18 IO文件操作

I/O 的基本概念

流与缓冲区

流（Stream） 是一种对连接的抽象。C++ 程序把输入和输出看作字节流：

输入时，程序从流中抽取字节；输出时，程序将字节插入到输出流中
流充当程序和流源/流目标之间的桥梁，使得程序可以以相同的方式对待键盘输入和文件输入
输入流需要两个连接：文件端连接提供流的来源，程序端连接转储流出的数据

缓冲区（Buffer） 是用作中介的内存块，用于更高效地处理输入输出：

磁盘等设备以块（如 512 字节）为单位传输数据，而程序通常逐字节读取
缓冲区帮助匹配这两种不同的传输速率：磁盘一次性读取大量数据到缓冲区，程序再从缓冲区逐字节读取
输入时，数据先进入缓冲区，按回车后才流入程序；输出时，数据先进入缓冲区，缓冲区满或手动刷新（flush）后才流出
程序非正常结束时，缓冲区中未刷新的数据可能丢失

三个标准流

流	说明	缓冲
`stdin`（标准输入）	默认来自键盘	有缓冲
`stdout`（标准输出）	默认流向屏幕	有缓冲
`stderr`（标准错误）	专门输出错误信息	无缓冲，立即输出

错误流无缓冲是为了避免程序非正常结束时错误信息丢失。

C 与 C++ 的 I/O 特点

C 语言的 I/O

C 语言没有输入输出语句，所有 I/O 功能通过 ANSI C 标准库函数实现，基于 FILE 结构体：

fopen / fclose：打开 / 关闭文件
fgetc / fputc：读 / 写一个字符
fprintf / fscanf：格式化写 / 读
fread / fwrite：二进制读 / 写
feof / ferror：文件结束 / 错误检测
fseek：随机定位

C++ 的 I/O

C++ 保留了对 C 中 I/O 函数的支持，同时提供了一套基于类层次的 I/O 系统，运用了类、派生类、函数重载、模板和多重继承等特性。一切文件操作函数都是定义在类里的成员函数。

C++ I/O 类层次：

类	说明
`streambuf`	为缓冲区提供内存，管理缓冲区的填充、访问、刷新
`ios_base`	表示流的一般特征（是否可读、文本流/二进制流等）
`ios`	基于 `ios_base`，包含指向 `streambuf` 对象的指针
`istream`	派生自 `ios`，提供输入方法
`ostream`	派生自 `ios`，提供输出方法
`iostream`	基于多继承自 `istream` 和 `ostream`，同时具备输入输出方法

cin 是 istream 类的实例，cout 是 ostream 类的实例，通过重载的 >> 和 << 运算符进行输入输出。

C++ 文件 I/O 的方法

文件流类

类	说明	继承自
`ofstream`	写操作（输出）的文件类	`ostream`
`ifstream`	读操作（输入）的文件类	`istream`
`fstream`	可同时读写的文件类	`iostream`

用法与 cin、cout 完全一样，只是流的目标从键盘/屏幕变为文件。

基本文件操作

文件流对象可通过构造函数或 open() 成员函数关联文件：

#include <fstream>
using namespace std;

int main() {
    // 方式1：构造时打开
    ifstream source("source-file.txt");
    ofstream destination("dest-file.txt");

    // 方式2：先定义，再 open
    // ifstream source;
    // source.open("source-file.txt");

    int x;
    source >> x;            // 从文件读取，类似 cin
    source.close();         // 关闭文件，类似 fclose
    destination << x;       // 写入文件，类似 cout
    // destination 析构时会自动调用 close()
    return 0;
}

若未显式调用 close()，文件流对象析构时会自动关闭文件。

文本文件读写示例

读取文件 source.txt（内容为 13 3.14 9），计算前两者之积写入 result.txt：

#include <fstream>
using namespace std;

int main() {
    int someInt;
    float someFloat;
    char someChar;

    ifstream inFile;
    ofstream outFile;
    inFile.open("Source.txt");
    outFile.open("Result.txt");

    inFile >> someInt >> someFloat >> someChar;   // 13, 3.14, '9'
    outFile << "The answer is: " << someInt * someFloat << endl;

    inFile.close();
    outFile.close();
    return 0;
}
// Result.txt 内容：The answer is: 40.82

字符读取：`>>` vs `get()`

使用 >> 读取字符会跳过空白字符（空格、换行、制表符），导致文件复制时丢失空格。应使用 get() 成员函数逐字符读取（包含空白字符）：

// 错误：>> 会跳过空白字符
inFile >> c;
while (inFile) {
    outFile << c;
    inFile >> c;
}

// 正确：get() 读取所有字符
inFile.get(c);
while (inFile) {
    outFile << c;
    inFile.get(c);
}

文件打开方式

open() 的第二个参数指定打开方式，对应 C 语言 fopen 的模式字符串：

打开方式	含义
`ios::in`	以输入（读）方式打开
`ios::out`	以输出（写）方式打开
`ios::ate`	初始位置为文件尾
`ios::app`	所有输出附加在文件末尾（追加）
`ios::trunc`	如果文件已存在，先删除该文件
`ios::binary`	以二进制方式打开

打开方式可用按位或 | 组合（实际是位标志，如 0x10）：

ofstream file;
file.open("example.bin", ios::out | ios::app | ios::binary);
// 等价于：
ofstream file("example.bin", ios::out | ios::app | ios::binary);

各文件流类的默认打开方式：

类	默认方式
`ofstream`	`ios::out \| ios::trunc`
`ifstream`	`ios::in`
`fstream`	`ios::in \| ios::out`

可通过成员函数 is_open() 检查文件是否已成功打开，返回 bool 值。

二进制读写

二进制形式将数据在内存中的原样存储到文件中，不进行 ASCII 转换。使用 read() 和 write() 成员函数：

// 函数原型
istream& read(char* buffer, streamsize size);
ostream& write(const char* buffer, streamsize size);

int a[10] = {10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100};
int b[10];

// 写入二进制文件
ofstream outFile("1.dat", ios::binary);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    outFile.write((char*)&a[i], sizeof(a[i]));
}
outFile.close();

// 读取二进制文件
ifstream inFile("1.dat", ios::binary);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    inFile.read((char*)&b[i], sizeof(b[i]));
}
inFile.close();

read / write 的第一个参数必须是 char*，因此需要用 (char*) 强制转换其他类型指针。

文件定位

C++ I/O 系统管理两个与文件关联的指针：

读指针：说明输入操作在文件中的位置
写指针：说明下次写操作的位置

成员函数	说明
`seekg(offset, origin)`	设置读指针位置
`seekp(offset, origin)`	设置写指针位置
`tellg()`	返回当前读指针位置
`tellp()`	返回当前写指针位置

origin（基准位置）取值：

值	含义
`ios::beg`	文件开头
`ios::cur`	当前位置
`ios::end`	文件结尾

file1.seekg(1234, ios::cur);  // 读指针从当前位置向后移 1234 字节
file2.seekp(1234, ios::beg);  // 写指针从文件开头向后移 1234 字节

seekg 中的 g 代表 "get"（读取），seekp 中的 p 代表 "put"（写入）。

动态文件名

可通过 string 接收用户输入的文件名，再用 c_str() 转换为 C 风格字符串传给 open()：

string FileName;
cout << "Please enter the output file name";
cin >> FileName;
outFile.open(FileName.c_str(), ios::binary);

C++20 新特性：std::format

C 语言中可用 printf 格式化输出，C++ 中用 cout 拼接较为繁琐：

// C
printf("[ %lf, %lf, %lf ]\n", a[0], a[1], a[2]);

// C++ 传统方式
std::cout << "[ " << a[0] << ", " << a[1] << ", " << a[2] << " ]";

// C++20 std::format（类似 Python 的格式化）
std::cout << std::format("[ {}, {}, {} ]\n", a[0], a[1], a[2]);

std::format 比 cout 更易读，比 printf 更易写，返回 std::string 类型。