C语言程序设计基础（第二版）课件：文件输入输出-C程序与 文件交互数据的方式

文件输入/输出

——C程序与文件交互数据的方式11.1文件的基本概念11.2文件的打开与关闭11.3顺序读/写数据文件11.4随机读/写数据文件11.5文件读/写的出错检测实操训练课外练习

11.1文件的基本概念

程序文件与数据文件有何异同？程序文件通过什么方式与数据文件交互？文件是指存储在外部介质上数据的集合。文件有不同的类型。在程序设计中，主要用到程序文件和数据文件。程序文件包括源程序文件(后缀为.c)、目标文件(后缀为.obj)、可执行文件(后缀为.exe)等。这种文件的内容都是程序代码。

数据文件的内容是供程序运行时读/写的数据。

每个文件都有一个唯一的文件标识符，便于识别和使用。文件标识包括3个部分，即文件路径、主文件名和扩展名(也称为后缀)。例如：D：\User\progame\file1.dat文件路径主文件名文件扩展名

文件路径表示文件的存储位置。文件名包括主文件名和文件扩展名。主文件名是文件的主要标识符号，由用户命名，扩展名(后缀)用来表示文件的性质，一般不超过3个字符，一般采用一些约定的符号。例如dat(数据文件)、txt(文本文件)、c(C语言源程序)、cpp(C++语言源程序)、exe(可执行文件)等。

11.1.1数据文件的概念

前面各章中，程序中数据的输入和输出都以终端为对象。键盘是常用的输入终端，显示器是常用的输出终端。程序中的数据不仅可以来自终端，也可以先建立数据文件，从文件中读取；处理的结果数据不仅可以在终端上显示，也可以文件形式存放到磁盘文件中，供以后使用。如果文件中存放的都是数据，就称为“数据文件”。

数据在文件中的存储形式是：字符以ASCII码形式存储，即一个字符占一个字节；数值型数据可以按数字的ASCII码形式存储，即一位数字的ASCII码占一个字节，也可以按二进制数存储。如果一个文件都以字符的ASCII码形式存储数据，则称之为文本文件；如果一个文件都以二进制形式存储数据，则称之为二进制文件。文本文件(ASCII码)中，一个数据的每一位数字的ASCII码占一个字节，调入内存时需转换成二进制数，存入文件时又要转换成ASCII码，占用内存空间大，而且有转换时间，但可直接向外设输出。二进制文件中数据的存储形式与内存存储数据的形式一致，占用空间小，从文件输入或向文件输出时不需要转换，但向外设输出时需要转换成ASCII码。

11.1.2文件缓冲区

所谓文件缓冲区，是系统与磁盘文件传输数据时在内存中开辟的一个暂存区域。向磁盘文件输出数据时，必须先送到缓冲区，装满缓冲区后，才送到磁盘文件中。从磁盘读入数据时，则从磁盘文件输入数据装满缓冲区，然后从缓冲区将数据逐个地送到程序数据区(给程序变量)，如图11.1所示。缓冲区的大小由各个具体的C编译系统确定。图11.1系统与磁盘文件传输数据示意图

11.1.3文件类型指针

程序中对文件的各种操作是通过文件指针进行的。每个文件被使用时，系统在内存中开辟一个“文件信息描述区”，用来存放文件的有关信息(如文件名、文件状态、文件使用方式、文件当前位置、文件缓冲区所剩余的字节数等)。该信息描述区是用一个结构体变量来实现的，其类型由系统定义，取名为FILE。例如，一种C编译系统的stdio.h中有以下的文件类型结构体定义：

不同的C编译系统的FILE类型包含的内容不尽相同，但都大同小异。用户可以在程序中使用该类型来定义文件指针变量，通过指针变量来引用文件信息。例如：

FILE*fp1；

定义fp1为一个指向FILE类型的指针变量。fp1指向某一个文件的文件信息区(一个结构体变量)，通过该文件信息区中的信息能够访问该文件。如果程序中使用n个文件，一般应定义n个指针变量。

11.2文件的打开与关闭

怎样为读/写打开或关闭一个数据文件？对文件操作之前必须打开文件，操作结束后又要关闭文件。打开文件的目的是建立磁盘文件与文件指针的关系，为磁盘文件在内存中建立缓冲区。关闭文件的目的是防止文件中数据丢失，释放文件缓冲区。C语言提供了文件的打开与关闭的标准函数。

11.2.1打开文件

使用标准函数fopen来打开一个文件，函数调用的一般形式为

fopen("文件名"，"文件使用方式")；

函数的功能：把指定的文件按使用方式打开，系统自动给该文件建立信息描述区，把文件信息区的起始地址作为返回值。通常是将返回地址赋给一个指向文件的指针变量。如果打开文件不成功，则返回值为0。

使用文件的方式有多种，见表11.1。

例如：

FILE*fp;

fp=fopen("file.txt"，"r")；

为读文件而打开文本文件file.txt，文件打开成功则将该文件的指针赋给fp。

11.2.2文件的关闭

使用标准函数fclose来关闭一个已经打开的文件，函数调用的一般形式为

fclose(文件指针)；

函数的功能：解除文件指针与文件的联系，释放缓冲区。如果文件关闭成功则返回值为0，否则返回EOF(-1)。

11.3顺序读/写数据文件

怎样读/写一个数据文件？打开文件后，就可以进行读/写操作了。顺序读/写数据文件就是按文件中数据的顺序进行读/写。读数据时，从文件头开始一个接一个读取；写数据时，把数据追加在当前数据的后面。C语言提供了不同的读/写数据文件的方式。

11.3.1字符方式读/写文件

字符方式读/写文件是一次从文件中读/写一个字符。可通过文件的字符输入/输出函数调用来实现字符读/写操作。

1．读入字符函数fgetc

该函数调用的一般形式为

fgetc(fp);

fp是指向要输入数据文件的指针变量。其功能是从fp所指向的文件中读取一个字符，返回字符值；如果读取失败，则返回文件结束标志EOF(-1)。

2．写入字符函数fputc

该函数调用的一般形式为

fputc(ch,fp);

其中，ch是要写入文件的字符，可以是字符常量、字符变量或字符表达式等；fp是要写入文件的指针变量。其功能是将字符写入fp所指向的文件，写入成功则返回值是输出的字符，写入失败则返回EOF(-1)。

例11.1从键盘输入一行字符，写入file1.dat文件中。

编程思路：用fgetc函数从键盘逐个输入字符，再用fputc函数写到磁盘文件中。

分析：运行程序后，在当前目录下可查找到“file1.dat”，打开文件可看到内容是输入的字符串。if语句中使用“fopen("file1.dat","w")”函数调用，先建立一个新文件，将指针赋给文件指针变量fp。在循环中将输入的一个字符写入fp所指向的文件中。

例11.2将一个磁盘文件中的内容复制到另一个磁盘文件中。现将例11.1建立的文件file1.dat复制到文件file2.dat中。

编程思路：从file1.dat中逐个字符读出，再写入到file2.dat中。

分析：f_in=fopen("file1.dat","r")是打开已存在的文件，使f_in指向file1.dat。fopen("file2.dat","w")是打开不存在的文件，则建立新文件，将返回建立的文件地址赋给f_out。在while循环中的表达式测试文件是否到达结尾，未到结尾，从file1.dat读取f_in指向的字符，写入file2.dat中f_out指向的位置，同时输出当前读/写的字符。运行程序后，在当前目录下可查找到“file1.dat”和“file2.dat”，打开文件可看到两个文件内容相同。

11.3.2字符串方式读/写文件

字符串方式读/写文件是一次从文件中读/写一个字符序列。可通过文件的字符串输入/输出函数调用来实现字符串的读/写操作。

1．读取字符串函数fgets

该函数调用的一般形式为

fgets(str,n,fp);

其中，str是数组名(数组指针)；n是字符串长度(包含结束符)；fp是要读文件的指针变量。

函数功能：从fp所指向文件中读取n-1个字符串，并在最后加一个字符串结束符“\0”，存入字符数组str中。读取成功，返回数组指针str，失败则返回NULL。

2．写入字符串函数fputs

该函数调用的一般形式为

fputs(str,fp);

其中，str是数组名(数组指针)；fp是要写入文件的指针变量。

函数功能：将str中的字符串写入fp所指向的文件中。写入成功返回0，写入失败则返回非0。

例11.3从键盘输入多个字符串，对它们按字母大小的顺序排序，然后把排好序的字符串存到文件中。

编程思路：

(1)从键盘输入多个字符串并存入一个二维数组中；

(2)对字符数组中的n个字符串按字母顺序排序，仍存在原字符数组中；

(3)将字符数组中的字符串输出到文件中。

分析：

(1)用单重循环实现3个字符串的输入，分别存入二维数组中的3个行一维数组中。

(2)利用双重循环实现3个字符串的比较和交换，将排好序的串，按序存入3个行一维数组中。

(3)用fputs函数调用，将排好序的3个行一维数组中的字符串写入文件。向文件中写入数据时，只写入字符串的有效字符，不包括字符串结束标志，所以“fputs(str[i],fp);”存串之后用“fputs("\n",fp);”将串结束标志加存在串后。

11.3.3用格式化方式读/写文件

C语言系统提供了与终端格式化输入/输出函数scanf、printf相仿的文件格式化输入/输出函数fscanf、fprintf。这两个函数调用的一般形式为

fprintf(文件指针，格式字符，输出列表)；

fscanf(文件指针，格式字符，输入列表)；

其中，“格式字符”“输入列表”“输出列表”都同scanf、printf函数。例如：

fprintf(fp，"%d，%6.2f"，i，f)；

语句把整型i和实型变量f的值按%d、%6.2f的格式输出到fp指向的文件中。

fscanf(fp，"%d，%f"，&i，&f)；

语句从fp所指文件中读取一个整型数据赋给变量i，读取一个实型数据赋给变量f。

用格式化读/写函数fscanf、fprintf对磁盘文件进行读/写，比较直观，容易理解，但因输入时要将ASCII码转换成二进制形式，再保存在变量中，输出时又要将二进制形式转换成ASCII码，所以花费的时间较多。因此，在内存与磁盘交换数据频繁的情况下，最好不用fscanf、fprintf函数，而用下面介绍的fread、fwrite函数进行二进制的读/写。

11.3.4用二进制方式向文件读/写一组数据

C语言提供的fread和fwrite函数能实现一次输入/输出一个数据块，以二进制形式进行读/写。

这两个函数调用的一般形式为

fread(buffer,size,n,fp);

fwrite(buffer,size,n,fp);

参数说明：

“buffer”表示缓冲区地址。对fread，表示从文件中读出数据存放在内存缓冲区首地址；对fwrite，表示向文件输出数据的内存缓冲区首地址。

“size”表示要读/写的数据的存储长度(字节数)。

“n”表示要读/写数据的个数。

“fp”表示要读/写的文件指针。

fread的功能是从fp所指向的文件中读取n个数据(每个数据有size个字节)，存到buffer为首地址的存储区中。如果读数据成功，返回输入数据的个数n。如遇文件结束或出错则返回值0。

fwrite的功能是把buffer为首地址的n个数据(每个数据有size个字节)写到fp所指向的文件中。如果写数据成功，返回输出数据的个数n。

例11.4从键盘输入3个学生的相关数据，存到一个文件中，再从文件中读取数据，输出到屏幕上。

编程思路：定义有3个元素的结构体数组，用来存放3个学生的数据。在主函数中输入3个学生的数据。用save函数实现向磁盘文件输出学生数据。在主函数中从磁盘文件读取学生数据输出到屏幕上。

分析：

(1)在main()函数中输入3个学生数据，存入结构体数组stud1中。调用save函数将stud1中的数据输出到“stu.dat”文件中。fwrite将一个结构体数据送到“stu.dat”文件中。结构体长度用“sizeof(structstudent)”测试得到，得到的测试值为36(数据长度=4+10+4+15=33，但按字节的整数倍存储)。

(2)在save函数中的“fopen("stu.dat","wb")”是按二进制写方式打开文件，此时文件不存在，建立一个新文件。在main函数中的“fopen("stu.dat","rb")”是为了读而打开二进制文件。fread函数从“stu.dat”文件中读取一个结构体数据(一个学生数据)存入结构体数组stud2中，采用数组元素和结构体成员的输出方式输出到屏幕上。

(3)只要修改宏定义中常数3，可实现任意多学生数据的输入、存储和输出。

11.4随机读/写数据文件

怎样按用户需要读/写数据文件中任一数据？顺序读/写数据文件是按数据在文件中的存储顺序进行读/写。随机读/写数据文件，是读/写文件中任一位置的数据。

为了实现数据文件的读/写控制，系统给文件内部设置了一个位置指针。位置指针总是指向当前要读/写数据的位置。顺序读/写方式中，位置指针是由系统控制的。读/写总是从文件开头进行，每读/写一个数据，指针就后移一个数据位置，指向下一个数据位置，一直到文件尾部，指针又重返文件开头。随机读/写就是把位置指针控制在需要的位置上进行读/写的方式。随机读/写文件的关键是控制文件位置指针，也就是指针定位。C语言提供了文件位置指针定位的函数，利用这些函数，就可方便地实现随机读/写文件。

11.4.1位置指针定位函数

C语言提供了文件定位、测试和移动函数。

1．设置文件位置指针到文件开头函数rewind

该函数调用的一般形式为

rewind(fp);

其中，参数fp是文件类型指针。

函数功能：将fp所指向文件中的位置指针置于文件的开头位置，并清除文件结束标志和出错标志。函数无返回值。

2．检测文件是否结束函数feof

该函数调用的一般形式为

feof(fp);

函数功能：检测是否到fp所指向文件的结束位置，检测到文件结束，返回非0值，否则返回0。

3．检测文件位置指针的当前位置ftell

该函数调用的一般形式为

ftell(fp);

函数功能：检测fp所指向文件的当前读/写位置，返回一长整型数，表示当前读/写位置距文件开头的偏移量。偏移量是指当前读/写位置距离文件开头的字节数。

4．设置文件位置指针函数fseek

该函数调用的一般形式为

fseek(fp,offset,base);

其中，offset表示偏移量；base表示改变位置指针的相对基准位置，参数的取值见表11.2。

函数功能：fp所指向文件的位置指针移到以“base”所给出的位置为基准、以“offset”为偏移量的位置。移动成功返回当前位置，否则返回-1。

注意：文件位置指针的取值是距离文件开头的字节数，即偏移量。知道了偏移量也就确定了读/写位置。这与文件指针是截然不同的两个概念，不能混淆。

11.4.2随机读/写文件

利用文件位置指针定位函数就可以根据需要定位读/写位置，实现随机读/写文件中的数据。下面通过例子来说明文件位置指针定位函数的使用及程序设计。

例11.5在磁盘文件中存有10个学生的数据，要求读取第1、3、5、7、9个学生数据并在屏幕上显示。

编程思路：

(1)利用例11.4程序建立10个学生数据文件；

(2)按“二进制只读”方式打开学生数据文件，准备从文件中读取数据；

(3)将文件位置指针指向文件开头，读取第1个学生数据，输出到屏幕上；

(4)分别使文件位置指针指向第3、5、7、9个学生数据区的开始位置，读取一个学生数据，并输出到屏幕上。

分析：本例是在例11.4程序建立的学生数据文件的基础上，用“fopen("stu.dat","rb")”打开文件，即以“二进制只读”方式打开文件；采用步长为2的循环和“i*sizeof(structstudent)”确定读/写位置偏移量，使位置指针指向第1、3、5、7、9个学生数据；把学生数据读入到结构体数组中，然后再按结构体数组元素输出。

11.5文件读/写的出错检测

怎样检测和处理数据文件读/写中的出错信息？文件读/写是和磁盘打交道，常会出现因磁盘的问题导致操作失败。因此需要检测功能，及时识别问题所在，以便调整操作或排除故障。文件读/写函数具有出错检测功能，通过返回值来识别。C语言系统还提供了专门的错误检测函数和出错标志清除函数。

1．错误检测函数ferror

该函数调用的一般形式为

ferror(fp);

函数功能：检测fp所指向的磁盘文件是否可正常读/写，如果不能正常读/写，返回一个非0值；能正常读写，返回值0。

执行fopen函数调用时，ferror函数的初始值自动为0。应注意，对同一文件每次调用输入/输出函数，都会产生一个新的ferror函数值，因此，在调用一个输入/输出函数后，应立即检查ferror函数值，否则信息会丢失。

2．出错标志清除函数clearerr

一旦文件出错一次，出错标志就一直保留，使后续的输入/输出无法正常进行。因此，应及时清除出错标志。该函数调用的一般形式为

clearerr(fp);

函数功能：将fp所指向的文件出错标志置为0。

实操训练

实训任务十一学习程序与数据文件交互的程序设计方法实训项目1建立学生班级成绩表数据文件，成绩表式样如表11.3所示，实现以下功能：

(1)从键盘输入学生数据，存入学生结构体数组中。

(2)求每个学生的平均成绩，存到学生结构体平均分字段中。

(3)建立数据文件，存储学生成绩表数据。

(4)输出数据文件的学生成绩表。

输入/输出界面可参照图11.2所示。图11.2实训项目1界面式样

实训指导

1．设计程序

(1)根据学生成绩表式样定义结构体类型及数组，同时定义文件指针，将其定义为全局数据对象。

(2)从键盘输入学生成绩表数据，存入结构体数组中，可用一个函数来实现。函数形参设置为结构体数组，循环一次输入一条学生记录，在循环中嵌套内循环，依次实现每门课成绩输入。输入的数据存入学生结构体对应字段中。

(3)计算每个学生的平均成绩，可用一个函数来实现。函数形参设置为结构体数组，用双重循环依次实现每个学生各科目成绩求和，并计算出平均成绩，存入学生结构体的平均分字段中。

(4)创建学生成绩表数据文件，可用一个函数来实现。函数形参设置为文件指针(file*x)，循环一次把一条学生记录(结构体数组的一个元素)写入指针所指向的文件中。

(5)输出数据文件中学生成绩表数据，可用两个函数来实现。先设计结构体数组的一个元素(一条学生记录)输出的函数，形参设置为结构体变量，依次按成员顺序输出，其中学生成绩是数组，需用内循环依次按科目输出。再设计数据文件中的结构体数组(全部学生记录)输出的函数，函数形参设置为文件指针(file*x)，用循环实现从文件读取一条学生记录，赋给结构体数组元素，调用结构体的一个元素的输出函数。

(6)在主函数中定义指针，并指向学生结构体数组，依次调用输入、求平均值、建立数据文件、输出数据文件数据的函数。调用函数前应正确设置实参。调用输入和求平均值函数时，实参是学生结构体指针；调用建立数据文件函数和输出数据文件数据函数前，应打开文件，文件指针作实参。

2．调试运行程序

(1)从键盘输入班级学生成绩表数据，检测结果是否正确。

(2)在源文件目录下，查看所建立的学生数据文件。