2024-2025-1 20241314 《计算机基础与程序设计》第十二周学习总结

作业信息

这个作业属于哪个课程	2024-2025-1-计算机基础与程序设计
这个作业要求在哪里	2024-2025-1计算机基础与程序设计第十二周作业
这个作业的目标	复习
作业正文	正文

教材学习内容总结

引言与文件概述
- 在《C语言程序设计》的前几章，重点通常放在基本数据类型、控制结构和函数等内容上。到了第11章的文件部分，主要关注的是程序与外部存储设备（如硬盘）之间的数据交换。
- 文件是存储在外部介质上的数据集合，这些数据可以是程序代码、文本、图像、音频等各种形式。对于C程序而言，能够有效地操作文件是非常重要的，因为它允许程序保存和读取数据，从而实现数据的持久化存储。
文件类型与存储方式
- 文本文件
  - 文本文件是基于字符编码（如ASCII或UTF - 8）存储的文件。在文本文件中，每个字符都有对应的编码值。例如，字符'A'在ASCII码中对应的十进制值是65。
  - 当使用文本编辑器打开文本文件时，会将这些编码值转换为可识别的字符显示出来。文本文件的内容可以被人类直接阅读和理解。例如，一个简单的包含“Hello, World!”的文本文件，存储的就是这些字符对应的编码。
- 二进制文件
  - 二进制文件以二进制形式存储数据，不是以字符编码的方式。它可以存储各种类型的数据，如整数、浮点数、结构体等。
  - 例如，一个整数10在内存中以二进制形式存储（假设为32位整数，其二进制表示为00000000000000000000000000001010），在二进制文件中也是以类似的二进制形式存储。与文本文件不同，二进制文件内容如果直接打开查看，可能是一堆乱码，因为它不是按照字符编码来存储的。
文件指针与FILE结构体
- C语言通过文件指针来操作文件。文件指针是一个指向FILE结构体的指针。FILE结构体是在<stdio.h>头文件中定义的，它包含了文件操作所需的各种信息。
- 例如，文件指针的定义形式为FILE *fp;，这里fp就是文件指针变量。这个FILE结构体内部包含了文件当前的读写位置、缓冲区信息、文件的状态标志（如文件是否已到达末尾、是否发生错误等）等重要信息。
文件的打开与关闭操作
- 文件打开函数fopen
  - 语法：FILE *fp = fopen("文件名","打开模式");。
  - “文件名”参数指定要打开的文件名称。如果文件不在当前目录下，需要提供完整的路径。例如，在Windows系统下，"C:\\Users\\user\\Documents\\data.txt"指定了C盘用户文档文件夹下的data.txt文件；在Linux系统下，"/home/user/data.txt"指定了用户主目录下的data.txt文件。
  - “打开模式”决定了文件打开后的操作方式。常见的打开模式有：
    - "r"：只读模式打开文本文件。如果文件不存在，fopen函数返回NULL，表示打开失败。
    - "w"：只写模式打开文本文件。如果文件不存在，会创建新文件；如果文件存在，会清空文件内容。
    - "a"：追加模式打开文本文件。如果文件不存在，会创建新文件；如果文件存在，会在文件末尾添加内容。
    - 对于二进制文件，相应的模式有"rb"、"wb"、"ab"，分别表示二进制文件的只读、只写、追加模式。
  - 例如，要打开一个当前目录下的文本文件test.txt用于读取，可以这样写：
```
FILE *fp = fopen("test.txt","r");
if(fp == NULL) {
    perror("文件打开失败");
    return 1;
}
```
    这里使用perror函数来输出错误信息，当fp为NULL时，perror会输出错误原因。
- 文件关闭函数fclose
  - 语法：fclose(fp);，其中fp是通过fopen函数打开文件得到的文件指针。
  - 关闭文件的重要性在于确保缓冲区中的数据被正确写入文件，防止数据丢失。同时，及时关闭文件可以释放文件相关的系统资源，使系统能够更好地管理文件。例如，如果程序频繁打开文件而不关闭，可能会导致系统资源耗尽，影响其他程序的运行。
文件的读写操作
- 字符读写函数fgetc和fputc
  - fgetc函数
    - 语法：int ch = fgetc(fp);，其中fp是文件指针。
    - 功能：从文件指针fp指向的文件中读取一个字符。读取成功后，返回读取到的字符的ASCII码值。如果遇到文件末尾或者读取错误，返回EOF（EOF是在<stdio.h>中定义的常量，通常值为 - 1）。
    - 例如，以下代码可以读取一个文本文件的内容并输出到控制台：
```
FILE *fp = fopen("input.txt","r");
int ch;
while((ch = fgetc(fp))!= EOF) {
    putchar(ch);
}
fclose(fp);
```
  - fputc函数
    - 语法：fputc('A',fp);，这里将字符'A'写入文件指针fp指向的文件中。
    - 功能：将一个字符写入文件。如果写入成功，返回写入的字符；如果写入失败，返回EOF。
- 字符串读写函数fgets和fputs
  - fgets函数
    - 语法：char str[100]; fgets(str, sizeof(str),fp);。
    - 功能：从文件中读取一行字符串。它会读取最多sizeof(str) - 1个字符（因为要预留一个位置给字符串结束符'\0'）到str数组中。
    - 返回值：如果读取成功，返回str（即读取到的字符串的首地址）；如果遇到文件末尾或者读取错误，返回NULL。例如，以下代码可以读取文件中的每一行并打印：
```
FILE *fp = fopen("lines.txt","r");
char line[256];
while(fgets(line, sizeof(line),fp)!= NULL) {
    printf("%s",line);
}
fclose(fp);
```
  - fputs函数
    - 语法：fputs("Hello World",fp);，将字符串“Hello World”写入文件（不包括字符串结束符'\0'）。
    - 功能：将一个字符串写入文件。如果写入成功，返回一个非负整数；如果写入失败，返回EOF。
- 格式化读写函数fscanf和fprintf
  - fscanf函数
    - 语法：fscanf(fp,"%d %s", &num, str);，从文件中按照指定格式读取数据。
    - 功能：类似于scanf函数，用于从文件中读取数据。可以读取整数、浮点数、字符串等按照指定格式组合的数据。
    - 返回值：如果成功读取了指定格式的数据，返回成功读取的项数；如果遇到文件末尾或者读取错误，返回EOF。
  - fprintf函数
    - 语法：fprintf(fp,"%d %s", num, str);，将数据按照指定格式写入文件。
    - 功能：类似于printf函数，用于将数据写入文件。可以将整数、浮点数、字符串等按照指定格式组合的数据写入文件。
    - 例如，若有一个结构体用于存储学生信息，包括学号和姓名，可以使用fscanf从文件中读取学生信息，使用fprintf将学生信息写入文件：
```
struct Student {
    int id;
    char name[50];
};
struct Student s;
FILE *fp = fopen("students.txt","r");
fscanf(fp,"%d %s", &s.id, s.name);
fclose(fp);
fp = fopen("students.txt","w");
fprintf(fp,"%d %s", s.id, s.name);
fclose(fp);
```
- 块读写函数fread和fwrite
  - fread函数
    - 语法：fread(&struct_var, sizeof(struct_var), 1,fp);，用于从文件中读取二进制数据块。
    - 功能：从文件中读取一个数据块，数据块大小为sizeof(struct_var)，读取的数量为1，存储到&struct_var地址处。常用于读取二进制文件中的结构体、数组等数据。
  - fwrite函数
    - 语法：fwrite(&struct_var, sizeof(struct_var), 1,fp);，用于将二进制数据块写入文件。
    - 功能：将&struct_var地址处的数据块（大小为sizeof(struct_var)）写入文件，写入数量为1。例如，将一个结构体数组写入二进制文件：
```
struct Data {
    int value;
};
struct Data data_array[10];
FILE *fp = fopen("data.bin","wb");
fwrite(data_array, sizeof(data_array), 1,fp);
fclose(fp);
```
文件的定位操作
- ftell函数
  - 语法：long offset = ftell(fp);。
  - 功能：获取文件指针fp的当前位置，返回值是一个长整型，表示文件指针相对于文件开头的偏移量（以字节为单位）。例如，在读取文件过程中，可以通过ftell函数记录当前读取位置。
- fseek函数
  - 语法：fseek(fp, offset, origin);，其中fp是文件指针，offset是偏移量（可以是正、负或零），origin是起始位置，有SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（文件当前位置）、SEEK_END（文件末尾）三种选择。
  - 功能：用于移动文件指针的位置。例如，fseek(fp, 10L, SEEK_SET);会将文件指针从文件开头向后移动10个字节。这在随机读写文件时非常有用，比如在文件中间插入或修改数据。
- rewind函数
  - 语法：rewind(fp);。
  - 功能：将文件指针重新定位到文件开头。当需要重新读取一个已经打开的文件的内容，或者对文件进行多次读写操作每次从开头开始时，可以使用rewind函数。例如，在一个文件中先读取数据用于统计，然后再读取数据用于打印，就可以在第二次读取前使用rewind函数将文件指针移回开头。

教材学习中的问题和解决过程

问题1：打开文件必须用指针吗

答：在C语言中，打开文件时通常会使用文件指针，但并不是绝对必须的。以下是一些相关的要点：

使用指针的原因：文件指针（FILE*类型）用于指向打开的文件。通过这个指针，程序可以读取或写入文件的内容。使用指针可以方便地管理文件操作，例如读取、写入、关闭文件等。

示例代码：

FILE *file = fopen("example.txt", "r");
if (file == NULL) {
    perror("Error opening file");
    return -1;
}
// 文件操作...
fclose(file);

没有指针的情况：在某些高层次的编程语言中，或是使用特定的库，可能不需要直接处理文件指针。例如，Python中可以直接通过文件对象进行操作，不需要显示的指针类型。
抽象封装：在C语言中，虽然文件操作依赖指针，但有些高级的抽象（如类或结构体）可以封装这些操作，间接地使用文件指针。

问题2：fopen函数中不同的文件打开模式（如"r"、"w"、"a"等）是什么意思？它们之间有什么主要的区别？

答：
在C语言中，fopen函数用于打开文件，并允许以不同的模式来读取或写入数据。每种打开模式具有不同的含义和行为。以下是一些常用的文件打开模式及其主要区别：

常用文件打开模式

"r"（只读模式）:
- 打开一个现有的文件进行读取。
- 文件指针指向文件的开头。
- 如果文件不存在，fopen返回NULL。
"w"（写入模式）:
- 创建一个新文件用于写入（如果文件已经存在，则会被截断为零长度，也就是清空文件）。
- 文件指针指向文件的开头。
- 如果文件不存在，自动创建新文件。
"a"（追加模式）:
- 打开一个现有的文件用于写入，并将数据附加到文件末尾。
- 如果文件不存在，则创建新文件。
- 文件指针指向文件的末尾。
"r+"（读写模式）:
- 打开一个现有的文件以便读取和写入。
- 文件指针指向文件的开头。
- 如果文件不存在，fopen返回NULL。
"w+"（读写创建模式）:
- 创建一个新文件用于读取和写入（如果文件已存在将被截断）。
- 文件指针指向文件的开头。
"a+"（读写追加模式）:
- 打开一个文件用于读取和写入，并将数据附加到文件末尾。
- 如果文件不存在，将创建新文件。
- 文件指针指向文件的末尾。

主要区别

文件存在性：
- "r"、"r+"模式要求文件必须存在；如果不存在，打开失败。
- "w"、"w+"、"a"、"a+"模式会创建新文件，如果文件不存在。
数据处理方式：
- "w"和"w+"会清空已有文件的内容，而"a"和"a+"则会保留文件内容，将新数据追加到文件末尾。
读写权限：
- "r"、"r+"只有读取权限，不能写入。
- "w"、"w+"、"a"、"a+"允许写入，有些模式还允许读取。

示例代码

以下是一个示例，展示如何使用这些模式：

#include <stdio.h>

int main() {
    // 只读
    FILE *file1 = fopen("example.txt", "r");
    if (file1 == NULL) {
        perror("Error opening file for reading");
    }

    // 写入（清空文件）
    FILE *file2 = fopen("example.txt", "w");
    if (file2 == NULL) {
        perror("Error opening file for writing");
    }

    // 追加
    FILE *file3 = fopen("example.txt", "a");
    if (file3 == NULL) {
        perror("Error opening file for appending");
    }

    // 读写
    FILE *file4 = fopen("example.txt", "r+");
    if (file4 == NULL) {
        perror("Error opening file for reading and writing");
    }

    // 关闭文件
    fclose(file1);
    fclose(file2);
    fclose(file3);
    fclose(file4);

    return 0;
}

问题3：在处理多个文件时，是否可以同时打开多个文件指针？如果可以，如何确保同时进行的文件操作不会互相干扰？

答：
在C语言中，可以同时打开多个文件指针，这对于处理多个文件是非常常见的情况。例如，程序可以同时读取一个文件并写入另一个文件。在操作多个文件时，有几件事需要注意，以确保文件操作互不干扰：

同时打开多个文件指针

你可以简单地通过多次调用fopen()来打开多个文件。每个打开的文件都会返回一个独立的FILE*指针。例如：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file1 = fopen("file1.txt", "r");
    FILE *file2 = fopen("file2.txt", "w");

    if (file1 == NULL || file2 == NULL) {
        perror("Error opening files");
        return -1;
    }

    // 处理文件...

    fclose(file1);
    fclose(file2);
    return 0;
}

确保操作不互相干扰

使用独立的文件指针：每个文件都通过单独的FILE*指针进行操作。在写入或读取文件时，确保使用正确的指针。例如，不要在写入file2时错误地使用file1。
检查返回值：在每次文件操作后确认操作是否成功，例如检查fgets()、fprintf()等函数的返回值，以确保操作没有出错。
控制文件位置：利用fseek()和ftell()等函数管理每个文件的读取和写入位置，确保在通用操作中不产生混淆。
正确关闭文件：在完成所有文件操作后，应确保使用fclose()关闭每个文件。这不仅释放了资源，还确保所有缓冲区数据已正确写入文件。
防止竞争条件：在多线程程序中处理文件时，确保对文件的访问是线程安全的。这可以通过互斥锁等机制来实现，以避免多个线程同时对同一个文件进行操作。

示例

下面是一个简单的示例，展示如何同时读取一个文件并向另一个文件写入数据，而不产生干扰：

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *inputFile = fopen("input.txt", "r");
    FILE *outputFile = fopen("output.txt", "w");

    if (inputFile == NULL || outputFile == NULL) {
        perror("Error opening files");
        return -1;
    }

    char buffer[100];

    // 读取 input.txt 的内容并写入 output.txt
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), inputFile) != NULL) {
        fputs(buffer, outputFile); // 将读取的内容写入 output.txt
    }

    // 关闭文件
    fclose(inputFile);
    fclose(outputFile);

    return 0;
}

在这个例子中，inputFile和outputFile是两个独立的文件指针，用于同时读写不同的文件。它们的操作彼此独立，不会干扰。