面向对象的标准库（续）

[1. 条件状态]

在展开讨论 fstream 和 sstream 头文件中定义的类型之前，
需要了解更多 IO 标准库如何管理其缓冲区及其流状态的相关内容。
谨记本节和下一节所介绍的内容同样适用于普通流、文件流以及 string 流。

所有 IO 对象都有一组条件状态，用来指示是否可以通过该对象进行 IO 操作。
如果出现了错误（例如遇到文件结束符）对象的状态将标志无法再进行输入，直到修正了错误为止。
标准库提供了一组函数设置和检查这些状态，
用来标记给定的 IO 对象是否处于可用状态，或者碰到了哪种特定的错误。
下表 列出了标准库定义的一组函数和标记，提供访问和操纵流状态的手段。

strm::iostate       机器相关的整型名，由各个 iostream 类定义，用于定义条件状态
 
strm::badbit        strm::iostate 类型的值，用于指出被破坏的流
 
strm::failbit       strm::iostate 类型的值，用于指出失败的 IO 操作
 
strm::eofbit        strm::iostate 类型的值，用于指出流已经到达文件结束符
 
s.eof()             如果设置了流 s 的 eofbit 值，则该函数返回 true
 
s.fail()            如果设置了流 s 的 failbit 值，则该函数返回 true
 
s.bad()             如果设置了流 s 的 badbit 值，则该函数返回 true
 
s.good()            如果流 s 处于有效状态，则该函数返回 true
 
s.clear()           将流 s 中的所有状态值都重设为有效状态
 
s.clear(flag)       将流 s 中的某个指定条件状态设置为有效。flag 的类型是 strm::iostate
 
s.setstate(flag)    给流 s 添加指定条件。flag 的类型是 strm::iostate
 
s.rdstate()         返回流 s 的当前条件，返回值类型为 strm::iostate                

int ival;
考虑下面 IO 错误的例子：
cin >> ival;

如果在标准输入设备输入 Borges，则 cin 在尝试将输入的字符串读为 int 型数据失败后，
会生成一个错误状态。类似地，如果输入文件结束符（end-of-file），cin 也会进入错误状态。
而如果输入 1024，则成功读取，cin 将处于正确的无错误状态。

流必须处于无错误状态，才能用于输入或输出。检测流是否用的最简单的方法是检查其真值：

if (cin)
// ok to use cin, it is in a valid state

while (cin >> word)
// ok: read operation successful ...

if 语句直接检查流的状态，而 while 语句则检测条件表达式返回的流，从而间接地检查了流的状态。
如果成功输入，则条件检测为 true。

有些程序则需要更详细地访问或控制流的状态，
此时，除了知道流处于错误状态外，还必须了解它遇到了哪种类型的错误。
例如，程序员也许希望弄清是到达了文件的结尾，还是遇到了 IO 设备上的错误。

所有流对象都包含一个条件状态成员，该成员由 setstate 和 clear 操作管理。
这个状态成员为 iostate 类型，这是由各个 iostream 类分别定义的机器相关的整型。
该状态成员以二进制位（bit）的形式使用。

每个 IO 类还定义了三个 iostate 类型的常量值，分别表示特定的位模式。
这些常量值用于指出特定类型的 IO 条件，可与位操作符一起使用，以便在一次操作中检查或设置多个标志。

badbit 标志着系统级的故障，如无法恢复的读写错误，此时该流通常就不能再继续使用了。
如果出现的是可恢复的错误，如在希望获得数值型数据时输入了字符，
此时则设置 failbit 标志，这种导致设置 failbit 的问题通常是可以修正的。
eofbit 是在遇到文件结束符时设置的，此时同时还设置了 failbit。

流的状态由 bad、fail、eof 和 good 操作提示。
如果 bad、fail 或者 eof 中的任意一个为 true，则检查流本身将显示该流处于错误状态。
类似地，如果这三个条件没有一个为 true，则 good 操作将返回 true。

clear 和 setstate 操作用于改变条件成员的状态。
clear 操作将条件重设为有效状态。
在流的使用出现了问题并做出补救后，如果我们希望把流重设为有效状态，则可以调用 clear 操作。
使用 setstate 操作可打开某个指定的条件，用于表示某个问题的发生。
除了添加的标记状态，setstate 将保留其他已存在的状态变量不变。

流状态的查询和控制

可以如下管理输入操作——

int ival;
// read cin and test only for EOF; loop is executed even if there are other IO failures
while (cin >> ival, !cin.eof()) {
　　if (cin.bad()) // input stream is corrupted; bail out
　　　　throw runtime_error("IO stream corrupted");
　　if (cin.fail()) { // bad input
　　　　cerr<< "bad data, try again"; // warn the user
　　　　cin.clear(istream::failbit); // reset the stream
　　　　continue; // get next input
　　}
　　// ok to process ival
}

这个循环不断读入 cin，直到到达文件结束符或者发生不可恢复的读取错误为止。
循环条件使用了逗号操作符，其求解过程：
首先计算它的每一个操作数，然后返回最右边操作数作为整个操作的结果。
因此，循环条件只读入 cin 而忽略了其结果。该条件的结果是 !cin.eof() 的值。
如果 cin 到达文件结束符，条件则为假，退出循环。
如果 cin 没有到达文件结束符，则不管在读取时是否发生了其他可能遇到的错误，都进入循环。

在循环中，首先检查流是否已破坏。
如果是的放，抛出异常并退出循环。如果输入无效，则输出警告并清除 failbit 状态。
在本例中，执行 continue 语句回到 while 的开头，读入另一个值 ival。
如果没有出现任何错误，那么循环体中余下的部分则可以很安全地使用 ival。

 

条件状态的访问

rdstate 成员函数返回一个 iostate 类型值，该值对应于流当前的整个条件状态：

// remember current state of cin
istream::iostate old_state = cin.rdstate();
cin.clear();
process_input(); // use cin
cin.clear(old_state); // now reset cin to old state

多种状态的处理

当需要设置或清除多个状态二进制位的情况，可以通过多次调用 setstate 或者 clear 函数实现。
另外一种方法则是使用按位或（OR）操作符在一次调用中生成“传递两个或更多状态位”的值。
按位或操作使用其操作数的二进制位模式产生一个整型数值。
对于结果中的每一个二进制位，如果其值为 1，
则该操作的两个操作数中至少有一个的对应二进制位是 1。例如：

// sets both the badbit and the failbit
is.setstate(ifstream::badbit | ifstream::failbit);

将对象 is 的 failbit 和 badbit 位同时打开。实参：

is.badbit | is.failbit

生成了一个值，其对应于 badbit 和 failbit 的位都打开了，
也就是将这两个位都设置为 1，该值的其他位则都为 0。
在调用 setstate 时，使用这个值来开启流条件状态成员中对应的 badbit 和 failbit 位。

 

[2. 输出缓冲区的管理]

每个 IO 对象管理一个缓冲区，用于存储程序读写的数据。如有下面语句：
os << "please enter a value: ";

系统将字符串字面值存储在与流 os 关联的缓冲区中。
下面几种情况将导致缓冲区的内容被刷新，即写入到真实的输出设备或者文件：

1) 程序正常结束。作为 main 返回工作的一部分，将清空所有输出缓冲区。

2) 在一些不确定的时候，缓冲区可能已经满了，在这种情况下，缓冲区将会在写下一个值之前刷新。

3) 用操纵符显式地刷新缓冲区，例如行结束符 endl。

4) 在每次输出操作执行完后，用 unitbuf 操作符设置流的内部状态，从而清空缓冲区。

5) 可将输出流与输入流关联（tie）起来。在这种情况下，在读输入流时将刷新其关联的输出缓冲区。

我们的程序已经使用过 endl 操纵符，用于输出一个换行符并刷新缓冲区。
除此之外，C++ 语言还提供了另外两个类似的操纵符。
第1个经常使用的 flush，用于刷新流，但不在输出中添加任何字符。
第2个则是比较少用的 ends，这个操纵符在缓冲区中插入空字符 null，然后后刷新它。

cout << "hi!" << flush; // flushes the buffer; adds no data
cout << "hi!" << ends; // inserts a null, then flushes the buffer
cout << "hi!" << endl; // inserts a newline, then flushes the buffer

如果需要刷新所有输出，最好使用 unitbuf 操纵符，在每次执行完写操作后都会刷新流：

cout << unitbuf << "first" << " second" << nounitbuf;

等价于：

cout << "first" << flush << " second" << flush;

nounitbuf 操纵符将流恢复为使用正常的、由系统管理的缓冲区刷新方式。

 警告：如果程序崩溃了，则不会刷新缓冲区！

在尝试调试已崩溃的程序时，通常会根据最后的输出找出程序发生错误的区域。
如果崩溃出现在某个特定的输出语句后面，则可知是在程序的这个位置之后出错。

调试程序时，必须保证期待写入的每个输出都确实被刷新了。
因为系统不会在程序崩溃时自动刷新缓冲区，这就可能出现这样的情况：
程序做了写输出的工作，但写的内容并没有显示在标准输出上，仍然存储在输出缓冲区中等待输出。

如果需要使用最后的输出给程序错误定位，则必须确定所有要输出的都已经输出。
为了确保用户看到程序实际上处理的所有输出，
最好的方法是保证所有的输出操作都显式地调用了 flush 或 endl。

如果仅因为缓冲区没有刷新，程序员将浪费大量的时间跟踪调试并没有执行的代码。
基于这个原因，输出时应多使用 endl 而非 '\n'。
使用 endl 则不必担心程序崩溃时输出是否悬而未决（即还留在缓冲区，未输出到设备中）。

[3. 文件的输入和输出]

fstream 头文件定义了三种支持文件 IO 的类型：

ifstream，由 istream 派生而来，提供读文件的功能。
ofstream，由 ostream 派生而来，提供写文件的功能。
fstream，由 iostream 派生而来，提供读写同一个文件的功能。

这些类型都由相应的 iostream 类型派生而来，
这个事实意味着我们已经知道使用 fstream 类型需要了解的大部分内容了。
特别是，可使用 IO 操作符（<< 和 >> ）在文件上实现格式化的 IO，
而且在前面章节介绍的条件状态也同样适用于 fstream 对象。

fstream 类型除了继承下来的行为外，还定义了两个自己的新操作——
open 和 close，以及形参为要打开的文件名的构造函数。
fstream、ifstream 或 ofstream 对象可调用这些操作，而其他的 IO 类型则不能调用。

3.1. 文件流对象的使用

需要读写文件时，则必须定义自己的对象，并将它们绑定在需要的文件上。
假设 ifile 和 ofile 是存储希望读写的文件名的 strings 对象，可如下编写代码：

// construct an ifstream and bind it to the file named ifile
ifstream infile(ifile.c_str());
// ofstream output file object to write file named ofile
ofstream outfile(ofile.c_str());

上述代码定义并打开了一对 fstream 对象。infile 是读的流，而 outfile 则是写的流。
为 ifstream 或者 ofstream 对象提供文件名作为初始化式，就相当于打开了特定的文件。

ifstream infile; // unbound input file stream
ofstream outfile; // unbound output file stream

上述语句将 infile 定义为读文件的流对象，将 outfile 定义为写文件的对象。
这两个对象都没有捆绑具体的文件。在使用 fstream 对象之前，还必须使这些对象捆绑要读写的文件：

infile.open("in"); // open file named "in" in the current directory
outfile.open("out"); // open file named "out" in the current directory

调用 open 成员函数将已存在的 fstream 对象与特定文件绑定。
为了实现读写，需要将指定的文件打开并定位，open 函数完成系统指定的所有需要的操作。

 警告：C++ 中的文件名
由于历史原因，IO 标准库使用的是 C 风格字符串而不是 C++ strings 类型的字符串作为文件名。

在创建 fstream 对象时，如果调用 open 或使用文件名作初始化式，
需要传递的实参应为 C 风格字符串，而不是标准库 strings 对象。

程序常常从标准输入获得文件名。
通常，比较好的方法是将文件名读入 string 对象，而不是 C 风格字符数组。
假设要使用的文件名保存在 string 对象中，则可调用 c_str 成员获取 C 风格字符串。

检查文件打开是否成功

打开文件后，通常要检验打开是否成功，这是一个好习惯：

// check that the open succeeded
if (!infile) {
　　cerr << "error: unable to open input file: "
　　　　　　　　<< ifile << endl;
　　return -1;
}

这个条件与之前测试 cin 是否到达文件尾或遇到某些其他错误的条件类似。
检查流等效于检查对象是否“适合”输入或输出。
如果打开（open）失败，则说明 fstream 对象还没有为 IO 做好准备。
当测试对象 if (outfile) 返回 true 意味着文件已经可以使用。
由于希望知道文件是否未准备好，则对返回值取反来检查流：if (!outfile) 。

将文件流与新文件重新绑定

fstream 对象一旦打开，就保持与指定的文件相关联。
如果要把 fstream 对象与另一个不同的文件关联，
则必须先 close 现在的文件，然后 open 另一个文件：
要点是在尝试打开新文件之前，必须先关闭当前的文件流。
open 函数会检查流是否已经打开。如果已经打开，则设置内部状态，以指出发生了错误。
接下来使用文件流的任何尝试都会失败。

ifstream infile("in"); // opens file named "in" for reading
infile.close(); // closes "in"
infile.open("next"); // opens file named "next" for reading

清除文件流的状态

考虑这样的程序，它有一个 vector 对象，
包含一些要打开并读取的文件名，程序要对每个文件中存储的单词做一些处理。
假设该 vector 对象命名为 files，程序也许会有如下循环：

// for each file in the vector
while (it != files.end()) {
　　ifstream input(it->c_str()); // open the file;
　　// if the file is ok, read and "process" the input
　　if (!input)
　　　　break; // error: bail out!
　　while(input >> s) // do the work on this file
　　　　process(s);
　　++it; // increment iterator to get next file
}

每一次循环都构造了名为 input 的 ifstream 对象，打开并读取指定的文件。
构造函数的初始化式使用了箭头操作符。

　　1) 对 it 进行解引用，从而获取 it 当前表示的 string 对象的 c_str 成员。
　　文件由构造函数打开，并假设打开成功，读取文件直到到达文件结束符或者出现其他的错误条件为止。
　　在这个点上，input 处于错误状态。任何读 input 的尝试都会失败。因为 input 是 while 循环的局部变量，在每次迭代中创建。
　　这就意味着它在每次循环中都以干净的状态即 input.good() 为 true，开始使用。

　　2) 如果希望避免在每次 while 循环过程中创建新流对象，可将 input 的定义移到 while 之前。
　　这点小小的改动意味着必须更仔细地管理流的状态。
　　如果遇到文件结束符或其他错误，将设置流的内部状态，以便之后不允许再对该流做读写操作。
　　关闭流并不能改变流对象的内部状态。
　　如果最后的读写操作失败了，对象的状态将保持为错误模式，
　　直到执行 clear 操作重新恢复流的状态为止。
　　调用 clear 后，就像重新创建了该对象一样。

　　3) 如果打算重用已存在的流对象，那么 while 循环必须在每次循环进记得close和clear文件流：

ifstream input;
vector<string>::const_iterator it = files.begin();
// for each file in the vector
while (it != files.end()) {
　　input.open(it->c_str()); // open the file
　　// if the file is ok, read and "process" the input
　　if (!input)
　　　　break; // error: bail out!
　　while(input >> s) // do the work on this file
　　　　process(s);
　　input.close(); // close file when we're done with it
　　input.clear(); // reset state to ok
　　++it; // increment iterator to get next file
}

如果忽略 clear 的调用，则循环只能读入第一个文件。
要了解其原因，就需要考虑在循环中发生了什么：
首先打开指定的文件。假设打开成功，则读取文件直到文件结束或者出现其他错误条件为止。
在这个点上，input 处于错误状态。
如果在close该流前没有调用 clear 清除流的状态，接着在 input 上做的任何输入运算都会失败。
一旦关闭该文件，再打开下一个文件时，在内层 while 循环上读 input 仍然会失败——
毕竟最后一次对流的读操作到达了文件结束符，
事实上该文件结束符对应的是另一个与本文件无关的其他文件。

3.2 文件模式的组合

out     　　　　　　打开文件做写操作，删除文件中已有的数据
out | app　　　　　 打开文件做写操作，在文件尾写入
out | trunc    　　与 out 模式相同
in     　　　　 　　打开文件做读操作
in | out       　　打开文件做读、写操作，并定位于文件开头处
in | out | trunc   打开文件做读、写操作，删除文件中已有的数据

上述所有的打开模式组合还可以添加 ate 模式。
对这些模式添加 ate 只会改变文件打开时的初始化定位，在第一次读或写之前，将文件定位于文件末尾处。

3.3. 一个打开并检查输入文件的程序

我们编写一个名为 open_file 的函数实现这个功能。
这个函数有两个引用形参，分别是 ifstream 和 string 类型，
其中 string 类型的引用形参存储与指定 ifstream 对象关联的文件名：

// opens in binding it to the given file
ifstream& open_file(ifstream &in, const string &file)
{
　　in.close(); // close in case it was already open
　　in.clear(); // clear any existing errors
　　// if the open fails, the stream will be in an invalid state
　　in.open(file.c_str()); // open the file we were given
　　return in; // condition state is good if open succeeded
}

由于不清楚流 in 的当前状态，因此首先调用 close 和 clear 将这个流设置为有效状态。
然后尝试打开给定的文件。如果打开失败，流的条件状态将标志这个流是不可用的。
最后返回流对象 in，此时，in 要么已经与指定文件绑定起来了，要么处于错误条件状态。

 

[4. 字符串流]
iostream 标准库支持内存中的输入／输出，
只要将流与存储在程序内存中的 string 对象绑定起来即可。
此时，可使用 iostream 输入和输出操作符读写这个 string 对象。
标准库定义了三种类型的字符串流：

istringstream，由 istream 派生而来，提供读 string 的功能。
ostringstream，由 ostream 派生而来，提供写 string 的功能。
stringstream，由 iostream 派生而来，提供读写 string 的功能。

要使用上述类，必须包含 sstream 头文件。
与 fstream 类型一样，上述类型由 iostream 类型派生而来，
这意味着 iostream 上所有的操作适用于 sstream 中的类型。
sstream 类型除了继承的操作外，还各自定义了一个有 string 形参的构造函数，
这个构造函数将 string 类型的实参复制给 stringstream 对象。
对 stringstream 的读写操作实际上读写的就是该对象中的 string 对象。
这些类还定义了名为 str 的成员，用来读取或设置 stringstream 对象所操纵的 string 值。
注意到尽管 fstream 和 sstream 共享相同的基类，但它们没有其他相互关系。
特别是，stringstream 对象不使用 open 和 close 函数，而 fstream 对象则不允许使用 str。

下表是 stringstream 特定的操作——

stringstream strm;　　　　创建自由的 stringstream 对象
stringstream strm(s);    创建存储 s 的副本的 stringstream 对象，其中 s 是 string 类型的对象
strm.str();     　　　　　返回 strm 中存储的 string 类型对象
strm.str(s);     　　　　 将 string 类型的 s 复制给 strm，返回 void

stringstream 对象的和使用

对于每次一个单词或每次一行的方式处理输入的程序。
前者用 string 输入操作符，后者则使用 getline 函数。
当程序需要同时使用这两种方式时，可用 stringstreams 对象实现：

string line, word; // will hold a line and word from input, respectively
while (getline(cin, line)) { // read a line from the input into line
　　// do per-line processing
　　istringstream stream(line); // bind to stream to the line we read
　　while (stream >> word){ // read a word from line
　　　　// do per-word processing
　　}
}

这里，使用 getline 函数从输入读取整行内容。
然后为了获得每行中的单词，将一个 istringstream 对象与所读取的行绑定起来，
这样只需要使用普通的 string 输入操作符即可读出每行中的单词。

stringstream 提供的转换和／或格式化

stringstream 对象的一个常见用法是，需要在多种数据类型之间实现自动格式化时使用该类类型。
例如，有一个数值型数据集合，要获取它们的 string 表示形式，或反之。
sstream 输入和输出操作可自动地把算术类型转化为相应的 string 表示形式，反过来也可以。

int val1 = 512, val2 = 1024;
ostringstream format_message;
// ok: converts values to a string representation
format_message << "val1: " << val1 << "\n" << "val2: " << val2 << "\n";

这里创建了一个名为 format_message 的 ostringstream 类型空对象，并将指定的内容插入该对象。
重点在于 int 型值自动转换为等价的可打印的字符串。format_message 的内容是以下字符：

val1: 512\nval2: 1024

相反，用 istringstream 读 string 对象，即可重新将数值型数据找回来。
读取 istringstream 对象自动地将数值型数据的字符表示方式转换为相应的算术值。

// str member obtains the string associated with a stringstream
istringstream input_istring(format_message.str());
string dump; // place to dump the labels from the formatted message
// extracts the stored ascii values, converting back to arithmetic types
input_istring >> dump >> val1 >> dump >> val2;
cout << val1 << " " << val2 << endl; // prints 512 1024

这里使用 str 成员获取与之前创建的 ostringstream 对象关联的 string 副本。
再将 input_istring 与 string 绑定起来。
在读 input_istring 时，相应的值恢复为它们原来的数值型表示形式

为了读取 input_string，必须把该 string 对象分解为若干个部分。
我们要的是数值型数据；为了得到它们，必须读取（和忽略）处于所需数据周围的标号。

因为输入操作符读取的是有类型的值，因此读入的对象类型必须和由 stringstream 读入的值的类型一致。
在本例中，input_istring 分成 4 个部分：
string 类型的值 val1，接着是 512，然后是 string 类型的值 val2，最后是 1024。
一般情况下，使用输入操作符读 string 时，空白符将会忽略。
于是，在读与 format_message 关联的 string 时，忽略其中的换行符。