Chapter 17：Input, Output, and Files

为什么 I/O 的结果不只是“变量有了一个值”

一次流操作同时改变三样东西：目标值或输出字符、输入/输出位置、stream state。只检查变量会漏掉未消费分隔符、部分读取与失败后旧值；只检查 EOF 又会把格式错误误报成正常结束。可靠 I/O 让操作成功本身驱动控制流。

formatted output 是类型值到字符表示的策略

格式化输出（formatted output）把数值、字符、指针等类型值转换成字符并插入 ostream。dec/hex/oct、fixed/scientific、showbase 等 flags 通常持续生效；setw 只影响下一字段；setfill 持续；precision 在 defaultfloat 与 fixed 下含义不同。

#include <iomanip>
#include <iostream>
 
std::cout << std::hex << std::showbase
          << std::setw(8) << std::setfill('0') << 255
          << '\n';
 
std::cout << std::dec << std::noshowbase << std::setfill(' ')
          << std::fixed << std::setprecision(2) << 12.345
          << '\n';

如果函数临时改变共享流 flags，应保存并恢复，避免影响后续调用者。格式控制是 stream 的可变状态，不是表达式局部注释。

formatted input 从字符尝试建立类型值

格式化输入（formatted input）用 operator>> 跳过规则允许的前导空白，读取能构成目标类型的字符，并停在第一个不属于该值的字符。成功后才可使用新值；失败时目标不应被当作新数据。

int value{};
while (std::cin >> value) {
    process(value);
}
 
if (std::cin.eof()) {
    std::cout << "normal end\n";
} else {
    std::cerr << "invalid token\n";
}

循环条件先尝试提取，只有成功才进入 body。while (!cin.eof()) 会在失败后多执行一次并可能复用旧 value。

getline 与 operator>> 需要统一分隔符协议

operator>> 读取整数后通常把换行留在缓冲区，紧接的 getline 会读到空行。可在切换为行协议时使用 std::getline(std::cin >> std::ws, line)，但 ws 也会丢弃所有前导空白；若前导空白有意义，应显式消费恰好一个换行。

int count{};
std::string description;
 
if (std::cin >> count) {
    std::getline(std::cin >> std::ws, description);
}

正确选择取决于格式：token-based 文件适合 >>，行内允许空白的记录适合 getline 后用独立 parser。不要边读边猜协议。

stream state 是一组可组合状态位

流状态（stream state）包含 goodbit、eofbit、failbit、badbit。good() 仅在无错误位时真；fail() 覆盖 failbit/badbit；把 stream 用作布尔条件表示尚可继续格式化 I/O。EOF 可以与 failbit 同时出现，例如读取不完整目标。

int value{};
while (true) {
    if (std::cin >> value) break;
    if (std::cin.eof() || std::cin.bad()) {
        throw std::runtime_error{"input unavailable"};
    }
    std::cin.clear();
    std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');
    std::cout << "enter an integer: ";
}

clear() 只重置状态位，不移除导致失败的字符；必须按输入协议 discard 或 repair。badbit 通常表示底层故障，不应像用户输错 token 一样盲目重试。

file input and output 要先验证打开与模式

文件输入输出使用 ifstream/ofstream/fstream。构造后先检查打开状态；缺失文件、权限和路径错误不能伪装成空内容。常见 mode 有 in、out、app、ate、trunc、binary，组合会影响创建、截断和位置。

#include <fstream>
 
std::ifstream input{path};
if (!input) {
    throw std::runtime_error{"cannot open " + path.string()};
}
 
std::string line;
while (std::getline(input, line)) {
    parseLine(line);
}
if (!input.eof()) {
    throw std::runtime_error{"read failure"};
}

输出重要文件可先写同目录临时文件，检查 flush/close 后再原子替换，避免中途失败破坏旧版本。析构会 close，但业务仍需在提交前观察写入错误。

binary file 保存字节，不保存跨平台对象语义

二进制文件（binary file）以 read/write 传输指定字节数，不做换行或数字文本转换。直接写普通 struct 内存会包含 padding，并依赖 endian、类型宽度、浮点表示和版本；含 pointer/string/virtual member 的对象更不能直接持久化。

struct DiskHeader {
    std::uint32_t magic;
    std::uint16_t version;
    std::uint16_t recordSize;
};
 
DiskHeader header{};
input.read(reinterpret_cast<char*>(&header), sizeof header);
if (!input || header.magic != expectedMagic) {
    throw std::runtime_error{"invalid header"};
}

示例只说明 byte transfer；真正可移植格式应逐字段编码固定宽度和字节序，并校验 magic、version、record length 与 checksum。

random access 同时管理 get 和 put position

随机访问使用 seekg/tellg 管理输入位置，seekp/tellp 管理输出位置，可相对 begin/current/end 移动。固定长度记录的第 i 项通常位于 header + i * recordSize，必须先验证乘法/范围不溢出且文件足够长。

std::fstream file{path, std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary};
const std::streamoff offset = headerSize + index * recordSize;
file.seekg(offset, std::ios::beg);
 
Record record{};
file.read(reinterpret_cast<char*>(&record), sizeof record);
if (!file) throw std::runtime_error{"short record"};

在读写混合的 fstream 中切换方向前应进行 seek/flush 等规定同步；app 会强制每次写到尾部，与任意位置更新冲突。

先预测文本顺序、二进制顺序、随机读和随机写各需哪一个 position/mode，再切换实验面板。seek 成功后仍要检查完整 read/write。

string streams 让字符串复用同一格式协议

istringstream 从 string 提取，ostringstream 向 string 格式化，stringstream 支持二者。它们适合逐行解析、构造日志和测试格式，不涉及文件打开。

#include <sstream>
 
std::istringstream row{"17 Ada 98.5"};
int id{};
std::string name;
double score{};
 
if (!(row >> id >> name >> score) || (row >> std::ws && !row.eof())) {
    throw std::runtime_error{"invalid row"};
}

解析成功还应决定是否允许尾随字段；上例消费尾空白后要求 EOF，形成完整记录契约。

三步验证 I/O 边界

小结

• formatted output/input 同时受类型、格式策略、字符边界和 stream state 约束
• eof 是读取尝试后的状态，循环应由读取成功驱动；clear 不会移除坏 token
• file input and output 先检查打开、mode 与最终状态，重要输出应事务提交
• binary file 只传字节，稳定格式必须定义 schema、endian、version 与长度
• random access 分开管理 get/put position，seek 后仍要验证完整 transfer
• string streams 复用格式协议，适合行级解析并可检查是否完整消费

名词解释