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杨充
2025-07-21
目录

流与文件

# 10.流和文件

# 目录介绍

# 10.1 流基础介绍

# 10.1.1 什么是流

在 C 语言中，流（Stream） 是一个抽象的概念，用于表示数据的输入和输出。流可以是文件、键盘、屏幕、网络等数据源或目标的抽象。

C 标准库提供了一系列函数来操作流，使得程序可以方便地处理输入和输出。

# 10.1.2 流基本概念

流：流是数据在程序和外部设备之间传输的抽象。它可以是输入流（数据从外部设备到程序）或输出流（数据从程序到外部设备）。

  • 文本流（Text Stream）：由字符组成，通常用于处理文本文件。
  • 二进制流（Binary Stream）：由字节组成，通常用于处理二进制文件。

# 10.1.3 标准流

C 标准库中定义了三种标准流：

  • stdin：标准输入流（通常指键盘）。
  • stdout：标准输出流（通常指屏幕）。
  • stderr：标准错误流（通常指屏幕）。

# 10.1.4 综合案例与思考

综合案例：理解流和缓冲机制

#include <stdio.h>

int main() {
    // 案例1：三种标准流的使用
    printf("这是stdout输出\n");            // 标准输出
    fprintf(stderr, "这是stderr输出\n");    // 标准错误
    
    // 案例2：输出重定向演示说明
    printf("\n=== 重定向说明 ===\n");
    printf("执行: ./program > out.txt 2> err.txt\n");
    printf("stdout的内容会写入out.txt\n");
    printf("stderr的内容会写入err.txt\n");
    
    // 案例3：缓冲区的影响
    printf("\n=== 缓冲区演示 ===\n");
    printf("行缓冲(带\\n)");   // 不带\n可能不会立即显示
    printf(" -> ");
    printf("已输出\n");          // \n触发刷新
    
    // 手动刷新
    printf("手动刷新:");
    fflush(stdout);              // 强制刷新
    printf(" 完成\n");
    
    // 案例4：设置缓冲模式
    // setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);  // 无缓冲
    // setvbuf(stdout, NULL, _IOLBF, 0);  // 行缓冲
    // setvbuf(stdout, NULL, _IOFBF, 1024); // 全缓冲(1KB)
    printf("缓冲模式: _IONBF(无), _IOLBF(行), _IOFBF(全)\n");
    
    return 0;
}
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原理说明：C的I/O系统基于流的抽象，流封装了底层的文件描述符和缓冲区。缓冲分三种：无缓冲（_IONBF，立即输出，如 stderr）、行缓冲（_IOLBF，遇到 \n 刷新，连接终端时的 stdout）、全缓冲（_IOFBF，缓冲区满时才刷新，如文件流）。程序正常退出时（调用 exit() 或 main 返回），所有打开的流会被自动刷新并关闭。但如果程序异常终止（如 abort() 或信号杀死），缓冲区中的数据可能丢失。

思考题：

  1. 为什么 stderr 默认是无缓冲的？如果程序崩溃时 stdout 有未刷新的数据，会发生什么？
  2. printf 的输出在管道中和在终端中的缓冲行为有什么不同？为什么？
  3. setvbuf 和 setbuf 有什么区别？何时需要自定义缓冲区？

# 10.2.1 文件基本概念

  • 文件：文件是存储在磁盘上的数据集合，可以是文本文件或二进制文件。
  • 文件指针：C 语言通过 FILE * 类型的指针来操作文件。
  • 文件模式：打开文件时需要指定模式，如只读、只写、追加等。

# 10.2.2 文件操作

文件是存储在磁盘上的数据集合。C 语言通过文件指针（FILE *）来操作文件。文件操作的基本步骤包括：

  1. 打开文件：使用 fopen 函数打开文件。
  2. 读写文件：使用 fread、fwrite、fscanf、fprintf 等函数读写文件。
  3. 关闭文件：使用 fclose 函数关闭文件。

# 10.3 文件操作函数

# 10.3.1 打开文件

使用 fopen 函数打开文件：

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
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  • filename：文件名。
  • mode：打开模式，如 "r"（只读）、"w"（只写）、"a"（追加）、"rb"（二进制只读）等。

示例：

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

使用 fclose 函数关闭文件：

int fclose(FILE *stream);
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示例：

fclose(file);
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# 10.3.3 读取文件

字符读取：fgetc

int fgetc(FILE *stream);
1

行读取：fgets

char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);
1

格式化读取：fscanf

int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
1

示例：

char buffer[100];
while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
    printf("%s", buffer);
}
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# 10.3.4 写入文件

字符写入：fputc

int fputc(int char, FILE *stream);
1

行写入：fputs

int fputs(const char *str, FILE *stream);
1

格式化写入：fprintf

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
1

示例：

fprintf(file, "Hello, World!\n");
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# 10.3.5 二进制文件操作

读取二进制数据：fread

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream);
1

写入二进制数据：fwrite

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

int data[10];
fread(data, sizeof(int), 10, file);
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# 10.3.6 文件定位

  • 获取当前位置：ftell
    long ftell(FILE *stream);
    1
  • 移动文件指针：fseek
    int fseek(FILE *stream, long offset, int origin);
    1
  • 重置文件指针：rewind
    void rewind(FILE *stream);
    1

示例：

fseek(file, 0, SEEK_END); // 移动到文件末尾
long size = ftell(file);  // 获取文件大小
rewind(file);             // 重置文件指针到开头
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# 10.3.7 综合案例与思考

综合案例：文件操作函数的综合应用

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    const char *filename = "demo.txt";
    
    // 案例1：写入文件
    printf("=== 写入文件 ===\n");
    FILE *fp = fopen(filename, "w");
    if (!fp) { perror("打开失败"); return 1; }
    
    fprintf(fp, "姓名: 张三\n");
    fprintf(fp, "年龄: 25\n");
    fprintf(fp, "成绩: 95.5\n");
    fputs("备注: C语言学习中\n", fp);
    fclose(fp);
    printf("写入完成\n");
    
    // 案例2：逐行读取
    printf("\n=== 逐行读取 ===\n");
    fp = fopen(filename, "r");
    if (!fp) { perror("打开失败"); return 1; }
    
    char line[256];
    int line_num = 0;
    while (fgets(line, sizeof(line), fp)) {
        line[strcspn(line, "\n")] = '\0';  // 去掉换行符
        printf("第%d行: %s\n", ++line_num, line);
    }
    
    // 案例3：获取文件大小
    fseek(fp, 0, SEEK_END);
    long size = ftell(fp);
    printf("\n文件大小: %ld 字节\n", size);
    
    // 案例4：定位到特定位置读取
    rewind(fp);  // 回到开头
    fseek(fp, 4, SEEK_SET);  // 跳过前4个字节
    char buf[20];
    fgets(buf, sizeof(buf), fp);
    buf[strcspn(buf, "\n")] = '\0';
    printf("从第5字节开始读: %s\n", buf);
    
    fclose(fp);
    
    // 案例5：追加写入
    printf("\n=== 追加写入 ===\n");
    fp = fopen(filename, "a");
    if (!fp) { perror("打开失败"); return 1; }
    fprintf(fp, "追加: 学习进度100%%\n");
    fclose(fp);
    
    // 验证追加结果
    fp = fopen(filename, "r");
    printf("追加后的完整内容:\n");
    while (fgets(line, sizeof(line), fp)) {
        printf("  %s", line);
    }
    fclose(fp);
    
    // 清理测试文件
    remove(filename);
    
    return 0;
}
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原理说明：文件操作遵循"打开→操作→关闭"的模式。fopen 返回的 FILE * 指针封装了文件描述符、缓冲区、当前位置等信息。fseek 配合 SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前位置）、SEEK_END（文件末尾）可以在文件中任意定位。文件I/O也是有缓冲的，fclose 会自动刷新缓冲区并释放资源。忘记 fclose 会导致缓冲区数据丢失和文件描述符泄漏（系统对打开文件数有上限）。

思考题：

  1. fopen 返回 NULL 的常见原因有哪些？如何获取具体的错误信息？
  2. 文本模式 "r" 和二进制模式 "rb" 在Windows和Linux上有什么区别？为什么？
  3. 如何安全地实现"读取文件、修改内容、写回文件"的操作？直接用 "r+" 模式有什么风险？

# 10.4.1 文件模式汇总

模式 描述
"r" 只读模式，文件必须存在。
"w" 只写模式，文件不存在则创建，存在则清空。
"a" 追加模式，文件不存在则创建，存在则追加。
"rb" 二进制只读模式。
"wb" 二进制只写模式。
"ab" 二进制追加模式。
"r+" 读写模式，文件必须存在。
"w+" 读写模式，文件不存在则创建，存在则清空。
"a+" 读写模式，文件不存在则创建，存在则追加。

# 10.5 IO流综合案例

# 10.5.1 文本文件读写

#include <stdio.h>

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

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

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

    char buffer[100];
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
        printf("%s", buffer);
    }

    fclose(file);
    return 0;
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# 10.5.2 二进制文件读写

#include <stdio.h>

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

    FILE *file = fopen("data.bin", "wb");
    if (file == NULL) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }

    fwrite(data, sizeof(int), 5, file);
    fclose(file);

    file = fopen("data.bin", "rb");
    if (file == NULL) {
        perror("Failed to open file");
        return 1;
    }

    int read_data[5];
    fread(read_data, sizeof(int), 5, file);

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", read_data[i]);
    }

    fclose(file);
    return 0;
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上次更新: 2026/06/10, 11:13:41
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