C語言探索之旅 | 第二部分第七課：文件讀寫

-- 簡書作者謝恩銘轉載請註明出處

第二部分第七課：文件讀寫

上一課C語言探索之旅 | 第二部分第六課：創建你自己的變量類型之後，我們來學習很常用的文件讀寫。

我們學過了這麼多變量的知識，已經知道變量實在是很強大的，可以幫助我們實現很多事情。

變量固然強大，還是有缺陷的，最大的缺陷就是：不能永久保存。

因爲C語言的變量儲存在內存中，在你的程序退出時就被清除了，下次程序啓動時就不能找回那個值了。

“驀然回首，那人不在燈火闌珊處...”

“今天的你我，
怎樣重複昨天的故事？
這一張舊船票，
還能否登上你的破船？”

不能夠啊，"濤聲不能依舊"啊。

如果這樣的話：我們如何在C語言編寫的遊戲中保存遊戲的最高分呢？怎麼用C語言寫一個退出時依然保存文本的文本編輯器呢？

幸好，C語言中我們可以讀寫文件。這些文件會儲存在我們電腦的硬盤上，就不會在程序退出或電腦關閉時被清除了。

爲了實現文件讀寫，我們就要用到迄今爲止我們所學過的知識：

指針，結構體，字符串，等等。

也算是複習吧。

文件的打開和關閉

爲了讀寫文件，我們需要用到定義在stdio.h這個標準庫頭文件中的一些函數，結構，等。

是的，就是我們所熟知的stdio.h，我們的“老朋友”printf和scanf函數也是定義在這個頭文件裏。

下面按順序列出我們打開一個文件，進行讀或寫操作所必須遵循的一個流程：

調用“文件打開”函數fopen（f是file[英語“文件”]的首字母；open是英語“打開”的意思），返回一個指向該文件的指針。
檢測文件打開是否成功，通過第1步中fopen的返回值（文件指針）來判斷。如果指針爲NULL，則表示打開失敗，我們需要停止操作，並且返回一個錯誤。
如果文件打開成功（指針不爲NULL），那麼我們就可以接着用stdio.h中的函數來讀寫文件了。
一旦我們完成了讀寫操作，我們就要關閉文件，用fclose（close是英語“關閉”的意思）函數。

首先我們來學習如何使用fopen和fclose函數，之後我們再學習如何讀寫文件。

fopen：打開文件

函數fopen的原型是這樣的：

FILE* fopen(const char* fileName, const char* openMode);

不難看出，這個函數接收兩個參數：

fileName：文件名。是一個字符串類型，而且是const，意味着不能改變其值。
openMode：打開方式。表明我們打開文件之後要幹什麼的一個指標。只讀、只寫、讀寫。

這個函數的返回值，是 FILE *，也就是一個FILE（file是英語“文件”的意思）指針。

FILE定義在stdio.h中。有興趣的讀者可以自己去找一下FILE的定義。

我們給出FILE的一般定義：

typedef struct {
  char *fpos; /* Current position of file pointer (absolute address) */
  void *base; /* Pointer to the base of the file */
  unsigned short handle; /* File handle */
  short flags; /* Flags (see FileFlags) */
  short unget; /* 1-byte buffer for ungetc (b15=1 if non-empty) */
  unsigned long alloc; /* Number of currently allocated bytes for the file */
  unsigned short buffincrement; /* Number of bytes allocated at once */
} FILE;

可以看到FILE是一個結構體，裏面有7個變量。當然此處我們不必深究FILE的定義，我們只要會使用FILE就好了，而且不同操作系統對於FILE的定義不盡相同。

細心的讀者也許會問：“之前不是說結構體的名稱最好是首字母大寫麼，爲什麼FILE這個結構體每一個字母都是大寫呢？怎麼和常量的命名方式一樣呢？”

好問題。其實我們之前建議的命名方式（對於結構體，首字母大寫，例如：StructName）只是一個“規範”（雖然大多數程序員都喜歡遵循），並不是一個強制要求。

這隻能說明編寫stdio.h的前輩並不一定遵循這個“規範”而已。當然，這對我們並沒什麼影響。

所以小編你就是講廢話咯，好吧，好吧...

以下列出幾種可供使用的openMode（打開方式）：

r：只讀。r是英語“read”（讀）的首字母。這個模式下，我們只能讀文件，而不能對文件寫入。文件必須已經存在。
w：只寫。w是英語“write”（寫）的首字母。這個模式下，只能寫入，不能讀出文件的內容。如果文件不存在，將會被創建。
a：追加。a是英語“append”（追加）的首字母。這個模式下，從文件的末尾開始寫入。如果文件不存在，將會被創建。
r+：讀和寫。這個模式下，可以讀和寫文件，但文件也必須已經存在。
w+：讀，預先會刪除文件內容。這個模式下，文件的內容首先會被清空。
a+：讀寫追加。這個模式下，讀寫文件都是從文件末尾開始。如果文件不存在，會被創建。

一般來說，“r”，“w”和“r+”用得比較多，“w+”模式要慎用，因爲它會首先清空文件內容。當你需要往文件中添加內容時，“a”模式會很有用。

下面的例子程序就以“r+”（讀寫）的模式打開文件：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;

  file = fopen("test.txt", "r+");

  return 0;
}

於是，file成爲了指向test.txt文件的一個指針。

你會問：“我們的test.txt文件位於哪裏呢？”

text.txt文件和可執行文件位於同一目錄下。

文件一定要是.txt結尾的嗎？

不是，完全是你決定文件的後綴名。你大可以創建一個文件叫做xxx.level，用於記錄遊戲的關卡信息。

文件一定要和可執行文件在同一個文件夾下麼？

也不是。理論上可以位於當前系統的任意文件夾裏，只要在fopen函數的文件名參數裏指定文件的路徑就好了，例如：

file = fopen("folder/test.txt", "w");

這樣，文件test.txt就是位於當前目錄的文件夾folder裏。這裏的 folder/test.txt 稱爲“相對路徑”。

我們也可以這樣：

file = fopen("/home/user/folder/test.txt", "w");

這裏的/home/user/folder/test.txt 稱爲“絕對路徑”。

測試打開文件

在調用fopen函數嘗試打開文件後，我們需要檢測fopen的返回值，以判斷打開是否成功。

檢測方法也很簡單：如果fopen的返回值爲NULL，那麼打開失敗；如果不是NULL，那麼表示打開成功。示例如下：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;

  file = fopen("test.txt", "r+");

  if (file != NULL)
  {
    // 讀寫文件
  }
  else
  {
    // 顯示一個錯誤提示信息
    printf("無法打開 test.txt 文件\n");
  }

  return 0;
}

記得每次使用fopen函數時都要對返回值作判斷，因爲如果文件不存在或者正被其他程序佔用，那可能會使當前程序運行失敗。

fclose：關閉文件

close是英語“關閉”的意思。

如果我們成功地打開了一個文件，那麼我們就可以對文件進行讀寫了（讀寫的操作我們下一節再詳述）。

如果我們對文件的操作已經結束，那麼我們應該關閉這個文件，這樣做是爲了釋放佔用的文件指針。

我們需要調用fclose函數來實現文件的關閉，這個函數可以釋放內存，也就是從內存中刪除你的文件（指針）。

函數原型：

int fclose(FILE* pointerOnFile);

這個函數只有一個參數：指向文件的指針

函數的返回值（int）有兩種情況：

0 ：當關閉操作成功時
EOF（一般是-1）：如果關閉失敗

示例如下：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;

  file = fopen("test.txt", "r+");

  if (file != NULL)
  {
  // 讀寫文件

  // ...

  fclose(file); // 關閉我們之前打開的文件
  }

  return 0;
}

讀寫文件的不同方法

現在，我們既然已經知道怎麼打開和關閉文件了，接下來我們就學習如何對文件進行讀出和寫入吧。

我們首先學習如何寫入文件（相比讀出要簡單一些），之後我們再看如何從文件讀出。

對文件寫入

用於寫入文件的函數有好幾個，我們可以根據情況選擇最適合的函數來使用。

我們來學習三個用於文件寫入的函數：

fputc：在文件中寫入一個字符（一次只寫一個）。是file put （put是英語“放入”的意思） character（character是英語“字符”的意思）的縮寫。
fputs：在文件中寫入一個字符串。是file put string（string是英語“字符串”的意思）的縮寫。
fprintf：在文件中寫入一個格式化過的字符串，用法與printf是幾乎相同的，只是多了一個文件指針

fputc

此函數用於在文件中一次寫入一個字符。

函數原型：

int fputc(int character, FILE* pointerOnFile);

這個函數包含兩個參數：

character：int型變量，表示要寫入的字符。我們也可以直接寫'A'這樣的形式，之前ASCII那節知識點沒有忘吧。
pointerOnFile：指向文件的指針。

函數返回int值。如果寫入失敗，則爲EOF；否則，會是另一個值。

示例：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;

  file = fopen("test.txt", "w");

  if (file != NULL)
  {
    fputc('A', file); // 寫入字符 A
    fclose(file);
  }

  return 0;
}

上面的程序用於向test.txt文件寫入字符'A'。

fputs

這個函數和fputc類似，區別是fputc每次是寫入一個字符，而fputs每次寫入一個字符串。

函數原型：

int fputs(const char* string, FILE* pointerOnFile);

類似地，這個函數也接受兩個參數：

string：要寫入的字符串。
pointerOnFile：指向文件的指針。

如果出錯，函數返回EOF；否則，返回異於EOF的值。

示例：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;

  file = fopen("test.txt", "w");

  if (file != NULL)
  {
    fputs("你好朋友\n最近怎麼樣？", file);
    fclose(file);
  }

  return 0;
}

fprintf

這個函數很有用，因爲它不僅可以向文件寫入字符串，而且這個字符串是可以由我們來格式化的。用法其實和printf函數類似，就是多了一個文件指針。

函數原型：

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

示例：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;
  int age = 0;

  file = fopen("test.txt", "w");

  if (file != NULL)
  {
    // 詢問用戶的年齡
    printf("您幾歲了 ? ");
    scanf("%d", &age);

    // 寫入文件
    fprintf(file, "使用者年齡是 %d 歲\n", age);
    fclose(file);
  }

  return 0;
}

從文件中讀出

我們可以用與寫入文件時類似名字的函數，只是略微修改了一些，也有三個：

fgetc：讀出一個字符。是file get（get是英語“取得”的意思） character的縮寫。
fgets：讀出一個字符串。是file get string的縮寫。
fscanf：與scanf的用法類似，只是多了一個文件指針。scanf是從用戶輸入讀取，而fscanf是從文件讀取。

這次介紹這三個函數我們會簡略一些，因爲如果大家掌握好了前面那三個寫入的函數，那這三個讀出的函數是類似的。只是操作相反了。

fgetc

首先給出函數原型：

int fgetc(FILE* pointerOnFile);

函數返回值是讀到的字符。如果不能讀到字符，那會返回EOF。

但是如何知道我們從文件的哪個位置讀取呢？是第三個字符處，還是第十個字符處呢？

其實，在我們讀取文件時，有一個“遊標”，會跟隨移動。

這當然是虛擬的遊標，你不會在屏幕上看到它。你可以想象這個遊標和你用記事本編輯文件時的閃動的光標類似。這個遊標指示你當前在文件中的位置。

之後的小節，我們會學習如何移動這個遊標，使其位於文件中特定的位置。可以使開頭，也可以是第10個字符處。

fgetc函數每讀入一個字符，這個遊標就移動一個字符長度。我們就可以用一個循環來讀出文件所有的字符。例如：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;
  int currentCharacter = 0;

  file = fopen("test.txt", "r");

  if (file != NULL)
  {
    // 循環讀取，每次一個字符
    do
    {
      currentCharacter = fgetc(file); // 讀取一個字符
      printf("%c", currentCharacter); // 顯示讀取到的字符
    } while (currentCharacter != EOF); // 我們繼續，直到fgetc返回EOF（表示文件結束）爲止

    fclose(file);
  }

  return 0;
}

fgets

此函數每次讀出一個字符串，這樣可以不必每次讀一個字符（有時候效率太低）。

這個函數每次最多讀取一行，因爲它遇到第一個'\n'（換行符）會結束讀取。所以如果我們想要讀取多行，需要用循環。

插入一點回車符和換行符的知識：
關於“回車”（carriage return）和“換行”（line feed）這兩個概念的來歷和區別。
在計算機還沒有出現之前，有一種叫做電傳打字機（Teletype Model 33）的玩意，每秒鐘可以打10個字符。
但是它有一個問題，就是打完一行換行的時候，要用去0.2秒，正好可以打兩個字符。要是在這0.2秒裏面，又有新的字符傳過來，那麼這個字符將丟失。
於是，研製人員想了個辦法解決這個問題，就是在每行後面加兩個表示結束的字符。一個叫做“回車”，告訴打字機把打印頭定位在左邊界；另一個叫做“換行”，告訴打字機把紙向下移一行。這就是“換行”和“回車”的來歷，從它們的英語名字上也可以看出一二。
後來，計算機被髮明瞭，這兩個概念也就被搬到了計算機上。那時，存儲器很貴，一些科學家認爲在每行結尾加兩個字符太浪費了，加一個就可以。於是，就出現了分歧。Unix/Linux系統裏，每行結尾只有“<換行>”，即“\n”；Windows系統裏面，每行結尾是“<換行><回車>”，即“\n\r”；Mac系統裏，每行結尾是“<回車>”。
一個直接後果是，Unix/Linux/Mac系統下的文件在Windows裏打開的話，所有文字會變成一行；而Windows裏的文件在Unix/Linux/Mac下打開的話，在每行的結尾可能會多出一個^M符號。
Linux中遇到換行符會進行回車+換行的操作，回車符反而只會作爲控制字符顯示，不發生回車的操作。
而windows中要回車符+換行符纔會"回車+換行"，缺少一個控制符或者順序不對都不能正確的另起一行。

函數原型：

char* fgets(char* string, int characterNumberToRead, FILE* pointerOnFile);

示例：

#include <stdio.h>

#define MAX_SIZE 1000 // 數組的最大尺寸 1000

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;
  char string[MAX_SIZE] = ""; // 尺寸爲MAX_SIZE的數組，初始爲空

  file = fopen("test.txt", "r");

  if (file != NULL)
  {
    fgets(string, MAX_SIZE, file); // 我們讀取最多MAX_SIZE個字符的字符串，將其存儲在 string中
    printf("%s\n", string); // 顯示字符串

    fclose(file);
  }

  return 0;
}

這裏，我們的MAX_SIZE足夠大（1000），保證可以容納下一行的字符數。所以遇到'\n'我們就停止讀取，因此以上代碼的作用就是讀取文件中的一行字符，並將其輸出。

那我們如何能夠讀取整個文件的內容呢？很簡單，加一個循環。

如下：

#include <stdio.h>

#define MAX_SIZE 1000 // 數組的最大尺寸 1000

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;
  char string[MAX_SIZE] = ""; // 尺寸爲MAX_SIZE的數組，初始爲空

  file = fopen("test.txt", "r");

  if (file != NULL)
  {
    while (fgets(string, MAX_SIZE, file) != NULL) // 我們一行一行的讀取文件內容，只要不遇到文件結尾
      printf("%s\n", string); // 顯示字符串

    fclose(file);
  }

  return 0;
}

fscanf

此函數的原理和scanf是一樣的。負責從文件中讀取規定樣式的內容。

函數原型：

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

示例：

例如我們創建一個test.txt文件，在裏面輸入三個數：23, 45, 67

輸入的形式可以是類似下面這樣：

每個數之間有空格

每個數之間換一行

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE* file = NULL;
  int score[3] = {0}; // 包含3個最佳得分的數組

  file = fopen("test.txt", "r");

  if (file != NULL)
  {
    fscanf(file, "%d %d %d", &score[0], &score[1], &score[2]);
    printf("最佳得分是 : %d, %d 和 %d\n", score[0], score[1], score[2]);

    fclose(file);
  }

  return 0;
}

運行輸出：

最佳得分是：23, 45, 67

在文件中移動

前面我們提到一個虛擬的“遊標”，現在我們仔細地來學習一下。

每當我們打開一個文件的時候，實際上都存在一個遊標，標識你當前在文件中所處的位置。

你可以類比我們的文本編輯器，每次你在文本編輯器（例如記事本）裏面輸入文字的時候，不是有一個遊標（光標）可以到處移動麼？它指示了你在文件中的位置，也就是你下一次輸入會從哪裏開始。

總結來說，遊標系統使得我們可以在文件中指定位置進行讀寫操作。

我們介紹三個與文件中游標移動有關的函數：

ftell：告知目前在文件中哪個位置。tell是英語“告訴”的意思。
fseek：移動文件中的遊標到指定位置。seek是英語“探尋”的意思。
rewind：將遊標重置到文件的開始位置（這和用fseek函數來使遊標回到文件開始位置是一個效果）。rewind是英語“轉回”的意思。

ftell：指示目前在文件中的遊標位置

這個函數使用起來非常簡單，它返回一個long型的整數值，標明目前遊標所在位置。函數原型是：

long ftell(FILE* pointerOnFile);

其中，pointerOnFile這個指針就是文件指針，指向當前文件。

相信不必用例子就知道如何使用了吧。

fseek：使遊標移動到指定位置

函數原型爲：

int fseek(FILE* pointerOnFile, long move, int origin);

此函數能使遊標在文件（pointerOnFile指針所指）中從位置（origin所指。origin是英語“初始”的意思）開始移動一定距離（move所指。move是英語“移動”的意思）。

move參數：可以是一個正整數，表明向前移動；0，表明不移動；或者負整數，表明回退。
origin參數：它的取值可以是以下三個值（#define所定義的常量）中的任意：

SEEK_SET ：文件開始處。SET是英語“設置”的意思。
SEEK_CUR ：遊標當前所在位置。CUR是英語current（當前）的縮寫。
SEEK_END ：文件末尾。END是英語“結尾”的意思。

來看幾個具體使用實例吧：

fseek(file, 5, SEEK_SET);
//這行代碼將遊標放置到距離文件開始處5個位置的地方。

fseek(file, -3, SEEK_CUR);
//這行代碼將遊標放置到距離當前位置往後3個位置的地方

fseek(file, 0, SEEK_END);
//這行代碼將遊標放置到文件末尾。

rewind：使遊標回到文件開始位置

這個函數的作用就相當於使用fseek來使遊標回到0的位置

void rewind(FILE* pointerOnFile);

相信使用難不倒大家吧，看函數原型就一目瞭然了。和fseek(file, 0, SEEK_SET); 是一個效果。

文件的重命名和刪除

我們來學習兩個簡單的函數，以結束我們這次的課程：

rename函數：重命名一個文件（rename是英語“重命名”的意思）
remove函數：刪除一個文件（remove是英語“移除”的意思）

這兩個函數的特殊之處就在於，不同於之前的一些文件操作函數，它們不需要文件指針作爲參數，只需要傳給這兩個函數文件的名字就夠了。

rename：重命名文件

函數原型：

int rename(const char* oldName, const char* newName);

oldName就是文件的“舊名字”，而newName是文件的“新名字”。

如果函數執行成功，則返回0；否則，返回非零的int型值。

以下是一個使用的例子：

int main(int argc, char *argv[])
{
  rename("test.txt", "renamed_test.txt");

  return 0;
}

很簡單吧。

remove：刪除一個文件

函數原型：

int remove(const char* fileToRemove);

fileToRemove就是要刪除的文件名

注意：remove函數要慎用，因爲它不會提示你是否確認刪除文件。
文件是直接從硬盤被永久刪除了，也不會先移動至垃圾箱。
想要再找回被刪除的文件就只能藉助一些特殊的軟件了，但是恢復過程可能沒那麼容易，也不一定能夠成功。

實例：

int main(int argc, char *argv[])
{
  remove("test.txt");

  return 0;
}

第二部分第八課預告：

今天的課就到這裏，一起加油吧。

下一次我們學習：C語言探索之旅 | 第二部分第八課：動態分配

C語言探索之旅 | 第二部分第七課：文件讀寫

第二部分第七課：文件讀寫

文件的打開和關閉

fopen：打開文件

測試打開文件

fclose：關閉文件

讀寫文件的不同方法

對文件寫入

fputc

fputs

fprintf

從文件中讀出

fgetc

fgets

fscanf

在文件中移動

ftell：指示目前在文件中的遊標位置

fseek：使遊標移動到指定位置

rewind：使遊標回到文件開始位置

文件的重命名和刪除

rename：重命名文件

remove：刪除一個文件

第二部分第八課預告：

HTTP URL 詳解

Python探索之旅 | 第一部分第一課：Python是什麼？

C語言探索之旅 | 第二部分第四課：字符串

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