C语言基本教程 第12课:文件输入输出(IO)

我们对文件的概念已经非常熟悉了，比如常见的 Word 文档、txt 文件、源文件等。文件是数据源的一种，最主要的作用是保存数据。

在操作系统中，为了统一对各种硬件的操作，简化接口，不同的硬件设备也都被看成一个文件。对这些文件的操作，等同于对磁盘上普通文件的操作。例如，通常把显示器称为标准输出文件，printf 就是向这个文件输出，把键盘称为标准输入文件，scanf 就是从这个文件获取数据。

常见硬件设备与文件的对应关系

文件	硬件设备
stdin	标准输入文件，一般指键盘；scanf()、getchar() 等函数默认从 stdin 获取输入。
stdout	标准输出文件，一般指显示器；printf()、putchar() 等函数默认向 stdout 输出数据。
stderr	标准错误文件，一般指显示器；perror() 等函数默认向 stderr输出数据（后续会讲到）。
stdprn	标准打印文件，一般指打印机。

我们不去探讨硬件设备是如何被映射成文件的，大家只需要记住，在C语言中硬件设备可以看成文件，有些输入输出函数不需要你指明到底读写哪个文件，系统已经为它们设置了默认的文件，当然你也可以更改，例如让 printf 向磁盘上的文件输出数据。

操作文件的正确流程为：打开文件 --> 读写文件 --> 关闭文件。文件在进行读写操作之前要先打开，使用完毕要关闭。

所谓打开文件，就是获取文件的有关信息，例如文件名、文件状态、当前读写位置等，这些信息会被保存到一个 FILE 类型的结构体变量中。关闭文件就是断开与文件之间的联系，释放结构体变量，同时禁止再对该文件进行操作。

在C语言中，文件有多种读写方式，可以一个字符一个字符地读取，也可以读取一整行，还可以读取若干个字节。文件的读写位置也非常灵活，可以从文件开头读取，也可以从中间位置读取。

文件流

在《载入内存，让程序运行起来》一文中提到，所有的文件（保存在磁盘）都要载入内存才能处理，所有的数据必须写入文件（磁盘）才不会丢失。数据在文件和内存之间传递的过程叫做文件流，类似水从一个地方流动到另一个地方。数据从文件复制到内存的过程叫做输入流，从内存保存到文件的过程叫做输出流。

文件是数据源的一种，除了文件，还有数据库、网络、键盘等；数据传递到内存也就是保存到C语言的变量（例如整数、字符串、数组、缓冲区等）。我们把数据在数据源和程序（内存）之间传递的过程叫做数据流(Data Stream)。相应的，数据从数据源到程序（内存）的过程叫做输入流(Input Stream)，从程序（内存）到数据源的过程叫做输出流(Output Stream)。

输入输出（Input output，IO）是指程序（内存）与外部设备（键盘、显示器、磁盘、其他计算机等）进行交互的操作。几乎所有的程序都有输入与输出操作，如从键盘上读取数据，从本地或网络上的文件读取数据或写入数据等。通过输入和输出操作可以从外界接收信息，或者是把信息传递给外界。

我们可以说，打开文件就是打开了一个流。

在C语言中，文件操作都是由库函数来完成的，这节介绍文件的打开和关闭。

文件的打开(fopen函数)

fopen() 函数用来打开一个文件，它的原型为：

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

filename为文件名（包括文件路径），mode为打开方式，它们都是字符串。fopen() 会获取文件信息，包括文件名、文件状态、当前读写位置等，并将这些信息保存到一个FILE类型的结构体变量中，然后将该变量的地址返回。

FILE是在stdio.h头文件中定义的一个结构体，用来保存文件信息。

如果希望接收 fopen() 的返回值，就需要定义一个 FILE 类型的指针。例如：

FILE *fp = ("demo.txt", "r");

表示以“只读”方式打开当前目录下的 demo.txt 文件，并使 fp 指向该文件，这样就可以通过 fp 来操作 demo.txt 了。fp 通常被称为文件指针。又如：

FILE *fp = fopen("D:\\demo.txt","rb");

表示以二进制方式打开 D 盘下的 demo.txt 文件，允许读和写。

打开方式(mode)有多种，见下表：

打开方式	说明
r	以只读方式打开文件，只允许读取，不允许写入。该文件必须存在。
r+	以读/写方式打开文件，允许读取和写入。该文件必须存在。
rb+	以读/写方式打开一个二进制文件，允许读/写数据。
rt+	以读/写方式打开一个文本文件，允许读和写。
w	以只写方式打开文件，若文件存在则长度清为0，即该文件内容消失，若不存在则创建该文件。
w+	以读/写方式打开文件，若文件存在则文件长度清为零，即该文件内容会消失。若文件不存在则建立该文件。
a	以追加的方式打开只写文件。若文件不存在，则会建立该文件，如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾，即文件原先的内容会被保留（EOF符保留)。
a+	以追加方式打开可读/写的文件。若文件不存在，则会建立该文件，如果文件存在，则写入的数据会被加到文件尾后，即文件原先的内容会被保留（原来的EOF符 不保留)。
wb	以只写方式打开或新建一个二进制文件，只允许写数据。
wb+	以读/写方式打开或建立一个二进制文件，允许读和写。
wt+	以读/写方式打开或建立一个文本文件，允许读写。
at+	以读/写方式打开一个文本文件，允许读或在文本末追加数据。
ab+	以读/写方式打开一个二进制文件，允许读或在文件末追加数据。

几点说明

1) 文件打开方式由r、w、a、t、b、+ 六个字符拼成，各字符的含义是：

• r(read)：读w(write)：写a(append)：追加t(text)：文本文件，可省略不写b(banary)：二进制文件+：读和写
2) 如果没有“b”字符，文件以文本方式打开。

3) 凡用“r”打开一个文件时，该文件必须已经存在。

4) 在打开一个文件时，如果出错，fopen将返回一个空指针值NULL。在程序中可以用这一信息来判别是否完成打开文件的工作，并作相应的处理。因此常用以下程序段打开文件：
  1. if( (fp=fopen("D:\\demo.txt","rb") == NULL ){
  2. printf("Error on open D:\\demo.txt file!");
  3. getch();
  4. exit(1);
  5. }
  这段程序的意义是，如果返回的指针为空，表示不能打开D盘根目录下的 demo.txt 文件，并给出提示信息“error on open D:\\demo.txt file!”。第3行getch()的功能是从键盘输入一个字符，但不在屏幕上显示。在这里，该行的作用是等待，只有当用户从键盘敲任一键时，程序才继续执行，因此用户可利用这个等待时间阅读出错提示。敲键后执行exit(1)退出程序。

5) 把一个文本文件读入内存时，要将ASCII码转换成二进制码，而把文件以文本方式写入磁盘时，也要把二进制码转换成ASCII码，因此文本文件的读写要花费较多的转换时间。对二进制文件的读写不存在这种转换。

6) 标准输入文件 stdin（键盘）、标准输出文件 stdout（显示器）、标准错误文件 stderr（显示器）是由系统打开的，可直接使用。

  文件关闭（fclose函数）

  文件一旦使用完毕，应该用fclose()函数把文件关闭，以释放相关资源，避免数据丢失。fclose() 的原型为：

  int fclose(FILE *fp);

  fp 为文件指针。例如：

  fclose(fp);

  文件正常关闭时，fclose() 的返回值为0，如果返回非零值则表示有错误发生。
  

   

  在C语言中，读写文件比较灵活，既可以每次读写一个字符，也可以读写一个字符串，甚至是任意字节的数据（数据块）。本节介绍以字符形式读写文件。

以字符形式读写文件时，每次可以从文件中读取一个字符，或者向文件中写入一个字符。主要使用两个函数：fgetc()和fputc()。

  字符读取函数 fgetc

  fgetc 是 file get char 的缩写，意思是从指定的文件中读取一个字符。它的原型为：

  int fgetc (FILE *fp);

  fp 为文件指针。fgetc() 读取成功时返回读取到的字符，读取到文件末尾或读取失败时返回EOF。

EOF 是 end of file 的缩写，表示文件末尾，是在 stdio.h 中定义的宏，它的值是一个负数，往往是 -1。返回值类型之所以为 int，就是为了容纳这个负数（char不能是负数）。

  EOF 不绝对是 -1，也可以是其他负数，这要看编译器的实现。

  fgetc() 使用举例：
  1. char ch;
  2. FILE *fp = fopen("D:\\demo.txt", "r+");
  3. ch = fgetc(fp);
  表示从D:\\demo.txt文件中读取一个字符，并保存到变量ch中。

在文件内部有一个位置指针，用来指向当前读写到的位置，也就是读写到第几个字节。在文件打开时，该指针总是指向文件的第一个字节。使用fgetc 函数后，该指针会向后移动一个字节，所以可以连续多次使用fgetc读取多个字符。

注意：这个文件内部的位置指针与C语言中的指针不是一回事。位置指针仅仅是一个标志，表示文件读写到的位置，也就是读写到第几个字节，它不表示地址。文件每读写一次，位置指针就会移动一次，它不需要你在程序中定义和赋值，而是由系统自动设置，对用户是透明的。

【示例】在屏幕上显示 D:\\demo.txt 文件的内容。
  1. #include
  2. int main(){
  3. FILE *fp;
  4. char ch;
  5.  
  6. //如果文件不存在，给出提示并退出
  7. if( (fp=fopen("D:\\demo.txt","rt")) == NULL ){
  8. printf("Cannot open file, press any key to exit!");
  9. getch();
  10. exit(1);
  11. }
  12.  
  13. //每次读取一个字节，直到读取完毕
  14. while( (ch=fgetc(fp)) != EOF ){
  15. putchar(ch);
  16. }
  17. putchar('\n'); //输出换行符
  18. fclose(fp);
  19. return 0;
  20. }
  在D盘下创建demo.txt文件，输入任意内容并保存，运行程序，就会看到刚才输入的内容全部都显示在屏幕上。

该程序的功能是从文件中逐个读取字符，在屏幕上显示，直到读取完毕。

程序第14行是关键，while 循环的条件为(ch=fgetc(fp)) != EOF。fget() 每次从位置指针所在的位置读取一个字符，并保存到变量 ch，位置指针向后移动一个字节。当文件指针移动到文件末尾时，fget() 就无法读取字符了，于是返回 EOF，表示文件读取结束了。

  对EOF的说明

  EOF 本来表示文件末尾，意味着读取结束，但是很多函数在读取出错时也返回 EOF，那么当返回EOF时，到底是文件读取完毕了还是读取出错了？我们可以借助 stdio.h 中的两个函数来判断，分别是 feof() 和 ferror()。

feof() 函数用来判断文件内部指针是否指向了文件末尾，它的原型是：

  int feof ( FILE * fp );

  当指向文件末尾时返回非零值，否则返回零值。

ferror() 函数用来判断文件操作是否出错，它的原型是：

  int ferror ( FILE *fp );

  出错时返回非零值，否则返回零值。

需要说明的是，文件出错是非常少见的情况，上面的示例基本能够保证将文件内的数据读取完毕。如果追求完美，也可以加上判断并给出提示：
  1. #include
  2. int main(){
  3. FILE *fp;
  4. char ch;
  5.  
  6. //如果文件不存在，给出提示并退出
  7. if( (fp=fopen("D:\\demo.txt","rt")) == NULL ){
  8. printf("Cannot open file, press any key to exit!");
  9. getch();
  10. exit(1);
  11. }
  12.  
  13. //每次读取一个字节，直到读取完毕
  14. while( (ch=fgetc(fp)) != EOF ){
  15. putchar(ch);
  16. }
  17. putchar('\n'); //输出换行符
  18.  
  19. if(ferror(fp)){
  20. puts("读取出错");
  21. }else{
  22. puts("读取成功");
  23. }
  24.  
  25. fclose(fp);
  26. return 0;
  27. }
  这样，不管是出错还是正常读取，都能够做到心中有数。

  字符写入函数fputc

  fputc 是 file output char 的所以，意思是向指定的文件中写入一个字符。调用的形式为：

  int fputc ( int ch, FILE *fp );

  ch 为要写入的字符，fp 为文件指针。fputc() 写入成功时返回写入的字符，失败时返回EOF，返回值类型为 int 也是为了容纳这个负数。例如：

  fputc('a', fp);

  或者：

  char ch = 'a';
  fputc(ch, fp);

  表示把字符 'a' 写入fp所指向的文件中。

  两点说明

  1) 被写入的文件可以用写、读写、追加方式打开，用写或读写方式打开一个已存在的文件时将清除原有的文件内容，并将写入的字符放在文件开头。如需保留原有文件内容，并把写入的字符放在文件末尾，就必须以追加方式打开文件。不管以何种方式打开，被写入的文件若不存在时则创建该文件。

2) 每写入一个字符，文件内部位置指针向后移动一个字节。

【示例】从键盘输入一行字符，写入文件。
  1. #include
  2. int main(){
  3. FILE *fp;
  4. char ch;
  5.  
  6. //判断文件是否成功打开
  7. if( (fp=fopen("D:\\demo.txt","wt+")) == NULL ){
  8. printf("Cannot open file, press any key to exit!\n");
  9. getch();
  10. exit(1);
  11. }
  12.  
  13. printf("Input a string:\n");
  14. //每次从键盘读取一个字符并写入文件
  15. while ( (ch=getchar()) != '\n' ){
  16. fputc(ch,fp);
  17. }
  18. fclose(fp);
  19. return 0;
  20. }
  运行程序，输入一行字符并按回车键结束，打开D盘下的demo.txt文件，就可以看到刚才输入的内容。

程序每次从键盘读取一个字符并写入文件，直到按下回车键，while 条件不成立，结束读取。
  

   

  fgetc() 和 fputc() 函数每次只能读写一个字符，速度较慢；实际开发中往往是每次读写一个字符串或者一个数据块，这样能明显提高效率。

  读字符串函数fgets

  fgets() 函数用来从指定的文件中读取一个字符串，并保存到字符数组中，它的原型为：

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

  str 为字符数组，n 为要读取的字符数目，fp 为文件指针。

返回值：读取成功时返回字符数组首地址，也即 str；读取失败时返回 NULL；如果开始读取时文件内部指针已经指向了文件末尾，那么将读取不到任何字符，也返回 NULL。

注意，读取到的字符串会在末尾自动添加 '\0'，n 个字符也包括 '\0'。也就是说，实际只读取到了 n-1 个字符，如果希望读取 100 个字符，n 的值应该为 101。例如：
  
  1. #define N 101
  2. char str[N];
  3. FILE *fp = fopen("D:\\demo.txt", "r");
  4. fgets(str, N, fp);
  表示从 D:\\demo.txt 中读取100个字符，并保存到字符数组str中。

需要重点说明的是，在读取到 n-1 个字符之前如果出现了换行，或者读到了文件末尾，则读取结束。这就意味着，不管n的值多大，fgets() 最多只能读取一行数据，不能跨行。在C语言中，没有按行读取文件的函数，我们可以借助 fgets()，将n的值设置地足够大，每次就可以读取到一行数据。