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UNIX下C语言编程与实践24-UNIX 标准文件编程库：无格式读写函数族（字符、行、块）的使用

news 2025/10/1 7:10:10

深入解析 UNIX 标准 IO 库中三类无格式读写函数，从语法到实战全覆盖

一、无格式读写函数族概述：何为“无格式”？

在 UNIX 标准文件编程库（stdio.h 提供）中，文件读写分为“有格式读写”和“无格式读写”两类。其中“无格式读写”指函数不解析数据的格式（如不将字符串转换为整数、不处理格式化符号），直接按原始数据形式（字符、字节流）与文件交互，核心优势是高效、通用，适用于文本文件和二进制文件。

无格式读写函数族按数据处理粒度，分为三类：

  • 按字符读写：以单个字符（1 字节）为单位读写数据，如 fgetc、fputc；
  • 按行读写：以“行”为单位读写文本数据（以换行符 \n 为行结束标志），如 fgets、fputs；
  • 按块读写：以自定义大小的“数据块”（如 1024 字节）为单位读写数据，如 fread、fwrite，是效率最高的无格式读写方式。

核心认知：所有无格式读写函数均基于“文件流（FILE*）”操作，需先通过 fopen 函数打开文件获取文件流指针，操作完成后通过 fclose 关闭流。文件流封装了文件描述符、缓冲区、读写位置等信息，是标准 IO 库的核心抽象。

二、按字符读写函数族：fgetc 与 fputc 实战

按字符读写函数是无格式读写中最基础的类别，以单个字符为单位与文件交互，适用于需要逐个处理字符的场景（如字符替换、字符统计）。核心函数包括 fgetc（读字符）和 fputc（写字符），此外还有宏定义 getc 和 putc，功能与前者一致但实现方式不同。

1. 核心函数解析

函数原型功能说明参数含义返回值注意事项
int fgetc(FILE *stream);从指定文件流 stream 中读取一个字符，同时将文件读写位置指针向后移动 1 字节stream：文件流指针（如 fopen 返回的指针）成功：返回读取的字符（unsigned char 类型转换为 int）；
失败/EOF：返回 EOF（宏定义，值为 -1）		1. 需通过返回值是否等于 EOF 判断读取结束；
2. 读取文本文件和二进制文件均可使用
int fputc(int c, FILE *stream);将字符 c 写入指定文件流 stream，同时移动读写位置指针c：待写入的字符（int 类型，实际取低 8 位）；
stream：文件流指针		成功：返回写入的字符（转换为 int）；
失败：返回 EOF		1. 写入字符时需确保文件以“可写模式”打开（如 "w"、"a"）；
2. 写入换行符 '\n' 可实现换行
#define getc(stream) (...)与 fgetc 功能完全一致，读取一个字符同 fgetc同 fgetc1. 是宏定义，而非函数；
2. 执行速度略快（无函数调用开销），但不可作为函数指针传递
#define putc(c, stream) (...)与 fputc 功能完全一致，写入一个字符同 fputc同 fputc1. 是宏定义；
2. 执行速度略快，不可作为函数指针传递

2. 实战案例：用 fgetc 和 fputc 复制文件

需求：编写程序 copy_char.c，通过按字符读写实现文件复制功能（支持文本文件和二进制文件）。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 函数：按字符复制文件（src_path 源文件，dest_path 目标文件）
int copy_file_by_char(const char *src_path, const char *dest_path)
{// 1. 打开源文件（只读模式）和目标文件（写入模式，不存在则创建，存在则覆盖）FILE *src_fp = fopen(src_path, "r");FILE *dest_fp = fopen(dest_path, "w");// 2. 检查文件是否成功打开if (src_fp == NULL) {perror("Failed to open source file");return -1;}if (dest_fp == NULL) {perror("Failed to open destination file");fclose(src_fp);  // 避免内存泄漏，先关闭已打开的源文件return -1;}// 3. 按字符读取源文件并写入目标文件int ch;  // 必须用 int 类型，因为 EOF 是 -1（char 无法存储）while ((ch = fgetc(src_fp)) != EOF) {if (fputc(ch, dest_fp) == EOF) {perror("Failed to write character");fclose(src_fp);fclose(dest_fp);return -1;}}// 4. 检查读取是否正常结束（避免因读取错误导致复制中断）if (ferror(src_fp)) {perror("Failed to read character");fclose(src_fp);fclose(dest_fp);return -1;}// 5. 关闭文件流fclose(src_fp);fclose(dest_fp);printf("File copied successfully (by character)\n");return 0;
}int main(int argc, char *argv[])
{// 检查命令行参数（需传入源文件和目标文件路径）if (argc != 3) {fprintf(stderr, "Usage: %s <source> <destination>\n", argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}// 调用复制函数if (copy_file_by_char(argv[1], argv[2]) != 0) {exit(EXIT_FAILURE);}return EXIT_SUCCESS;
}

编译与测试命令

gcc copy_char.c -o copy_char
echo "Hello UNIX File IO" > test.txt
./copy_char test.txt test_copy.txt
cat test_copy.txt

File copied successfully (by character) Hello UNIX File IO

关键注意点：

  • fgetc 返回值必须用 int 类型接收：因为 EOF 是 -1，若用 char 接收（默认 signed char），会与值为 0xFF 的字符（如扩展 ASCII 字符）混淆，导致读取提前结束；
  • 复制二进制文件需修改打开模式：将 "r" 改为 "rb"（二进制只读），"w" 改为 "wb"（二进制写入），避免换行符转换（如 Windows 下 \r\n 与 UNIX 下 \n 的差异）；
  • 必须检查 ferror：fgetc 返回 EOF 可能是“正常结束”或“读取错误”，需通过 ferror(src_fp) 判断——返回非 0 表示读取错误。

三、按行读写函数族：fgets 与 fputs 实战

按行读写函数专门用于处理文本文件，以“行”为单位读写数据（行结束标志为 \n），适用于逐行解析文本的场景（如读取配置文件、日志文件）。核心函数是 fgets（读行）和 fputs（写行），需注意与不安全的 gets 函数区分。

1. 核心函数解析

函数原型功能说明参数含义返回值注意事项
char *fgets(char *str, int size, FILE *stream);从文件流 stream 中读取一行文本，存储到缓冲区 str，最多读取 size-1 个字符str：存储读取内容的缓冲区；
size：缓冲区大小（字节）；
stream：文件流指针		成功：返回 str 指针；
失败/EOF：返回 NULL		1. 读取到 \n 或 size-1 个字符时停止，自动在缓冲区末尾添加 \0（确保字符串结束）；
2. 若一行长度超过 size-1，会分多次读取该行剩余内容
int fputs(const char *str, FILE *stream);将字符串 str 写入文件流 stream，不自动添加换行符 \nstr：待写入的字符串（需以 \0 结束）；
stream：文件流指针		成功：返回非负值；
失败：返回 EOF		1. 写入时不会自动添加 \n，需手动在字符串末尾添加（如 "line\n"）；
2. 仅写入 \0 前的内容，\0 不写入文件
char *gets(char *str);从标准输入（stdin）读取一行文本，存储到 strstr：缓冲区指针成功：返回 str；
失败/EOF：返回 NULL		1. 严重不安全：无缓冲区大小限制，输入过长会导致缓冲区溢出，已从 C11 标准中移除；
2. 禁止使用，必须用 fgets(str, size, stdin) 替代
int puts(const char *str);将字符串 str 写入标准输出（stdout），自动在末尾添加 \nstr：待写入的字符串成功：返回非负值；
失败：返回 EOF		1. 与 fputs(str, stdout) 的区别：自动添加 \n；
2. 若字符串中包含 \0，仅写入第一个 \0 前的内容

2. 实战案例：用 fgets 和 fputs 处理日志文件

需求：编写程序 filter_log.c，读取日志文件 app.log，筛选出包含“ERROR”关键字的行，写入 error.log。

以下是调整缩进后的代码，符合C语言标准缩进规范（4空格缩进）：

调整后的代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define BUF_SIZE 1024int filter_error_log(const char *src_log, const char *dest_log) {FILE *src_fp = fopen(src_log, "r");FILE *dest_fp = fopen(dest_log, "a");if (src_fp == NULL || dest_fp == NULL) {perror("Failed to open log file");if (src_fp != NULL) fclose(src_fp);if (dest_fp != NULL) fclose(dest_fp);return -1;}char buf[BUF_SIZE];while (fgets(buf, BUF_SIZE, src_fp) != NULL) {if (strstr(buf, "ERROR") != NULL) {if (fputs(buf, dest_fp) == EOF) {perror("Failed to write error log");fclose(src_fp);fclose(dest_fp);return -1;}}}if (ferror(src_fp)) {perror("Failed to read log file");fclose(src_fp);fclose(dest_fp);return -1;}fclose(src_fp);fclose(dest_fp);printf("Error log filtered successfully\n");return 0;
}int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 3) {fprintf(stderr, "Usage: %s\n", argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}if (filter_error_log(argv[1], argv[2]) != 0) {exit(EXIT_FAILURE);}return EXIT_SUCCESS;
}

测试脚本调整

# 创建测试日志文件 app.log
cat > app.log << EOF
2024-09-28 10:00:00 INFO: Application started
2024-09-28 10:05:00 ERROR: Database connection failed
2024-09-28 10:10:00 INFO: Retrying connection
2024-09-28 10:15:00 ERROR: Timeout waiting for DB
EOF# 编译并运行程序
gcc filter_log.c -o filter_log
./filter_log app.log error.log# 查看筛选结果
cat error.log

Error log filtered successfully 2024-09-28 10:05:00 ERROR: Database connection failed 2024-09-28 10:15:00 ERROR: Timeout waiting for DB

关键注意点：

  • fgets 缓冲区大小需合理设置：若缓冲区过小（如小于一行长度），会分多次读取该行，需通过检查缓冲区末尾是否为 \n 判断是否读取完整行；
  • fputs 与 puts 的换行符差异：本例中 buf 已包含 fgets 读取的 \n，故用 fputs 直接写入；若用 puts，会导致一行末尾出现两个 \n；
  • 追加模式的使用：目标日志用 "a" 模式打开，确保新筛选的错误行追加到文件末尾，而非覆盖原有内容。

四、按块读写函数族：fread 与 fwrite 实战

按块读写函数是无格式读写中效率最高的类别，以“数据块”为单位读写数据（如每次读写 1024 字节），减少 IO 操作次数，适用于读写二进制文件（如图片、视频、可执行文件）或大量文本数据。核心函数是 fread（读块）和 fwrite（写块），二者参数结构对称，使用逻辑一致。

1. 核心函数解析

函数原型功能说明参数含义返回值适用场景
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);从文件流 stream 中读取 nmemb 个“大小为 size 的数据块”，存储到 ptr 指向的缓冲区ptr：接收数据的缓冲区指针；
size：单个数据块的大小（字节）；
nmemb：要读取的数据块数量；
stream：文件流指针		成功：返回实际读取的 数据块数量；
失败/EOF：返回小于 nmemb 的值（可能为 0）		1. 读写二进制文件（如图片、结构体数据）；
2. 批量读写文本文件（效率高于字符/行读写）
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);将 ptr 缓冲区中 nmemb 个“大小为 size 的数据块”写入文件流 streamptr：待写入数据的缓冲区指针；
其他参数同 fread		成功：返回实际写入的 数据块数量（通常等于 nmemb）；
失败：返回小于 nmemb 的值		1. 写入二进制文件（如保存结构体实例）；
2. 批量写入大量数据（如日志批量刷盘）

返回值关键认知：fread 和 fwrite 的返回值是“实际处理的数据块数量”，而非字节数。计算实际读写的字节数需用“返回值 × size”。例如，fread(buf, 1024, 5, fp) 若返回 3，表示实际读取了 3×1024=3072 字节。

2. 实战案例：用 fread 和 fwrite 读写二进制文件（结构体存储）

需求：编写程序 student_bin.c，定义 Student 结构体，将 3 个学生信息以二进制形式写入 students.bin，再从该文件中读取并打印学生信息。

以下是整理后的C语言代码，已按照规范进行缩进和格式优化：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>// 定义学生结构体
typedef struct {char name[50];  // 姓名int age;        // 年龄float score;    // 成绩
} Student;// 函数：写入学生信息到二进制文件
int write_students(const char *file_path, const Student *students, int count) {FILE *fp = fopen(file_path, "wb");  // 二进制写入模式if (fp == NULL) {perror("Failed to open file for writing");return -1;}// 按块写入：每个块是1个Student结构体，共count个块size_t written = fwrite(students, sizeof(Student), count, fp);if (written != count) {perror("Failed to write students");fclose(fp);return -1;}fclose(fp);printf("Wrote %d students to binary file\n", count);return 0;
}// 函数：从二进制文件读取学生信息
int read_students(const char *file_path, Student *students, int max_count) {FILE *fp = fopen(file_path, "rb");  // 二进制读取模式if (fp == NULL) {perror("Failed to open file for reading");return -1;}// 按块读取：最多读取max_count个Student结构体size_t read = fread(students, sizeof(Student), max_count, fp);if (ferror(fp)) {perror("Failed to read students");fclose(fp);return -1;}fclose(fp);printf("Read %zu students from binary file\n", read);return (int)read;  // 返回实际读取的学生数量
}int main() {// 1. 准备学生数据Student students_write[] = {{"Alice", 20, 95.5},{"Bob", 21, 88.0},{"Charlie", 19, 92.3}};int student_count = sizeof(students_write) / sizeof(Student);// 2. 写入二进制文件if (write_students("students.bin", students_write, student_count) != 0) {exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 读取二进制文件Student students_read[10];  // 缓冲区，最多存储10个学生int read_count = read_students("students.bin", students_read, 10);if (read_count == -1) {exit(EXIT_FAILURE);}// 4. 打印读取的学生信息printf("\nStudent Information:\n");printf("-------------------------\n");for (int i = 0; i < read_count; i++) {printf("Name: %s\n", students_read[i].name);printf("Age: %d\n", students_read[i].age);printf("Score: %.1f\n", students_read[i].score);printf("-------------------------\n");}return EXIT_SUCCESS;
}

编译运行说明

# 编译程序
gcc student_bin.c -o student_bin# 运行程序
./student_bin# 查看二进制文件大小（3个Student结构体）
ls -l students.bin

程序输出示例

Wrote 3 students to binary file
Read 3 students from binary fileStudent Information:
-------------------------
Name: Alice
Age: 20
Score: 95.5
-------------------------
Name: Bob
Age: 21
Score: 88.0
-------------------------
Name: Charlie
Age: 19
Score: 92.3
-------------------------
-rw-r--r-- 1 user user 174 Sep 28 16:30 students.bin

关键点说明

  • 结构体定义采用4空格缩进
  • 函数体和代码块使用4空格缩进
  • 二进制文件读写使用fwrite/fread的块操作模式
  • 错误处理包含文件打开失败和读写失败的检查
  • 主逻辑清晰分为写文件和读文件两个阶段

关键注意点：

  • 必须用二进制模式打开文件：写入用 "wb"，读取用 "rb"，避免文本模式下的“换行符转换”和“EOF 处理”（如 0x1A 被视为 EOF）破坏二进制数据；
  • 结构体对齐问题：不同编译器的结构体对齐方式可能不同（如是否填充字节），若需跨平台读写，需统一结构体对齐方式（如用 #pragma pack(1) 取消对齐）；
  • 字符串处理：结构体中的字符数组 name 需确保以 \0 结束，避免打印时出现乱码（本例中初始化时已隐含 \0）。

五、常见错误与解决方法

使用无格式读写函数时，易因缓冲区操作、返回值判断、文件模式设置等问题导致程序异常。以下是高频错误及对应的解决方法：

常见错误问题现象原因分析解决方法
缓冲区溢出（gets 函数）程序崩溃、数据错乱，甚至被注入恶意代码使用 gets 函数读取输入，该函数无缓冲区大小限制，输入长度超过缓冲区时会覆盖相邻内存1. 彻底禁止使用 gets，改用 fgets(str, size, stdin)；
2. 若需读取标准输入，确保 fgetssize 等于缓冲区实际大小
fgetc 返回值用 char 接收读取文本文件时提前结束，或读取二进制文件时丢失数据fgetcEOF（-1），若用 char 接收（signed char），会与值为 0xFF 的字符混淆，导致误判为 EOF必须用 int 类型接收 fgetcchar 使用
fread/fwrite 返回值判断错误读写不完整数据，或忽略读写错误误将 fread/fwritenmemb1. 明确返回值是“数据块数量”，计算字节数需用“返回值 × size”；
2. 读写后必须检查返回值：若小于 nmemb，调用 ferror 判断是否为错误（非 EOF）
文本模式与二进制模式混淆二进制文件读写后损坏（如图片无法打开），或换行符显示异常1. 读写二进制文件时用文本模式（"r"/"w"），导致换行符转换（如 \r\n 变为 \n）或 EOF 处理（0x1A 截断）；
2. 读写文本文件时用二进制模式，导致换行符不转换（Windows 下 \r\n 显示为 ^M）		1. 读写二进制文件：必须用 "rb"/"wb"/"ab" 模式；
2. 读写文本文件：用 "r"/"w"/"a" 模式（跨平台时需注意换行符差异）
文件流未关闭导致内存泄漏程序长期运行后内存占用增长，或数据未刷盘（缓冲区数据丢失）1. 打开文件后未调用 fclose 关闭流，导致文件描述符和缓冲区内存泄漏；
2. 程序异常退出前未关闭流，缓冲区中未刷盘的数据丢失		1. 遵循“打开即关闭”原则，用 fopen 打开后，确保所有分支（包括错误分支）都调用 fclose；
2. 关键数据写入后，可调用 fflush 强制刷盘（避免依赖缓冲区自动刷盘）

六、拓展：文件流的缓冲机制

UNIX 标准 IO 库的文件流默认启用缓冲机制，即读写操作不直接与磁盘交互，而是先通过内存缓冲区暂存数据，当缓冲区满、遇到特定字符（如行缓冲的 \n）或调用 fflush 时，才将缓冲区数据刷写到磁盘（或从磁盘读取到缓冲区）。缓冲机制大幅减少了磁盘 IO 次数，是标准 IO 库高效的核心原因。

1. 三种缓冲类型

1. 全缓冲（Full Buffering）

适用场景：普通磁盘文件（如 test.txt）。

缓冲逻辑：缓冲区满（通常 4KB 或 8KB）或调用 fflush、fclose 时，才刷写数据到磁盘；读取时缓冲区空则从磁盘读取一批数据填充缓冲区。

示例：用 fwrite 写入少量数据时，数据先存于缓冲区，需 fflush 才能立即在磁盘上看到。

2. 行缓冲（Line Buffering）

适用场景：标准输入（stdin）、标准输出（stdout，终端输出时）。

缓冲逻辑：遇到换行符 \n、缓冲区满或调用 fflush 时，刷写数据；读取时遇到 \n 或缓冲区空则填充。

示例：printf("Hello\n") 会立即输出（因 \n 触发刷写），而 printf("Hello") 需 fflush(stdout) 才输出。

3. 无缓冲（Unbuffered）

适用场景：标准错误（stderr）、特殊设备文件（如 /dev/tty）。

缓冲逻辑：读写操作直接与设备交互，无缓冲区暂存，数据立即传递。

示例：fprintf(stderr, "Error!") 会立即显示错误信息，无需等待缓冲，确保错误信息及时输出。

2. 缓冲机制的控制函数

可通过以下函数修改文件流的缓冲类型或手动控制缓冲，适应特殊需求：

函数原型功能说明参数含义示例
void setbuf(FILE *stream, char *buf);设置文件流的缓冲区：buf 非 NULL 则为全缓冲（缓冲区大小 BUFSIZ）；buf 为 NULL 则无缓冲stream：文件流；
buf：自定义缓冲区（需至少 BUFSIZ 字节）		char buf[BUFSIZ]; setbuf(fp, buf);（全缓冲）；
setbuf(fp, NULL);（无缓冲）
int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);灵活设置缓冲类型和缓冲区大小，功能最全面mode：_IOFBF（全缓冲）、_IOLBF（行缓冲）、_IONBF（无缓冲）；
size：缓冲区大小		setvbuf(fp, NULL, _IOLBF, 0);（行缓冲，默认大小）
int fflush(FILE *stream);强制刷写文件流的输出缓冲区（将缓冲区数据写入磁盘）；对输入流无效果stream：文件流；NULL 表示刷写所有输出流fflush(stdout);（刷写标准输出）；
fflush(NULL);（刷写所有输出流）

缓冲机制的常见坑点：

  • stdout 重定向后的缓冲类型变化：stdout 输出到终端时是行缓冲，重定向到文件时变为全缓冲，导致 printf("Hello") 无 \n 时，数据存于缓冲区，需 fflush 才写入文件；
  • 自定义缓冲区的生命周期：用 setbuf 设置自定义缓冲区时，缓冲区必须在文件流关闭前保持有效（不能是局部变量，否则函数返回后缓冲区被释放，导致数据错乱）；
  • 无缓冲的性能影响：对频繁读写的文件使用无缓冲（如 setbuf(fp, NULL)），会导致大量磁盘 IO，显著降低性能，仅在实时性要求极高的场景（如日志实时输出）使用。

本文详细讲解了 UNIX 标准文件编程库中三类无格式读写函数族的使用，从函数语法、实战案例，到常见错误和缓冲机制，覆盖了无格式 IO 的核心知识点。按字符读写适用于精细字符处理，按行读写适用于文本文件逐行解析，按块读写适用于高效批量数据处理，需根据实际场景选择合适的函数。

掌握无格式读写函数是 UNIX 文件编程的基础，建议结合实际需求多做实践（如实现文件加密、数据备份工具），深入理解缓冲机制和返回值判断逻辑，避免常见错误，编写高效、健壮的文件操作代码。

http://www.dtcms.com/a/426721.html

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