位。
whence：偏移的起始位置，有三個可選值：
SEEK_SET：從文件開頭開始偏移。
SEEK_CUR：從當前文件指針位置開始偏移。
SEEK_END：從文件末尾開始偏移。
返回值：如果成功，返回 0；否則返回非零值。

• 示例代碼：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只讀模式打開文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 將文件指針移動到文件開頭偏移3個字節的位置fseek(fp, 3, SEEK_SET);int ch = fgetc(fp);printf("讀取的字符: %c\n", ch);fclose(fp);return 0;
}

ftell函數

• ftell函數用于獲取當前文件指針的位置，其原型如下：

long ftell(FILE *stream);

stream：要操作的文件指針。
返回值：當前文件指針相對于文件開頭的偏移量（字節數），如果發生錯誤，返回 - 1。

• 示例代碼：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只讀模式打開文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 獲取當前文件指針的位置long pos = ftell(fp);printf("當前文件指針位置: %ld\n", pos);fclose(fp);return 0;
}

rewind函數

• rewind函數用于將文件指針移動到文件開頭，其原型如下：

void rewind(FILE *stream);

stream：要操作的文件指針。

• 示例代碼：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只讀模式打開文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}// 移動文件指針到文件末尾fseek(fp, 0, SEEK_END);// 將文件指針移動到文件開頭rewind(fp);int ch = fgetc(fp);printf("讀取的字符: %c\n", ch);fclose(fp);return 0;
}

常見應用場景

fseek 函數的偏移量計算

• 正數和負數偏移：fseek 函數的偏移量 offset 可以是正數或負數。正數表示向文件末尾方向偏移，負數表示向文件開頭方向偏移。例如，fseek(fp, -10, SEEK_CUR) 表示將文件指針從當前位置向文件開頭方向移動 10 個字節。
• 偏移量的范圍：偏移量的范圍受到文件大小和系統限制的影響。在某些系統中，偏移量可能不能超過文件的最大長度。

ftell 函數的應用場景

文件大小計算：可以通過將文件指針移動到文件末尾，然后使用 ftell 函數獲取文件指針的位置，從而得到文件的大小。例如：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}fseek(fp, 0, SEEK_END);long size = ftell(fp);printf("文件大小: %ld 字節\n", size);fclose(fp);return 0;
}

文件錯誤處理

常見操作

ferror函數

ferror函數用于檢查文件操作是否發生錯誤，其原型如下：

int ferror(FILE *stream);

stream：要檢查的文件指針。
返回值：如果發生錯誤，返回非零值；否則返回 0。

feof函數

feof函數用于檢查文件指針是否到達文件末尾，其原型如下：

int feof(FILE *stream);

stream：要檢查的文件指針。
返回值：如果到達文件末尾，返回非零值；否則返回 0。

• 示例代碼：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp;// 以只讀模式打開文件fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {putchar(ch);}if (ferror(fp)) {printf("文件讀取發生錯誤\n");} else if (feof(fp)) {printf("到達文件末尾\n");}fclose(fp);return 0;
}

clearerr 函數

clearerr 函數用于清除文件的錯誤標志和文件結束標志，其原型如下：

void clearerr(FILE *stream);

stream：要操作的文件指針。

在發生錯誤后，可以使用 clearerr 函數清除錯誤標志，以便繼續進行文件操作。例如：

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {if (ferror(fp)) {printf("文件讀取發生錯誤\n");clearerr(fp); // 清除錯誤標志}putchar(ch);}fclose(fp);return 0;
}

自定義錯誤處理函數

可以編寫自定義的錯誤處理函數，以便在文件操作發生錯誤時進行統一處理。例如：

#include <stdio.h>void handle_file_error(FILE *fp, const char *message) {if (ferror(fp)) {perror(message);clearerr(fp);}
}int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "r");if (fp == NULL) {perror("文件打開失敗");return 1;}int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {handle_file_error(fp, "文件讀取錯誤");putchar(ch);}fclose(fp);return 0;
}