在本章和下一章中，我们将介绍C++标准库中用于处理来自各种源的输入和输出的功能：I/O流。本章关注基本模型：如何读写单个值，以及如何打开和读写整个文件。下一章将介绍具体细节。
10.1 输入和输出
如果没有数据，计算就毫无意义。我们需要将数据输入到程序中来进行一些有价值的计算，并获取输出。数据的输入源和输出目标非常广泛。因此，我们需要一种将程序的读写操作与实际使用的输入/输出设备分离的方法。
I/O库提供了I/O的一个抽象，从而程序员不必关心设备和设备驱动程序：
使用这样是模型，输入和输出就可以看作由I/O库处理的字节（字符）流。程序员的工作就变为：
- 创建数据源或目的地的I/O流
- 读写这些流
从程序员的角度，输入和输出有很多种。例如：
- 大量数据项构成的流（文件、网络连接、录音设备、显示设备等）
- 通过键盘与用户交互
- 通过图形界面与用户交互
其中，前两种I/O由C++标准库I/O流提供，图形用户交互则由其他一些库支持（第12~16章）。
10.2 I/O流模型
C++标准库<iostream>提供了istream类型来处理输入流、ostream类型来处理输出流。我们已经使用过标准输入流cin和标准输出流cout。
注：各种I/O流及继承关系如下图所示（详见Input/Output library）
ostream负责
- 将不同类型的值转换为字符序列
- 将这些字符发送到“某处”（例如控制台、文件、内存或者另一台计算机）
缓冲区(buffer)是ostream内部用于保存数据并与操作系统通信的数据结构。如果写入ostream和字符出现在目的设备之间存在“延迟”，通常是因为字符还在缓冲区中。缓冲是提高性能的重要技术，而处理大量数据时性能是很重要的。
istream负责
- 将字符序列转换为不同类型的值
- 从“某处”（例如控制台、文件、内存或者另一台计算机）读取字符
与ostream一样，istream也使用缓冲区来与操作系统通信。对于istream，缓冲区对用户是可见的。例如，使用cin从键盘输入数据时，输入的内容都留在缓冲区中，直到按Enter键，在此之前可以通退格键清除字符来“改变主意”。
10.3 文件
基本上，文件就是一个从0开始编号的字节序列：
文件具有格式，即有一组规则来确定字节的含义。 例如，文本文件中，一个字节表示一个字符（在特定字符集下的编码）；使用二进制表示整数的文件中，4个字节表示一个整数，如下图所示。只有知道文件的格式才能知道文件中字节数据的含义。
例如，在文本文件中，48 65 6c 70四个字节分别表示 ‘H’, ‘e’, ‘l’, ‘p’ 四个字符；而在二进制整数文件中，同样的四个字节表示十六进制数0x48656c70，等于十进制的1214606448。
注：一个字节(byte)是8个比特位(bit)，能表示的二进制数范围是00000000~11111111，即十进制的0~255、十六进制的00~ff。
对于一个文件，ostream将内存中的对象转换为字节流，并将其写入磁盘。istream进行相反的操作：从磁盘读取字节流，并将其转换为对象：
为了读一个文件，需要知道文件名，（以读模式）打开文件，读入字符，关闭文件（通常隐式完成）。为了写一个文件，需要知道文件名，（以写模式）打开文件，写出对象，关闭文件（通常隐式完成）。
10.4 打开文件
如果要读写文件，必须打开一个专门用于该文件的流。ifstream是用于读文件的istream，ofstream是用于写文件的ostream，fstream是既可以读文件又可以写文件的iostream，这些类型定义在标准库头文件 <fstream> 中。在使用文件流之前，必须将其关联到文件。例如：
// write to file
string filename = "test.txt";
ofstream ofs(filename); // open file for writing
if (!ofs.is_open()) // check if file is open
cout << "failed to open " << filename << endl;
else
ofs << 123 << "abc"; // write to ofstream
ofstream的构造函数参数指定文件名，如果文件不存在则创建。成员函数is_open()检查文件是否被成功打开（文件流是否成功关联到文件），如果打开失败则返回false。之后可以像任何ostream一样使用运算符<<写出数据。
例如，如果上面的代码运行成功，则文件test.txt的内容如下：
123abc
ifstream的用法与ofstream类似：
// read from file
string filename = "test.txt";
ifstream ifs(filename); // open file for reading
if (!ifs.is_open()) // check if file is open
cout << "failed to open " << filename << endl;
else {
int n;
string s;
ifs >> n >> s; // read from ifstream
cout << "n = " << n << ", s = " << s << endl;
}
ifstream的构造函数参数指定文件名，文件必须存在。成员函数is_open()检查文件是否被成功打开，如果因文件不存在、没有权限等原因打开失败则返回false。之后可以像任何istream一样使用运算符>>读取数据。
例如，text.txt的内容为上一段代码的输出结果，则这段代码的输出如下：
n = 123, s = abc
通常，最好在重要的计算开始之前就打开文件。毕竟，如果在完成计算之后才发现无法保存结果将会浪费计算资源。
当一个文件流离开作用域时，它关联的文件将被关闭，文件流内部的缓冲区会被刷新(flush)，即缓冲区中的字符会被写入文件。
在创建文件流时打开文件、依赖流的作用域来隐式关闭文件是一种理想的方法。 另外，也可以通过open()和close()函数显式打开和关闭文件。然而，依赖作用域的方式避免了两类错误：在打开文件之间或关闭文件之后使用文件流对象。例如：
ifstream ifs;
// ...
ifs >> foo; // won't succeed: no file opened for ifs
// ...
ifs.open(name); // open file named name for reading
// ...
ifs.close(); // close file
// ...
ifs >> bar; // won't succeed: ifs's file was closed
// ...
不能在关闭一个文件流之前第二次打开它。例如：
fstream fs;
fs.open("foo", ios_base::in); // open for input
// close() missing
fs.open("foo", ios_base::out); // won't succeed: fs is already open
if (!fs) error("impossible");
在打开一个流之后不要忘记检测是否成功。
注：
（1）fstream构造函数的第二个参数是打开模式，其类型是枚举ios_base::openmode，其各枚举值都是只有一个二进制位为1、其他位均为0的整数（2的幂），即位掩码，可以使用按位或运算符|组合。C++文件流的打开模式与C标准库fopen()函数的打开模式对应关系如下：
| C++模式 | C模式 | 含义 |
|---|---|---|
in | r | 读 |
out 或 out | trunc | w | 写（覆盖原有内容） |
app 或 out | app | a | 追加 |
in | out | r+ | 读或写 |
in | out | trunc | w+ | 读或写（覆盖原有内容） |
in | out | app | a+ | 读或追加 |
in | binary | rb | 读二进制文件 |
out | binary 或 out | trunc | binary | wb | 写二进制文件（覆盖原有内容） |
app | binary 或 out | app | binary | ab | 追加二进制文件 |
in | out | binary | r+b | 读或写二进制文件 |
in | out | trunc | binary | w+b | 读或写二进制文件（覆盖原有内容） |
in | out | app | binary | a+b | 读或追加二进制文件 |
另外，ifstream和ofstream的构造函数也有第二个参数，默认值分别是ios_base::in和ios_base::out，即使指定了其他模式，也会分别自动添加ios_base::in和ios_base::out。
（2）在上面的代码中，第二次调用open()后，fs通过运算符operator bool()转换为布尔值false，表示处于失败状态（详见10.6节），但is_open()仍然为true；如果第一次open()失败了，则fs和is_open()都是false。
10.5 读写文件
考虑这样一个问题：如何从文件读取一组测量结果并在内存中表示？例如，从气象站获取的温度数据：
0 60.7
1 60.6
2 60.3
3 59.22
...
这个数据文件包含了一系列（小时，温度）数值对。小时的值为0~23，温度为华氏度，没有任何其他格式。这是最简单的情况。
读取温度数据文件
其中的while循环是一个典型的输入循环，ifs可以是任何一种istream，这段代码都能够适用，因为所有的istream都支持运算符>>。对于输出流也是同理。
10.6 I/O错误处理
在处理输入时，我们必须预料到并处理错误。 错误的原因可能是人为失误（理解错了指令、打字错误、让猫在键盘上散步等）、文件格式不符合规范、我们（程序员）预料错误，等等。输入错误的可能性是无限的，但istream将所有可能的情况归结为四类，称为流状态(stream state)。流状态用枚举ios_base::iostate表示，也是位掩码：
| 流状态 | 含义 |
|---|---|
goodbit | 操作成功 |
eofbit | 到达输入结尾(“end of file”, EOF) |
failbit | 发生意外情况 |
badbit | 发生严重意外情况 |
注：istream提供了一些成员函数来检查和更新错误状态
| 成员函数 | 作用 |
|---|---|
rdstate() | 返回流状态 |
setstate() | 将流状态与给定值按位取或（即设置指定的状态位，其他状态位不变） |
clear() | 将流状态设置为给定值，默认为goodbit（即设置指定的状态位，清除其他状态位） |
good() | 如果没有任何错误标识被置位则返回true，等价于rdstate() == goodbit |
eof() | 如果eofbit被置位则返回true |
fail() | 如果failbit或badbit被置位则返回true |
bad() | 如果badbit被置位则返回true |
operator bool | 等价于!fail() |
operator! | 等价于fail() |
failbit和badbit之间的区别并未准确定义（由流的作者决定），但基本思想是：如果输入操作遇到简单的格式错误（例如读取数字时遇到 ‘x’）则设置failbit，即假定此时可以从错误中恢复；如果遇到严重错误（例如磁盘读故障）则设置badbit，即假定此时只能放弃从这个流获取数据。bad()状态的流也是fail()状态，因此有如下的通用逻辑：
int i = 0;
s >> i;
if (!s) {
// we get here (only) if an input operation failed
if (s.bad()) // stream corrupted: let's get out of here!
error("cin is bad");
if (s.eof()) {
// no more input
// this is often how we want a sequence of input operations to end
}
if (s.fail()) {
// stream encountered something unexpected
s.clear(); // make ready for more input
// somehow recover
}
}
注意处理fail()时所使用的clear()：为了从错误中恢复，通过clear()将流恢复到good()状态（否则后续输入操作都会失败）。
下面是一个如何使用流状态的例子。假设要读取一系列整数到一个vector中，以字符 “*” 或EOF（Windows系统是Ctrl+Z，UNIX系统是Ctrl+D）结束。例如：
1 2 3 4 5 *
可以使用以下函数实现：
读取整数向量
这段代码看似不复杂，但实际上有很多需要注意的细节：
- 运算符
>>遇到输入结尾时，输入流的eofbit和failbit都会被设置。运算符>>的返回值是输入流本身，而istream定义了operator bool（即将输入流本身解释为布尔值），因此将ist >> i作为for循环测试条件的含义是：先执行输入操作，之后判断ist.operator bool()是否为true。另外，operator bool等价于!fail()，而fail()在failbit或badbit被设置时都会返回true。综上，无论输入操作遇到输入结尾、格式错误还是严重错误，fail()都会返回true，operator bool都会返回false。 - 在尝试读取终结符之前，必须先调用
clear()将所有的错误状态清除，否则输入操作ist >> c将会失败。 - 如果读取的字符不是终结符，则使用
unget()将该字符放回ist（输入操作不能随意丢弃未使用的字符），并通过ist.clear(ios_base::failbit)将流状态重新设置为failbit（表示遇到了格式错误）。带参数的clear()有些令人迷惑：设置指定的状态位，清除其他状态位。unget()是putback()（见6.8.1节）的简洁版，它依赖流记住最后一个字符是什么，而不需要在参数中给出。 exceptions()是作用是：当流处于指定的状态时，将抛出标准库异常ios_base::failure。因此在fill_vector()中不必单独处理bad()（在几乎所有情况下，我们能做的也只是抛出异常）。- 如果需要，
fill_vector()的调用者可以通过测试ist的eof()、fail()或捕获异常来知道输入终止的原因。
ostream也有与istream相同的四种状态。但对于本书中的程序，输出错误比输入错误罕见得多，因此通常不检测ostream的状态。
