深入C语言文件操作：从库函数到系统调用

news2025/2/27 14:25:16

引言

文件操作是编程中不可或缺的一部分，尤其在C语言中，文件操作不仅是处理数据的基本手段，也是连接程序与外部世界的重要桥梁。C语言提供了丰富的库函数来处理文件，如 fopen、fclose、fread、fwrite 等。然而，这些库函数实际上是基于操作系统提供的系统调用构建的。理解库函数和系统调用之间的关系，不仅有助于编写高效的代码，还能帮助我们更好地理解底层操作系统的机制。

本文将深入探讨C语言文件操作中的库函数和系统调用，解释它们的工作原理、区别和联系，并通过实际示例展示如何使用这些函数。
在这里插入图片描述

C标准库函数与系统调用概述

6.1 C标准库函数

C标准库函数是ANSI C标准中定义的一组函数，它们提供了一种跨平台的方式来处理文件操作。这些函数通常在 stdio.h 头文件中声明，并且在大多数操作系统中都有实现。常见的文件操作库函数包括：

  • fopen：打开文件。
  • fclose：关闭文件。
  • fread：从文件中读取数据。
  • fwrite：向文件中写入数据。
  • fgetc：从文件中读取一个字符。
  • fputc：向文件中写入一个字符。
  • fgets：从文件中读取一行。
  • fputs：向文件中写入一行。
  • fseek：移动文件指针。
  • ftell：获取文件指针的当前位置。
  • rewind：将文件指针重置到文件开头。

6.2 系统调用

系统调用是操作系统提供给用户程序的一组接口，用于请求操作系统执行特定的低级操作。系统调用通常在内核态执行，提供了对硬件设备的直接访问。常见的文件操作系统调用包括：

  • open：打开文件。
  • close：关闭文件。
  • read：从文件中读取数据。
  • write：向文件中写入数据。
  • lseek：移动文件指针。
  • ioctl：控制设备。

库函数与系统调用的区别

6.3 工作空间不同

  • 库函数：运行在用户态，通常包含在标准库中，如 glibc。
  • 系统调用：运行在内核态，由操作系统内核提供。

6.4 缓冲机制不同

  • 库函数：通常使用缓冲机制来提高性能。例如，fread 和 fwrite 会先将数据读取到内存缓冲区，然后再批量处理。
  • 系统调用：不使用缓冲机制，每次调用都会直接与文件系统交互。

6.5 可移植性不同

  • 库函数：具有良好的可移植性，可以在不同的操作系统上使用相同的接口。
  • 系统调用：依赖于特定的操作系统，不同操作系统的系统调用接口可能不同。

6.6 性能差异

  • 库函数：由于使用了缓冲机制，减少了用户态和内核态之间的切换次数，通常性能更高。
  • 系统调用：每次调用都会导致用户态和内核态之间的切换，性能较低。

库函数与系统调用的联系

尽管库函数和系统调用在许多方面有所不同，但它们之间存在着密切的联系。实际上，许多库函数最终会调用系统调用来完成实际的文件操作。

6.7 fopen 与 open

fopen 函数用于打开文件，并返回一个指向 FILE 结构的指针。fopen 实际上调用了 open 系统调用。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 使用 fopen 打开文件
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        fprintf(stderr, "打开文件失败: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }

    // 使用 open 系统调用打开文件
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    fclose(file);
    close(fd);
    return 0;
}

6.8 fread 与 read

fread 函数用于从文件中读取数据，并返回实际读取的数据项数。fread 实际上调用了 read 系统调用。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 使用 fopen 打开文件
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        fprintf(stderr, "打开文件失败: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }

    // 使用 open 系统调用打开文件
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    char buffer[100];
    size_t bytes_read;

    // 使用 fread 读取文件
    bytes_read = fread(buffer, 1, sizeof(buffer), file);
    if (ferror(file)) {
        fprintf(stderr, "读取文件失败: %s\n", strerror(errno));
        fclose(file);
        close(fd);
        return 1;
    }
    buffer[bytes_read] = '\0';
    printf("fread: %s\n", buffer);

    // 使用 read 系统调用读取文件
    bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
    if (bytes_read == -1) {
        perror("读取文件失败");
        close(fd);
        return 1;
    }
    buffer[bytes_read] = '\0';
    printf("read: %s\n", buffer);

    fclose(file);
    close(fd);
    return 0;
}

6.9 fwrite 与 write

fwrite 函数用于向文件中写入数据，并返回实际写入的数据项数。fwrite 实际上调用了 write 系统调用。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 使用 fopen 打开文件
    FILE *file = fopen("example.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        fprintf(stderr, "打开文件失败: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }

    // 使用 open 系统调用打开文件
    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    char *message = "Hello, World!\n";

    // 使用 fwrite 写入文件
    if (fwrite(message, 1, strlen(message), file) != strlen(message)) {
        if (ferror(file)) {
            fprintf(stderr, "写入文件失败: %s\n", strerror(errno));
            fclose(file);
            close(fd);
            return 1;
        }
    }

    // 使用 write 系统调用写入文件
    if (write(fd, message, strlen(message)) == -1) {
        perror("写入文件失败");
        close(fd);
        return 1;
    }

    fclose(file);
    close(fd);
    return 0;
}

6.10 fclose 与 close

fclose 函数用于关闭文件，并刷新缓冲区。fclose 实际上调用了 close 系统调用。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 使用 fopen 打开文件
    FILE *file = fopen("example.txt", "w");
    if (file == NULL) {
        fprintf(stderr, "打开文件失败: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }

    // 使用 open 系统调用打开文件
    int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    char *message = "Hello, World!\n";

    // 使用 fwrite 写入文件
    if (fwrite(message, 1, strlen(message), file) != strlen(message)) {
        if (ferror(file)) {
            fprintf(stderr, "写入文件失败: %s\n", strerror(errno));
            fclose(file);
            close(fd);
            return 1;
        }
    }

    // 使用 write 系统调用写入文件
    if (write(fd, message, strlen(message)) == -1) {
        perror("写入文件失败");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 使用 fclose 关闭文件
    if (fclose(file) != 0) {
        fprintf(stderr, "关闭文件失败: %s\n", strerror(errno));
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 使用 close 系统调用关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        perror("关闭文件失败");
        return 1;
    }

    return 0;
}

文件描述符与缓冲区

6.11 文件描述符

文件描述符（File Descriptor，FD）是一个用于引用打开文件和其他类型的I/O资源的整数。每个进程都有自己的文件描述符表，用于跟踪进程打开的所有文件和I/O资源。

  • 唯一标识：文件描述符为每个打开的文件或I/O资源提供了一个唯一的标识符，通常是一个非负整数。
  • 文件描述符表：每个进程都有自己的文件描述符表，这是一个内核数据结构，用于跟踪进程打开的所有文件和I/O资源。
  • 系统调用：文件描述符通常通过系统调用如 open、read、write、close 等进行操作。open 调用返回一个新的文件描述符，read 和 write 使用文件描述符来读取或写入数据，而 close 用于释放文件描述符。
  • 标准流：Linux为标准输入（stdin）、标准输出（stdout）和标准错误（stderr）分别分配了文件描述符0、1和2。
  • 缓冲机制：Linux内核可能会对通过文件描述符进行的I/O操作使用缓冲机制，以提高性能和减少实际的磁盘I/O操作。
  • 错误处理：当系统调用失败时，会返回-1，并且全局变量 errno 被设置为表示错误的特定值。
  • 多路复用：文件描述符可以用于I/O多路复用机制，如 select、poll 和 epoll，允许进程同时监控多个文件描述符上的I/O状态。
  • 继承性：当创建新进程时，子进程会继承父进程的文件描述符表中的文件描述符，除非它们在子进程中被显式地关闭。
  • 重定向：文件描述符可以通过 dup、dup2 等函数进行重定向，允许将一个文件描述符的引用复制到另一个文件描述符上。
  • 文件锁：文件描述符可以用于对文件加锁，以控制对文件的并发访问。

6.12 缓冲区机制

缓冲区机制是C标准库中用于提高I/O性能的一种技术。缓冲区可以减少用户态和内核态之间的切换次数，从而提高性能。

  • 全缓冲：对于文件，通常是全缓冲的。这意味着数据会先写入缓冲区，当缓冲区满或文件关闭时，数据才会被写入文件。
  • 行缓冲：对于终端输入输出，通常是行缓冲的。这意味着数据会在遇到换行符时被写入文件。
  • 无缓冲：对于标准错误输出，通常是无缓冲的。这意味着数据会立即被写入文件。

实际应用案例

6.13 文件拷贝示例

下面是一个使用库函数和系统调用实现文件拷贝的示例。该示例展示了如何结合使用库函数和系统调用来完成文件操作。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int copy_file(const char *src_path, const char *dst_path) {
    // 使用 fopen 打开源文件
    FILE *src_file = fopen(src_path, "rb");
    if (src_file == NULL) {
        fprintf(stderr, "打开源文件失败: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }

    // 使用 open 系统调用打开目标文件
    int dst_fd = open(dst_path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (dst_fd == -1) {
        fprintf(stderr, "打开目标文件失败: %s\n", strerror(errno));
        fclose(src_file);
        return 1;
    }

    char buffer[1024];
    size_t bytes_read;

    while ((bytes_read = fread(buffer, 1, sizeof(buffer), src_file)) > 0) {
        if (ferror(src_file)) {
            fprintf(stderr, "读取源文件失败: %s\n", strerror(errno));
            fclose(src_file);
            close(dst_fd);
            return 1;
        }

        if (write(dst_fd, buffer, bytes_read) == -1) {
            perror("写入目标文件失败");
            fclose(src_file);
            close(dst_fd);
            return 1;
        }
    }

    if (ferror(src_file)) {
        fprintf(stderr, "读取源文件失败: %s\n", strerror(errno));
        fclose(src_file);
        close(dst_fd);
        return 1;
    }

    if (fclose(src_file) != 0) {
        fprintf(stderr, "关闭源文件失败: %s\n", strerror(errno));
        close(dst_fd);
        return 1;
    }

    if (close(dst_fd) == -1) {
        perror("关闭目标文件失败");
        return 1;
    }

    return 0;
}

int main() {
    const char *src_path = "source.txt";
    const char *dst_path = "destination.txt";

    if (copy_file(src_path, dst_path) == 0) {
        printf("文件复制成功\n");
    } else {
        printf("文件复制失败\n");
    }

    return 0;
}

文件操作的底层原理

6.14 文件描述符与文件信息区

每个被使用的文件都在内存中开辟了一个相应的文件信息区，用来存放文件的相关信息（如文件的名字、文件状态及文件当前的位置等）。这些信息是保存在一个结构体变量中的。该结构体类型是由系统声明的，取名 FILE。

每当打开一个文件的时候，系统会根据文件的情况自动创建一个 FILE 结构的变量，并填充其中的信息，使用者不必关心细节。一般都是通过一个 FILE 的指针来维护这个 FILE 结构的变量，这样使用起来更加方便。

6.15 文件指针的位置

文件指针可以指向文件的任意位置，通常用来记录下一次读取或写入的位置。可以通过一些函数来移动文件指针的位置，如 fseek 函数和 rewind 函数。可以通过一些函数来获取当前文件指针的位置，如 ftell 函数。

6.16 文件的打开和关闭

在使用文件之前应该打开文件，使用完之后应该关闭文件。ANSI C 规定使用 fopen 来打开文件，用 fclose 来关闭文件。

文件打开方式 mode 参数说明：

  • "r"：只读模式，打开一个已经存在的文本文件，用于输入。
  • "w"：只写模式，打开一个文本文件用于输出，如果文件已存在则清空原有内容，如果文件不存在则创建新文件。
  • "a"：追加模式，打开一个文本文件用于在文件尾部追加数据，如果文件不存在则创建新文件。
  • "rb"：只读模式，打开一个二进制文件用于输入。
  • "wb"：只写模式，打开一个二进制文件用于输出，如果文件已存在则清空原有内容，如果文件不存在则创建新文件。
  • "ab"：追加模式，打开一个二进制文件用于在文件尾部追加数据，如果文件不存在则创建新文件。
  • "r+"：读写模式，打开一个文本文件用于读写，文件必须已存在。
  • "w+"：读写模式，打开一个文本文件用于读写，如果文件已存在则清空原有内容，如果文件不存在则创建新文件。
  • "a+"：读写模式，打开一个文本文件用于读写，文件不存在则创建新文件，所有写入操作都追加到文件尾部。
  • "rb+"：读写模式，打开一个二进制文件用于读写，文件必须已存在。
  • "wb+"：读写模式，打开一个二进制文件用于读写，如果文件已存在则清空原有内容，如果文件不存在则创建新文件。
  • "ab+"：读写模式，打开一个二进制文件用于读写，文件不存在则创建新文件，所有写入操作都追加到文件尾部。

6.17 文件的读写操作

文件的读写操作可以通过一系列函数来完成，如 fread、fwrite、fgetc、fputc、fgets、fputs 等。这些函数通常使用缓冲机制来提高性能。

6.18 文件定位

文件定位可以通过 fseek 函数来实现，该函数允许移动文件指针到文件中的任意位置。ftell 函数可以获取文件指针的当前位置。

fseek 函数参数说明：

  • stream：指向 FILE 结构的指针。
  • offset：偏移量，可以是正数或负数。
  • whence：定位基准点，可以是 SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前文件位置）或 SEEK_END（文件末尾）。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 打开文件
    FILE *file = fopen("example.txt", "r+");
    if (file == NULL) {
        fprintf(stderr, "打开文件失败: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }

    // 移动文件指针到文件开头
    if (fseek(file, 0, SEEK_SET) != 0) {
        fprintf(stderr, "移动文件指针失败: %s\n", strerror(errno));
        fclose(file);
        return 1;
    }

    // 获取文件指针的当前位置
    long position = ftell(file);
    if (position == -1) {
        fprintf(stderr, "获取文件指针位置失败: %s\n", strerror(errno));
        fclose(file);
        return 1;
    }
    printf("文件指针位置: %ld\n", position);

    // 移动文件指针到文件末尾
    if (fseek(file, 0, SEEK_END) != 0) {
        fprintf(stderr, "移动文件指针失败: %s\n", strerror(errno));
        fclose(file);
        return 1;
    }

    // 获取文件指针的当前位置
    position = ftell(file);
    if (position == -1) {
        fprintf(stderr, "获取文件指针位置失败: %s\n", strerror(errno));
        fclose(file);
        return 1;
    }
    printf("文件指针位置: %ld\n", position);

    fclose(file);
    return 0;
}

6.19 文件错误处理

在进行文件操作时，必须注意处理可能出现的错误。可以使用 ferror 和 clearerr 函数来帮助诊断和清除错误状态。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 打开文件
    FILE *file = fopen("nonexistent.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        fprintf(stderr, "打开文件失败: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }

    char buffer[100];
    size_t bytes_read;

    // 读取文件
    bytes_read = fread(buffer, 1, sizeof(buffer), file);
    if (ferror(file)) {
        fprintf(stderr, "读取文件失败: %s\n", strerror(errno));
        fclose(file);
        return 1;
    }

    // 清除错误状态
    clearerr(file);

    fclose(file);
    return 0;
}

文件映射

文件映射是一种高效的数据处理方法，它将文件内容直接映射到进程的虚拟地址空间，使得对文件的操作就像对内存的操作一样简单。文件映射通常通过 mmap 函数来实现。

6.20 使用 mmap 进行文件映射

mmap 函数可以将文件或其他对象映射到内存，映射的内存区域可以直接被读写。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 打开文件
    int fd = open("largefile.dat", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("打开文件失败");
        return 1;
    }

    // 获取文件大小
    struct stat st;
    if (fstat(fd, &st) == -1) {
        perror("获取文件大小失败");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 映射文件到内存
    void *addr = mmap(NULL, st.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (addr == MAP_FAILED) {
        perror("映射文件失败");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 处理映射内存
    // ...

    // 解映射内存
    if (munmap(addr, st.st_size) == -1) {
        perror("解映射内存失败");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 关闭文件
    if (close(fd) == -1) {
        perror("关闭文件失败");
        return 1;
    }

    return 0;
}

总结

本文详细介绍了C语言文件操作中的库函数和系统调用，解释了它们的工作原理、区别和联系，并通过实际示例展示了如何使用这些函数。通过本文的学习，读者应能全面理解C语言文件操作的底层机制，为编写高效、可靠的程序提供有力支持。

希望本文能够帮助读者深入理解和应用C语言中的文件操作技术。如果您有任何进一步的问题或建议，请随时留言交流。

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资料查找&#xff1a; 01 方案选择 使用单片机测量电阻有多种方法&#xff0c;以下是一些常见的方法及其原理&#xff1a; 串联分压法&#xff08;ADC&#xff09; 原理&#xff1a;根据串联电路的分压原理&#xff0c;通过测量已知电阻和待测电阻上的电压&#xff0c;计算出…
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Linux中 vim 常用命令大全详细讲解

Linux中 vim 常用命令大全详细讲解

文章目录 前言一、Vim 基本操作 &#x1f579;️1.1 打开或创建1.2 退出编辑1.3 模式切换 二、Vim 光标移动命令 ↕️2.1 基本移动2.2 行内移动2.3. 单词移动2.4. 页面移动2.5. 行跳转 三、Vim 文本编辑命令 &#x1f4cb;3.1 插入和删除3.2 复制、剪切与粘贴3.3 替换与修改 四…
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ARM架构服务器国产麒麟V10安装nginx

ARM架构服务器国产麒麟V10安装nginx

目前ARM架构服务器越来越多的出现在我们的工作中&#xff0c;尤其大数据时代的需要&#xff0c;服务器操作系统linux国产化进程的推进。本人已经编写了很多ARM架构下安装java环境&#xff0c;安装mysql&#xff0c;安装redis等等的文档。现在我们演示一下国产麒麟V10安装nginx-…
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【SQL】语句练习

【SQL】语句练习

1. 更新 1.1单表更新 例1: 所有薪水低于30000的员工薪水增加10% SQL命令&#xff1a; update employee set salarysalary*1.1 where salary < 30000; 1.2多表更新 例1: 将下图两表张三的语文成绩从95修改为80 SQL命令&#xff1a; update exam set score80 where subjec…
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【开源】使用环信UIKit for uniapp 做一个IM即时聊天应用

【开源】使用环信UIKit for uniapp 做一个IM即时聊天应用

环信单群聊 UIKit 是基于环信即时通讯云 IM SDK 开发的一款即时通讯 UI 组件库&#xff0c;提供各种组件实现会话列表、聊天界面、联系人列表及后续界面等功能&#xff0c;帮助开发者根据实际业务需求快速搭建包含 UI 界面的即时通讯应用。 本文教大家使用环信 uniapp UIKit 快…
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用 Python Turtle 绘制经典杰瑞鼠：捕捉卡通世界中的小聪明

用 Python Turtle 绘制经典杰瑞鼠：捕捉卡通世界中的小聪明

用 Python Turtle 绘制经典杰瑞鼠&#xff1a;捕捉卡通世界中的小聪明 &#x1f438; 前言 &#x1f438;&#x1f41e;往期绘画>>点击进所有绘画&#x1f41e;&#x1f40b; 效果图 &#x1f40b;&#x1f409; 代码 &#x1f409; &#x1f438; 前言 &#x1f438; 杰…
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Excel拆分脚本

Excel拆分脚本

Excel拆分 工作表按行拆分为工作薄 工作表按行拆分为工作薄 打开要拆分的Excel文件&#xff0c;使用快捷键&#xff08;AltF11&#xff09;打开脚本界面&#xff0c;选择要拆分的sheet&#xff0c;打开Module&#xff0c;在Module中输入脚本代码&#xff0c;然后运行脚本 Su…
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ModStartCMS v9.1.0 数据Grid样式优化，富文本格式刷支持，精简代码

ModStartCMS v9.1.0 数据Grid样式优化，富文本格式刷支持，精简代码

ModStart 是一个基于 Laravel 模块化极速开发框架。模块市场拥有丰富的功能应用&#xff0c;支持后台一键快速安装&#xff0c;让开发者能快的实现业务功能开发。 系统完全开源&#xff0c;基于 Apache 2.0 开源协议&#xff0c;免费且不限制商业使用。 功能特性 丰富的模块市…
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2024年12月16日Github流行趋势

2024年12月16日Github流行趋势

项目名称&#xff1a;PDFMathTranslate 项目维护者&#xff1a;Byaidu reycn hellofinch Wybxc YadominJinta项目介绍&#xff1a;基于 AI 完整保留排版的 PDF 文档全文双语翻译&#xff0c;支持 Google/DeepL/Ollama/OpenAI 等服务&#xff0c;提供 CLI/GUI/Docker。项目star数…
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3-机器人视觉-机器人抓取与操作

3-机器人视觉-机器人抓取与操作

文章目录 3机器人视觉目录 1. 传感器和标定摄像头模型Intrinsic MatrixExtrinsic Matrix 标定内参标定手眼标定和外参标定 力传感器&其它传感器其它传感器 2. 神经网络和图像处理2D特征处理常见架构 训练流程推理流程部署流程2D 图像任务3D Point Cloud FeaturePointNet Ap…
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Java String详解（二）

Java String详解（二）

上一篇博客&#xff1a;Java String详解&#xff08;一&#xff09; 写在前面&#xff1a;大家好&#xff01;我是晴空๓。如果博客中有不足或者的错误的地方欢迎在评论区或者私信我指正&#xff0c;感谢大家的不吝赐教。我的唯一博客更新地址是&#xff1a;https://ac-fun.blo…
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Qt之点击鼠标右键创建菜单栏使用（六）

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Qt开发 系列文章 - menu&#xff08;六&#xff09; 目录 前言 一、示例演示 二、菜单栏 1.MenuBar 2.Menu 总结 前言 QMainWindow是一个为用户提供主窗口程序的类&#xff0c;包含一个菜单栏&#xff08;menubar&#xff09;、多个工具栏(toolbars)、一个状态栏(status…
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