C语言-文件操作-一些我想到的、见到的奇怪的问题

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前言

关于C语言文件操作的文章在CSND上很多很多，我自身才疏学浅，补充不了什么内容，因此，我决定换一个角度，分享一下我想到的、见到的奇怪的问题。

这个奇怪当然也是我单方面认为的

注：本篇只讨论数据文件，且只讨论纯文本文件(.txt)。

1.在不关闭文件的情况下，连续多次调用 fopen() 打开同一个文件，会发生什么？

1.1过程

为了验证这个问题，我当然不想创建很多的文件指针来一对一，因此，我尝试使用同名指针两次打开同一个文件：

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* pf = fopen("test.txt", "w");printf("time 1:%p\n", pf);pf = fopen("test.txt", "w");printf("time 2:%p\n", pf);return 0;
}

运行结果如下图：

这说明，即便是同一个文件指针，同一个文件，只要使用fopen，系统都会再用一个新的文件描述符。
那么要验证这个问题就很简单了，代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* pf;int count = 1;while (1){pf = fopen("test.txt", "w");if (pf == NULL){printf("time %d::", count);perror("");break;}printf("time %d:%p\n", count++, pf);}return 0;
}

运行结果如下图：

可以看见当打开第510次时，以及没有更多的文件描述符了。
当然，我用的是VS2022，而在其他环境下具体次数可能会改变，但应该还是会有个限制的。

在现代操作系统中，每个进程可以同时打开的文件数是有限的（通常可以通过 ulimit -n 查看限制）。每次调用 fopen()，操作系统都会为文件分配一个文件描述符，文件描述符是操作系统为进程管理文件资源的句柄。当打开的文件数量超过系统允许的最大数量时，fopen() 将返回 NULL。

1.2结论

对文件只开不关，会使得系统提供的文件描述符被耗尽，最后fopen会返回一个空指针。

1.3意义

如果有人只会开文件，不会关文件，那么那个人多半在开文件时，也不会检查文件是否打开成功🤣。
那么这样的错误，就有可能出现了：

fputs("HaHa", NULL);

具体场景如下：

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* pf;int count = 1;while (1){pf = fopen("test.txt", "w");if (pf == NULL){printf("time %d::", count);perror("");break;}printf("time %d:%p\n", count++, pf);}fputs("HaHa", pf);// pf 此时已经为 NULL了return 0;
}

如果运行，程序最终会崩掉：

因此，在使用完文件后，一定要fclose！

2.fseek如果设置到文件前的位置会发生什么？

2.1过程

有这样的问题是因为有一天我写了这样一个代码：

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* pf = fopen("test.txt", "w");if (!pf)return 1;int ch = 'a';fputc(ch,pf);fseek(pf, -1000000, SEEK_SET);ch = 'a';fputc(ch, pf);fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

我在fgetc之后用了fseek，并把位置设置到了开始位置的-10000，之后再次使用了fgetc。
然后程序运行成功了，并且在文件中输入了两个a：

aa

为什么不是一个a或者报错？
其实非常简单，因为刚进fseek就被弹出来了：

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* pf = fopen("test.txt", "w");if (!pf)return 1;int ch = 'a';fputc(ch, pf);printf("fseek前的偏移量：%d\n", ftell(pf));if (fseek(pf, -1000000, SEEK_SET)) {perror("fseek failed");}printf("fseek后的偏移量：%d\n", ftell(pf));ch = 'a';fputc(ch, pf);fclose(pf);pf = NULL;return 0;
}

运行结果如下图：

1.2结论

什么都不会发生，fseek会返回一个非零值，并设置错误码（对应的错误信息就是 Invalid argument），但偏移量不会改变。

3.fseek设置到单个汉字的中间会发生什么?

3.1过程

众所周知，一个汉字占多个字节，那我用fseek设置到这多个字节的中间会发生什么呢？
代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{FILE* pf = fopen("test.txt", "w");if (!pf)return 1;fprintf(pf, "今天的日期：20240921");fclose(pf);pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf)return 1;fseek(pf, 1, SEEK_SET);char ch[100];fscanf(pf, "%s", ch);printf("%s\n", ch);return 0;
}

运行结果如下：

3.2结论

可能会输出乱码。

3.3意义

在C语言中，有很多地方使用汉字会导致未定义行为，因此尽量避免使用汉字。

4.同时读、写同一个文件会发生什么？

4.1过程

代码如下：

#include <stdio.h>int main() {FILE* write = fopen("test.txt", "w");FILE* read = fopen("test.txt", "r");if (!read || !write)return 1;fputs("Hello World!", write);char ch[100];fgets(ch, 100, read);printf("%s\n", ch);fclose(write);write = NULL;fclose(read);read = NULL;return 0;
}

这里，我在对文件写入之后立刻读取，最终得到下图的结果：

但如果我在fputs语句之后，刷新缓冲区，则会正常输出：

    fputs("Hello World!", write);fflush(write);

如果我将fclose提前，也能正常输出：

    fputs("Hello World!", write);fclose(write);write = NULL;

4.2结论

可能缓冲区没被刷新，导致读到乱码或不完整的信息。

5.在追加模式下使用fseek会不会覆盖原文件？

5.1过程

先写，再追加，最后读：

#include <stdio.h>int main() 
{FILE* write = fopen("test.txt", "w");if (!write)return 1;fputs("Hello World!", write);fclose(write);write = NULL;FILE* add = fopen("test.txt", "a");if (!add)return 1;fseek(add, -10, SEEK_SET);perror("");fputs("xxxxxxxxxx", add);fclose(add);add = NULL;FILE* read = fopen("test.txt", "r");char ch[100];fgets(ch, 100, read);printf("%s\n", ch);fclose(read);read = NULL;return 0;
}

结果如下图：

5.2结论

并不会覆盖原文件，fseek又是一进去就被弹出来了(rewind也不行，会设置在追加的起始位置)。

6.在只读模式下写入会发生什么？

6.1过程

我先写入"Hello World!"，然后在只读模式下尝试写入信息(还加了一个perror打印错误信息)，最后读取文件信息。
代码如下：

#include <stdio.h>int main() {FILE* write = fopen("test.txt", "w");if (!write)return 1;fputs("Hello World!", write);fclose(write);write = NULL;FILE* pf = fopen("test.txt", "r");if (!pf)return 1;fprintf(pf, "HaHa");perror("");fclose(pf);FILE* read = fopen("test.txt", "r");char ch[100];fgets(ch, 100, read);printf("%s\n", ch);fclose(read);read = NULL;return 0;
}

运行结果如下图：

错误信息是坏的文件描述符，可能是指我的文件指针用错了吧。

6.2结论

会拒绝写入，原文件信息不会改变。

7.FILE类型的结构体是开在堆上的吗？如果是，free它一下会发生什么？

7.1过程

先简单验证一下VS2022中是不是开在堆上的：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* a = (int*)malloc(sizeof(int));int* b = (int*)malloc(sizeof(int));FILE* pf = fopen("test.txt", "w");printf("%p\n%p\n%p", a, b, pf);return 0;
}

运行结果如下图：

可以发现，这三个变量的地址相近，因此，可以认为FILE类型的结构体是开在堆上的。
既然如此，那么free(文件指针)应该是可以运行的：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{FILE* write = fopen("test.txt", "w");if (!write)return 1;fputs("Hello World!", write);fflush(write);free(write);FILE* read = fopen("test.txt", "r");char ch[100];fgets(ch, 100, read);printf("%s\n", ch);fclose(read);read = NULL;return 0;
}

运行结果如下图：

7.2结论

在VS2022中，FILE类型的结构体是开在堆上的，因此，free(结构体指针)时不会报错。
但是，FILE类型的结构体并不是通过 malloc 或 calloc 分配的内存，所以使用 free 会导致未定义行为，如，在下一次读取时输出一堆乱码。

7.3意义

虽然 FILE* 在堆上分配，但由于它是由C标准库通过 fopen() 处理的，不应直接使用 free()，而应该使用 fclose() 来正确释放资源!!!

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希望本篇文章对你有所帮助！并激发你进一步探索编程的兴趣！
本人仅是个C语言初学者，如果你有任何疑问或建议，欢迎随时留言讨论！让我们一起学习，共同进步！