【C++标准IO库】文件的输入输出

在 C++ 编程中，文件的输入输出（I/O）操作是一项非常重要的功能。它允许将程序中的数据保存到文件中，以便后续使用或与其他程序共享；同时，也可以从文件中读取数据，供程序进行处理。C++ 标准 IO 库提供了强大而灵活的文件操作功能，通过使用这些功能，可以轻松地实现文件的创建、读取、写入和修改等操作。本文将详细介绍 C++ 标准 IO 库中文件输入输出的相关知识，包括文件流对象的使用、文件的打开和关闭、数据的读写操作以及错误处理等方面。

一、文件流对象

1.1 文件流类的介绍

C++ 标准 IO 库中提供了三个主要的文件流类，分别用于不同类型的文件操作：

①ifstream（输入文件流）：

用途：用于从文件读取数据。
特点：默认以读模式打开文件，支持文本文件和二进制文件的读取操作。

②ofstream（输出文件流）：

用途：用于向文件写入数据。
特点：默认以写模式打开文件，支持文本文件和二进制文件的写入操作。

③fstream（文件流）：

用途：既可以读取数据，也可以写入数据。
特点：默认以读写模式打开文件，支持文本文件和二进制文件的读写操作。

这些类都定义在 <fstream> 头文件中，因此在使用文件流对象之前，需要包含该头文件。

1.2 文件流对象的创建

创建文件流对象的方式与创建其他对象类似，只需指定对象的类型和名称即可。以下是创建不同类型文件流对象的示例代码：

#include <fstream>

int main() {
    // 创建一个用于读取文件的 ifstream 对象
    std::ifstream inFile;
    // 创建一个用于写入文件的 ofstream 对象
    std::ofstream outFile;
    // 创建一个既可以读取又可以写入文件的 fstream 对象
    std::fstream ioFile;

    return 0;
}

二、文件的打开和关闭

2.1 文件的打开

在使用文件流对象进行文件操作之前，需要先打开文件。可以使用文件流对象的 open() 成员函数来打开文件，该函数接受两个参数：文件名和打开模式。文件名可以是相对路径或绝对路径，打开模式指定了文件的打开方式，如只读、只写、追加等。以下是打开文件的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    // 创建一个 ofstream 对象
    std::ofstream outFile;
    // 打开一个文件用于写入，如果文件不存在则创建它
    outFile.open("example.txt", std::ios::out);
    if (outFile.is_open()) {
        std::cout << "文件打开成功！" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }
    // 关闭文件
    outFile.close();

    return 0;
}

使用 open() 函数以 std::ios::out 模式打开文件 example.txt，该模式表示以写入方式打开文件。如果文件不存在，则会创建该文件；如果文件已经存在，则会清空文件内容。

2.2 打开模式

C++ 标准 IO 库定义了多种打开模式，这些模式可以通过按位或运算符 | 组合使用，以满足不同的需求。常见的打开模式如下表：

模式标志	说明
`std::ios::in`	读方式打开（ifstream默认），用于读取文件内容。
`std::ios::out`	写方式打开（ofstream默认），如果文件不存在则创建它，如果文件已经存在则清空文件内容。
`std::ios::binary`	二进制模式（默认文本模式）
`std::ios::ate`	打开文件后将文件指针定位到文件末尾，但仍然可以进行读写操作。
`std::ios::app`	追加模式（自动定位到末尾），所有写入操作都会在文件末尾进行，不会清空文件原有内容。
`std::ios::trunc`	截断文件（默认如果存在则清空）

以下是使用组合打开模式的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    // 以读写方式打开文件，如果文件不存在则创建它，并且不清空原有内容
    std::fstream ioFile("example.txt", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::app);
    if (ioFile.is_open()) {
        std::cout << "文件打开成功！" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }
    // 关闭文件
    ioFile.close();

    return 0;
}

2.3 文件的关闭

在完成文件操作后，需要关闭文件，以释放系统资源。可以使用文件流对象的 close() 成员函数来关闭文件。以下是关闭文件的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::ofstream outFile("example.txt");
    if (outFile.is_open()) {
        // 写入数据到文件
        outFile << "Hello, World!";
        // 关闭文件
        outFile.close();
        std::cout << "文件已关闭！" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }

    return 0;
}

三、文件的读取操作

3.1 逐行读取文本文件

逐行读取文本文件是一种常见的文件读取方式，可以使用 std::getline() 函数来实现。该函数接受两个参数：文件流对象和一个字符串对象，用于存储读取到的一行文本。以下是逐行读取文本文件的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::ifstream inFile("example.txt");
    if (inFile.is_open()) {
        std::string line;
        while (std::getline(inFile, line)) {
            std::cout << line << std::endl;
        }
        // 关闭文件
        inFile.close();
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }

    return 0;
}

使用 std::getline() 函数逐行读取文件 example.txt 的内容，并将每行内容存储在 line 字符串中，然后输出到控制台。

3.2 读取二进制文件

读取二进制文件时，需要以二进制模式打开文件，并使用 read() 成员函数来读取数据。read() 函数接受两个参数：一个指向存储数据的缓冲区的指针和要读取的字节数。以下是读取二进制文件的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::ifstream inFile("example.bin", std::ios::binary);
    if (inFile.is_open()) {
        // 定义一个缓冲区
        char buffer[1024];
        // 读取数据到缓冲区
        inFile.read(buffer, sizeof(buffer));
        // 获取实际读取的字节数
        std::streamsize bytesRead = inFile.gcount();
        std::cout << "读取了 " << bytesRead << " 字节的数据。" << std::endl;
        // 关闭文件
        inFile.close();
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }

    return 0;
}

以二进制模式打开文件 example.bin，并使用 read() 函数将文件内容读取到 buffer 缓冲区中，最后使用 gcount() 函数获取实际读取的字节数。

四、文件的写入操作

4.1 写入文本文件

写入文本文件可以使用插入操作符 << 或 write() 成员函数。插入操作符 << 可以方便地将各种数据类型写入文件，而 write() 函数主要用于写入二进制数据。以下是使用插入操作符写入文本文件的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::ofstream outFile("example.txt");
    if (outFile.is_open()) {
        // 写入字符串
        outFile << "Hello, World!" << std::endl;
        // 写入整数
        int num = 123;
        outFile << "The number is: " << num << std::endl;
        // 关闭文件
        outFile.close();
        std::cout << "数据写入成功！" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }

    return 0;
}

使用插入操作符 << 将字符串和整数写入文件 example.txt。

4.2 写入二进制文件

写入二进制文件需要以二进制模式打开文件，并使用 write() 成员函数。write() 函数接受两个参数：一个指向要写入数据的缓冲区的指针和要写入的字节数。以下是写入二进制文件的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::ofstream outFile("example.bin", std::ios::binary);
    if (outFile.is_open()) {
        // 定义一个整数数组
        int numbers[] = {1, 2, 3, 4, 5};
        // 计算数组的字节数
        std::streamsize size = sizeof(numbers);
        // 写入数据到文件
        outFile.write(reinterpret_cast<const char*>(numbers), size);
        // 关闭文件
        outFile.close();
        std::cout << "数据写入成功！" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }

    return 0;
}

以二进制模式打开文件 example.bin，并使用 write() 函数将整数数组 numbers 的内容写入文件。

五、文件指针的操作

5.1 文件指针的概念

文件指针是一个指向文件中当前位置的指针，它决定了下一次读写操作的起始位置。在进行文件读写操作时，文件指针会自动向后移动。可以使用文件流对象的 tellg() 和 tellp() 函数来获取文件指针的当前位置，使用 seekg() 和 seekp() 函数来移动文件指针的位置。

5.2 获取文件指针的位置

tellg() 函数用于获取输入文件指针的当前位置，tellp() 函数用于获取输出文件指针的当前位置。这两个函数返回一个 std::streampos 类型的值，表示文件指针的位置。以下是获取文件指针位置的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::fstream ioFile("example.txt", std::ios::in | std::ios::out);
    if (ioFile.is_open()) {
        // 获取输入文件指针的当前位置
        std::streampos pos = ioFile.tellg();
        std::cout << "输入文件指针的当前位置: " << pos << std::endl;
        // 获取输出文件指针的当前位置
        pos = ioFile.tellp();
        std::cout << "输出文件指针的当前位置: " << pos << std::endl;
        // 关闭文件
        ioFile.close();
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }

    return 0;
}

5.3 移动文件指针的位置

seekg() 函数用于移动输入文件指针的位置，seekp() 函数用于移动输出文件指针的位置。这两个函数接受两个参数：要移动的偏移量和偏移的起始位置。偏移的起始位置可以是 std::ios::beg（文件开头）、std::ios::cur（当前位置）或 std::ios::end（文件末尾）。以下是移动文件指针位置的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::fstream ioFile("example.txt", std::ios::in | std::ios::out);
    if (ioFile.is_open()) {
        // 将输入文件指针移动到文件开头偏移 5 个字节的位置
        ioFile.seekg(5, std::ios::beg);
        // 获取输入文件指针的当前位置
        std::streampos pos = ioFile.tellg();
        std::cout << "输入文件指针的当前位置: " << pos << std::endl;
        // 将输出文件指针移动到文件末尾偏移 -3 个字节的位置
        ioFile.seekp(-3, std::ios::end);
        // 获取输出文件指针的当前位置
        pos = ioFile.tellp();
        std::cout << "输出文件指针的当前位置: " << pos << std::endl;
        // 关闭文件
        ioFile.close();
    } else {
        std::cout << "文件打开失败！" << std::endl;
    }

    return 0;
}

六、错误处理

在进行文件操作时，可能会遇到各种错误，如文件打开失败、读写错误等。可以使用文件流对象的状态标志来检查文件操作是否成功。常见的状态标志有：

good()：检查流是否处于正常状态。
eof()：检查是否到达文件末尾。
fail()：检查是否发生了可恢复的错误。
bad()：检查是否发生了严重的错误。

以下是一个错误处理的示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::ifstream inFile("nonexistent.txt");
    if (!inFile.good()) {
        if (inFile.fail()) {
            std::cout << "文件打开失败，可能是文件不存在。" << std::endl;
        } else if (inFile.bad()) {
            std::cout << "发生了严重的错误！" << std::endl;
        }
    } else {
        // 进行文件操作
        inFile.close();
    }

    return 0;
}

尝试打开一个不存在的文件，通过检查 good()、fail() 和 bad() 状态标志来判断文件打开是否成功，并输出相应的错误信息。

七、总结

C++ 标准 IO 库提供了丰富的文件输入输出功能，通过使用文件流对象、合理选择打开模式、掌握文件的读写操作和文件指针的操作，以及进行错误处理，可以实现各种复杂的文件操作。在实际编程中，需要根据具体的需求选择合适的文件操作方式，并注意错误处理，以确保程序的健壮性和可靠性。

八、参考资料

《C++ Primer（第 5 版）》这本书是 C++ 领域的经典之作，对 C++ 的基础语法和高级特性都有深入讲解。
《Effective C++（第 3 版）》书中包含了很多 C++ 编程的实用建议和最佳实践。
《C++ Templates: The Complete Guide（第 2 版）》该书聚焦于 C++ 模板编程，而using声明在模板编程中有着重要应用，如定义模板类型别名等。
C++ 官方标准文档：C++ 标准文档是最权威的参考资料，可以查阅最新的 C++ 标准（如 C++11、C++14、C++17、C++20 等）文档。例如，ISO/IEC 14882:2020 是 C++20 标准的文档，可从相关渠道获取其详细内容。
cppreference.com：这是一个非常全面的 C++ 在线参考网站，提供了详细的 C++ 语言和标准库文档。
LearnCpp.com：该网站提供了系统的 C++ 教程，配有丰富的示例代码和清晰的解释，适合初学者学习和理解相关知识。