文件操作与ASCII文件流

文件操作与ASCII文件流

一、 文件的概念

   引入： 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。

   位置：外存文件包括磁盘文件、光盘文件和u盘文件等。目前使用最广泛的是磁盘文件，为叙述方便，在本章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。

   分类：
   1、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(datafile)，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。

   2、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，无沦用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:

图5

   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，见图5。

   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，不能直观地显示文件中的内容。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l/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字符形式输人和输出。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，在输人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/0。但使用时会感到不大方便。

二、文件流类与文件流对象

   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。

   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/0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2中可以看到除了已介绍过的标准输入输出流类istream，ostream和iostream类外，还有3个用于文件操作的文件类：

(1)ifstream类，它是从istream类派生的。用来支持从磁盘文件的输入。
(2)ofstream类，它是从ostream类派生的。用来支持向磁盘文件的输出，，
(3)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cln，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，必须由用户白已定义。此外，对磁盘文件的操作是通过文件流对象(而不是cm和cout)实现的。文件流对象是用文件流类定义的，而不是用istrearm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一样，现在在程序中定义了outfile为ofstream类(输出文件流类的对象。但是有一个问题还未解决：系统在定义coHt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outfile，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。下面将要解决这个问题。

三、文件的打开与关闭

1．打开磁盘文件

   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渎写之前做必要的准备工作，包括：

(1)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。
(2)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)调用文什流的成员函数open。
(2)在定义文件流对象时指定参数
在声明文件流类时定义厂带参数的构造函数，其中包含了打开磁盘文件的功能。因此，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。输入输出方式是在lOS类中定义的，它们是枚举常量，有多种选择，见表6。

表6

说明：
   ①新版本的C++系统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/0方式指定，每次读与都从文件指针的当前位置开蛤。每读人一个字节，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。值(一般设为1)，表示文件结束了。
   ③可以用“位或”运算符“I”对输入输出方式进行组合，如表7．6中最后3行所示那样。
   ④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 打文件的，则流对象的值为o。可以据此测试打开是否成功。

2．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。关闭文什用成员函数close。

   如: outfile．close()； //将输出文件流所关联的磁盘文件关闭

   所谓关闭，实际亡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::nocrcate)； 此时文件流outfile与f2.dat建立关联，并指定了f2．dat的工作方式。

四、 对ASCII文件的操作

   ASCII文件定义：如果文件的每一个字节中均以ASCII代码形式存放数据，即一个字节存放一个字符，这个文件就是ASCII文件(或称字符文件)。如存放一篇英文文章的文本文件就是ASCII文件。程序可以从ASCII文件中读入若干个字符，可以向它输出一些字符。

对ASCII文件的读写操作可以用以下两种方法：
   1、用流插入运算符“<<”和流提取运算符“>>”输入输出标准类型的数据。
“<<”和“>>”都已在iostream中被重载为能用于ostream和istream类对象的标准类型的输入输出。由于ifstream和ofstream分别是ostream和istream类的派生类，因此它们从ostream和istream类继承了公用的重载函数，所以在对磁盘文件的操作中，可以通过文件流对象和流插入运算符“<<”及流提取运算符“>>”实现对磁盘文件的读写，如同用cln，cout和<<，>>对标准设备进行读写一样。
   2、用本章7．2．3节和7．3．2节中介绍的文件流的put，get，geiline等成员函数进行字符的输入输出。
下面通过几个例子说明其应用。

例11 有一个整型数组，含10个元素，从键盘输入10个整数给数组，将此数组送到磁盘文件中存放。

#include <fstream>
using namespace std;
int main()
 { int a[10];
   ofstream outfile("f1.dat");//定义文件流对象，打开磁盘文件"f1.dat"
   if(!outfile)             //如果打开失败，outfile返回0值
    {cerr<<"open error!"<<endl;
     exit(1); }
   cout<<"enter 10 integer numbers:"<<endl;
   for(int i=0;i<10;i++)
     { cin>>a[i];
       outfile<<a[i]<<" ";}//向磁盘文件"f1.dat输出数据
   outfile.close();       //关闭磁盘文件"f1.dat"
   return 0; }

运行情况如下：
   enter 10 integer numbers：
   1 3 5 2 4 6 10 8 7 9

说明：
   1、程序中用#include命令包含了头文件fstream，这是由于在程序中用到文件流类ofstream，而ofstream是在头文件fstream中定义的。有人可能会提出：程序中用到cout，为什么没有包含iostieam头文件?这是由于在头文件fstream中包含了头文件iostream，因此，包含了头文件fstream就意味着已经包含丁头文件iostream，不必重复(当然，多写一行#include<iostream>也不出错)。
   2、程序中用ofstream类定义文件流对象outfile，调用结构函数打开磁盘文件f1.dat，它是输出文件，只能向它写人数据，不能从中读取数据。参数ios::out可以省写。如不写此项，则默认为ios::out。下面两种写法等价：
      ofstream outfile("f1.dat",ios::out);
      ofstream outfile("f1.dat")；
   3、如果打开成功，则文件流对象outfile的返回值为非0值，如果打开失败，则返回值为O(假)，"!outfile"为真，此时要进行出错处理，向显示器输出出错信息"open error!"然后调用系统函数exit，结束运行。exit的参数为任意整数，可用o，l或其他整数。由于用了exit函数，某些老版本的C++要求包含头文件stdlib.h，而在新版本的C++(如GCC)则不要求此包含。
   4、在程序中用"cin"从键盘逐个读人10个整数，每读人一个就将该数向磁盘文件输出，输出的语句为:
outfile<<a[i]<<""；

   结论：用法和向显示器输出是相似的，只是把标准输出流对象COUT换成文件输出流对象outfile而已。由于是向磁盘文件输出，所以在屏幕上看不到输出结果。
   注意：在向磁盘文件输出一个数据后，要输出一个(或几个)空格或换行符，以作为 数间的分隔，否则以后从磁盘文件读数据时，10个整数的数字连成一片无法区分。

例12 从例1l建立的数据文件f1.dat中读人10个整数放在数组中，找出并输出10个数中的最大者和它在数组中的序号。
程序如下：

#include <fstream>
using namespace std;
int main()
 { int a[10],max,i,order;
   ifstream infile("f1.dat",ios::in);//定义输入文件流对象，以输入方式打开磁盘文件f1.dat
   if(!infile)
    { cerr<<"open error!"<<endl;
      exit(1); }
for(i=0;i<10;i++)
  { infile>>a[i];    //从磁盘文件讲读入不敷出10个整数，顺序存放在a数组中
    cout<<a[i]<<" ";}//在显示器上顺序显示10个数
cout<<endl;
max=a[0];
order=0;
for(i=1;i<10;i++)
  if(a[i]>max)
   { max=a[i];    //将当前最大值放在max中
    order=i;}     //将当前最大值的元素序号放在order中
cout<<"max="<<max<<endl<<"order="<<order<<endl;
infile.close();
return 0; }

运行情况如下：
   l 3 5 2 4 6 10 8 7 9 (在磁盘文件中存放的10个数)
   max=10 (最大值为10) ’
   order=6 (最大值是数组中序弓为6的元素)

可以看到：文件f1.dat在例11中作为输出文件，在例12中作为输入文件。—个磁盘文件可以在一个程序中作为输入文件，而在另—个程序中作为输出文件，在不同的程序中可以有不同的工作方式。甚至在同一个程序中先后以不同方式打开，如先以输出方式打开，接收从程序输出的数据，然后关闭它，再以输入方式打开，程序可以从中读取数据。

例13 从键盘读人一行字符，把其中的字母字符依次存放在磁盘文件f2．dat中。再把它从磁盘文件读人程序，将其中的小，写字母改为大写字母，冉存入磁盘文件f3．dar。

可编写程序如下：
#include <fstream>
using namespace std;
//save_tofile函数从键盘读入一行字符，并将其中的字母存人磁盘文件
void save_to_file()
  { ofstream outfile("f2.dat");
//定义输出文件流对象outfile，以输出方式打开磁盘文件f2．dat
    if(!outfile)
     { cerr<<"open f2.dat error!"<<endl;
       exit(1); }
    char c[80];
    cin.getline(c,80);  //从键盘读入一行字符
    for(int i=0;c[i];i++)//对字符逐个处理，直到遇'/0'为止
      if(c[i]>=65 && c[i]<=90||c[i]>=97 && c[i]<=122)//如果是字母字符
       { outfile.put(c[i]);//将字母字符存入磁盘文件f2.dat
         cout<<c[i];}//同时送显示器显示
    cout<<endl;
    outfile.close(); } //关闭f2.dat
//从磁盘文件f2．dat读入字母字符，将其中的小写字母改为大写字母，再存入f3．dat
 void get_from_file()
   { char ch;
        ifstream infile("f2.dat",ios::in);
//定义输入义什流outfile，以输入方式打开磁盘文件f2．dat
    if(!infile)
      { cerr<<"open f2.dat error!"<<endl;
        exit(1); }
ofstream outfile("f3.dat");
//定义输出文什流outfile，以输出方式打开磁盘文件f3．dat
if(!outfile)
  { cerr<<"open f3.dat error!"<<endl;
    exit(1); }
while(infile.get(ch)) //当读取字符成功时执行下面的复合语句
 { if(ch>=97 && ch<=122) //判断ch是否为小写字母
     ch=ch-32;   //将小写字母变为大写字母
   outfile.put(ch); //同时在显示器输出
   cout<<ch; }
cout<<endl;
infile.close();    //关闭磁盘文件f2．dat
outfile.close(); } //关闭磁盘文件f3．dst

int main()
{ save_to_file();//调用save_to_file()，从键盘读人一行字符并将其中的字母存入磁盘文件f2．dat
  get_from_file();//调用get_from_file()，从f2.dat读人字母字符，改为大写字母，再存入f3．dat
return 0; }

运行情况如下：
   New Beijing, Great olypic,2008,China.
   NewBeijingGreatOypicChina (将字母写入磁盘文件f2.dat，同时在屏幕显示)
   NEWBEUINGGREATOLYPICCHlNA(改为大写宁母)

   磁盘文件f3.dat的内容虽然是ASCII字符，但人们是不能：自接看到的，如果想从显示器上观看磁盘上ASCII文件的内容，可以采用以下两个方法：

(1)在DOS环境下用TYPE命令，如
(2)编一程序将磁盘文件内容渎人内存，然后输出到显示器。可以编一个专用函数。

#include <fstream>
using namespace std;
void display_file(char *filename)
  { ifstream infile(filename,ios::in);
    if(!infile)
     { cerr<<"open error!"<<endl;
       exit(1);}
    char ch;
    while(infile.get(ch))
      cout.put(ch);
    cout<<endl;
    infile.close(); }

然后在调用时给出文件名即可：
int main()
 { display_file("f3.dat");//将f3.dat的入口地址传给形参filename
   return 0; }