6.6文件

文件系统是操作系统中负责管理持久化数据的子系统，它把存储设备上的数据组织成文件和目录，让程序不必关心数据落在哪个扇区。许多系统将路径组织成以目录为节点的层次结构：

• 根目录是树的起点。Windows中通常是盘符（如C:\），Unix/Linux中是 /。
• 目录是可以包含文件和其他目录的容器。
• 文件是存储数据的基本单元。
• 路径是定位文件的地址。

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C:\ (根)
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├── Windows/
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├── Program Files/
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└── Users/
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    └── Alice/
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        ├── Documents/
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        │   ├── PythonProjects/
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        │   │   ├── ProjectA/
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        │   │   │   └── main.py
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        │   │   └── DataAnalysis/
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        │   │       └── data.csv
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        └── Downloads/

Windows为每个盘符建立一棵独立的树，所以一台机器可以有多个根；Unix只在 / 处有一棵树，其他设备通过挂载接到树上。这个差别决定了路径怎么写，但两种系统里的目录都是树的节点。

路径由沿途的目录名和最后的文件名拼成，分为两种：

. 表示当前目录，.. 表示父目录。分隔符随系统不同：Windows用反斜杠 \，Unix用斜杠 /。在Python字符串里写Windows路径时，反斜杠要转义，或者改用原始字符串。

相对路径的起点是进程的当前工作目录，不是脚本文件所在的目录。同一个相对路径，从不同目录启动、或运行中切换了工作目录，就可能指向不同甚至不存在的文件。需要稳定定位时用绝对路径，或先根据脚本位置构造路径。

名字之外，文件系统还为每个对象记录访问控制信息。Unix风格系统常用所有者、所属组和其他用户的读、写、执行权限位，也可能结合访问控制列表等机制。目录上的这三种权限含义与普通文件不同：

Windows用访问控制列表（ACL）逐条记录允许和拒绝，概念上同样是“谁能对哪个对象做什么”。

打开文件时，模式说明这次要做什么，权限决定进程是否被允许这样做。因此打开失败不一定代表路径写错：文件不存在、路径中某一级目录不可进入、文件没有相应权限，都会让打开操作失败，区别只在错误码和异常类型。

Python的open使用模式字符串指定打开方式。以下基础模式互斥：

+ 增加读写能力；b指二进制模式，t指文本模式，二者互斥。文本模式处理字符串与编码，二进制模式处理字节。模式决定请求的操作，实际能否打开仍取决于路径、权限等条件。

r+ 不会创建缺失文件；w+ 可以读写，但打开现有文件时仍会截断。a+ 支持读取和追加写入，写入仍发生在文件末尾；读取前按需要调整文件位置。

C标准库的fopen用模式字符串指定文件流的访问方式。r打开已有文件供读取，w打开供写入并在文件存在时截断，a打开供追加写入；w与a在需要时创建文件。打开失败返回空指针，调用方应检查结果。

在基础模式中加入 + 可创建更新流，允许读取与写入；加入b表示二进制模式。文本流的外部表示可能与程序中的字符表示不同，实际转换取决于实现。C的标准模式集合与Python不完全相同，不能把Python的模式表直接当作C的规则。

更新流在切换读写方向时有次序要求：输出后转为输入，应先刷新或定位；输入后转为输出，应先定位，除非输入已遇到文件结尾。定位操作例如fseek；每次操作的返回值仍需检查。

追加模式的写入发生在文件末尾。对于追加更新流，初始读取位置可能由实现决定，跨平台代码应显式定位到希望读取的位置。

open(file, mode="r") 返回一个文件对象，mode中含b时是二进制文件对象，否则是文本文件对象。对象内部保存打开的文件描述符、缓冲区、当前位置和解码器，后续的读取、写入、定位都作用在这个对象上。

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f = open("data.txt", "r")
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text = f.read()
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f.close()

文本模式返回str，二进制模式返回bytes。文本模式的编码由encoding参数决定，省略时使用平台相关的默认编码。

C把文件抽象成流：一个有序的字节序列，附带缓冲区、当前位置、错误指示器和文件结束标志。FILE是保存这些状态的结构体，程序拿到的始终是FILE * 类型的文件指针。

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FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
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int fclose(FILE *stream);

fopen成功时返回文件指针，失败时返回NULL；fclose成功返回0，失败返回EOF。

关闭动作把缓冲区里尚未写出的数据刷到设备，并释放文件描述符。Python的close() 和C的fclose() 都承担这件事，区别在于语言是否替你保证调用：

• Python：用with open(...) as f: 时，离开代码块会自动调用close()，即使块内抛出异常也会执行。手写的f.close() 在异常路径上容易被跳过。
• C：没有语言级的自动关闭，必须显式fclose()。进程正常退出时标准库会刷新并关闭仍打开的流，但依赖这一点会掩盖错误，长期运行的程序还可能耗尽文件描述符。