第4章　输入输出流

处理一般的I/O问题，比仅仅使用标准I/O库函数并把它变成一个类需要做更多的工作。

如果能把所有平常的“容器（receptacle）”—标准I/O函数、文件以及内存块—看做相同的对象，都使用相同的接口进行操作，这不是很好吗？这种思想是建立在输入输出流之上的。与C语言stdio（标准输入/输出）库中各式各样的函数相比，输入输出流使用起来更容易、更安全，有时甚至更高效。

C++类库中的输入输出流类通常是C++初学者最先学习使用的部分。本章讨论输入输出流中比C语言中stdio更强大的功能，阐述了文件流、字符串流和标准控制台流。

4.1　为什么引入输入输出流

读者可能想知道以前的C库到底有什么不好。为什么不把C库封装成新的类呢？有时这是一种好的解决办法。例如，stdio中定义的FILE为指向文件的指针，假定现在需要安全地打开文件并且不依赖用户调用close（）来关闭它，下面的程序可以实现这一目标：

当在C语言中进行文件I/O时，是使用无保护的指向FILE struct的指针来完成有关操作，但这个类封装了文件结构指针，并且用构造函数和析构函数来确保指针被正确地初始化和清理。构造函数的第2个参数是文件打开模式，默认值为“r”即“只读模式”。

为了在文件I/O函数中使用这个指针的值，可以用存取访问函数（access function）fp（）取得它。下面是这个成员函数的定义：

就像平常所做的一样，构造函数调用fopen（），而且要确保返回结果不为零，结果为零说明打开文件失败。如果文件不能正常打开，则抛出异常。

析构函数用来关闭文件，而存取访问函数fp（）则返回指针f。下面是使用FileClass的一个简单例子：

现在，创建一个FileClass对象并在普通的C文件I/O函数中通过调用fp（）使用它。当用完这个对象之后就不需要再理会它了；当文件对象超出其作用域后，析构函数会关闭该文件。

虽然FILE指针是私有的，但它并不是特别安全，因为成员函数fp（）可以检索它。既然惟一的作用似乎只是为了确保指针能被正确初始化和清除，那么为什么不把它设计成公有的或使用struct来代替呢？注意，当能够用函数fp（）取得指针f的一个拷贝的时候，不能同时给f赋值—这项操作完全由类来控制。得到由fp（）返回的指针后，客户程序员仍然能给结构元素赋值或对其进行进一步处理，所以从安全的角度对于FILE指针，与其确保其合法性还不如将其作为结构的固有成员。

如果需要得到完全的安全，就必须防止客户直接存取FILE指针。所有的常用文件I/O函数都必须作为成员函数封装在类中，使得借助于C语言能做到的每一件事，在C++类中均可做到：

这个类几乎包含了＜cstdio＞中所有的文件I/O函数。（不包含vfprintf（），它只是用来实现printf（）成员函数。）

类File的构造函数和前面的例子相同，并且这个类还有一个默认的构造函数。如果想创建File对象数组，或把File对象作为另一个类的数据成员来使用，这时类的初始化操作不在构造函数中完成，而是发生在其所属的对象已经创建之后，在这些情况下默认构造函数是很重要的。

默认构造函数将私有FILE指针f设为0。但是在对f进行任何引用之前，必须对其进行检查以确保指针不为空。这项操作由成员函数F（）完成，这个函数为私有成员函数，这样做的目的是只允许类中的其他成员函数调用它。（不想让用户直接访问类的FILE结构。）

无论如何这并不是一种糟糕的解决方法。这种方法能起很好的作用，甚至能设想为标准（控制台）I/O和内核格式化（in-core formatting）（读/写一个内存块，而不是文件或控制台）构造相似的类。

在这里遇到的绊脚石是用于可变参数列表函数（variable argument list function）的运行时解释程序（runtime interpreter）。运行时解释程序是一段代码，它的作用是在运行时解析格式串（format string），以及提取并解释从可变参数列表中得到的参数。产生这个问题有4个原因：

1）即使仅仅需要使用解释程序的一小部分功能，该解释程序的所有内容也都会被加载到可执行程序中。所以，如果在程序中仅仅使用printf（"%c"，'x'）；，那么程序包中所有的函数也都会被加载进来，包括打印浮点数和字符串的函数。没有标准选项可以减少程序使用的空间。

2）因为解释是发生在运行时的，所以无法免除运行开销。这是很令人沮丧的，因为编译时所有的信息都存在格式串中，但是直到运行时刻才能对其进行求值。然而，如果能在编译时解析格式串中的变量，就可以产生直接的函数调用，速度比运行时解释程序更快（尽管printf（）及同类函数已经很好地优化了）。

3）因为格式串直到运行时才能求值，所以可以没有编译时错误检查。如果读者曾经为找出函数printf（）中的错误而对其使用错误的数字或者参数类型进行测试，也许就对这个问题比较熟悉了。C++为尽早发现错误，就进行编译时错误检查做了许多工作，这使得代码的编写更加容易。把类型安全检查交给I/O库来完成似乎是欠妥的，尤其是进行大量I/O操作时。

4）对于C++来说，最关键的问题是printf（）函数族不具备可扩展性。设计它们的目的仅仅是用来处理C语言中的基本数据类型（char、int、float、double、wchar_t、char、wchar_t和void*）以及这些数据类型的变体。读者也许会认为每次添加一个新类时，可以重载函数printf（）和scanf（）（以及它们的用于处理文件和字符串的变体），但是请记住，重载函数的参数列表中参数的类型必须不同，然而printf（）函数族把类型信息隐藏在可变参数列表和格式串中。对于一种语言如C++来说，如果设计它的目的是为了很容易地添加新的数据类型，那么这个限制是无法接受的。