C语言文件操作与预处理详解

在C语言编程中，文件操作和预处理是两个重要的组成部分。文件操作允许程序与外部存储设备交互，而预处理则在编译前对源代码进行文本处理。这两个功能为C程序提供了强大的扩展性和灵活性。

文件操作

文件基本概念

在C语言中，文件是存储在外部介质（如硬盘、U盘）上的数据集合。C语言将文件视为字节序列，并提供了两种文件处理模式：

1. 文本模式：以字符为单位处理文件，自动处理换行符（Windows:\r\n ↔ Unix:\n）
2. 二进制模式：以字节为单位处理文件，不进行任何转换

文件指针

文件操作通过文件指针（FILE*）实现，它指向一个包含文件信息的结构体：

#include <stdio.h>FILE *fp;  // 声明文件指针// 打开文件
fp = fopen("example.txt", "r");  // 以只读模式打开文本文件if (fp == NULL) {printf("无法打开文件\n");return 1;
}// 文件操作...// 关闭文件
fclose(fp);

文件打开模式

模式	描述
“r”	只读模式，文件必须存在
“w”	写入模式，创建新文件或覆盖
“a”	追加模式，在文件末尾添加内容
“r+”	读写模式，文件必须存在
“w+”	读写模式，创建新文件或覆盖
“a+”	读写模式，在文件末尾添加内容

文件读取操作

字符读取

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("example.txt", "r");if (fp == NULL) {printf("无法打开文件\n");return 1;}int ch;// 逐个字符读取，EOF表示文件结束while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {putchar(ch);  // 输出到屏幕}fclose(fp);return 0;
}

字符串读取

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("example.txt", "r");if (fp == NULL) {printf("无法打开文件\n");return 1;}char buffer[100];// 读取一行文本（最多99个字符）while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {printf("%s", buffer);}fclose(fp);return 0;
}

格式化读取

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("data.txt", "r");if (fp == NULL) {printf("无法打开文件\n");return 1;}int num;float f;char str[50];// 格式化读取while (fscanf(fp, "%d %f %s", &num, &f, str) == 3) {printf("读取: %d, %.2f, %s\n", num, f, str);}fclose(fp);return 0;
}

二进制读取

#include <stdio.h>typedef struct {int id;char name[50];float score;
} Student;int main() {FILE *fp = fopen("students.dat", "rb");  // 二进制读取if (fp == NULL) {printf("无法打开文件\n");return 1;}Student s;// 读取结构体数据while (fread(&s, sizeof(Student), 1, fp) == 1) {printf("ID: %d, 姓名: %s, 分数: %.2f\n", s.id, s.name, s.score);}fclose(fp);return 0;
}

文件写入操作

字符写入

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("output.txt", "w");if (fp == NULL) {printf("无法创建文件\n");return 1;}char text[] = "Hello, World!";for (int i = 0; text[i] != '\0'; i++) {fputc(text[i], fp);  // 写入单个字符}fclose(fp);return 0;
}

字符串写入

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("output.txt", "w");if (fp == NULL) {printf("无法创建文件\n");return 1;}char *text = "这是一行文本\n";fputs(text, fp);  // 写入字符串（不自动添加换行符）fclose(fp);return 0;
}

格式化写入

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("data.txt", "w");if (fp == NULL) {printf("无法创建文件\n");return 1;}int num = 42;float f = 3.14;char *str = "Hello";// 格式化写入fprintf(fp, "%d %.2f %s\n", num, f, str);fclose(fp);return 0;
}

二进制写入

#include <stdio.h>typedef struct {int id;char name[50];float score;
} Student;int main() {FILE *fp = fopen("students.dat", "wb");  // 二进制写入if (fp == NULL) {printf("无法创建文件\n");return 1;}Student s = {1, "张三", 85.5};// 写入结构体数据fwrite(&s, sizeof(Student), 1, fp);fclose(fp);return 0;
}

文件定位操作

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("example.txt", "r");if (fp == NULL) {printf("无法打开文件\n");return 1;}// 获取文件位置long pos = ftell(fp);  // 初始位置为0// 移动文件指针fseek(fp, 10, SEEK_SET);  // 从文件开头移动10个字节fseek(fp, 5, SEEK_CUR);   // 从当前位置移动5个字节fseek(fp, -20, SEEK_END); // 从文件末尾向前移动20个字节// 重置文件指针到开头rewind(fp);fclose(fp);return 0;
}

文件错误处理

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>int main() {FILE *fp = fopen("nonexistent.txt", "r");if (fp == NULL) {// 打印错误信息printf("错误: %s\n", strerror(errno));return 1;}// 检查文件操作错误if (ferror(fp)) {printf("文件操作错误\n");clearerr(fp);  // 清除错误标志}fclose(fp);return 0;
}

预处理

预处理基本概念

预处理是C编译过程的第一步，由预处理器(Preprocessor)执行。预处理指令以#开头，它们在编译前被处理，用于修改源代码文本。

常见预处理指令

1. 文件包含：#include
2. 宏定义：#define、#undef
3. 条件编译：#if、#ifdef、#ifndef、#elif、#else、#endif
4. 错误处理：#error
5. 行号和文件名：#line
6. 编译控制：#pragma

文件包含指令

// 标准库头文件
#include <stdio.h>    // 从标准库目录查找
#include <string.h>// 自定义头文件
#include "myheader.h" // 从当前目录或指定目录查找

宏定义

简单宏

#define PI 3.14159
#define MAX(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))int main() {float radius = 5.0;float area = PI * radius * radius;int x = 10, y = 20;int max_val = MAX(x, y);return 0;
}

带参数的宏

#define SQUARE(x) ((x) * (x))
#define PRINT_INT(x) printf("Value: %d\n", x)int main() {int a = 5;int result = SQUARE(a + 1);  // 展开为 ((a + 1) * (a + 1))PRINT_INT(result);  // 展开为 printf("Value: %d\n", result)return 0;
}

字符串化操作符(#)

#define STR(x) #xint main() {printf(STR(Hello World!));  // 展开为 printf("Hello World!");printf(STR(1 + 2));         // 展开为 printf("1 + 2");return 0;
}

标记粘贴操作符(##)

#define CONCAT(a, b) a##bint main() {int xy = 100;printf("%d\n", CONCAT(x, y));  // 展开为 printf("%d\n", xy);return 0;
}

条件编译

#ifdef 和 #ifndef

#ifdef DEBUGprintf("调试信息: 变量x = %d\n", x);
#endif#ifndef MAX_SIZE#define MAX_SIZE 100
#endif

#if 和 #elif

#define VERSION 2#if VERSION == 1printf("使用版本1\n");
#elif VERSION == 2printf("使用版本2\n");
#elseprintf("未知版本\n");
#endif

条件编译示例：平台特定代码

#ifdef _WIN32// Windows平台代码#include <windows.h>#define LINE_END "\r\n"
#elif __linux__// Linux平台代码#include <unistd.h>#define LINE_END "\n"
#else#error "不支持的平台"
#endif

其他预处理指令

#error 指令

#if !defined(__STDC__)#error "需要标准C编译器"
#endif

#line 指令

#line 100 "custom_file.c"
// 从这里开始，行号从100开始，文件名显示为custom_file.c

#pragma 指令

#pragma once  // 保证头文件只被包含一次#pragma GCC diagnostic ignored "-Wunused-variable"  // 忽略未使用变量警告

预处理的优缺点

优点

1. 代码复用：通过宏和头文件实现代码重用
2. 条件编译：支持跨平台开发和调试版本
3. 代码生成：在编译前自动生成代码
4. 性能优化：宏替换可以减少函数调用开销

缺点

1. 可读性降低：过度使用宏会使代码难以理解
2. 调试困难：错误可能出现在预处理后的代码中
3. 潜在副作用：宏参数可能被多次求值
4. 命名冲突：宏定义可能与其他标识符冲突

预处理与编译的区别

特性	预处理阶段	编译阶段
执行时间	编译前	预处理后
处理内容	文本替换、文件包含、条件编译	词法分析、语法分析、代码生成
输出结果	修改后的源代码	目标代码（汇编或机器码）
工具	预处理器（cpp）	编译器（cc、gcc）
指令形式	以#开头的预处理指令	C语言语句

实际应用示例

文件操作示例：学生成绩管理系统

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define MAX_NAME_LEN 50
#define MAX_STUDENTS 100typedef struct {int id;char name[MAX_NAME_LEN];float score;
} Student;// 保存学生信息到文件
void saveStudents(Student students[], int count) {FILE *fp = fopen("students.dat", "wb");if (fp == NULL) {printf("无法创建文件\n");return;}fwrite(&count, sizeof(int), 1, fp);  // 写入学生数量fwrite(students, sizeof(Student), count, fp);  // 写入学生数据fclose(fp);printf("已保存 %d 名学生信息\n", count);
}// 从文件加载学生信息
int loadStudents(Student students[]) {FILE *fp = fopen("students.dat", "rb");if (fp == NULL) {printf("无法打开文件或文件不存在\n");return 0;}int count;fread(&count, sizeof(int), 1, fp);  // 读取学生数量fread(students, sizeof(Student), count, fp);  // 读取学生数据fclose(fp);printf("已加载 %d 名学生信息\n", count);return count;
}int main() {Student students[MAX_STUDENTS];int count = 0;// 添加学生信息students[count].id = 1;strcpy(students[count].name, "张三");students[count].score = 85.5;count++;students[count].id = 2;strcpy(students[count].name, "李四");students[count].score = 92.0;count++;// 保存到文件saveStudents(students, count);// 清空数组memset(students, 0, sizeof(students));count = 0;// 从文件加载count = loadStudents(students);// 显示学生信息for (int i = 0; i < count; i++) {printf("ID: %d, 姓名: %s, 分数: %.1f\n", students[i].id, students[i].name, students[i].score);}return 0;
}

预处理示例：调试宏

#ifdef DEBUG#define DEBUG_PRINT(fmt, ...) printf("DEBUG: " fmt, __VA_ARGS__)#define DEBUG_LINE() printf("DEBUG: Line %d in %s\n", __LINE__, __FILE__)
#else#define DEBUG_PRINT(fmt, ...) do {} while(0)#define DEBUG_LINE() do {} while(0)
#endif// 平台检测
#ifdef _WIN32#define PLATFORM "Windows"#include <windows.h>
#elif __linux__#define PLATFORM "Linux"#include <unistd.h>
#elif __APPLE__#define PLATFORM "macOS"#include <unistd.h>
#else#define PLATFORM "Unknown"
#endifint main() {DEBUG_LINE();DEBUG_PRINT("程序开始运行，平台: %s\n", PLATFORM);int x = 42;DEBUG_PRINT("变量x的值: %d\n", x);// 正常代码...return 0;
}

总结

文件操作和预处理是C语言中两个重要的功能，它们分别在程序运行时和编译前发挥作用：

• 文件操作允许程序与外部存储设备交互，支持文本和二进制两种模式
• 预处理在编译前对源代码进行文本处理，提供宏定义、文件包含和条件编译等功能
• 文件操作通过文件指针和标准库函数实现，需要注意文件打开模式和错误处理
• 预处理指令以#开头，它们不是C语言语句，而是由预处理器单独处理

掌握文件操作和预处理技术，能够使C程序更加灵活、可移植，并支持复杂的数据处理和代码组织。