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【C语言】第八课 输入输出与文件操作​​

news 2025/9/16 7:49:25

C语言中的输入输出（I/O）和文件操作是与计算机交互和管理数据的基础。

📝 1. 标准输入输出（标准I/O）

标准I/O主要用于与控制台（终端）进行交互。

1.1 输出函数 printf

printf 函数用于向标准输出（通常是屏幕）发送格式化后的数据。

  • 函数原型：

    int printf(const char *format, ...);
    • format: 这是一个字符串，包含了要输出的文本以及格式控制说明符（占位符）。
    • ...: 可变参数列表，提供需要插入到格式字符串中的数据，数量与类型必须与格式控制说明符匹配。

  • 常用格式说明符：

    说明符含义
    %d有符号十进制整数
    %u无符号十进制整数
    %f / %lffloat / double 类型浮点数 (对于 printf，%f 也可用于 double)
    %c单个字符
    %s字符串
    %p指针地址
    %x十六进制整数（小写字母）
    %%输出一个百分号

  • 示例：

    #include <stdio.h>
int main() {int age = 25;double height = 1.75;printf("Age: %d, Height: %.2f meters\n", age, height); // 保留两位小数return 0;
}
1.2 输入函数 scanf

scanf 函数用于从标准输入（通常是键盘）读取格式化输入。

  • 函数原型：

    int scanf(const char *format, ...);
    • format: 格式控制字符串，指定如何解析输入数据。
    • ...: 必须是变量的地址（使用 & 取地址操作符，字符串名除外）。

  • 重要注意事项：

    • 安全风险：scanf 在读取字符串时不会检查目标缓冲区的大小，极易导致缓冲区溢出。绝对避免使用 %s 而不指定长度。
    • 安全替代：使用 fgets 读取一行到缓冲区，再用 sscanf 解析，或使用带宽度的 scanf (如 %9s 用于大小为10的char数组)。
    • 返回值：返回成功读取并赋值的输入项数，可用于检查输入是否成功或遇到文件结尾(EOF)。

  • 示例：

    #include <stdio.h>
int main() {int num;char str[10];printf("Enter a number and a string (max 9 chars): ");if (scanf("%d %9s", &num, str) == 2) { // 检查返回值，并限制字符串读取长度printf("You entered: %d and %s\n", num, str);} else {printf("Input error!\n");}return 0;
}
1.3 其他标准I/O函数
  • getchar() / putchar(char c): 用于读取和写入单个字符。
  • gets() / puts(): 避免使用 gets()，因为它无法限制输入长度，极其危险。用 fgets(char *s, int size, stdin) 代替。

💾 2. 文件输入输出（文件I/O）

文件I/O用于将数据持久化保存到存储设备，或从存储设备读取数据。

2.1 文件指针与 fopen

在C语言中，操作文件通常使用 FILE 结构体指针（文件流指针）。

  • 打开文件 - fopen:

    FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
    • filename: 要打开的文件名（包含路径）。
    • mode: 文件打开模式。
    • 返回值：成功时返回指向FILE对象的指针，失败时返回 NULL。务必检查返回值！

  • 常用文件打开模式：

    模式含义文件不存在时
    "r"只读打开文本文件返回NULL
    "w"只写打开文本文件。截断文件长度至0（清空原内容）创建新文件
    "a"追加模式打开文本文件，写入数据被加到文件末尾创建新文件
    "r+"读写打开文本文件返回NULL
    "w+"读写打开文本文件。截断文件长度至0（清空原内容）创建新文件
    "a+"读写打开文本文件，写入数据被加到文件末尾创建新文件
    "rb", "wb", "ab", "r+b", etc.与上述类似，但以二进制模式打开文件，用于非文本数据

    示例：

    #include <stdio.h>
int main() {FILE *fp;fp = fopen("data.txt", "r"); // 尝试以只读模式打开文件if (fp == NULL) { // 必须检查文件是否成功打开perror("Error opening file");return 1;}// ... 文件操作fclose(fp); // 最后别忘了关闭文件！return 0;
}
2.2 文件读写函数

文件打开后，可以使用多种函数进行读写。

  • 格式化文件读写：

    • int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...); - 类似于 printf，但输出到文件。
    • int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...); - 类似于 scanf，但从文件读取。
    fprintf(fp, "Number: %d\n", 100); // 将格式化字符串写入文件
fscanf(fp, "%d", &num);           // 从文件中读取格式化数据

  • 字符读写：

    • int fgetc(FILE *stream); - 从文件读取一个字符。
    • int fputc(int char, FILE *stream); - 向文件写入一个字符。

  • 字符串（行）读写：

    • char *fgets(char *str, int n, FILE *stream); - 从文件读取一行字符串，最多读取 n-1 个字符，自动添加 '\0'。相对安全。
    • int fputs(const char *str, FILE *stream); - 向文件写入一个字符串。

  • 二进制数据块读写 (非常重要！):

    • size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
    • size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
      • ptr: 指向要读取或写入的数据内存块的指针。
      • size: 每个数据项的字节大小（常用 sizeof() 获取）。
      • nmemb: 要读取或写入的数据项个数。
      • stream: 文件指针。
      • 返回值：成功读取或写入的数据项个数（若非 nmemb，可能遇到错误或文件尾）。

    示例：读写结构体数组

    #include <stdio.h>
struct Student {char name[20];int age;
};
int main() {struct Student stu_list[2] = {{"Alice", 20}, {"Bob", 21}};struct Student read_list[2];FILE *fp = fopen("data.bin", "wb"); // 二进制写入if (fp == NULL) return 1;// 将整个结构体数组写入文件size_t written = fwrite(stu_list, sizeof(struct Student), 2, fp);fclose(fp);fp = fopen("data.bin", "rb"); // 二进制读取if (fp == NULL) return 1;// 从文件中读取整个结构体数组size_t read = fread(read_list, sizeof(struct Student), 2, fp);fclose(fp);printf("Read %zu students.\n", read);return 0;
}
2.3 文件随机存取

文件位置指针指示当前读写位置。你可以移动它来实现随机访问。

  • int fseek(FILE *stream, long offset, int whence); - 移动文件位置指针。
    • offset: 偏移量。
    • whence: 基准位置，常用：
      • SEEK_SET - 文件开头。
      • SEEK_CUR - 当前位置。
      • SEEK_END - 文件末尾。
  • long ftell(FILE *stream); - 返回当前文件位置指针的位置（相对于文件开头的字节偏移量）。
  • void rewind(FILE *stream); - 将文件位置指针重置回文件开头。
2.4 关闭文件与错误处理
  • int fclose(FILE *stream); - 非常重要！ 关闭已打开的文件流，释放系统资源并确保缓冲区数据写入磁盘。文件操作完毕后必须关闭。
  • 错误处理函数：
    • void perror(const char *s); - 打印最近一次系统错误的信息，前面可加上自定义字符串 s。
    • int ferror(FILE *stream); - 测试给定流上的错误标识符，如果设置了则返回非零值。

🔧 3. 文件描述符与系统调用（底层I/O）

在Unix/Linux系统中，C标准库的文件操作函数（如fopen, fread）底层是基于系统调用实现的。

  • 文件描述符（File Descriptor, fd）：

    • 是一个小的非负整数，用于在进程内唯一标识一个打开的文件。
    • 每个进程启动时默认打开三个标准流，其文件描述符为：
      • 0: 标准输入（stdin）
      • 1: 标准输出（stdout）
      • 2: 标准错误（stderr）
    • 用户打开文件时，系统会分配一个新的、当前未用的最小文件描述符（如3, 4, 5…）。

  • 常用系统调用函数 (需包含 <unistd.h> 和 <fcntl.h>)：

    系统调用功能说明类比标准I/O函数
    open()打开或创建文件，返回文件描述符fopen()
    read()从文件描述符读取数据fread(), fgetc()
    write()向文件描述符写入数据fwrite(), fputc()
    close()关闭文件描述符fclose()
    lseek()移动文件偏移指针（类似 fseek）fseek()

  • 示例：使用系统调用复制文件

    #include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define BUF_SIZE 8192
int main() {int src_fd = open("source.txt", O_RDONLY);int dest_fd = open("dest.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);char buf[BUF_SIZE];ssize_t num_read;while ((num_read = read(src_fd, buf, BUF_SIZE)) > 0) {write(dest_fd, buf, num_read);}close(src_fd);close(dest_fd);return 0;
}

💎 核心概念总结与对比

概念/操作标准I/O (缓冲I/O)底层I/O (系统调用，无缓冲I/O)
核心对象FILE 结构体指针 (文件流)文件描述符 (fd) - 整数
打开fopen()open()
关闭fclose()close()
读取fread(), fscanf(), fgetc(), fgets()read()
写入fwrite(), fprintf(), fputc(), fputs()write()
定位fseek(), ftell(), rewind()lseek()
优点带缓冲，通常效率更高；移植性好；格式化读写方便更接近操作系统，控制更精细；某些特定操作必须使用
缺点缓冲可能带来延迟；某些底层操作不支持需要自己管理所有细节；通常更复杂

🛡️ 4. 最佳实践与安全注意事项

  1. 始终检查返回值：无论是 fopen, fread, fwrite, scanf 还是系统调用，必须检查其返回值以确保操作成功，这是编写健壮程序的基础。
  2. 始终关闭文件：使用 fclose 或 close 释放资源，防止资源泄漏。
  3. 警惕缓冲区溢出：避免使用不安全的函数（如 gets, 不加限制的 %s in scanf），优先使用 fgets 或指定宽度。
  4. 理解文本模式与二进制模式：在Windows平台上，文本模式（无"b"）会对换行符(\n 和 \r\n)进行转换，而二进制模式（有"b"）则不会。处理非文本文件（如图片、视频）或需要跨平台时，务必使用二进制模式。
  5. 注意字节序（Endianness）：在不同系统间通过二进制格式传输数据时，要考虑多字节数据（如int）的字节序问题。
    ！

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