【C语言】深入解析文件操作：原理与实践

C语言学习

文件操作
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前言：

在编程世界中，数据持久化是每个开发者都必须掌握的核心技能。C语言作为系统级编程语言的代表，其文件操作功能既强大又灵活。本文将带你全面了解C语言文件操作的方方面面，从基本概念到高级技巧，通过大量代码示例帮助你快速掌握文件读写的精髓。无论你是初学者还是希望巩固基础的开发者，这篇文章都将为你提供实用的知识和技巧。

一、为什么使用文件

已知，我们所写的程序的数据是存储在电脑的内存上的，如果程序退出，内存回收，数据就丢失了，等再次运行程序，是看不到上次程序的数据的。那我们该如何将数据进行持久化的保存，此时，我们就可以使用文件。
那什么是文件呢？

二、什么是文件

磁盘（硬盘）上的文件是文件。
咱们这里对硬盘和内存做个简单说明，就拿"12+512"的电脑来说吧：“12+512”=12GB（运行）内存+512GB固态硬盘。
但是在程序设计中，我们一般谈的文件有两种：程序文件、数据文件（从文件功能的角度来分类的）。

2.1 程序文件

程序文件包括源程序文件（后缀为.c）,目标文件（windows环境后缀为.obj）,可执行程序（windows环境后缀为.exe）。

2.2 数据文件

有时文件的内容不定是程序，而是程序运行时读写的数据，比如程序运行需要从中读取数据的文件，或者输出内容的文件。
咱们主要来说数据文件。
或许咱们以前所处理数据的输入输出都是以终端为对象的，即从终端的键盘输入数据，运行结果显示到显示器上。
其实有时候我们会把信息输出到磁盘上，当需要的时候再从磁盘上把数据读取到内存中使用，这里处理的就是磁盘上文件。

2.3 文件名

既然都说文件了，咱们就不得不了解一下文件名。
对于⼀个文件它有⼀个唯⼀的文件标识，以便用户识别和引用。
文件名包含3部分：文件路径+文件名主干+文件后缀
示例： D:\code\test.txt

D:\code\——文件路径
test——文件名主干
.txt——文件后缀

平时为了方便，文件标识常被称为文件名。

三、二进制文件和文本文件

根据数据的组织形式，数据文件又分为文本文件或者二进制文件。
二进制文件：
数据在内存中以⼆进制的形式存储，如果不加转换的输出到外存的文件中，就是⼆进制文件。
文本文件：
如果要求在外存上以ASCII码的形式存储，则需要在存储前转换。以ASCII字符的形式存储的文件就是文本文件。
怎么理解呢？我们来看看⼀个数据在文件中是怎么存储的：
字符⼀律以ASCII形式存储，数值型数据既可以用ASCII形式存储，也可以使用二进制形式存储。
如有整数10000，如果以ASCII码的形式输出到磁盘，则磁盘中占用5个字节（每个字符⼀个字节），而二进制形式输出，则在磁盘上只占4个字节。 图示：

四、文件的打开和关闭

4.1 流和标准流

4.1.1 流

我们程序的数据需要输出到各种外部设备，也需要从外部设备获取数据，不同的外部设备的输入输出操作各不相同，为了方便程序员对各种设备进行方便的操作，我们抽象出了流的概念，我们可以把流想象成流淌着字符的河。
C程序针对文件、画面、键盘等的数据输入输出操作都是通过流操作的。
⼀般情况下，我们要想向流里写数据，或者从流中读取数据，都是要打开流，然后操作。
流的主要作用是将数据从一个地方传输到另一个地方，例如从文件读取数据或向文件写入数据。

4.1.2 标准流

那为什么我们从键盘输入数据，向屏幕上输出数据，我们并没有打开流呢？
那是因为C语言程序在启动的时候，默认打开了3个流：

• stdin - 标准输入流，在大多数的环境中从键盘输入，scanf函数就是从标准输入流中读取数据。
• stdout - 标准输出流，大多数的环境中输出至显示器界面，printf函数就是将信息输出到标准输出流中。
• stderr - 标准错误流，大多数环境中输出到显示器界面。

正是因为默认打开了这三个流，我们在使用scanf、printf等函数就可以直接进行输入输出操作的。
stdin、stdout、stderr 三个流的类型是：FILE*，通常称为文件指针。
C语言中，就是通过FILE*的文件指针来维护流的各种操作的。

4.2 文件指针

每个被使用的文件都在内存中开辟了一个相应的文件信息区，用来存放文件的相关信息（如文件的名字，文件状态及文件当前的位置等）。这些信息是保存在⼀个结构体变量中的。该结构体类型是由系统声明的，取名 FILE。
例如，VS2013 编译环境提供的stdio.h头文件中有以下的文件类型申明：

struct _iobuf 
{
	char* _ptr;
	int _cnt;
	char* _base;
	int _flag;
	int _file;
	int _charbuf;
	int _bufsiz;
	char* _tmpfname;
};
typedef struct _iobuf FILE;

不同的C编译器的FILE类型包含的内容不完全相同，但是大同小异。
每当打开一个文件的时候，系统会根据文件的情况自动创建⼀个FILE结构的变量，并填充其中的信息，使用者不必关心细节。
⼀般都是通过⼀个FILE的指针来维护这个FILE结构的变量，这样使用起来更加方便。
下面我们可以创建⼀个FILE*的指针变量:

FILE* pf;//文件指针变量

定义pf是⼀个指向FILE类型数据的指针变量。可以使pf指向某个文件的文件信息区（是⼀个结构体变量）。通过该文件信息区中的信息就能够访问该文件。也就是说，通过文件指针变量能够间接找到与它关联的文件。图示：

4.3 文件的打开和关闭

文件在读写之前应该先打开文件，在使用结束之后应该关闭文件。也可以说打开或者关闭文件流。
在编写程序的时候，在打开文件的同时，都会返回⼀个FILE*的指针变量指向该文件，也相当于建立了指针和文件的关系。
ANSI C 规定使用fopen函数来打开文件，fclose来关闭文件。
函数原型：

//打开文件
FILE* fopen(const char* filename, const char* mode);
//关闭文件
int fclose(FILE* stream);

我们来看一下fopen函数中的参数mode：
mode表示文件的打开模式，打开模式如下表。

• 文本文件模式

• 二进制文件模式

• 读写混合模式

“w” (只写) 与 “a” (追加)的区别
只写会将原文本（如果存在的话）中的内容删除。而追加不会删除原来的内容。

#include <stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf;
	//打开文件
	pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)//打开失败
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//文件操作
	//……

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

五、文件的顺序读写

5.1 顺序读写函数介绍

• 字符与文本行操作函数

• 格式化I/O函数

• 二进制数据操作函数

我们就来依次使用一下这些顺序读写函数吧。

• fgetc与fputc

fputc函数原型：

int fputc(int char, FILE *stream);

解释：

参数说明
char：这是要写入的字符。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 对象标识了要被写入字符的流。
返回值
如果没有发生错误，fputc 函数返回被写入的字符。如果发生错误，则返回 EOF(-1)，并设置错误标识符

使用示例：

#include <stdio.h>
int main()
{
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//写入(将26个英文字母都放入)
	int i = 0;
	while (i < 26)
	{
		char ch = 'a' + i;
		fputc(ch, pf);
		i++;
	}

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

来看一下效果：

在这里，我们来看看文件位置指针（文件光标）：
在未写入’a’之前，指向：

写入’a’之后：

文件光标的自动移动机制解析：
每次成功执行读写操作后，光标会自动向后移动；
移动的字节数取决于实际读写的数据量。
举例：

fgetc(fp);  // 读取1个字符后，指针后移1字节
fgets(buf, 100, fp); // 读取一行后，指针移动到下一行开头
fread(buf, sizeof(int), 5, fp); // 读取5个int后，指针移动5*sizeof(int)字节

fgetc函数原型：

int fgetc(FILE *stream);

解释：

参数stream是指向FILE对象的指针，该对象标识了要执行读取操作的流。如果读取成功，函数以无符号字符强制转换为int的形式返回读取的字符。如果到达文件末尾或发生读取错误，则返回EOF。

使用示例：

#include <stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//读出
	int ch;
	while ((ch = fgetc(pf)) != EOF)
	{
		printf("%c", ch);
	}

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

• fgets与fputs

fputs函数原型：

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

解释：

str参数是一个字符串，包含了要写入的以空字符(‘\0’)终止的字符序列，而stream参数是指向FILE对象的指针，该FILE对象标识了要被写入字符串的流。正常写入返回一个非负值，如果发生错误则返回EOF。

使用示例：

#include <stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//写入
	fputs("第一次写入。", pf);
	fputs("第二次写入。", pf);

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

fgets函数原型：

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

解释：

参数说明
str 是指向字符数组的指针，该数组用于存储读取的字符串。
n 是要读取的最大字符数，包括最后的空字符。
stream 是指向 FILE 对象的指针，该对象标识了要从中读取字符的流。
返回值说明：
如果读取成功，fgets 函数返回 str 参数指向的同一个字符串。如果到达文件末尾或没有读取到任何字符，str 的内容保持不变，并返回一个空指针。如果发生错误，也返回一个空指针。

使用示例：

int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//读取
	char str[20] = { 0 };
	fgets(str, 9, pf);

	//输出
	printf("%s", str);

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

• fscanf与fprintf

咱们已经对scanf与printf不陌生了，咱们对比进行学习。

fprintf使用示例：

#include <stdio.h>
struct S
{
	char name[20];
	int age;
	float height;
};
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	struct S s = { "zhangsan",20,175.0 };
	//写入
	fprintf(pf, "%s %d %f", s.name, s.age, s.height);

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

结果

fscanf使用示例：

#include <stdio.h>
struct S
{
	char name[20];
	int age;
	float height;
};
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	struct S s = { 0 };
	//读取（继上面代码写入的数据）
	fscanf(pf, "%s %d %f", s.name, &s.age, &s.height);

	printf("%s %d %f", s.name, s.age, s.height);

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

输出：

也可以说，此时的文件就在读取、写入时相当于咱们平时经常用的键盘输入和屏幕输出。只是流不同。

• fread与fwrite

fwrite函数原型：

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

解释：

ptr是指向要写入数据的内存地址的指针
size是每个数据项的大小（以字节为单位），
count是数据项的个数，
stream是指向FILE对象的指针，该对象指定了输出流。
返回值是成功写入的数据项的个数。如果返回值与count参数不同，则表明发生了错误。

使用示例：

#include <stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "wb");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	//写入
	fwrite(arr, sizeof(int), sizeof(arr) / sizeof(arr[0]), pf);


	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

成功写入，结果却是：

看不懂，因为它是二进制的形式。所以咱们调一下（VS2022）：
打开之后：

这就很明显了，16进制1~10，而且还是小端字节序。

咱们也可以使用fread函数读出。

fread函数原型：

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

解释：

参数说明
ptr：指向一个内存块的指针，该内存块至少有 size * count字节的空间。
size：每个元素的大小，以字节为单位。
count：要读取的元素个数。
stream：指向 FILE 对象的指针，该对象指定了一个输入流。
返回值
fread 函数返回成功读取的元素总数。如果返回值与 count不同，则可能发生了错误或者到达了文件末尾。

使用示例：

#include <stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "rb");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	
	int arr[10] = { 0 };
	//读出
	fread(arr, sizeof(int), sizeof(arr) / sizeof(arr[0]), pf);
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

输出：

函数的功能已经全部介绍完了，现在，咱们看看适用范围是什么意思

刚才咱们都是文件流进行输出输入，但是，除了二进制操作函数之外，其他的顺序读写函数都是适用于所有输入或输出流的。
所有输入流包括标准输入(stdin)、文件输入流等；所有输出流包括标准输出(stdout)、标准错误(stderr)、文件输出流等。
示例：以fprintf函数为例，它不仅可以向文件中写入数据，也可以像屏幕上输出，区别就在于流的不同。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	fprintf(stdout, "%d", a);
	return 0;
}

输出：

六、文件的随机读写

我们前面说的都是顺序读写，现在我们来看看随机读写函数。

6.1 fseek

fseek函数用于设置**文件位置指针（文件光标）**的位置。
函数原型：

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

解释：

stream：文件指针，指向你要操作的文件。
offset：偏移量，正数表示向文件尾部移动，负数表示向文件头部移动。
origin ：起始位置，它有三个可能的值：SEEK_SET（文件开头），SEEK_CUR（当前位置），SEEK_END（文件结尾）。在C语言中，这三个值分别对应0，1和2。
返回值是一个整数，如果成功则返回0，否则返回非零值。

使用示例：
代码一：

//未使用fseek前
#include<stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//第一次读取
	int ch = fgetc(pf);//读取第一个字符a
	printf("%c\n", ch);
	//第二次读取
	ch = fgetc(pf);//读取第二个字符b
	printf("%c\n", ch);

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

代码二：

//使用fseek后
#include<stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//第一次读取
	int ch = fgetc(pf);//读取第一个字符a
	printf("%c\n", ch);

	fseek(pf, -1, SEEK_CUR);//fseek使用

	//第二次读取
	ch = fgetc(pf);//读取第二个字符b
	printf("%c\n", ch);

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

我只是举了一个简单的例子 咱们也可以再多练习练习。

6.2 ftell

ftell函数用于获取文件流中当前文件指针的位置。它返回的是文件指针相对于文件开头的偏移量，以字节为单位。
函数原型：

long ftell(FILE *stream);

使用示例：

#include<stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	long len;
	//将文件指针移动到文件末尾
	fseek(pf, 0, SEEK_END);

	// 获取文件指针当前位置，即文件大小
	len = ftell(pf);
	printf("%ld", len);

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

6.3 rewind

rewind函数用于将文件内部的位置指针重新指向文件的开头。它不返回任何值。
函数原型：

void rewind ( FILE * stream );

函数很简单，这里就不演示了，接着，给大家辨析一个概念。

区分「文件指针」与「文件位置指针」

我们前面提到的「移动文件指针」实际指FILE结构体内部的位置指示器（逻辑偏移量），而非FILE* pf指针变量本身。
例如：

fseek(pf, 0, SEEK_END);  // 移动的是内部位置指针，fp的地址始终不变！

即

“文件指针”在口语中常指两种含义，但代码层面** FILE* fp 永不改变**，真正移动的是隐藏的位置指针。

七、文件读取结束的判定

对于文件读取结束的判断

1. 文本文件读取是否结束，判断返回值是否为 EOF （ fgetc ），或者 NULL （ fgets ）
   例如：
   fgetc 判断是否为 EOF
   fgets 判断返回值是否为 NULL
2. 二进制文件的读取结束判断，判断返回值是否小于实际要读的个数。
   例如：
   fread判断返回值是否小于实际要读的个数

7.1 被错误使用的 feof

feof 的作用是：当文件读取结束的时候，判断是读取结束的原因是否是：遇到文件尾结束。
在文件读取过程中，不能用feof函数的返回值直接来判断文件的是否结束。
比如：

// 错误示范：用 feof() 作为循环条件
FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
while (!feof(pf)) 
{  // 不可靠！
	char ch = fgetc(pf);
	printf("%c", ch);
}
fclose(fp);

问题：这种写法会导致多读一次末尾数据（重复输出最后一个字符或乱码）。
正确理解 feof() 的作用

feof() 是“事后检查”
它不会预测文件是否结束，而是只有当读取操作（如 fgetc/fread）已经失败后，才通过标记告诉你：“刚才的失败是因为遇到了文件末尾（EOF）”。
类似于“撞墙后才检测到墙”，而不是“预测前方有墙”。

7.2 feof与ferror

函数原型：

对于ferror：
它返回一个非零值表示发生错误，返回零表示没有错误。
对于feof：
要正确使用：在读取操作之后调用 feof()，否则可能会误判；
如果到达文件末尾，feof() 返回非零值，否则返回零。

我们知道，对于文件读取结束，有两种可能：

1. 有可能遇到文件末尾（feof判断）
2. 读取的时候发生了错误 （ferror判断）

而在我们打开一个流的时候，这个流上有两个标记值，分别是是否遇到文件末尾和是否发生错误，但发生对应的情况时，标记会被置为真（非0值），feof() 和 ferror() 查询这些标记的当前状态返回相应值。

使用示例：

#include<stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//读取
	int ch = 0;
	while ((ch = fgetc(pf)) != EOF)
	{
		printf("%c\n", ch);
	}
	//判断因为什么原因导致读取结束
	if (feof(pf))
		printf("正常读取至文件末尾\n");
	else if (ferror(pf))
		perror("fgetc");

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

正常读取的话：

我们可以来看看错误代码：

#include<stdio.h>
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//以只读的形式打开文件但我们进行写入
	fputc('a', pf);

	//判断因为什么原因导致读取结束
	if (feof(pf))
		printf("正常读取至文件末尾\n");
	else if (ferror(pf))
		perror("fputc");

	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

输出：

对于文件操作我们就说到这里，下面我们看一下文件缓冲区的描述。

八、文件缓冲区

ANSIC 标准采用“缓冲文件系统” 处理的数据文件的，所谓缓冲文件系统是指系统自动地在内存中为
程序中每⼀个正在使用的文件开辟⼀块**“文件缓冲区”**。从内存向磁盘输出数据会先送到内存中的缓
冲区，装满缓冲区后才⼀起送到磁盘上。如果从磁盘向计算机读⼊数据，则从磁盘文件中读取数据输
⼊到内存缓冲区（充满缓冲区），然后再从缓冲区逐个地将数据送到程序数据区（程序变量等）。缓
冲区的大小根据C编译系统决定的。
我们可以来用代码看看是否有缓冲区的存在。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
//VS2022 WIN11环境测试
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if(pf==NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	fputs("abcdef", pf);//先将代码放在输出缓冲区
	printf("睡眠10秒-已经写数据了，打开test.txt文件，发现文件没有内容\n");
	Sleep(10000);
	printf("刷新缓冲区\n");
	fflush(pf);//刷新缓冲区时，才将输出缓冲区的数据写到文件（磁盘）
	printf("再睡眠10秒-此时，再次打开test.txt文件，文件有内容了\n");
	Sleep(10000);
	fclose(pf);
	//注：fclose在关闭文件的时候，也会刷新缓冲区
	pf = NULL;
	return 0;
}

我们自己要动手实操一边哦！！！可见，效果和咱们printf中输出的是一样的。
当然，关于缓冲区还有很多知识，我们这里只是借着文件操作简单说明一下缓冲区的存在，后面有机会再来详细讲解。

总结

掌握这些文件操作技术，你将能够轻松处理各种数据持久化需求，为开发更复杂的应用程序打下坚实基础。记住，实践是学习编程的最佳方式，建议读者亲自动手尝试文中的每个示例代码。
谢谢学习至此~

附录

上文链接

《内存操作函数完全指南》

上文链接

《编译与链接全揭秘：从源代码到可执行文件》

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