# <div id=animation_title>I/O 資料讀寫</div>
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## I/O 格式控制器
在C語言中可以使用printf來指定輸出的格式，或是在python中也可以使用format來指定輸出格式。 然而我們之前使用cout來輸出資訊時，卻都沒談到輸出的格式控制，其實只要透過幾種基本方式，我們也可以指定輸出的格式，而I/O格式控制器就是其中的一種方式。

I/O格式控制氣勢個特殊的函式，在C++中常見的 `endl` 就是I/O格式控制器的一種，它會輸出換行字元並清空串流，注意，一個I/O格式控制器只影響目前處理的串流。

I/O格式控制器也可以指定參數，如果要使用具參數的I/O格式控制器，必須指定 `iomanip` 標頭檔案。 先來看個基本的例子，了解I/O格式控制器的作用與使用方式：

#include <iostream> 
#include <iomanip> 
using namespace std; 

int main() {
    cout << oct << 50 << endl    // 8 進位顯示 
         << hex << 50 << endl;   // 16 進位顯示 

    // 九九乘法表 
    for(int j = 1; j < 10; j++) { 
       for(int i = 2; i < 10; i++) { 
           cout << i << "*" << j << "=" << dec << setw(2) << (i * j); 
           cout << "  "; 
       } 
       cout << endl; 
    }

    return 0; 
}

oct 控制器會將後面的數字以8進為來顯示，而hex則會以16進位顯示，而setw可以設定欄位寬度，另外，因為前面用了 hex ，所以我們需要再使用 dec控制器 將數字以10進位的方式輸出，否則它會用16進位方式顯示數字。

在 C++ 中 1 可表示 true，而 0 可表示 false，輸出時也是直接輸出 0 與 1，下面這個程式使用 boolalpha 控制器，可以讓輸出以 true 與 false 來顯示：

#include <iostream>
#include <iomanip>

using namespace std;

int main () {

    bool boolnum;
    bool num;

    boolnum = true;
    cout << boolalpha << boolnum << endl;

    boolnum = false;
    cout << boolalpha << boolnum << endl;

    num = 1;
    cout << boolalpha << num << endl;

    num = 0;
    cout << boolalpha << num << endl;

    system("pause");
    return 0;
}
輸出:
true
false
true
false

下面列出了一些常用的I/O控制器及其說明：

| 控制器 | 說明 |
| ------------------- | ------------------------------ |
| boolalpha | 讓 bool 輸出時顯示 true 與 false |
| dec | 10 進位顯示 |
| endl | 輸出換行字元並清空串流 |
| ends | 輸出 Null 字元 |
| fixed | 以正常的數字格式顯示 |
| flush | 清空串流 |
| hex | 16 進位顯示 |
| left | 靠左對齊 |
| oct | 8 進位顯示 |
| right | 靠右顯示 |
| scientific | 科學記號表示 |
| setbase(int b) | 指定數字基底 |
| setfill(int c) | 指定填充字元 |
| setprecision(int p) | 指定顯示精確度 |
| setw(int w) | 指定欄位寬度，並以 16 進位顯示 |
| showbase | 顯示數字基底，例如 0x11 |
| showpoint | 顯示小數 |
| showpos | 正數顯示 + 號 |
| skipws | 忽略輸入的空白字元 |
| upperbase | 字母大寫 |
| ws | 忽略前導的空白字元 |
| noboolalpha | 關閉 boolalpha 的使用 |
| noshowbase | 關閉 showbase 的使用 |
| noshowpoint | 關閉 showpoint 的使用 |
| noshowpos | 關閉 showpos 的使用 |
| noskipws | 關閉 skipws 的使用 |
| nouppercase | 關閉 uppercase 的使用 |

## I/O格式旗標

I/O 格式控制器 可以對當時處理中的串流改變格式，如果想在程式進行過程中，始終維持指定的格式，可以使用格式旗標，透過 setf 與 unsetf 方法來設定與取消。

以下列出一些常用的格式旗標：

| 格式旗標 | 說明 |
| --------------- | ----------------------------- |
| ios::boolalpha | 將真與假以 true 與 false 顯示 |
| ios::dec | 10 進位顯示 |
| ios::fixed | 正常方式顯示（非科學記號） |
| ios::hex | 16 進位顯示 |
| ios::left | 靠左 |
| ios::oct | 8 進位顯示 |
| ios::scientific | 科學記號 |
| ios::showbase | 顯示基底 |
| ios::showpoint | 顯示小數點 |
| ios::showpos | 正數顯示 + |
| ios::skipws | 忽略空白字元 |
| ios::uppercase | 字母大寫 |

可以一次設定一個格式旗標，若要設定多個格式旗標，可以使用 | 來連結，例如：

cout.setf(ios::showbase | ios::hex);

下面這個程式顯示一些基本的格式旗標作用：

#include <iostream> 
using namespace std; 

int main() { 
    cout.unsetf(ios::dec); // 取消 10 進位顯示 
    cout.setf(ios::hex | ios::scientific); // 16 進位顯示或科學記號顯示 
    cout << 12345 << "  " << 100 << endl; 

    cout.setf(ios::showpos | ios::showpoint); // 正數顯示 + 號且顯示小數點 
    cout << 10.0 << ": " << -10.0 << endl; 

    return 0; 
}
輸出:
3039  64
+1.000000e+01: -1.000000e+01

上方的程式裡先解除了ios::dec格式旗標，這個動作並不一定需要，但在某些編譯器中，這個旗標會覆蓋其他的旗標，先清除會比較保險。

ios類別的flags方法會傳回目前串流的格式設定，如果傳遞參數給它，會設定指定的格式，並傳回上一個格式設定：

fmtflags flags();
fmtflags flags(fmtflags);

想一次設定指定的格式旗標，可以如下：

ios::fmtflags f = ios::showpos | ios::showbase | ios::oct | ios::right;
cout.flags(f);

下面這個程式可以用來測試串流的格式設定：

#include <iostream> 
using namespace std; 

void info(ios::fmtflags current, const ios::fmtflags &flag, const string &flagName) {
    if(current & flag) {
        cout << flagName << " on" << endl; 
    }
    else {
        cout << flagName << " off" << endl; 
    }
}

int main() { 
    cout.unsetf(ios::dec); 
    cout.setf(ios::oct | ios::showbase); 

    ios::fmtflags flags = cout.flags(); 

    info(flags, ios::left, "left");
    info(flags, ios::dec, "dec");
    info(flags, ios::showbase, "showbase");
    info(flags, ios::oct, "oct");

    return 0; 
}
輸出:
left off
dec off
showbase on
oct on

## 文字檔案 I/O
如果要在 C++ 內讀寫檔案，我們需要將其連結至串流。

在一開始我們有談到，cout 是 ostream 的實例， cin 是 istream 實例，這兩個實例是定義在iostream 標頭內。

istream 型態是定義在 istream標頭內，它是 basic_istream 模板類別的 `basic_istream<char>` 特化版本，basic_stream 是字元輸入串流的基礎模板類別 ; 而ostream 型態是定義在 ostream標頭，它是 basic_ostream 模板類別的 `basic_ostream<char>` 特化版本， basic_ostream是字元輸出串流的基礎模板類別。

在文字檔案串流的處理方面，basic_ifstream 繼承了 basic_istream，而 ifstream 型態是 `basic_ifstream<char>` 特化版本，用來進行文字檔案輸入串流操作，basic_ofstream 繼承了 basic_ostream，而 ofstream 型態是 `basic_ofstream<char>` 特化版本，用來進行文字檔案輸出串流操作，ifstream、ofstream 定義在 fstream 標頭之中。

使用 ifstream 建立實例時，可以指定連結的檔案名稱，如果沒有指定檔案名稱，會建立一個沒有連結檔案的串流，後續必須以 open 來連結檔案：

void open( const char *filename,
           ios_base::openmode mode = ios_base::in );

void open( const std::string &filename,                                  
           ios_base::openmode mode = ios_base::in );

例如，可以使用下面這個片段來開啟檔案輸入串流：

ifstream in;
in.open("filename");

如果開啟失敗，串流物件在布林判別場合會是 false，可以使用下面的片段來判斷：

if(in) {
    ... 進行檔案處理
}

類似地，使用 ofstream 建立實例時，可以指定連結的檔案名稱，如果沒有指定檔案名稱，會建立一個沒有連結檔案的串流，後續必須以 open 來連結檔案：

void open( const char *filename,
           ios_base::openmode mode = ios_base::out );

void open( const std::string &filename,                                  
           ios_base::openmode mode = ios_base::out );

mode 決定檔案的開啟模式，是由 ios 類別定義的常數來決定，下面列出 openmode 的值與用途：

| 值 | 用途 |
| ----------- | --------------------------- |
| ios::in | 輸入（basic_ifstream 預設） |
| ios::out | 寫入（basic_ofstream 預設） |
| ios::ate | 開啟後移至檔案尾端 |
| ios::app | 附加模式 |
| ios::trunc | 如果檔案存在，清除檔案內容 |
| ios::binary | 二進位模式 |

當然，程式的世界實際上並沒有文字檔案這東西，資料都是二進位，字元串流只是在讀取或寫入的過程，會進行文字編碼的轉換，例如 int 數字 9，在寫入的操作中，會轉換為編碼 57 的位元組資料，至於本身是 char 的資料，就直接以對應的位元組寫出。

因為 ifstream、ofstream 各是 istream、ostream 的子類別，>> 與 << 運算子也可以用在 ifstream、ofstream 實例上，結果就是使用 ifstream、ofstream 時，可以如同使用 cin、cout 一樣地操作。

來看個讀寫檔案的範例：

#include <iostream> 
#include <fstream> 
using namespace std; 

struct Account {
    string id;  
    string name; 
    double balance;
    Account(string id = "", string name = "", double balance = 0.0) : 
        id(id), name(name), balance(balance) {};
};

void print(ostream &out, Account &acct) {
    out << acct.id << " " 
        << acct.name << " " 
        << acct.balance; 
}

void read(istream &in, Account &acct) {
    in >> acct.id >> acct.name >> acct.balance; 
}

int main() { 
    Account acct = {"123-456-789", "Justin Lin", 1000};

    ofstream out("account.data"); 
    print(out, acct);
    out.close();      // 記得關閉檔案

    Account acct2;
    ifstream in("account.data");
    read(in, acct2);
    in.close();       // 記得關閉檔案

    print(cout, acct2);

    return 0; 
}

因為 ifstream、ofstream 各是 istream、ostream 的子類別，cin 與 cout 也各是 istream、ostream 實例，因此 print、read 對它們來說是通用的，執行過後，account.data 檔案中會存有「123-456-789 Justin 0」，而最後標準輸出中，也會顯示「123-456-789 Justin 0」。

## 二進位檔案 I/O

使用二進位模式開啟檔案，在寫入或讀取檔案時不會發生字元轉換，數值在記憶體中的位元是如何，寫入檔案時就是如何，而讀入時也是相同。

下面這個程式可以讀入任意檔案，每次讀入一個位元組，並將讀入資料以 16 進位數顯示，若讀入的資料前導位元為 1，為了輸出的對齊，使用其補數加以顯示：

#include <iostream> 
#include <fstream> 
#include <iomanip> 
using namespace std; 

void print(ifstream &in) {
    char ch; 
    int count = 0;     
    while(!in.eof()) { 
        in.get(ch); 
        if(ch < 0) {
            ch = ~ch;     // 負數取補數 
        }
        cout << setw(2) << hex << static_cast<int>(ch) << " "; 
        count++; 
        if(count > 16) {  // 換行 
            cout << endl; 
            count = 0; 
        } 
    } 
    cout << endl; 
}

int main(int argc, char* argv[]) { 
    ifstream in(argv[1], ios::in | ios::binary); 
    if(!in) { 
        cout << "無法讀取檔案" << endl; 
        return 1; 
    } 

    print(in);
    in.close(); 

    return 0; 
}

執行結果：

23 69 6e 63 6c 75 64 65 20 3c 69 6f 73 74 72 65 61
6d 3e  a 23 69 6e 63 6c 75 64 65 20 3c 66 73 74 72
65 61 6d 3e  a 23 69 6e 63 6c 75 64 65 20 3c 69 6f
6d 61 6e 69 70 3e  a 75 73 69 6e 67 20 6e 61 6d 65
73 70 61 63 65 20 73 74 64 3b  a  a 69 6e 74 20 6d
61 69 6e 28 69 6e 74 20 61 72 67 63 2c 20 63 68 61
略....

下面這個程式可以讓將檔案複製至另一指定名稱：

#include <iostream> 
#include <fstream> 
using namespace std; 

int main(int argc, char* argv[]) { 
    char ch; 

    ifstream in(argv[1], ios::in | ios::binary); 
    ofstream out(argv[2], ios::out | ios::binary); 

    while(!in.eof()) { 
        in.get(ch); 
        if(!in.eof()) 
            out.put(ch); 
    } 

    in.close(); 
    out.close(); 

    return 0;
}

在寫入或讀取檔案時，也可以用 read 與 write 函式以區塊的方式寫入，它們的函式雛型如下：

istream &read(char *buf, streamsize num);
ostream &write(const char* buf, streamsize num);

其中 num 是要寫入的資料位元組數目，下面這個程式示範如何將陣列資料寫入檔案，然後再將之讀出：

#include <iostream> 
#include <fstream> 
using namespace std; 

int main(int argc, char* argv[]) { 
    ofstream out("temp", ios::out | ios::binary); 
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; 
    out.write(reinterpret_cast<char*>(arr), sizeof(arr)); 
    out.close(); 

    ifstream fin("temp", ios::in | ios::binary); 
    fin.read(reinterpret_cast<char*>(arr), sizeof(arr)); 
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << arr[i] << ' '; 
    }
    cout << endl; 
    fin.close(); 

    return 0; 
}

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