【C语言】文件操作全解析

重生之我是Java开发战士2025-08-08 5:03

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在C语言编程中，文件操作是实现数据持久化存储的关键技术。无论是保存用户数据、配置信息还是处理大量数据，都离不开文件操作。本文将详细讲解C语言文件操作的方方面面，从基本概念到实际应用，帮助你全面掌握这一重要技能。

一、为什么需要文件操作？

在程序运行过程中，我们处理的数据通常存储在内存中。然而，内存具有临时性的特点------当程序退出或计算机断电时，内存中的数据会全部丢失。如果我们希望数据能够长期保存，以便下次运行程序时继续使用，就必须使用文件将数据存储到磁盘等外部存储设备中。

简单来说，文件操作让程序的数据拥有了"记忆"能力，是实现数据持久化的核心手段。

二、认识文件：不止是磁盘上的存储

在C语言中，我们通常从功能角度将文件分为两类：

2.1 程序文件

程序文件是用于构成程序本身的文件，包括：

  • 源程序文件（.c后缀）
  • 目标文件（Windows环境下为.obj后缀）
  • 可执行程序（Windows环境下为.exe后缀）

2.2 数据文件

数据文件是程序运行时读写的数据载体，比如：

  • 程序需要读取的配置文件
  • 程序输出的日志文件
  • 存储用户信息的数据库文件

本文重点讨论的是数据文件的操作。

2.3 文件名的构成

一个完整的文件名包含三个部分：

  • 文件路径：指示文件在磁盘中的位置
  • 文件名主干：文件的核心标识
  • 文件后缀：指示文件类型

例如：c:\code\test.txt中，c:\code\是路径，test是文件名主干，.txt是后缀。

三、文本文件与二进制文件：数据的两种形态

根据数据的存储形式，数据文件可分为文本文件和二进制文件，它们的区别如下：

3.1 存储方式差异

  • 二进制文件：数据在内存中以二进制形式存储，不加转换直接输出到外存
  • 文本文件：数据在存储前被转换为ASCII码形式，以字符形式存储

3.2 实例对比：整数10000的存储

以整数10000为例：

  • 文本文件存储：占用5个字节（每个字符一个字节），存储内容是'1','0','0','0','0'的ASCII码
  • 二进制文件存储：在VS2019环境下仅占用4个字节，直接存储其二进制形式00000000 00000000 00100111 00010000

3.3 二进制文件操作示例

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10000;
    FILE* pf = fopen("test.txt", "wb");  // 以二进制写入模式打开文件
    fwrite(&a, 4, 1, pf);  // 将a以二进制形式写入文件
    fclose(pf);
    pf = NULL;
    return 0;
}

在VS中查看二进制文件时，需要使用二进制编辑器，10000会显示为10270000。

四、文件的打开与关闭：操作的开始与结束

4.1 流的概念

C语言通过"流"（stream）来操作各种外部设备（包括文件）。流可以想象成"流淌着字符的河"，程序通过流与外部设备进行数据交换。

C程序启动时会默认打开3个标准流：

  • 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（通常对应显示器）

这就是为什么我们可以直接使用scanf和printf函数进行输入输出，而无需手动打开流。

4.2 文件指针

缓冲文件系统中，通过文件指针（FILE*类型）来管理文件。每个被打开的文件在内存中都有一个对应的文件信息区（结构体），存储文件名、状态、当前位置等信息，文件指针就指向这个结构体。

定义文件指针的方式：

c 复制代码 
FILE* pf;  // 声明一个文件指针变量

4.3 打开与关闭函数

  • 打开文件 ：使用fopen函数

    c 复制代码 
    FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );

  • 关闭文件 ：使用fclose函数

    c 复制代码 
    int fclose ( FILE * stream );

4.4 文件打开模式

文件打开模式决定了对文件的操作权限，常见模式如下：

文件使用方式 含义 如果指定文件不存在
"r"（只读） 打开文本文件用于输入 出错
"w"（只写） 打开文本文件用于输出 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） 打开二进制文件用于输入 出错
"wb"（只写） 打开二进制文件用于输出 创建新文件
"ab"（追加） 向二进制文件末尾添加数据 创建新文件
"r+"（读写） 打开文本文件用于读写 出错
"w+"（读写） 创建文本文件用于读写 创建新文件
"a+"（读写） 打开文本文件用于读写，从末尾开始 创建新文件

4.5 示例代码

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

五、文件的顺序读写：按部就班的数据处理

顺序读写是指从文件的开头到结尾依次进行读写操作，C语言提供了一系列函数实现这一功能：

5.1 常用顺序读写函数

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

5.2 函数对比

  • 输入函数家族：

    • scanf：从标准输入流读取格式化数据
    • fscanf：从指定输入流读取格式化数据
    • sscanf：从字符串读取格式化数据

  • 输出函数家族：

    • printf：向标准输出流输出格式化数据
    • fprintf：向指定输出流输出格式化数据
    • sprintf：将格式化数据输出到字符串

六、文件的随机读写：自由定位数据位置

随机读写允许程序直接定位到文件的任意位置进行操作，主要通过以下函数实现：

6.1 fseek函数：定位文件指针

根据文件指针的当前位置和偏移量来定位指针：

c 复制代码 
int fseek ( FILE * stream, long int offset, int origin );

参数origin可以是：

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

示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main ()
{
    FILE * pFile;
    pFile = fopen ( "example.txt" , "wb" );
    fputs ( "This is an apple." , pFile );
    fseek ( pFile , 9 , SEEK_SET );  // 定位到第10个字符位置
    fputs ( " sam" , pFile );  // 从该位置开始写入
    fclose ( pFile );
    return 0;
}
// 最终文件内容为："This is a sample."

6.2 ftell函数：获取当前位置偏移量

返回文件指针相对于文件起始位置的偏移量：

c 复制代码 
long int ftell ( FILE * stream );

示例：计算文件大小

c 复制代码 
#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);  // 获取偏移量，即文件大小
        fclose (pFile);
        printf ("Size of myfile.txt: %ld bytes.\n",size);
    }
    return 0;
}

6.3 rewind函数：重置文件指针

将文件指针重新定位到文件开头：

c 复制代码 
void rewind ( FILE * stream );

示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main ()
{
    int n;
    FILE * pFile;
    char buffer [27];
    
    pFile = fopen ("myfile.txt","w+");
    for ( n='A' ; n<='Z' ; n++)
        fputc ( n, pFile);
    rewind (pFile);  // 回到文件开头
    
    fread (buffer,1,26,pFile);
    fclose (pFile);
    
    buffer[26]='\0';
    printf(buffer);  // 输出ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
    return 0;
}

七、文件读取结束的判定：正确识别结束条件

很多初学者会错误地使用feof函数来判断文件是否结束，这是需要避免的。

7.1 feof函数的正确用法

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"遇到文件尾"。它并不能直接用来判断文件是否结束。

7.2 正确的判断方式

  1. 文本文件：

    • 使用fgetc时，判断返回值是否为EOF
    • 使用fgets时，判断返回值是否为NULL

    示例：

    c 复制代码 
    #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
    int c;  // 注意：必须是int类型，以处理EOF
    FILE* fp = fopen("test.txt", "r");
    if(!fp) {
        perror("File opening failed");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    
    // fgetc读取失败或遇到文件结束时返回EOF
    while ((c = fgetc(fp)) != EOF)
        putchar(c);
    
    // 判断结束原因
    if (ferror(fp))
        puts("I/O error when reading");
    else if (feof(fp))
        puts("End of file reached successfully");
    
    fclose(fp);
}

  2. 二进制文件：

    • 使用fread时，判断返回值是否小于实际要读取的个数

    示例：

    c 复制代码 
    #include <stdio.h>
enum { SIZE = 5 };
int main(void)
{
    double a[SIZE] = {1.,2.,3.,4.,5.};
    FILE *fp = fopen("test.bin", "wb");  // 二进制模式
    fwrite(a, sizeof *a, SIZE, fp);  // 写入数组
    fclose(fp);
    
    double b[SIZE];
    fp = fopen("test.bin","rb");
    size_t ret_code = fread(b, sizeof *b, SIZE, fp);  // 读取数组
    if(ret_code == SIZE) {
        puts("Array read successfully, contents: ");
        for(int n = 0; n < SIZE; ++n) 
            printf("%f ", b[n]);
        putchar('\n');
    } else {  // 错误处理
        if (feof(fp))
            printf("Error reading test.bin: unexpected end of file\n");
        else if (ferror(fp)) {
            perror("Error reading test.bin");
        }
    }
    fclose(fp);
}

八、文件缓冲区：提升效率的中间层

ANSI C标准采用"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"文件缓冲区"：

  • 输出数据时：先送到内存缓冲区，缓冲区满后再一起写入磁盘
  • 输入数据时：先从磁盘读取到缓冲区，再从缓冲区送到程序数据区

缓冲区的大小由C编译系统决定。

8.1 缓冲区演示

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <windows.h>  // VS2019 WIN11环境
int main()
{
    FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
    fputs("abcdef", pf);  // 数据先存入输出缓冲区
    printf("睡眠10秒-此时打开test.txt，文件无内容\n");
    Sleep(10000);
    printf("刷新缓冲区\n");
    fflush(pf);  // 手动刷新缓冲区，数据写入磁盘
    printf("再睡眠10秒-此时打开test.txt，文件有内容\n");
    Sleep(10000);
    fclose(pf);  // 关闭文件时也会刷新缓冲区
    pf = NULL;
    return 0;
}

8.2 重要结论

由于缓冲区的存在，操作文件时必须注意：

  • 及时刷新缓冲区（使用fflush函数）
  • 操作结束后关闭文件（fclose会自动刷新缓冲区）

否则可能导致数据未能正确写入文件，造成数据丢失或不一致。

总结

文件操作是C语言编程中的重要技能，掌握它可以让你的程序具备数据持久化能力。本文介绍了文件的基本概念、类型划分、打开关闭、顺序读写、随机读写、结束判定以及缓冲区机制等内容。

在实际编程中，要注意以下几点：

  • 始终检查文件是否成功打开
  • 操作完成后及时关闭文件
  • 正确判断文件读取结束的条件
  • 理解并合理利用缓冲区机制
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