C++ 文件和流

在 C++ 中，所有 I/O（输入/输出）都建立在 流（stream）之上——一种对数据源（文件、内存、网络等）进行统一抽象的双向管道。下面主要介绍文件流与常见的流类型，以及如何使用它们进行文本和二进制文件的读写。

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1. 基础概念

• std::istream / std::ostream
  • istream（输入流）提供提取操作 operator>>、getline() 等。
  • ostream（输出流）提供插入操作 operator<<、write() 等。
  • 常见实例：std::cin（标准输入，istream）、std::cout（标准输出，ostream）、std::cerr（标准错误，未缓冲）。
• 文件流（fstream）
  定义于 <fstream>，继承自 istream / ostream：
  • std::ifstream：输入文件流（读），派生自 istream
  • std::ofstream：输出文件流（写），派生自 ostream
  • std::fstream：读写文件流（双向），派生自两者

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2. 打开与关闭文件

#include <fstream>

// 打开文本文件用于写入（覆盖模式）
std::ofstream ofs("example.txt");  
if (!ofs) {
    // 打开失败
}

// 打开文件追加写入
std::ofstream aos("log.txt", std::ios::app);

// 打开二进制读写
std::fstream fs("data.bin", 
                std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary);

// 用完后（或在析构时）自动关闭
ofs.close();

• 模式标志（可按位或组合）：
  • std::ios::in：读
  • std::ios::out：写（默认会截断原文件）
  • std::ios::app：所有写操作追加到末尾
  • std::ios::binary：二进制模式（不做换行或编码转换）
  • std::ios::trunc：打开即截断（常与 out 一起）

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3. 文本文件 I/O

3.1 写入

std::ofstream ofs("output.txt");
ofs << "Hello, World!" << '\n'
    << 123 << " " << 3.14 << std::endl;

• 支持所有 operator<< 重载（整型、浮点、字符串等）；可用 <iomanip> 中的格式控制（如 std::setw, std::setprecision）。

3.2 读取

std::ifstream ifs("input.txt");
std::string line;
while (std::getline(ifs, line)) {
    // 逐行读取，包括空格
    process(line);
}

// 或者按空白分割读取
int x; double y;
ifs >> x >> y;  // 遇空白自动分隔

• getline 不会丢弃空行；operator>> 会跳过所有空白。

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4. 二进制文件 I/O

二进制模式下，读写原始字节，不受换行或编码影响。

std::ofstream ofs("data.bin", std::ios::binary);
int n = 42;
double d = 3.14;
ofs.write(reinterpret_cast<const char*>(&n), sizeof n);
ofs.write(reinterpret_cast<const char*>(&d), sizeof d);

std::ifstream ifs("data.bin", std::ios::binary);
int n2;
double d2;
ifs.read(reinterpret_cast<char*>(&n2), sizeof n2);
ifs.read(reinterpret_cast<char*>(&d2), sizeof d2);

• 注意对齐与字节序：跨平台时需考虑 endianness 和结构体填充。

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5. 自定义流与缓冲区

• std::ostringstream / std::istringstream：基于 std::string 的内存流，用于将文本“格式化”到字符串，或从字符串中解析。
• 自定义 streambuf：通过继承 std::streambuf 可把流重定向到网络、压缩库等。

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6. 错误与状态管理

每个流对象都有状态标志位，可通过以下方法查询和重置：

方法	含义
eof()	到达文件末尾
fail()	读取/写入失败或格式错误
bad()	严重 I/O 错误
good()	无错误
clear()	清除所有错误状态

if (ifs.fail()) { /* 处理输入错误 */ }
ifs.clear();            // 恢复状态
ifs.seekg(0);           // 可重新定位读指针

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小结

• 统一的流模型：用 istream/ostream 抽象各种 I/O 目标。
• 文件流：通过 ifstream/ofstream/fstream 在文本和二进制模式下进行文件读写。
• 格式化与原始字节：文本用插入/提取运算符和 getline，二进制用 read/write。
• 状态管理：随时检查 eof、fail 等状态，保证健壮性。

掌握这些，便能在 C++ 中灵活、高效、安全地完成各种文件和流相关的 I/O 操作。