挑战一个月基本掌握C++（第十一天）进阶文件，异常处理，动态内存

一文件和流

如何从文件读取流和向文件写入流。这就需要用到 C++ 中另一个标准库 fstream，它定义了三个新的数据类型：

数据类型	描述
ofstream	该数据类型表示输出文件流，用于创建文件并向文件写入信息。
ifstream	该数据类型表示输入文件流，用于从文件读取信息。
fstream	该数据类型通常表示文件流，且同时具有 ofstream 和 ifstream 两种功能，这意味着它可以创建文件，向文件写入信息，从文件读取信息。

要在 C++ 中进行文件处理，必须在 C++ 源代码文件中包含头文件 <iostream> 和 <fstream>。

1.1 打开文件

在从文件读取信息或者向文件写入信息之前，必须先打开文件。ofstream 和 fstream 对象都可以用来打开文件进行写操作，如果只需要打开文件进行读操作，则使用 ifstream 对象。

下面是 open() 函数的标准语法，open() 函数是 fstream、ifstream 和 ofstream 对象的一个成员。

void open(const char *filename, ios::openmode mode);

在这里，open() 成员函数的第一参数指定要打开的文件的名称和位置，第二个参数定义文件被打开的模式。

模式标志	描述
ios::app	追加模式。所有写入都追加到文件末尾。
ios::ate	文件打开后定位到文件末尾。
ios::in	打开文件用于读取。
ios::out	打开文件用于写入。
ios::trunc	如果该文件已经存在，其内容将在打开文件之前被截断，即把文件长度设为 0。

可以把以上两种或两种以上的模式结合使用。例如，如果您想要以写入模式打开文件，并希望截断文件，以防文件已存在，那么您可以使用下面的语法：

ofstream outfile;
outfile.open("file.dat", ios::out | ios::trunc );

类似地，您如果想要打开一个文件用于读写，可以使用下面的语法：

ifstream  afile;
afile.open("file.dat", ios::out | ios::in );

1.2 关闭文件

当 C++ 程序终止时，它会自动关闭刷新所有流，释放所有分配的内存，并关闭所有打开的文件。但程序员应该养成一个好习惯，在程序终止前关闭所有打开的文件。

下面是 close() 函数的标准语法，close() 函数是 fstream、ifstream 和 ofstream 对象的一个成员。

void close();

1.3 写入文件

在 C++ 编程中，我们使用流插入运算符（ << ）向文件写入信息，就像使用该运算符输出信息到屏幕上一样。唯一不同的是，在这里您使用的是 ofstream 或 fstream 对象，而不是 cout 对象。

1.4 读取文件

在 C++ 编程中，我们使用流提取运算符（ >> ）从文件读取信息，就像使用该运算符从键盘输入信息一样。唯一不同的是，在这里您使用的是 ifstream 或 fstream 对象，而不是 cin 对象。

1.5 读取&写入实例

下面的 C++ 程序以读写模式打开一个文件。在向文件 afile.dat 写入用户输入的信息之后，程序从文件读取信息，并将其输出到屏幕上：

#include <fstream>
#include <iostream>
using namespace std;int main() {char data[100];// 以写模式打开文件ofstream outfile;outfile.open("afile.dat");cout << "Writing to the file" << endl;cout << "Enter your name: "; cin.getline(data, 100);// 向文件写入用户输入的数据outfile << data << endl;cout << "Enter your age: "; cin >> data;cin.ignore();// 再次向文件写入用户输入的数据outfile << data << endl;// 关闭打开的文件outfile.close();// 以读模式打开文件ifstream infile; infile.open("afile.dat"); cout << "Reading from the file" << endl; infile >> data; // 在屏幕上写入数据cout << data << endl;// 再次从文件读取数据，并显示它infile >> data; cout << data << endl; // 关闭打开的文件infile.close();return 0;
}

输入输出：

$./a.out
Writing to the file
Enter your name: Zara
Enter your age: 9
Reading from the file
Zara
9

上面的实例中使用了 cin 对象的附加函数，比如 getline()函数从外部读取一行，ignore() 函数会忽略掉之前读语句留下的多余字符。

1.6 文件位置指针

istream 和 ostream 都提供了用于重新定位文件位置指针的成员函数。这些成员函数包括关于 istream 的 seekg（"seek get"）和关于 ostream 的 seekp（"seek put"）。

seekg 和 seekp 的参数通常是一个长整型。第二个参数可以用于指定查找方向。查找方向可以是 ios::beg（默认的，从流的开头开始定位），也可以是 ios::cur（从流的当前位置开始定位），也可以是 ios::end（从流的末尾开始定位）。

文件位置指针是一个整数值，指定了从文件的起始位置到指针所在位置的字节数。下面是关于定位 "get" 文件位置指针的实例：

// 定位到 fileObject 的第 n 个字节（假设是 ios::beg）
fileObject.seekg( n );// 把文件的读指针从 fileObject 当前位置向后移 n 个字节
fileObject.seekg( n, ios::cur );// 把文件的读指针从 fileObject 末尾往回移 n 个字节
fileObject.seekg( n, ios::end );// 定位到 fileObject 的末尾
fileObject.seekg( 0, ios::end );

二异常处理

异常是程序在执行期间产生的问题。C++ 异常是指在程序运行时发生的特殊情况，比如尝试除以零的操作。

异常提供了一种转移程序控制权的方式。C++ 异常处理涉及到三个关键字：try、catch、throw。

throw: 当问题出现时，程序会抛出一个异常。这是通过使用 throw 关键字来完成的。
catch: 在您想要处理问题的地方，通过异常处理程序捕获异常。catch 关键字用于捕获异常。
try: try 块中的代码标识将被激活的特定异常。它后面通常跟着一个或多个 catch 块。

如果有一个块抛出一个异常，捕获异常的方法会使用 try 和 catch 关键字。try 块中放置可能抛出异常的代码，try 块中的代码被称为保护代码。使用 try/catch 语句的语法如下所示：

try
{// 保护代码
}catch( ExceptionName e1 )
{// catch 块
}catch( ExceptionName e2 )
{// catch 块
}catch( ExceptionName eN )
{// catch 块
}

如果 try 块在不同的情境下会抛出不同的异常，这个时候可以尝试罗列多个 catch 语句，用于捕获不同类型的异常。

2.1 抛出异常

可以使用 throw 语句在代码块中的任何地方抛出异常。throw 语句的操作数可以是任意的表达式，表达式的结果的类型决定了抛出的异常的类型。

以下是尝试除以零时抛出异常的实例：

double division(int a, int b)
{if( b == 0 ){throw "Division by zero condition!";}return (a/b);
}

2.2 捕获异常

catch 块跟在 try 块后面，用于捕获异常。您可以指定想要捕捉的异常类型，这是由 catch 关键字后的括号内的异常声明决定的。

try
{// 保护代码
}catch( ExceptionName e )
{// 处理 ExceptionName 异常的代码
}

上面的代码会捕获一个类型为 ExceptionName 的异常。如果您想让 catch 块能够处理 try 块抛出的任何类型的异常，则必须在异常声明的括号内使用省略号 ...，如下所示：

try
{// 保护代码
}catch(...)
{// 能处理任何异常的代码
}

下面是一个实例，抛出一个除以零的异常，并在 catch 块中捕获该异常。

#include <iostream>
using namespace std;double division(int a, int b)
{if( b == 0 ){throw "Division by zero condition!";}return (a/b);
}int main ()
{int x = 50;int y = 0;double z = 0;try {z = division(x, y);cout << z << endl;}catch (const char* msg) {cerr << msg << endl;}return 0;
}

由于我们抛出了一个类型为 const char* 的异常，因此，当捕获该异常时，我们必须在 catch 块中使用 const char*。当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Division by zero condition!

2.3 标准的异常

C++ 提供了一系列标准的异常，定义在 <exception> 中，我们可以在程序中使用这些标准的异常。它们是以父子类层次结构组织起来的，如下所示：

下表是对上面层次结构中出现的每个异常的说明：

异常	描述
std::exception	该异常是所有标准 C++ 异常的父类。
std::bad_alloc	该异常可以通过 new 抛出。
std::bad_cast	该异常可以通过 dynamic_cast 抛出。
std::bad_typeid	该异常可以通过 typeid 抛出。
std::bad_exception	这在处理 C++ 程序中无法预期的异常时非常有用。
std::logic_error	理论上可以通过读取代码来检测到的异常。
std::domain_error	当使用了一个无效的数学域时，会抛出该异常。
std::invalid_argument	当使用了无效的参数时，会抛出该异常。
std::length_error	当创建了太长的 std::string 时，会抛出该异常。
std::out_of_range	该异常可以通过方法抛出，例如 std::vector 和 std::bitset<>::operator[]()。
std::runtime_error	理论上不可以通过读取代码来检测到的异常。
std::overflow_error	当发生数学上溢时，会抛出该异常。
std::range_error	当尝试存储超出范围的值时，会抛出该异常。
std::underflow_error	当发生数学下溢时，会抛出该异常。

2.4 定义新的异常

可以通过继承和重载 exception 类来定义新的异常。下面的实例演示了如何使用 std::exception 类来实现自己的异常：

#include <iostream>
#include <exception>
using namespace std;struct MyException : public exception
{const char * what () const throw (){return "C++ Exception";}
};int main()
{try{throw MyException();}catch(MyException& e){std::cout << "MyException caught" << std::endl;std::cout << e.what() << std::endl;}catch(std::exception& e){//其他的错误}
}

输出：

MyException caught
C++ Exception

在这里，what() 是异常类提供的一个公共方法，它已被所有子异常类重载。这将返回异常产生的原因。

三动态内存

了解动态内存在 C++ 中是如何工作的是成为一名合格的 C++ 程序员必不可少的。C++ 程序中的内存分为两个部分：

栈：在函数内部声明的所有变量都将占用栈内存。
堆：这是程序中未使用的内存，在程序运行时可用于动态分配内存。

很多时候，您无法提前预知需要多少内存来存储某个定义变量中的特定信息，所需内存的大小需要在运行时才能确定。

在 C++ 中，您可以使用特殊的运算符为给定类型的变量在运行时分配堆内的内存，这会返回所分配的空间地址。这种运算符即 new 运算符。

如果您不再需要动态分配的内存空间，可以使用 delete 运算符，删除之前由 new 运算符分配的内存。

3.1 new 和 delete 运算符

下面是使用 new 运算符来为任意的数据类型动态分配内存的通用语法：

new data-type;

在这里，data-type 可以是包括数组在内的任意内置的数据类型，也可以是包括类或结构在内的用户自定义的任何数据类型。让我们先来看下内置的数据类型。例如，我们可以定义一个指向 double 类型的指针，然后请求内存，该内存在执行时被分配。我们可以按照下面的语句使用 new 运算符来完成这点：

double* pvalue  = NULL; // 初始化为 null 的指针
pvalue  = new double;   // 为变量请求内存

如果自由存储区已被用完，可能无法成功分配内存。所以建议检查 new 运算符是否返回 NULL 指针，并采取以下适当的操作：

double* pvalue  = NULL;
if( !(pvalue  = new double ))
{cout << "Error: out of memory." <<endl;exit(1);}

malloc() 函数在 C 语言中就出现了，在 C++ 中仍然存在，但建议尽量不要使用 malloc() 函数。new 与 malloc() 函数相比，其主要的优点是，new 不只是分配了内存，它还创建了对象。

在任何时候，当您觉得某个已经动态分配内存的变量不再需要使用时，您可以使用 delete 操作符释放它所占用的内存，如下所示：

delete pvalue;        // 释放 pvalue 所指向的内存

下面的实例中使用了上面的概念，演示了如何使用 new 和 delete 运算符：

#include <iostream>
using namespace std;int main ()
{double* pvalue  = NULL; // 初始化为 null 的指针pvalue  = new double;   // 为变量请求内存*pvalue = 29494.99;     // 在分配的地址存储值cout << "Value of pvalue : " << *pvalue << endl;delete pvalue;         // 释放内存return 0;
}

输出：

Value of pvalue : 29495

3.2 数组的动态内存分配

假设我们要为一个字符数组（一个有 20 个字符的字符串）分配内存，我们可以使用上面实例中的语法来为数组动态地分配内存，如下所示：

char* pvalue  = NULL;   // 初始化为 null 的指针
pvalue  = new char[20]; // 为变量请求内存

要删除我们刚才创建的数组，语句如下：

delete [] pvalue;        // 删除 pvalue 所指向的数组

下面是 new 操作符的通用语法，可以为多维数组分配内存，如下所示：

一维数组：

// 动态分配,数组长度为 m
int *array=new int [m];//释放内存
delete [] array;

二维数组：

int **array;
// 假定数组第一维长度为 m， 第二维长度为 n
// 动态分配空间
array = new int *[m];
for( int i=0; i<m; i++ )
{array[i] = new int [n];
}
//释放
for( int i=0; i<m; i++ )
{delete [] array[i];
}
delete [] array;

二维数组实例测试：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int **p;   int i,j;   //p[4][8] //开始分配4行8列的二维数据   p = new int *[4];for(i=0;i<4;i++){p[i]=new int [8];}for(i=0; i<4; i++){for(j=0; j<8; j++){p[i][j] = j*i;}}   //打印数据   for(i=0; i<4; i++){for(j=0; j<8; j++)     {   if(j==0) cout<<endl;   cout<<p[i][j]<<"\t";   }}   //开始释放申请的堆   for(i=0; i<4; i++){delete [] p[i];   }delete [] p;   return 0;
}

三维数组：

int ***array;
// 假定数组第一维为 m， 第二维为 n， 第三维为h
// 动态分配空间
array = new int **[m];
for( int i=0; i<m; i++ )
{array[i] = new int *[n];for( int j=0; j<n; j++ ){array[i][j] = new int [h];}
}
//释放
for( int i=0; i<m; i++ )
{for( int j=0; j<n; j++ ){delete[] array[i][j];}delete[] array[i];
}
delete[] array;

三维数组测试实例：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{   int i,j,k;   // p[2][3][4]int ***p;p = new int **[2]; for(i=0; i<2; i++) { p[i]=new int *[3]; for(j=0; j<3; j++) p[i][j]=new int[4]; }//输出 p[i][j][k] 三维数据for(i=0; i<2; i++)   {for(j=0; j<3; j++)   { for(k=0;k<4;k++){ p[i][j][k]=i+j+k;cout<<p[i][j][k]<<" ";}cout<<endl;}cout<<endl;}// 释放内存for(i=0; i<2; i++) {for(j=0; j<3; j++) {   delete [] p[i][j];   }   }       for(i=0; i<2; i++)   {       delete [] p[i];   }   delete [] p;  return 0;
}

3.3 对象的动态内存分配

对象与简单的数据类型没有什么不同。例如，请看下面的代码，我们将使用一个对象数组来理清这一概念：

#include <iostream>
using namespace std;class Box
{public:Box() { cout << "调用构造函数！" <<endl; }~Box() { cout << "调用析构函数！" <<endl; }
};int main( )
{Box* myBoxArray = new Box[4];delete [] myBoxArray; // 删除数组return 0;
}

如果要为一个包含四个 Box 对象的数组分配内存，构造函数将被调用 4 次，同样地，当删除这些对象时，析构函数也将被调用相同的次数（4次）。

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

调用构造函数！
调用构造函数！
调用构造函数！
调用构造函数！
调用析构函数！
调用析构函数！
调用析构函数！
调用析构函数！

学习摘录于菜鸟教程