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C++中IO文件输入输出知识详解和注意事项

article 2025/9/7 14:28:01

以下内容将从文件流类体系、打开模式、文本与二进制 I/O、随机访问、错误处理、性能优化等方面，详解 C++ 中文件输入输出的使用要点，并配以示例。

一、文件流类体系

C++ 标准库提供三种文件流类型，均定义在 <fstream> 中：

std::ifstream：输入文件流，用于从文件读取（继承自 std::istream）。
std::ofstream：输出文件流，用于向文件写入（继承自 std::ostream）。
std::fstream：读写文件流，可同时做输入和输出（继承自两者）。

它们的典型用法与标准流 (cin/cout) 类似，但需要先打开文件。

二、打开模式（`std::ios_base::openmode`）

打开时可指定下列模式的按位或（|）组合：

模式	含义
`std::ios::in`	打开用于读操作
`std::ios::out`	打开用于写操作
`std::ios::app`	所有写操作均追加到文件末尾
`std::ios::trunc`	打开时清空已有内容（默认对 `ofstream` 生效）
`std::ios::binary`	二进制模式（屏蔽文本模式下的换行转换）
`std::ios::ate`	打开后立即定位到文件末尾

示例：

std::ifstream fin("data.txt", std::ios::in);
std::ofstream fout("out.txt", std::ios::out | std::ios::trunc);
std::fstream fs("db.bin", std::ios::in|std::ios::out|std::ios::binary);

三、文本文件 I/O

1. 写入文本

operator<< 与格式化

std::ofstream fout("log.txt");
fout << "Count = " << count << '\n';

std::endl 与 '\n'
- std::endl 会插入换行并刷新缓冲，频繁使用有性能开销；推荐输出 '\n'。

2. 读取文本

按词/按行读取

std::ifstream fin("data.txt");
std::string word;
while (fin >> word) { /* 按空白分隔 */ }fin.clear(); fin.seekg(0);
std::string line;
while (std::getline(fin, line)) { /* 读取整行，不含换行符 */ }

混合 >> 与 getline
使用 >> 后会留下换行符，若紧接 getline，会读入一个空行。
解决：每次切换前调用 fin.ignore() 跳过残留的 '\n'。

四、二进制文件 I/O

当读写原始字节或 POD 结构时，选用二进制模式并使用 read/write：

struct Record { int id; double value; };void writeRecords(const std::vector<Record>& recs) {std::ofstream fout("rec.bin", std::ios::out|std::ios::binary);fout.write(reinterpret_cast<const char*>(recs.data()),recs.size()*sizeof(Record));
}std::vector<Record> readRecords() {std::ifstream fin("rec.bin", std::ios::in|std::ios::binary);fin.seekg(0, std::ios::end);std::size_t size = fin.tellg() / sizeof(Record);fin.seekg(0, std::ios::beg);std::vector<Record> recs(size);fin.read(reinterpret_cast<char*>(recs.data()),size*sizeof(Record));return recs;
}

注意：直接写整体 vector 只对标准布局（POD）类型安全。若含指针或非平凡类型，需循环写每个字段或序列化。

五、随机访问（定位）

seekg / seekp：设置读/写位置

fin.seekg(offset, std::ios::beg|std::ios::cur|std::ios::end);
fout.seekp(...);

tellg / tellp：返回当前位置
```
auto pos = fin.tellg();
```
注意：文本模式下各种平台会对换行做转换，seek/tell 不保证以字节为单位精确跳转；二进制模式下则如你所见。

六、错误处理与异常

1. 状态位检查

if (!fin) { /* 打开失败或已处于错误状态 */ }
if (fin.eof()) { /* 到达末尾 */ }
if (fin.fail()) { /* 格式错误或开关失败 */ }

2. 异常模式

fin.exceptions(std::ios::failbit | std::ios::badbit);
try {int x;fin >> x;  // 失败时抛 std::ios_base::failure
} catch (const std::ios_base::failure& e) {std::cerr << "I/O 异常: " << e.what() << "\n";
}

3. 资源管理

文件流析构时会自动 close()，但若需提前关闭或检测错误，可显式：
```
fin.close();
if (fin.fail()) std::cerr<<"关闭失败\n";
```

七、性能优化

同步关闭

std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(nullptr);

可加速与 C 风格 I/O 的混用场景。

缓冲区大小
- 默认缓冲区通常足够；若需高性能可自定义：重载流的 rdbuf()->pubsetbuf()。
减少临时与拷贝
- 尽量一次性 read/write 大块数据；
- 对文本分词解析可用 std::string_view 和 std::getline 配合 std::stringstream。
避免频繁开关文件
- 对同一文件的多次写入，宜在同一流对象上完成；若交替读写，用 fstream 且调用 seek/flush 而非反复构造流。

八、综合示例

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <string>struct Record { int id; double value; };int main() {// 1. 文本写入{std::ofstream log("app.log", std::ios::out|std::ios::app);if (!log) throw std::runtime_error("无法打开日志");log << "程序启动\n";}// 2. 文本读取与解析{std::ifstream fin("config.txt");if (!fin) {std::cerr<<"配置文件打开失败\n";} else {std::string line;while (std::getline(fin, line)) {// 跳过空行和注释if (line.empty() || line[0]=='#') continue;std::cout<<"配置: "<<line<<"\n";}}}// 3. 二进制读写std::vector<Record> recs = {{1,1.23},{2,4.56},{3,7.89}};{std::ofstream fout("data.bin", std::ios::out|std::ios::binary);fout.write(reinterpret_cast<const char*>(recs.data()),recs.size()*sizeof(Record));}{std::ifstream fin("data.bin", std::ios::in|std::ios::binary);fin.seekg(0, std::ios::end);size_t n = fin.tellg()/sizeof(Record);fin.seekg(0);std::vector<Record> buf(n);fin.read(reinterpret_cast<char*>(buf.data()), n*sizeof(Record));std::cout<<"读取 "<<buf.size()<<" 条记录\n";}return 0;
}