【《C Primer Plus》读书笔记】第13章：文件输入/输出

13.1 与文件进行通信

13.1.1 文件是什么

文件通常是在磁盘或固态硬盘上的一段已命名的存储区。

C把文件看作是一系列连续的字节，每个字节都能被单独读取。

C提供两种文件模式：文本模式和二进制模式。

13.1.2 文本模式和二进制模式

所有文件的内容（在磁盘上）都以二进制（0或1）表示。

因为编码方式不同，导致展现的形式不同。

定义：

• 如果文件使用二进制编码的字符，如Unicode，ASCII表示文本，那么就是文本文件。
• 如果二进制代表的是机器语言，或数值数据，或图片，或音乐编码，该文件就是二进制文件。

区别：

1. 对于字符串中\n的处理不同。
   在Windows系统中用文本模式打开文件时会发现文件中的换行符是\n，这看起来再正常不过了，但当你改为用二进制模式打开文件时会发现文件中的换行符变为\r\n。
   事实上，在Windows系统中的的文件中的换行符都是\r\n，只不过在使用文本模式时，会把文件内容从文本的系统表示法映射为C表示法，而使用二进制表示法时不会进行映射转换。

2. 以二进制模式打开文件是，可以逐字节读取文件。
   这也就是为什么在使用部分函数例如fseek()和ftell()时必须以二进制模式打开文件

3. 使用文本模式打开文件时，就要用fprintf()写入数据，使用二进制模式打开文件时候，就要用fwrite()写入数据。
   这是因为fprintf()类型的函数会将数据转换为文本，而fwrite()这类函数则不会。

为了规范文本文件的处理，C提供两种访问文件的途径：文本模式和二进制模式。

• 在二进制模式中，程序可以访问文件的每个字节。
• 在文本模式中，程序所见的内容与文件实际内容不同。典型代表就是对于字符串中\n的处理。

13.1.3 I/O的级别

• 底层I/O：使用操作系统的基本I/O服务。
• 标准高级I/O：使用C库的标准包和stdio.h头文件定义。

C标准只支持标准I/O包。有些实现会提供底层库，但C标准建立了可移植的I/O模型。

13.1.4 标准文件

C程序会自动打开3个文件：标准输入、标准输出、标准错误输出。

标准输入是系统的普通输入设备，通常是键盘。

标准输出、标准错误输出是系统的普通输出设备，通常是显示屏。

标准错误输出提供了一个从逻辑上不同的地方来发送错误的信息。

13.2 标准I/O

标准I/O由ANSI C标准定义，C标准中定义了C库，标准I/O就是C库中用来输入和输出的函数。标准I/O在系统调用的上一层多加了一个缓冲区，通过缓冲机制减少了系统调用，实现更高的效率。

标准I/O包的3个好处：

1. 可移植
2. 标准I/O有许多专门的函数简化了处理不同I/O的问题
3. 输入和输出都是缓冲的

程序清单13.1 count.c程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{int ch;FILE *fp;unsigned count = 0;if (argc != 2){printf("Usage: %s filename\n", argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}if ((fp = fopen(argv[1], "r")) == NULL){printf("Can't open %s\n", argv[1]);exit(EXIT_FAILURE);}while ((ch = getc(fp)) != EOF){putc(ch, stdout);count++;}fclose(fp);printf("File %s has %lu characters\n", argv[1], count);system("pause");return 0;
}

13.3 一个简单的文件压缩程序

程序清单13.2 reducto.c程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define LEN 40int main(int argc, char *argv[])
{FILE *in, *out;int ch;char name[LEN];int count = 0;if (argc < 2){fprintf(stderr, "Usage: %s filename\n", argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}if ((in = fopen(argv[1], "r")) == NULL){fprintf(stderr, "I couldn't open the file \"%s\"\n", argv[1]);exit(EXIT_FAILURE);}strncpy(name, argv[1], LEN - 5);name[LEN - 5] = '\0';strcat(name, ".red");if ((out = fopen(name, "w")) == NULL){fprintf(stderr, "Can't create output file.\n");exit(3);}while ((ch = getc(in)) != EOF)if (count++ % 3 == 0)putc(ch, out);if (fclose(in) != 0 || fclose(out) != 0)fprintf(stderr, "Error in closing files\n");system("pause");return 0;
}

运行结果：

13.4 文件I/O：fprintf()、fscanf()、fgets()和fputs()

程序清单13.3 addword.c程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define MAX 41int main(void)
{FILE *fp;char words[MAX];if ((fp = fopen("wordy", "a+")) == NULL){fprintf(stderr, "Can't open \"wordy\" file.\n");exit(EXIT_FAILURE);}puts("Enter words to add to the file; press the #");puts("key at the beginning of a line to terminate.");while ((fscanf(stdin, "%40s", words) == 1) && (words[0] != '#'))fprintf(fp, "%s\n", words);puts("File contents:");rewind(fp); /*返回到文件开始处*/while (fscanf(fp, "%s", words) == 1)puts(words);puts("Done!");if (fclose(fp) != 0)fprintf(stderr, "Error closing file\n");system("pause");return 0;
}

运行结果：

13.5 随机访问：fseek()和ftell()

C 库函数 - fseek()

描述：
C 库函数 int fseek(FILE *stream, long int offset, int whence) 设置流 stream 的文件位置为给定的偏移 offset，参数 offset 意味着从给定的 whence 位置查找的字节数。

声明：
下面是 fseek() 函数的声明。

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

参数：

• stream – 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象标识了流。
• offset – 这是相对 whence 的偏移量，以字节为单位。
• whence – 这是表示开始添加偏移 offset 的位置。它一般指定为下列常量之一：

常量	描述
SEEK_SET	文件的开头
SEEK_CUR	文件指针的当前位置
SEEK_END	文件的末尾

返回值：
如果成功，则该函数返回零，否则返回非零值。

实例：
下面的实例演示了 fseek() 函数的用法。

#include <stdio.h>int main ()
{FILE *fp;fp = fopen("file.txt","w+");fputs("This is runoob.com", fp);fseek( fp, 7, SEEK_SET );fputs(" C Programming Langauge", fp);fclose(fp);return(0);
}

让我们编译并运行上面的程序，这将创建文件 file.txt，它的内容如下。最初程序创建文件和写入 This is runoob.com，但是之后我们在第七个位置重置了写指针，并使用 puts() 语句来重写文件，内容如下：

This is C Programming Langauge

现在让我们使用下面的程序查看上面文件的内容：

#include <stdio.h>int main ()
{FILE *fp;int c;fp = fopen("file.txt","r");while(1){c = fgetc(fp);if( feof(fp) ){break ;}printf("%c", c);}fclose(fp);return(0);
}

运行结果：

C 库函数 - ftell()

描述：
C 库函数 long int ftell(FILE *stream) 返回给定流 stream 的当前文件位置，即：参数指向文件的当前位置距文件开始处的字节数。

声明:
下面是 ftell() 函数的声明。

long int ftell(FILE *stream)

参数：
stream – 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象标识了流。

返回值：
该函数返回位置标识符的当前值。如果发生错误，则返回 -1L，全局变量 errno 被设置为一个正值。
返回类型为long。

实例：
下面的实例演示了 ftell() 函数的用法。

#include <stdio.h>int main ()
{FILE *fp;int len;fp = fopen("file.txt", "r");if( fp == NULL ) {perror ("打开文件错误");return(-1);}fseek(fp, 0, SEEK_END);len = ftell(fp);fclose(fp);printf("file.txt 的总大小 = %d 字节\n", len);return(0);
}

假设我们有一个文本文件 file.txt，它的内容如下：

This is runoob.com

让我们编译并运行上面的程序，如果文件内容如上所示，这将产生以下结果，否则会根据文件内容给出不同的结果：

file.txt 的总大小 = 18 字节

运行结果：

reverse.c

程序清单13.4 reverse.c

逆序打印文件内容。

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define CNTL_Z '\032' /* eof marker in DOS text files */
#define SLEN 81
int main(void)
{char file[SLEN];char ch;FILE *fp;long count, last;puts("Enter the name of the file to be processed:");scanf("%80s", file);if ((fp = fopen(file, "rb")) == NULL){ /* read-only mode   */printf("reverse can't open %s\n", file);exit(EXIT_FAILURE);}fseek(fp, 0L, SEEK_END); /* go to end of file */last = ftell(fp);for (count = 1L; count <= last; count++){fseek(fp, -count, SEEK_END); /* go backward      */ch = getc(fp);if (ch != CNTL_Z && ch != '\r') /* MS-DOS files */putchar(ch);}putchar('\n');fclose(fp);return 0;
}

文件内容：

运行结果：

13.5.2 二进制模式和文本模式

ftell()函数在二进制模式和文本模式的工作方式不同。

ANSI C规定：

• 对于文本模式，ftell()返回的值可以作为fseek()的第2个参数。
• 对于MS-DOS，ftell()返回的值把\r\n当作一个字节计数。

13.5.3 可移植性

理论上，fseek()和ftell()应该符合UNIX模型。

限制：

• 在二进制模式中，实现不必支持SEEK_END模式
• 在文本模式中，只有以下调用能保证其相应的行为

函数调用	效果
fseek(file, 0L, SEEK_SET)	定位到文件的开头
fseek(file, 0L, SEEK_CUR)	保持当前位置不动
fseek(file, 0L, SEEK_END)	定位到文件的末尾
fseek(file, ftell_pos, SEEK_SET)	到距离文件开始处ftell_pos的位置，ftell_pos是ftell()的返回值

不过，许多常见的环境都支持更多的行为。

13.5.4 fgetpos()和fsetpos()函数

fseek()和ftell()潜在的问题是，它们都把文件大小限制在long类型能表达的范围内。

但随着文件越来越大，ANSI C新增了2个处理较大文件的新定位函数：fgetpos()和fsetpos()。

这两个函数不使用long类型的值表示位置，它们使用一种全新的类型：fpos_t

C 库函数 - fgetpos()

描述：
C 库函数 int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos) 获取流 stream 的当前文件位置，并把它写入到 pos。

声明：
下面是 fgetpos() 函数的声明。

int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos)

参数：
stream – 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象标识了流。
pos – 这是指向 fpos_t 对象的指针。

返回值：
如果成功，该函数返回零。如果发生错误，则返回非零值。

实例：
下面的实例演示了 fgetpos() 函数的用法。

#include <stdio.h>int main ()
{FILE *fp;fpos_t position;fp = fopen("file.txt","w+");fgetpos(fp, &position);fputs("Hello, World!", fp);fsetpos(fp, &position);fputs("这将覆盖之前的内容", fp);fclose(fp);return(0);
}

让我们编译并运行上面的程序，这将创建一个文件 file.txt，它的内容如下。首先我们使用 fgetpos() 函数获取文件的初始位置，接着我们向文件写入 Hello, World!，然后我们使用 fsetpos() 函数来重置写指针到文件的开头，重写文件为下列内容：

这将覆盖之前的内容

现在让我们使用下面的程序查看上面文件的内容：

#include <stdio.h>int main ()
{FILE *fp;int c;int n = 0;fp = fopen("file.txt","r");while(1){c = fgetc(fp);if( feof(fp) ){break ;}printf("%c", c);}fclose(fp);return(0);
}

运行结果：

执行第13行代码前，file.txt的内容：

执行第13行代码前，覆盖后file.txt的内容：

13.6 标准I/O的机理

通常，使用标准I/O的第1步是调用fopen()打开文件（前面介绍过，C程序会自动打开3种标准文件）。fopen()函数不仅打开一个文件，还创建了一个缓冲区（在读写模式下会创建两个缓冲区）以及一个包含文件和缓冲区数据的结构。另外，fopen()返回一个指向该结构的指针，以便其他函数知道如何找到该结构。假设把该指针赋给一个指针变量fp，我们说fopen()函数“打开一个流”。如果以文本模式打开该文件，就获得一个文本流；如果以二进制模式打开该文件，就获得一个二进制流。

这个结构通常包含一个指定流中当前位置的文件位置指示器。除此之外，它还包含错误和文件结尾的指示器、一个指向缓冲区开始处的指针、一个文件标识符和一个计数（统计实际拷贝进缓冲区的字节数）。

我们主要考虑文件输入。通常，使用标准I/O的第2步是调用一个定义在stdio.h中的输入函数，如fscanf()、getc()或 fgets()。一调用这些函数，文件中的数据块就被拷贝到缓冲区中。缓冲区的大小因实现而异，一般是512字节或是它的倍数，如4096或16384（随着计算机硬盘容量越来越大，缓冲区的大小也越来越大）。最初调用函数，除了填充缓冲区外，还要设置fp所指向的结构中的值。尤其要设置流中的当前位置和拷贝进缓冲区的字节数。通常，当前位置从字节0开始。

在初始化结构和缓冲区后，输入函数按要求从缓冲区中读取数据。在它读取数据时，文件位置指示器被设置为指向刚读取字符的下一个字符。由于stdio.h系列的所有输入函数都使用相同的缓冲区，所以调用任何一个函数都将从上一次函数停止调用的位置开始。

当输入函数发现已读完缓冲区中的所有字符时，会请求把下一个缓冲大小的数据块从文件拷贝到该缓冲区中。以这种方式，输入函数可以读取文件中的所有内容，直到文件结尾。函数在读取缓冲区中的最后一个字符后，把结尾指示器设置为真。于是，下一次被调用的输入函数将返回EOF。

输出函数以类似的方式把数据写入缓冲区。当缓冲区被填满时，数据将被拷贝至文件中。

13.7 其他标准I/O函数

C 库函数 - ungetc()

描述：
C 库函数 int ungetc(int char, FILE *stream) 把字符 char（一个无符号字符）推入到指定的流 stream 中，以便它是下一个被读取到的字符。

声明：
下面是 ungetc() 函数的声明。

int ungetc(int char, FILE *stream)

参数：
char – 这是要被推入的字符。该字符以其对应的 int 值进行传递。
stream – 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象标识了输入流。

返回值：
如果成功，则返回被推入的字符，否则返回 EOF，且流 stream 保持不变。

实例：
下面的实例演示了 ungetc() 函数的用法。

代码：

#include <stdio.h>int main ()
{FILE *fp;int c;char buffer [256];fp = fopen("file.txt", "r");if( fp == NULL ){perror("打开文件时发生错误");return(-1);}while(!feof(fp)){c = getc (fp);/* 把 ! 替换为 + */if( c == '!' ){ungetc ('+', fp);}else{ungetc(c, fp);}fgets(buffer, 255, fp);fputs(buffer, stdout);}return(0);
}

假设我们有一个文本文件 file.txt，它的内容如下。文件将作为实例中的输入：

this is runoob
!c standard library
!library functions and macros

让我们编译并运行上面的程序，这将产生以下结果：

this is runoob
+c standard library
+library functions and macros

运行结果：

输出：

C 库函数 - fflush()

描述：
C 库函数 int fflush(FILE *stream) 刷新流 stream 的输出缓冲区。

声明：
下面是 fflush() 函数的声明。

int fflush(FILE *stream)

参数：
stream – 这是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象指定了一个缓冲流。
返回值：
如果成功，该函数返回零值。如果发生错误，则返回 EOF，且设置错误标识符（即 feof）。

实例：
下面的实例演示了 fflush() 函数的用法。

代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main()
{char buff[1024];memset( buff, '\0', sizeof( buff ));fprintf(stdout, "启用全缓冲\n");setvbuf(stdout, buff, _IOFBF, 1024);fprintf(stdout, "这里是 runoob.com\n");fprintf(stdout, "该输出将保存到 buff\n");fflush( stdout );fprintf(stdout, "这将在编程时出现\n");fprintf(stdout, "最后休眠五秒钟\n");sleep(5);return(0);
}

让我们编译并运行上面的程序，这将产生以下结果。在这里，程序把缓冲输出保存到 buff，直到首次调用 fflush() 为止，然后开始缓冲输出，最后休眠 5 秒钟。它会在程序结束之前，发送剩余的输出到 STDOUT。

启用全缓冲
这里是 runoob.com
该输出将保存到 buff
这将在编程时出现
最后休眠五秒钟

说明：

调用fflush()函数引起输出缓冲区中所有的未写入数据被发送到参数fp指定的输出文件。

这个过程称为刷新缓冲区。

如果fp是空指针， 所有输出缓冲区都被刷新。

在输入流中使用fflush()函数的效果是未定义的。只要最近一次操作不是输入操作，就可以用该函数来更新流。

运行结果：