变量说明符 变量说明符C 语言允许声明变量的时候，加上一些特定的说明符（specifier），为编译器提供变量行为的额外信息。它的主要作用是帮助编译器优化代码，有时会对程序行为产生影响。constconst说明符表示变量是只读的，不得被修改。const double PI = 3.14159; PI = 3; // 报错上面示例里面的const，表示变量PI的值不应改变。如果改变的话，编译器会报错。对于数组，const表示数组成员不能修改。const int arr[] = {1, 2, 3, 4}; arr[0] = 5; // 报错上面示例中，const使得数组arr的成员无法修改。对于指针变量，const有两种写法，含义是不一样的。如果const在*前面，表示指针指向的值不可修改。// const 表示指向的值 *x 不能修改 int const * x // 或者 const int * x下面示例中，对x指向的值进行修改导致报错。int p = 1 const int* x = &p; (*x)++; // 报错如果const在*后面，表示指针包含的地址不可修改。// const 表示地址 x 不能修改 int* const x下面示例中，对x进行修改导致报错。int p = 1 int* const x = &p; x++; // 报错这两者可以结合起来。const char* const x;上面示例中，指针变量x指向一个字符串。两个const意味着，x包含的内存地址以及x指向的字符串，都不能修改。const的一个用途，就是防止函数体内修改函数参数。如果某个参数在函数体内不会被修改，可以在函数声明时，对该参数添加const说明符。这样的话，使用这个函数的人看到原型里面的const，就知道调用函数前后，参数数组保持不变。void find(const int* arr, int n);上面示例中，函数find的参数数组arr有const说明符，就说明该数组在函数内部将保持不变。有一种情况需要注意，如果一个指针变量指向const变量，那么该指针变量也不应该被修改。const int i = 1; int* j = &i; *j = 2; // 报错上面示例中，j是一个指针变量，指向变量i，即j和i指向同一个地址。j本身没有const说明符，但是i有。这种情况下，j指向的值也不能被修改。staticstatic说明符对于全局变量和局部变量有不同的含义。（1）用于局部变量（位于块作用域内部）。static用于函数内部声明的局部变量时，表示该变量的值会在函数每次执行后得到保留，下次执行时不会进行初始化，就类似于一个只用于函数内部的全局变量。由于不必每次执行函数时，都对该变量进行初始化，这样可以提高函数的执行速度，详见《函数》一章。（2）用于全局变量（位于块作用域外部）。static用于函数外部声明的全局变量时，表示该变量只用于当前文件，其他源码文件不可以引用该变量，即该变量不会被链接（link）。static修饰的变量，初始化时，值不能等于变量，必须是常量。int n = 10; static m = n; // 报错上面示例中，变量m有static修饰，它的值如果等于变量n，就会报错，必须等于常量。只在当前文件里面使用的函数，也可以声明为static，表明该函数只在当前文件使用，其他文件可以定义同名函数。static int g(int i);autoauto说明符表示该变量的存储，由编译器自主分配内存空间，且只存在于定义时所在的作用域，退出作用域时会自动释放。由于只要不是extern的变量（外部变量），都是由编译器自主分配内存空间的，这属于默认行为，所以该说明符没有实际作用，一般都省略不写。auto int a; // 等同于 int a;externextern说明符表示，该变量在其他文件里面声明，没有必要在当前文件里面为它分配空间。通常用来表示，该变量是多个文件共享的。extern int a;上面代码中，a是extern变量，表示该变量在其他文件里面定义和初始化，当前文件不必为它分配存储空间。但是，变量声明时，同时进行初始化，extern就会无效。// extern 无效 extern int i = 0; // 等同于 int i = 0;上面代码中，extern对变量初始化的声明是无效的。这是为了防止多个extern对同一个变量进行多次初始化。函数内部使用extern声明变量，就相当于该变量是静态存储，每次执行时都要从外部获取它的值。函数本身默认是extern，即该函数可以被外部文件共享，通常省略extern不写。如果只希望函数在当前文件可用，那就需要在函数前面加上static。extern int f(int i); // 等同于 int f(int i);registerregister说明符向编译器表示，该变量是经常使用的，应该提供最快的读取速度，所以应该放进寄存器。但是，编译器可以忽略这个说明符，不一定按照这个指示行事。register int a;上面示例中，register提示编译器，变量a会经常用到，要为它提供最快的读取速度。register只对声明在代码块内部的变量有效。设为register的变量，不能获取它的地址。register int a; int *p = &a; // 编译器报错上面示例中，&a会报错，因为变量a可能放在寄存器里面，无法获取内存地址。如果数组设为register，也不能获取整个数组或任一个数组成员的地址。register int a[] = {11, 22, 33, 44, 55}; int p = a; // 报错 int a = *(a + 2); // 报错历史上，CPU 内部的缓存，称为寄存器（register）。与内存相比，寄存器的访问速度快得多，所以使用它们可以提高速度。但是它们不在内存之中，所以没有内存地址，这就是为什么不能获取指向它们的指针地址。现代编译器已经有巨大的进步，会尽可能优化代码，按照自己的规则决定怎么利用好寄存器，取得最佳的执行速度，所以可能会忽视代码里面的register说明符，不保证一定会把这些变量放到寄存器。volatilevolatile说明符表示所声明的变量，可能会预想不到地发生变化（即其他程序可能会更改它的值），不受当前程序控制，因此编译器不要对这类变量进行优化，每次使用时都应该查询一下它的值。硬件设备的编程中，这个说明符很常用。volatile int foo; volatile int* bar;volatile的目的是阻止编译器对变量行为进行优化，请看下面的例子。int foo = x; // 其他语句，假设没有改变 x 的值 int bar = x;上面代码中，由于变量foo和bar都等于x，而且x的值也没有发生变化，所以编译器可能会把x放入缓存，直接从缓存读取值（而不是从 x 的原始内存位置读取），然后对foo和bar进行赋值。如果x被设定为volatile，编译器就不会把它放入缓存，每次都从原始位置去取x的值，因为在两次读取之间，其他程序可能会改变x。restrictrestrict说明符允许编译器优化某些代码。它只能用于指针，表明该指针是访问数据的唯一方式。int* restrict pt = (int*) malloc(10 * sizeof(int));上面示例中，restrict表示变量pt是访问 malloc 所分配内存的唯一方式。下面例子的变量foo，就不能使用restrict修饰符。int foo[10]; int* bar = foo;上面示例中，变量foo指向的内存，可以用foo访问，也可以用bar访问，因此就不能将foo设为 restrict。如果编译器知道某块内存只能用一个方式访问，可能可以更好地优化代码，因为不用担心其他地方会修改值。restrict用于函数参数时，表示参数的内存地址之间没有重叠。void swap(int* restrict a, int* restrict b) { int t; t = *a; *a = *b; *b = t; }上面示例中，函数参数声明里的restrict表示，参数a和参数b的内存地址没有重叠。

文件操作 文件操作本章介绍 C 语言如何操作文件。文件指针C 语言提供了一个 FILE 数据结构，记录了操作一个文件所需要的信息。该结构定义在头文件stdio.h，所有文件操作函数都要通过这个数据结构，获取文件信息。开始操作一个文件之前，就要定义一个指向该文件的 FILE 指针，相当于获取一块内存区域，用来保存文件信息。FILE* fp;上面示例定义了一个 FILE 指针fp。下面是一个读取文件的完整示例。#include <stdio.h> int main(void) { FILE* fp; char c; fp = fopen("hello.txt", "r"); if (fp == NULL) { return -1; } c = fgetc(fp); printf("%c\n", c); fclose(fp); return 0; }上面示例中，新建文件指针fp以后，依次使用了下面三个文件操作函数，分成三个步骤。其他的文件操作，大致上也是这样的步骤。第一步，使用fopen()打开指定文件，返回一个 File 指针。如果出错，返回 NULL。它相当于将指定文件的信息与新建的文件指针fp相关联，在 FILE 结构内部记录了这样一些信息：文件内部的当前读写位置、读写报错的记录、文件结尾指示器、缓冲区开始位置的指针、文件标识符、一个计数器（统计拷贝进缓冲区的字节数）等等。后继的操作就可以使用这个指针（而不是文件名）来处理指定文件。同时，它还为文件建立一个缓存区。由于存在缓存区，也可以说fopen()函数“打开一个了流”，后继的读写文件都是流模式。第二步，使用读写函数，从文件读取数据，或者向文件写入数据。上例使用了fgetc()函数，从已经打开的文件里面，读取一个字符。fgetc()一调用，文件的数据块先拷贝到缓冲区。不同的计算机有不同的缓冲区大小，一般是512字节或是它的倍数，如4096或16384。随着计算机硬盘容量越来越大，缓冲区也越来越大。fgetc()从缓冲区读取数据，同时将文件指针内部的读写位置指示器，指向所读取字符的下一个字符。所有的文件读取函数都使用相同的缓冲区，后面再调用任何一个读取函数，都将从指示器指向的位置，即上一次读取函数停止的位置开始读取。当读取函数发现已读完缓冲区里面的所有字符时，会请求把下一个缓冲区大小的数据块，从文件拷贝到缓冲区中。读取函数就以这种方式，读完文件的所有内容，直到文件结尾。不过，上例是只从缓存区读取一个字符。当函数在缓冲区里面，读完文件的最后一个字符时，就把 FILE 结构里面的文件结尾指示器设置为真。于是，下一次再调用读取函数时，会返回常量 EOF。EOF 是一个整数值，代表文件结尾，一般是-1。第三步，fclose()关闭文件，同时清空缓存区。上面是文件读取的过程，文件写入也是类似的方式，先把数据写入缓冲区，当缓冲区填满后，缓存区的数据将被转移到文件中。fopen()fopen()函数用来打开文件。所有文件操作的第一步，都是使用fopen()打开指定文件。这个函数的原型定义在头文件stdio.h。FILE* fopen(char* filename, char* mode);它接受两个参数。第一个参数是文件名(可以包含路径)，第二个参数是模式字符串，指定对文件执行的操作，比如下面的例子中，r表示以读取模式打开文件。fp = fopen("in.dat", "r");成功打开文件以后，fopen()返回一个 FILE 指针，其他函数可以用这个指针操作文件。如果无法打开文件（比如文件不存在或没有权限），会返回空指针 NULL。所以，执行fopen()以后，最好判断一下，有没有打开成功。fp = fopen("hello.txt", "r"); if (fp == NULL) { printf("Can't open file!\n"); exit(EXIT_FAILURE); }上面示例中，如果fopen()返回一个空指针，程序就会报错。fopen()的模式字符串有以下几种。r：读模式，只用来读取数据。如果文件不存在，返回 NULL 指针。w：写模式，只用来写入数据。如果文件存在，文件长度会被截为0，然后再写入；如果文件不存在，则创建该文件。a：写模式，只用来在文件尾部追加数据。如果文件不存在，则创建该文件。r+：读写模式。如果文件存在，指针指向文件开始处，可以在文件头部添加数据。如果文件不存在，返回 NULL 指针。w+：读写模式。如果文件存在，文件长度会被截为0，然后再写入数据。这种模式实际上读不到数据，反而会擦掉数据。如果文件不存在，则创建该文件。a+：读写模式。如果文件存在，指针指向文件结尾，可以在现有文件末尾添加内容。如果文件不存在，则创建该文件。上一小节说过，fopen()函数会为打开的文件创建一个缓冲区。读模式下，创建的是读缓存区；写模式下，创建的是写缓存区；读写模式下，会同时创建两个缓冲区。C 语言通过缓存区，以流的形式，向文件读写数据。数据在文件里面，都是以二进制形式存储。但是，读取的时候，有不同的解读方法：以原本的二进制形式解读，叫做“二进制流”；将二进制数据转成文本，以文本形式解读，叫做“文本流”。写入操作也是如此，分成以二进制写入和以文本写入，后者会多一个文本转二进制的步骤。fopen()的模式字符串，默认是以文本流读写。如果添加b后缀（表示 binary），就会以“二进制流”进行读写。比如，rb是读取二进制数据模式，wb是写入二进制数据模式。模式字符串还有一个x后缀，表示独占模式（exclusive）。如果文件已经存在，则打开文件失败；如果文件不存在，则新建文件，打开后不再允许其他程序或线程访问当前文件。比如，wx表示以独占模式写入文件，如果文件已经存在，就会打开失败。标准流Linux 系统默认提供三个已经打开的文件，它们的文件指针如下。stdin（标准输入）：默认来源为键盘，文件指针编号为0。stdout（标准输出）：默认目的地为显示器，文件指针编号为1。stderr（标准错误）：默认目的地为显示器，文件指针编号为2。Linux 系统的文件，不一定是数据文件，也可以是设备文件，即文件代表一个可以读或写的设备。文件指针stdin默认是把键盘看作一个文件，读取这个文件，就能获取用户的键盘输入。同理，stdout和stderr默认是把显示器看作一个文件，将程序的运行结果写入这个文件，用户就能看到运行结果了。它们的区别是，stdout写入的是程序的正常运行结果，stderr写入的是程序的报错信息。这三个输入和输出渠道，是 Linux 默认提供的，所以分别称为标准输入（stdin）、标准输出（stdout）和标准错误（stderr）。因为它们的实现是一样的，都是文件流，所以合称为“标准流”。Linux 允许改变这三个文件指针（文件流）指向的文件，这称为重定向（redirection）。如果标准输入不绑定键盘，而是绑定其他文件，可以在文件名前面加上小于号<，跟在程序名后面。这叫做“输入重定向”（input redirection）。$ demo < in.dat上面示例中，demo程序代码里面的stdin，将指向文件in.dat，即从in.dat获取数据。如果标准输出绑定其他文件，而不是显示器，可以在文件名前加上大于号>，跟在程序名后面。这叫做“输出重定向”（output redirection）。$ demo > out.dat上面示例中，demo程序代码里面的stdout，将指向文件out.dat，即向out.dat写入数据。输出重定向>会先擦去out.dat的所有原有的内容，然后再写入。如果希望写入的信息追加在out.dat的结尾，可以使用>>符号。$ demo >> out.dat上面示例中，demo程序代码里面的stdout，将向文件out.dat写入数据。与>不同的是，写入的开始位置是out.dat的文件结尾。标准错误的重定向符号是2>。其中的2代表文件指针的编号，即2>表示将2号文件指针的写入，重定向到err.txt。2号文件指针就是标准错误stderr。$ demo > out.dat 2> err.txt上面示例中，demo程序代码里面的stderr，会向文件err.txt写入报错信息。而stdout向文件out.dat写入。输入重定向和输出重定向，也可以结合在一条命令里面。$ demo < in.dat > out.dat // or $ demo > out.dat < in.dat重定向还有另一种情况，就是将一个程序的标准输出stdout，指向另一个程序的标准输入stdin，这时要使用|符号。$ random | sum上面示例中，random程序代码里面的stdout的写入，会从sum程序代码里面的stdin被读取。fclose()fclose()用来关闭已经使用fopen()打开的文件。它的原型定义在stdio.h。int fclose(FILE* stream);它接受一个文件指针fp作为参数。如果成功关闭文件，fclose()函数返回整数0；如果操作失败（比如磁盘已满，或者出现 I/O 错误），则返回一个特殊值 EOF（详见下一小节）。if (fclose(fp) != 0) printf("Something wrong.");不再使用的文件，都应该使用fclose()关闭，否则无法释放资源。一般来说，系统对同时打开的文件数量有限制，及时关闭文件可以避免超过这个限制。EOFC 语言的文件操作函数的设计是，如果遇到文件结尾，就返回一个特殊值。程序接收到这个特殊值，就知道已经到达文件结尾了。头文件stdio.h为这个特殊值定义了一个宏EOF（end of file 的缩写），它的值一般是-1。这是因为从文件读取的二进制值，不管作为无符号数字解释，还是作为 ASCII 码解释，都不可能是负值，所以可以很安全地返回-1，不会跟文件本身的数据相冲突。需要注意的是，不像字符串结尾真的存储了\0这个值，EOF并不存储在文件结尾，文件中并不存在这个值，完全是文件操作函数发现到达了文件结尾，而返回这个值。freopen()freopen()用于新打开一个文件，直接关联到某个已经打开的文件指针。这样可以复用文件指针。它的原型定义在头文件stdio.h。FILE* freopen(char* filename, char* mode, FILE stream);它跟fopen()相比，就是多出了第三个参数，表示要复用的文件指针。其他两个参数都一样，分别是文件名和打开模式。freopen("output.txt", "w", stdout); printf("hello");上面示例将文件output.txt关联到stdout，此后向stdout写入的内容，都会写入output.txt。由于printf()默认就是输出到stdout，所以运行上面的代码以后，文件output.txt会被写入hello。freopen()的返回值是它的第三个参数（文件指针）。如果打开失败（比如文件不存在），会返回空指针 NULL。freopen()会自动关闭原先已经打开的文件，如果文件指针并没有指向已经打开的文件，则freopen()等同于fopen()。下面是freopen()关联scanf()的例子。int i, i2; scanf("%d", &i); freopen("someints.txt", "r", stdin); scanf("%d", &i2);上面例子中，一共调用了两次scanf()，第一次调用是从键盘读取，然后使用freopen()将stdin指针关联到某个文件，第二次调用就会从该文件读取。某些系统允许使用freopen()，改变文件的打开模式。这时，freopen()的第一个参数应该是 NULL。freopen(NULL, "wb", stdout);上面示例将stdout的打开模式从w改成了wb。fgetc()，getc()fgetc()和getc()用于从文件读取一个字符。它们的用法跟getchar()类似，区别是getchar()只用来从stdin读取，而这两个函数是从任意指定的文件读取。它们的原型定义在头文件stdio.h。int fgetc(FILE *stream) int getc(FILE *stream);fgetc()与getc()的用法是一样的，都只有文件指针一个参数。两者的区别是，getc()一般用宏来实现，而fgetc()是函数实现，所以前者的性能可能更好一些。注意，虽然这两个函数返回的是一个字符，但是它们的返回值类型却不是char，而是int，这是因为读取失败的情况下，它们会返回 EOF，这个值一般是-1。#include <stdio.h> int main(void) { FILE *fp; fp = fopen("hello.txt", "r"); int c; while ((c = getc(fp)) != EOF) printf("%c", c); fclose(fp); }上面示例中，getc()依次读取文件的每个字符，将其放入变量c，直到读到文件结尾，返回 EOF，循环终止。变量c的类型是int，而不是char，因为有可能等于负值，所以设为int更好一些。fputc()，putc()fputc()和putc()用于向文件写入一个字符。它们的用法跟putchar()类似，区别是putchar()是向stdout写入，而这两个函数是向文件写入。它们的原型定义在头文件stdio.h。int fputc(int char, FILE *stream); int putc(int char, FILE *stream);fputc()与putc()的用法是一样，都接受两个参数，第一个参数是待写入的字符，第二个参数是文件指针。它们的区别是，putc()通常是使用宏来实现，而fputc()只作为函数来实现，所以理论上，putc()的性能会好一点。写入成功时，它们返回写入的字符；写入失败时，返回 EOF。fprintf()fprintf()用于向文件写入格式化字符串，用法与printf()类似。区别是printf()总是写入stdout，而fprintf()则是写入指定的文件，它的第一个参数必须是一个文件指针。它的原型定义在头文件stdio.h。int fprintf(FILE* stream, const char* format, ...)fprintf()可以替代printf()。printf("Hello, world!\n"); fprintf(stdout, "Hello, world!\n");上面例子中，指定fprintf()写入stdout，结果就等同于调用printf()。fprintf(fp, "Sum: %d\n", sum);上面示例是向文件指针fp写入指定格式的字符串。下面是向stderr输出错误信息的例子。fprintf(stderr, "Something number.\n");fscanf()fscanf()用于按照给定的模式，从文件中读取内容，用法跟scanf()类似。区别是scanf()总是从stdin读取数据，而fscanf()是从文件读入数据，它的原型定义在头文件stdio.h，第一个参数必须是文件指针。int fscanf(FILE* stream, const char* format, ...);下面是一个例子。fscanf(fp, "%d%d", &i, &j);上面示例中，fscanf()从文件fp里面，读取两个整数，放入变量i和j。使用fscanf()的前提是知道文件的结构，它的占位符解析规则与scanf()完全一致。由于fscanf()可以连续读取，直到读到文件尾，或者发生错误（读取失败、匹配失败），才会停止读取，所以fscanf()通常放在循环里面。while(fscanf(fp, "%s", words) == 1) puts(words);上面示例中，fscanf()依次读取文件的每个词，将它们一行打印一个，直到文件结束。fscanf()的返回值是赋值成功的变量数量，如果赋值失败会返回 EOF。fgets()fgets()用于从文件读取指定长度的字符串，它名字的第一个字符是f，就代表file。它的原型定义在头文件stdio.h。char* fgets(char* str, int STRLEN, File* fp);它的第一个参数str是一个字符串指针，用于存放读取的内容。第二个参数STRLEN指定读取的长度，第三个参数是一个 FILE 指针，指向要读取的文件。fgets()读取 STRLEN - 1 个字符之后，或者遇到换行符与文件结尾，就会停止读取，然后在已经读取的内容末尾添加一个空字符\0，使之成为一个字符串。注意，fgets()会将换行符（\n）存储进字符串。如果fgets的第三个参数是stdin，就可以读取标准输入，等同于scanf()。fgets(str, sizeof(str), stdin);读取成功时，fgets()的返回值是它的第一个参数，即指向字符串的指针，否则返回空指针 NULL。fgets()可以用来读取文件的每一行，下面是读取文件所有行的例子。#include <stdio.h> int main(void) { FILE* fp; char s[1024]; // 数组必须足够大，足以放下一行 int linecount = 0; fp = fopen("hello.txt", "r"); while (fgets(s, sizeof s, fp) != NULL) printf("%d: %s", ++linecount, s); fclose(fp); }上面示例中，每读取一行，都会输出行号和该行的内容。下面的例子是循环读取用户的输入。char words[10]; puts("Enter strings (q to quit):"); while (fgets(words, 10, stdin) != NULL) { if (words[0] == 'q' && words[1] == '\n') break; puts(words); } puts("Done.");上面的示例中，如果用户输入的字符串大于9个字符，fgets()会多次读取。直到遇到q + 回车键，才会退出循环。fputs()fputs()函数用于向文件写入字符串，和puts()函数只有一点不同，那就是它不会在字符串末尾添加换行符。这是因为fgets()保留了换行符，所以fputs()就不添加了。fputs()函数通常与fgets()配对使用。它的原型定义在stdio.h。int fputs(const char* str, FILE* stream);它接受两个参数，第一个参数是字符串指针，第二个参数是要写入的文件指针。如果第二个参数为stdout（标准输出），就是将内容输出到计算机屏幕，等同于printf()。char words[14]; puts("Enter a string, please."); fgets(words, 14, stdin); puts("This is your string:"); fputs(words, stdout);上面示例中，先用fgets()从stdin读取用户输入，然后用fputs()输出到stdout。写入成功时，fputs()返回一个非负整数，否则返回 EOF。fwrite()fwrite()用来一次性写入较大的数据块，主要用途是将数组数据一次性写入文件，适合写入二进制数据。它的原型定义在stdio.h。size_t fwrite( const void* ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE* fp );它接受四个参数。ptr：数组指针。size：每个数组成员的大小，单位字节。nmemb：数组成员的数量。fp：要写入的文件指针。注意，fwrite()原型的第一个参数类型是void*，这是一个无类型指针，编译器会自动将参数指针转成void*类型。正是由于fwrite()不知道数组成员的类型，所以才需要知道每个成员的大小（第二个参数）和成员数量（第三个参数）。fwrite()函数的返回值是成功写入的数组成员的数量（注意不是字节数）。正常情况下，该返回值就是第三个参数nmemb，但如果出现写入错误，只写入了一部分成员，返回值会比nmemb小。要将整个数组arr写入文件，可以采用下面的写法。fwrite( arr, sizeof(arr[0]), sizeof(arr) / sizeof(arr[0]), fp );上面示例中，sizeof(a[0])是每个数组成员占用的字节，sizeof(a) / sizeof(a[0])是整个数组的成员数量。下面的例子是将一个大小为256字节的字符串写入文件。char buffer[256]; fwrite(buffer, 1, 256, fp);上面示例中，数组buffer每个成员是1个字节，一共有256个成员。由于fwrite()是连续内存复制，所以写成fwrite(buffer, 256, 1, fp)也能达到目的。fwrite()没有规定一定要写入整个数组，只写入数组的一部分也是可以的。任何类型的数据都可以看成是1字节数据组成的数组，或者是一个成员的数组，所以fwrite()实际上可以写入任何类型的数据，而不仅仅是数组。比如，fwrite()可以将一个 Struct 结构写入文件保存。fwrite(&s, sizeof(s), 1, fp);上面示例中，s是一个 Struct 结构指针，可以看成是一个成员的数组。注意，如果s的属性包含指针，存储时需要小心，因为保存指针可能没意义，还原出来的时候，并不能保证指针指向的数据还存在。fwrite()以及后面要介绍的fread()，比较适合读写二进制数据，因为它们不会对写入的数据进行解读。二进制数据可能包含空字符\0，这是 C 语言的字符串结尾标记，所以读写二进制文件，不适合使用文本读写函数（比如fprintf()等）。下面是一个写入二进制文件的例子。#include <stdio.h> int main(void) { FILE* fp; unsigned char bytes[] = {5, 37, 0, 88, 255, 12}; fp = fopen("output.bin", "wb"); fwrite(bytes, sizeof(char), sizeof(bytes), fp); fclose(fp); return 0; }上面示例中，写入二进制文件时，fopen()要使用wb模式打开，表示二进制写入。fwrite()可以把数据解释成单字节数组，因此它的第二个参数是sizeof(char)，第三个参数是数组的总字节数sizeof(bytes)。上面例子写入的文件output.bin，使用十六进制编辑器打开，会是下面的内容。05 25 00 58 ff 0cfwrite()还可以连续向一个文件写入数据。struct clientData myClient = {1, 'foo bar'}; for (int i = 1; i <= 100; i++) { fwrite(&myClient, sizeof(struct clientData), 1, cfPtr); }上面示例中，fwrite()连续将100条数据写入文件。fread()fread()函数用于一次性从文件读取较大的数据块，主要用途是将文件内容读入一个数组，适合读取二进制数据。它的原型定义在头文件stdio.h。size_t fread( void* ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE* fp );它接受四个参数，与fwrite()完全相同。ptr：数组地址。size：每个数组成员的大小，单位为字节。nmemb：数组的成员数量。fp：文件指针。要将文件内容读入数组arr，可以采用下面的写法。fread( arr, sizeof(arr[0]), sizeof(arr) / sizeof(arr[0]), fp );上面示例中，数组长度（第二个参数）和每个成员的大小（第三个参数）的乘积，就是数组占用的内存空间的大小。fread()会从文件（第四个参数）里面读取相同大小的内容，然后将ptr（第一个参数）指向这些内容的内存地址。下面的例子是将文件内容读入一个10个成员的双精度浮点数数组。double earnings[10]; fread(earnings, sizeof(double), 10, fp);上面示例中，每个数组成员的大小是sizeof(double)，一个有10个成员，就会从文件fp读取sizeof(double) * 10大小的内容。fread()函数的返回值是成功读取的数组成员的数量。正常情况下，该返回值就是第三个参数nmemb，但如果出现读取错误或读到文件结尾，该返回值就会比nmemb小。所以，检查fread()的返回值是非常重要的。fread()和fwrite()可以配合使用。在程序终止之前，使用fwrite()将数据保存进文件，下次运行时再用fread()将数据还原进入内存。下面是读取上一节生成的二进制文件output.bin的例子。#include <stdio.h> int main(void) { FILE* fp; unsigned char c; fp = fopen("output.bin", "rb"); while (fread(&c, sizeof(char), 1, fp) > 0) printf("%d\n", c); return 0; }运行后，得到如下结果。5 37 0 88 255 12feof()feof()函数判断文件的内部指针是否指向文件结尾。它的原型定义在头文件stdio.h。int feof(FILE *fp);feof()接受一个文件指针作为参数。如果已经到达文件结尾，会返回一个非零值（表示 true），否则返回0（表示 false）。诸如fgetc()这样的文件读取函数，如果返回 EOF，有两种可能，一种可能是已读取到文件结尾，另一种可能是出现读取错误。feof()可以用来判断到底是那一种情况。下面是通过feof()判断是否到达文件结尾，从而循环读取整个文件的例子。int num; char name[50]; FILE* cfPtr = fopen("clients.txt", "r"); while (!feof(cfPtr)) { fscanf(cfPtr, "%d%s\n", &num, name); printf("%d %s\n", num, name); } fclose(cfPtr);上面示例通过循环判断feof()是否读到文件结尾，从而实现读出整个文件内容。feof()为真时，可以通过fseek()、rewind()、fsetpos()函数改变文件内部读写位置的指示器，从而清除这个函数的状态。fseek()每个文件指针都有一个内部指示器（内部指针），记录当前打开的文件的读写位置（file position），即下一次读写从哪里开始。文件操作函数（比如getc()、fgets()、fscanf()和fread()等）都从这个指示器指定的位置开始按顺序读写文件。如果希望改变这个指示器，将它移到文件的指定位置，可以使用fseek()函数。它的原型定义在头文件stdio.h。int fseek(FILE* stream, long int offset, int whence);fseek()接受3个参数。stream：文件指针。offset：距离基准（第三个参数）的字节数。类型为 long int，可以为正值（向文件末尾移动）、负值（向文件开始处移动）或 0（保持不动）。whence：位置基准，用来确定计算起点。它的值是以下三个宏（定义在stdio.h）：SEEK_SET（文件开始处）、SEEK_CUR （内部指针的当前位置）、SEEK_END（文件末尾）请看下面的例子。// 定位到文件开始处 fseek(fp, 0L, SEEK_SET); // 定位到文件末尾 fseek(fp, 0L, SEEK_END); // 从当前位置后移2个字节 fseek(fp, 2L, SEEK_CUR); // 定位到文件第10个字节 fseek(fp, 10L, SEEK_SET); // 定位到文件倒数第10个字节 fseek(fp, -10L, SEEK_END);上面示例中，fseek()的第二个参数为 long 类型，所以移动距离必须加上后缀L，将其转为 long 类型。下面的示例逆向输出文件的所有字节。for (count = 1L; count <= size; count++) { fseek(fp, -count, SEEK_END); ch = getc(fp); }注意，fseek()最好只用来操作二进制文件，不要用来读取文本文件。因为文本文件的字符有不同的编码，某个位置的准确字节位置不容易确定。正常情况下，fseek()的返回值为0。如果发生错误（如移动的距离超出文件的范围），返回值为非零值（比如-1)。ftell()ftell()函数返回文件内部指示器的当前位置。它的原型定义在头文件stdio.h。long int ftell(FILE* stream);它接受一个文件指针作为参数。返回值是一个 long 类型的整数，表示内部指示器的当前位置，即文件开始处到当前位置的字节数，0表示文件开始处。如果发生错误，ftell()返回-1L。ftell()可以跟fseek()配合使用，先记录内部指针的位置，一系列操作过后，再用fseek()返回原来的位置。long file_pos = ftell(fp); // 一系列文件操作之后 fseek(fp, file_pos, SEEK_SET);下面的例子先将指示器定位到文件结尾，然后得到文件开始处到结尾的字节数。fseek(fp, 0L, SEEK_END); size = ftell(fp);rewind()rewind()函数可以让文件的内部指示器回到文件开始处。它的原型定义在stdio.h。void rewind(file* stream);它接受一个文件指针作为参数。rewind(fp)基本等价于fseek(fp, 0l, seek_set)，唯一的区别是rewind()没有返回值，而且会清除当前文件的错误指示器。fgetpos()，fsetpos()fseek()和ftell()有一个潜在的问题，那就是它们都把文件大小限制在 long int 类型能表示的范围内。这看起来相当大，但是在32位计算机上，long int 的长度为4个字节，能够表示的范围最大为 4GB。随着存储设备的容量迅猛增长，文件也越来越大，往往会超出这个范围。鉴于此，C 语言新增了两个处理大文件的新定位函数：fgetpos()和fsetpos()。它们的原型都定义在头文件stdio.h。int fgetpos(FILE* stream, fpos_t* pos); int fsetpos(FILE* stream, const fpos_t* pos);fgetpos()函数会将文件内部指示器的当前位置，存储在指针变量pos。该函数接受两个参数，第一个是文件指针，第二个存储指示器位置的变量。fsetpos()函数会将文件内部指示器的位置，移动到指针变量pos指定的地址。注意，变量pos必须是通过调用fgetpos()方法获得的。fsetpos()的两个参数与fgetpos()必须是一样的。记录文件内部指示器位置的指针变量pos，类型为fpos_t*（file position type 的缩写，意为文件定位类型）。它不一定是整数，也可能是一个 Struct 结构。下面是用法示例。fpos_t file_pos; fgetpos(fp, &file_pos); // 一系列文件操作之后 fsetpos(fp, &file_pos);上面示例中，先用fgetpos()获取内部指针的位置，后面再用fsetpos()恢复指针的位置。执行成功时，fgetpos()和fsetpos()都会返回0，否则返回非零值。ferror()，clearerr()所有的文件操作函数如果执行失败，都会在文件指针里面记录错误状态。后面的操作只要读取错误指示器，就知道前面的操作出错了。ferror()函数用来返回错误指示器的状态。可以通过这个函数，判断前面的文件操作是否成功。它的原型定义在头文件stdio.h。int ferror(FILE *stream);它接受一个文件指针作为参数。如果前面的操作出现错误，ferror()就会返回一个非零整数（表示 true），否则返回0。clearerr()函数用来重置出错指示器。它的原型定义在头文件stdio.h。void clearerr(FILE* fp);它接受一个文件指针作为参数，没有返回值。下面是一个例子。FILE* fp = fopen("file.txt", "w"); char c = fgetc(fp); if (ferror(fp)) { printf("读取文件：file.txt 时发生错误\n"); } clearerr(fp);上面示例中，fgetc()尝试读取一个以”写模式“打开的文件，读取失败就会返回 EOF。这时调用ferror()就可以知道上一步操作出错了。处理完以后，再用clearerr()清除出错状态。文件操作函数如果正常执行，ferror()和feof()都会返回零。如果执行不正常，就要判断到底是哪里出了问题。if (fscanf(fp, "%d", &n) != 1) { if (ferror(fp)) { printf("io error\n"); } if (feof(fp)) { printf("end of file\n"); } clearerr(fp); fclose(fp); }上面示例中，当fscanf()函数报错时，通过检查ferror()和feof()，确定到底发生什么问题。这两个指示器改变状态后，会保持不变，所以要用clearerr()清除它们，clearerr()可以同时清除两个指示器。remove()remove()函数用于删除指定文件。它的原型定义在头文件stdio.h。int remove(const char* filename);它接受文件名作为参数。如果删除成功，remove()返回0，否则返回非零值。remove("foo.txt");上面示例删除了foo.txt文件。注意，删除文件必须是在文件关闭的状态下。如果是用fopen()打开的文件，必须先用fclose()关闭后再删除。rename()rename()函数用于文件改名，也用于移动文件。它的原型定义在头文件stdio.h。int rename(const char* old_filename, const char* new_filename);它接受两个参数，第一个参数是现在的文件名，第二个参数是新的文件名。如果改名成功，rename()返回0，否则返回非零值。rename("foo.txt", "bar.txt");上面示例将foo.txt改名为bar.txt。注意，改名后的文件不能与现有文件同名。另外，如果要改名的文件已经打开了，必须先关闭，然后再改名，对打开的文件进行改名会失败。下面是移动文件的例子。rename("/tmp/evidence.txt", "/home/beej/nothing.txt");

I/O 函数 I/O 函数C 语言提供了一些函数，用于与外部设备通信，称为输入输出函数，简称 I/O 函数。输入（import）指的是获取外部数据，输出（export）指的是向外部传递数据。缓存和字节流严格地说，输入输出函数并不是直接与外部设备通信，而是通过缓存（buffer）进行间接通信。这个小节介绍缓存是什么。普通文件一般都保存在磁盘上面，跟 CPU 相比，磁盘读取或写入数据是一个很慢的操作。所以，程序直接读写磁盘是不可行的，可能每执行一行命令，都必须等半天。C 语言的解决方案，就是只要打开一个文件，就在内存里面为这个文件设置一个缓存区。程序向文件写入数据时，程序先把数据放入缓存，等到缓存满了，再把里面的数据会一次性写入磁盘文件。这时，缓存区就空了，程序再把新的数据放入缓存，重复整个过程。程序从文件读取数据时，文件先把一部分数据放到缓存里面，然后程序从缓存获取数据，等到缓存空了，磁盘文件再把新的数据放入缓存，重复整个过程。内存的读写速度比磁盘快得多，缓存的设计减少了读写磁盘的次数，大大提高了程序的执行效率。另外，一次性移动大块数据，要比多次移动小块数据快得多。这种读写模式，对于程序来说，就有点像水流（stream），不是一次性读取或写入所有数据，而是一个持续不断的过程。先操作一部分数据，等到缓存吞吐完这部分数据，再操作下一部分数据。这个过程就叫做字节流操作。由于缓存读完就空了，所以字节流读取都是只能读一次，第二次就读不到了。这跟读取文件很不一样。C 语言的输入输出函数，凡是涉及读写文件，都是属于字节流操作。输入函数从文件获取数据，操作的是输入流；输出函数向文件写入数据，操作的是输出流。printf()printf()是最常用的输出函数，用于屏幕输出，原型定义在头文件stdio.h，详见《基本语法》一章。scanf()基本用法scanf()函数用于读取用户的键盘输入。程序运行到这个语句时，会停下来，等待用户从键盘输入。用户输入数据、按下回车键后，scanf()就会处理用户的输入，将其存入变量。它的原型定义在头文件stdio.h。scanf()的语法跟printf()类似。scanf("%d", &i);它的第一个参数是一个格式字符串，里面会放置占位符（与printf()的占位符基本一致），告诉编译器如何解读用户的输入，需要提取的数据是什么类型。这是因为 C 语言的数据都是有类型的，scanf()必须提前知道用户输入的数据类型，才能处理数据。它的其余参数就是存放用户输入的变量，格式字符串里面有多少个占位符，就有多少个变量。上面示例中，scanf()的第一个参数%d，表示用户输入的应该是一个整数。%d就是一个占位符，%是占位符的标志，d表示整数。第二个参数&i表示，将用户从键盘输入的整数存入变量i。注意，变量前面必须加上&运算符（指针变量除外），因为scanf()传递的不是值，而是地址，即将变量i的地址指向用户输入的值。如果这里的变量是指针变量（比如字符串变量），那就不用加&运算符。下面是一次将键盘输入读入多个变量的例子。scanf("%d%d%f%f", &i, &j, &x, &y);上面示例中，格式字符串%d%d%f%f，表示用户输入的前两个是整数，后两个是浮点数，比如1 -20 3.4 -4.0e3。这四个值依次放入i、j、x、y四个变量。scanf()处理数值占位符时，会自动过滤空白字符，包括空格、制表符、换行符等。所以，用户输入的数据之间，有一个或多个空格不影响scanf()解读数据。另外，用户使用回车键，将输入分成几行，也不影响解读。1 -20 3.4 -4.0e3上面示例中，用户分成四行输入，得到的结果与一行输入是完全一样的。每次按下回车键以后，scanf()就会开始解读，如果第一行匹配第一个占位符，那么下次按下回车键时，就会从第二个占位符开始解读。scanf()处理用户输入的原理是，用户的输入先放入缓存，等到按下回车键后，按照占位符对缓存进行解读。解读用户输入时，会从上一次解读遗留的第一个字符开始，直到读完缓存，或者遇到第一个不符合条件的字符为止。int x; float y; // 用户输入 " -13.45e12# 0" scanf("%d", &x); scanf("%f", &y);上面示例中，scanf()读取用户输入时，%d占位符会忽略起首的空格，从-处开始获取数据，读取到-13停下来，因为后面的.不属于整数的有效字符。这就是说，占位符%d会读到-13。第二次调用scanf()时，就会从上一次停止解读的地方，继续往下读取。这一次读取的首字符是.，由于对应的占位符是%f，会读取到.45e12，这是采用科学计数法的浮点数格式。后面的#不属于浮点数的有效字符，所以会停在这里。由于scanf()可以连续处理多个占位符，所以上面的例子也可以写成下面这样。scanf("%d%f", &x, &y);scanf()的返回值是一个整数，表示成功读取的变量个数。如果没有读取任何项，或者匹配失败，则返回0。如果读取到文件结尾，则返回常量 EOF。占位符scanf()常用的占位符如下，与printf()的占位符基本一致。%c：字符。%d：整数。%f：float类型浮点数。%lf：double类型浮点数。%Lf：long double类型浮点数。%s：字符串。%[]：在方括号中指定一组匹配的字符（比如%[0-9]），遇到不在集合之中的字符，匹配将会停止。上面所有占位符之中，除了%c以外，都会自动忽略起首的空白字符。%c不忽略空白字符，总是返回当前第一个字符，无论该字符是否为空格。如果要强制跳过字符前的空白字符，可以写成scanf(" %c", &ch)，即%c前加上一个空格，表示跳过零个或多个空白字符。下面要特别说一下占位符%s，它其实不能简单地等同于字符串。它的规则是，从当前第一个非空白字符开始读起，直到遇到空白字符（即空格、换行符、制表符等）为止。因为%s不会包含空白字符，所以无法用来读取多个单词，除非多个%s一起使用。这也意味着，scanf()不适合读取可能包含空格的字符串，比如书名或歌曲名。另外，scanf()遇到%s占位符，会在字符串变量末尾存储一个空字符\0。scanf()将字符串读入字符数组时，不会检测字符串是否超过了数组长度。所以，储存字符串时，很可能会超过数组的边界，导致预想不到的结果。为了防止这种情况，使用%s占位符时，应该指定读入字符串的最长长度，即写成%[m]s，其中的[m]是一个整数，表示读取字符串的最大长度，后面的字符将被丢弃。char name[11]; scanf("%10s", name);上面示例中，name是一个长度为11的字符数组，scanf()的占位符%10s表示最多读取用户输入的10个字符，后面的字符将被丢弃，这样就不会有数组溢出的风险了。赋值忽略符有时，用户的输入可能不符合预定的格式。scanf("%d-%d-%d", &year, &month, &day);上面示例中，如果用户输入2020-01-01，就会正确解读出年、月、日。问题是用户可能输入其他格式，比如2020/01/01，这种情况下，scanf()解析数据就会失败。为了避免这种情况，scanf()提供了一个赋值忽略符（assignment suppression character）*。只要把*加在任何占位符的百分号后面，该占位符就不会返回值，解析后将被丢弃。scanf("%d%*c%d%*c%d", &year, &month, &day);上面示例中，%*c就是在占位符的百分号后面，加入了赋值忽略符*，表示这个占位符没有对应的变量，解读后不必返回。sscanf()sscanf()函数与scanf()很类似，不同之处是sscanf()从字符串里面，而不是从用户输入获取数据。它的原型定义在头文件stdio.h里面。int sscanf(const char* s, const char* format, ...);sscanf()的第一个参数是一个字符串指针，用来从其中获取数据。其他参数都与scanf()相同。sscanf()主要用来处理其他输入函数读入的字符串，从其中提取数据。fgets(str, sizeof(str), stdin); sscanf(str, "%d%d", &i, &j);上面示例中，fgets()先从标准输入获取了一行数据（fgets()的介绍详见下一章），存入字符数组str。然后，sscanf()再从字符串str里面提取两个整数，放入变量i和j。sscanf()的一个好处是，它的数据来源不是流数据，所以可以反复使用，不像scanf()的数据来源是流数据，只能读取一次。sscanf()的返回值是成功赋值的变量的数量，如果提取失败，返回常量 EOF。getchar()，putchar()（1）getchar()getchar()函数返回用户从键盘输入的一个字符，使用时不带有任何参数。程序运行到这个命令就会暂停，等待用户从键盘输入，等同于使用scanf()方法读取一个字符。它的原型定义在头文件stdio.h。char ch; ch = getchar(); // 等同于 scanf("%c", &ch);getchar()不会忽略起首的空白字符，总是返回当前读取的第一个字符，无论是否为空格。如果读取失败，返回常量 EOF，由于 EOF 通常是-1，所以返回值的类型要设为 int，而不是 char。由于getchar()返回读取的字符，所以可以用在循环条件之中。while (getchar() != '\n') ;上面示例中，只有读到的字符等于换行符（\n），才会退出循环，常用来跳过某行。while循环的循环体没有任何语句，表示对该行不执行任何操作。下面的例子是计算某一行的字符长度。int len = 0; while(getchar() != '\n') len++;上面示例中，getchar()每读取一个字符，长度变量len就会加1，直到读取到换行符为止，这时len就是该行的字符长度。下面的例子是跳过空格字符。while ((ch = getchar()) == ' ') ;上面示例中，结束循环后，变量ch等于第一个非空格字符。（2）putchar()putchar()函数将它的参数字符输出到屏幕，等同于使用printf()输出一个字符。它的原型定义在头文件stdio.h。putchar(ch); // 等同于 printf("%c", ch);操作成功时，putchar()返回输出的字符，否则返回常量 EOF。（3）小结由于getchar()和putchar()这两个函数的用法，要比scanf()和printf()更简单，而且通常是用宏来实现，所以要比scanf()和printf()更快。如果操作单个字符，建议优先使用这两个函数。puts()puts()函数用于将参数字符串显示在屏幕（stdout）上，并且自动在字符串末尾添加换行符。它的原型定义在头文件stdio.h。puts("Here are some messages:"); puts("Hello World");上面示例中，puts()在屏幕上输出两行内容。写入成功时，puts()返回一个非负整数，否则返回常量 EOF。gets()gets()函数以前用于从stdin读取整行输入，现在已经被废除了，仍然放在这里介绍一下。该函数读取用户的一行输入，不会跳过起始处的空白字符，直到遇到换行符为止。这个函数会丢弃换行符，将其余字符放入参数变量，并在这些字符的末尾添加一个空字符\0，使其成为一个字符串。它经常与puts()配合使用。char words[81]; puts("Enter a string, please"); gets(words);上面示例使用puts()在屏幕上输出提示，然后使用gets()获取用户的输入。由于gets()获取的字符串，可能超过字符数组变量的最大长度，有安全风险，建议不要使用，改为使用fgets()。