C++處理輸入輸出錯誤

當處理輸入輸出時，我們必須預計到其中可能發生的錯誤並給出相應的處理措施。

• 當我們輸入時，可能會由於人的失誤（錯誤理解了指令、打字錯誤、允許自家的小貓在鍵盤上散步等）、檔案格式不符、錯誤估計了情況等原因造成讀取失敗。
• 當我們輸出時，如果輸出裝置不可用、佇列滿或者發生了故障等，都會導致寫入失敗。

發生輸入輸出錯誤的可能情況是無限的！但 C++ 將所有可能的情況歸結為四類，稱為流狀態（stream state）。每種流狀態都用一個 iostate 型別的標誌位來表示。

流狀態對應的標誌位

標誌位	意義
badbit	發生了（或許是物理上的）致命性錯誤，流將不能繼續使用。
eofbit	輸入結束（檔案流的物理結束或使用者結束了控制台流輸入，例如使用者按下了 Ctrl+Z 或 Ctrl+D 組合鍵。
failbit	I/O 操作失敗，主要原因是非法資料（例如，試圖讀取數位時遇到字母）。流可以繼續使用，但會設定 failbit 標誌。
goodbit	一切止常，沒有錯誤發生，也沒有輸入結束。

ios_base 類定義了以上四個標誌位以及 iostate 型別，但是 ios 類又派生自 ios_base 類，所以可以使用 ios::failbit 代替 ios_base::failbit 以節省輸入。

一旦流發生錯誤，對應的標誌位就會被設定，我們可以通過下表列出的函數檢測流狀態。

C++流狀態檢測函數及其說明

檢測函數	對應的標誌位	說明
good()	goodbit	操作成功，沒有發生任何錯誤。
eof()	eofbit	到達輸入末尾或檔案尾。
fail()	failbit	發生某些意外情況（例如，我們要讀入一個數位，卻讀入了字元 'x'）。
bad()	badbit	發生嚴重的意外（如磁碟讀故障）。

不幸的是，fail() 和 bad() 之間的區別並未被準確定義，程式設計師對此的觀點各種各樣。但是，基本的思想很簡單：

• 如果輸入操作遇到一個簡單的格式錯誤，則使流進入 fail() 狀態，也就是假定我們（輸入操作的使用者）可以從錯誤中恢復。
• 如果錯誤真的非常嚴重，例如發生了磁碟故障，輸入操作會使得流進入 bad() 狀態。也就是假定面對這種情況你所能做的很有限，只能退出輸入。

以上觀點導致如下邏輯：

int i = 0;
cin >> i;
if(!cin){  //只有輸入操作失敗，才會跳轉到這裡
    if(cin.bad()){  //流發生嚴重故障，只能退出函數
        error("cin is bad!");  //error是自定義函數，它丟擲異常，並給出提示資訊
    }
    if(cin.eof()){  //檢測是否讀取結束
        //TODO:
    }
    if(cin.fail()){  //流遇到了一些意外情況
        cin.clear(); //清除/恢復流狀態
        //TODO:
    }
}

!cin 可以理解為“cin 不成功”或者“cin 發生了某些錯誤”或者“ cin 的狀態不是 good()”， 這與“操作成功”正好相反，《C++ cin判斷輸入結束》一節中對此有詳解。

請注意我們在處理 fail() 時所使用的 cin.clear()。當流發生錯誤時，我們可以進行錯誤恢復。為了恢復錯誤，我們顯式地將流從 fail() 狀態轉移到其他狀態，從而可以繼續從中讀取字元。clear() 就起到這樣的作用——執行 cin.clear() 後，cin 的狀態就變為 good()。

範例

下面是一個如何使用流狀態的例子。假定我們要讀取一個整數序列並存入 vector 中，字元*或“檔案尾”表示序列結束。Windows 平台按下 Ctrl+Z 組合鍵，再按下確認鍵表示到達檔案末尾；類Unix系統按下 Ctrl+D 組合鍵表示到達檔案末尾。

上述功能可通過如下函數來實現：

//從 ist 中讀入整數到 v 中，直到遇到 eof() 或終結符
void fill_vector(istream& ist, vector<int>& v, char terminator){
    for( int i; ist>>i; ) v.push_back(i);

    //正常情況
    if(ist.eof()) return;  //發現到了檔案尾，正確，返回

    //發生嚴重錯誤，只能退出函數
    if (ist.bad()){
        error("cin is bad!");  //error是自定義函數，它丟擲異常，並給出提示資訊
    }

    //發生意外情況
    if (ist.fail()) {  //最好清除混亂，然後匯報問題
        ist.clear();  //清除流狀態

        //檢測下一個字元是否是終結符
        char c;
        ist>>c;  //讀入一個符號，希望是終結符
        if(c != terminator) { // 非終結符
            ist.unget(); //放回該符號
            ist.clear(ios_base::failbit);  //將流狀態設定為 fail()
        }
    }
}

如果發生了 fail()，我們嘗試檢測下一個字元是否是結束符：如果是，那麼就完整得讀取了資料，使用 clear() 恢復狀態就可以；如果不是，我們就沒有辦法處理了，所以將狀態重新設定為 fail()，以期望 fill_vector() 的呼叫者（上層函數）有能力處理。

我們通過呼叫 ist.clear(ios_base::failbit) 來將流狀態設定為 fail()。對照簡單的cleal()，帶引數的用法有些令人迷惑：當 clear() 帶引數時，引數中所指出的 iostream 狀態位會被置位（進入相應狀態)，而未指出的狀態位會被復位。通過將流狀態設定為 fail()，我們表明遇到了一個格式錯誤，而不是一個更為嚴重的問題。

可以用 unget() 將字元放回 ist，以便 fill_vector() 的呼叫者可能使用該字元。unget() 函數是 putback() 的簡化版本，它依賴於流物件記住最後一個字元是什麼，所以在這裡可以不用考慮它的用法。

如果 fill_vector() 的呼叫者想知道是什麼原因終止了輸入，那麼可以檢測流是處於 fail() 還是 eof() 狀態。當然也可以捕獲 error() 丟擲的 runtime_error 異常，但當 istream 處於 bad() 狀態時，繼續獲取資料是不可能的。大多數的呼叫者無須為此煩惱。因為這意味著，幾乎在所有情況下，對於 bad() 狀態，我們所能做的只是丟擲一個異常。

簡單起見，可以讓 istream 幫我們丟擲這個異常。

//當 ist 出現問題時拋出異常
ist.exceptions(ist.exceptions() | ios_base:: badbit);

這樣的寫法也許看起來有些奇怪，但結果卻很簡單，當此語句執行時，如果 ist 處於 bad() 狀態，它會丟擲一個標準庫異常 ios_base::failure。在一個程式中，我們只需要呼叫 exceptions() 一次。這允許我們簡化關聯於 ist 的所有輸入過程，同時忽略對 bad() 的處理：

//從ist中讀入整數到v中，直到遇到eof()或終結符
void fill_vector(istream& ist, vector<int>& v, char terminator){
    ist.exceptions(ist.exceptions() | ios_base:: badbit);

    for (int i; ist>>i; ) v.push_back(i);

    if (ist.eof()) return;  //發現到了檔案尾

    //不是good()，不是bad()，不是eof()，ist的狀態一定是fail()
    ist.clear();  //清除流狀態

    char c;
    ist>>c;    //讀入一個符號，希望是終結符
    if (c != terminator) { //不是終結符號，一定是失敗了
        ist.unget();    //也許程式呼叫者可以使用這個符號
        ist.clear(ios_base::failbit); //將流狀態設定為 fail()
    }
}

這裡使用了 ios_base，它是 iostream 的一部分，包含了對常數如 badbit 的定義、異常如 failure 的定義，以及其他一些有用的定義。可以通過::操作符來使用它們，例如 ios_ base::badbit。

我們無須如此深入地討論 iostream 庫的細節，若要學習 iostream的所有內容，可能需要一門完整的課程。例如，iostream 可以處理不同的字元集，實現不同的緩衝策略，還包含一些工具，能按不同語言的習慣格式化貨幣金額的輸入輸出。我們曾經收到過一份關於烏克蘭貨幣輸入輸出格式的錯誤報告。如果需要了解更多 iostream 庫的內容，可以參考 Stroustrup 的《The C++ Programming Language》和 Langer 的《Standard C++ IOStreams and Locales》。

與 istream—樣，ostream 也有四個狀態：good()、fail()、eof() 和 bad()。不過，對於本教學的讀者來說，輸出錯誤要比輸入錯誤少得多，因此通常不對 ostream 進行狀態檢測。如果程式執行環境中輸出裝置不可用、佇列滿或者發生故障的概率很高，我們就可以像處理輸入操作那樣，在每次輸出操作之後都檢測其狀態。