【C++实战⑬】解锁C++文件操作：从基础到实战的进阶之路

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一、文件操作的基本概念

1.1 文件的分类与打开方式

在 C++ 编程中，文件是存储数据的重要载体，根据数据的编码方式，文件主要分为 ASCII 码文件（也称为文本文件）和二进制文件。

文本文件以字符形式存储数据，每个字符对应一个 ASCII 码值，并且以换行符\n作为行的分隔符，这使得文本文件具有良好的可读性，我们可以直接使用文本编辑器打开并查看其内容，例如常见的.txt文件。而二进制文件则是以二进制的形式存储数据，它直接反映了数据在内存中的存储形式，没有特定的字符编码和行分隔符概念，因此二进制文件对于人类来说可读性较差，但在存储一些复杂数据结构或需要高效存储时具有明显优势，比如图像文件（.jpg、.png）、音频文件（.mp3、.wav）等。

当我们在 C++ 中进行文件操作时，首先需要打开文件，通过指定不同的打开方式来确定对文件的操作权限和行为。常见的文件打开方式有以下几种：

• ios::in：以输入（读取）模式打开文件，用于从文件中读取数据，通常用于读取文本文件或二进制文件中的数据。例如，如果我们要读取一个配置文件的内容，就可以使用ios::in模式打开该文件。
• ios::out：以输出（写入）模式打开文件，用于向文件中写入数据。若文件已存在，其原有内容会被清空；若文件不存在，则会创建一个新文件。比如我们要生成一个日志文件记录程序运行信息，就可以用ios::out模式打开文件进行写入操作 。
• ios::app：以追加模式打开文件，新写入的数据会追加到文件的末尾，不会覆盖原有内容，适用于需要不断记录新信息的场景，如记录系统运行日志。
• ios::binary：以二进制模式打开文件，用于处理二进制文件，在这种模式下，文件读写操作将按照字节进行，不会对数据进行任何字符转换。例如在处理图像文件时，就需要使用ios::binary模式打开，以确保图像数据的准确性。

我们可以在打开文件时组合使用这些模式，比如ios::in | ios::binary表示以二进制输入模式打开文件，ios::out | ios::app表示以追加写入模式打开文件。正确选择文件的打开方式是进行文件操作的基础，它直接影响到文件操作的结果和效率。

1.2 文件流的概念与相关类（ifstream、ofstream、fstream）

在 C++ 中，文件流是一种用于在程序和外部文件之间进行数据交互的机制，它提供了一种按顺序读取或写入文件内容的方式，就像是一条数据的流动通道，数据可以从文件流入程序（读取操作），也可以从程序流出到文件（写入操作）。文件流是 C++ 输入 / 输出（I/O）体系的一部分，它使得文件操作更加方便和直观。

C++ 标准库提供了三个主要的文件流类来实现文件的输入输出操作，它们分别是ifstream、ofstream和fstream。

• ifstream：继承自istream类，专门用于文件的输入操作，即从文件中读取数据。当创建一个ifstream对象并调用其open()成员函数时，可以指定要读取的文件名和打开模式（默认为ios::in）。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ifstream file("example.txt");// 以默认的输入模式打开文件if (file.is_open()) {std::string line;while (std::getline(file, line)) {std::cout << line << std::endl;}file.close();// 关闭文件} else {std::cerr << "无法打开文件" << std::endl;}return 0;
}

在上述代码中，我们使用ifstream打开名为example.txt的文件，并逐行读取文件内容输出到控制台。如果文件打开失败，会输出错误信息。

• ofstream：继承自ostream类，用于文件的输出操作，即向文件中写入数据。默认以ios::out模式打开文件，如果文件已存在，会先清空原有内容；若文件不存在，则创建新文件。示例如下：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ofstream file("output.txt");// 以输出模式打开文件if (file.is_open()) {file << "这是写入文件的内容" << std::endl;file.close();} else {std::cerr << "无法打开文件" << std::endl;}return 0;
}

此代码通过ofstream打开output.txt文件，并向其中写入一行文本。

• fstream：继承自iostream类，它同时支持文件的输入和输出操作，功能更为全面。在使用fstream时，需要明确指定打开模式，如ios::in | ios::out表示以读写模式打开文件。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::fstream file("data.txt", std::ios::in | std::ios::out);if (file.is_open()) {std::string content;file >> content;std::cout << "读取的内容是：" << content << std::endl;file.seekp(0, std::ios::end);file << "追加新的内容";file.close();} else {std::cerr << "无法打开文件" << std::endl;}return 0;
}

这段代码使用fstream以读写模式打开data.txt文件，先读取文件内容输出，然后将文件指针移动到文件末尾追加新内容。

1.3 文件操作的基本流程

在 C++ 中进行文件操作，通常遵循以下基本流程：

1. 打开文件：使用上述提到的文件流类（ifstream、ofstream、fstream）的构造函数或open()成员函数来打开文件，并指定合适的打开方式。在打开文件后，务必检查文件是否成功打开，可以通过文件流对象的is_open()成员函数来判断。若文件打开失败，应及时进行错误处理，例如输出错误信息并终止相关操作，避免后续对未成功打开的文件进行读写操作导致程序崩溃。
2. 读写文件：根据文件的打开模式和需求，使用相应的运算符或成员函数进行文件的读写操作。例如，使用<<运算符向文件中写入数据（适用于ofstream和fstream在输出模式下），使用>>运算符从文件中读取数据（适用于ifstream和fstream在输入模式下） ；对于二进制文件，还可以使用read()和write()成员函数进行按字节的读写操作。在读写过程中，要注意数据的格式和类型匹配，确保数据的正确读写。
3. 关闭文件：在完成文件的读写操作后，需要关闭文件，以释放系统资源并确保数据的完整性。可以通过调用文件流对象的close()成员函数来关闭文件。使用RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则，将文件流对象定义在合适的作用域内，当对象离开作用域时，其析构函数会自动调用close()函数关闭文件，这样可以有效避免因忘记关闭文件而导致的资源泄漏问题。

在整个文件操作过程中，异常处理也是非常重要的环节。由于文件操作可能会受到各种因素的影响，如文件不存在、磁盘空间不足、权限不足等，这些情况都可能导致文件操作失败并抛出异常。因此，我们应该使用try-catch语句块来捕获可能出现的异常，并进行适当的处理，例如向用户提示错误信息、记录日志等，以增强程序的稳定性和可靠性。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {try {std::ofstream file("test.txt");if (!file.is_open()) {throw std::runtime_error("无法打开文件");}file << "写入一些内容";file.close();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "文件操作错误: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}

在上述代码中，通过try-catch块捕获文件操作过程中可能抛出的异常，并输出错误信息。

二、文本文件的读写实战

2.1 文本文件的打开与关闭

在 C++ 中，对文本文件进行读写操作前，首先需要打开文件，操作完成后要关闭文件，以确保资源的正确管理和数据的完整性。下面通过不同的文件流类来展示打开和关闭文本文件的方法。

使用ofstream类打开文件用于写入操作：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ofstream outFile("example.txt");// 使用默认的ios::out模式打开文件，若文件存在则清空内容，若不存在则创建新文件if (outFile.is_open()) {outFile << "这是写入文件的内容" << std::endl;outFile.close();// 关闭文件} else {std::cerr << "无法打开文件进行写入" << std::endl;}return 0;
}

上述代码中，ofstream类的构造函数接受文件名作为参数来打开文件。通过is_open()函数检查文件是否成功打开，如果打开成功则进行写入操作，最后使用close()函数关闭文件。

使用ifstream类打开文件用于读取操作：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ifstream inFile("example.txt");// 以默认的ios::in模式打开文件if (inFile.is_open()) {std::string line;while (std::getline(inFile, line)) {std::cout << line << std::endl;}inFile.close();} else {std::cerr << "无法打开文件进行读取" << std::endl;}return 0;
}

此代码中，ifstream类打开文件后，通过getline函数逐行读取文件内容并输出，操作结束后关闭文件。

若需要对文件进行读写操作，则可以使用fstream类：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::fstream ioFile("example.txt", std::ios::in | std::ios::out);if (ioFile.is_open()) {// 读取文件内容std::string content;ioFile >> content;std::cout << "读取的内容是：" << content << std::endl;// 写入文件内容ioFile.seekp(0, std::ios::end);ioFile << "追加新的内容";ioFile.close();} else {std::cerr << "无法打开文件进行读写" << std::endl;}return 0;
}

在这个例子中，fstream类以ios::in | ios::out模式打开文件，既可以读取文件内容，也可以向文件中追加内容。先读取文件内容，然后将文件指针移动到文件末尾，再进行写入操作，最后关闭文件。

2.2 文本文件的写入操作（<< 运算符、write 函数）

在 C++ 中，向文本文件写入数据主要有两种常用方式：使用<<运算符和write函数，它们各有特点和适用场景。

使用<<运算符写入文本文件是一种非常直观和便捷的方式，它与向cout输出数据的语法类似，适用于写入各种类型的数据，如字符串、整数、浮点数等，并且会自动处理数据类型的转换。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ofstream file("output.txt");if (file.is_open()) {int num = 100;double pi = 3.14159;std::string message = "Hello, File!";file << "整数: " << num << std::endl;file << "浮点数: " << pi << std::endl;file << "字符串: " << message << std::endl;file.close();} else {std::cerr << "无法打开文件进行写入" << std::endl;}return 0;
}

上述代码通过<<运算符将不同类型的数据依次写入到output.txt文件中，每写入一项数据后换行，使得文件内容具有良好的可读性。

write函数则更侧重于以二进制的方式写入数据，它接受一个字符指针和要写入的字节数作为参数，因此需要手动处理数据的格式化和类型转换。通常用于写入字符串或者二进制数据块。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <cstring>int main() {std::ofstream file("output.txt", std::ios::binary);if (file.is_open()) {const char* message = "Hello, Binary Write!";std::size_t length = strlen(message);file.write(message, length);file.close();} else {std::cerr << "无法打开文件进行写入" << std::endl;}return 0;
}

此代码中，write函数将字符串message的内容按照字节原样写入到文件中，由于是以二进制模式打开文件，不会对数据进行额外的字符转换。需要注意的是，如果写入的是字符串，write函数不会自动添加字符串结束符’\0’，这与<<运算符有所不同。在使用write函数写入非字符串数据时，需要确保正确计算数据的字节数，以保证数据的完整性。

2.3 文本文件的读取操作（>> 运算符、read 函数、getline 函数）

从文本文件中读取数据是文件操作的另一个重要方面，C++ 提供了多种读取方式，每种方式都有其独特的应用场景。

使用>>运算符读取文本文件时，它会按照空白字符（空格、制表符、换行符等）来分隔数据，将数据读取到相应类型的变量中。这种方式适用于读取格式化的数据，例如文件中每行存储一个整数、浮点数或字符串等。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ifstream file("input.txt");if (file.is_open()) {int num;double pi;std::string word;file >> num;file >> pi;file >> word;std::cout << "读取的整数: " << num << std::endl;std::cout << "读取的浮点数: " << pi << std::endl;std::cout << "读取的字符串: " << word << std::endl;file.close();} else {std::cerr << "无法打开文件进行读取" << std::endl;}return 0;
}

在这个例子中，input.txt文件中应按顺序存储一个整数、一个浮点数和一个字符串，>>运算符依次将它们读取到对应的变量中。

read函数主要用于以二进制方式读取文件内容，它可以读取指定字节数的数据到缓冲区中，常用于读取二进制文件或者需要精确控制读取字节数的场景。对于文本文件，如果要读取特定长度的字符串或数据块，也可以使用read函数，但需要注意处理字符编码和换行符等问题。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ifstream file("input.txt", std::ios::binary);if (file.is_open()) {char buffer[100];file.read(buffer, 50);std::cout << "读取的内容: " << buffer << std::endl;file.close();} else {std::cerr << "无法打开文件进行读取" << std::endl;}return 0;
}

上述代码从input.txt文件中以二进制模式读取 50 个字节的数据到buffer数组中，并输出读取的内容。由于是二进制读取，可能会包含一些不可见字符，如果文件是文本文件，可能需要根据具体情况对读取的数据进行进一步处理。

getline函数用于读取文件中的一行数据，它会读取到换行符（\n）为止，并将换行符从输入流中提取出来，但不存储在读取的字符串中。这种方式非常适合逐行读取文本文件，常用于处理日志文件、CSV 文件等按行存储数据的文本文件。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>int main() {std::ifstream file("input.txt");if (file.is_open()) {std::string line;while (std::getline(file, line)) {std::cout << "读取的行: " << line << std::endl;}file.close();} else {std::cerr << "无法打开文件进行读取" << std::endl;}return 0;
}

此代码通过getline函数逐行读取input.txt文件的内容，并输出每一行数据，确保了每行数据的完整性，不会因为行中的空白字符而被截断。

三、二进制文件的读写实战

3.1 二进制文件的打开方式与特点

在 C++ 中，二进制文件的打开方式与文本文件有所不同，主要通过在打开文件时指定ios::binary标志来实现。例如，使用ifstream以二进制输入模式打开文件可以这样写：

std::ifstream binaryFile("data.bin", std::ios::in | std::ios::binary);

使用ofstream以二进制输出模式打开文件：

std::ofstream binaryFile("output.bin", std::ios::out | std::ios::binary);

若需要同时进行读写操作，则使用fstream并指定相应模式：

std::fstream binaryFile("both.bin", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary);

二进制文件的特点使其在特定场景下具有显著优势：

• 数据存储紧凑：二进制文件直接存储数据的二进制形式，不进行字符编码转换，因此对于一些复杂数据结构，如自定义的结构体、数组等，能够更紧凑地存储数据，减少存储空间的浪费。例如，一个包含多个成员的结构体，如果以文本文件存储，每个成员可能需要进行字符转换并添加分隔符，而二进制文件则直接存储结构体在内存中的二进制表示，大大节省空间。
• 读写效率高：由于二进制文件不需要进行字符编码和解码操作，在读写数据时，系统直接按照字节进行读取和写入，减少了数据转换的开销，尤其对于大量数据的读写操作，效率优势明显。比如在处理图像文件时，图像数据量大且对读写速度要求高，使用二进制文件可以快速读取和处理图像的像素信息。
• 适用于复杂数据类型：对于一些无法简单用文本表示的数据类型，如浮点数的高精度表示、二进制图像数据、音频数据等，二进制文件能够准确地存储和还原数据，确保数据的完整性和准确性。例如，音频文件中的采样数据需要精确的二进制表示才能保证音频的质量，使用文本文件存储会导致数据精度丢失和音频失真。
• 不可直接阅读：二进制文件的内容对于人类来说是不可直接阅读和理解的，因为它不遵循字符编码规则，而是以二进制位的形式存储数据。这也使得二进制文件在安全性上有一定优势，对于一些敏感数据，如加密密钥、重要配置信息等，以二进制形式存储可以增加数据的保密性。

3.2 二进制文件的写入与读取方法

在 C++ 中，对二进制文件进行写入和读取操作主要使用write和read函数，它们属于ostream和istream类的成员函数，ofstream和ifstream分别继承自这两个类，因此可以直接使用这些函数。

写入二进制文件时，write函数接受两个参数：要写入的数据的指针和要写入的字节数。例如，将一个整数数组写入二进制文件：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {int numbers[] = {10, 20, 30, 40, 50};std::ofstream binaryFile("numbers.bin", std::ios::out | std::ios::binary);if (binaryFile.is_open()) {// 将数组的起始地址作为指针，数组大小作为字节数写入文件binaryFile.write(reinterpret_cast<char*>(numbers), sizeof(numbers));binaryFile.close();} else {std::cerr << "无法打开文件进行写入" << std::endl;}return 0;
}

在上述代码中，由于write函数要求参数为char类型的指针，所以需要使用reinterpret_cast将int类型的指针转换为char*类型。

读取二进制文件时，read函数的使用方式类似，它接受两个参数：用于存储读取数据的缓冲区指针和要读取的字节数。例如，从刚才写入的文件中读取数据：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {int readNumbers[5];std::ifstream binaryFile("numbers.bin", std::ios::in | std::ios::binary);if (binaryFile.is_open()) {binaryFile.read(reinterpret_cast<char*>(readNumbers), sizeof(readNumbers));binaryFile.close();for (int i = 0; i < 5; ++i) {std::cout << "读取的数字: " << readNumbers[i] << std::endl;}} else {std::cerr << "无法打开文件进行读取" << std::endl;}return 0;
}

这里同样需要进行类型转换，将char类型的指针转换回int类型，以便正确存储和访问读取的数据。在读取操作完成后，可以通过遍历数组来查看读取到的数据。

3.3 二进制文件与文本文件的区别与适用场景

二进制文件和文本文件在多个方面存在明显区别，了解这些区别有助于我们在实际编程中根据需求选择合适的文件类型。

• 存储形式：
  • 文本文件：以字符形式存储数据，每个字符对应一个特定的字符编码（如 ASCII、UTF - 8 等），文件中的数据可以直接用文本编辑器查看和编辑，直观易读。例如，一个包含字符串 “Hello, World!” 的文本文件，在文件中存储的是每个字符对应的编码值。
  • 二进制文件：以二进制的形式直接存储数据，反映数据在内存中的原始存储形式，文件内容对于人类来说通常是不可读的乱码，需要特定的程序来解析和处理。比如一个图像文件，它存储的是图像的像素信息、颜色数据等二进制形式，使用文本编辑器打开会显示乱码。
• 读写方式：
  • 文本文件：读写操作通常基于字符或字符串，使用<<和>>运算符进行格式化读写，也可以使用getline等函数按行读取。在读取时，会根据字符编码进行解码操作；写入时，会进行编码操作。例如，使用>>读取一个整数时，会将文件中的字符形式的数字转换为对应的整数值。
  • 二进制文件：主要使用read和write函数进行按字节的读写操作，不进行字符编码和解码，直接读写数据的二进制表示。这使得二进制文件在读写复杂数据结构和大量数据时效率更高。
• 适用场景：
  • 文本文件：适用于存储需要人类直接阅读和编辑的数据，如配置文件（.ini、.conf），其中的配置信息以文本形式呈现，方便用户修改；日志文件，记录系统运行的各种信息，便于查看和分析；源代码文件，程序员可以直接阅读和编辑代码。
  • 二进制文件：适合存储和传输那些不需要人类直接阅读，但对数据存储效率和准确性要求较高的数据，如多媒体文件（图像、音频、视频），这些文件的数据量较大且结构复杂，使用二进制文件能够高效存储和快速处理；数据库文件，存储大量结构化数据，二进制文件可以保证数据的完整性和高效访问；程序的可执行文件，包含计算机可直接执行的机器代码，必须以二进制形式存储。

四、实战项目：文本文件内容统计与分析工具

4.1 项目需求（统计字符数、单词数、行数等）

本实战项目旨在开发一个文本文件内容统计与分析工具，其主要功能需求如下：

• 统计字符数：计算文本文件中包含的字符总数，包括字母、数字、标点符号、空格以及换行符等所有可见和不可见字符。
• 统计单词数：统计文件中单词的数量。单词定义为连续的字母序列，以空格、标点符号或换行符作为分隔。例如，“hello, world!” 中包含 “hello” 和 “world” 两个单词。
• 统计行数：统计文本文件的行数，以换行符\n作为行的分隔标志，每遇到一个换行符则行数加 1。对于文件末尾没有换行符的情况，也将其视为一行进行统计。
• 结果输出与文件保存：将统计分析得到的字符数、单词数和行数输出到控制台，方便用户即时查看统计结果。同时，提供将这些统计结果保存到另一个文件的功能，以便后续查看和分析。保存的文件格式为文本文件，每一行记录一个统计结果，格式清晰明了。

通过实现这些功能，该工具能够帮助用户快速了解文本文件的基本信息，在处理大量文本数据时提高效率，比如在处理学术论文、日志文件、代码文件等场景中都具有实用价值。

4.2 文件读写与统计分析代码实现

下面是使用 C++ 实现文本文件内容统计与分析工具的代码及详细思路：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <sstream>int main() {std::ifstream inputFile("input.txt");// 打开输入文件if (!inputFile) {std::cerr << "无法打开输入文件!" << std::endl;return 1;}std::ofstream outputFile("output.txt");// 创建输出文件if (!outputFile) {std::cerr << "无法创建输出文件!" << std::endl;return 1;}int lineCount = 0;int wordCount = 0;int charCount = 0;std::string line;while (std::getline(inputFile, line)) {lineCount++;charCount += line.length();std::istringstream iss(line);std::string word;while (iss >> word) {wordCount++;}}// 关闭输入文件，因为已经完成读取操作inputFile.close();// 写入结果到输出文件outputFile << "行数: " << lineCount << std::endl;outputFile << "单词数: " << wordCount << std::endl;outputFile << "字符数: " << charCount << std::endl;// 关闭输出文件，确保数据写入磁盘outputFile.close();std::cout << "操作完成，统计信息已保存到output.txt." << std::endl;return 0;
}

代码思路如下：

1. 文件打开：首先使用ifstream打开要统计的输入文件input.txt，并检查文件是否成功打开。若打开失败，输出错误信息并终止程序。接着使用ofstream创建用于保存统计结果的输出文件output.txt，同样检查创建是否成功。
2. 统计变量初始化：定义lineCount、wordCount和charCount分别用于记录行数、单词数和字符数，并初始化为 0。
3. 逐行读取与统计：通过getline函数逐行读取输入文件的内容。每读取一行，lineCount加 1，同时将该行的长度累加到charCount中。为了统计单词数，使用istringstream将每行内容按空格等分隔符拆分成单词，每读取一个单词，wordCount加 1。
4. 文件关闭与结果输出：完成文件读取和统计后，关闭输入文件。然后将统计结果依次写入输出文件，最后关闭输出文件，并在控制台提示用户操作完成以及结果保存的位置。

4.3 结果输出与文件保存功能

在上述代码中，结果输出与文件保存功能通过以下部分实现：

• 结果输出到控制台：在程序执行的最后，使用std::cout输出提示信息，告知用户操作已完成且统计信息保存的位置，让用户及时了解程序执行的结果。

std::cout << "操作完成，统计信息已保存到output.txt." << std::endl;

• 结果保存到文件：在统计完成后，通过outputFile对象将统计结果写入到output.txt文件中。每一项统计结果独占一行，以清晰的格式呈现，方便用户后续查看。

// 写入结果到输出文件
outputFile << "行数: " << lineCount << std::endl;
outputFile << "单词数: " << wordCount << std::endl;
outputFile << "字符数: " << charCount << std::endl;

在实际应用中，如果需要对输出结果进行更复杂的格式化处理，例如设置输出的精度、添加更多的说明信息等，可以使用 C++ 的格式化输出功能，如std::setprecision、std::fixed等操纵符。同时，为了增强程序的健壮性，可以在写入文件时添加更多的错误处理机制，比如检查写入操作是否成功，如果失败则给出相应的错误提示 ，以确保统计结果能够准确无误地保存到文件中。