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23.7 - 随机文件输入输出

Key Takeaway

文件指针

每个文件流类都包含一个文件指针，用于跟踪文件内的当前读/写位置。当对文件进行读写操作时，读/写操作发生在文件指针的当前位置。默认情况下，当打开一个文件进行读写时，文件指针被设置为文件的开头。但是，如果以追加模式打开文件，则文件指针将移动到文件的末尾，因此写入操作不会覆盖文件的任何当前内容。

使用 seekg() 和 seekp() 进行随机文件访问

到目前为止，我们所完成的文件访问都是顺序的——即按顺序读取或写入了文件内容。但是，其实也可以进行随机文件访问——即跳到文件中的某个位置再读取其内容。当你希望从包含大量记录的文件中检索特定的记录时，这是很有用的。因为你可以直接跳到想要检索的记录，而不必读取所有的记录并从中找到你想要的记录。

通过使用seekg()函数(用于输入)和seekp()函数(用于输出)操作文件指针可以实现文件随机访问。如果你想知道，g 代表"get" ，p 代表"put"。对于某些类型的流，seekg()(改变读位置)和seekp()(改变写位置)独立操作——然而，对于文件流，读和写位置总是相同的，因此seekg和seekp可以互换使用。

seekg() 和 seekp() 函数有两个形参。第一个形参是文件指针需要编译的字节数，第二个参数则是 ios 标记，用于指定从哪里偏移（偏移基准点）。

ios 搜索标记 含义
beg 相对于文件开头进行偏移 (默认)
cur 相对于当前位置进行偏移
end 相对于文件结尾进行偏移

正偏移量意味着将文件指针向文件的末尾移动，而负偏移量意味着将文件指针向文件开头移动。

下面是一些例子：

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inf.seekg(14, std::ios::cur); // 向前移动14字节
inf.seekg(-18, std::ios::cur); // 向后移动18字节
inf.seekg(22, std::ios::beg); // 移动到文件的第22字节
inf.seekg(24); // 移动到文件的第22字节
inf.seekg(-28, std::ios::end); // 移动到文件结束前的第28字节

移动到文件的开头或结尾很容易：

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inf.seekg(0, std::ios::beg); // 移动到文件的开头
inf.seekg(0, std::ios::end); // 移动到文件的结尾

使用seekg()和上一课中的创建的输入文件做一个例子。输入文件的内容如下：

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This is line 1
This is line 2
This is line 3
This is line 4

例子：

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

int main()
{
    std::ifstream inf{ "Sample.txt" };

    // If we couldn't open the input file stream for reading
    if (!inf)
    {
        // Print an error and exit
        std::cerr << "Uh oh, Sample.txt could not be opened for reading!\n";
        return 1;
    }

    std::string strData;

    inf.seekg(5); // move to 5th character
    // Get the rest of the line and print it, moving to line 2
    std::getline(inf, strData);
    std::cout << strData << '\n';

    inf.seekg(8, std::ios::cur); // move 8 more bytes into file
    // Get rest of the line and print it
    std::getline(inf, strData);
    std::cout << strData << '\n';

    inf.seekg(-14, std::ios::end); // move 14 bytes before end of file
    // Get rest of the line and print it
    std::getline(inf, strData);
    std::cout << strData << '\n';

    return 0;
}

输出结果如下： 

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is line 1
line 2
This is line 4

注意：当与文本文件一起使用时，一些编译器对seekg()和seekp()的实现有bug(由于缓冲的关系)。如果你的编译器是其中之一(如果你的输出结果和上面不同，则说明有此类问题)，此时你你可以尝试以二进制模式打开文件:

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std::ifstream inf("Sample.txt", std::ifstream::binary);

另外两个有用的函数是tellg()和tellp()，它们返回文件指针的绝对位置。这可以用来确定文件的大小:

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std::ifstream inf("Sample.txt");
inf.seekg(0, std::ios::end); // move to end of file
std::cout << inf.tellg();

打印结果：

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64

这就是Sample.txt的字节长度(假设在最后一行之后有一个回车)。

使用fstream同时进行文件的读写

fstream 类可以同时读写文件！这里需要注意的是，它不能在读取和写入之间随意切换。一旦进行了读或写操作，在两者之间切换的唯一方法是执行修改文件指针位置的操作(例如seek)。如果你不想移动文件指针(因为它已经在需要的位置了)，你可以将指针调整到当前位置：

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// assume iofile is an object of type fstream
iofile.seekg(iofile.tellg(), std::ios::beg); // 指针移动到当前位置

如果你不这样做，任何奇怪的事情都可能发生。

(注意：尽管看起来 iofile.seekg(0, std::ios::cur) 也能起到相似的作用。但是实际上有些编译器会将其优化掉)。

还有一点需要注意的是，和 ifstream不同，fstream不能通过 while (inf) 来判断是否达到文件末尾。

接下来使用fstream 演示一下文件输入输出。下面程序会打开一个文件，读取其内容，然后将其中所有的元音字母替换为‘#’。

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

int main()
{
    // Note we have to specify both in and out because we're using fstream
    std::fstream iofile{ "Sample.txt", std::ios::in | std::ios::out };

    // If we couldn't open iofile, print an error
    if (!iofile)
    {
        // Print an error and exit
        std::cerr << "Uh oh, Sample.txt could not be opened!\n";
        return 1;
    }

    char chChar{}; // we're going to do this character by character

    // While there's still data to process
    while (iofile.get(chChar))
    {
        switch (chChar)
        {
            // If we find a vowel
            case 'a':
            case 'e':
            case 'i':
            case 'o':
            case 'u':
            case 'A':
            case 'E':
            case 'I':
            case 'O':
            case 'U':

                // Back up one character
                iofile.seekg(-1, std::ios::cur);

                // Because we did a seek, we can now safely do a write, so
                // let's write a # over the vowel
                iofile << '#';

                // Now we want to go back to read mode so the next call
                // to get() will perform correctly.  We'll seekg() to the current
                // location because we don't want to move the file pointer.
                iofile.seekg(iofile.tellg(), std::ios::beg);

                std::cout << iofile.rdbuf();

                break;
        }
    }

    return 0;
}

运行程序，输出结果如下：

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Th#s #s l#n# 1
Th#s #s l#n# 2
Th#s #s l#n# 3
Th#s #s l#n# 4

其他有用的文件函数

要删除文件，只需使用remove() 函数。

此外，如果流是打开状态，is_open() 函数会返回true，否则返回false。

关于将指针写入硬盘的警告⚠️

虽然将变量写到文件是很容易做到的，但在处理指针时，情况就变得更加复杂了。记住，指针只是保存它所指向的变量的地址。尽管可以将地址读写到磁盘，但这样做是非常危险的。这是因为变量的地址在每次执行时可能不同。因此，尽管当你将该地址写入磁盘时，变量可能位于地址0x0012FF7C，但当你再次读取该地址时，它可能不再位于该地址了！

例如，假设有一个名为nValue的整数，位于地址0x0012FF7C。你给nValue赋值5。同时，声明了一个名为*pnValue的指针，它指向nValue。pnValue 保存 nValue 的地址0x0012FF7C。此时，你希望将这些变量保存到文件以备将来使用，因此你将值5和地址0x0012FF7C写入磁盘。

几周后，再次运行该程序并从磁盘读取这些值。将值5读入另一个名为nValue的变量，该变量位于0x0012FF78。你将地址0x0012FF7C读入名为*pnValue 的指针中。因为pnValue 现在指向0x0012FF7C，而nValue位于0x0012FF78， pnValue 不再指向 nValue，试图访问 pnValue 将会带来麻烦。

注意

不要向文件写入内存地址。当你从磁盘读回这些值时，最初位于这些地址的变量可能位于不同的地址，这些地址是无效的。