C 语言文件操作入门：从基础到实战

对于初学 C 语言的同学来说，文件操作可能是一个有点抽象但又非常重要的知识点。当我们写的程序需要保存数据，而不是程序一退出数据就消失时，文件操作就派上用场了。这篇博客将带你全面了解 C 语言中的文件和文件操作，让你从入门到熟练掌握。

一、为什么需要文件？

在我们之前写的程序中，数据都是存储在内存中的。但内存有个特点，一旦程序退出，内存就会被回收，里面的数据也就丢失了。如果我们想让数据长久保存下来，比如做一个简单的通讯录程序，希望关闭程序后再次打开还能看到之前保存的联系人，这时候就需要用到文件了。

文件能让数据实现持久化存储，把数据保存到硬盘上，即使电脑关机，数据也不会丢失。

二、什么是文件？

在电脑中，硬盘上的文件就是我们通常所说的文件。但在 C 语言程序设计中，从功能角度可以把文件分为两类：

2.1 程序文件

这类文件和程序本身相关，包括：

• 源程序文件（后缀为.c），就是我们写代码的文件
• 目标文件（Windows 环境下后缀为.obj），是编译后生成的文件
• 可执行程序（Windows 环境下后缀为.exe），是最终可以运行的程序

2.2 数据文件

这类文件存储的是程序运行时需要读写的数据，比如程序运行时从中读取数据的文件，或者程序输出内容的文件。我们这篇文章主要讨论的就是数据文件。

以前我们写的程序，输入输出都是针对终端的，从键盘输入，结果显示在显示器上。而有了数据文件，我们可以把数据输出到硬盘上，需要的时候再从硬盘读取到内存中使用。

2.3 文件名

一个文件要有唯一的标识，方便我们找到它。文件名由三部分组成：

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

合起来就是c:\code\test.txt，这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，数据文件可以分为二进制文件和文本文件。

数据在内存中都是以二进制形式存储的。如果直接把内存中的二进制数据输出到外存文件中，这样的文件就是二进制文件。

如果把内存中的二进制数据转换为 ASCII 码形式再输出到外存，这样的文件就是文本文件。

举个例子，整数 10000 在内存中是以二进制形式存储的。如果直接输出到文件，就是二进制文件，占用 4 个字节；如果转换为 ASCII 码输出，就是 '1'、'0'、'0'、'0'、'0' 这 5 个字符，占用 5 个字节。

四、文件的打开和关闭

在对文件进行操作之前，我们需要先打开文件；操作完成后，要关闭文件。

4.1 流和标准流

C 语言中，为了方便对各种外部设备（如键盘、显示器、文件等）进行输入输出操作，抽象出了 “流” 的概念。我们可以把流想象成流淌着字符的河。

C 语言程序启动时，会默认打开 3 个流：

• stdin：标准输入流，通常对应键盘
• stdout：标准输出流，通常对应显示器
• stderr：标准错误流，通常也对应显示器

这三个流的类型都是FILE*，也就是文件指针。

4.2 文件指针

在 C 语言的缓冲文件系统中，每个被使用的文件都会在内存中开辟一个文件信息区，用来存放文件的相关信息，比如文件名、文件状态、当前位置等。这些信息存放在一个结构体变量中，这个结构体类型由系统声明，名为FILE。

我们可以定义一个FILE*类型的指针变量来指向这个结构体变量，通过这个指针来操作文件，这个指针就称为文件指针。例如：

FILE* pf; // 定义一个文件指针变量

4.3 打开和关闭函数

C 语言中用fopen函数打开文件，用fclose函数关闭文件。

fopen函数的原型：

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

其中，filename是文件名，mode是打开方式。

fclose函数的原型：

int fclose ( FILE * stream );

文件的打开方式有很多种，常见的有：

打开方式	含义	如果文件不存在
"r"	只读，打开文本文件	出错
"w"	只写，打开文本文件	创建新文件
"a"	追加，向文本文件末尾添加数据	创建新文件
"rb"	只读，打开二进制文件	出错
"wb"	只写，打开二进制文件	创建新文件

 举个例子：

#include <stdio.h>
int main ()
{
    FILE * pFile;
    //打开文件
    pFile = fopen ("myfile.txt","w");
    //操作文件
    if (pFile!=NULL)
    {
        fputs ("Hello, file!",pFile);
        //关闭文件
        fclose (pFile);
    }
    return 0;
}

五、文件的顺序读写

顺序读写就是按照文件的顺序依次进行读写操作，C 语言提供了一系列函数来实现：

函数名	功能	适用于
fgetc	字符输入函数	所有输入流
fputc	字符输出函数	所有输出流
fgets	文本行输入函数	所有输入流
fputs	文本行输出函数	所有输出流
fscanf	格式化输入函数	所有输入流
fprintf	格式化输出函数	所有输出流
fread	二进制输入	文件
fwrite	二进制输出	文件

5.1 字符读写

fputc用于向文件写入一个字符，fgetc用于从文件读取一个字符。

例如，向文件写入字符：

#include <stdio.h>
int main()
{
    FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
    if (pf != NULL)
    {
        fputc('A', pf); //向文件写入字符'A'
        fclose(pf);
        pf = NULL;
    }
    return 0;
}

 从文件读取字符：

#include <stdio.h>
int main()
{
    FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
    if (pf != NULL)
    {
        int ch = fgetc(pf); //从文件读取一个字符
        printf("%c\n", ch);
        fclose(pf);
        pf = NULL;
    }
    return 0;
}

5.2 文本行读写

fputs用于向文件写入一行文本，fgets用于从文件读取一行文本。

例如：

#include <stdio.h>
int main()
{
    FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
    if (pf != NULL)
    {
        fputs("Hello, world!\n", pf); //写入一行
        fclose(pf);
        pf = NULL;
    }
    
    pf = fopen("test.txt", "r");
    if (pf != NULL)
    {
        char buf[100];
        fgets(buf, 100, pf); //读取一行
        printf("%s", buf);
        fclose(pf);
        pf = NULL;
    }
    return 0;
}

5.3 格式化读写

fprintf和fscanf类似于printf和scanf，但它们是针对文件进行操作的。

例如：

#include <stdio.h>
struct Student
{
    char name[20];
    int age;
};
int main()
{
    struct Student s = {"Tom", 18};
    FILE* pf = fopen("student.txt", "w");
    if (pf != NULL)
    {
        fprintf(pf, "%s %d", s.name, s.age); //格式化写入
        fclose(pf);
        pf = NULL;
    }
    
    struct Student s2;
    pf = fopen("student.txt", "r");
    if (pf != NULL)
    {
        fscanf(pf, "%s %d", s2.name, &s2.age); // 式化读取
        printf("%s %d\n", s2.name, s2.age);
        fclose(pf);
        pf = NULL;
    }
    return 0;
}

5.4 二进制读写

fwrite和fread用于二进制文件的读写。

例如：

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 100;
    FILE* pf = fopen("data.bin", "wb");
    if (pf != NULL)
    {
        fwrite(&a, sizeof(int), 1, pf); //二进制写入
        fclose(pf);
        pf = NULL;
    }
    
    int b;
    pf = fopen("data.bin", "rb");
    if (pf != NULL)
    {
        fread(&b, sizeof(int), 1, pf); //二进制读取
        printf("%d\n", b);
        fclose(pf);
        pf = NULL;
    }
    return 0;
}

六、文件的随机读写

有时候我们需要不按照顺序，直接跳到文件的某个位置进行读写，这就是随机读写，主要通过以下几个函数实现：

6.1 fseek 函数

fseek函数可以根据文件指针的位置和偏移量来定位文件指针，原型：

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

其中，origin有三个取值：

• SEEK_SET：从文件开头开始
• SEEK_CUR：从当前位置开始
• SEEK_END：从文件末尾开始

例如：

#include <stdio.h>
int main ()
{
    FILE * pFile;
    pFile = fopen ( "example.txt" , "wb" );
    fputs ( "This is an apple.", pFile );
    fseek ( pFile , 9 , SEEK_SET ); //从开头偏移9个位置
    fputs ( " orange", pFile );
    fclose ( pFile );
    return 0;
}

 这个程序最终会在文件中写入 “This is an orange”。

6.2 ftell 函数

ftell函数用于返回文件指针相对于起始位置的偏移量，原型：

long int ftell ( FILE * stream );

 例如：

#include <stdio.h>
int main ()
{
    FILE * pFile;
    long size;
    pFile = fopen ("myfile.txt","rb");
    if (pFile==NULL) 
        perror ("Error opening file");
    else
    {
        fseek (pFile, 0, SEEK_END); //定位到文件末尾
        size=ftell (pFile); //获取文件大小
        fclose (pFile);
        printf ("Size of myfile.txt: %ld bytes.\n", size);
    }
    return 0;
}

6.3 rewind 函数

rewind函数可以让文件指针回到文件的起始位置，原型：

void rewind ( FILE * stream );

例如：

#include <stdio.h>
int main ()
{
    FILE * pFile;
    char buffer[20];
    pFile = fopen ("myfile.txt","w+");
    fputs("Hello World", pFile);
    rewind(pFile); //回到文件开头
    fread(buffer, 1, 11, pFile);
    printf("%s\n", buffer); //输出Hello World
    fclose(pFile);
    return 0;
}

七、文件读取结束的判定

很多同学会错误地用feof函数来判断文件是否结束，其实feof函数的作用是：当文件读取结束时，判断结束的原因是否是遇到了文件尾。

正确的判断方法是：

• 对于文本文件，判断fgetc的返回值是否为EOF，或者fgets的返回值是否为NULL。
• 对于二进制文件，判断fread的返回值是否小于实际要读取的个数。

例如，文本文件的读取：

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    int c;
    FILE* fp = fopen("test.txt", "r");
    if(!fp) {
        perror("File opening failed");
        return 1;
    }
    while ((c = fgetc(fp)) != EOF) //判断是否为EOF
    {
        putchar(c);
    }
    //判断结束原因
    if (ferror(fp))
        puts("Error reading file");
    else if (feof(fp))
        puts("End of file reached");
    fclose(fp);
    return 0;
}

八、文件缓冲区

C 语言采用缓冲文件系统，系统会自动为每个正在使用的文件在内存中开辟一块缓冲区。当我们向文件写入数据时，会先送到缓冲区，缓冲区满了之后再一起送到磁盘；读取数据时，会先把数据读到缓冲区，再从缓冲区送到程序数据区。

这个缓冲区的存在，要求我们在操作文件后，要么刷新缓冲区，要么关闭文件，否则可能导致数据没有真正写入文件。

可以用fflush函数来刷新缓冲区（注意：高版本 VS 可能不支持），而fclose函数在关闭文件时也会自动刷新缓冲区。

 例如：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
    FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
    fputs("abcdef", pf); //先存到缓冲区
    printf("等待10秒，此时打开文件看不到内容\n");
    Sleep(10000);
    fflush(pf); //刷新缓冲区，数据写入文件
    printf("再等待10秒，此时打开文件可以看到内容\n");
    Sleep(10000);
    fclose(pf); //关闭文件也会刷新缓冲区
    pf = NULL;
    return 0;
}

总结

文件操作是 C 语言中非常重要的一部分，它能让我们的程序实现数据的持久化存储。本文介绍了文件的基本概念、打开关闭、顺序读写、随机读写、结束判定以及缓冲区等知识。对于初学的同学来说，最重要的是多动手实践，通过编写代码来熟悉这些函数的使用，这样才能真正掌握文件操作。