C語言檔案操作完整指南｜從基礎到進階，適合初學者的解說

1. 前言

檔案操作的重要性

• 日誌資料的保存 程式的運作紀錄與錯誤資訊會被記錄，之後可供分析。
• 設定檔的管理 將使用者可變更的設定儲存於外部檔案，程式啟動時讀取。
• 類似資料庫的使用 以檔案方式進行小規模資料的保存與管理。

本文的目的

目標讀者

• 剛開始學習 C 語言的初學者
• 想了解檔案操作基礎的人
• 預計在程式中需要資料保存與讀寫的人

2. 檔案操作的基本概念

檔案是什麼

1. 文字檔

• 以人類易於閱讀的格式記錄資料的檔案。
• 例如：.txt、.csv 等。
• 文字檔可以以行為單位儲存文字、數字、符號等。

1. 二進位檔

• 以電腦易於處理的格式記錄資料的檔案。
• 例如：.bin、.dat、影像檔（例如：.jpg、.png）等。
• 二進位檔不僅儲存文字，還可保存數值、影像資料等各種形式的資訊。

文字檔與二進位檔的差異

在 C 語言中進行檔案操作所需的準備

標準標頭檔 <stdio.h>

• fopen: 開啟檔案。
• fclose: 關閉檔案。
• fprintf: 寫入檔案。
• fscanf: 從檔案讀取。
• fread / fwrite: 操作二進位資料。

檔案指標

FILE *fp;

檔案模式

總結

3. 檔案的開啟與關閉

開啟檔案：fopen 函式

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

參數說明

• filename：以字串指定檔名。例如："example.txt"
• mode：指定檔案的使用模式。例如："r"（唯讀）、"w"（唯寫）等。

返回值

• 若成功開啟檔案，會回傳 FILE 型別的指標。
• 若無法開啟檔案，會回傳 NULL。此時需要進行錯誤處理。

基本使用範例：開啟檔案

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file;

    // 開啟檔案
    file = fopen("example.txt", "r");

    // 檢查檔案是否成功開啟
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    printf("檔案已成功開啟。\n");

    // 關閉檔案
    fclose(file);

    return 0;
}

• 若檔案未能正確開啟，會顯示錯誤訊息並結束程式。
• 檔案操作結束後，務必使用 fclose 函式關閉檔案。

檔案模式的種類

關閉檔案：fclose 函式

• 記憶體洩漏（檔案指標未被釋放）
• 資料寫入未完成
• 系統資源浪費

基本語法

int fclose(FILE *stream);

返回值

• 若檔案正常關閉，會回傳 0。
• 若發生錯誤，會回傳 EOF。

範例：關閉檔案

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file;

    // 開啟檔案
    file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    // 檔案操作（省略）

    // 關閉檔案
    if (fclose(file) == 0) {
        printf("檔案已成功關閉。\n");
    } else {
        printf("關閉檔案時發生錯誤。\n");
    }

    return 0;
}

• 透過檢查 fclose 函式的返回值，可判斷檔案是否正常關閉。

錯誤檢查的重要性

主要錯誤原因

• 指定的檔案不存在（"r" 模式）
• 沒有寫入權限
• 檔名錯誤

錯誤處理範例

if (file == NULL) {
    perror("檔案開啟錯誤");
    return 1;
}

總結

• fopen 函式用於開啟檔案，fclose 函式用於關閉檔案。
• 正確指定檔案模式，並依操作需求選擇適當模式。
• 加入錯誤處理，可提升檔案操作的安全性與可靠性。

4. 寫入檔案

檔案寫入的基本

1. 開啟檔案（使用 fopen 函式） 若要寫入，模式需指定為 "w"（寫入專用）或 "a"（追加專用）。
2. 使用寫入函式將資料保存至檔案。
3. 寫入完成後，使用 fclose 函式關閉檔案。

寫入函式的種類

1. fprintf 函式

int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);

• stream：寫入目標的檔案指標。
• format：格式指定字串（例如 %d、%s 等）。
• 返回值：回傳成功寫入的字元數。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("output.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        printf("檔案無法開啟。
");
        return 1;
    }

    fprintf(file, "姓名: %sn年齡: %dn", "山田太郎", 25);
    fclose(file);

    printf("資料已成功寫入。
");
    return 0;
}

2. fputs 函式

int fputs(const char *str, FILE *stream);

• str：要寫入的字串。
• stream：寫入目標的檔案指標。
• 返回值：成功時返回非 0，失敗時返回 EOF。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("output.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        printf("檔案無法開啟。
");
        return 1;
    }

    fputs("你好，世界！n", file);
    fclose(file);

    printf("字串已成功寫入。
");
    return 0;
}

3. fputc 函式

int fputc(int char, FILE *stream);

• char：要寫入的字元（以 ASCII 值指定）。
• stream：寫入目標的檔案指標。
• 返回值：成功時返回寫入的字元，失敗時返回 EOF。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("output.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        printf("檔案無法開啟。
");
        return 1;
    }

    fputc('H', file);
    fputc('e', file);
    fputc('l', file);
    fputc('l', file);
    fputc('o', file);
    fclose(file);

    printf("字元已成功寫入。
");
    return 0;
}

檔案模式與寫入

1. "w" 模式

• 若檔案不存在，會新建檔案。
• 若檔案已存在，會覆寫現有資料。

1. "a" 模式

• 若檔案不存在，會新建檔案。
• 若檔案已存在，會保留現有資料，並在末尾追加新資料。

注意事項：寫入錯誤的處理

if (fprintf(file, "測試資料n") < 0) {
    printf("寫入過程中發生錯誤。
");
}

實作範例：簡易日誌檔案建立程式

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("log.txt", "a");
    if (file == NULL) {
        printf("日誌檔案無法開啟。
");
        return 1;
    }

    time_t now = time(NULL);
    fprintf(file, "日誌記錄: %s", ctime(&now));

    fclose(file);
    printf("日誌已成功記錄。
");
    return 0;
}

總結

• 檔案寫入可使用 fprintf、fputs、fputc 等函式。
• 適當指定檔案模式（"w" 或 "a"），以實現符合需求的行為。
• 加入錯誤處理，可提升檔案操作的安全性。

5. 從檔案讀取

檔案讀取的基本

1. 開啟檔案（使用 fopen 函式） 讀取時，模式指定為 "r"（唯讀）。
2. 使用讀取函式取得資料。
3. 讀取結束後，使用 fclose 函式關閉檔案。

讀取函式的種類

1. fscanf 函式

int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);

• stream：要讀取的檔案指標。
• format：讀取格式（例如 %d、%s）。
• 返回值：回傳成功讀取的項目數。失敗時回傳 EOF。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("data.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    char name[50];
    int age;

    fscanf(file, "%s %d", name, &age);
    printf("姓名: %s, 年齡 %dn", name, age);

    fclose(file);
    return 0;
}

2. fgets 函式

char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);

• str：存放讀取資料的陣列。
• n：最大讀取字元數（不超過 str 的大小）。
• stream：要讀取的檔案指標。
• 返回值成功時回傳 str，失敗或 EOF 時回傳 NULL。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("data.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    char line[100];

    while (fgets(line, sizeof(line), file) != NULL) {
        printf("%s", line);
    }

    fclose(file);
    return 0;
}

3. fgetc 函式

int fgetc(FILE *stream);

• stream：要讀取的檔案指標。
• 返回值：回傳讀取的字元（ASCII 值）。失敗或 EOF 時回傳 <>EOF。

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("data.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    int c;
    while ((c = fgetc(file)) != EOF) {
        putchar(c);
    }

    fclose(file);
    return 0;
}

EOF（End Of File）的處理

int c;
while ((c = fgetc(file)) != EOF) {
    putchar(c);
}

• EOF 通常定義為 -1，但在程式中建議直接與 EOF 比較。

實作範例：讀取設定檔

username admin
password 12345

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("config.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟設定檔。\n");
        return 1;
    }

    char key[50], value[50];
    while (fscanf(file, "%s %s", key, value) != EOF) {
        printf("%s: %sn", key, value);
    }

    fclose(file);
    return 0;
}

username: admin
password: 12345

總結

• 從檔案讀取資料時，依需求使用 fscanf、fgets、fgetc 等函式。
• 讀取檔案時，確認 EOF 以正確處理資料是很重要的。
• 在實務上，可應用於讀取設定檔或日誌檔等。

6. 二進位檔案的操作

什麼是二進位檔案？

1. 高效的資料儲存 在二進位格式中，資料會直接保存，因此比文字格式更有效率地儲存資料。
2. 高度的通用性 用於影像檔、音訊檔、壓縮檔等各種格式。
3. 對人類不可讀的格式 若直接用文字編輯器開啟已保存的資料，通常會看到亂碼。

操作二進位檔案的主要函式

1. fread 函式

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream);

• ptr：存放讀取資料的指標。
• size：單一資料的大小（以位元組為單位）。
• count：要讀取的資料數量。
• stream：要讀取的檔案指標。

2. fwrite 函式

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t count, FILE *stream);

• ptr：指向要寫入資料的指標。
• size：單一資料的大小（以位元組為單位）。
• count：要寫入的資料數量。
• stream：寫入目標的檔案指標。

以二進位模式開啟檔案

• "rb"：二進位唯讀。
• "wb"：二進位唯寫。
• "ab"：二進位追加寫入。

範例：以二進位格式儲存數值資料

寫入資料的程式

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("data.bin", "wb");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    int numbers[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    size_t size = sizeof(numbers) / sizeof(numbers[0]);

    fwrite(numbers, sizeof(int), size, file);

    fclose(file);
    printf("資料已以二進位格式儲存。\n");
    return 0;
}

讀取資料的程式

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("data.bin", "rb");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    int numbers[5];
    fread(numbers, sizeof(int), 5, file);

    printf("讀取的資料: ");
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", numbers[i]);
    }

    fclose(file);
    return 0;
}

讀取的資料: 1 2 3 4 5

二進位檔案操作的注意事項

1. 資料大小的一致性 使用 fread 或 fwrite 時，指定正確的大小非常重要。若指定錯誤的大小，會導致資料讀寫失敗。
2. 錯誤檢查 若在檔案操作過程中發生錯誤，可使用 ferror 函式檢查錯誤狀態。
3. 資料的可移植性 以二進位格式保存的檔案在不同平台間可能不相容。特別需要注意位元組序（大端序與小端序）的差異。

實作範例：結構體資料的儲存與讀取

儲存結構體的程式

#include <stdio.h>

typedef struct {
    char name[50];
    int age;
    float salary;
} Employee;

int main() {
    FILE *file = fopen("employee.bin", "wb");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    Employee emp = {"山田太郎", 30, 450000.0};
    fwrite(&emp, sizeof(Employee), 1, file);

    fclose(file);
    printf("已儲存員工資料。\n");
    return 0;
}

讀取結構體的程式

#include <stdio.h>

typedef struct {
    char name[50];
    int age;
    float salary;
} Employee;

int main() {
    FILE *file = fopen("employee.bin", "rb");
    if (file == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    Employee emp;
    fread(&emp, sizeof(Employee), 1, file);

    printf("姓名: %sn年齡: %dn薪資: %.2fn", emp.name, emp.age, emp.salary);

    fclose(file);
    return 0;
}

姓名: 山田太郎
年齡: 30
薪資: 450000.00

總結

• 二進位檔案能有效率地儲存資料，並使用 fread 與 fwrite 進行操作。
• 在檔案模式中指定code>”b” 以二進位模式開啟檔案。
• 注意資料大小與錯誤檢查，確保正確的檔案操作。

7. 錯誤處理

檔案操作中常見的主要錯誤

1. 無法開啟檔案

• 原因：檔案不存在、路徑錯誤，或是權限不足。
• 解決方法：檢查 fopen 的返回值以處理錯誤。

1. 寫入或讀取錯誤

• 原因：磁碟空間不足，或檔案被設為唯讀。
• 解決方法：在寫入或讀取操作後檢查錯誤。

1. 檔案已達結尾（EOF）

• 原因：已讀取至檔案末端。
• 解決方法：正確處理 EOF。

1. 檔案指標的錯誤使用

• 原因：檔案指標無效或已被關閉。
• 解決方法：確認指標是否為 NULL。

錯誤偵測的基本方法

1. 確認 fopen 函式的返回值

FILE *file = fopen("nonexistent.txt", "r");
if (file == NULL) {
    perror("檔案開啟錯誤");
    return 1;
}

• perror 函式會輸出剛發生的錯誤的詳細說明。

2. 確認寫入與讀取錯誤

size_t written = fwrite(data, sizeof(int), 5, file);
if (written < 5) {
    printf("資料寫入錯誤發生。\n");
}

size_t read = fread(data, sizeof(int), 5, file);
if (read < 5) {
    if (feof(file)) {
        printf("已到達檔案結尾。\n");
    } else if (ferror(file)) {
        printf("讀取時發生錯誤。\n");
    }
}

3. 使用 feof 函式與 ferror 函式

• feof 函式 確認檔案是否已達結尾。 返回值：若已達結尾則返回非零值。
• ferror 函式 確認檔案操作過程中是否發生錯誤。 返回值：若發生錯誤則返回非零值。

int c;
while ((c = fgetc(file)) != EOF) {
    putchar(c);
}

if (feof(file)) {
    printf("已到達檔案結尾。\n");
} else if (ferror(file)) {
    printf("檔案讀取時發生錯誤。\n");
}

錯誤處理的最佳實踐

1. 盡早進行錯誤處理 在開啟檔案階段偵測錯誤，避免影響後續程式執行。
2. 顯示詳細的錯誤訊息 讓使用者或開發者更容易定位問題，清楚傳達錯誤內容。
3. 確保資源正確釋放 即使發生錯誤，也要適當關閉已開啟的檔案。

FILE *file = fopen("example.txt", "r");
if (file == NULL) {
    perror("檔案開啟錯誤");
    return 1;
}

// 檔案操作（省略）

if (fclose(file) != 0) {
    printf("檔案關閉錯誤發生。\n");
}

實作範例：安全的檔案讀取程式

#include 

int main() {
    FILE *file = fopen("data.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("檔案開啟錯誤");
        return 1;
    }

    char buffer[100];
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
        printf("%s", buffer);
    }

    if (feof(file)) {
        printf("\n正常讀取檔案。\n");
    } else if (ferror(file)) {
        printf("\n讀取時發生錯誤。\n");
    }

    fclose(file);
    return 0;
}

總結

• 在檔案操作過程中的錯誤，可透過檢查 fopen、fwrite、fread 等函式的返回值來偵測。
• 使用 feof 與 ferror 來詳細確認檔案狀態。
• 適當實作錯誤處理，可提升程式的可靠性與穩定性。

8. 應用

多檔案同時操作

範例：同時操作日誌檔與錯誤檔

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *logFile = fopen("log.txt", "w");
    FILE *errorFile = fopen("error.txt", "w");

    if (logFile == NULL || errorFile == NULL) {
        printf("無法開啟檔案。\n");
        return 1;
    }

    fprintf(logFile, "日誌: 程式正常執行。\n");
    fprintf(errorFile, "錯誤: 偵測到未預期的輸入。\n");

    fclose(logFile);
    fclose(errorFile);

    printf("已記錄日誌與錯誤。\n");
    return 0;
}

• 利用多個FILE指標，將不同目的的資料分別儲存於不同檔案。
• 確保所有開啟的檔案都能正確關閉。

暫存檔的使用

使用 tmpfile 函式建立暫存檔

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *tempFile = tmpfile();
    if (tempFile == NULL) {
        printf("無法建立暫存檔。\n");
        return 1;
    }

    fprintf(tempFile, "此資料暫時保存。\n");

    // 讀取暫存檔內容
    rewind(tempFile);
    char buffer[100];
    fgets(buffer, sizeof(buffer), tempFile);
    printf("暫存檔內容: %s", buffer);

    // 暫存檔會自動刪除
    fclose(tempFile);

    return 0;
}

• 若要重新利用暫存檔內容，請使用rewind函式將檔案指標移回開頭。
• 檔案會在程式結束時自動刪除，無需手動刪除。

檔案的重新命名與刪除

rename 函式：檔名變更

int rename(const char *oldname, const char *newname);

• oldname：變更前的檔名。
• newname：變更後的檔名。
• 返回值：成功時返回 0，失敗時返回非零值。

#include <stdio.h>

int main() {
    if (rename("oldfile.txt", "newfile.txt") == 0) {
        printf("已變更檔名。\n");
    } else {
        printf("檔名變更失敗。\n");
    }

    return 0;
}

remove 函式：檔案刪除

int remove(const char *filename);

• filename：要刪除的檔名。
• 返回值：成功時返回 0，失敗時返回非零值。

#include <stdio.h>

int main() {
    if (remove("unnecessary.txt") == 0) {
        printf("已刪除檔案。\n");
    } else {
        printf("檔案刪除失敗。\n");
    }

    return 0;
}

• 建議在變更或刪除檔名之前，先確認檔案是否存在。
• 若刪除或重新命名失敗，請檢查錯誤原因。

實作範例：檔案管理工具

#include <stdio.h>

int main() {
    // 變更檔名
    if (rename("tempfile.txt", "finalfile.txt") == 0) {
        printf("已將檔名變更為 'finalfile.txt'。\n");
    } else {
        printf("檔名變更失敗。\n");
    }

    // 刪除檔案
    if (remove("finalfile.txt") == 0) {
        printf("已刪除檔案 'finalfile.txt'。\n");
    } else {
        printf("檔案刪除失敗。\n");
    }

    return 0;
}

總結

• 同時操作多個檔案，可構建更複雜的程式。
• 使用暫存檔可提升安全性與效率。
• 使用 rename 與 remove，即可輕鬆管理檔案。

9. FAQ（常見問題）

Q1: fopen函式無法開啟檔案的原因是什麼？

1. 檔案不存在（在 "r" 模式下）。
2. 檔案路徑錯誤。
3. 沒有讀取或寫入的權限。
4. 磁碟空間不足。

• 請確認檔案名稱與路徑。
• 若檔案不存在，請使用 "w" 模式或 "a" 模式新建。
• 檢查檔案權限，並賦予適當的權限。

Q2: "w" 模式與 "a" 模式的差異是什麼？

• "w" 模式（僅寫入）
• 若檔案已存在，其內容將全部被刪除。
• 若檔案不存在，將會新建。
• "a" 模式（僅追加）
• 若檔案已存在，保留原有內容，新的資料會被追加至尾端。
• 若檔案不存在，將會新建。

Q3: 文字檔與二進位檔的差異是什麼？

Q4: 若在檔案操作過程中發生錯誤，該如何處理？

1. 檔案指標的確認： 開檔時確認 fopen 是否未返回 NULL。
2. 錯誤訊息的顯示： 使用 perror 函式顯示詳細錯誤資訊。
3. 活用 ferror 與 feof： 在讀寫過程中若發生錯誤，使用這些函式檢查狀態。

Q5: 若不關閉檔案會發生什麼情況？

• 資料可能無法正確保存。
• 已開啟的檔案若未關閉，會導致記憶體洩漏或資源不足。
• 特別是程式同時開啟多個檔案時，未關閉的檔案增多會增加系統負荷。

• 務必使用 fclose 函式，並加入錯誤處理。

Q6: 在讀寫二進位檔時需注意哪些事項？

• 資料大小： 使用 fread 或 fwrite 時，正確設定資料大小。
• 位元組順序的差異： 在不同平台間使用二進位檔時，請注意位元組順序（大端序與小端序）的差異。
• 資料完整性： 正確開關檔案，避免資料遺失。

Q7: EOF（檔案結尾）是什麼？

• fgetc
• fgets
• fscanf

int c;
while ((c = fgetc(file)) != EOF) {
    putchar(c);
}

Q8: 如何有效學習 C 語言的檔案操作？

• 紮實學習基礎： 掌握 fopen、fclose、fprintf、fscanf 等基本函式的使用方法。
• 實作專案： 透過保存日誌檔或建立簡易資料庫等小型專案，深化理解。

總結

• 在 FAQ 章節中，我們全面說明了關於 C 語言檔案操作的常見問題。
• 請學習從基本操作到錯誤處理的實用知識。
• 若有不明之處，請先參考文件或參考手冊。

10. 總結

重點回顧

1. 基本概念

• 檔案分為文字格式與二進位格式，各自用途不同。
• 在 C 語言進行檔案操作時，使用 <stdio.h> 標頭檔。

2. 檔案操作的基本

• 使用 fopen 函式開啟檔案，選擇適當的模式（例如："r", "w"）。
• 開啟檔案後，必須使用 fclose 函式關閉。

3. 寫入與讀取

• 寫入時，使用 fprintf 或 fputs 等將資料保存。
• 讀取時，使用 fscanf 或 fgets 從檔案取得資料。

4. 二進位檔案操作

• 在二進位檔案中，使用 fread 與 fwrite 高效地讀寫資料。
• 透過保存與讀取結構體，可處理複雜的資料結構。

5. 錯誤處理

• 考慮檔案操作中可能發生錯誤，加入使用 ferror 或 feof 的錯誤處理。

6. 應用操作

• 熟練同時操作多個檔案、使用暫存檔、檔案重新命名與刪除等應用技巧，即可構建更實務的程式。

對下一步的建議

1. CSV 與 JSON 檔案的操作

• 根據檔案格式建立對應的解析器，實作資料的讀寫。
• 例：將學生成績資料保存為 CSV 檔案，讀取後進行分析。

1. 加強錯誤處理

• 建立記錄檔案操作錯誤的日誌系統，提高程式的可靠性。

1. 多執行緒環境下的檔案操作

• 學習在多執行緒中安全操作檔案的方法。

1. 利用檔案操作的專案開發

• 開發實務程式，深化檔案操作技能。
• 例：簡易資料庫、設定管理工具、日誌收集程式等。

最後