C++ IO流_資料的旅行之路
1. 前言
程式中的資料總是在流動著，既然是流動就會有方向。資料從程式的外部流到程式內部，稱為輸入；資料從程式內部流到外部稱為輸出。
C++提供有相應的API實現程式和外部資料之間的互動，統稱這類API為 IO 流API。
流是一個形象概念，資料從一端傳遞到另一端時，類似於水一樣在流動，只是流動的不是水，而是資料。
概括而言，流物件可連線 2 端，並在兩者之間搭建起一個通道 ，讓資料通過此通道流過來、流過去。
2. 標準輸入輸出流
初學C++時，會接觸 cout和cin 兩個流物件。
2.1 簡介
cout稱為標準輸出流物件，其一端連執行緒式，一端連線標準輸出裝置（標準輸出裝置一般指顯示器），cout的作用是把程式中的資料顯示在顯示器上。
除了cout，還有cerr，其作用和 cout相似。兩者區別：
-
cout帶有資料快取功能，cerr不帶快取功能。快取類似於蓄水池，輸出時，先快取資料，然後再從快取中輸出到顯示器上。 -
cout輸出程式通用資料（測試，邏輯結果……），cerr輸出錯誤資訊。
另還有一個
clog物件，和cerr類似，與cerr不同之處，帶有快取功能。
cin 稱為標準輸入流物件，一端連執行緒式，一端連線標準輸入裝置（標準輸入裝置一般指鍵盤），cin用來把標準輸入裝置上的資料輸入到程式中。
使用 cout和cin時需要包含 iostream標頭檔案。
#include <iostream>
開啟 iostream 原始碼，可以看到 iostream檔案中包含了另外 2 個標頭檔案：
#include <ostream>
#include <istream>
且在 iostream標頭檔案中可以查詢到如下程式碼：
extern istream cin; /// Linked to standard input
extern ostream cout; /// Linked to standard output
extern ostream cerr; /// Linked to standard error (unbuffered)
extern ostream clog; /// Linked to standard error (buffered)
cout、cerr、clog是 ostream類的範例化物件，cin是 istream 類的範例化物件。
2.2 使用
ostream類過載了<< 運運算元，istream類過載了>>運運算元，可以使用這 2 個運運算元方便、快速地完成輸入、輸出各種型別資料。開啟原始碼，可以檢視到 <<運運算元返回撥用者本身。意味著使用 cout<<資料時，返回 cout本身，可以以鏈式方式進行資料輸出。
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
string name="果殼";
int age=12;
//鏈式輸出格式
cout<<"姓名:"<<name<<"年齡："<<age;
return 0;
}
istream類過載了 >>運運算元，返回撥用者（即 istream 物件）本身，也可以使用鏈式方式進行輸入。
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
char sex;
int age;
//鏈式輸入
cin>>sex>>age;
return 0;
}
cout、cin 流物件的其它函數暫不介紹，繼續本文的重點檔案流。
3. 檔案流
檔案流 API完成程式中的資料和檔案中的資料的輸入與輸出，使用時，需要包含 fstream標頭檔案。
#include <fstream>
3.1 檔案輸入流
ifstream從 istream類派生，用來實現把檔案中的資料l輸入（讀）到程式中。
輸入操作對程式而言，也稱為
讀操作。
檔案輸入流物件的使用流程：
3.1.1 建立流通道
使用 ifstream流物件的 open函數建立起程式和外部儲存裝置中的檔案資源之間的流通道。
檔案型別分文字檔案和二進位制檔案。
使用之前，瞭解一下 open函數的原型說明。開啟ifstream標頭檔案，可檢視到 ifstream 類中有如下的資訊說明：
template<typename _CharT, typename _Traits>
class basic_ifstream : public basic_istream<_CharT, _Traits>
{
/**
* @brief Opens an external file.
* @param __s The name of the file.
* @param __mode The open mode flags.
*
* Calls @c std::basic_filebuf::open(s,__mode|in). If that function
* fails, @c failbit is set in the stream's error state.
*
* Tip: When using std::string to hold the filename, you must use
* .c_str() before passing it to this constructor.
*/
void open(const char* __s, ios_base::openmode __mode = ios_base::in)
{
if (!_M_filebuf.open(__s, __mode | ios_base::in))
this->setstate(ios_base::failbit);
else
// _GLIBCXX_RESOLVE_LIB_DEFECTS
// 409. Closing an fstream should clear error state
this->clear();
}
#if __cplusplus >= 201103L
/**
* @brief Opens an external file.
* @param __s The name of the file.
* @param __mode The open mode flags.
*
* Calls @c std::basic_filebuf::open(__s,__mode|in). If that function
* fails, @c failbit is set in the stream's error state.
*/
void open(const std::string& __s, ios_base::openmode __mode = ios_base::in)
{
if (!_M_filebuf.open(__s, __mode | ios_base::in))
this->setstate(ios_base::failbit);
else
// _GLIBCXX_RESOLVE_LIB_DEFECTS
// 409. Closing an fstream should clear error state
this->clear();
}
#endif
}
ifstream過載了 open函數，2 個函數引數數量一致，但第一個引數的型別不相同。呼叫時需要傳遞 2 個引數：
- 第一個引數，指定檔案的路徑。第一個
open函數通過const char* __s型別（字串指標）接受，第二個open函數通過const std::string& __s型別（字串物件）接受。 - 第二個引數，指定檔案的開啟方式。開啟方式是一個列舉型別，預設是
ios_base::in(輸入)模式。開啟模式如下所示：
enum _Ios_Openmode
{
_S_app = 1L << 0,
_S_ate = 1L << 1,
_S_bin = 1L << 2,
_S_in = 1L << 3,
_S_out = 1L << 4,
_S_trunc = 1L << 5,
_S_ios_openmode_end = 1L << 16
};
typedef _Ios_Openmode openmode;
/// 以寫的方式開啟檔案，寫入的資料追加到檔案末尾
static const openmode app = _S_app;
/// 開啟一個已有的檔案，檔案指標指向檔案末尾
static const openmode ate = _S_ate;
/// 以二進位制方式開啟一個檔案，如不指定，預設為文字檔案方式
static const openmode binary = _S_bin;
/// 以輸入（讀）方式開啟檔案
static const openmode in = _S_in;
/// 以輸出（寫）方式開啟檔案，如果沒有此檔案，則建立，如有此檔案，此清除原檔案中資料
static const openmode out = _S_out;
/// 開啟檔案的時候丟棄現有檔案裡邊的內容
static const openmode trunc = _S_trunc;
開啟檔案實現：
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
ifstream inFile;
//檔案路徑儲存在字元陣列中
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
inFile.open(fileName,ios_base::in);
//檔案路徑儲存在字串物件中
string fileName_="d:\\guoke.txt" ;
inFile.open(fileName_,ios_base::in);
return 0;
}
除了直接呼叫 open函數外，還可以使用 ifstream的建構函式，如下程式碼，本質還是呼叫 open函數。
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
//建構函式
ifstream inFile(fileName,ios_base::in);
或者：
string fileName_="d:\\guoke.txt" ;
ifstream inFile(fileName_,ios_base::in);
可以使用ifstream的 is_open函數檢查檔案是否開啟成功。
3.1.2 讀資料
開啟檔案後，意味著輸入流通道建立起來，預設情況下，檔案指標指向檔案的首位置，等待讀取操作。
讀或寫都是通過移動檔案指標實現的。
讀取資料的方式：
- 使用
>>運運算元。
ifstream是istream的派生類，繼承了父類別中的所有公共函數，如同 cin一樣可以使用 >>運運算元實現對檔案的讀取操作。
cin使用>>把標準輸入裝置上的資料輸入至程式。
ifstream使用>>把檔案中的資料輸入至程式。兩者的資料來源不一樣，目的地一樣。
提前在 guoke.txt檔案中寫入如下內容，也可以用空白隔開數位。
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
//用來儲存檔案中的資料
int nums[10];
//檔案輸入流物件
ifstream inFile;
//檔案路徑
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
//開啟檔案
inFile.open(fileName,ios_base::in);
if(inFile.is_open()) {
//檢查檔案是否正確開啟
cout<<"檔案開啟成功"<<endl;
//讀取檔案中的內容
for(int i=0; i<5; i++){
//讀取
inFile>>nums[i];
//輸出到顯示器
cout<<nums[i]<<endl;
}
}
return 0;
}
如上程式碼，把檔案中的 5 個數位讀取到 nums 陣列中。
用
>>運運算元讀取時，以換行符、空白等符號作為結束符。
- 使用
get、getline函數。
ifstream類提供有 get、getline函數，可用來讀取檔案中資料。get函數有多個過載，本文使用如下的 2 個。getline函數和get函數功能相似，其差異之處後文再述。
//以字元為單位讀取
istream &get( char &ch );
//以字串為單位讀取
istream &get( char *buffer, streamsize num );
先在 D盤使用記事本建立 guoke.txt檔案，並在檔案中輸入以下 2 行資訊：
this is a test
hello wellcome
編寫如下程式碼，使用 get函數以字元型別逐個讀取檔案中的內容。
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
//用來儲存檔案中的資料
int nums[10];
ifstream inFile;
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
inFile.open(fileName,ios_base::in);
char myChar;
if(inFile.is_open()) {
cout<<"檔案開啟成功"<<endl;
//以字元為單位讀取資料
while(inFile.get(myChar)){
cout<<myChar;
}
}
return 0;
}
//輸出結果
this is a test
hello wellcome
讀取時，需要知道是否已經達到了檔案的未尾，或者說如何知道檔案中已經沒有資料。
-
如上使用
get函數讀取時，如果沒有資料了，會返回false。 -
使用
eof函數。eof的全稱是end of file， 當檔案指標移動到檔案無資料處時，eof函數返回true。建議使用此函數。while(!inFile.eof()){ inFile.get(myChar); cout<<myChar; }
使用 get的過載函數以字串型別讀取。
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
//用來儲存檔案中的資料
int nums[10];
ifstream inFile;
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
inFile.open(fileName,ios_base::in);
char myChar[100];
if(inFile.is_open()) {
cout<<"檔案開啟成功"<<endl;
while(!inFile.eof() ) {
//以字串為單位讀取
inFile.get(myChar,100);
cout<<myChar<<endl;
//為什麼要呼叫無參的 get 函數？
inFile.get();
}
}
return 0;
}
輸出結果：
上述 get函數以字串為單位進行資料讀取，會把讀出來的資料儲存在第一個引數 myChar陣列中，第二個引數限制每次最多讀 num-1個字元。
如果把上述的
inFile.get(myChar,100);
改成
inFile.get(myChar,10);
則程式執行結果如下：
第一次讀了 9 個字元后結束 ，第二次遇到到換行符後結束，第三行讀了 9 個字元后結束，第四行遇到檔案結束後結束 。
為什麼在程式碼要呼叫無參 get函數？
因為get讀資料時會把換行符保留在快取器中，在讀到第二行之前，需要呼叫無參的 get函數提前清除（讀出）快取器。否則後續資料讀不出來。
getline和 get函數一樣，可以以字串為單位讀資料，但不會快取換行符（結束符）。如下同樣可以讀取到檔案中的所有內容。
while(inFile.eof()){
inFile.getline(myChar,100)
cout<<myChar<<endl;
}
- 使用
read函數。
除了get和getline函數還可以使用 read函數。函數原型如下：
istream &read( char *buffer, streamsize num );
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
//用來儲存檔案中的資料
int nums[10];
ifstream inFile;
char fileName[50]="d:\\myinfo.txt";
inFile.open(fileName,ios_base::in);
char myChar[100];
if(inFile.is_open()) {
cout<<"檔案開啟成功"<<endl;
inFile.read(myChar,100);
cout<<myChar;
}
return 0;
}
read一次性讀取到num個位元組或者遇到 eof（檔案結束符）停止讀操作。這點和 get和getline不同，後者以換行符為結束符號。
3.1.3 關閉檔案
讀操作結束後，需要關閉檔案物件。
inFile.close();
3.2 檔案輸出流
ofstream稱為檔案輸出流，其派生於ostream，用於把程式中的資料輸出（寫）到檔案中。和使用 ifstream的流程一樣，分 3 步走：
- 開啟檔案。
使用 ofstream流物件的 open函數（和 ifstream的 open函數引數說明一樣）開啟檔案，因為是寫操作，開啟的模式預設是ios_stream::out，當然，可以指定其它的如ios_stream::app模式。
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
//輸出流物件
ofstream outFile;
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
outFile.open(fileName,ios_base::out);
if (outFile.is_open()){
cout<<"開啟檔案成功"<<endl;
}
return 0;
}
- 寫操作和讀操作一樣，有如下幾種方案：
- 使用
<<運運算元。
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
//輸出流物件
ofstream outFile;
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
outFile.open(fileName,ios_base::out);
if (outFile.is_open()){
cout<<"開啟檔案成功"<<endl;
for(int i=0;i<10;i++){
//向檔案中寫入 10 個數位
outFile<<i;
}
}
return 0;
}
輸出結果：
- 使用
put、write函數。
put函數以字元為單位向檔案中寫入資料，put函數原型如下：
ostream &put( char ch );
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
//輸出流物件
ofstream outFile;
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
outFile.open(fileName,ios_base::out);
if (outFile.is_open()){
cout<<"開啟檔案成功"<<endl;
for(int i=0;i<10;i++){
//寫入 10 個大寫字母
outFile.put(char(i+65) );
}
}
return 0;
}
write可以把字串寫入檔案中，如下為write函數原型：
ostream &write( const char *buffer, streamsize num );
引數說明：
- 第一個引數：
char型別指標。 - 第二個引數：限制每次寫入的資料大小。
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
//輸出流物件
ofstream outFile;
char fileName[50]="d:\\guoke.txt";
outFile.open(fileName,ios_base::out);
char infos[50]="thisisatest";
if (outFile.is_open()){
cout<<"開啟檔案成功"<<endl;
outFile.write(infos,50);
}
return 0;
}
檔案中內容：
thisisatest
如果把
outFile.write(infos,50);
改成
outFile.write(infos,5);
則檔案中內容為
thisi
- 關閉資源。
操作完成後，需要呼叫close函數關閉檔案。
outFile.close();
4. 隨機存取檔案
隨機存取指可以根據需要移動二進位制檔案中的檔案指標，隨機讀或寫二進位制檔案中的內容。
隨機存取要求開啟檔案時，指定檔案開啟模式為
ios_base::binary。
隨機讀寫分 2 步：
- 移動檔案指標到讀寫位置。
- 然後讀或寫。
隨機存取的關鍵是使用檔案指標的定位函數進行位置定位：
gcount() 返回最後一次輸入所讀入的位元組數
tellg() 返回輸入檔案指標的當前位置
seekg(檔案中的位置) 將輸入檔案中指標移到指定的位置
seekg(位移量，參照位置) 以參照位置為基礎移動若干位元組
tellp() 返回輸出檔案指標當前的位置
seekp(檔案中的位置) 將輸出檔案中指標移到指定的位置
seekp(位移量，參照位置) 以參照位置為基礎移動若干位元組
如下程式碼，使用檔案輸出流向檔案中寫入資料，然後隨機定位檔案指標位置，再進行讀操作。
#include<fstream>
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
int i,x;
// 以寫的模式開啟檔案
ofstream outfile("d:\\guoke.txt",ios_base::out | ios_base::binary);
if(!outfile.is_open()) {
cout << "open error!";
exit(1);
}
for(i=1; i<100; i+=2)
//向檔案中寫入資料
outfile.write((char*)&i,sizeof(int));
outfile.close();
//輸入流
ifstream infile("d:\\guoke.txt",ios_base::in|ios_base::binary);
if(!infile.is_open()) {
cout <<"open error!\n";
exit(1);
}
//定位
infile.seekg(30*sizeof(int));
for(i=0; i<4 &&!infile.eof(); i++) {
//讀資料
infile.read((char*)&x,sizeof(int));
cout<<x<<'\t';
}
cout <<endl;
infile.close();
return 0;
}
原檔案中內容：
程式碼執行後的執行結果，並沒有輸入檔案中的所有內容。
5. 總結
本文講述了標準輸入、輸出流和檔案流物件。