C++标准库：文件流类

在 C++ 标准库中，文件流类 （定义在 <fstream> 头文件中）用于实现对文件的输入输出（I/O）操作，允许程序读写磁盘文件。它们继承自标准 I/O 流类（如 std::istream、std::ostream），因此支持与 cin/cout 类似的操作方式（如 >>、<< 运算符、getline 等）。

一、核心文件流类

根据操作方向（读/写）和功能，文件流类主要分为以下三类：

类名	继承关系	功能描述	典型用途
std::ifstream	继承自 std::istream	输入文件流：仅用于从文件读取数据	打开文本/二进制文件并读取内容
std::ofstream	继承自 std::ostream	输出文件流：仅用于向文件写入数据	创建/覆盖文件并写入内容
std::fstream	继承自 std::iostream	双向文件流：既可读又可写	需要同时读写同一文件的场景

二、文件打开与关闭

使用文件流类操作文件的基本流程是：创建流对象 → 打开文件 → 读写操作 → 关闭文件。

1. 打开文件的两种方式

• 通过构造函数打开：创建流对象时直接指定文件名和打开模式。
• 通过 open() 成员函数打开 ：先创建流对象，再调用 open() 打开文件。

两种方式都需要指定 打开模式 （控制文件的读写权限、是否覆盖等），常用模式定义在 <ios> 头文件中（可通过 | 组合）：

打开模式标志	含义
std::ios::in	以"读"模式打开文件（ifstream 默认）
std::ios::out	以"写"模式打开文件（ofstream 默认）
std::ios::app	以"追加"模式打开：写入数据追加到文件末尾
std::ios::trunc	打开文件时清空原有内容（ofstream 默认）
std::ios::binary	以"二进制模式"打开（默认是文本模式）
std::ios::ate	打开文件后定位到文件末尾

2. 关闭文件

文件操作完成后需调用 close() 成员函数关闭文件，释放文件资源（流对象销毁时会自动调用 close()，但手动关闭更规范）。

三、常用操作示例

1. std::ofstream：写入文件

用于创建文件并写入内容，默认模式是 ios::out | ios::trunc（覆盖原有内容）。

#include <fstream>
#include <string>

int main() {
    // 方式1：通过构造函数打开文件（默认覆盖模式）
    std::ofstream ofs("output.txt");  // 若文件不存在则创建，存在则清空

    if (!ofs.is_open()) {  // 检查文件是否成功打开
        // 打开失败（如权限不足、路径不存在）
        return 1;
    }

    // 写入数据（支持 << 运算符，与 cout 用法一致）
    ofs << "Hello, File!" << std::endl;
    ofs << "This is a test." << std::endl;
    int num = 123;
    ofs << "Number: " << num << std::endl;

    // 方式2：追加模式写入（需指定 ios::app）
    std::ofstream ofs_app("output.txt", std::ios::app);
    ofs_app << "This line is appended." << std::endl;

    // 关闭文件
    ofs.close();
    ofs_app.close();
    return 0;
}

运行后 output.txt 内容：

Hello, File!
This is a test.
Number: 123
This line is appended.

2. std::ifstream：读取文件

用于从现有文件读取内容，默认模式是 ios::in。

#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    // 打开文件（若文件不存在，打开失败）
    std::ifstream ifs("output.txt");
    if (!ifs.is_open()) {
        std::cerr << "Failed to open file!" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 方法1：逐行读取（使用 getline）
    std::string line;
    std::cout << "----- 逐行读取 -----" << std::endl;
    while (std::getline(ifs, line)) {  // 读取到文件末尾时返回 false
        std::cout << line << std::endl;
    }

    // 重置流状态（因为上面的循环已读到文件末尾，需清除 eof 标志）
    ifs.clear();
    // 定位到文件开头（重新读取）
    ifs.seekg(0, std::ios::beg);  // seekg：移动读指针（g = get）

    // 方法2：逐个单词读取（使用 >> 运算符，忽略空格/换行）
    std::cout << "\n----- 逐单词读取 -----" << std::endl;
    std::string word;
    while (ifs >> word) {  // >> 自动跳过空白字符
        std::cout << word << " | ";
    }

    ifs.close();
    return 0;
}

运行输出：

----- 逐行读取 -----
Hello, File!
This is a test.
Number: 123
This line is appended.

----- 逐单词读取 -----
Hello, | File! | This | is | a | test. | Number: | 123 | This | line | is | appended. | 

3. std::fstream：双向读写文件

需显式指定打开模式（如 ios::in | ios::out），支持同时读写。

#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    // 打开文件：可读可写，若不存在则创建
    std::fstream fs("data.txt", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::trunc);
    if (!fs.is_open()) {
        std::cerr << "Failed to open file!" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 写入数据
    fs << "Apple\nBanana\nCherry" << std::endl;

    // 定位到文件开头（准备读取）
    fs.seekg(0, std::ios::beg);

    // 读取并修改第2行（示例：将 "Banana" 改为 "Blueberry"）
    std::string line;
    int line_num = 0;
    std::string content;  // 暂存所有内容
    while (std::getline(fs, line)) {
        line_num++;
        if (line_num == 2) {
            line = "Blueberry";  // 修改第2行
        }
        content += line + "\n";
    }

    // 定位到文件开头（准备重新写入修改后的内容）
    fs.seekp(0, std::ios::beg);  // seekp：移动写指针（p = put）
    fs << content;  // 写入修改后的内容

    fs.close();
    return 0;
}

运行后 data.txt 内容：

Apple
Blueberry
Cherry

4. 二进制文件操作

默认是文本模式（会对换行符等进行转换），指定 ios::binary 模式可读写二进制文件（如图片、音频）。读写时通常使用 read() 和 write() 函数。

#include <fstream>
#include <iostream>

// 示例：二进制写入并读取结构体
struct Student {
    int id;
    char name[20];  // 固定长度，避免字符串指针问题
    float score;
};

int main() {
    // 二进制写入
    std::ofstream ofs("students.dat", std::ios::binary);
    Student s1 = {1001, "Alice", 95.5f};
    Student s2 = {1002, "Bob", 88.0f};
    ofs.write((const char*)&s1, sizeof(Student));  // 写入字节流
    ofs.write((const char*)&s2, sizeof(Student));
    ofs.close();

    // 二进制读取
    std::ifstream ifs("students.dat", std::ios::binary);
    Student s;
    while (ifs.read((char*)&s, sizeof(Student))) {  // 读取到缓冲区
        std::cout << "ID: " << s.id 
                  << ", Name: " << s.name 
                  << ", Score: " << s.score << std::endl;
    }
    ifs.close();
    return 0;
}

运行输出：

ID: 1001, Name: Alice, Score: 95.5
ID: 1002, Name: Bob, Score: 88

四、关键操作与技巧

1. 检查文件状态：

   • is_open()：判断文件是否成功打开。
   • eof()：判断是否到达文件末尾（读取时常用）。
   • fail()/bad()：判断是否发生错误（如读写失败、格式错误）。
   • clear()：清除错误状态（如读取到末尾后重置，以便重新读写）。

2. 文件指针定位：

   • 读指针：seekg(pos, mode)（mode 可选 ios::beg 开头、ios::cur 当前、ios::end 末尾）。
   • 写指针：seekp(pos, mode)（双向流中读/写指针可能独立，需分别定位）。
   • 获取当前指针位置：tellg()（读指针）、tellp()（写指针）。

3. 避免中文乱码：文本模式下，文件编码需与程序输出编码一致（如均为 UTF-8 或 GBK），否则可能出现乱码。

五、注意事项

• 路径处理 ：打开文件时可指定绝对路径（如 C:/data/file.txt）或相对路径（相对于程序运行目录）。
• 资源释放 ：即使忘记调用 close()，流对象销毁时也会自动关闭文件，但手动关闭可避免资源泄漏（尤其在循环中频繁操作文件时）。
• 权限问题：若打开文件失败，需检查路径是否存在、是否有读写权限（如操作系统对某些目录的保护）。

文件流类是 C++ 处理文件 I/O 的核心工具，无论是文本文件（如日志、配置）还是二进制文件（如媒体、数据），都能通过它们灵活操作，是实际开发中（如数据持久化、文件解析）的基础技能。