学步园

 这是嵌入式C程序员的基本知识。作者在Embedded Systems Programming杂志上发表了很多嵌入式系统开发方面的文章。

　　C语言测试是招聘嵌入式系统程序员过程中必须而且有效的方法。这些年，我既参加也组织了许多这种测试，在这过程中我意识到这些测试能为面试者和被面试者提供许多有用信息，此外，撇开面试的压力不谈，这种测试也是相当有趣的。
　　从被面试者的角度来讲，你能了解许多关于出题者或监考者的情况。这个测试只是出题者为显示其对ANSI标准细节的知识而不是技术技巧而设计吗？这是个愚蠢的问题吗？如要你答出某个字符的ASCII值。这些问题着重考察你的系统调用和内存分配策略方面的能力吗？这标志着出题者也许花时间在微机上而不是在嵌入式系统上。如果上述任何问题的答案是"是"的话，那么我知道我得认真考虑我是否应该去做这份工作。
从面试者的角度来讲，一个测试也许能从多方面揭示应试者的素质：最基本的，你能了解应试者C语言的水平。不管怎么样，看一下这人如何回答他不会的问题也是满有趣。应试者是以好的直觉做出明智的选择，还是只是瞎蒙呢？当应试者在某个问题上卡住时是找借口呢，还是表现出对问题的真正的好奇心，把这看成学习的机会呢？我发现这些信息与他们的测试成绩一样有用。
　　有了这些想法，我决定出一些真正针对嵌入式系统的考题，希望这些令人头痛的考题能给正在找工作的人一点帮助。这些问题都是我这些年实际碰到的。其中有些题很难，但它们应该都能给你一点启迪。
这个测试适于不同水平的应试者，大多数初级水平的应试者的成绩会很差，经验丰富的程序员应该有很好的成绩。为了让你能自己决定某些问题的偏好，每个问题没有分配分数，如果选择这些考题为你所用，请自行按你的意思分配分数。

预处理器（Preprocessor）

1 . 用预处理指令#define 声明一个常数，用以表明1年中有多少秒（忽略闰年问题）
#define SECONDS_PER_YEAR (60 * 60 * 24 * 365)UL
我在这想看到几件事情：
1) #define 语法的基本知识（例如：不能以分号结束，括号的使用，等等）
2)懂得预处理器将为你计算常数表达式的值，因此，直接写出你是如何计算一年中有多少秒而不是计算出实际的值，是更清晰而没有代价的。
3) 意识到这个表达式将使一个16位机的整型数溢出-因此要用到长整型符号L,告诉编译器这个常数是的长整型数。
4) 如果你在你的表达式中用到UL（表示无符号长整型），那么你有了一个好的起点。记住，第一印象很重要。

2 . 写一个"标准"宏MIN ，这个宏输入两个参数并返回较小的一个。
#define MIN(A,B) （（A） <= (B) ? (A) : (B))
这个测试是为下面的目的而设的：
1) 标识#define在宏中应用的基本知识。这是很重要的。因为在 嵌入(inline)操作符 变为标准C的一部分之前，宏是方便产生嵌入代码的唯一方法，对于嵌入式系统来说，为了能达到要求的性能，嵌入代码经常是必须的方法。
2)三重条件操作符的知识。这个操作符存在C语言中的原因是它使得编译器能产生比if-then-else更优化的代码，了解这个用法是很重要的。
3) 懂得在宏中小心地把参数用括号括起来
4) 我也用这个问题开始讨论宏的副作用，例如：当你写下面的代码时会发生什么事？
least = MIN(*p++, b);

3. 预处理器标识#error的目的是什么？
　　如果你不知道答案，请看参考文献1。这问题对区分一个正常的伙计和一个书呆子是很有用的。只有书呆子才会读C语言课本的附录去找出象这种问题的答案。当然如果你不是在找一个书呆子，那么应试者最好希望自己不要知道答案。

死循环（Infinite loops）

4. 嵌入式系统中经常要用到无限循环，你怎么样用C编写死循环呢？
这个问题用几个解决方案。我首选的方案是：

while(1)
{

}

一些程序员更喜欢如下方案：

for(;;)
{

}

　　这个实现方式让我为难，因为这个语法没有确切表达到底怎么回事。如果一个应试者给出这个作为方案，我将用这个作为一个机会去探究他们这样做的基本原理。如果他们的基本答案是："我被教着这样做，但从没有想到过为什么。"这会给我留下一个坏印象。

第三个方案是用 goto
Loop:
...
goto Loop;
　　应试者如给出上面的方案，这说明或者他是一个汇编语言程序员（这也许是好事）或者他是一个想进入新领域的BASIC/FORTRAN程序员。

数据声明（Data declarations）

5. 用变量a给出下面的定义
a) 一个整型数（An integer）
b)一个指向整型数的指针（ A pointer to an integer）
c)一个指向指针的的指针，它指向的指针是指向一个整型数（ A pointer to a pointer to an intege）r
d)一个有10个整型数的数组（ An array of 10 integers）
e) 一个有10个指针的数组，该指针是指向一个整型数的。（An array of 10 pointers to integers）
f) 一个指向有10个整型数数组的指针（ A pointer to an array of 10 integers）
g) 一个指向函数的指针，该函数有一个整型参数并返回一个整型数（A pointer to a function that takes an integer as an argument and returns an integer）
h) 一个有10个指针的数组，该指针指向一个函数，该函数有一个整型参数并返回一个整型数（ An array of ten pointers to functions that take an integer argument and return an integer ）

答案是：
a) int a; // An integer
b) int *a; // A pointer to an integer
c) int **a; // A pointer to a pointer to an integer
d) int a[10]; // An array of 10 integers
e) int *a[10]; // An array of 10 pointers to integers
f) int (*a)[10]; // A pointer to an array of 10 integers
g) int (*a)(int); // A pointer to a function a that takes an integer argument and returns an integer
h) int (*a[10])(int); // An array of 10 pointers to functions that take an integer argument and return an integer

　　人们经常声称这里有几个问题是那种要翻一下书才能回答的问题，我同意这种说法。当我写这篇文章时，为了确定语法的正确性，我的确查了一下书。但是当我被面试的时候，我期望被问到这个问题（或者相近的问题）。因为在被面试的这段时间里，我确定我知道这个问题的答案。应试者如果不知道所有的答案（或至少大部分答案），那么也就没有为这次面试做准备，如果该面试者没有为这次面试做准备，那么他又能为什么做出准备呢？

Static

6. 关键字static的作用是什么？
这个简单的问题很少有人能回答完全。在C语言中，关键字static有三个明显的作用：
1)在函数体，一个被声明为静态的变量在这一函数被调用过程中维持其值不变。
2) 在模块内（但在函数体外），一个被声明为静态的变量可以被模块内所用函数访问，但不能被模块外其它函数访问。它是一个本地的全局变量。
3) 在模块内，一个被声明为静态的函数只可被这一模块内的其它函数调用。那就是，这个函数被限制在声明它的模块的本地范围内使用。

　　大多数应试者能正确回答第一部分，一部分能正确回答第二部分，同是很少的人能懂得第三部分。这是一个应试者的严重的缺点，因为他显然不懂得本地化数据和代码范围的好处和重要性。

Const

7．关键字const有什么含意？
　　我只要一听到被面试者说："const意味着常数"，我就知道我正在和一个业余者打交道。去年Dan Saks已经在他的文章里完全概括了const的所有用法，因此ESP(译者：Embedded Systems Programming)的每一位读者应该非常熟悉const能做什么和不能做什么.如果你从没有读到那篇文章，只要能说出const意味着"只读"就可以了。尽管这个答案不是完全的答案，但我接受它作为一个正确的答案。（如果你想知道更详细的答案，仔细读一下Saks的文章吧。）
　　如果应试者能正确回答这个问题，我将问他一个附加的问题：
下面的声明都是什么意思？

const int a;
int const a;
const int *a;
int * const a;
int const * a const;

/******/
　　前两个的作用是一样，a是一个常整型数。第三个意味着a是一个指向常整型数的指针（也就是，整型数是不可修改的，但指针可以）。第四个意思a是一个指向整型数的常指针（也就是说，指针指向的整型数是可以修改的，但指针是不可修改的）。最后一个意味着a是一个指向常整型数的常指针（也就是说，指针指向的整型数是不可修改的，同时指针也是不可修改的）。如果应试者能正确回答这些问题，那么他就给我留下了一个好印象。顺带提一句，也许你可能会问，即使不用关键字 const，也还是能很容易写出功能正确的程序，那么我为什么还要如此看重关键字const呢？我也如下的几下理由：
1) 关键字const的作用是为给读你代码的人传达非常有用的信息，实际上，声明一个参数为常量是为了告诉了用户这个参数的应用目的。如果你曾花很多时间清理其它人留下的垃圾，你就会很快学会感谢这点多余的信息。（当然，懂得用const的程序员很少会留下的垃圾让别人来清理的。）
2) 通过给优化器一些附加的信息，使用关键字const也许能产生更紧凑的代码。
3) 合理地使用关键字const可以使编译器很自然地保护那些不希望被改变的参数，防止其被无意的代码修改。简而言之，这样可以减少bug的出现。

Volatile

8. 关键字volatile有什么含意?并给出三个不同的例子。
　　一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。下面是volatile变量的几个例子：
1) 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）
2) 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables)
3) 多线程应用中被几个任务共享的变量

　　回答不出这个问题的人是不会被雇佣的。我认为这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。搞嵌入式的家伙们经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所有这些都要求用到volatile变量。不懂得volatile的内容将会带来灾难。
　　假设被面试者正确地回答了这是问题（嗯，怀疑是否会是这样），我将稍微深究一下，看一下这家伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。
1)一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。
2); 一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。
3); 下面的函数有什么错误：

int square(volatile int *ptr)
{
return *ptr * *ptr;
}

下面是答案：
1)是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。
2); 是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。
3) 这段代码有点变态。这段代码的目的是用来返指针*ptr指向值的平方，但是，由于*ptr指向一个volatile型参数，编译器将产生类似下面的代码：

int square(volatile int *ptr)

{
int a,b;
a = *ptr;
b = *ptr;
return a * b;
}

　　由于*ptr的值可能被意想不到地该变，因此a和b可能是不同的。结果，这段代码可能返不是你所期望的平方值！正确的代码如下：

long square(volatile int *ptr)

{
int a;
a = *ptr;
return a * a;
}

位操作（Bit manipulation）

9. 嵌入式系统总是要用户对变量或寄存器进行位操作。给定一个整型变量a，写两段代码，第一个设置a的bit 3，第二个清除a 的bit 3。在以上两个操作中，要保持其它位不变。
对这个问题有三种基本的反应
1)不知道如何下手。该被面者从没做过任何嵌入式系统的工作。
2) 用bit fields。Bit fields是被扔到C语言死角的东西，它保证你的代码在不同编译器之间是不可移植的，同时也保证了的你的代码是不可重用的。我最近不幸看到 Infineon为其较复杂的通信芯片写的驱动程序，它用到了bit fields因此完全对我无用，因为我的编译器用其它的方式来实现bit fields的。从道德讲：永远不要让一个非嵌入式的家伙粘实际硬件的边。
3) 用 #defines 和 bit masks 操作。这是一个有极高可移植性的方法，是应该被用到的方法。最佳的解决方案如下：

#define BIT3 (0x1 << 3)
static int a;

void set_bit3(void)
{
a |= BIT3;
}
void clear_bit3(void)
{
a &= ~BIT3;
}

　　一些人喜欢为设置和清除值而定义一个掩码同时定义一些说明常数，这也是可以接受的。我希望看到几个要点：说明常数、|=和&=~操作。

访问固定的内存位置（Accessing fixed memory locations）

10. 嵌入式系统经常具有要求程序员去访问某特定的内存位置的特点。在某工程中，要求设置一绝对地址为0x67a9的整型变量的值为0xaa66。编译器是一个纯粹的ANSI编译器。写代码去完成这一任务。
这一问题测试你是否知道为了访问一绝对地址把一个整型数强制转换（typecast）为一指针是合法的。这一问题的实现方式随着个人风格不同而不同。典型的类似代码如下：
int *ptr;
ptr = (int *)0x67a9;
*ptr = 0xaa55;

A more obscure approach is:

一个较晦涩的方法是：

*(int * const)(0x67a9) = 0xaa55;

即使你的品味更接近第二种方案，但我建议你在面试时使用第一种方案。

中断（Interrupts）

11. 中断是嵌入式系统中重要的组成部分，这导致了很多编译开发商提供一种扩展—让标准C支持中断。具代表事实是，产生了一个新的关键字 __interrupt。下面的代码就使用了__interrupt关键字去定义了一个中断服务子程序(ISR)，请评论一下这段代码的。

__interrupt double compute_area (double radius)

{
double area = PI * radius * radius;
printf("nArea = %f", area);
return area;
}

这个函数有太多的错误了，以至让人不知从何说起了：
1)ISR 不能返回一个值。如果你不懂这个，那么你不会被雇用的。
2) ISR 不能传递参数。如果你没有看到这一点，你被雇用的机会等同第一项。
3) 在许多的处理器/编译器中，浮点一般都是不可重入的。有些处理器/编译器需要让额处的寄存器入栈，有些处理器/编译器就是不允许在ISR中做浮点运算。此外，ISR应该是短而有效率的，在ISR中做浮点运算是不明智的。
4) 与第三点一脉相承，printf()经常有重入和性能上的问题。如果你丢掉了第三和第四点，我不会太为难你的。不用说，如果你能得到后两点，那么你的被雇用前景越来越光明了。

代码例子（Code examples）

12 . 下面的代码输出是什么，为什么？

void foo(void)
{
unsigned int a = 6;
int b = -20;
(a+b > 6) ? puts("> 6") : puts("<= 6");
}
　　这个问题测试你是否懂得C语言中的整数自动转换原则，我发现有些开发者懂得极少这些东西。不管如何，这无符号整型问题的答案是输出是 ">6"。原因是当表达式中存在有符号类型和无符号类型时所有的操作数都自动转换为无符号类型。因此-20变成了一个非常大的正整数，所以该表达式计算出的结果大于6。这一点对于应当频繁用到无符号数据类型的嵌入式系统来说是丰常重要的。如果你答错了这个问题，你也就到了得不到这份工作的边缘。

13. 评价下面的代码片断：

unsigned int zero = 0;
unsigned int compzero = 0xFFFF;
/*1's complement of zero */

对于一个int型不是16位的处理器为说，上面的代码是不正确的。应编写如下：

unsigned int compzero = ~0;

　　这一问题真正能揭露出应试者是否懂得处理器字长的重要性。在我的经验里，好的嵌入式程序员非常准确地明白硬件的细节和它的局限，然而PC机程序往往把硬件作为一个无法避免的烦恼。
到了这个阶段，应试者或者完全垂头丧气了或者信心满满志在必得。如果显然应试者不是很好，那么这个测试就在这里结束了。但如果显然应试者做得不错，那么我就扔出下面的追加问题，这些问题是比较难的，我想仅仅非常优秀的应试者能做得不错。提出这些问题，我希望更多看到应试者应付问题的方法，而不是答案。不管如何，你就当是这个娱乐吧...

动态内存分配（Dynamic memory allocation）

14. 尽管不像非嵌入式计算机那么常见，嵌入式系统还是有从堆（heap）中动态分配内存的过程的。那么嵌入式系统中，动态分配内存可能发生的问题是什么？
这里，我期望应试者能提到内存碎片，碎片收集的问题，变量的持行时间等等。这个主题已经在ESP杂志中被广泛地讨论过了（主要是 P.J. Plauger, 他的解释远远超过我这里能提到的任何解释），所有回过头看一下这些杂志吧！让应试者进入一种虚假的安全感觉后，我拿出这么一个小节目：
下面的代码片段的输出是什么，为什么？

char *ptr;
if ((ptr = (char *)malloc(0)) == NULL)
puts("Got a null pointer");
else
puts("Got a valid pointer");

　　这是一个有趣的问题。最近在我的一个同事不经意把0值传给了函数malloc，得到了一个合法的指针之后，我才想到这个问题。这就是上面的代码，该代码的输出是"Got a valid pointer"。我用这个来开始讨论这样的一问题，看看被面试者是否想到库例程这样做是正确。得到正确的答案固然重要，但解决问题的方法和你做决定的基本原理更重要些。

Typedef

15 Typedef 在C语言中频繁用以声明一个已经存在的数据类型的同义字。也可以用预处理器做类似的事。例如，思考一下下面的例子：

#define dPS struct s *
typedef struct s * tPS;

　　以上两种情况的意图都是要定义dPS 和 tPS 作为一个指向结构s指针。哪种方法更好呢？（如果有的话）为什么？这是一个非常微妙的问题，任何人答对这个问题（正当的原因）是应当被恭喜的。答案是：typedef更好。思考下面的例子：

dPS p1,p2;
tPS p3,p4;

第一个扩展为

struct s * p1, p2;
.
　　上面的代码定义p1为一个指向结构的指，p2为一个实际的结构，这也许不是你想要的。第二个例子正确地定义了p3 和p4 两个指针。

 

晦涩的语法

16 . C语言同意一些令人震惊的结构,下面的结构是合法的吗，如果是它做些什么？

int a = 5, b = 7, c;
c = a+++b;

　　这个问题将做为这个测验的一个愉快的结尾。不管你相不相信，上面的例子是完全合乎语法的。问题是编译器如何处理它？水平不高的编译作者实际上会争论这个问题，根据最处理原则，编译器应当能处理尽可能所有合法的用法。因此，上面的代码被处理成：

c = a++ + b;

因此, 这段代码持行后a = 6, b = 7, c = 12。
　　如果你知道答案，或猜出正确答案，做得好。如果你不知道答案，我也不把这个当作问题。我发现这个问题的最大好处是这是一个关于代码编写风格，代码的可读性，代码的可修改性的好的话题。

　　好了，伙计们，你现在已经做完所有的测试了。这就是我出的C语言测试题，我怀着愉快的心情写完它，希望你以同样的心情读完它。如果是认为这是一个好的测试，那么尽量都用到你的找工作的过程中去吧。天知道也许过个一两年，我就不做现在的工作，也需要找一个。

参考文献
1) Jones, Nigel, "In Praise of the #error directive," Embedded Systems Programming, September 1999, p. 114.
2) Jones, Nigel, " Efficient C Code for Eight-bit MCUs ," Embedded Systems Programming, November 1998, p. 66.
 

如何优化C语言代码(程序员必读)
AlexanderWu 发表于2006 2月, 11 12:37 [C资料库]

1、选择合适的算法和数据结构
应该熟悉算法语言，知道各种算法的优缺点，具体资料请参见相应的参考资料，有
很多计算机书籍上都有介绍。将比较慢的顺序查找法用较快的二分查找或乱序查找
法代替，插入排序或冒泡排序法用快速排序、合并排序或根排序代替，都可以大大
提高程序执行的效率。.选择一种合适的数据结构也很重要，比如你在一堆随机存
放的数中使用了大量的插入和删除指令，那使用链表要快得多。
数组与指针语句具有十分密码的关系，一般来说，指针比较灵活简洁，而数组则比
较直观，容易理解。对于大部分的编译器，使用指针比使用数组生成的代码更短，
执行效率更高。但是在Keil中则相反，使用数组比使用的指针生成的代码更短。。

3、使用尽量小的数据类型
能够使用字符型(char)定义的变量，就不要使用整型(int)变量来定义；能够使用
整型变量定义的变量就不要用长整型(long int)，能不使用浮点型(float)变量就
不要使用浮点型变量。当然，在定义变量后不要超过变量的作用范围，如果超过变
量的范围赋值，C编译器并不报错，但程序运行结果却错了，而且这样的错误很难
发现。
在ICCAVR中，可以在Options中设定使用printf参数，尽量使用基本型参数(%c、
%d、%x、%X、%u和%s格式说明符)，少用长整型参数(%ld、%lu、%lx和%lX格式说明
符)，至于浮点型的参数(%f)则尽量不要使用，其它C编译器也一样。在其它条件不
变的情况下，使用%f参数，会使生成的代码的数量增加很多，执行速度降低。

4、使用自加、自减指令
通常使用自加、自减指令和复合赋值表达式(如a-=1及a+=1等)都能够生成高质量的
程序代码，编译器通常都能够生成inc和dec之类的指令，而使用a=a+1或a=a-1之类
的指令，有很多C编译器都会生成二到三个字节的指令。在AVR单片适用的ICCAVR、
GCCAVR、IAR等C编译器以上几种书写方式生成的代码是一样的，也能够生成高质量
的inc和dec之类的的代码。

5、减少运算的强度
可以使用运算量小但功能相同的表达式替换原来复杂的的表达式。如下：
(1)、求余运算。
a=a%8;
可以改为：
a=a&7;
说明：位操作只需一个指令周期即可完成，而大部分的C编译器的“%”运算均是调
用子程序来完成，代码长、执行速度慢。通常，只要求是求2n方的余数，均可使用
位操作的方法来代替。

(2)、平方运算
a=pow(a,2.0);
可以改为：
a=a*a;
说明：在有内置硬件乘法器的单片机中(如51系列)，乘法运算比求平方运算快得多
，因为浮点数的求平方是通过调用子程序来实现的，在自带硬件乘法器的AVR单片
机中，如ATMega163中，乘法运算只需2个时钟周期就可以完成。既使是在没有内置
硬件乘法器的AVR单片机中，乘法运算的子程序比平方运算的子程序代码短，执行
速度快。
如果是求3次方，如：
a=pow(a,3.0);
更改为：
a=a*a*a；
则效率的改善更明显。

(3)、用移位实现乘除法运算
a=a*4;
b=b/4;
可以改为：
a=a<<2;
b=b>>2;
说明：通常如果需要乘以或除以2n，都可以用移位的方法代替。在ICCAVR中，如果
乘以2n，都可以生成左移的代码，而乘以其它的整数或除以任何数，均调用乘除法
子程序。用移位的方法得到代码比调用乘除法子程序生成的代码效率高。实际上，
只要是乘以或除以一个整数，均可以用移位的方法得到结果，如：
a=a*9
可以改为：
a=(a<<3)+a

6、循环
(1)、循环语
对于一些不需要循环变量参加运算的任务可以把它们放到循环外面，这里的任务包
括表达式、函数的调用、指针运算、数组访问等，应该将没有必要执行多次的操作
全部集合在一起，放到一个init的初始化程序中进行。

(2)、延时函数：
通常使用的延时函数均采用自加的形式：
void delay (void)
{
unsigned int i;
for (i=0;i<1000;i++)
;
}
将其改为自减延时函数：
void delay (void)
{
unsigned int i;
for (i=1000;i>0;i--)
;
}
两个函数的延时效果相似，但几乎所有的C编译对后一种函数生成的代码均比前一
种代码少1~3个字节，因为几乎所有的MCU均有为0转移的指令，采用后一种方式能
够生成这类指令。
在使用while循环时也一样，使用自减指令控制循环会比使用自加指令控制循环生
成的代码更少1~3个字母。
但是在循环中有通过循环变量“i”读写数组的指令时，使用预减循环时有可能使
数组超界，要引起注意。

(3)while循环和do…while循环
用while循环时有以下两种循环形式：
unsigned int i;
i=0;
while (i<1000)
{
i++;
//用户程序
}
或：
unsigned int i;
i=1000;
do
i--;
//用户程序
while (i>0);
在这两种循环中，使用do…while循环编译后生成的代码的长度短于while循环。

7、查表
在程序中一般不进行非常复杂的运算，如浮点数的乘除及开方等，以及一些复杂的
数学模型的插补运算，对这些即消耗时间又消费资源的运算，应尽量使用查表的方
式，并且将数据表置于程序存储区。如果直接生成所需的表比较困难，也尽量在启
了，减少了程序执行过程中重复计算的工作量。

8、其它
比如使用在线汇编及将字符串和一些常量保存在程序存储器中，均有利于优化
 

-- C语言的文件操作
文件的基本概念
　　所谓“文件”是指一组相关数据的有序集合。 这个数据集有一个名称，叫做文件名。 实际上在前面的各章中我们已经多次使用了文件，例如源程序文件、目标文件、可执行文件、库文件 (头文件)等。文件通常是驻留在外部介质(如磁盘等)上的， 在使用时才调入内存中来。从不同的角度可对文件作不同的分类。从用户的角度看，文件可分为普通文件和设备文件两种。

　　普通文件是指驻留在磁盘或其它外部介质上的一个有序数据集，可以是源文件、目标文件、可执行程序； 也可以是一组待输入处理的原始数据，或者是一组输出的结果。对于源文件、目标文件、 可执行程序可以称作程序文件，对输入输出数据可称作数据文件。

　　设备文件是指与主机相联的各种外部设备，如显示器、打印机、键盘等。在操作系统中，把外部设备也看作是一个文件来进行管理，把它们的输入、输出等同于对磁盘文件的读和写。 通常把显示器定义为标准输出文件， 一般情况下在屏幕上显示有关信息就是向标准输出文件输出。如前面经常使用的printf,putchar 函数就是这类输出。键盘通常被指定标准的输入文件， 从键盘上输入就意味着从标准输入文件上输入数据。scanf,getchar函数就属于这类输入。

　　从文件编码的方式来看，文件可分为ASCII码文件和二进制码文件两种。

　　ASCII文件也称为文本文件，这种文件在磁盘中存放时每个字符对应一个字节，用于存放对应的ASCII码。例如，数5678的存储形式为：
ASC码： 　00110101 00110110 00110111 00111000
　　　　　↓ 　　　　↓　　　　↓ 　　　↓
十进制码： 5　　　　　6　　　　7　　　　8 共占用4个字节。ASCII码文件可在屏幕上按字符显示， 例如源程序文件就是ASCII文件，用DOS命令TYPE可显示文件的内容。 由于是按字符显示，因此能读懂文件内容。

　　二进制文件是按二进制的编码方式来存放文件的。 例如， 数5678的存储形式为： 00010110 00101110只占二个字节。二进制文件虽然也可在屏幕上显示， 但其内容无法读懂。C系统在处理这些文件时，并不区分类型，都看成是字符流，按字节进行处理。 输入输出字符流的开始和结束只由程序控制而不受物理符号(如回车符)的控制。 因此也把这种文件称作“流式文件”。

　　本章讨论流式文件的打开、关闭、读、写、 定位等各种操作。文件指针在Ｃ语言中用一个指针变量指向一个文件， 这个指针称为文件指针。通过文件指针就可对它所指的文件进行各种操作。 定义说明文件指针的一般形式为： FILE* 指针变量标识符； 其中FILE应为大写，它实际上是由系统定义的一个结构， 该结构中含有文件名、文件状态和文件当前位置等信息。 在编写源程序时不必关心FILE结构的细节。例如：FILE
*fp； 表示fp是指向FILE结构的指针变量，通过fp 即可找存放某个文件信息的结构变量，然后按结构变量提供的信息找到该文件， 实施对文件的操作。习惯上也笼统地把fp称为指向一个文件的指针。文件的打开与关闭文件在进行读写操作之前要先打开，使用完毕要关闭。 所谓打开文件，实际上是建立文件的各种有关信息， 并使文件指针指向该文件，以便进行其它操作。关闭文件则断开指针与文件之间的联系，也就禁止再对该文件进行操作。

　　在Ｃ语言中，文件操作都是由库函数来完成的。 在本章内将介绍主要的文件操作函数。

文件打开函数ｆｏｐｅｎ

　　fopen函数用来打开一个文件，其调用的一般形式为： 文件指针名=fopen(文件名，使用文件方式) 其中，“文件指针名”必须是被说明为FILE 类型的指针变量，“文件名”是被打开文件的文件名。 “使用文件方式”是指文件的类型和操作要求。“文件名”是字符串常量或字符串数组。例如：
FILE *fp；
fp=("file a","r");
其意义是在当前目录下打开文件file a， 只允许进行“读”操作，并使fp指向该文件。

FILE *fphzk
fphzk=("c:hzk16',"rb")
其意义是打开C驱动器磁盘的根目录下的文件hzk16， 这是一个二进制文件，只允许按二进制方式进行读操作。两个反斜线“ ”中的第一个表示转义字符，第二个表示根目录。使用文件的方式共有12种，下面给出了它们的符号和意义。
文件使用方式 　　　　　　　意 义
“rt”　　　　　　只读打开一个文本文件，只允许读数据
“wt”　　　　　　只写打开或建立一个文本文件，只允许写数据
“at”　　　　　　追加打开一个文本文件，并在文件末尾写数据
“rb”　　　　　　只读打开一个二进制文件，只允许读数据
“wb”　　　　 　 只写打开或建立一个二进制文件，只允许写数据
“ab” 　　　　 　追加打开一个二进制文件，并在文件末尾写数据
“rt+”　　　　　 读写打开一个文本文件，允许读和写
“wt+”　　　　　 读写打开或建立一个文本文件，允许读写
“at+”　　　　　 读写打开一个文本文件，允许读，或在文件末追加数 据
“rb+”　　　　　 读写打开一个二进制文件，允许读和写
“wb+”　　　　　 读写打开或建立一个二进制文件，允许读和写
“ab+” 　　　　　读写打开一个二进制文件，允许读，或在文件末追加数据

对于文件使用方式有以下几点说明：
1. 文件使用方式由r,w,a,t,b，+六个字符拼成，各字符的含义是：
r(read): 读
w(write): 写
a(append): 追加
t(text): 文本文件，可省略不写
b(banary): 二进制文件
+: 读和写

2. 凡用“r”打开一个文件时，该文件必须已经存在， 且只能从该文件读出。

3. 用“w”打开的文件只能向该文件写入。 若打开的文件不存在，则以指定的文件名建立该文件，若打开的文件已经存在，则将该文件删去，重建一个新文件。

4. 若要向一个已存在的文件追加新的信息，只能用“a ”方式打开文件。但此时该文件必须是存在的，否则将会出错。

5. 在打开一个文件时，如果出错，fopen将返回一个空指针值NULL。在程序中可以用这一信息来判别是否完成打开文件的工作，并作相应的处理。因此常用以下程序段打开文件：
if((fp=fopen("c:hzk16","rb")==NULL)
{
printf("nerror on open c:hzk16 file!");
getch();
exit(1);
}
　　这段程序的意义是，如果返回的指针为空，表示不能打开C盘根目录下的hzk16文件，则给出提示信息“error on open c: hzk16file!”，下一行getch()的功能是从键盘输入一个字符，但不在屏幕上显示。在这里，该行的作用是等待， 只有当用户从键盘敲任一键时，程序才继续执行， 因此用户可利用这个等待时间阅读出错提示。敲键后执行exit(1)退出程序。

6. 把一个文本文件读入内存时，要将ASCII码转换成二进制码， 而把文件以文本方式写入磁盘时，也要把二进制码转换成ASCII码，因此文本文件的读写要花费较多的转换时间。对二进制文件的读写不存在这种转换。

7. 标准输入文件(键盘)，标准输出文件(显示器 )，标准出错输出(出错信息)是由系统打开的，可直接使用。文件关闭函数ｆｃｌｏｓｅ文件一旦使用完毕，应用关闭文件函数把文件关闭， 以避免文件的数据丢失等错误。

fclose函数

调用的一般形式是： fclose(文件指针)； 例如：
fclose(fp); 正常完成关闭文件操作时，fclose函数返回值为0。如返回非零值则表示有错误发生。文件的读写对文件的读和写是最常用的文件操作。

在Ｃ语言中提供了多种文件读写的函数：
·字符读写函数 ：fgetc和fputc
·字符串读写函数：fgets和fputs
·数据块读写函数：freed和fwrite
·格式化读写函数：fscanf和fprinf

　　下面分别予以介绍。使用以上函数都要求包含头文件stdio.h。字符读写函数ｆｇｅｔｃ和ｆｐｕｔｃ字符读写函数是以字符(字节)为单位的读写函数。 每次可从文件读出或向文件写入一个字符。

一、读字符函数fgetc

　　fgetc函数的功能是从指定的文件中读一个字符，函数调用的形式为： 字符变量=fgetc(文件指针)； 例如：ch=fgetc(fp);其意义是从打开的文件fp中读取一个字符并送入ch中。

　　对于fgetc函数的使用有以下几点说明：
1. 在fgetc函数调用中，读取的文件必须是以读或读写方式打开的。

2. 读取字符的结果也可以不向字符变量赋值，例如：fgetc(fp);但是读出的字符不能保存。

3. 在文件内部有一个位置指针。用来指向文件的当前读写字节。在文件打开时，该指针总是指向文件的第一个字节。使用fgetc 函数后， 该位置指针将向后移动一个字节。 因此可连续多次使用fgetc函数，读取多个字符。 应注意文件指针和文件内部的位置指针不是一回事。文件指针是指向整个文件的，须在程序中定义说明，只要不重新赋值，文件指针的值是不变的。文件内部的位置指针用以指示文件内部的当前读写位置，每读写一次，该指针均向后移动，它不需在程序中定义说明，而是由系统自动设置的。

[例10.1]读入文件e10-1.c，在屏幕上输出。
#include<stdio.h>
main()
{
FILE *fp;
char ch;
if((fp=fopen("e10_1.c","rt"))==NULL)
{
printf("Cannot open file strike any key exit!");
getch();
exit(1);
}
ch=fgetc(fp);
while (ch!=EOF)
{
putchar(ch);
ch=fgetc(fp);
}
fclose(fp);
}
　　本例程序的功能是从文件中逐个读取字符，在屏幕上显示。 程序定义了文件指针fp,以读文本文件方式打开文件“e10_1.c”， 并使fp指向该文件。如打开文件出错， 给出提示并退出程序。程序第12行先读出一个字符，然后进入循环， 只要读出的字符不是文件结束标志(每个文件末有一结束标志EOF)就把该字符显示在屏幕上，再读入下一字符。每读一次，文件内部的位置指针向后移动一个字符，文件结束时，该指针指向EOF。执行本程序将显示整个文件。

二、写字符函数fputc

　　fputc函数的功能是把一个字符写入指定的文件中，函数调用的 形式为： fputc(字符量，文件指针)； 其中，待写入的字符量可以是字符常量或变量，例如：fputc('a',fp);其意义是把字符a写入fp所指向的文件中。

　　对于fputc函数的使用也要说明几点：
1. 被写入的文件可以用、写、读写，追加方式打开，用写或读写方式打开一个已存在的文件时将清除原有的文件内容，写入字符从文件首开始。如需保留原有文件内容，希望写入的字符以文件末开始存放，必须以追加方式打开文件。被写入的文件若不存在，则创建该文件。

2. 每写入一个字符，文件内部位置指针向后移动一个字节。

3. fputc函数有一个返回值，如写入成功则返回写入的字符， 否则返回一个EOF。可用此来判断写入是否成功。

[例10.2]从键盘输入一行字符，写入一个文件， 再把该文件内容读出显示在屏幕上。
#include<stdio.h>
main()
{
FILE *fp;
char ch;
if((fp=fopen("string","wt+"))==NULL)
{
printf("Cannot open file strike any key exit!");
getch();
exit(1);
}
printf("input a string:n");
ch=getchar();
while (ch!='n')
{
fputc(ch,fp);
ch=getchar();
}
rewind(fp);
ch=fgetc(fp);
while(ch!=EOF)
{
putchar(ch);
ch=fgetc(fp);
}
printf("n");
fclose(fp);
}
　　程序中第6行以读写文本文件方式打开文件string。程序第13行从键盘读入一个字符后进入循环，当读入字符不为回车符时， 则把该字符写入文件之中，然后继续从键盘读入下一字符。 每输入一个字符，文件内部位置指针向后移动一个字节。写入完毕， 该指针已指向文件末。如要把文件从头读出，须把指针移向文件头， 程序第19行rewind函数用于把fp所指文件的内部位置指针移到文件头。 第20至25行用于读出文件中的一行内容。

[例10.3]把命令行参数中的前一个文件名标识的文件， 复制到后一个文件名标识的文件中， 如命令行中只有一个文件名则把该文件写到标准输出文件(显示器)中。

#include<stdio.h>
main(int argc,char *argv[])
{
FILE *fp1,*fp2;
char ch;
if(argc==1)
{
printf("have not enter file name strike any key exit");
getch();
exit(0);
}
if((fp1=fopen(argv[1],"rt"))==NULL)
{
printf("Cannot open %sn",argv[1]);
getch();
exit(1);
}
if(argc==2) fp2=stdout;
else if((fp2=fopen(argv[2],"wt+"))==NULL)
{
printf("Cannot open %sn",argv[1]);
getch();
exit(1);
}
while((ch=fgetc(fp1))!=EOF)
fputc(ch,fp2);
fclose(fp1);
fclose(fp2);
}
　　本程序为带参的main函数。程序中定义了两个文件指针 fp1 和fp2，分别指向命令行参数中给出的文件。如命令行参数中没有给出文件名，则给出提示信息。程序第18行表示如果只给出一个文件名，则使fp2指向标准输出文件(即显示器)。程序第25行至28行用循环语句逐个读出文件1中的字符再送到文件2中。再次运行时，给出了一个文件名(由例10.2所建立的文件)， 故输出给标准输出文件stdout，即在显示器上显示文件内容。第三次运行，给出了二个文件名，因此把string中的内容读出，写入到OK之中。可用DOS命令type显示OK的内容：字符串读写函数ｆｇｅｔｓ和ｆｐｕｔｓ

一、读字符串函数fgets函数的功能是从指定的文件中读一个字符串到字符数组中，函数调用的形式为： fgets(字符数组名，n，文件指针)； 其中的n是一个正整数。表示从文件中读出的字符串不超过 n-1个字符。在读入的最后一个字符后加上串结束标志''。例如：fgets(str,n,fp);的意义是从fp所指的文件中读出n-1个字符送入字符数组str中。
[例10.4]从e10_1.c文件中读入一个含10个字符的字符串。
#include<stdio.h>
main()
{
FILE *fp;
char str[11];
if((fp=fopen("e10_1.c","rt"))==NULL)
{
printf("Cannot open file strike any key exit!");
getch();
exit(1);
}
fgets(str,11,fp);
printf("%s",str);
fclose(fp);
}
　　本例定义了一个字符数组str共11个字节，在以读文本文件方式打开文件e101.c后，从中读出10个字符送入str数组，在数组最后一个单元内将加上''，然后在屏幕上显示输出str数组。输出的十个字符正是例10.1程序的前十个字符。

　　对fgets函数有两点说明：
1. 在读出n-1个字符之前，如遇到了换行符或EOF，则读出结束。
2. fgets函数也有返回值，其返回值是字符数组的首地址。

二、写字符串函数fputs

fputs函数的功能是向指定的文件写入一个字符串，其调用形式为： fputs(字符串，文件指针) 其中字符串可以是字符串常量，也可以是字符数组名， 或指针 变量，例如：
fputs(“abcd“，fp)；
其意义是把字符串“abcd”写入fp所指的文件之中。[例10.5]在例10.2中建立的文件string中追加一个字符串。
#include<stdio.h>
main()
{
FILE *fp;
char ch,st[20];
if((fp=fopen("string","at+"))==NULL)
{
printf("Cannot open file strike any key exit!");
getch();
exit(1);
}
printf("input a string:n");
scanf("%s",st);
fputs(st,fp);
rewind(fp);
ch=fgetc(fp);
while(ch!=EOF)
{
putchar(ch);
ch=fgetc(fp);
}
printf("n");
fclose(fp);
}
　　本例要求在string文件末加写字符串，因此，在程序第6行以追加读写文本文件的方式打开文件string 。 然后输入字符串， 并用fputs函数把该串写入文件string。在程序15行用rewind函数把文件内部位置指针移到文件首。 再进入循环逐个显示当前文件中的全部内容。

数据块读写函数ｆｒｅａｄ和ｆｗｒｉｔｅ

　　Ｃ语言还提供了用于整块数据的读写函数。 可用来读写一组数据，如一个数组元素，一个结构变量的值等。读数据块函数调用的一般形式为： fread(buffer,size,count,fp); 写数据块函数调用的一般形式为： fwrite(buffer,size,count,fp); 其中buffer是一个指针，在fread函数中，它表示存放输入数据的首地址。在fwrite函数中，它表示存放输出数据的首地址。
size 表示数据块的字节数。count 表示要读写的数据块块数。fp 表示文件指针。
例如：
fread(fa,4,5,fp); 其意义是从fp所指的文件中，每次读4个字节(一个实数)送入实数组fa中，连续读5次，即读5个实数到fa中。
[例10.6]从键盘输入两个学生数据，写入一个文件中， 再读出这两个学生的数据显示在屏幕上。
#include<stdio.h>
struct stu
{
char name[10];
int num;
int age;
char addr[15];
}boya[2],boyb[2],*pp,*qq;
main()
{
FILE *fp;
char ch;
int i;
pp=boya;
qq=boyb;
if((fp=fopen("stu_list","wb+"))==NULL)
{
printf("Cannot open file strike any key exit!");
getch();
exit(1);
}
printf("ninput datan");
for(i=0;i<2;i++,pp++)
scanf("%s%d%d%s",pp->name,&pp->num,&pp->age,pp->addr);
pp=boya;
fwrite(pp,sizeof(struct stu),2,fp);
rewind(fp);
fread(qq,sizeof(struct stu),2,fp);
printf("nnnametnumber age addrn");
for(i=0;i<2;i++,qq++)
printf("%st%5d%7d%sn",qq->name,qq->num,qq->age,qq->addr);
fclose(fp);
}
　　本例程序定义了一个结构stu,说明了两个结构数组boya和 boyb以及两个结构指针变量pp和qq。pp指向boya,qq指向boyb。程序第16行以读写方式打开二进制文件“stu_list”，输入二个学生数据之后，写入该文件中， 然后把文件内部位置指针移到文件首，读出两块学生数据后，在屏幕上显示。

格式化读写函数ｆｓｃａｎｆ和ｆｐｒｉｎｔｆ

fscanf函数，fprintf函数与前面使用的scanf和printf 函数的功能相似，都是格式化读写函数。 两者的区别在于 fscanf 函数和fprintf函数的读写对象不是键盘和显示器，而是磁盘文件。这两个函数的调用格式为： fscanf(文件指针，格式字符串，输入表列)； fprintf(文件指针，格式字符串，输出表列)； 例如：
fscanf(fp,"%d%s",&i,s);
fprintf(fp,"%d%c",j,ch);
用fscanf和fprintf函数也可以完成例10.6的问题。修改后的程序如例10.7所示。
[例10.7]
#include<stdio.h>
struct stu
{
char name[10];
int num;
int age;
char addr[15];
}boya[2],boyb[2],*pp,*qq;
main()
{
FILE *fp;
char ch;
int i;
pp=boya;
qq=boyb;
if((fp=fopen("stu_list","wb+"))==NULL)
{
printf("Cannot open file strike any key exit!");
getch();
exit(1);
}
printf("ninput datan");
for(i=0;i<2;i++,pp++)
scanf("%s%d%d%s",pp->name,&pp->num,&pp->age,pp->addr);
pp=boya;
for(i=0;i<2;i++,pp++)
fprintf(fp,"%s %d %d %sn",pp->name,pp->num,pp->age,pp->
addr);
rewind(fp);
for(i=0;i<2;i++,qq++)
fscanf(fp,"%s %d %d %sn",qq->name,&qq->num,&qq->age,qq->addr);
printf("nnnametnumber age addrn");
qq=boyb;
for(i=0;i<2;i++,qq++)
printf("%st%5d %7d %sn",qq->name,qq->num, qq->age,
qq->addr);
fclose(fp);
}
　　与例10.6相比，本程序中fscanf和fprintf函数每次只能读写一个结构数组元素，因此采用了循环语句来读写全部数组元素。 还要注意指针变量pp,qq由于循环改变了它们的值，因此在程序的25和32行分别对它们重新赋予了数组的首地址。

文件的随机读写

　　前面介绍的对文件的读写方式都是顺序读写， 即读写文件只能从头开始，顺序读写各个数据。 但在实际问题中常要求只读写文件中某一指定的部分。 为了解决这个问题可移动文件内部的位置指针到需要读写的位置，再进行读写，这种读写称为随机读写。 实现随机读写的关键是要按要求移动位置指针，这称为文件的定位。文件定位移动文件内部位置指针的函数主要有两个， 即 rewind 函数和fseek函数。

　　rewind函数前面已多次使用过，其调用形式为： rewind(文件指针)； 它的功能是把文件内部的位置指针移到文件首。 下面主要介绍
fseek函数。

　　fseek函数用来移动文件内部位置指针，其调用形式为： fseek(文件指针，位移量，起始点)； 其中：“文件指针”指向被移动的文件。 “位移量”表示移动的字节数，要求位移量是long型数据，以便在文件长度大于64KB 时不会出错。当用常量表示位移量时，要求加后缀“L”。“起始点”表示从何处开始计算位移量，规定的起始点有三种：文件首，当前位置和文件尾。

其表示方法如表10.2。
起始点 　　　表示符号 　　　数字表示
——————————————————————————
文件首 　　　SEEK—SET　　　　0
当前位置 　　SEEK—CUR　　　　1
文件末尾 　　SEEK—END 　　　 2
例如：
fseek(fp,100L,0);其意义是把位置指针移到离文件首100个字节处。还要说明的是fseek函数一般用于二进制文件。在文本文件中由于要进行转换，故往往计算的位置会出现错误。文件的随机读写在移动位置指针之后， 即可用前面介绍的任一种读写函数进行读写。由于一般是读写一个数据据块，因此常用fread和fwrite函数。下面用例题来说明文件的随机读写。

[例10.8]在学生文件stu list中读出第二个学生的数据。
#include<stdio.h>
struct stu
{
char name[10];
int num;
int age;
char addr[15];
}boy,*qq;
main()
{
FILE *fp;
char ch;
int i=1;
qq=&boy;
if((fp=fopen("stu_list","rb"))==NULL)
{
printf("Cannot open file strike any key exit!");
getch();
exit(1);
}
rewind(fp);
fseek(fp,i*sizeof(struct stu),0);
fread(qq,sizeof(struct stu),1,fp);
printf("nnnametnumber age addrn");
printf("%st%5d %7d %sn",qq->name,qq->num,qq->age,
qq->addr);
}
　　文件stu_list已由例10.6的程序建立，本程序用随机读出的方法读出第二个学生的数据。程序中定义boy为stu类型变量，qq为指向boy的指针。以读二进制文件方式打开文件，程序第22行移动文件位置指针。其中的i值为1，表示从文件头开始，移动一个stu类型的长度， 然后再读出的数据即为第二个学生的数据。

文件检测函数

Ｃ语言中常用的文件检测函数有以下几个。
一、文件结束检测函数feof函数调用格式： feof(文件指针)；
功能：判断文件是否处于文件结束位置，如文件结束，则返回值为1，否则为0。

二、读写文件出错检测函数ferror函数调用格式： ferror(文件指针)；

功能：检查文件在用各种输入输出函数进行读写时是否出错。 如ferror返回值为0表示未出错，否则表示有错。

三、文件出错标志和文件结束标志置0函数clearerr函数调用格式： clearerr(文件指针);

功能：本函数用于清除出错标志和文件结束标志，使它们为0值。

Ｃ库文件

Ｃ系统提供了丰富的系统文件，称为库文件，C的库文件分为两类，一类是扩展名为".h"的文件，称为头文件， 在前面的包含命令中我们已多次使用过。在".h"文件中包含了常量定义、 类型定义、宏定义、函数原型以及各种编译选择设置等信息。另一类是函数库，包括了各种函数的目标代码，供用户在程序中调用。 通常在程序中调用一个库函数时，要在调用之前包含该函数原型所在的".h" 文件。
在附录中给出了全部库函数。
ALLOC.H 　　　说明内存管理函数(分配、释放等)。
ASSERT.H 　 　定义 assert调试宏。
BIOS.H 　　 　说明调用IBM—PC ROM BIOS子程序的各个函数。
CONIO.H 　　　说明调用DOS控制台I/O子程序的各个函数。
CTYPE.H 　　　包含有关字符分类及转换的名类信息(如 isalpha和toascii等)。
DIR.H 　　　　包含有关目录和路径的结构、宏定义和函数。
DOS.H 　　　　定义和说明MSDOS和8086调用的一些常量和函数。
ERRON.H 　　　定义错误代码的助记符。
FCNTL.H 　　　定义在与open库子程序连接时的符号常量。
FLOAT.H 　　　包含有关浮点运算的一些参数和函数。
GRAPHICS.H 　 说明有关图形功能的各个函数，图形错误代码的常量定义，正对不同驱动程序的各种颜色值，及函数用到的一些特殊结构。
IO.H 　　　　 包含低级I/O子程序的结构和说明。
LIMIT.H 　　　包含各环境参数、编译时间限制、数的范围等信息。