FILE 指针、标准输入、标准输出和标准错误、打开文件 fopen()、读文件和写文件

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一、FILE 指针

在前面所介绍的所有文件 I/O 函数（open()、read()、write()、lseek()等）都是围绕文件描述符进行的，当调用 open()函数打开一个文件时，即返回一个文件描述符 fd，然后该文件描述符就用于后续的 I/O 操作。

而对于标准 I/O 库函数来说，它们的操作是围绕 FILE 指针进行的，当使用标准 I/O 库函数打开或创建一个文件时，会返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），使用该 FILE 指针与被打开或创建的文件相关联，然后该 FILE 指针就用于后续的标准 I/O 操作（使用标准 I/O 库函数进行 I/O 操作），所以由此可知，FILE 指针的作用相当于文件描述符，只不过 FILE 指针用于标准 I/O 库函数中、而文件描述符则用于文件I/O 系统调用中。

FILE 是一个结构体数据类型，它包含了标准 I/O 库函数为管理文件所需要的所有信息，包括用于实际I/O 的文件描述符、指向文件缓冲区的指针、缓冲区的长度、当前缓冲区中的字节数以及出错标志等。FILE数据结构定义在标准 I/O 库函数头文件 stdio.h 中。

二、标准输入、标准输出和标准错误

标准输入设备指的就是计算机系统的标准的输入设备，通常指的是计算机所连接的键盘；

标准输出设备指的是计算机系统中用于输出标准信息的设备，通常指的是计算机所连接的显示器；

标准错误设备则指的是计算机系统中用于显示错误信息的设备，通常也指的是显示器设备。

用户通过标准输入设备与系统进行交互，进程将从标准输入（stdin）文件中得到输入数据，将正常输出数据（譬如程序中 printf 打印输出的字符串）输出到标准输出（stdout）文件，而将错误信息（譬如函数调用报错打印的信息）输出到标准错误（stderr）文件。

标准输出文件和标准错误文件都对应终端的屏幕，而标准输入文件则对应于键盘。每个进程启动之后都会默认打开标准输入、标准输出以及标准错误，得到三个文件描述符，即 0、1、 2，其中 0 代表标准输入、1 代表标准输出、2 代表标准错误；在应用编程中可以使用宏 STDIN_FILENO、
STDOUT_FILENO 和 STDERR_FILENO 分别代表 0、1、2，这些宏定义在 unistd.h 头文件中：

/* Standard file descriptors. */
#define STDIN_FILENO 0 /* Standard input. */
#define STDOUT_FILENO1 /* Standard output. */
#define STDERR_FILENO2 /* Standard error output. */
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0、1、2 这三个是文件描述符，只能用于文件 I/O（read()、write()等），那么在标准 I/O 中，自然是无法使用文件描述符来对文件进行 I/O 操作的，它们需要围绕 FILE 类型指针来进行，在 stdio.h 头文件中有相应的定义，如下：

/* Standard streams. */
extern struct _IO_FILE *stdin; /* Standard input stream. */
extern struct _IO_FILE *stdout; /* Standard output stream. */
extern struct _IO_FILE *stderr; /* Standard error output stream. */
/* C89/C99 say they're macros. Make them happy. */
#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr
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Tips：struct _IO_FILE 结构体就是 FILE 结构体，使用了 typedef 进行了重命名。所以，在标准 I/O 中，可以使用 stdin、stdout、stderr 来表示标准输入、标准输出和标准错误。

三、打开文件 fopen()

在 0 所介绍的文件 I/O 中，使用 open()系统调用打开或创建文件，而在标准 I/O 中，我们将使用库函数fopen()打开或创建文件，fopen()函数原型如下所示：

#include 
FILE *fopen(const char *path, const char *mode);
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使用该函数需要包含头文件 stdio.h。
函数参数和返回值含义如下：
path：参数 path 指向文件路径，可以是绝对路径、也可以是相对路径。
mode：参数 mode 指定了对该文件的读写权限，是一个字符串，稍后介绍。
返回值：调用成功返回一个指向 FILE 类型对象的指针（FILE *），该指针与打开或创建的文件相关联，后续的标准 I/O 操作将围绕 FILE 指针进行。如果失败则返回 NULL，并设置 errno 以指示错误原因。

参数 mode 字符串类型，可取值为如下值之一：

新建文件的权限
由 fopen()函数原型可知，fopen()只有两个参数 path 和 mode，不同于open()系统调用，它并没有任何一个参数来指定新建文件的权限。当参数 mode 取值为"w"、“w+”、“a”、"a+"之一时，如果参数 path 指定的文件不存在，则会创建该文件，那么新的文件的权限是如何确定的呢？

虽然调用 fopen()函数新建文件时无法手动指定文件的权限，但却有一个默认值：

S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH (0666)
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使用示例
使用只读方式打开文件：

fopen(path, "r");
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使用可读、可写方式打开文件：

fopen(path, "r+");
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使用只写方式打开文件，并将文件长度截断为 0，如果文件不存在则创建该文件：

fopen(path, "w");
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fclose()关闭文件
调用 fclose()库函数可以关闭一个由 fopen()打开的文件，其函数原型如下所示：

#include 
int fclose(FILE *stream);
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参数 stream 为 FILE 类型指针，调用成功返回 0；失败将返回 EOF（也就是-1），并且会设置 errno 来指示错误原因。

四、读文件和写文件

当使用 fopen()库函数打开文件之后，接着我们便可以使用 fread()和 fwrite()库函数对文件进行读、写操作了，函数原型如下所示：

#include 
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
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库函数 fread() 用于读取文件数据，其参数和返回值含义如下：
ptr：fread()将读取到的数据存放在参数 ptr 指向的缓冲区中；
size：fread()从文件读取 nmemb 个数据项，每一个数据项的大小为 size 个字节，所以总共读取的数据大小为 nmemb * size 个字节。
nmemb：参数 nmemb 指定了读取数据项的个数。
stream：FILE 指针。
返回值：调用成功时返回读取到的数据项的数目（数据项数目并不等于实际读取的字节数，除非参数size 等于 1）；如果发生错误或到达文件末尾，则 fread()返回的值将小于参数 nmemb，那么到底发生了错误还是到达了文件末尾，fread()不能区分文件结尾和错误，究竟是哪一种情况，此时可以使用 ferror()或 feof()函数来判断。

库函数 fwrite() 用于将数据写入到文件中，其参数和返回值含义如下：
ptr：将参数 ptr 指向的缓冲区中的数据写入到文件中。
size：参数 size 指定了每个数据项的字节大小，与 fread()函数的 size 参数意义相同。
nmemb：参数 nmemb 指定了写入的数据项个数，与 fread()函数的 nmemb 参数意义相同。
stream：FILE 指针。
返回值：调用成功时返回写入的数据项的数目（数据项数目并不等于实际写入的字节数，除非参数 size等于 1）；如果发生错误，则 fwrite()返回的值将小于参数 nmemb（或者等于 0）。

由此可知，库函数 fread()、fwrite()中指定读取或写入数据大小的方式与系统调用 read()、write()不同，前者通过 nmemb（数据项个数）*size（每个数据项的大小）的方式来指定数据大小，而后者则直接通过一个 size 参数指定数据大小。

譬如要将一个 struct mystr 结构体数据写入到文件中，可按如下方式写入：

fwrite(buf, sizeof(struct mystr), 1, file);
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当然也可以按如下方式写：

fwrite(buf, 1, sizeof(struct mystr), file);
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使用示例 使用标准 I/O 方式对文件进行读写操作。

1. 使用 fwrite()库函数将数据写入到文件中。

#include 
#include 

int main(void) 
{
	 char buf[] = "Hello World!\n";
	 FILE *fp = NULL;
	 
	 /* 打开文件 */
	 if (NULL == (fp = fopen("./test_file", "w"))) 
	 {
		 perror("fopen error");
		 exit(-1);
	 }
	 printf("文件打开成功!\n");
	 
	 /* 写入数据 */
	 if (sizeof(buf) >fwrite(buf, 1, sizeof(buf), fp)) 
	 {
		 printf("fwrite error\n");
		 fclose(fp);
		 exit(-1);
	 }
	 printf("数据写入成功!\n");
	 
	 /* 关闭文件 */
	 fclose(fp);
	 exit(0);
}
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首先使用 fopen()函数将当前目录下的 test_file 文件打开，调用 fopen()时 mode 参数设置为"w"，表示以只写的方式打开文件，并将文件的长度截断为 0，如果指定文件不存在则创建该文件。打开文件之后调用fwrite()函将"Hello World!"字符串数据写入到文件中。
写入完成之后，调用 fclose()函数关闭文件，退出程序。

2. 使用库函数 fread()从文件中读取数据

#include 
#include 

int main(void) 
{
	 char buf[50] = {0};
	 FILE *fp = NULL;
	 int size;
	 
	 /* 打开文件 */
	 if (NULL == (fp = fopen("./test_file", "r"))) 
	 {
		 perror("fopen error");
		 exit(-1);
	 }
	 printf("文件打开成功!\n");
	 
	 /* 读取数据 */
	 if (12 > (size = fread(buf, 1, 12, fp))) 
	 {
		 if (ferror(fp))    //使用 ferror 判断是否是发生错误
		 {
			 printf("fread error\n");
			 fclose(fp);
			 exit(-1);
		 }
	 /* 如果未发生错误则意味着已经到达了文件末尾 */
	 }
	 printf("成功读取%d 个字节数据: %s\n", size, buf);
	 
	 /* 关闭文件 */
	 fclose(fp);
	 exit(0);
}
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首先同样使用 fopen()打开当前目录下的 test_file 文件得到 FILE 指针，调用 fopen()时其参数 mode 设置为"r"，表示以只读方式打开文件。

接着使用 fread()函数从文件中读取 12 * 1=12 个字节的数据，将读取到的数据存放在 buf 中，当读取到的字节数小于指定字节数时，表示发生了错误或者已经到达了文件末尾，程序中调用了库函数 ferror()来判断是不是发生了错误，该函数将会在下一小节中介绍。如果未发生错误，那么就意味着已经达到了文件末尾，其实也就说明了在调用 fread()读文件时对应的读写位置到文件末尾之间的字节数小于指定的字节数。