C++中文件IO流的使用

# 1. 简介

## 1.1 什么是文件IO流

在计算机中，文件输入/输出流（IO流）是指数据在文件之间传输的抽象概念。输入流用于从文件中读取数据，输出流用于向文件中写入数据。

## 1.2 文件IO流的作用

文件IO流的作用是实现文件的读写操作，通过使用文件IO流，程序可以与文件交换数据，实现数据的持久化存储。

## 1.3 C语言中支持的文件IO流

在C语言中，通过文件指针和相关的文件IO函数，可以实现对文件的读写操作。C语言中常用的文件IO函数包括 fopen、fclose、fgetc、fputc、fgets、fputs、fread、fwrite 等。

### 2. 打开与关闭文件

在C语言中，需要使用文件IO流进行文件的读写操作。首先需要打开文件以便进行读写操作，完成读写操作后需要关闭文件。

#### 2.1 fopen函数的使用

使用fopen函数可以打开一个文件，并返回一个指向FILE类型的指针，用于后续的文件读写操作。

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

- `filename`：需要打开的文件名
- `mode`：打开文件的模式，常见的包括"r"（只读）、"w"（只写）、"a"（追加）等

示例代码：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        printf("文件打开失败！\n");
    } else {
        printf("文件打开成功！\n");
        fclose(file);
    }
    return 0;
}

**代码说明：**
- 使用`fopen`函数打开了一个名为"example.txt"的文件，以只读模式打开。
- 如果文件打开失败，输出"文件打开失败！"，否则输出"文件打开成功！"。
- 最后使用`fclose`函数关闭文件。

**代码结果说明：**
如果当前目录下存在名为"example.txt"的文件，则会输出"文件打开成功！"，否则会输出"文件打开失败！"。

#### 2.2 fclose函数的使用

使用fclose函数可以关闭之前打开的文件流，释放资源并将文件关闭。

int fclose(FILE *stream);

- `stream`：指向FILE类型的指针，代表需要关闭的文件流

示例代码：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        printf("文件打开失败！\n");
    } else {
        printf("文件打开成功！\n");
        fclose(file);
        printf("文件关闭成功！\n");
    }
    return 0;
}

**代码说明：**
- 使用`fclose`函数可以关闭之前打开的文件流，并输出"文件关闭成功！"。
- 文件流关闭后，不可再做读写操作。

**代码结果说明：**
如果文件打开成功，会输出"文件打开成功！"和"文件关闭成功！"；如果文件打开失败，则只会输出"文件打开失败！"。
### 3. 读取文件内容

文件IO流的一个重要功能是读取文件的内容。在C语言中，提供了多个函数可以实现这一功能，包括fgetc、fgets和fread等。下面分别介绍这些函数的使用方法。

#### 3.1 fgetc函数的使用

fgetc函数用于从文件中读取一个字符，并将其返回。其声明如下：

int fgetc(FILE *stream);

其中，stream是一个指向文件的指针。下面是一个使用fgetc函数从文件中逐个读取字符的示例：

#include <stdio.h>

int main() {
   FILE *fp;
   int c;
   
   fp = fopen("file.txt", "r");
   if (fp == NULL) {
      printf("文件打开失败！\n");
      return -1;
   }
   
   while ((c = fgetc(fp)) != EOF) {
      printf("%c", c);
   }
   
   fclose(fp);
   
   return 0;
}

上述代码中，首先使用fopen函数打开名为file.txt的文件，并以只读模式打开。如果文件打开成功，则使用while循环逐个读取文件中的字符，直到文件结束符EOF（End-Of-File）。读取到的字符通过printf函数输出。最后使用fclose函数关闭文件。

#### 3.2 fgets函数的使用

fgets函数用于从文件中读取一行内容，并将其存储到一个指定的字符串数组中。其声明如下：

char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);

其中，str是一个指向字符串数组的指针，n是指定的最大读取字符数（包括换行符），stream是一个指向文件的指针。下面是一个使用fgets函数读取文件中的每一行的示例：

#include <stdio.h>

int main() {
   FILE *fp;
   char line[256];
   
   fp = fopen("file.txt", "r");
   if (fp == NULL) {
      printf("文件打开失败！\n");
      return -1;
   }
   
   while (fgets(line, sizeof(line), fp) != NULL) {
      printf("%s", line);
   }
   
   fclose(fp);
   
   return 0;
}

上述代码中，首先使用fopen函数打开名为file.txt的文件，并以只读模式打开。如果文件打开成功，则使用while循环逐行读取文件的内容，每次读取的一行内容存储在line字符串数组中，然后通过printf函数输出。最后使用fclose函数关闭文件。

#### 3.3 fread函数的使用

fread函数用于从文件中读取一定数量的数据，并存储到指定的缓冲区中。其声明如下：

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream);

其中，ptr是一个指向缓冲区的指针，size是每个数据项的字节数，count是要读取的数据项的数量，stream是一个指向文件的指针。下面是一个使用fread函数读取二进制文件的示例：

#include <stdio.h>

int main() {
   FILE *fp;
   int buffer[10];
   int num;
   
   fp = fopen("file.bin", "rb");
   if (fp == NULL) {
      printf("文件打开失败！\n");
      return -1;
   }
   
   num = fread(buffer, sizeof(int), 10, fp);
   printf("读取了%d个数据项。\n", num);
   
   fclose(fp);
   
   return 0;
}

上述代码中，首先使用fopen函数以二进制只读模式打开名为file.bin的文件。如果文件打开成功，则使用fread函数从文件中读取10个整数数据项，并存储到buffer数组中。读取的数据项数量通过printf函数输出。最后使用fclose函数关闭文件。

以上就是在C语言中读取文件内容的几种常用方法。根据实际需求，选择合适的函数可以更加灵活地处理文件中的数据。
### 4. 写入文件内容

在C语言中，我们可以使用多种函数来向文件中写入内容，下面我们将介绍几种常用的写入文件内容的函数。

#### 4.1 fputc函数的使用

fputc函数可以向文件中写入一个字符，其基本语法如下：

int fputc(int character, FILE *stream);

- character：要写入的字符。
- stream：指向文件的指针。

示例代码如下：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *filePointer;
    char content = 'A';

    filePointer = fopen("output.txt", "w");
    
    if (filePointer == NULL) {
        printf("无法打开文件\n");
        return 1;
    }

    fputc(content, filePointer);
    
    fclose(filePointer);

    return 0;
}

**代码说明：**
- 我们首先使用fopen函数以写入模式打开一个名为output.txt的文件。
- 然后使用fputc函数向文件中写入字符'A'。
- 最后关闭文件。

**代码总结：**
该代码演示了使用fputc函数向文件中写入一个字符。

**结果说明：**
运行该代码后，会在当前目录下生成output.txt文件，并且文件中包含字符'A'。

#### 4.2 fputs函数的使用

fputs函数可以向文件中写入一个字符串，其基本语法如下：

int fputs(const char *str, FILE *stream);

- str：要写入的字符串。
- stream：指向文件的指针。

示例代码如下：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *filePointer;
    char content[] = "Hello, World!";

    filePointer = fopen("output.txt", "w");
    
    if (filePointer == NULL) {
        printf("无法打开文件\n");
        return 1;
    }

    fputs(content, filePointer);
    
    fclose(filePointer);

    return 0;
}

**代码说明：**
- 我们首先使用fopen函数以写入模式打开一个名为output.txt的文件。
- 然后使用fputs函数向文件中写入字符串"Hello, World!"。
- 最后关闭文件。

**代码总结：**
该代码演示了使用fputs函数向文件中写入一个字符串。

**结果说明：**
运行该代码后，会在当前目录下生成output.txt文件，并且文件中包含字符串"Hello, World!"。

#### 4.3 fwrite函数的使用

fwrite函数可以向文件中写入一个数据块，其基本语法如下：

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

- ptr：指向要写入的数据的指针。
- size：每个数据项的大小（以字节为单位）。
- nmemb：要写入的数据项的个数。
- stream：指向文件的指针。

示例代码如下：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *filePointer;
    int data[] = {1, 2, 3, 4, 5};

    filePointer = fopen("output.dat", "wb");
    
    if (filePointer == NULL) {
        printf("无法打开文件\n");
        return 1;
    }

    fwrite(data, sizeof(int), 5, filePointer);
    
    fclose(filePointer);

    return 0;
}

**代码说明：**
- 我们首先使用fopen函数以二进制写入模式打开一个名为output.dat的文件。
- 然后使用fwrite函数向文件中写入整型数组data的数据。
- 最后关闭文件。

**代码总结：**
该代码演示了使用fwrite函数向文件中写入一个数据块。

**结果说明：**
运行该代码后，会在当前目录下生成output.dat文件，并且文件中包含整型数组data的数据。

以上介绍了在C语言中使用fputc、fputs和fwrite函数来向文件中写入内容的方法。无论是写入单个字符、字符串还是数据块，我们都可以利用这些函数完成文件的写入操作。
### 5. 文件位置指针操作

在C语言中，文件位置指针指示了文件流中当前的位置。通过对文件位置指针的操作，可以控制读写文件的位置。

#### 5.1 fseek函数的使用

fseek函数用于设置文件位置指针的位置。它的原型如下：

int fseek(FILE *stream, long int offset, int origin);

- stream：指向FILE类型的指针，表示要设置位置指针的文件流。
- offset：表示要设置的偏移量的值。正值表示向文件尾方向偏移，负值表示向文件头方向偏移。
- origin：表示参考位置，可以使用以下常量：
- SEEK_SET：从文件头开始计算偏移量。
- SEEK_CUR：从当前位置开始计算偏移量。
- SEEK_END：从文件尾开始计算偏移量。

使用fseek函数可以实现文件位置指针的定位，示例代码如下：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("test.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        printf("文件打开失败\n");
        return -1;
    }

    fseek(fp, 2, SEEK_SET); // 移动文件位置指针到第2个字节的位置

    char ch;
    while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {
        putchar(ch);
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

运行上述代码，将打开名为test.txt的文件，并将文件位置指针移动到第2个字节的位置，然后逐个读取字符并输出。注意，文件位置指针的移动是相对于当前指针位置进行的。

#### 5.2 ftell函数的使用

ftell函数用于获取文件位置指针的当前位置。它的原型如下：

long int ftell(FILE *stream);

- stream：指向FILE类型的指针，表示要获取位置指针位置的文件流。

ftell函数返回当前位置指针相对于文件头的偏移量，以字节为单位。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("test.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        printf("文件打开失败\n");
        return -1;
    }

    fseek(fp, 0, SEEK_END); // 将文件位置指针移动到末尾

    long int fileSize = ftell(fp); // 获取文件大小
    printf("文件大小：%ld字节\n", fileSize);

    fclose(fp);
    return 0;
}

运行上述代码，将打开名为test.txt的文件，并将文件位置指针移动到文件末尾，然后使用ftell函数获取文件大小并输出。

#### 5.3 rewind函数的使用

rewind函数用于将文件位置指针移动到文件开头。它的原型如下：

void rewind(FILE *stream);

- stream：指向FILE类型的指针，表示要操作的文件流。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("test.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        printf("文件打开失败\n");
        return -1;
    }

    fseek(fp, 10, SEEK_SET); // 移动文件位置指针到第10个字节的位置

    rewind(fp); // 将文件位置指针移动到文件开头

    char ch;
    while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {
        putchar(ch);
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

运行上述代码，将打开名为test.txt的文件，并将文件位置指针移动到第10个字节的位置，然后使用rewind函数将文件位置指针移动到文件开头，最后逐个读取字符并输出。

## 6. 错误处理与异常

在文件IO流操作中，可能会遇到各种错误和异常情况，例如文件打开失败、读写过程中出现错误等。为了保证程序的稳定性和可靠性，我们需要对这些错误和异常进行处理。

### 6.1 文件打开失败处理

在打开文件时，可能会遇到文件不存在、权限不足等问题，导致文件打开失败。为了保证程序的正常运行，我们需要对这些问题进行处理。

在C语言中，`fopen` 函数会在打开文件失败时返回一个空指针。我们可以通过检查返回值来判断文件是否成功打开。下面是一个示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开文件
    FILE* file = fopen("test.txt", "r");
    
    // 判断文件是否打开成功
    if (file == NULL) {
        printf("文件打开失败！\n");
        // 进行错误处理的逻辑
    } else {
        printf("文件打开成功！\n");
        // 进行文件操作的逻辑
        fclose(file);
    }
    
    return 0;
}

上述代码中，我们使用 `fopen` 函数打开了一个名为 "test.txt" 的文件。如果文件打开失败（例如文件不存在），`fopen` 函数会返回一个空指针 `NULL`。我们可以通过判断返回值是否为 `NULL` 来确定文件是否打开成功。

### 6.2 读写过程出现错误的处理

在读取或写入文件内容时，可能会出现一些错误，例如文件不存在、读写权限不足等。为了避免程序因为这些错误而崩溃，我们需要对这些错误进行处理。

在C语言中，可以使用 `ferror` 函数来检查文件读写操作是否出现错误。下面是一个示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开文件
    FILE* file = fopen("test.txt", "r");
    
    // 判断文件是否打开成功
    if (file == NULL) {
        printf("文件打开失败！\n");
        // 进行错误处理的逻辑
    } else {
        printf("文件打开成功！\n");
        
        // 读取文件内容
        char buffer[100];
        if (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) == NULL) {
            if (feof(file)) {
                printf("文件读取结束！\n");
            } else {
                printf("文件读取错误！\n");
                // 进行错误处理的逻辑
            }
        } else {
            printf("文件读取成功：%s\n", buffer);
        }
        
        fclose(file);
    }
    
    return 0;
}

上述代码中，我们先使用 `fopen` 函数打开了一个名为 "test.txt" 的文件。如果文件打开失败，我们可以根据具体情况进行错误处理。

如果文件打开成功，我们使用 `fgets` 函数来读取文件内容。如果读取到文件末尾，`fgets` 函数会返回一个空指针 `NULL`，并通过 `feof` 函数判断是否是文件结束。如果读取过程中出现错误，`fgets` 函数同样会返回一个空指针 `NULL`，但这时并不是文件结束，我们可以通过 `ferror` 函数来判断是否是读取错误。

### 6.3 异常情况的处理与日志记录

除了针对文件打开失败和读写过程出现错误的处理外，我们还要考虑一些异常情况的处理，例如内存不足、磁盘空间不足等。

对于这些异常情况，我们可以使用 `setjmp` 和 `longjmp` 函数来进行异常处理。下面是一个示例：

#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>

// 定义 jmp_buf 类型的全局变量，用于保存异常跳转的位置
jmp_buf jump_buffer;

void foo() {
    // 进行一些操作
    
    // 模拟异常情况
    if (1) {
        // 设置异常跳转的位置为 foo 函数的开头
        longjmp(jump_buffer, 1);
    }
    
    // 继续进行其他操作
}

int main() {
    // 尝试执行 foo 函数
    if (setjmp(jump_buffer) == 0) {
        foo();
    } else {
        // 异常处理的逻辑
        printf("发生异常！\n");
    }
    
    return 0;
}

上述代码中，我们定义了一个 `jmp_buf` 类型的全局变量 `jump_buffer`，用于保存异常跳转的位置。在 `foo` 函数的某些操作中，我们模拟了一个异常情况，当满足条件时，使用 `longjmp` 函数进行异常跳转到 `foo` 函数的开头。

在 `main` 函数中，我们使用 `setjmp` 函数来设置一个异常跳转的位置，并尝试执行 `foo` 函数。如果 `foo` 函数中发生了异常（调用了 `longjmp` 函数），`setjmp` 函数会返回一个非零值，此时我们可以进行异常处理。

对于异常情况的处理，可以根据具体情况来选择适当的处理方式，例如输出错误信息、进行日志记录等。