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30. 文件IO (1)

news 2025/10/30 7:30:21

我们从 最底层原理 → C语言标准接口 → 嵌入式理解 逐层展开，让你彻底理解 “文件” 在系统和程序中的含义。

🧭 一、文件 I/O 基础概念（全面讲解）

1️⃣ 什么是文件（File）

文件（File） 是操作系统用来 组织和管理数据的基本单位。
无论是：

  • 一张图片（.jpg）
  • 一个程序（.elf）
  • 还是一个串口设备（/dev/ttyUSB0）

在操作系统看来，它们都是“文件”。

👉 换句话说：在 Linux / Unix / 嵌入式系统中，“一切皆文件”。

📦 文件的本质

在底层，文件只是一个字节序列（Byte Stream）：

+-------------------------------+
| 0x41 | 0x42 | 0x43 | 0x44 ... |
+-------------------------------+

程序只是通过文件接口（read/write）把数据写入这个字节序列，或者读出来。

2️⃣ 文件在操作系统中的定义

在操作系统（OS）层面，文件包含两类信息：

分类内容
文件数据区实际内容，例如文本、二进制数据
文件控制块（FCB）存储文件的元信息，如文件名、权限、大小、时间戳等

在 C 程序中，当你打开一个文件时，操作系统并不是直接给你文件的内容，而是返回一个文件描述符（File Descriptor） 或者一个 FILE结构体指针。

3️⃣ 文件描述符（File Descriptor）

文件描述符是一个 整数（int），是内核用来标识一个已打开文件的编号。

每个进程在内核中都有一个文件描述符表：

文件描述符含义默认流
0标准输入stdin
1标准输出stdout
2标准错误stderr

示意图：

+-----------------------+
| FD=0 -> 键盘输入流(stdin)
| FD=1 -> 屏幕输出流(stdout)
| FD=2 -> 屏幕错误流(stderr)
| FD=3 -> test.txt
| FD=4 -> /dev/ttyUSB0
+-----------------------+

📌 在底层系统调用中，我们使用这些文件描述符来读写文件：

read(fd, buf, size);
write(fd, buf, size);
close(fd);

4️⃣ 文件流（Stream）与缓冲（Buffer）概念

C语言的标准库（stdio.h）在文件描述符之上封装了一层更高层的抽象：
即 文件流（FILE Stream）。

🔹 Stream（流）

流是文件输入输出的抽象概念。
C 程序中所有的 I/O 操作都通过流来完成，比如：

  • 从键盘读取（输入流）
  • 向显示器输出（输出流）
  • 从磁盘读取文件（输入流）
  • 向磁盘写入文件（输出流）

🔹 Buffer（缓冲区）

I/O 操作通常速度慢（比如磁盘/串口），
因此 C 标准库会在用户空间开一个“缓冲区”，
只有当缓冲区满了或手动刷新（fflush）时，才真正写入设备。

类型：

类型行为示例
全缓冲（Full Buffered）缓冲区满时才写入文件写入（磁盘）
行缓冲（Line Buffered）每行或遇到换行符时写入stdout（终端）
无缓冲（Unbuffered）立即输出stderr（错误输出）

例如：

printf("Hello");   // 可能还在缓冲区
fflush(stdout);    // 强制刷新到屏幕

5️⃣ 标准输入/输出/错误流：stdin, stdout, stderr

在 stdio.h 中定义了三个全局流：

extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;

默认映射：

流文件描述符默认设备
stdin0键盘
stdout1屏幕
stderr2屏幕（不带缓冲）

示例：

fprintf(stdout, "普通输出\n");
fprintf(stderr, "错误输出！\n");

⚙️ 嵌入式中：

  • 这些标准流常常被重定向到串口、LCD 或日志系统；
  • 比如 printf() 实际是通过 UART 发送。

6️⃣ C语言中的文件操作接口（stdio.h）

C语言标准库为文件操作提供了完整接口：

操作函数说明
打开文件fopen()以指定模式打开文件
关闭文件fclose()关闭文件并释放资源
读写操作fgetc(), fgets(), fread() / fputc(), fputs(), fwrite()读取/写入文件内容
文件位置fseek(), ftell(), rewind()控制文件指针
检查状态feof(), ferror()检查是否到文件末尾或出错

7️⃣ FILE 结构体与 fopen() / fclose()

打开文件：

FILE *fp = fopen("data.txt", "r");
if (fp == NULL) {perror("文件打开失败");return -1;
}

关闭文件：

fclose(fp);

💡 FILE 是一个结构体，内部保存了：

  • 文件描述符
  • 缓冲区指针
  • 当前读写位置
  • 文件状态标志

8️⃣ 文件模式（r, w, a, r+, w+, a+）

模式含义
"r"只读打开文件，文件必须存在
"w"只写打开文件，不存在则创建，存在则清空
"a"追加写入文件，不存在则创建
"r+"可读可写，文件必须存在
"w+"可读可写，不存在则创建，存在则清空
"a+"可读可写，写入追加到末尾，不存在则创建

示例：

FILE *fp1 = fopen("log.txt", "a+"); // 读写模式，追加写入
FILE *fp2 = fopen("data.bin", "wb"); // 写二进制文件

9️⃣ 二进制模式（rb, wb, ab）

文本文件（text mode）和二进制文件（binary mode）的区别：

  • 文本模式：\n 可能在不同平台被转换（如 Windows 为 \r\n）
  • 二进制模式：原样读写字节流，不做转换
fopen("data.bin", "wb"); // 写入二进制文件
fopen("data.bin", "rb"); // 读取二进制文件

⚙️ 嵌入式开发中常用 二进制模式，例如：

  • 写入 Flash 镜像
  • 记录传感器原始数据
  • 处理图片、音频、固件文件等原始字节流

✅ 小结

概念关键点
文件数据的逻辑抽象，一切皆文件
文件描述符操作系统级别的文件编号
文件流C标准库对文件描述符的高级封装
缓冲区提高I/O性能，控制刷新
标准流stdin / stdout / stderr 三个默认通道
文件模式决定读写方式（文本/二进制、覆盖/追加等）

非常好 👍！
你现在学到的这一部分是 C 语言文件 I/O 的核心章节之一。
这章讲的是 文件的基本读写操作，也就是——如何把数据读进内存或写进文件。

我们一步一步讲清楚每一类函数的机制、应用场景和示例，
学完这一章，你能轻松地自己实现日志系统、配置文件、数据保存与读取。

📘 第二章：文件的基本读写操作

一、C 文件 I/O 模型回顾

在 C 语言中，文件操作都是通过一个结构体 FILE 来完成的：

FILE *fp = fopen("data.txt", "r");

fp 是一个文件指针（文件流），它内部记录了文件缓冲区、文件位置等信息。
所有的读写函数 (fgetc, fputc, fgets, fputs, fread, fwrite, fprintf, fscanf)
都通过这个 FILE * 来操作文件。

二、📂 文件的基本读写操作

文件操作可以分为四种层次：
字符级 → 行级 → 块级（二进制） → 格式化文本。

✅ 1. 逐字符操作

字符操作最简单，适合文本文件的逐字读写。

🔹 函数：
int fgetc(FILE *fp);
int fputc(int ch, FILE *fp);
📘 示例：
#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("test.txt", "w");if (!fp) return -1;char *str = "Hello C!";for (int i = 0; str[i] != '\0'; i++)fputc(str[i], fp);  // 写一个字符fclose(fp);// 读回文件fp = fopen("test.txt", "r");int ch;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF)putchar(ch);         // 输出到屏幕fclose(fp);return 0;
}

📤 输出：

Hello C!
💡 知识点：
  • 每次读写一个字符；
  • fgetc() 返回 int，以便能识别 EOF；
  • 适合小文件或字符流解析。

✅ 2. 按行操作

按行操作是最常用的文本读取方式，比如读取配置文件、日志文件等。

🔹 函数：
char *fgets(char *buf, int size, FILE *fp);
int fputs(const char *str, FILE *fp);
📘 示例：
#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("config.txt", "w");fputs("name=Sensor\n", fp);fputs("threshold=25.5\n", fp);fclose(fp);fp = fopen("config.txt", "r");char line[64];while (fgets(line, sizeof(line), fp)) {printf("读取到一行：%s", line);}fclose(fp);return 0;
}

📤 输出：

读取到一行：name=Sensor
读取到一行：threshold=25.5
💡 知识点：
  • fgets() 会读取换行符 \n；
  • 如果行太长，会分段读取；
  • fputs() 不会自动添加换行。

✅ 3. 按块操作（二进制文件）

适合读取结构体、数组、图片、音频等二进制数据。
文件中存储的内容不是字符，而是原始字节数据。

🔹 函数：
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *fp);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *fp);
📘 示例：
#include <stdio.h>typedef struct {int id;float temp;
} Sensor;int main() {Sensor s1 = {1001, 28.5};FILE *fp = fopen("sensor.bin", "wb"); // 二进制写fwrite(&s1, sizeof(Sensor), 1, fp);fclose(fp);Sensor s2;fp = fopen("sensor.bin", "rb");       // 二进制读fread(&s2, sizeof(Sensor), 1, fp);fclose(fp);printf("ID=%d, 温度=%.1f\n", s2.id, s2.temp);return 0;
}

📤 输出：

ID=1001, 温度=28.5
💡 知识点：
  • fwrite()/fread() 是原始字节操作；
  • 不做格式化，不会处理文本换行；
  • 读写结构体或数组时非常高效；
  • 嵌入式中常用于保存 Flash 数据或 EEPROM 数据。

✅ 4. 文件格式化读写

这是最灵活、最常见的文件操作方式。
它让你可以直接像打印一样读写文本文件。

🔹 函数：
int fprintf(FILE *fp, const char *fmt, ...);
int fscanf(FILE *fp, const char *fmt, ...);
📘 示例：
#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = fopen("data.txt", "w");int id = 101;float voltage = 3.3;const char *name = "SensorA";fprintf(fp, "ID=%d, 电压=%.2f, 名称=%s\n", id, voltage, name);fclose(fp);fp = fopen("data.txt", "r");int rid;float rv;char rname[16];fscanf(fp, "ID=%d, 电压=%f, 名称=%s", &rid, &rv, rname);fclose(fp);printf("读取: ID=%d, 电压=%.2f, 名称=%s\n", rid, rv, rname);return 0;
}

📤 输出：

读取: ID=101, 电压=3.30, 名称=SensorA

✅ 5. printf / fprintf / scanf / fscanf 区别总结

函数用途目标
printf()输出到标准输出屏幕
scanf()从标准输入读取键盘
fprintf()输出到指定文件文件
fscanf()从文件按格式读取文件

🧠 小结：

fprintf(fp, ...) = 文件版的 printf()
fscanf(fp, ...) = 文件版的 scanf()

三、文件读写函数选择建议

场景推荐函数原因
读写文本日志fgets(), fputs()行级处理方便
保存/读取配置文件fprintf(), fscanf()格式清晰
存储结构体或二进制数据fwrite(), fread()效率高
简单字符流fgetc(), fputc()控制细粒度

四、⚙️ 嵌入式开发中的应用建议

应用推荐方式示例
Flash 参数存储fwrite() / fread()保存结构体
传感器日志fprintf()记录时间与数据
配置加载fgets() / sscanf()解析配置文件
通信模拟（串口日志）fputc() / fgetc()模拟字节流
http://www.dtcms.com/a/544434.html

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