Lesson 16：文件输入输出

来源、版次与标准边界

“Lesson 16：文件输入输出”以 SB Creative 出版社书页核定高桥麻奈著、第 5 版、2017 年 6 月 14 日发行、ISBN 978-4-7973-9259-3；出版社页面标 596 页。CiNii Books 书目与 16 课目录记录正文 xxiii+571 页，日本国会图书馆书目记录 571 页。页数口径存在前置页差异，因此本课程不拿页码充当目录证据。

“Lesson 16：文件输入输出”的中文说明、示例、交互、练习和答案均为独立教学重写。公开资料只确认 16 个 Lesson 标题；本页列出的细分概念是课程教学映射，不冒充原书逐级小节。技术规则参考 ISO C++ 标准入口复核，但 2017 年教材的 Visual Studio 2017 语境不会被静默升级为 C++23；现代写法只能明确标为迁移说明。

围绕“怎样证明写出的格式能被同一协议完整读回，并区分正常结束与读取失败？”，本页要求保留“规范化路径、打开模式、文件内容、每步流状态、读写字段数、往返差异和错误消息。”。若故障“打开失败后仍进入读取循环并使用上一轮值”无法在同一输入下制造首个分岔，应拒绝当前解释，而不是追加随机样例。

为什么文件成功打开只是第一项证据

终端输入输出与文件输入输出都使用流模型，但文件增加了路径、权限、打开模式、持久化和外部修改。程序能构造一个流对象，不代表路径正确、写入已落盘或内容格式符合读取契约。

文件 I/O 的证据链至少包含：解析后的路径、打开结果、每次格式化操作状态、关闭/刷新结果、重新读取后的内容。只看“程序没报错”无法证明数据完整。

ofstream 把值格式化为文件字符

std::ofstream 用于输出文件。构造时传路径会尝试打开；成功后 << 与 cout 类似，把值格式化为字符写入流缓冲区。

#include <fstream>
 
std::ofstream output{"scores.txt"};
if (!output) {
    std::cerr << "cannot open scores.txt for writing\n";
    return 1;
}
 
output << "Mina 92\n";
output << "Kai 85\n";

流对象离开作用域会关闭文件，关闭前缓冲数据会尝试写出。对关键数据，还应在写后检查 output 状态；磁盘满、设备错误等可能在打开成功后才发生。

打开模式决定保留还是覆盖旧内容

输出流默认通常创建文件并截断旧内容。std::ios::app 让每次写入追加到末尾，std::ios::binary 禁止某些平台文本转换，std::ios::in/out 指明读写方向。

std::ofstream log{"events.log", std::ios::app};
if (!log) {
    return 1;
}
log << "application started\n";

追加适合日志，不适合需要原子替换的配置。更新关键文件时，常见策略是写临时文件、确认成功后再重命名，避免进程中断留下半份内容。

ifstream 从文件字符解析目标类型

std::ifstream 用于读取。格式化提取 >> 跳过前导空白，并按目标类型解析；读取失败可能是正常 EOF、格式不匹配或底层 I/O 错误。

std::ifstream input{"scores.txt"};
if (!input) {
    std::cerr << "cannot open scores.txt for reading\n";
    return 1;
}
 
std::string name;
int score = 0;
while (input >> name >> score) {
    std::cout << name << ": " << score << '\n';
}

循环把“完整读取一条 name/score 记录”作为继续条件。若文件末尾正常结束，提取失败使循环停止；若中间出现 Kai unknown，也会停止，但原因是格式错误。退出后应检查 input.eof() 与 input.bad()，并记录当前记录号。

getline 读取整行，解析器处理字段

名字可能含空格时，>> name 只读一个词。可以先用 std::getline 取得原始行，再用 std::istringstream 或明确分隔规则解析。

#include <sstream>
 
std::string line;
int lineNumber = 0;
while (std::getline(input, line)) {
    ++lineNumber;
    std::istringstream record{line};
 
    std::string name;
    int score = 0;
    if (!(record >> name >> score)) {
        std::cerr << "invalid record at line " << lineNumber << '\n';
        continue;
    }
}

保留原始行与行号能给出可定位错误。若格式允许空格、转义和引号，应使用 CSV/JSON 等成熟解析器，而不是用空格切分冒充完整格式。

流状态是一组可查询事实

流维护 good、eof、fail、bad 等状态，用于区分正常结束、格式失败和输入输出错误。fail 表示上一次格式化或操作失败，bad 表示更严重的底层错误，eof 表示尝试读取时到达文件末尾。它们可能同时成立。

不要写 while (!input.eof()) 再读取：EOF 只有在一次读取尝试越过末尾后才设置，这种结构常多处理一次旧值。应把读取操作本身放进条件：while (input >> value) 或 while (getline(input,line))。

相对路径取决于进程工作目录

"scores.txt" 不是相对源文件，而是相对程序运行时当前工作目录。IDE、测试工具和终端可能设置不同目录，导致“本机能用、换入口找不到”。

#include <filesystem>
 
std::cout << std::filesystem::current_path() << '\n';

诊断路径问题时输出解析后的绝对路径。生产程序应从命令行、配置或平台目录 API 获得路径，不要假设可执行文件旁边总可写。

文本格式需要版本与边界规则

把两列写成 name score 看似简单，但名字含空格、分隔符、换行或非法编码时如何处理？文件契约应规定字段顺序、分隔/转义、数值范围、字符编码和版本。

解析后仍要验证业务约束，例如 score 在 0 到 100；成功转成 int 只证明语法像整数。未知字段是拒绝、忽略还是保留，也应由兼容策略决定。

写入完成不等于永久落盘

flush 把 C++ 流缓冲提交给操作系统，close 结束文件句柄，但操作系统和硬件仍可能缓存。普通练习无需手工调用系统同步；关键事务则要使用数据库、原子替换和平台持久化协议。

显式 output.close() 后可以检查状态，适合在同一作用域立即重新打开文件。更常见的做法是缩小流对象作用域，让 RAII 自动关闭，再进入读取阶段。

二进制文件不是直接 dump 任意对象

二进制模式只改变流的文本转换行为，不会自动定义对象序列化格式。直接写类对象内存会携带 padding、字节序、指针值和编译器布局，跨版本不可移植。

稳定二进制格式应逐字段编码，规定字节序、长度和版本，并验证输入大小。需要成熟兼容性时使用经过验证的序列化库或格式。

往返测试验证写入与读取契约一致

先预测写入两条记录后文件的确切文本，再关闭、重新打开、解析到新对象，比较字段。然后分别测试空文件、缺失文件、非法分数、半条记录和追加模式，确认每个失败路径有明确分类。

三步建立文件证据链

正式节点与章专属证据

• 文件：在“Lesson 16：文件输入输出”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 1 个节点必须能回到“每次读写后检查流状态，成功往返后关键字段与原对象一致。”。
• 文件输出：在“Lesson 16：文件输入输出”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 2 个节点必须能回到“每次读写后检查流状态，成功往返后关键字段与原对象一致。”。
• 文件输入：在“Lesson 16：文件输入输出”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 3 个节点必须能回到“每次读写后检查流状态，成功往返后关键字段与原对象一致。”。
• 打开文件：在“Lesson 16：文件输入输出”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 4 个节点必须能回到“每次读写后检查流状态，成功往返后关键字段与原对象一致。”。
• 输入输出错误：在“Lesson 16：文件输入输出”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 5 个节点必须能回到“每次读写后检查流状态，成功往返后关键字段与原对象一致。”。

先用输入合同检查本页正式节点，再在相同初值下逐步比较正常和失败轨迹，最后只启用“打开失败后仍进入读取循环并使用上一轮值”完成反例与复位。三个交互都必须能独立重置，且重置后再次满足“每次读写后检查流状态，成功往返后关键字段与原对象一致。”。

小结

• 文件流把持久字节资源接入流接口，路径、模式、状态与格式都是契约的一部分
• ofstream 默认可能截断，追加需显式 app；关键替换应考虑临时文件和原子重命名
• ifstream 的格式化读取会因 EOF、格式或底层错误停止，读取操作本身应作为循环条件
• 相对路径基于工作目录，格式转换成功后仍要验证字段范围与跨字段不变量
• 往返测试连接写入与读取，二进制模式不等于可移植对象序列化

名词解释