智能程序设计（C语言）

数据只存在内存里, 程序一关就没了——文件让数据持久化, 流就是进出程序的通道。

C 里, 流就是任意输入的来源或输出的目的地。

许多小程序从一个流(键盘)获取所有输入, 并将其所有输出写入另一个流(屏幕).

较大的程序可能需要额外的流.

流通常表示存储在不同介质上的文件.

但也很容易与网络端口和打印机等设备相关联.

访问流是通过文件指针完成的, 该指针具有FILE *类型.

FILE类型在<stdio.h>中声明.

某些流由具有标准名称的文件指针表示.

需要时可以声明更多文件指针:
FILE *fp1, *fp2;

<stdio.h> 自带三个标准流, 可以直接使用——不需要声明, 也不打开或关闭:

前面章节中讨论的 I/O 函数从 stdin 获取输入, 并把输出发送到 stdout.

许多操作系统允许通过称为重定向的机制更改这些默认含义.

输入重定向——让程序从文件而不是键盘读入:

demo <in.dat

输出重定向——所有写入 stdout 的数据进入 out.dat 文件, 而不是出现在屏幕上:

demo >out.dat

数据写入文件时, 可以选择文本格式或二进制格式存储. 以数字 32767 为例, 按文本写入字符 3、2、7、6、7:

按二进制存, 只要两个字节:

以二进制存储数字通常可以节省空间.

读取或写入文件的程序必须考虑它是文本文件还是二进制文件.

• 在屏幕上显示文件内容的程序可能会假设它是文本文件

• 文件复制程序不能这样假设: 按文本方式复制, 包含文件结尾字符的二进制文件不会被完全复制

• 无法确定文件是文本形式还是二进制形式时, 假设它是二进制文件更安全

简单性是重定向的魅力之一, 但它在许多应用中受到限制:

• 程序依赖重定向时, 无法控制自己的文件, 甚至不知道文件的名字

• 如果程序需要同时读取两个文件或写入两个文件, 重定向做不到

这时使用 <stdio.h> 提供的文件操作. 要把文件用作流, 打开时需要调用 fopen:

FILE *fopen(const char * restrict filename,
            const char * restrict mode);

filename 是要打开的文件的名称, 可以带路径信息 (比如盘符或目录).

mode 是模式字符串, 指定打算对文件执行的操作.

restrict 是 C99 关键字, 表示 filename 和 mode 不共享内存单元; 它对 fopen 的行为没有影响, 通常可以忽略.

fopen 调用中的文件名包含 \ 字符时要小心.

调用 fopen("c:\project\test1.dat", "r") 将失败:

\t 被当作转义字符 (制表符), \p 也不是合法的转义序列, 编译器通常会报告 unknown escape sequence.

避开这个问题的一种写法: 用 \\ 代替 \:

fopen("c:\\project\\test1.dat", "r")

另一种写法: 用 / 代替 \:

fopen("c:/project/test1.dat", "r")

fopen 返回一个文件指针, 程序通常把它保存在变量中:

fp = fopen("in.dat", "r");
/* 打开 in.dat 以供阅读 */

无法打开文件时, fopen 返回空指针, 所以打开文件后必须检查返回值:

if ((fp = fopen("in.dat", "r")) == NULL) {
  /* 处理错误 */
}

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

fprintf / fscanf 与 printf / scanf 用法相同, 只是第一个参数指定流.

• fprintf(fp, "%d %s\n", n, name); 把格式化数据写入 fp

• fscanf(fp, "%d", &n); 从 fp 按格式读取, 存入 n

返回值: fprintf 返回写入的字符数, 出错时返回负值; fscanf 返回成功匹配并赋值的项数, 在第一次转换前遇到输入结束或错误时返回 EOF.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define FILE_NAME "example.dat"

int main(void)
{
  FILE *fp;

  fp = fopen(FILE_NAME, "r");
  if(fp == NULL) {
    printf("Can't open %s\n", FILE_NAME);
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  …
  fclose(fp);
  return 0;
}

FILE *fp = fopen(FILE_NAME, "r");
if (fp == NULL) {
  /* 处理错误 */
}

fclose 函数允许程序关闭不再使用的文件, 参数必须是从调用 fopen 获得的文件指针.

• 如果文件成功关闭, fclose 返回零

• 否则, 它返回错误代码 EOF (在 <stdio.h> 中定义的宏)

打开文件的框架可以更紧凑: 把 fopen 的调用与 fp 的声明写在一起, 再单独判断返回值 (见左边第二段代码).

不要写成 if (FILE *fp = ...)——C 的 if 条件里不能声明变量.

fputc(ch, fp); /* 将 ch 写入 fp */
putc(ch, fp);  /* 将 ch 写入 fp */
ch = fgetc(fp);
ch = getc(fp);

putchar(ch);   /* 将 ch 写入标准输出流 */

下一组库函数读写单个字符, 文本流与二进制流通用.

• 字符被当作 int 而非 char——输入函数用返回 EOF (负整数常量) 指示文件结束或错误

• putchar 等价于 putc(c, stdout), 本身通常也定义为宏

• putc 通常实现为宏(以及函数), 而 fputc 仅实现为函数; C 标准允许 putc 宏对 stream 参数多次求值, 而 fputc 不可以

• 写入出错时, 上述 3 个函数都会为流设置错误指示器并返回 EOF; 否则返回写入的字符

/* Copies a file */
 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
  FILE *source_fp, *dest_fp;
  int ch;
 
  if(argc != 3) {
    fprintf(stderr, "用法: fcopy 源文件 目标文件\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  if((source_fp = fopen(argv[1], "rb")) == NULL) {
    fprintf(stderr, "打不开 %s\n", argv[1]);
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
 
  if((dest_fp = fopen(argv[2], "wb")) == NULL) {
    fprintf(stderr, "打不开 %s\n", argv[2]);
    fclose(source_fp);
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
 
  while((ch = getc(source_fp)) != EOF)
    putc(ch, dest_fp);
 
  fclose(source_fp);
  fclose(dest_fp);
  printf("复制完成\n");
  return 0;
}

• "rb"/"wb" 二进制模式——文本和二进制文件都能复制

• 逐个字符 fgetc/fputc, 直到 EOF——文件循环的标准写法

• 三个参数、两个 fopen 都判错——错误处理是文件程序的重要部分

puts 将字符串写入 stdout, 在写完字符后总是添加一个换行符:

puts("Hi, there!"); /* writes to stdout */

fputs 是 puts 的更通用版本, 第二个参数指示输出应写入的流:

fputs("Hi, there!", fp); /* writes to fp */

与 puts 不同, fputs 不会写入换行符, 除非字符串中本身存在换行符.

char line[100];
while (fgets(line, sizeof(line), fp) != NULL) {
  for (int i = 0; line[i] != '\0'; i++)
    if (line[i] == '\n') {
      line[i] = '\0';
      break;
    }
  printf("%s\n", line);
}

gets 函数从 stdin 读取一行输入 (C11 已从标准中移除, 不要使用):

gets(str); /* reads a line from stdin */

fgets 是更通用、更安全的版本, 可以从任意流中读取, 并限制存储的字符数.

• fgets 最多读 n-1 个字符; 读到换行符时把它保留在字符串中 (gets 会丢弃)

• 需要去掉行尾 '\n' 时, 可像左边那样找到后覆盖为 '\0'

• sizeof(line) 只对数组有效; 如果 line 是指针, 应显式传入缓冲区大小

• 现代 C 代码应使用 fgets(str, sizeof(str), fp), 并检查返回值是否为 NULL

fwrite(a, sizeof(a[0]), sizeof(a) / sizeof(a[0]), fp);

n = fread(a, sizeof(a[0]),
          sizeof(a) / sizeof(a[0]), fp);

fread/fwrite 一次读写大块数据 (主要用于二进制流, 也可用于文本流).

fwrite 把数组从内存复制到流, 参数: 数组地址、元素大小 (字节)、元素个数、文件指针; 返回实际写入的元素数 (出错时小于第三个参数).

fread 从流读数组元素, 返回值是实际读取的元素数 (除非到达文件末尾或出错, 否则应等于第三个参数). a 必须是数组 (或指向连续内存的指针), 元素个数类型为 size_t.

如果要求 fscanf 函数读取并存储 n 个数据项, 那么期望它的返回值为 n. 如果返回值小于 n, 则出现问题:

• 文件末尾: 在完全匹配格式字符串之前遇到文件末尾

• 读取错误: 无法从流中读取字符

• 匹配失败: 数据项的格式错误

每个流都有两个与之关联的指示器: 错误指示器和文件末尾指示器.

• 打开流时, 这些指示器会被清除

• 遇到文件末尾就设置文件末尾指示器, 读取错误就设置错误指示器

• 当输出流上发生写错误时, 也会设置错误指示器

• 匹配失败不会改变任意一个指示器

fseek 修改第一个参数 (文件指针) 的文件位置, 第三个参数是三个宏之一:

• SEEK_SET: 文件开头

• SEEK_CUR: 当前文件位置

• SEEK_END: 文件结尾

第二个参数类型为 long int, 是一个(可能是负数)字节计数. 出错时 (比如请求的位置不存在), fseek 返回非零值.

使用 fseek 移动到文件的开头:

fseek(fp, 0L, SEEK_SET);

使用 fseek 移动到文件末尾:

fseek(fp, 0L, SEEK_END);

使用 fseek 往回移动 10 个字节:

fseek(fp, -10L, SEEK_CUR);

/* Modifies a file of part records by setting the quantity
   on hand to zero for all records */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define NAME_LEN 25
#define MAX_PARTS 100
struct part {
  int number;
  char name[NAME_LEN+1];
  int on_hand;
} inventory[MAX_PARTS];
int num_parts;
int main(void)
{
  FILE *fp;
  if((fp = fopen("inventory.dat", "rb+")) == NULL) {
    fprintf(stderr, "Can't open inventory file\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  num_parts = fread(inventory, sizeof(struct part),
                    MAX_PARTS, fp);
  for(int i = 0; i < num_parts; i++)
    inventory[i].on_hand = 0;
  rewind(fp);
  fwrite(inventory, sizeof(struct part), num_parts, fp);
  fclose(fp);
  return 0;
}

问题: 把 inventory.dat 中每条 struct part 记录的 on_hand 清零.

invclear.c 程序执行的操作:

• 打开包含 struct part 结构的二进制文件

• 将结构读入数组, 把每个结构的成员 on_hand 设置为 0

• 将结构写回文件

"rb+" 模式打开文件, 允许读写. 样例: 文件中原有两条记录, 运行前后:

运行前: 1  Widget  10    2  Gadget  25
运行后: 1  Widget  0     2  Gadget  0