入门级-其他-文件操作和流的输入输出重定向

## 文件的概念

文件是根据特定的目的而收集在一起的有关数据的集合。C/C++ 把每一个文件都看成是一个有序的字节流，每个文件都是以 **文件结束标志**（EOF）结束，如果要操作某个文件，程序应该首先打开该文件，每当一个文件被打开后（请记得关闭打开的文件），该文件就和一个流关联起来，这里的流实际上是一个字节序列。

C/C++ 将文件分为文本文件和二进制文件。文本文件就是简单的文本文件（重点），另外二进制文件就是特殊格式的文件或者可执行代码文件等。

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## 文件的操作步骤

1、打开文件，将文件指针指向文件，决定打开文件类型；  
2、对文件进行读、写操作（比赛中主要用到的操作，其他一些操作暂时不写）；  
3、在使用完文件后，关闭文件。

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## `freopen` 函数

### 函数简介

函数用于将指定输入输出流以指定方式重定向到文件，包含于头文件 `stdio.h (cstdio)` 中，该函数可以在不改变代码原貌的情况下改变输入输出环境，但使用时应当保证流是可靠的。

函数主要有三种方式：读、写和附加。

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### 命令格式

```cpp
FILE* freopen(const char* filename, const char* mode, FILE* stream);
```

### 参数说明

-   `filename`: 要打开的文件名
-   `mode`: 文件打开的模式，表示文件访问的权限
-   `stream`: 文件指针，通常使用标准文件流 (`stdin/stdout`) 或标准错误输出流 (`stderr`)
-   返回值：文件指针，指向被打开文件

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### 文件打开格式（选读）

-   `r`：以只读方式打开文件，文件必须存在，只允许读入数据 **（常用）**
-   `r+`：以读/写方式打开文件，文件必须存在，允许读/写数据
-   `rb`：以只读方式打开二进制文件，文件必须存在，只允许读入数据
-   `rb+`：以读/写方式打开二进制文件，文件必须存在，允许读/写数据
-   `rt+`：以读/写方式打开文本文件，允许读/写数据
-   `w`：以只写方式打开文件，文件不存在会新建文件，否则清空内容，只允许写入数据 **（常用）**
-   `w+`：以读/写方式打开文件，文件不存在将新建文件，否则清空内容，允许读/写数据
-   `wb`：以只写方式打开二进制文件，文件不存在将会新建文件，否则清空内容，只允许写入数据
-   `wb+`：以读/写方式打开二进制文件，文件不存在将新建文件，否则清空内容，允许读/写数据
-   `a`：以只写方式打开文件，文件不存在将新建文件，写入数据将被附加在文件末尾（保留 EOF 符）
-   `a+`：以读/写方式打开文件，文件不存在将新建文件，写入数据将被附加在文件末尾（不保留 EOF 符）
-   `at+`：以读/写方式打开文本文件，写入数据将被附加在文件末尾
-   `ab+`：以读/写方式打开二进制文件，写入数据将被附加在文件末尾

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### 使用方法

读入文件内容：

```cpp
freopen("data.in", "r", stdin);
// data.in 就是读取的文件名，要和可执行文件放在同一目录下
```

输出到文件：

```cpp
freopen("data.out", "w", stdout);
// data.out 就是输出文件的文件名，和可执行文件在同一目录下
```

关闭标准输入/输出流

```cpp
fclose(stdin);
fclose(stdout);
```

注
`printf/scanf/cin/cout` 等函数默认使用 `stdin/stdout`，将 `stdin/stdout` 重定向后，这些函数将输入/输出到被定向的文件

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### 模板

```cpp
#include <cstdio>
#include <iostream>

int main(void) {
  freopen("data.in", "r", stdin);
  freopen("data.out", "w", stdout);
  /*
  中间的代码不需要改变，直接使用 cin 和 cout 即可
  */
  fclose(stdin);
  fclose(stdout);
  return 0;
}
```

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## `fopen` 函数（选读）

函数大致与 `freopen` 相同，函数将打开指定文件并返回打开文件的指针

### 函数原型

```cpp
FILE* fopen(const char* path, const char* mode)
```

各项参数含义同 `freopen`

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### 可用读写函数（基本）

-   `fread/fwrite`
-   `fgetc/fputc`
-   `fscanf/fprintf`
-   `fgets/fputs`

### 使用方式

```cpp
FILE *in, *out;  // 定义文件指针
in = fopen("data.in", "r");
out = fopen("data.out", "w");
/*
do what you want to do
*/
fclose(in);
fclose(out);
```

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## C++ 的 `ifstream/ofstream` 文件输入输出流

### 使用方法

读入文件内容：

```cpp
ifstream fin("data.in");
// data.in 就是读取文件的相对位置或绝对位置
```

输出到文件：

```cpp
ofstream fout("data.out");
// data.out 就是输出文件的相对位置或绝对位置
```

关闭标准输入/输出流

```cpp
fin.close();
fout.close();
```

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### 模板

```cpp
#include <fstream>
using namespace std;  // 两个类型都在 std 命名空间里

ifstream fin("data.in");
ofstream fout("data.out");

int main(void) {
  /*
  中间的代码改变 cin 为 fin ，cout 为 fout 即可
  */
  fin.close();
  fout.close();
  return 0;
}
```

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# 使用 cin/cout 重定向实现文件输入输出

在 C++ 中，可以通过流重定向技术让 `cin` 和 `cout` 直接与文件交互，而不是标准输入输出设备。以下是详细实现方法：

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## 基本原理
- `cin` 是 `istream` 类的对象，关联到标准输入
- `cout` 是 `ostream` 类的对象，关联到标准输出
- 通过 `rdbuf()` 函数可以重定向流的缓冲区

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## 重定向方法

### 1. 保存原始缓冲区（可选但推荐）
```cpp
#include <iostream>
#include <fstream>

int main() {
    // 保存原始缓冲区
    std::streambuf* orig_cin = std::cin.rdbuf();
    std::streambuf* orig_cout = std::cout.rdbuf();
    
    // ... 重定向操作 ...
    
    // 恢复原始缓冲区
    std::cin.rdbuf(orig_cin);
    std::cout.rdbuf(orig_cout);
}
```

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### 2. 重定向到文件

#### 输入重定向（cin → 文件）
```cpp
std::ifstream inFile("input.txt");
std::cin.rdbuf(inFile.rdbuf());  // 重定向cin到文件

// 现在所有cin操作都从input.txt读取
int value;
std::cin >> value;  // 从文件读取
```

#### 输出重定向（cout → 文件）
```cpp
std::ofstream outFile("output.txt");
std::cout.rdbuf(outFile.rdbuf());  // 重定向cout到文件

// 现在所有cout操作都写入output.txt
std::cout << "Hello, File!";  // 写入文件
```

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### 3. 同时重定向输入和输出
```cpp
std::ifstream in("input.txt");
std::ofstream out("output.txt");

// 重定向输入
std::cin.rdbuf(in.rdbuf());

// 重定向输出
std::cout.rdbuf(out.rdbuf());

// 现在所有I/O操作都针对文件
std::string data;
while (std::cin >> data) {
    std::cout << "Processed: " << data << "\n";
}
```

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## 完整示例

```cpp
#include <iostream>
#include <fstream>

int main() {
    // 1. 保存原始缓冲区
    std::streambuf* origCin = std::cin.rdbuf();
    std::streambuf* origCout = std::cout.rdbuf();
    
    // 2. 打开文件流
    std::ifstream input("data.in");
    std::ofstream output("result.out");
    
    // 3. 重定向
    std::cin.rdbuf(input.rdbuf());
    std::cout.rdbuf(output.rdbuf());
    
    // 4. 文件操作（使用cin/cout）
    int a, b;
    std::cin >> a >> b;          // 从data.in读取
    std::cout << "Sum: " << a + b; // 写入result.out
    
    // 5. 恢复原始缓冲区
    std::cin.rdbuf(origCin);
    std::cout.rdbuf(origCout);
    
    // 6. 验证恢复
    std::cout << "\n操作完成！结果已保存到result.out\n";
    
    return 0;
}
```

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## 临时重定向技巧

```cpp
#include <iostream>
#include <fstream>

struct IORedirect {
    std::streambuf* orig_cin;
    std::streambuf* orig_cout;
    std::ifstream in;
    std::ofstream out;
    
    IORedirect(const char* inFile, const char* outFile)
        : in(inFile), out(outFile) 
    {
        orig_cin = std::cin.rdbuf(in.rdbuf());
        orig_cout = std::cout.rdbuf(out.rdbuf());
    }
    
    ~IORedirect() {
        std::cin.rdbuf(orig_cin);
        std::cout.rdbuf(orig_cout);
    }
};

int main() {
    {
        // 在此作用域内所有I/O重定向到文件
        IORedirect redirect("input.txt", "output.txt");
        
        std::string name;
        int age;
        
        std::cout << "Enter name: ";
        std::cin >> name;
        
        std::cout << "Enter age: ";
        std::cin >> age;
        
        std::cout << "\nUser: " << name << ", Age: " << age;
    } // 离开作用域时自动恢复
    
    // 现在恢复为标准I/O
    std::cout << "\n返回到控制台输出\n";
    
    return 0;
}
```

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## 注意事项

1. **错误处理**：
   ```cpp
   if (!inFile) {
       std::cerr << "无法打开输入文件\n";
       return 1;
   }
   ```

2. **同步问题**：
   - 重定向后立即生效
   - 恢复后立即生效

3. **缓冲机制**：
   - 文件流有缓冲区，可使用 `flush()` 强制写入
   ```cpp
   std::cout << "重要数据" << std::flush;
   ```

4. **混合使用**：
   - 可以只重定向输入或输出中的一个
   - 同时重定向时，cin 和 cout 互不影响

5. **格式兼容性**：
   - 文件输入输出保持与控制台相同的格式
   ```cpp
   std::cout << std::hex << 255;  // 写入 "ff"
   ```

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## 替代方案：命令行重定向

在运行程序时直接重定向：
```bash
# 输入重定向
./myprogram < input.txt

# 输出重定向
./myprogram > output.txt

# 同时重定向
./myprogram < input.txt > output.txt
```
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## 总结

通过流重定向技术，可以实现：
- 使用 `cin` 从文件读取数据
- 使用 `cout` 向文件写入数据
- 保持原有代码逻辑不变
- 灵活切换输入输出目标

关键函数：
- `rdbuf()` 获取/设置流缓冲区
- `std::streambuf` 流缓冲区基类

这种技术特别适合：
- 需要切换I/O目标的场景
- 保持代码不变仅改变输入输出源
- 创建可配置的I/O系统