【转】一个问题引发的"血案" 之 文件的读写原理（fread, fwrite, fflush）

代码很简单：
以rb+形式打开一个已存在的文件（文件内容是abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
），然后随便读几个字节，然后直接调fwrite，返回值是正确的，但是fclose后，双击打开文件，文件内容没变。

反之，以rb+形式打开一个已存在的文件（文件内容也是abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
），随便写几个字节（写了hello world），然后直接调fread，只读出了ﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍ，而且fclose后，双击打开文件，文件内容变成hello worldﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍvwxyz

但是在fread和fwrite之间调一下fseek，读写内容就都对了，请问高手，这为什么呢？
fread和fwrite为什么不能连续调用？

具体代码如下：

1. #include <stdio.h>
3. int main()
4. {
5.     FILE *testFile = NULL;
6.     int ret = 0;
7.     char string[200] = {""};
9.     testFile=fopen("test1.txt", "rb+"); //test1.txt的内容是abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
10.     if(testFile == NULL)
11.     {
12.         return 0;
13.     }
14.     ret = fread(string, 1, 10, testFile);
15.     //ret = fseek(testFile, 0, SEEK_CUR);
16.     ret = fwrite("hello world", 1, 11, testFile);
17.     fclose(testFile); //test1.txt的内容还是abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
18.     //如果fread和fwrite之间调用了fseek，文件内容变成abcdefghijhello worldvwxyz
20.     testFile=fopen("test2.txt", "rb+"); //test2.txt的内容也是abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
21.     if(testFile == NULL)
22.     {
23.         return 0;
24.     }
25.     ret = fwrite("hello world", 1, 11, testFile);
26.     //ret = fseek(testFile, 0, SEEK_CUR);
27.     ret = fread(string, 1, 10, testFile);
28.     fclose(testFile); //test2.txt的内容变成hello worldﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍvwxyz
29.     //如果fread和fwrite之间调用了fseek，文件内容变成hello worldlmnopqrstuvwxyz
31.     return 0;
32. }

问题原帖在这里，感觉原帖下面的答案讲的不是很详细和准确，求大神解答！

评论 (0) • 分享 • 链接 • 2012-12-08　 9个答案 票 数 

• kenvi 50

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• 最佳答案

这个问题非常好，我仔细看了一下flush.c，fwrite.c和fread.c找到了原因。

首先，我们得了解应用程序和文件直接数据的交互是通过缓存来实现的，fread和fwrite操作的数据都是缓存（如果设置了缓存的话）里的数据。那么数据交互的模型如下所示：

然后，我们再看看fread,fwrite,fflush是如何来实现这个交互的过程呢。这三者对文件的操作都是通过FILE结构来进行的，我们先看看FILE的结构：

1. struct _iobuf {
2.         char *_ptr;//文件缓存的当前位置
3.         int   _cnt;//缓存里可以读取的字节数
4.         char *_base;//文件缓存的起始位置
5.         int   _flag;
6.         int   _file;
7.         int   _charbuf;
8.         int   _bufsiz;//缓存大小
9.         char *_tmpfname;
10.         };
11. typedef struct _iobuf FILE;

以上代码来自http://www.codeforge.com/read/90183/STDIO.H__html
这里是VC里的实现，不同的实现可能会有所差别，但是因为是标准IO，基本上是大同小异。

上面只是简单标注了几个重要的变量的意义。下面我来解释一下这几个变量：

• FILE：这个结构其实包含的是文件信息（_flag,_file_,_tmpfname）和缓存信息（_ptr,_cnt,_base,_charbuf,_bufsiz)。
• _ptr：它指的是当前操作的位置
• _base：文件缓存的起始位置
• bufsiz：缓存的大小

下面用图表示一下这几个变量：
当打开一个文件，并进行读取时，会先从磁盘读取一部分数据到缓存里，这时候_base指向缓存的起始地址，_ptr会根据读取的数量进行移动，_cnt则根据读取的数量进行减少。

这里只是一个简化的流程，具体参考fread.c代码http://www.codeforge.com/read/90183/FREAD.C__html

当打开一个文件，并进行写操作时，会先分配一块缓存，这时候_base指向缓存的起始地址，_ptr会根据写入缓存的数量进行移动。

这里只是一个简化的流程，具体参考fwrite.c代码http://www.codeforge.com/read/90183/FWRITE.C__html

我们再看看fflush的操作

1.  if ((stream->_flag & (_IOREAD | _IOWRT)) == _IOWRT && bigbuf(stream)
2.                 && (nchar = stream->_ptr - stream->_base) > 0)
3.         {
4.                 if ( _write(_fileno(stream), stream->_base, nchar) == nchar ) {
5.                         /* if this is a read/write file, clear _IOWRT so that
6.                          * next operation can be a read
7.                          */
8.                         if ( _IORW & stream->_flag )
9.                                 stream->_flag &= ~_IOWRT;
10.                 }
11.                 else {
12.                         stream->_flag |= _IOERR;
13.                         rc = EOF;
14.                 }
15.         }
17.         stream->_ptr = stream->_base;
18.         stream->_cnt = 0;

代码参考http://www.codeforge.com/read/90183/FFLUSH.C__html
这里做了两件事：

• 把缓存里的输入写入文件，_write系统调用，写入的数据为缓存里[_base,_ptr]之间的数据
• 设置_ptr和_cnt：stream->_ptr = stream->_base;stream->_cnt = 0;

也就是说，flush除了写入文件外，它还把_ptr的位置重新设置到缓存的开始处了。
也就是说，上面程序的问题在于_ptr的值，这里可以简单验证一下，把ret = fseek(testFile,0, SEEK_CUR);替换成stream->_ptr = stream->_base也可以得到正确的结果。

那么，为什么问题是出现在_ptr上呢？下面来怎对上面的代码进行分析：
我给你上面的代码画了一个图，和上面两幅图略有不同

可以看到，在调用一次fwrite和一次fread后，_ptr指针的位置距离_base为21(11+10)。那么，最后的close在flush的时候会把[_base,_ptr]之间的内容输入到文件中对应的位置。也就是说fwrite写入的hello world和fread调用导致_ptr移动的部分数据也被写入到文件了，这样就导致覆盖了文件里的部分数据。

那么还有一个问题，覆盖的数据是什么呢？
数据是随机的。因为整个过程是这样的：

1. 打开文件
2. 建立缓存，这个缓存里的数据是未初始化的4096字节，
3. fwrite写入hello world在0-10字节里
4. fread使得_ptr跳过11-20字节
5. flush使得0-20字节写入文件，其中0-10是hello world，11-20未初始化

再看看读文件的过程

1. 打开文件
2. 建立缓存，并且读取部分文件内容到缓存里
3. 读取文件

上面两个过程中的第2个过程是要调用fseek或者flush的关键所在，因为读写用的是同一块缓存，所以读之后再写要重置缓存，写之后再读也要重置缓存。否则两种操作会导致缓存里的数据错乱。因此，严格来说，我前面的用testFile->_ptr=testFile->_base替代的方式也是有问题的。

=====================结束===============================
虽然花了不少时间，但是把这个问题弄明白了，自己也想通了另外一个问题，就是java的NIO里的ByteBuffer在读写之前分别要调用flip和clear，原因也是因为读写用的是同一块缓存。
如果有什么不清除的地方，请回复。我尽量解答

=======================补充内容=========================
可以通过下面的代码来看看FILE结构里的_ptr,_base，_cnt几个字段的变动

1. void dumpFile(FILE* file){
2.     printf("====dump file struct===== ");
3.     printf("ptr:%x ",file->_ptr);
4.     printf("cnt:%d ",file->_cnt);
5.     printf("base:%x ",file->_base);
6.     printf("flag:%d ",file->_flag);
7.     printf("file:%d ",file->_file);
8.     printf("charbuf:%d ",file->_charbuf);
9.     printf("bufsize:%d ",file->_bufsiz);
10.     printf("tmpfname:%s ",file->_tmpfname);
11.     printf("====dump file struct===== ");
12. }

=====================补充解释一下前一部分的数据为什么没有写入==============
看看flush的代码，在写入数据的时候，会做如下判断：

1.  if ((stream->_flag & (_IOREAD | _IOWRT)) == _IOWRT && bigbuf(stream)
2.                 && (nchar = stream->_ptr - stream->_base) > 0)
3.         {
4.                 if ( _write(_fileno(stream), stream->_base, nchar) == nchar ) {
5.                         /* if this is a read/write file, clear _IOWRT so that
6.                          * next operation can be a read
7.                          */
8.                         if ( _IORW & stream->_flag )
9.                                 stream->_flag &= ~_IOWRT;
10.                 }
11.                 else {
12.                         stream->_flag |= _IOERR;
13.        

这段代码做了如下三个判断：

• stream->_flag & (_IOREAD | _IOWRT)) == _IOWRT：判断flush之前的操作只有写操作
• bigbuf(stream) 这个貌似是判断缓存的大小
• nchar = stream->_ptr - stream->_base) > 0 判断[_base,_ptr]之间是否有数据没有写入

按照前面讲解的过程，可知[_base,_ptr]之间肯定是有数据的，至于bigbuf(stream)这个不知道是判断什么的，暂且假设它是true。再看看第一个判断，我们的代码是先读后写，不满足这个条件，因此，flush不会把数据写入到磁盘。这就是为什么数据没有写入的原因了。

下面来证实一下：

1.     ret = fread(string, 1, 10, testFile);
2.     ret = fwrite("hello world", 1, 11, testFile);
3.     //加上写动作，去掉读动作
4.     testFile->_flag |= _IOWRT;
5.     testFile->_flag &= ~_IOREAD;
7.     fclose(testFile);

上面的代码把flag的读标志去掉，并且加上写标志位，运行一下，这次数据写入了。结果如下：

abcdefghijklmnopqrstuvwxyzabcdefghijhello world

数据是写入了，但是结果貌似不对。。这个问题就留给大家去思考了。

kenvi 编辑于 2012-12-18 评论 (3) • 链接 • 2012-12-18

• 0 回答的非常详细，谢谢，对已代码的前一部分：
  ret = fread(string, 1, 10, testFile);
  ret = fwrite("hello world", 1, 11, testFile);
  fclose(testFile); //test1.txt的内容还是abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
  为什么test1.txt的内容还是abcdefghijklmnopqrstuvwxyz呢？ – freeboy1015 2012-12-18
• 0 @freeboy1015 答案我更新了。 – kenvi 2012-12-18
• 0 不得不赞一个，非常的好。 – _无双 2012-12-20

• ajaxhe

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可以看看fseek的源码，VS下的C运行库的fseek会会调用_flush(stream);
如下：

1. int __cdecl _fseek_nolock (FILE *str, long offset, int whence)
2. {
3.         REG1 FILE *stream;
5.         /* Init stream pointer */
6.         stream = str;
8.         /* Flush buffer as necessary */
10.         _flush(stream);
12. ...
14.         /* Seek to the desired locale and return. */
16.         return(_lseek(_fileno(stream), offset, whence) == -1L ? -1 : 0);
17. }

---

补充：
@kenvi已经解释得很清楚了，这里对他后面遗留的问题进行下补充：

1.     ret = fread(string, 1, 10, testFile);
2.     ret = fwrite("hello world", 1, 11, testFile);
3.     //加上写动作，去掉读动作
4.     testFile->_flag |= _IOWRT;
5.     testFile->_flag &= ~_IOREAD;
7.     fclose(testFile);

这里强制修改_flag的值会得到意外的结果，原因如下:
在fclose中会调用fflush函数，而fflush函数又会根据条件再次调用系统调用_write函数，进行文件的写操作。

1. int __cdecl _flush (
2.         FILE *str
3.         )
4. {
5.         /* Init pointer to stream */
6.         stream = str;
8.         if ((stream->_flag & (_IOREAD | _IOWRT)) == _IOWRT && bigbuf(stream)
9.                 && (nchar = (int)(stream->_ptr - stream->_base)) > 0)
10.         {
11.                 if ( _write(_fileno(stream), stream->_base, nchar) == nchar ) {
12.                         /* if this is a read/write file, clear _IOWRT so that
13.                          * next operation can be a read
14.                          */
15.                         if ( _IORW & stream->_flag )
16.                                 stream->_flag &= ~_IOWRT;
17.                 }
18.                 else {
19.                         stream->_flag |= _IOERR;
20.                         rc = EOF;
21.                 }
22.         }
23. }

留意这样一行语句：
(nchar = (int)(stream->_ptr - stream->_base))
因为此时
(stream->_flag & (_IOREAD | _IOWRT)) == _IOWRT
和
bigbuf(stream)
都已经成立，这里会计算nchar的值。
看看此时缓冲区的情况：

这里nchar=21,后面调用：
_write(_fileno(stream), stream->_base, nchar)
就会将字符串
abcdefghijhello world
写入到test1.txt中。

---

问题讨论到这里，似乎还有一个重要的问题没有解释：
为什么“abcdefghijhello world”是在文件结尾处写，而不是紧接着文件第11处偏移开始写？是谁在修改文件的实际偏移？

ajaxhe 编辑于 2012-12-19 评论 (1) • 链接 • 2012-12-09

• 0 正解.... – Bechengxvyuan 2012-12-19

• zhujinliang

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那个帖子说的挺明白了，写出后，或关闭文件前，应调用fflush，将缓存更新到文件中。
打开文件后，会在内存中产生一部分文件的缓存，通过fwrite等写出，是先写入缓存，待缓存不够用了、或者用户调用fflush时，系统才将缓存中的数据同步到文件中。

评论 (2) • 链接 • 2012-12-08

• 0 代码中用的是fseek，没有用fflush啊 – freeboy1015 2012-12-08
• 0 对于test2.txt的内容变成hello worldﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍﾍvwxyz还是不太理解？请详细解释一下，谢谢！ – freeboy1015 2012-12-10

• __mt

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@zhujinliang同学说的比较对，应该先调用fflush。如果不是这种情况的话，可能是对数据流的某一个操作失败了。导致数据流的设置了failbit。所以导致读写失效。觉得就这两种可能吧

评论 (3) • 链接 • 2012-12-08

• 0 代码中用的是fseek，没有用fflush啊 – freeboy1015 2012-12-09
• 0 @freeboy1015 就是说你读完之后要flush一下