从零开始学C语言文件操作：理论与代码详解

一、为什么要使用文件

在C语言编程中，我们编写的程序数据通常存储在电脑内存里。可一旦程序退出，内存就会回收这些数据，再次运行程序时，之前的数据就找不到了。为了能长久保存数据，我们就需要用到文件。文件可以把数据存储在磁盘上，即使程序关闭，数据依然存在，下次运行程序时还能读取使用。

二、什么是文件

在程序设计里，文件分为程序文件和数据文件。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）和可执行程序（Windows环境后缀为.exe） 。而数据文件，简单来说，就是程序运行时读写的数据所在的文件，它的内容不一定是程序代码。比如，一个记录用户信息的文件，或者程序运行过程中生成的日志文件等。

每个文件都要有一个独一无二的标识，方便我们识别和引用，这就是文件名。文件名由文件路径 + 文件名主干 + 文件后缀组成，像 “c:\code\test.txt” 就是一个完整的文件名。

三、二进制文件和文本文件

根据数据的组织形式，数据文件分为文本文件和二进制文件。数据在内存中是以二进制形式存储的，如果直接把数据不加转换地输出到外存文件中，这个文件就是二进制文件。而如果要求数据在外存上以ASCII码的形式存储，那在存储前就需要进行转换，以这种形式存储的文件就是文本文件。

四、文件的打开和关闭

（一）流和标准流

在C程序里，数据的输入输出操作涉及到各种外部设备，为了方便程序员操作，就引入了“流”的概念。程序的数据通过流来与外部设备进行交互。比如，从键盘输入数据，向屏幕输出数据，以及对文件的读写操作，都是通过流来实现的。

C语言程序启动时，会默认打开3个流：

• stdin - 标准输入流，大多数情况下从键盘输入数据，scanf 函数就是从标准输入流中读取数据的。
• stdout - 标准输出流，多数环境下输出到显示器界面，printf 函数就是将信息输出到标准输出流。
• stderr - 标准错误流，通常也输出到显示器界面 。

这三个流的类型都是 FILE*，也就是文件指针，C语言通过文件指针来管理流的各种操作。

（二）文件指针

在缓冲文件系统中，文件指针非常重要。每个被使用的文件在内存里都会开辟一个文件信息区，用来存放文件的相关信息，像文件名、文件状态以及文件当前的位置等。这些信息保存在一个结构体变量中，这个结构体由系统声明，叫做 FILE。不同的C编译器中，FILE 类型包含的内容会有些差异，但大致相似。

当我们打开一个文件时，系统会自动创建一个 FILE 结构的变量，并填充好相关信息，我们不用关心具体细节，只需要通过一个 FILE 指针来操作这个文件就可以了。比如：

FILE* pf; 

这里定义了一个文件指针变量 pf，它可以指向某个文件的文件信息区，通过这个指针就能访问对应的文件。

（三）文件的打开与关闭函数

在对文件进行读写操作之前，要先打开文件，使用完后要关闭文件。ANSI C规定用 fopen 函数打开文件，fclose 函数关闭文件。fopen 函数的原型是：

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

其中，filename 是要打开的文件名，mode 是文件的打开模式。fclose 函数的原型是：

int fclose ( FILE * stream );

stream 就是 fopen 函数返回的文件指针。

文件的打开模式有很多种，常见的如下：

模式大全表：

下面是一个打开和关闭文件的示例代码：

#include <stdio.h>
int main ()
{
    FILE * pFile;
    pFile = fopen ("myfile.txt","w");
    if (pFile!=NULL)
    {
        fputs ("test",pFile);
        fclose (pFile);
    }
    return 0;
}

在这段代码中，我们以 “只写” 模式打开了 myfile.txt 文件，向文件中写入了 “test”，最后关闭了文件。

五、文件的顺序读写

文件的顺序读写是指按照文件内容的先后顺序进行读写操作。C语言提供了一系列函数来实现文件的顺序读写（输入流即为所有输入流）：

• fgetc：字符输入函数，用于从输入流中读取一个字符。
• fputc：字符输出函数，向输出流中写入一个字符。
• fgets：文本行输入函数，从输入流中读取一行文本。
• fputs：文本行输出函数，向输出流中写入一行文本。
• fscanf：格式化输入函数，按照指定格式从输入流中读取数据。
• fprintf：格式化输出函数，按照指定格式向输出流中写入数据。
• fread：二进制输入函数，用于从文件中读取二进制数据。
• fwrite：二进制输出函数，向文件中写入二进制数据。

下面是一个使用 fputc 和 fgetc 函数进行文件读写的示例：

#include <stdio.h>
int main()
{
    FILE *fp1, *fp2;
    char ch;
    // 以只写模式打开文件1
    fp1 = fopen("file1.txt", "w");
    if (fp1 == NULL)
    {
        printf("无法打开文件1\n");
        return 1;
    }
    // 向文件1中写入字符
    fputc('A', fp1);
    fputc('B', fp1);
    fputc('C', fp1);
    fclose(fp1);

    // 以只读模式打开文件1
    fp2 = fopen("file1.txt", "r");
    if (fp2 == NULL)
    {
        printf("无法打开文件1\n");
        return 1;
    }
    // 从文件1中读取字符并输出
    ch = fgetc(fp2);
    while (ch != EOF)
    {
        printf("%c ", ch);
        ch = fgetc(fp2);
    }
    fclose(fp2);
    return 0;
}

在这个示例中，我们先以只写模式打开 file1.txt 文件，向里面写入了 A、B、C 三个字符，然后关闭文件。接着又以只读模式打开这个文件，使用 fgetc 函数逐个读取字符并输出到屏幕上。

六、文件的随机读写

有时候，我们需要在文件中随机地读写数据，而不是按顺序读写。C语言提供了几个函数来实现文件的随机读写：

• fseek：根据文件指针的位置和偏移量来定位文件指针。函数原型为 int fseek ( FILE * stream, long int offset, int origin );，stream 是文件指针，offset 是偏移量，origin 是起始位置，取值可以是 SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前位置）、SEEK_END（文件末尾）。
• ftell：返回文件指针相对于起始位置的偏移量，函数原型为 long int ftell ( FILE * stream );。
• rewind：让文件指针的位置回到文件的起始位置，函数原型为 void rewind ( FILE * stream );。

下面是一个使用 fseek 函数的示例：

#include <stdio.h>
int main ()
{
    FILE * pFile;
    pFile = fopen ( "example.txt" , "wb" );
    fputs ( "This is an apple." , pFile );
    fseek ( pFile , 9 , SEEK_SET );
    fputs ( " sam" , pFile );
    fclose ( pFile );
    return 0;
}

在这段代码中，我们先向 example.txt 文件中写入了 “This is an apple.”，然后使用 fseek 函数将文件指针移动到第9个字符的位置（origin + offset），接着再写入 “ sam”。这样，文件的内容就变成了 “This is a sampple.” 。

七、文件读取结束的判定

（一）feof()函数

1. 文本文件的读取结束判定

feof() 是C标准库中专门用于检测文件结束的函数。它的原型如下：

int feof(FILE *stream);

• 返回值：
  • 非零值（true）：已到达文件末尾
  • 0（false）：未到达文件末尾

注意：feof() 只有在尝试读取超出文件末尾的数据后才会返回 true。（也就是说，遇到错误停止时，如果没到末尾，也返回false，这就会导致实际上已经结束了，但是feof() 认为没有结束）因此，不能直接用 feof 函数的返回值来判断文件是否结束，通常需要结合其他函数使用。

（一）文本文件读取结束判定示例

对于文本文件，我们可以通过判断返回值是否为 EOF（fgetc 函数）或者 NULL（fgets 函数）来确定是否读取结束。例如：

1. 使用 fgetc() 和 feof()

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("example.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        printf("文件打开失败！\n");
        return 1;
    }

    int ch;
    while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {  // 读取字符
        putchar(ch);  // 输出字符
    }

    if (feof(fp)) {
        printf("\n已到达文件末尾\n");
    } else {
        printf("\n读取过程中发生错误\n");
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

2. 使用 fgets() 和 feof()

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("example.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        printf("文件打开失败！\n");
        return 1;
    }

    char buffer[100];
    while (fgets(buffer, 100, fp) != NULL) {  // 读取一行
        printf("%s", buffer);
    }

    if (feof(fp)) {
        printf("\n已到达文件末尾\n");
    } else {
        printf("\n读取过程中发生错误\n");
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

（二） 二进制文件的读取结束判定

1. 使用 fread() 的返回值

fread() 函数返回实际读取的数据项数量。如果返回值小于请求的数量，则可能到达文件末尾或发生错误。

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

• 返回值：实际读取的数据项数量，返回值为 < 0，到达末尾或错误

示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("data.bin", "rb");
    if (fp == NULL) {
        printf("文件打开失败！\n");
        return 1;
    }

    int buffer[10];
    size_t itemsRead;
    // read()返回值 < 0 : 到达末尾 or 错误
    while ((itemsRead = fread(buffer, sizeof(int), 10, fp)) > 0) {
        for (size_t i = 0; i < itemsRead; i++) {
            printf("%d ", buffer[i]);
        }
    }

    if (feof(fp)) {
        printf("\n已到达文件末尾\n");
    } else {
        printf("\n读取过程中发生错误\n");
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

（三）错误处理

• 除了检查文件结束，还应该检查是否发生了其他错误。可以使用 ferror() 函数：

if (ferror(fp)) {
    printf("读取过程中发生错误\n");
}

八、文件缓冲区

ANSI C标准采用“缓冲文件系统”来处理数据文件。在这种系统下，系统会自动在内存中为每个正在使用的文件开辟一块“文件缓冲区” 。

从内存向磁盘输出数据时，数据会先被送到内存中的缓冲区，等缓冲区装满后，才会一起被送到磁盘上。从磁盘向计算机读入数据时，先从磁盘文件中读取数据到内存缓冲区，装满缓冲区后，再逐个将数据送到程序数据区。缓冲区的大小由C编译系统决定。

下面的代码展示了文件缓冲区的作用：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
    FILE*pf = fopen("test.txt", "w");
    fputs("abcdef", pf);
    printf("睡眠10秒-已经写数据了,打开test.txt文件,发现文件没有内容\n");
    Sleep(10000);
    printf("刷新缓冲区\n");
    fflush(pf);
    printf("再睡眠10秒-此时,再次打开test.txt文件,文件有内容了\n");
    Sleep(10000);
    fclose(pf);
    return 0;
}

在这段代码中，我们向文件写入 “abcdef” 后，文件中并不会立即出现这些内容，因为数据先存放在缓冲区中。当我们调用 fflush 函数刷新缓冲区或者调用 fclose 函数（自动刷新缓冲区）关闭文件时，缓冲区的数据才会真正写入到文件中。