在C語言編程中，文件操作和預處理是兩個重要的組成部分。文件操作允許程序與外部存儲設備交互，而預處理則在編譯前對源代碼進行文本處理。這兩個功能為C程序提供了強大的擴展性和靈活性。

文件操作

文件基本概念

在C語言中，文件是存儲在外部介質（如硬盤、U盤）上的數據集合。C語言將文件視為字節序列，并提供了兩種文件處理模式：

1. 文本模式：以字符為單位處理文件，自動處理換行符（Windows:\r\n ? Unix:\n）
2. 二進制模式：以字節為單位處理文件，不進行任何轉換

文件指針

文件操作通過文件指針（FILE*）實現，它指向一個包含文件信息的結構體：

#include <stdio.h>FILE *fp;  // 聲明文件指針// 打開文件
fp = fopen("example.txt", "r");  // 以只讀模式打開文本文件if (fp == NULL) {printf("無法打開文件\n");return 1;
}// 文件操作...// 關閉文件
fclose(fp);

文件打開模式

模式	描述
“r”	只讀模式，文件必須存在
“w”	寫入模式，創建新文件或覆蓋
“a”	追加模式，在文件末尾添加內容
“r+”	讀寫模式，文件必須存在
“w+”	讀寫模式，創建新文件或覆蓋
“a+”	讀寫模式，在文件末尾添加內容

文件讀取操作

字符讀取

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("example.txt", "r");if (fp == NULL) {printf("無法打開文件\n");return 1;}int ch;// 逐個字符讀取，EOF表示文件結束while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {putchar(ch);  // 輸出到屏幕}fclose(fp);return 0;
}

字符串讀取

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("example.txt", "r");if (fp == NULL) {printf("無法打開文件\n");return 1;}char buffer[100];// 讀取一行文本（最多99個字符）while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {printf("%s", buffer);}fclose(fp);return 0;
}

格式化讀取

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("data.txt", "r");if (fp == NULL) {printf("無法打開文件\n");return 1;}int num;float f;char str[50];// 格式化讀取while (fscanf(fp, "%d %f %s", &num, &f, str) == 3) {printf("讀取: %d, %.2f, %s\n", num, f, str);}fclose(fp);return 0;
}

二進制讀取

#include <stdio.h>typedef struct {int id;char name[50];float score;
} Student;int main() {FILE *fp = fopen("students.dat", "rb");  // 二進制讀取if (fp == NULL) {printf("無法打開文件\n");return 1;}Student s;// 讀取結構體數據while (fread(&s, sizeof(Student), 1, fp) == 1) {printf("ID: %d, 姓名: %s, 分數: %.2f\n", s.id, s.name, s.score);}fclose(fp);return 0;
}

文件寫入操作

字符寫入

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("output.txt", "w");if (fp == NULL) {printf("無法創建文件\n");return 1;}char text[] = "Hello, World!";for (int i = 0; text[i] != '\0'; i++) {fputc(text[i], fp);  // 寫入單個字符}fclose(fp);return 0;
}

字符串寫入

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("output.txt", "w");if (fp == NULL) {printf("無法創建文件\n");return 1;}char *text = "這是一行文本\n";fputs(text, fp);  // 寫入字符串（不自動添加換行符）fclose(fp);return 0;
}

格式化寫入

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("data.txt", "w");if (fp == NULL) {printf("無法創建文件\n");return 1;}int num = 42;float f = 3.14;char *str = "Hello";// 格式化寫入fprintf(fp, "%d %.2f %s\n", num, f, str);fclose(fp);return 0;
}

二進制寫入

#include <stdio.h>typedef struct {int id;char name[50];float score;
} Student;int main() {FILE *fp = fopen("students.dat", "wb");  // 二進制寫入if (fp == NULL) {printf("無法創建文件\n");return 1;}Student s = {1, "張三", 85.5};// 寫入結構體數據fwrite(&s, sizeof(Student), 1, fp);fclose(fp);return 0;
}

文件定位操作

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("example.txt", "r");if (fp == NULL) {printf("無法打開文件\n");return 1;}// 獲取文件位置long pos = ftell(fp);  // 初始位置為0// 移動文件指針fseek(fp, 10, SEEK_SET);  // 從文件開頭移動10個字節fseek(fp, 5, SEEK_CUR);   // 從當前位置移動5個字節fseek(fp, -20, SEEK_END); // 從文件末尾向前移動20個字節// 重置文件指針到開頭rewind(fp);fclose(fp);return 0;
}

文件錯誤處理

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>int main() {FILE *fp = fopen("nonexistent.txt", "r");if (fp == NULL) {// 打印錯誤信息printf("錯誤: %s\n", strerror(errno));return 1;}// 檢查文件操作錯誤if (ferror(fp)) {printf("文件操作錯誤\n");clearerr(fp);  // 清除錯誤標志}fclose(fp);return 0;
}

預處理

預處理基本概念

預處理是C編譯過程的第一步，由預處理器(Preprocessor)執行。預處理指令以#開頭，它們在編譯前被處理，用于修改源代碼文本。

常見預處理指令

1. 文件包含：#include
2. 宏定義：#define、#undef
3. 條件編譯：#if、#ifdef、#ifndef、#elif、#else、#endif
4. 錯誤處理：#error
5. 行號和文件名：#line
6. 編譯控制：#pragma

文件包含指令

// 標準庫頭文件
#include <stdio.h>    // 從標準庫目錄查找
#include <string.h>// 自定義頭文件
#include "myheader.h" // 從當前目錄或指定目錄查找

宏定義

簡單宏

#define PI 3.14159
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))int main() {float radius = 5.0;float area = PI * radius * radius;int x = 10, y = 20;int max_val = MAX(x, y);return 0;
}

帶參數的宏

#define SQUARE(x) ((x) * (x))
#define PRINT_INT(x) printf("Value: %d\n", x)int main() {int a = 5;int result = SQUARE(a + 1);  // 展開為 ((a + 1) * (a + 1))PRINT_INT(result);  // 展開為 printf("Value: %d\n", result)return 0;
}

字符串化操作符(#)

#define STR(x) #xint main() {printf(STR(Hello World!));  // 展開為 printf("Hello World!");printf(STR(1 + 2));         // 展開為 printf("1 + 2");return 0;
}

標記粘貼操作符(##)

#define CONCAT(a, b) a##bint main() {int xy = 100;printf("%d\n", CONCAT(x, y));  // 展開為 printf("%d\n", xy);return 0;
}

條件編譯

#ifdef 和 #ifndef

#ifdef DEBUGprintf("調試信息: 變量x = %d\n", x);
#endif#ifndef MAX_SIZE#define MAX_SIZE 100
#endif

#if 和 #elif

#define VERSION 2#if VERSION == 1printf("使用版本1\n");
#elif VERSION == 2printf("使用版本2\n");
#elseprintf("未知版本\n");
#endif

條件編譯示例：平臺特定代碼

#ifdef _WIN32// Windows平臺代碼#include <windows.h>#define LINE_END "\r\n"
#elif __linux__// Linux平臺代碼#include <unistd.h>#define LINE_END "\n"
#else#error "不支持的平臺"
#endif

其他預處理指令

#error 指令

#if !defined(__STDC__)#error "需要標準C編譯器"
#endif

#line 指令

#line 100 "custom_file.c"
// 從這里開始，行號從100開始，文件名顯示為custom_file.c

#pragma 指令

#pragma once  // 保證頭文件只被包含一次#pragma GCC diagnostic ignored "-Wunused-variable"  // 忽略未使用變量警告

預處理的優缺點

優點

1. 代碼復用：通過宏和頭文件實現代碼重用
2. 條件編譯：支持跨平臺開發和調試版本
3. 代碼生成：在編譯前自動生成代碼
4. 性能優化：宏替換可以減少函數調用開銷

缺點

1. 可讀性降低：過度使用宏會使代碼難以理解
2. 調試困難：錯誤可能出現在預處理后的代碼中
3. 潛在副作用：宏參數可能被多次求值
4. 命名沖突：宏定義可能與其他標識符沖突

預處理與編譯的區別

特性	預處理階段	編譯階段
執行時間	編譯前	預處理后
處理內容	文本替換、文件包含、條件編譯	詞法分析、語法分析、代碼生成
輸出結果	修改后的源代碼	目標代碼（匯編或機器碼）
工具	預處理器（cpp）	編譯器（cc、gcc）
指令形式	以#開頭的預處理指令	C語言語句

實際應用示例

文件操作示例：學生成績管理系統

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define MAX_NAME_LEN 50
#define MAX_STUDENTS 100typedef struct {int id;char name[MAX_NAME_LEN];float score;
} Student;// 保存學生信息到文件
void saveStudents(Student students[], int count) {FILE *fp = fopen("students.dat", "wb");if (fp == NULL) {printf("無法創建文件\n");return;}fwrite(&count, sizeof(int), 1, fp);  // 寫入學生數量fwrite(students, sizeof(Student), count, fp);  // 寫入學生數據fclose(fp);printf("已保存 %d 名學生信息\n", count);
}// 從文件加載學生信息
int loadStudents(Student students[]) {FILE *fp = fopen("students.dat", "rb");if (fp == NULL) {printf("無法打開文件或文件不存在\n");return 0;}int count;fread(&count, sizeof(int), 1, fp);  // 讀取學生數量fread(students, sizeof(Student), count, fp);  // 讀取學生數據fclose(fp);printf("已加載 %d 名學生信息\n", count);return count;
}int main() {Student students[MAX_STUDENTS];int count = 0;// 添加學生信息students[count].id = 1;strcpy(students[count].name, "張三");students[count].score = 85.5;count++;students[count].id = 2;strcpy(students[count].name, "李四");students[count].score = 92.0;count++;// 保存到文件saveStudents(students, count);// 清空數組memset(students, 0, sizeof(students));count = 0;// 從文件加載count = loadStudents(students);// 顯示學生信息for (int i = 0; i < count; i++) {printf("ID: %d, 姓名: %s, 分數: %.1f\n", students[i].id, students[i].name, students[i].score);}return 0;
}

預處理示例：調試宏

#ifdef DEBUG#define DEBUG_PRINT(fmt, ...) printf("DEBUG: " fmt, __VA_ARGS__)#define DEBUG_LINE() printf("DEBUG: Line %d in %s\n", __LINE__, __FILE__)
#else#define DEBUG_PRINT(fmt, ...) do {} while(0)#define DEBUG_LINE() do {} while(0)
#endif// 平臺檢測
#ifdef _WIN32#define PLATFORM "Windows"#include <windows.h>
#elif __linux__#define PLATFORM "Linux"#include <unistd.h>
#elif __APPLE__#define PLATFORM "macOS"#include <unistd.h>
#else#define PLATFORM "Unknown"
#endifint main() {DEBUG_LINE();DEBUG_PRINT("程序開始運行，平臺: %s\n", PLATFORM);int x = 42;DEBUG_PRINT("變量x的值: %d\n", x);// 正常代碼...return 0;
}

總結

文件操作和預處理是C語言中兩個重要的功能，它們分別在程序運行時和編譯前發揮作用：

• 文件操作允許程序與外部存儲設備交互，支持文本和二進制兩種模式
• 預處理在編譯前對源代碼進行文本處理，提供宏定義、文件包含和條件編譯等功能
• 文件操作通過文件指針和標準庫函數實現，需要注意文件打開模式和錯誤處理
• 預處理指令以#開頭，它們不是C語言語句，而是由預處理器單獨處理

掌握文件操作和預處理技術，能夠使C程序更加靈活、可移植，并支持復雜的數據處理和代碼組織。