C语言文件操作：文件的读写

1. 引言

文件操作是C语言编程中非常重要的一部分，它允许程序从文件中读取数据或将数据写入文件。文件操作不仅用于数据的持久化存储，还广泛应用于配置文件读取、日志记录、数据传输等场景。C语言提供了丰富的文件操作函数，如fopen、fread、fwrite等，这些函数使得文件操作变得简单而高效。

本文将详细介绍C语言中的文件操作，包括文件的打开与关闭、读写操作、定位与随机访问、错误处理等内容。通过系统的学习和实践，读者将能够掌握C语言文件操作的核心技术，并应用于实际项目中。

2. 文件操作基础

2.1 文件的概念

文件是存储在外部存储设备（如硬盘、U盘等）上的数据集合。文件可以是文本文件、二进制文件、图像文件、音频文件等。在C语言中，文件操作是通过文件指针（FILE *）来实现的。

2.2 文件的分类

根据数据的存储方式，文件可以分为两类：

• 文本文件：以ASCII码形式存储数据，适合存储可读的文本信息。

• 二进制文件：以二进制形式存储数据，适合存储非文本数据，如图像、音频等。

2.3 文件指针

文件指针是指向FILE结构体的指针，FILE结构体包含了文件的相关信息，如文件位置、缓冲区状态等。通过文件指针，程序可以对文件进行读写操作。

3. 文件的打开与关闭

3.1 fopen函数

fopen函数用于打开文件，其原型如下：

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

• filename：文件名，可以是相对路径或绝对路径。

• mode：打开模式，如"r"（只读）、"w"（只写）、"a"（追加）等。

示例：

FILE *file = fopen("example.txt", "r");
if (file == NULL) {
    perror("Failed to open file");
    return 1;
}

3.2 fclose函数

fclose函数用于关闭文件，其原型如下：

int fclose(FILE *stream);

• stream：文件指针。

示例：

fclose(file);

4. 文件的读写操作

4.1 fread函数

fread函数用于从文件中读取数据，其原型如下：

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

• ptr：指向存储数据的缓冲区。

• size：每个数据项的大小。

• nmemb：要读取的数据项数量。

• stream：文件指针。

示例：

char buffer[100];
size_t result = fread(buffer, 1, 100, file);
if (result != 100) {
    perror("Failed to read file");
    return 1;
}

4.2 fwrite函数

fwrite函数用于向文件中写入数据，其原型如下：

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

• ptr：指向要写入的数据。

• size：每个数据项的大小。

• nmemb：要写入的数据项数量。

• stream：文件指针。

示例：

char buffer[] = "Hello, World!";
size_t result = fwrite(buffer, 1, sizeof(buffer), file);
if (result != sizeof(buffer)) {
    perror("Failed to write file");
    return 1;
}

4.3 fgets与fputs函数

fgets函数用于从文件中读取一行文本，其原型如下：

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

• str：指向存储文本的缓冲区。

• n：要读取的最大字符数。

• stream：文件指针。

示例：

char line[100];
if (fgets(line, 100, file) != NULL) {
    printf("%s", line);
}

fputs函数用于向文件中写入一行文本，其原型如下：

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

• str：指向要写入的文本。

• stream：文件指针。

示例：

fputs("Hello, World!\n", file);

4.4 fscanf与fprintf函数

fscanf函数用于从文件中格式化读取数据，其原型如下：

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

• stream：文件指针。

• format：格式化字符串。

示例：

int num;
fscanf(file, "%d", &num);

fprintf函数用于向文件中格式化写入数据，其原型如下：

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

• stream：文件指针。

• format：格式化字符串。

示例：

fprintf(file, "Number: %d\n", 42);

5. 文件的定位与随机访问

5.1 fseek函数

fseek函数用于移动文件指针到指定位置，其原型如下：

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

• stream：文件指针。

• offset：偏移量。

• whence：起始位置，如SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前位置）、SEEK_END（文件末尾）。

示例：

fseek(file, 10, SEEK_SET);

5.2 ftell函数

ftell函数用于获取文件指针的当前位置，其原型如下：

long ftell(FILE *stream);

• stream：文件指针。

示例：

long pos = ftell(file);
printf("Current position: %ld\n", pos);

5.3 rewind函数

rewind函数用于将文件指针移动到文件开头，其原型如下：

void rewind(FILE *stream);

• stream：文件指针。

示例：

rewind(file);

6. 文件的错误处理

6.1 feof函数

feof函数用于检查文件是否到达末尾，其原型如下：

int feof(FILE *stream);

• stream：文件指针。

示例：

if (feof(file)) {
    printf("End of file reached.\n");
}

6.2 ferror函数

ferror函数用于检查文件操作是否出错，其原型如下：

int ferror(FILE *stream);

• stream：文件指针。

示例：

if (ferror(file)) {
    perror("File error");
}

6.3 perror函数

perror函数用于输出错误信息，其原型如下：

void perror(const char *s);

• s：自定义错误信息。

示例：

perror("File operation failed");

7. 二进制文件与文本文件的区别

7.1 二进制文件的读写

二进制文件以二进制形式存储数据，适合存储非文本数据。读写二进制文件时，通常使用fread和fwrite函数。

示例：

int data[] = {1, 2, 3, 4, 5};
fwrite(data, sizeof(int), 5, file);

7.2 文本文件的读写

文本文件以ASCII码形式存储数据，适合存储可读的文本信息。读写文本文件时，通常使用fgets、fputs、fscanf和fprintf函数。

示例：

fprintf(file, "Hello, World!\n");

8. 文件操作的高级技巧

8.1 文件缓冲区

文件缓冲区是用于临时存储文件数据的内存区域。通过设置文件缓冲区，可以提高文件操作的效率。

示例：

char buffer[1024];
setvbuf(file, buffer, _IOFBF, 1024);

8.2 文件锁

文件锁用于控制多个进程对同一文件的并发访问。通过文件锁，可以避免数据竞争和冲突。

示例：

flockfile(file);
// 文件操作
funlockfile(file);

8.3 文件映射

文件映射是将文件直接映射到内存中，通过内存地址访问文件数据。文件映射适用于大文件的随机访问。

示例：

int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
void *addr = mmap(NULL, file_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);

9. 实际应用案例

9.1 文件复制

文件复制是将一个文件的内容复制到另一个文件中。通过文件操作函数，可以实现文件的逐字节复制。

示例：

FILE *src = fopen("source.txt", "rb");
FILE *dst = fopen("destination.txt", "wb");
char buffer[1024];
size_t bytes;
while ((bytes = fread(buffer, 1, 1024, src)) {
    fwrite(buffer, 1, bytes, dst);
}
fclose(src);
fclose(dst);

9.2 文件加密与解密

文件加密与解密是通过对文件内容进行加密和解密操作，保护文件数据的安全。

示例：

void encrypt_file(const char *filename) {
    FILE *file = fopen(filename, "rb+");
    int ch;
    while ((ch = fgetc(file)) != EOF) {
        fseek(file, -1, SEEK_CUR);
        fputc(ch ^ 0xFF, file);
    }
    fclose(file);
}

9.3 日志记录

日志记录是将程序的运行信息写入日志文件中，便于后续分析和调试。

示例：

void log_message(const char *message) {
    FILE *log_file = fopen("log.txt", "a");
    fprintf(log_file, "%s\n", message);
    fclose(log_file);
}

10. 总结

文件操作是C语言编程中不可或缺的一部分，掌握文件操作函数的使用方法对于开发高效、可靠的程序至关重要。通过本文的学习，大家可以系统地了解C语言中的文件操作，包括文件的打开与关闭、读写操作、定位与随机访问、错误处理等内容。希望本文能够帮助大家在实际项目中灵活运用文件操作技术，提升编程能力。