标准IO库

面向对象的标准库

IO 类型在三个独立的头文件中定义：

Header Type

iostream istream 从流中读取 ostream 写到流中去 iostream 对流进行读写；从 istream 和 ostream 派生而来 fstream ifstream 从文件中读取；由 istream 派生而来 ofstream 写到文件中去；由 ostream 派生而来 fstream 读写文件；由 iostream 派生而来 sstream istringstream 从 string 对象中读取；由 istream 派生而来 ostringstream 写到 string 对象中去；由 ostream 派生而来 stringstream 对 string 对象进行读写；由 iostream 派生而来

IO 对象不可复制或赋值

出于某些原因，标准库类型不允许做复制或赋值操作。

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ofstream out1, out2; 
out1 = out2;   // error: cannot assign stream objects 
// print function: parameter is copied 
ofstream print(ofstream); 
out2 = print(out2);  // error: cannot copy stream objects

这个要求有两层特别重要的含义：

  1. 只有支持复制的元素类型可以存储在 vector 或其他容器类型里。由于流对象不能复制，因此不能存储在 vector（或其他）容器中（即不存在存储流对象的 vector 或其他容器）。
  2. 形参或返回类型也不能为流类型。如果需要传递或返回 IO 对象，则必须传递或返回指向该对象的指针或引用：

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ofstream &print(ofstream&);              // ok: takes a reference, no copy 
while (print(out2)) { /* ... */ } // ok: pass reference to out2

一般情况下，如果要传递 IO 对象以便对它进行读写，可用非 const 引用的方式传递这个流对象。对 IO 对象的读写会改变它的状态，因此引用必须是非 const 的。

文件流

fstream 头文件定义了三种支持文件 IO 的类型：

  1. ifstream，由 istream 派生而来，提供读文件的功能。
  2. ofstream，由 ostream 派生而来，提供写文件的功能。
  3. fstream，由 iostream 派生而来，提供读写同一个文件的功能。

这些类型都由相应的 iostream 类型派生而来，这个事实意味着我们已经知道使用 fstream 类型需要了解的大部分内容了。特别是，可使用 IO 操作符 << 和 >> 在文件上实现格式化的 IO，而且在前面章节介绍的条件状态也同样适用于 fstream 对象。

fstream 类型除了继承下来的行为外，还定义了两个自己的新操作—— open 和 close，以及形参为要打开的文件名的构造函数。fstream、ifstream 或 ofstream 对象可调用这些操作，而其他的 IO 类型则不能调用。

文件流对象的使用

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// construct an ifstream and bind it to the file named ifile 
ifstream infile("in"); 
// ofstream output file object to write file named ofile 
ofstream outfile("out");

上述代码定义并打开了一对 fstream 对象。infile 是读的流，而 outfile 则是写的流。为 ifstream 或者 ofstream 对象提供文件名作为初始化式，就相当于打开了特定的文件。

下面的代码与上述代码等效：

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ifstream infile;    // unbound input file stream 
ofstream outfile;   // unbound output file stream
infile.open("in");   // open file named "in" in the current directory 
outfile.open("out"); // open file named "out" in the current directory

警告： C++ 中的文件名

由于历史原因，IO 标准库使用 C 风格字符串而不是 C++ strings 类型的字符串作为文件名。在创建 fstream 对象时，如果调用 open 或使用文件名作初始化式，需要传递的实参应为 C 风格字符串，而不是标准库 strings 对象。程序常常从标准输入获得文件名。通常，比较好的方法是将文件名读入 string 对象，而不是 C 风格字符数组。假设要使用的文件名保存在 string 对象中，则可调用 c_str 成员获取 C 风格字符串。

例如，假设 ifile 和 ofile 是存储希望读写的文件名的 strings 对象，可如下编写代码：

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infile.open(str1.c_str());   // open file named "in" in the current directory 
outfile.open(str2.c_str()); // open file named "out" in the current directory

检查文件打开是否成功

打开文件后，通常要检验打开是否成功，这是一个好习惯：

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// check that the open succeeded 
if (!infile) { 
  cerr << "error: unable to open input file: " 
       << ifile << endl; 
  return -1; 
 }

这个条件与之前测试 cin 是否到达文件尾或遇到某些其他错误的条件类似。检查流等效于检查对象是否“适合”输入或输出。如果打开（open）失败，则说明 fstream 对象还没有为 IO 做好准备。当测试对象

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if (outfile) // ok to use outfile?

返回 true 意味着文件已经可以使用。由于希望知道文件是否未准备好，则对返回值取反来检查流：

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if (!outfile) // not ok to use outfile?

将文件流与新文件重新捆绑

fstream 对象一旦打开，就保持与指定的文件相关联。如果要把 fstream 对象与另一个不同的文件关联，则必须 先关闭 （close）现在的文件，然后 再打开 （open）另一个文件：要点是在尝试打开新文件之前，必须先关闭当前的文件流。open 函数会检查流是否已经打开。如果已经打开，则设置内部状态，以指出发生了错误。

接下来使用文件流的任何尝试都会失败。

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ifstream infile("in");      // opens file named "in" for reading 
infile.close();             // closes "in" 
infile.open("next");        // opens file named "next" for reading

文件模式

在打开文件时，无论是调用 open 还是以文件名作为流初始化的一部分，都需指定文件模式（file mode）。每个 fstream 类都定义了一组表示不同模式的值，用于指定流打开的不同模式。与条件状态标志一样，文件模式也是整型常量，在打开指定文件时，可用位操作符设置一个或多个模式。文件流构造函数和 open 函数都提供了默认实参设置文件模式。默认值因流类型的不同而不同。此外，还可以显式地以模式打开文件。

in 打开文件做读操作 out 打开文件做写操作 app 追加模式：在每次写之前找到文件尾 ate 打开文件后立即将文件定位在文件尾 trunc 清空模式：打开文件时清空已存在的文件流 binary 以二进制模式进行 IO 操作

并不是所有的打开模式都可以同时指定。有些模式组合是没有意义的，例如同时以 in 和 trunc 模式打开文件，准备读取所生成的流，但却因为 trunc 操作而导致无数据可读。下表列出了有效的模式组合及其含义。

out 打开文件做写操作，删除文件中已有的数据 out | app 打开文件做写操作，在文件尾写入 out | trunc 与 out 模式相同 in 打开文件做读操作 in | out 打开文件做读、写操作，并定位于文件开头处 in | out | trunc 打开文件做读、写操作，删除文件中已有的数据

out、trunc 和 app 模式只能用于指定与 ofstream 或 fstream 对象关联的文件；in 模式只能用于指定与 ifstream 或 fstream 对象关联的文件。所有的文件都可以用 ate 或 binary 模式打开。ate 模式只在打开时有效：文件打开后将定位在文件尾。以 binary 模式打开的流则将文件以字节序列的形式处理，而不解释流中的字符。

默认时，与 ifstream 流对象关联的文件将以 in 模式打开，该模式允许文件做读的操作：与 ofstream 关联的文件则以 out 模式打开，使文件可写。以 out 模式打开的文件会被清空：丢弃该文件存储的所有数据。

从效果来看，为 ofstream 对象指定 out 模式等效于同时指定了 out 和 trunc 模式。

对于用 ofstream 打开的文件，要保存文件中存在的数据，唯一方法是显式地指定 app 模式打开：

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// output mode by default; truncates file named "file1" 
ofstream outfile("file1"); 
// equivalent effect: "file1" is explicitly truncated 
ofstream outfile2("file1", ofstream::out | ofstream::trunc); 
// append mode; adds new data at end of existing file named "file2" 
ofstream appfile("file2", ofstream::app);

outfile2 的定义使用了按位或操作符将相应的文件同时以 out 和 trunc 模式打开。

对同一个文件作输入和输出运算

fstream 对象既可以读也可以写它所关联的文件。fstream 如何使用它的文件取决于打开文件时指定的模式。

默认情况下，fstream 对象以 in 和 out 模式同时打开。 当文件同时以 in 和 out 打开时不清空 。如果打开 fstream 所关联的文件时，只使用 out 模式，而不指定 in 模式，则文件会清空已存在的数据。如果打开文件时指定了 trunc 模式，则无论是否同时指定了 in 模式，文件同样会被清空。下面的定义将 copyOut 文件同时以输入和输出的模式打开：

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// open for input and output 
fstream inOut("copyOut", fstream::in | fstream::out);

示例：一个打开并检查输入文件的程序

我们编写一个名为 open_file 的函数实现这个功能。这个函数有两个引用形参，分别是 ifstream 和 string 类型，其中 string 类型的引用形参存储与指定 ifstream 对象关联的文件名：

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// opens in binding it to the given file 
ifstream& open_file(ifstream &in, const string &file) 
{ 
  in.close();     // close in case it was already open 
  in.clear();     // clear any existing errors 
  // if the open fails, the stream will be in an invalid state 
  in.open(file.c_str()); // open the file we were given 
  return in; // condition state is good if open succeeded 
}

由于不清楚流 in 的当前状态，因此首先调用 close 和 clear 将这个流设置为有效状态。然后尝试打开给定的文件。如果打开失败，流的条件状态将标志这个流是不可用的。最后返回流对象 in，此时，in 要么已经与指定文件绑定起来了，要么处于错误条件状态。

字符串流

标准库定义了三种类型的字符串流：

  • istringstream，由 istream 派生而来，提供读 string 的功能。
  • ostringstream，由 ostream 派生而来，提供写 string 的功能。
  • stringstream，由 iostream 派生而来，提供读写 string 的功能。

要使用上述类，必须包含 sstream 头文件。

与 fstream 类型一样，上述类型由 iostream 类型派生而来，这意味着 iostream 上所有的操作适用于 sstream 中的类型。sstream 类型除了继承的操作外，还各自定义了一个有 string 形参的构造函数，这个构造函数将 string 类型的实参复制给 stringstream 对象。对 stringstream 的读写操作实际上读写的就是该对象中的 string 对象。这些类还定义了名为 str 的成员，用来读取或设置 stringstream 对象所操纵的 string 值。

stringstream strm; 创建自由的 stringstream 对象 stringstream strm(s); 创建存储 s 的副本的 stringstream 对象，其中 s 是 string 类型的对象 strm.str() 返回 strm 中存储的 string 类型对象 strm.str(s) 将 string 类型的 s 复制给 strm，返回 void

定义和使用

前面已经见过以每次一个单词或每次一行的方式处理输入的程序。第一种程序用 string 输入操作符，而第二种则使用 getline 函数。然而，有些程序需要同时使用这两种方式：有些处理基于每行实现，而其他处理则要操纵每行中每个单词。可用 stringstreams 对象实现：

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string line, word;      // will hold a line and word from input, respectively 
while (getline(cin, line))   {            // read a line from the input into line 
    // do per-line processing 
    istringstream stream(line);            // bind to stream to the line we read 
    while (stream >> word){          // read a word from line 
      // do per-word processing 
    } 
 }

这里，使用 getline 函数从输入读取整行内容。然后为了获得每行中的单词，将一个 istringstream 对象与所读取的行绑定起来，这样只需要使用普通的 string 输入操作符即可读出每行中的单词。

转换 和 格式化

stringstream 对象的一个常见用法是， 需要在多种数据类型之间实现自动格式化时使用该类类型。例如，有一个数值型数据集合，要获取它们的 string 表示形式，或反之。sstream 输入和输出操作可自动地把算术类型转化为相应的 string 表示形式，反过来也可以。

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int val1 = 512, val2 = 1024; 
ostringstream format_message; 
// ok: converts values to a string representation 
format_message << "val1: " << val1 << "\n" 
               << "val2: " << val2 << "\n";

这里创建了一个名为 format_message 的 ostringstream 类型空对象，并将指定的内容插入该对象。重点在于 int 型值自动转换为等价的可打印的字符串。format_message 的内容是以下字符：

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val1: 512\nval2: 1024

相反，用 istringstream 读 string 对象，即可重新将数值型数据找回来。读取 istringstream 对象自动地将数值型数据的字符表示方式转换为相应的算术值。

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// str member obtains the string associated with a stringstream 
istringstream input_istring(format_message.str()); 
string dump; // place to dump the labels from the formatted message 
// extracts the stored ascii values, converting back to arithmetic types 
input_istring >> dump >> val1 >> dump >> val2; 
cout << val1 << " " << val2 << endl;  // prints 512 1024

这里使用 .str 成员获取与之前创建的 ostringstream 对象关联的 string 副本。再将 input_istring 与 string 绑定起来。在读 input_istring 时，相应的值恢复为它们原来的数值型表示形式

为了读取 input_string，必须把该 string 对象分解为若干个部分。我们要的是数值型数据；为了得到它们，必须读取（和忽略）处于所需数据周围的标号。

错误处理

条件状态

IO 标准库管理一系列条件状态（condition state）条件状态（condition state）成员，用来标记给定的 IO 对象是否处于可用状态，或者碰到了哪种特定的错误。下列出了标准库定义的一组函数和标记，提供访问和操纵流状态的手段。

strm::iostate 机器相关的整型名，由各个 iostream 类定义，用于定义条件状态 strm::badbit strm::iostate 类型的值，用于指出被破坏的流 strm::failbit strm::iostate 类型的值，用于指出失败的 IO 操作 strm::eofbit strm::iostate 类型的值，用于指出流已经到达文件结束符 s.eof() 如果设置了流 s 的 eofbit 值，则该函数返回 true s.fail() 如果设置了流 s 的 failbit 值，则该函数返回 true s.bad() 如果设置了流 s 的 badbit 值，则该函数返回 true s.good() 如果流 s 处于有效状态，则该函数返回 true s.clear() 将流 s 中的所有状态值都重设为有效状态 s.clear(flag) 将流 s 中的某个指定条件状态设置为有效。flag 的类型是 strm::iostate s.setstate(flag) 给流 s 添加指定条件。flag 的类型是 strm::iostate s.rdstate() 返回流 s 的当前条件，返回值类型为 strm::iostate

许多程序只需知道是否有效。而某些程序则需要更详细地访问或控制流的状态，此时，除了知道流处于错误状态外，还必须了解它遇到了哪种类型的错误。例如，程序员也许希望弄清是到达了文件的结尾，还是遇到了 IO 设备上的错误。 所有流对象都包含一个条件状态成员，该成员由 setstate 和 clear 操作管理。这个状态成员为 iostate 类型，这是由各个 iostream 类分别定义的机器相关的整型。该状态成员以二进制位（bit）的形式使用。

每个 IO 类还定义了三个 iostate 类型的常量值，分别表示特定的位模式。这些常量值用于指出特定类型的 IO 条件，可与位操作符一起使用，以便在一次操作中检查或设置多个标志。 badbit 标志着系统级的故障，如无法恢复的读写错误。如果出现了这类错误，则该流通常就不能再继续使用了。如果出现的是可恢复的错误，如在希望获得数值型数据时输入了字符，此时则设置 failbit 标志，这种导致设置 failbit 的问题通常是可以修正的。eofbit 是在遇到文件结束符时设置的，此时同时还设置了 failbit。

流的状态由 bad、fail、eof 和 good 操作提示。如果 bad、fail 或者 eof 中的任意一个为 true，则检查流本身将显示该流处于错误状态。类似地，如果这三个条件没有一个为 true，则 good 操作将返回 true。 clear 和 setstate 操作用于改变条件成员的状态。clear 操作将条件重设为有效状态。在流的使用出现了问题并做出补救后，如果我们希望把流重设为有效状态，则可以调用 clear 操作。使用 setstate 操作可打开某个指定的条件，用于表示某个问题的发生。除了添加的标记状态，setstate 将保留其他已存在的状态变量不变。

clear 和 setstate 操作用于改变条件成员的状态。clear 操作将条件重设为有效状态。在流的使用出现了问题并做出补救后，如果我们希望把流重设为有效状态，则可以调用 clear 操作。使用 setstate 操作可打开某个指定的条件，用于表示某个问题的发生。除了添加的标记状态，setstate 将保留其他已存在的状态变量不变。

流状态的查询和控制

可以如下管理输入操作

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int ival; 
// read cin and test only for EOF; loop is executed even if there are other IO failures 
while (cin >> ival, !cin.eof()) { 
  if (cin.bad())         // input stream is corrupted; bail out 
    throw runtime_error("IO stream corrupted"); 
  if (cin.fail()) {                        // bad input 
    cerr<< "bad data, try again";        // warn the user 
    cin.clear(istream::failbit);         // reset the stream 
    continue;                            // get next input 
  } 
  // ok to process ival 
 }

清除流状态

考虑这样的程序，它有一个 vector 对象，包含一些要打开并读取的文件名，程序要对每个文件中存储的单词做一些处理。假设该 vector 对象命名为 files，程序也许会有如下循环：

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// for each file in the vector 
while (it != files.end()) { 
  ifstream input(it->c_str());   // open the file; 
  // if the file is ok, read and "process" the input 
  if (!input) 
    break;                  // error: bail out! 
  while(input >> s)               // do the work on this file 
    process(s); 
  ++it;                           // increment iterator to get next file 
 }

每一次循环都构造了名为 input 的 ifstream 对象，打开并读取指定的文件。构造函数的初始化式使用了箭头操作符 对 it 进行解引用，从而获取 it 当前表示的 string 对象的 c_str 成员。文件由构造函数打开，并假设打开成功，读取文件直到到达文件结束符或者出现其他的错误条件为止。

在这个点上，input 处于错误状态。任何读 input 的尝试都会失败。因为 input 是 while 循环的局部变量，在每次迭代中创建。这就意味着它在每次循环中都以干净的状态即 input.good() 为 true，开始使用。

如果希望避免在每次 while 循环过程中创建新流对象，可将 input 的定义移到 while 之前。这点小小的改动意味着必须更仔细地管理流的状态。如果遇到文件结束符或其他错误，将设置流的内部状态，以便之后不允许再对该流做读写操作。关闭流并不能改变流对象的内部状态。如果最后的读写操作失败了，对象的状态将保持为错误模式，直到执行 clear 操作重新恢复流的状态为止。调用 clear 后，就像重新创建了该对象一样。

如果打算重用已存在的流对象，那么 while 循环必须在每次循环进记得关闭（close）和清空（clear）文件流：

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ifstream input; 
vector<string>::const_iterator it = files.begin(); 
//   for each file in the vector 
while (it != files.end()) { 
  input.open(it->c_str());  // open the file 
  // if the file is ok, read and "process" the input 
  if (!input) 
    break;                    // error: bail out! 
  while(input >> s) // do the work on this file 
    process(s); 
  input.close();        // close file when we're done with it 
  input.clear();        // reset state to ok 
  ++it;                 // increment iterator to get next file 
 }

如果忽略 clear 的调用，则循环只能读入第一个文件。要了解其原因，就需要考虑在循环中发生了什么：首先打开指定的文件。假设打开成功，则读取文件直到文件结束或者出现其他错误条件为止。在这个点上，input 处于错误状态。如果在关闭（close）该流前没有调用 clear 清除流的状态，接着在 input 上做的任何输入运算都会失败。一旦关闭该文件，再打开下一个文件时，在内层 while 循环上读 input 仍然会失败——毕竟最后一次对流的读操作到达了文件结束符，事实上该文件结束符对应的是另一个与本文件无关的其他文件。

如果程序员需要重用文件流读写多个文件，必须在读另一个文件之前调用 clear 清除该流的状态。

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