13.IO流与文件

目录介绍

• 13.1 输入输出介绍
  • 13.1.1 输入输出流
  • 13.1.2 I/O库头文件
  • 13.1.3 标准输出流cout
  • 13.1.4 标准输入流cin
  • 13.1.5 标准错误流cerr
  • 13.1.6 标准日志流clog
• 13.2 文件操作实践
  • 13.2.1 文件是什么
  • 13.2.2 文件类型分类
  • 13.2.3 操作文件类
  • 13.2.4 文本文件写
  • 13.2.5 文本文件读
  • 13.2.6 二进制文件写
  • 13.2.7 二进制文件读
  • 13.2.8 文件读写指针
• 13.3 IO综合案例

13.1 输入输出介绍

13.1.1 输入输出流

学过 C 语言的读者应该知道，它有一整套完成数据读写（I/O）的解决方案：

1. 使用 scanf()、gets() 等函数从键盘读取数据，使用 printf()、puts() 等函数向屏幕上输出数据；
2. 使用 fscanf()、fgets() 等函数读取文件中的数据，使用 fprintf()、fputs() 等函数向文件中写入数据。

C 语言的这套 I/O 解决方案也适用于 C++ 程序，但 C++ 并没有“偷懒”，它自己独立开发了一套全新的 I/O 解决方案，其中就包含大家一直使用的 cin 和 cout。

1. 用 cin 接收从键盘输入的数据，用 cout 向屏幕上输出数据（这 2 个过程又统称为“标准 I/O”）。
2. 除此之外，C++ 也对从文件中读取数据和向文件中写入数据做了支持（统称为“文件 I/O”）。

13.1.2 I/O库头文件

ios 是所有流类的基类，它派生出 istream 和 ostream。

特别需要指出的是，为了避免多继承的二义性，从 ios 派生出 istream 和 ostream 时，均使用了 virtual 关键字（虚继承）。

这些流类各自的功能分别为：

1. istream：常用于接收从键盘输入的数据；
2. ostream：常用于将数据输出到屏幕上；
3. ifstream：用于读取文件中的数据；
4. ofstream：用于向文件中写入数据；
5. iostream：继承自 istream 和 ostream 类，因为该类的功能兼两者于一身，既能用于输入，也能用于输出；
6. fstream：兼 ifstream 和 ofstream 类功能于一身，既能读取文件中的数据，又能向文件中写入数据。

13.1.3 标准输出流cout

在C++中，cout是标准输出流对象，用于向控制台或终端输出数据。它是iostream库中的一部分，可以通过包含头文件<iostream>来使用。

使用cout进行输出非常简单，只需使用<<运算符将要输出的数据插入到cout对象中即可。以下是一些示例用法：

#include <iostream>

int main() {
    int number = 42;
    double pi = 3.14159;
    std::string message = "Hello, world!";

    std::cout << "This is a number: " << number << std::endl;
    std::cout << "This is pi: " << pi << std::endl;
    std::cout << "This is a message: " << message << std::endl;
    return 0;
}

cout对象可以与各种数据类型一起使用，包括基本数据类型（如整数、浮点数、字符等）和自定义类型（如字符串、数组、对象等）。

需要注意的是，cout是一个全局对象，属于std命名空间。因此，在使用cout之前，我们需要使用std::前缀来指定命名空间，或者使用using namespace std;语句来引入整个std命名空间。

13.1.4 标准输入流cin

在C++中，cin是标准输入流对象，用于从控制台或终端读取用户输入的数据。它也是iostream库的一部分，可以通过包含头文件<iostream>来使用。

使用cin进行输入非常简单，只需使用>>运算符将输入的数据存储到相应的变量中。以下是一些示例用法：

#include <iostream>

int main() {
    int number;
    double pi;
    std::string message;

    std::cout << "Enter a number: ";
    std::cin >> number;

    std::cout << "Enter the value of pi: ";
    std::cin >> pi;

    std::cout << "Enter a message: ";
    std::cin.ignore(); // 忽略之前的换行符
    std::getline(std::cin, message);

    std::cout << "You entered: " << number << ", " << pi << ", " << message << std::endl;

    return 0;
}

使用cin对象从用户那里读取了一个整数、一个浮点数和一行字符串。每个输入都使用>>运算符将输入的数据存储到相应的变量中。std::getline函数用于读取一行字符串，而std::cin.ignore()函数用于忽略之前的换行符。

13.1.5 标准错误流cerr

cerr是标准错误流对象，用于向控制台或终端输出错误信息。它也是iostream库的一部分，可以通过包含头文件<iostream>来使用。

使用cerr进行输出也非常简单，只需使用<<运算符将要输出的错误信息插入到cerr对象中即可。以下是一个示例用法：

#include <iostream>

int main() {
    int dividend = 10;
    int divisor = 0;

    if (divisor == 0) {
        std::cerr << "Error: Division by zero!" << std::endl;
    } else {
        int result = dividend / divisor;
        std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    }
    return 0;
}

进行了一个除法运算，但是当除数为零时，会输出一个错误信息到cerr对象中。这样可以将错误信息与正常输出分开，使其更易于识别和处理。

与cout不同的是，cerr对象的输出通常会直接显示在控制台或终端的错误输出流中，而不会被重定向或缓冲。这使得cerr适用于输出紧急或重要的错误信息，以便及时通知用户。

13.1.6 标准日志流clog

clog是标准日志流对象，用于向控制台或终端输出日志信息。它也是iostream库的一部分，可以通过包含头文件<iostream>来使用。

#include <iostream>

int main() {
    int value = 42;
    std::clog << "This is a log message: " << value << std::endl;
    return 0;
}

使用clog对象输出了一个日志信息，其中包含一个整数值。与cout和cerr不同，clog对象的输出通常会被缓冲，这意味着日志信息可能不会立即显示在控制台或终端上，而是在适当的时机进行刷新。

clog对象通常用于输出一般的日志信息，既不像cout那样用于正常输出，也不像cerr那样用于错误信息。它可以用于记录程序的运行状态、调试信息或其他重要的日志记录。

13.2 文件操作实践

13.2.1 文件是什么

内存中存放的数据在计算机关机后就会消失。要长久保存数据，就要使用硬盘、光盘、U 盘等设备。为了便于数据的管理和检索，引入了“文件”的概念。

成千上万个文件如果不加分类放在一起，用户使用起来显然非常不便，因此又引入了树形目录（目录也叫文件夹）的机制，可以把文件放在不同的文件夹中，文件夹中还可以嵌套文件夹，这就便于用户对文件进行管理和使用。

所谓“格式”，就是关于文件中每一部分的内容代表什么含义的一种约定。 例如，常见的纯文本文件（也叫文本文件，扩展名通常是“.txt”），指的是能够在 Windows 的“记事本”程序中打开，并且能看出是一段有意义的文字的文件。文本文件的格式可以用一句话来描述：文件中的每个字节都是一个可见字符的 ASCII 码。

所谓“文本文件”和“二进制文件”，只是约定俗成的、从计算机用户角度出发进行的分类，并不是计算机科学的分类。因为从计算机科学的角度来看，所有的文件都是由二进制位组成的，都是二进制文件。文本文件和其他二进制文件只是格式不同而已。

13.2.2 文件类型分类

程序运行时产生的数据都属于临时数据，程序一旦运行结束都会被释放

通过文件可以将数据持久化

C++中对文件操作需要包含头文件 ==< fstream >==

文件类型分为两种：

1. 文本文件 —— 文件以文本的ASCII码形式存储在计算机中
2. 二进制文件 —— 文件以文本的二进制形式存储在计算机中，用户一般不能直接读懂它们

13.2.3 操作文件类

C++ 标准库中还专门提供了 3 个类用于实现文件操作，它们统称为文件流类，这 3 个类分别为：

1. ifstream：专用于从文件中读取数据；
2. ofstream：专用于向文件中写入数据；
3. fstream：既可用于从文件中读取数据，又可用于向文件中写入数据。

13.2.4 文本文件写

写文件步骤如下：

1. 包含头文件 ：#include <fstream>
2. 创建流对象 ：ofstream ofs;
3. 打开文件 ：ofs.open("文件路径",打开方式);
4. 写数据 ：ofs << "写入的数据";
5. 关闭文件 ：ofs.close();

文件打开方式：

打开方式	解释
ios::in	为读文件而打开文件
ios::out	为写文件而打开文件
ios::ate	初始位置：文件尾
ios::app	追加方式写文件
ios::trunc	如果文件存在先删除，再创建
ios::binary	二进制方式

注意： 文件打开方式可以配合使用，利用|操作符

**例如：**用二进制方式写文件 ios::binary | ios:: out

示例：

#include <fstream>

void test1() {
    ofstream ofs;
    ofs.open("2_4.txt" ,ios::out);
    ofs << "姓名：张三" << endl;
    ofs << "性别：男" << endl;
    ofs << "年龄：18" << endl;
    ofs.close();
}

int main() {
    test1();
    return 0;
}

总结：

• 文件操作必须包含头文件 fstream
• 读文件可以利用 ofstream ，或者fstream类
• 打开文件时候需要指定操作文件的路径，以及打开方式
• 利用<<可以向文件中写数据
• 操作完毕，要关闭文件

13.2.5 文本文件读

读文件与写文件步骤相似，但是读取方式相对于比较多。读文件步骤如下：

1. 包含头文件 ：#include <fstream>
2. 创建流对象 ：ifstream ifs;
3. 打开文件并判断文件是否打开成功 ：ifs.open("文件路径",打开方式);
4. 读数据 ：四种方式读取
5. 关闭文件 ：ifs.close();

示例：

#include "fstream"
#include "string"
#include "iostream"

using namespace std;

void test() {
    ifstream ifs;
    ifs.open("text.txt", ios::in);
    if (!ifs.is_open()) {
        cout << "文件打开失败" << endl;
        return;
    }

    //第一种方式
    char buf[1024] = {0};
    while (ifs >> buf) {
        cout << buf << endl;
    }

    //第二种
//    char buf[1024] = {0};
//    while (ifs.getline(buf, sizeof(buf))) {
//        cout << buf << endl;
//    }

    //第三种
//    string buf;
//    while (getline(ifs, buf)) {
//        cout << buf << endl;
//    }

//    char c;
//    while ((c = ifs.get()) != EOF) {
//        cout << c;
//    }
    ifs.close();
}

int main() {
    test();
    return 0;
}

总结：

• 读文件可以利用 ifstream ，或者fstream类
• 利用is_open函数可以判断文件是否打开成功
• close 关闭文件

13.2.6 二进制文件写

以二进制的方式对文件进行读写操作。打开方式要指定为 ==ios::binary==

二进制方式写文件主要利用流对象调用成员函数write

函数原型 ：ostream& write(const char * buffer,int len);

参数解释：字符指针buffer指向内存中一段存储空间。len是读写的字节数

示例：

#include "fstream"
#include "string"
using namespace std;

class Person {
public:
    char name[64];
    int age;
};

void test() {
    //1、包含头文件
    //2、创建输出流对象
    ofstream ofs("person.txt", ios::out | ios::binary);
    //3、打开文件
    //ofs.open("person.txt", ios::out | ios::binary);
    Person p = {"张三"  , 18};
    //4、写文件
    ofs.write((const char *)&p, sizeof(p));
    //5、关闭文件
    ofs.close();
}

int main() {
    test();
    return 0;
}

总结：

• 文件输出流对象 可以通过write函数，以二进制方式写数据

13.2.7 二进制文件读

二进制方式读文件主要利用流对象调用成员函数read

函数原型：istream& read(char *buffer,int len);

参数解释：字符指针buffer指向内存中一段存储空间。len是读写的字节数

示例：

#include "fstream"
#include "string"
#include "iostream"
using namespace std;

class Person {
public:
    char name[64];
    int age;
};

void test() {
    //2、创建输入流对象
    ifstream ifs("person.txt", ios::in | ios::binary);
    if (!ifs.is_open()) {
        cout << "文件打开失败" << endl;
        return;
    }
    //3、打开文件
    //ofs.open("person.txt", ios::in | ios::binary);
    Person p;
    //4、读文件
    ifs.read((char *)&p, sizeof(p));
    //5、关闭文件
    ifs.close();
    cout << "姓名： " << p.name << " 年龄： " << p.age << endl;
}

int main() {
    test();
    return 0;
}

• 文件输入流对象 可以通过read函数，以二进制方式读数据

13.2.8 文件读写指针

• 7.2.3.1 文件错误与状态，文件错误和状态可以通过文件流对象的状态标志来表示。std::fstream类中定义了一些成员函数和状态标志，用于检测和处理文件错误和状态。
• 7.2.3.2 文件的追加，可以使用文件流对象的std::ofstream类来实现文件的追加操作。要实现文件的追加，需要在打开文件时指定追加模式。
• 7.2.3.3 文件结尾的判断，可以使用文件流对象的eof()函数来判断文件是否已经到达结尾。
• 7.2.3.4 在指定位置读/写文件，可以使用文件流对象的seekg()和seekp()函数来在指定位置进行文件的读取和写入操作。

7.3 IO综合案例

7.3.1 IO流实践

• 7.3.1.1 合并两个文件信息
• 7.3.1.2 文件复制
• 7.3.1.3 文件加密
• 7.3.1.4 使用销毁的手段保护文件内容
• 7.3.1.5 在文件中查找关键词出现的次数