13.1 与文件进行通信

文件是当计算机系统不可或缺的部分。
文件用于存储程序、文档、数据、书信、表格、图形、照片、视频和许多其他种类的信息。

有时，需要程序从文件中读取信息或把信息写入文件。这种程序与文件交互的形式就是文件重定向。这种方法很简单，但是有一定的限制。例如：假设要编写一个交互程序，询问用户书名并把完整的书名保存在文件中。如果使用重定向，应该类似于：
books > bklist
用户的输入被重定向到bklist中。这样做不仅会把不符合要求的文本写入bklist，而且用户也看不到要回答什么问题。
C提供了更强大的文件通信方法，可以在程序中打开文件，然后使用特殊的I/O函数读取文件中的信息或把信息写入文件。

13.1.1 文件是什么？

文件（file）通常是在磁盘或固态硬盘上的一段已命名的存储区。对我们而言，stdio.h就是一个文件的名称。该文件包含一些有用的信息。然而，对操作系统而言，文件更复杂一些。例如，大型文件会被分开存储，火鹤包含一些额外的数据，方便操作系统确定文件的种类。然而，这都是操作系统所关心的，程序员更关心的是C程序如何处理文件。
C把文件看作是一系列连续的字节，每个字节都能被单独读取。这与UNIX环境中的文件结构相对应。由于其他环境中可能无法完全对应这个米星，C提供两种文件模式：文本模式和二进制模式。

13.1.2 文本模式和二进制模式

首先，要区分文本内容和二进制内容、文本文件格式和二进制文件格式，以及文件的文本模式和二进制模式。
所有的文件的内容都都以二进制形式（0或1）存储。但是，如果文件最初使用二进制编码的字符表表示文本，该文件就是文本文件，其中包含文本内容。如果文件中的二进制值代表及其语言代码或数值数据（使用相同的内部表示，假设，用于long或double类型的值）或图片或音乐编码，该文件就是二进制文件，其中包含二进制内容。
UNIX用同一种文件格式处理文本文件和二进制文件的内容。不奇怪，因为C是作为开发UNIX的工具而创建的，C和UNIX在文本中都是用\n表示换行。UNIX目录中还有一个统计文件大小的计数，程序可使用该计数确定是否督导文件结尾。然而，其他系统再此之前已经有其他方法处理文本文件，专门用于保存文本。也就是说，其他系统已经有了一种与UNIX模型不同的格式处理文本文件。
为了规范文本文件的处理，C提供两种访问文件的途径：二进制模式和文本模式。在二进制模式中，程序可以访问文件的每个字节。在文本模式中。程序所见的内容和文件的实际内容不同。程序以文本模式读取文件时，把本地环境表示的行末尾或文件结尾映射为C模式。
除了以文本模式读写文本文件，还能以二进制模式读写文本文件。如果写了一个旧式MS-DOS文本文件，程序会看见文件中的\r和\n字符，不会发生映射。如果要编写旧式Mac格式，MS-DOS格式或者UNIX/Linux格式的文件模式程序，应该使用二进制模式，这样程序才能确定实际的文件内容并执行相应的动作。

虽然C提供了二进制模式和文本模式，但是这两种模式的实现可以相同，因为UNIX使用一种文件格式，这两种模式对UNIX实现而言完全相同。Linux也是如此。

13.1.3 I/O的级别

除了选择文件的模式外，大多数情况下，还可以选择I/O两个级别（即处理文件访问的两个级别）。底层I/O（low-level I/O）使用操作系统提供的基本I/O服务。标准高级I/O（standard high-level I/O）使用C库的标准包和stdio.h 头文件定义。因为无法保证所有的操作系统都是用相同底层I/O模型。C标准只指出保准I/O包。有些实现会提供底层库，但是C标准建立了可移植的I/0模型。

13.1.4 标准文件

C会自动打开3个文件，它们被称为输入标准（standard input）、标准输出（standard output）和标准错误输出（standard error output）。在默认情况下，标准输入是系统的普通输入设备，通常为家农安；标准输出和标准错误输出是系统的普通设备，通常为显示屏。
通常，标准输入为程序提供输入，它是getchar()和scanf()使用的文件。程序通常输出到标准或标准输出。标准错误输出提供了一个逻辑上不同的地方发送错误消息。例如，如果使用重定向把输出发送给文件而不是屏幕，那么发送至标准错误输出的内容仍然会被发送到屏幕上。这样很好，因为如果把错误消息发送至文件，那只能打开文件才能看到。

13.2 标准I/O

与底层I/O相比，标准I/O包除了可移植以外还有两个好处。
第1，标准I/O有许多专门的函数简化了处理不同I/O的问题。例如：printf()把不同形式的数据转换成与中断相适应的字符串输出。
第2，输入和输出都是缓冲的。也就是说，依次转移一大块信息而不是一节信息（通常至少是512字节）。例如：当程序读取文件时，一块数据被拷贝到缓冲区（一块中介存储区域）。这种缓冲极大地提高了数据传输速率。程序可以检查缓冲区中的字节。
缓冲区在后台处理，所有让人有种逐字符访问的错觉（如果使用底层I/O，要自己完成大部分工作）。
下述程序清单演示了如何用标准I/O读取文件和统计文件中的字符数。

//count.c       --使用标准I/O函数 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>    //--提供exit()的原型

int main(int argc,char *argv[])
{
    int ch;     //读取文件时，储存每个字符的地方
    FILE *fp;   //"文件指针"
    unsigned long count = 0;
    if(argc !=2) 
    {
        printf("Usage: %s filename\n",argv[0]);

        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if((fp = fopen(argv[1],"r")) == NULL)
    {
        printf("Can't open %s\n",argv[1]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    while((ch = getc(fp)) != EOF)
    {
        putc(ch,stdout);    //与putchar(ch);相同
        count++; 
    }
    fclose(fp);
    printf("File %s has %lu characters\n",argv[1],count);

    return 0;
 } 

13.2.1 检查命令行参数

首先，该程序中的程序检查argc的值，查看是否有命令行参数。如果没有，程序将打印出一条消息并退出程序。字符串argv[0]是该程序的名称。显示使用argv[0]而不是程序名字，错误消息的描述会随可执行文件名的改变的改变而自动改变。这一特性像在UNIX种允许单个文件具有多个文件名的环境中也很方便。但是一些操作系统可能不识别argv[0]，所以这种方法并非完全可移植。
 exit()函数关闭所有打开的文件并结束程序。exit ()的参数被传递给一些操作系统，包括UNIX、linux、windows和MS-DOS，以供其他程序使用。通常的惯例是：正常结束的程序传递0，一场结束的程序传递非0值。不同的退出值可用以区分程序失败的不同原因，这也是UNIX和DOS编程的通常做法。但是，并不是所有的操作系统都能识别相同范围内的返回值。因此，C标准规定了一个最小的限制范围。尤其是，标准要求0或宏EXIT_SUCCESS用于表示成功结束程序，宏EXIT_FALLURE用于表明结束程序失败。这些宏和exit()原型都位于stdlib.h头文件中。
 根据ANSI C的规定，在最初调用main()中使用return与调用exit()的效果相同。因此，在main()中，下面语句：
 return 0;
 和下面这条语句的作用相同：
 exit(0);
 但是要注意，我们说的是最初的调用。如果main()在一个递归程序中，exit()仍然会终止程序。
 但是return只会把控制权交给上一级递归，直至最初的一级。然后return结束程序。return和exit()的另一个区别是，即使在其他函数中（除main(））以外，调用exit()也能结束整个程序。

13.2.2 fopen()函数

继续分析程序清单，该程序使用fopen()函数打开文件。该函数声明在stdio.h中，它的第一个参数是带打开文件的名称，更确切的说是一个包含该文件命的字符串地址。第2个参数是一个字符串，指定待打开文件的模式。

像UNIX和Linux这样只有一种文件类型的系统，带b字母和不带b字母的模式相同。
新的C11新增加了带x字母的写模式，与以前的写模式相比有更多的特性。第1，如果以传统的一种模式打开一个现有的文件，fopen()会把该文件的长度截为0，这样就丢失了改文件的内容。但是使用带x字母的写模式打开，即使fopen()操作失败，原文件的内容也不会被删除。第2，如果环境允许，x模式的独特性使得其他程序或线程无法访问正在被打开的文件

程序成功打开后，fopen()将返回文件指针（file pointer），其他I/O函数可以使用这个指针指定该文件。文件指针（该例中是fp）指向FILE的指针，FILE是一个定义在stdio.h中的派生类型。文件指针中的fp并不指向实际的文件，它指向一个包含文件信息的数据对象，其中包含操作文件的I/O函数所用的缓冲信息。因为标准库中的I/O函数使用缓冲区，所以它们不仅要知道缓冲区的位置，还要知道缓冲区被填充的程度以及操作哪一个文件。标准I/O函数根据这些信息在必要时决定再次填充或清空缓冲区。
fp指向的数据对象包含了这些信息。

13.2.3 getc()和putc()函数

getc()和putc()函数与getchar()和putchar()函数类似。所不同的是，要告诉getc()和putc()函数使用哪个二五年间。
下面这条语句的意思是“从标准输入中获取一个字符”：
ch = getchar();
然而，下面这条语句的意思是“从fp指定的文件中获取一个字符”：
ch = getc(fp);
与此类似，下面语句的意思是"把字符ch放入FILE指针fpout指定的文件中":
putc(ch,fpout);
在putc()函数的参数列表中，第一个参数是待写入的字符，第2个参数是文件指针。
stdout作为putc()的第2个参数。stdout作为与标准输出相关联的文件指针，定义在stdio.h中，所以putc(ch,stdout)与putchar(ch),的作用相同。实际上，putchar()函数一般通过puts()来定义。与此类似，getchar()也通过使用标准输入的gets()来定义。

13.2.4 文件结尾

从文件中读取数据的程序在读到文件结尾时要停止。如何告诉程序已经读到文件结尾？如果gerc()函数在读取一个字符时发现是文件结尾，他将返回一个特殊值EOF.所以C程序只有在读到文件末尾时才发现文件的结尾（一些其它语言用一个特殊的函数在读取之前检测文件结尾，C语言不同）。
为了避免读到空文件，应该使用入口条件循环（不是do while循环）进行文件输入。鉴于getc()（和其他C输入函数）的设计，程序应该在进入循环之前先尝试读取。如下面的设计。

//设计范例#1
int ch;     //用int类型的变量存储EOF
FILE *fp;
fp = fopen("wacky.txt","r");
ch = getc(fp);  //获取初始输入值
while(ch != EOF)
{
    putchar(ch);    //处理输入
    ch = getc(fp);  //获取下一个输入
}
//以上代码可以简化为：
//设计范例#2
int ch;
FILE *fp;
fp = fopen("wacky.txt","r");
while((ch = getc(fp)) != EOF)
{
    putchar(ch);    //处理输入
}

由于ch = getc(fp)是while测试条件的一部分，所以程序在进入循环体之前就读取了文件。不要像下面这样设计：
//糟糕的设计
int ch;
FILE *fp;
fp = fopen("wacky.txt,"r");
while(ch != EOF)    //首次使用ch时，它的值尚未确定
{
    ch = getc(fp);
    putchar(ch);    //处理输入
}
第1个问题是，ch首次与EOF比较时，其值尚未确定。第2个问题是，如果getc()返回EOF，该循环会把EOF作为一个有效的字符处理。这些问题都可以解决。例如：把ch初始化为一个哑值（dummy value），再把一个if语句加入到一个循环中，但是，何必这样多次一举呢？
其他输入函数也会用到这种方案，它们在读到文件结尾时也会返回一个错误信号（EOF或NULL指针）。

13.2.5 fclose()函数

fclose(fp)函数关闭fp指定的文件，必要时刷新缓冲区。对于比较正式的程序，应该检查是否成功关闭文件。如果关闭成功fclose()函数返回0，否则返回EOF;
if(fclose(fp)!=0)
    printf("Error in closeing file %s\n",argv[1]);
如果磁盘已满、移动硬盘被溢出或出现I/O错误，都会导致调用fclose()函数失败。

13.2.6 指向标准文件的指针

stdio.h头文件把3个文件指针与3个标准文件相关联，C程序会自动打开这3个标准文件。如下所示：

标准文件和相关联的文件指针

这些文件指针都是指向FILE的指针，所以它们可用作标准I/O函数的参数，如，fclose(fp)中的fp.