C++学习47 文件的概念 文件流类与文件流对象 文件的打开与关闭

迄今为止，我们讨论的输入输出是以系统指定的标准设备（输入设备为键盘，输出设备为显示器）为对象的。在实际应用中，常以磁盘文件作为对象。即从磁盘文件读取数据，将数据输出到磁盘文件。磁盘是计算机的外部存储器，它能够长期保留信息，能读能写，可以刷新重写，方便携带，因而得到广泛使用。

文件(file)是程序设计中一个重要的概念。所谓“文件”，一般指存储在外部介质上数据的集合。一批数据是以文件的形式存放在外部介质（如磁盘、光盘和U盘）上的。操 作系统是以文件为单位对数据进行管理的，也就是说，如果想找存在外部介质上的数据， 必须先按文件名找到所指定的文件，然后再从该文件中读取数据。要向外部介质上存储数据也必须先建立一个文件（以文件名标识），才能向它输出数据。

外存文件包括磁盘文件、光盘文件和U盘文件。目前使用最广泛的是磁盘文件，为叙述方便，教程中凡用到外存文件的地方均以磁盘文件来代表，在程序中对光盘文件和U盘文件的使用方法与磁盘文件相同。

对用户来说，常用到的文件有两大类，一类是程序文件(program file)，如C++的源程序文件(.cpp)、目标文件(.obj)、可执行文件(.exe)等。一类是数据文件(data file)， 在程序运行时，常常需要将一些数据（运行的最终结果或中间数据）输出到磁盘上存放起来，以后需要时再从磁盘中输入到计算机内存。这种磁盘文件就是数据文件。程序中的输入和输出的对象就是数据文件。

根据文件中数据的组织形式，可分为ASCII文件和二进制文件。ASCII文件又称文本(text)文件或字符文件，它的每一个字节放一个ASCII代码，代表一个字符。二进制文件又称内部格式文件或字节文件，是把内存中的数据按其在内存中的存储形式原样输出到磁盘上存放。

对于字符信息，在内存中是以ASCII代码形式存放的，因此，无论用ASCII文件输出还是用二进制文件输出，其数据形式是一样的。但是对于数值数据，二者是不同的。例如有一个长整数100000，在内存中占4个字节，如果按内部格式直接输出，在磁盘文件中占 4个字节，如果将它转换为ASCII码形式输出，则要占6个字节。

用ASCII码形式输出的数据是与字符一一对应的，一个字节代表一个字符，可以直接在屏幕上显示或打印出来。这种方式使用方便，比较直观，便于阅读，便于对字符逐个进行输入输出。但一般占存储空间较多，而且要花费转换时间（二进制形式与ASCII码间的转换）。用内部格式（二进制形式）输出数值，可以节省外存空间，而且不需要转换时间，但一个字节并不对应一个字符，不能直接显示文件中的内容。如果在程序运行过程中有些中间结果数据暂时保存在磁盘文件中，以后又需要输入到内存的，这时用二进制文件保存是最合适的。如果是为了能显示和打印以供阅读，则应按ASCII码形式输出。此时得到的是ASCII文件，它的内容可以直接在显示屏上观看。

C++提供了低级的I/O功能和高级的I/O功能。高级的I/O功能是把若干个字节组合为一个有意义的单位（如整数、单精度数、双精度数、字符串或用户自定义的类型的数据），然后以ASCII字符形式输入和输出。例如将数据从内存送到显示器输出，就属于高级I/O功能，先将内存中的数据转换为ASCII字符，然后分别按整数、单精度数、双精度数等形式输出。这种面向类型的输入输出在程序中用得很普遍，用户感到方便。但在传输大容量的文件时由于数据格式转换，速度较慢，效率不高。

所谓低级的I/O功能是以字节为单位输入和输出的，在输入和输出时不进行数据格式的转换。这种输入输出是以二进制形式进行的。通常用来在内存和设备之间传输一批字节。这种输入输出速度快、效率高，一般大容量的文件传输用无格式转换的I/O。但使用时会感到不大方便。

文件流是以外存文件为输入输出对象的数据流。输出文件流是从内存流向外存文件的数据，输入文件流是从外存文件流向内存的数据。每一个文件流都有一个内存缓冲区与之对应。

请区分文件流与文件的概念，不用误以为文件流是由若干个文件组成的流。文件流本身不是文件，而只是以文件为输入输出对象的流。若要对磁盘文件输入输出，就必须通过文件流来实现。

在C++的I/O类库中定义了几种文件类，专门用于对磁盘文件的输入输出操作。在 图13.2（详情请查看：与C++输入输出有关的类和对象）中可以看到除了标准输入输出流类istream、ostream和iostream类外，还有3个用于文件操作的文件类：

• ifstream类，它是从istream类派生的，用来支持从磁盘文件的输入。
• ofstream类，它是从ostream类派生的，用来支持向磁盘文件的输出。
• fstream类，它是从iostream类派生的，用来支持对磁盘文件的输入输出。

要以磁盘文件为对象进行输入输出，必须定义一个文件流类的对象，通过文件流对象将数据从内存输出到磁盘文件，或者通过文件流对象从磁盘文件将数据输入到内存。

其实在用标准设备为对象的输入输出中，也是要定义流对象的，如cin、cout就是流对象，C++是通过流对象进行输入输出的。由于cin、cout已在iostream.h中事先定义，所以用户不需自己定义。在用磁盘文件时，由于情况各异，无法事先统一定义，必须由用户自己定义。此外，对磁盘文件的操作是通过文件流对象（而不是cin和cout）实现的。文件流对象是用文件流类定义的，而不是用istream和ostream类来定义的。可以用下面的方法建立一个输出文件流对象：
    ofstream outfile;
如同在头文件iostream中定义了流对象cout —样，现在在程序中定义了outfile为 ofstream类（输出文件流类）的对象。但是有一个问埋还未解决：在定义 cout 时已将它和标准输出设备（显示器）建立关联，而现在虽然建立了一个输出文件流对象，但是还未指定它向哪一个磁盘文件输出，需要在使用时加以指定。下一节即将解答这个问题。

C++文件的打开与关闭

这里讲一下如何打开和关闭磁盘上的文件，其他外设（U盘、光盘等）上的文件与此相同。

打开文件

所谓打开(open)文件是一种形象的说法，如同打开房门就可以进入房间活动一样。 打开文件是指在文件读写之前做必要的准备工作，包括：

• 为文件流对象和指定的磁盘文件建立关联，以便使文件流流向指定的磁盘文件。
• 指定文件的工作方式，如，该文件是作为输入文件还是输出文件，是ASCII文件还是二进制文件等。

以上工作可以通过两种不同的方法实现。

1) 调用文件流的成员函数open。如
    ofstream outfile;  //定义ofstream类(输出文件流类)对象outfile
    outfile.open("f1.dat",ios::out);  //使文件流与f1.dat文件建立关联
第2行是调用输出文件流的成员函数open打开磁盘文件f1.dat，并指定它为输出文件， 文件流对象outfile将向磁盘文件f1.dat输出数据。ios::out是I/O模式的一种，表示以输出方式打开一个文件。或者简单地说，此时f1.dat是一个输出文件，接收从内存输出的数据。

调用成员函数open的一般形式为：
    文件流对象.open(磁盘文件名, 输入输出方式);
磁盘文件名可以包括路径，如"c:\new\\f1.dat"，如缺省路径，则默认为当前目录下的文件。

2) 在定义文件流对象时指定参数
在声明文件流类时定义了带参数的构造函数，其中包含了打开磁盘文件的功能。因此，可以在定义文件流对象时指定参数，调用文件流类的构造函数来实现打开文件的功能。如
    ostream outfile("f1.dat",ios::out);
一般多用此形式，比较方便。作用与open函数相同。

输入输出方式是在ios类中定义的，它们是枚举常量，有多种选择，见表13.6。

表13.6 文件输入输出方式设置值

方 式	作用
ios::in	以输入方式打开文件
ios::out	以输出方式打开文件（这是默认方式），如果已有此名字的文件，则将其原有内容全部清除
ios::app	以输出方式打开文件，写入的数据添加在文件末尾
ios::ate	打开一个已有的文件，文件指针指向文件末尾
ios: :trunc	打开一个文件，如果文件已存在，则删除其中全部数据，如文件不存在，则建立新文件。如已指定了 ios::out 方式，而未指定ios: :app，ios::ate，ios: :in，则同时默认此方式
ios:: binary	以二进制方式打开一个文件，如不指定此方式则默认为ASCII方式
ios::nocreate	打开一个已有的文件，如文件不存在，则打开失败。nocrcate的意思是不建立新文件
ios:: noreplace	如果文件不存在则建立新文件，如果文件已存在则操作失败，replace 的意思是不更新原有文件
ios::in l ios::out	以输入和输出方式打开文件，文件可读可写
ios:: out | ios::binary	以二进制方式打开一个输出文件
ios::in l ios::binar	以二进制方式打开一个输入文件

几点说明：

1) 新版本的I/O类库中不提供ios::nocreate和ios::noreplace。

2) 每一个打开的文件都有一个文件指针，该指针的初始位置由I/O方式指定，每次读写都从文件指针的当前位置开始。每读入一个字节，指针就后移一个字节。当文件指针移到最后，就会遇到文件结束EOF（文件结束符也占一个字节，其值为-1)，此时流对象的成员函数eof的值为非0值(一般设为1)，表示文件结束了。

可以用“位或”运算符“|”对输入输出方式进行组合，如表13.6中最后3行所示那样。还可以举出下面一些例子：
    ios::in | ios:: noreplace  //打开一个输入文件，若文件不存在则返回打开失败的信息
    ios::app | ios::nocreate  //打开一个输出文件，在文件尾接着写数据，若文件不存在，则返回打开失败的信息
    ios::out l ios::noreplace  //打开一个新文件作为输出文件，如果文件已存在则返回打开失败的信息
    ios::in l ios::out I ios::binary  //打开一个二进制文件，可读可写

但不能组合互相排斥的方式，如 ios::nocreate l ios::noreplace。

如果打开操作失败，open函数的返回值为0(假)，如果是用调用构造函数的方式打开文件的，则流对象的值为0。可以据此测试打开是否成功。如
    if(outfile.open("f1.bat", ios::app) ==0)
        cout <<"open error";
或
    if( !outfile.open("f1.bat", ios::app) )
        cout <<"open error";

关闭磁盘文件

在对已打开的磁盘文件的读写操作完成后，应关闭该文件。关闭文件用成员函数close。如
    outfile.close( );  //将输出文件流所关联的磁盘文件关闭
所谓关闭，实际上是解除该磁盘文件与文件流的关联，原来设置的工作方式也失效，这样，就不能再通过文件流对该文件进行输入或输出。此时可以将文件流与其他磁盘文件建立关联，通过文件流对新的文件进行输入或输出。如
    outfile.open("f2.dat",ios::app|ios::nocreate);
此时文件流outfile与f2.dat建立关联，并指定了f2.dat的工作方式。