【C语言】第八课输入输出与文件操作

原创已于 2025-09-16 00:01:49 修改 · 738 阅读

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于 2025-09-16 00:00:06 首次发布

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C语言中的输入输出（I/O）和文件操作是与计算机交互和管理数据的基础。

📝 1. 标准输入输出（标准I/O）

标准I/O主要用于与控制台（终端）进行交互。

1.1 输出函数 `printf`

printf 函数用于向标准输出（通常是屏幕）发送格式化后的数据。

函数原型：
```
int printf(const char *format, ...);
```
- format: 这是一个字符串，包含了要输出的文本以及格式控制说明符（占位符）。
- ...: 可变参数列表，提供需要插入到格式字符串中的数据，数量与类型必须与格式控制说明符匹配。

常用格式说明符：

说明符	含义
`%d`	有符号十进制整数
`%u`	无符号十进制整数
`%f` / `%lf`	`float` / `double` 类型浮点数 (对于 `printf`，`%f` 也可用于 `double`)
`%c`	单个字符
`%s`	字符串
`%p`	指针地址
`%x`	十六进制整数（小写字母）
`%%`	输出一个百分号

示例：

#include <stdio.h>
int main() {
    int age = 25;
    double height = 1.75;
    printf("Age: %d, Height: %.2f meters\n", age, height); // 保留两位小数
    return 0;
}

1.2 输入函数 `scanf`

scanf 函数用于从标准输入（通常是键盘）读取格式化输入。

函数原型：
```
int scanf(const char *format, ...);
```
- format: 格式控制字符串，指定如何解析输入数据。
- ...: 必须是变量的地址（使用 & 取地址操作符，字符串名除外）。
重要注意事项：
- 安全风险：scanf 在读取字符串时不会检查目标缓冲区的大小，极易导致缓冲区溢出。绝对避免使用 %s 而不指定长度。
- 安全替代：使用 fgets 读取一行到缓冲区，再用 sscanf 解析，或使用带宽度的 scanf (如 %9s 用于大小为10的char数组)。
- 返回值：返回成功读取并赋值的输入项数，可用于检查输入是否成功或遇到文件结尾(EOF)。

示例：

#include <stdio.h>
int main() {
    int num;
    char str[10];
    printf("Enter a number and a string (max 9 chars): ");
    if (scanf("%d %9s", &num, str) == 2) { // 检查返回值，并限制字符串读取长度
        printf("You entered: %d and %s\n", num, str);
    } else {
        printf("Input error!\n");
    }
    return 0;
}

1.3 其他标准I/O函数

getchar() / putchar(char c): 用于读取和写入单个字符。
gets() / puts(): 避免使用 gets()，因为它无法限制输入长度，极其危险。用 fgets(char *s, int size, stdin) 代替。

💾 2. 文件输入输出（文件I/O）

文件I/O用于将数据持久化保存到存储设备，或从存储设备读取数据。

2.1 文件指针与 `fopen`

在C语言中，操作文件通常使用 FILE 结构体指针（文件流指针）。

打开文件 - fopen:
```
FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
```
- filename: 要打开的文件名（包含路径）。
- mode: 文件打开模式。
- 返回值：成功时返回指向FILE对象的指针，失败时返回 NULL。务必检查返回值！

常用文件打开模式：

模式	含义	文件不存在时
`"r"`	只读打开文本文件	返回NULL
`"w"`	只写打开文本文件。截断文件长度至0（清空原内容）	创建新文件
`"a"`	追加模式打开文本文件，写入数据被加到文件末尾	创建新文件
`"r+"`	读写打开文本文件	返回NULL
`"w+"`	读写打开文本文件。截断文件长度至0（清空原内容）	创建新文件
`"a+"`	读写打开文本文件，写入数据被加到文件末尾	创建新文件
`"rb"`, `"wb"`, `"ab"`, `"r+b"`, etc.	与上述类似，但以二进制模式打开文件，用于非文本数据

示例：

#include <stdio.h>
int main() {
    FILE *fp;
    fp = fopen("data.txt", "r"); // 尝试以只读模式打开文件
    if (fp == NULL) { // 必须检查文件是否成功打开
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
    // ... 文件操作
    fclose(fp); // 最后别忘了关闭文件！
    return 0;
}

2.2 文件读写函数

文件打开后，可以使用多种函数进行读写。

格式化文件读写：
- int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...); - 类似于 printf，但输出到文件。
- int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...); - 类似于 scanf，但从文件读取。
```
fprintf(fp, "Number: %d\n", 100); // 将格式化字符串写入文件
fscanf(fp, "%d", &num);           // 从文件中读取格式化数据
```
字符读写：
- int fgetc(FILE *stream); - 从文件读取一个字符。
- int fputc(int char, FILE *stream); - 向文件写入一个字符。
字符串（行）读写：
- char *fgets(char *str, int n, FILE *stream); - 从文件读取一行字符串，最多读取 n-1 个字符，自动添加 '\0'。相对安全。
- int fputs(const char *str, FILE *stream); - 向文件写入一个字符串。

二进制数据块读写 (非常重要！):

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
- ptr: 指向要读取或写入的数据内存块的指针。
- size: 每个数据项的字节大小（常用 sizeof() 获取）。
- nmemb: 要读取或写入的数据项个数。
- stream: 文件指针。
- 返回值：成功读取或写入的数据项个数（若非 nmemb，可能遇到错误或文件尾）。

示例：读写结构体数组

#include <stdio.h>
struct Student {
    char name[20];
    int age;
};
int main() {
    struct Student stu_list[2] = {{"Alice", 20}, {"Bob", 21}};
    struct Student read_list[2];
    FILE *fp = fopen("data.bin", "wb"); // 二进制写入
    if (fp == NULL) return 1;
    // 将整个结构体数组写入文件
    size_t written = fwrite(stu_list, sizeof(struct Student), 2, fp);
    fclose(fp);
    fp = fopen("data.bin", "rb"); // 二进制读取
    if (fp == NULL) return 1;
    // 从文件中读取整个结构体数组
    size_t read = fread(read_list, sizeof(struct Student), 2, fp);
    fclose(fp);
    printf("Read %zu students.\n", read);
    return 0;
}

2.3 文件随机存取

文件位置指针指示当前读写位置。你可以移动它来实现随机访问。

int fseek(FILE *stream, long offset, int whence); - 移动文件位置指针。
- offset: 偏移量。
- whence: 基准位置，常用：
  - SEEK_SET - 文件开头。
  - SEEK_CUR - 当前位置。
  - SEEK_END - 文件末尾。
long ftell(FILE *stream); - 返回当前文件位置指针的位置（相对于文件开头的字节偏移量）。
void rewind(FILE *stream); - 将文件位置指针重置回文件开头。

2.4 关闭文件与错误处理

int fclose(FILE *stream); - 非常重要！ 关闭已打开的文件流，释放系统资源并确保缓冲区数据写入磁盘。文件操作完毕后必须关闭。
错误处理函数：
- void perror(const char *s); - 打印最近一次系统错误的信息，前面可加上自定义字符串 s。
- int ferror(FILE *stream); - 测试给定流上的错误标识符，如果设置了则返回非零值。

🔧 3. 文件描述符与系统调用（底层I/O）

在Unix/Linux系统中，C标准库的文件操作函数（如fopen, fread）底层是基于系统调用实现的。

文件描述符（File Descriptor, fd）：
- 是一个小的非负整数，用于在进程内唯一标识一个打开的文件。
- 每个进程启动时默认打开三个标准流，其文件描述符为：
  - 0: 标准输入（stdin）
  - 1: 标准输出（stdout）
  - 2: 标准错误（stderr）
- 用户打开文件时，系统会分配一个新的、当前未用的最小文件描述符（如3, 4, 5…）。

常用系统调用函数 (需包含 <unistd.h> 和 <fcntl.h>)：

系统调用	功能说明	类比标准I/O函数
`open()`	打开或创建文件，返回文件描述符	`fopen()`
`read()`	从文件描述符读取数据	`fread()`, `fgetc()`
`write()`	向文件描述符写入数据	`fwrite()`, `fputc()`
`close()`	关闭文件描述符	`fclose()`
`lseek()`	移动文件偏移指针（类似 `fseek`）	`fseek()`

示例：使用系统调用复制文件

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define BUF_SIZE 8192
int main() {
    int src_fd = open("source.txt", O_RDONLY);
    int dest_fd = open("dest.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    char buf[BUF_SIZE];
    ssize_t num_read;
    while ((num_read = read(src_fd, buf, BUF_SIZE)) > 0) {
        write(dest_fd, buf, num_read);
    }
    close(src_fd);
    close(dest_fd);
    return 0;
}

💎 核心概念总结与对比

概念/操作	标准I/O (缓冲I/O)	底层I/O (系统调用，无缓冲I/O)
核心对象	`FILE` 结构体指针 (文件流)	文件描述符 (fd) - 整数
打开	`fopen()`	`open()`
关闭	`fclose()`	`close()`
读取	`fread()`, `fscanf()`, `fgetc()`, `fgets()`	`read()`
写入	`fwrite()`, `fprintf()`, `fputc()`, `fputs()`	`write()`
定位	`fseek()`, `ftell()`, `rewind()`	`lseek()`
优点	带缓冲，通常效率更高；移植性好；格式化读写方便	更接近操作系统，控制更精细；某些特定操作必须使用
缺点	缓冲可能带来延迟；某些底层操作不支持	需要自己管理所有细节；通常更复杂

🛡️ 4. 最佳实践与安全注意事项

始终检查返回值：无论是 fopen, fread, fwrite, scanf 还是系统调用，必须检查其返回值以确保操作成功，这是编写健壮程序的基础。
始终关闭文件：使用 fclose 或 close 释放资源，防止资源泄漏。
警惕缓冲区溢出：避免使用不安全的函数（如 gets, 不加限制的 %s in scanf），优先使用 fgets 或指定宽度。
理解文本模式与二进制模式：在Windows平台上，文本模式（无"b"）会对换行符(\n 和 \r\n)进行转换，而二进制模式（有"b"）则不会。处理非文本文件（如图片、视频）或需要跨平台时，务必使用二进制模式。
注意字节序（Endianness）：在不同系统间通过二进制格式传输数据时，要考虑多字节数据（如int）的字节序问题。
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