【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (10) 文件读写和重定向

发表于 2025/07/21

作者 OneCoder

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孩子放假，出游一周，没有更新。刚刚归来，继续学习。

GESP C++四级官方考试大纲中，共有11条考点，本文针对第10条考点进行分析介绍。

（10）掌握文件操作中的重定向，实现文件读写操作，了解文本文件的分类，掌握写操作、读操作、读写操作。

其实，由于本人也是边学、边实验、边总结，且对考纲深度和广度的把握属于个人理解。因此本文更多的不是一个教程，而是个人知识梳理，如有遗漏、疏忽，欢迎指正、交流。

四级其他考点回顾：

【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (1) 指针
【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (2) 结构体和二维数组
【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (3) 模块化和函数
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【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (8) 冒泡、插入、选择排序
【GESP】C++四级考试大纲知识点梳理, (9) 简单算法复杂度的估算

一、文件操作中的重定向

重定向（Redirection）通常指将标准输入/输出（如cin/cout）切换到文件或其他流。

这句话的意思可以分解为两个关键部分来理解：即：

什么是“标准输入/输出”
什么是“重定向”

1.1 什么是“标准输入/输出”？

“标准输入/输出”（Standard Input/Output，简称 Standard I/O）是指在程序运行时，操作系统默认提供的一组输入与输出通道，用于与用户或其他程序进行交互。

在 C/C++ 中，这种机制提供了一个抽象的设备接口，可以简化 I/O 操作，不需要开发者直接与底层硬件或文件系统打交道。

1.1.1 标准输入/输出的组成

名称	标识符	默认连接的设备	用途
标准输入	`stdin`	键盘	接收输入
标准输出	`stdout`	显示器（终端）	输出结果
标准错误	`stderr`	显示器（终端）	输出错误或日志

这些是由操作系统在程序启动时自动打开的三个“文件流”。

1.1.2 在C中的实现方式

使用 <stdio.h> 中的全局流指针：

  
int main() {
    int x;
    scanf("%d", &x);            // 从 stdin 读取
    printf("x = %d\n", x);      // 向 stdout 输出
    fprintf(stderr, "error\n"); // 向 stderr 输出
}

1.1.3 在C++中的实现方式

使用 <iostream> 中的全局对象：

  
#include <iostream>

int main() {
    int x;
    std::cin >> x;               // 从标准输入stdin读取
    std::cout << "x = " << x;    // 向标准输出stdout输出
    std::cerr << "error\n";      // 向标准错误stderr输出
}

1.1.4 为什么要使用“标准”输入输出？

✅ 1. 统一接口，抽象底层

不管是从键盘输入，还是从文件中读取，都可以抽象为“输入流”
便于程序移植，平台无关

✅ 2. 简化操作

无需用户手动打开/关闭输入输出设备
操作系统启动程序时自动创建和管理

✅ 3. 支持重定向

例如：用户可以在命令行中重定向输入/输出：

./a.out < input.txt > output.txt

此时：

stdin → input.txt
stdout → output.txt

1.2 什么是“重定向”？

重定向（Redirection） 的意思是：把标准输入输出“指向”的对象从默认设备（如键盘、屏幕）切换为“文件”或“其他流”。

举个例子来理解，默认情况下：

  
int x;
cin >> x;  // 从键盘读取
cout << x; // 输出到屏幕

使用重定向后，让 cin/cout 不再连着键盘/屏幕，而是连到“文件”：

重定向的本质是什么？
重定向只是改变了数据的”流向”，就像把水管接到了不同的水源和出水口
默认状态：
1 [键盘] ——(cin)——> 程序 ——(cout)——> [屏幕]
重定向后：
1 [文件input.txt] ——(cin)——> 程序 ——(cout)——> [文件output.txt]
cin依然是输入流（istream类型），cout依然是输出流（ostream类型）
重定向不会改变它们的本质功能和使用方式，只是改变了数据来源和去向

1.2.1 重定向常用场景

场景	原因/好处
读写大批量测试数据	避免手工输入，提高效率
自动化测试	输入输出由文件控制，可重复测试
竞赛/OJ平台	程序需要从特定文件中读写数据
日志输出	将 cout 重定向为日志文件

附：重定在信奥竞赛中的应用，信奥做题文件输入输出说明（CSP开始做题的方法）

二、C/C++中重定向的方法

在C/C++中，输入输出重定向是将程序的标准输入（stdin）、标准输出（stdout）或标准错误（stderr）从默认的键盘/终端重定向到文件或其他设备的过程。C++中实现重定向主要有以下几种方式：

2.1 使用 `freopen` 函数

C标准库提供的 freopen 函数可以在程序运行时将标准输入输出流重定向到文件。

函数原型：

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

常用方式：
- 重定向标准输入：freopen("input.txt", "r", stdin);
- 重定向标准输出：freopen("output.txt", "w", stdout);
- 重定向标准错误：freopen("error.txt", "w", stderr);
优点：
- 在程序内部实现重定向，灵活性高，可动态指定文件。
- 跨平台，适用于大多数C/C++环境。
缺点：
- 一旦重定向，标准输入输出流全局改变，无法方便地在程序中切换回默认终端。
- 不适合需要频繁切换输入输出源的场景。
适用场景：
- 需要在程序内部指定输入输出文件的场景。
- 竞赛编程（如ACM、OJ、CSP）中常用于从文件读取测试数据。
- 需要将输出保存到文件的固定场景。

代码示例

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

int main() {
    // 重定向标准输入到 input.txt
    freopen("input.txt", "r", stdin);
    // 重定向标准输出到 output.txt
    freopen("output.txt", "w", stdout);

    int x;
    while (cin >> x) {
        cout << x * 2 << endl;
    }
    return 0;
}

运行效果：

输入文件 input.txt：1 2 3
输出文件 output.txt：2 4 6

2.2 使用文件流（C++ `fstream`）

C++的 <fstream> 库提供 ifstream 和 ofstream 类，用于直接操作文件流，而非依赖标准输入输出。

使用 ifstream 读取文件，代替 cin。
使用 ofstream 写入文件，代替 cout。
优点：
- 完全在程序内部控制，灵活性高，可同时操作多个文件。
- 支持动态打开/关闭文件流，不影响标准输入输出。
- 提供更细粒度的文件操作（如随机访问、格式化）。
缺点：
- 代码复杂度略高于 freopen 或命令行重定向。
- 需要显式管理文件的打开和关闭。
适用场景：
- 需要同时处理多个输入输出文件。
- 需要精细控制文件操作（如追加、格式化输出）。
- 不希望影响标准输入输出的场景。

代码示例

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

int main() {
    ifstream inFile("input.txt");  // 打开输入文件
    ofstream outFile("output.txt"); // 打开输出文件

    if (!inFile || !outFile) {
        cerr << "Error opening file" << endl;
        return 1;
    }

    int x;
    while (inFile >> x) {
        outFile << x * 2 << endl;
    }

    inFile.close();
    outFile.close();
    return 0;
}

运行效果：

输入文件 input.txt：1 2 3
输出文件 output.txt：2 4 6

2.3 使用系统调用（`dup` 和 `dup2`）

在类Unix系统中（如Linux），使用低级文件描述符操作（如 dup 和 dup2）实现重定向。这是操作系统级别的重定向，适用于需要底层控制的场景。

使用 open 打开文件，获取文件描述符。
使用 dup2 将标准输入（0）、标准输出（1）或标准错误（2）的文件描述符替换为目标文件描述符。
优点：
- 提供底层控制，适合需要精细管理文件描述符的场景。
- 可与管道、套接字等结合使用。
缺点：
- 平台相关，仅适用于类Unix系统（如Linux、macOS）。
- 代码复杂，调试困难，容易出错。
- 不如高级方法（如 fstream）直观。
适用场景：
- 需要与操作系统其他功能（如管道、进程间通信）结合的场景。
- 系统编程或需要低级控制的场景。

代码示例

  
#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main() {
    // 打开输入文件
    int in_fd = open("input.txt", O_RDONLY);
    if (in_fd == -1) {
        perror("Error opening input file");
        return 1;
    }

    // 打开输出文件
    int out_fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (out_fd == -1) {
        perror("Error opening output file");
        return 1;
    }

    // 重定向标准输入和输出
    dup2(in_fd, STDIN_FILENO);
    dup2(out_fd, STDOUT_FILENO);

    // 关闭文件描述符
    close(in_fd);
    close(out_fd);

    int x;
    while (cin >> x) {
        cout << x * 2 << endl;
    }

    return 0;
}

运行效果：

输入文件 input.txt：1 2 3
输出文件 output.txt：2 4 6

2.4 使用 C++ std::cin, std::cout 的 rdbuf 重定向（C++风格）

使用 C++ 的 rdbuf 方法进行重定向是一种更加 C++ 风格的方案。这种方式的特点如下：

优点：
- 完全符合 C++ 的面向对象设计理念
- 可以方便地保存和恢复原有的缓冲区
- 提供更细粒度的控制
- 异常安全
缺点：
- 代码相对复杂一些
- 需要理解流缓冲区的概念
适用场景：
- 需要临时重定向后还原的场景
- 面向对象的 C++ 工程项目
- 需要异常安全保证的场景

这种方式通过直接操作流的缓冲区（buffer）来实现重定向，是一种更加底层和灵活的方案。

代码示例

  
#include <iostream>
#include <fstream>

int main() {
    std::ifstream inFile("input.txt");
    std::ofstream outFile("output.txt");

    // 备份原来的缓冲区指针
    std::streambuf* cinBackup = std::cin.rdbuf();
    std::streambuf* coutBackup = std::cout.rdbuf();

    // 重定向
    std::cin.rdbuf(inFile.rdbuf());
    std::cout.rdbuf(outFile.rdbuf());

    int x;
    while (std::cin >> x) {
        std::cout << "Read: " << x << std::endl;
    }

    // 恢复原来的缓冲区
    std::cin.rdbuf(cinBackup);
    std::cout.rdbuf(coutBackup);

    return 0;
}

2.5 命令行重定向

通过操作系统的命令行重定向符号（>、>>、<等）实现输入输出重定向。这是外部重定向方式，无需修改程序代码。

输入重定向：使用 < 将文件内容作为程序的输入。
- 示例：./program < input.txt
输出重定向：
- >：覆盖目标文件。
  - 示例：./program > output.txt
- >>：追加到目标文件。
  - 示例：./program >> output.txt
输入输出同时重定向：
- 示例：./program < input.txt > output.txt
优点：
- 无需修改程序代码，简单易用。
- 由操作系统处理，适用于快速测试或临时重定向。
缺点：
- 依赖命令行环境，无法在程序内部动态控制重定向。
- 不适合复杂场景（如动态选择文件或管道）。
适用场景：
- 快速测试程序输入输出。
- 批处理脚本中处理文件输入输出。
- 不需要程序内部控制重定向逻辑的场景。

代码示例

  
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x;
    // 从标准输入读取
    while (cin >> x) {
        // 输出到标准输出
        cout << x * 2 << endl;
    }
    return 0;
}

运行示例：

输入文件 input.txt 内容：1 2 3
运行：./program < input.txt > output.txt
输出文件 output.txt 内容：2 4 6

对比总结

方式	优点	缺点	适用场景
`freopen`	程序内控制，跨平台，简单易用	全局修改流，难以切换	竞赛编程、固定文件输入输出
C++ `fstream`	灵活，支持多文件操作，不影响标准流	代码稍复杂，需管理文件	复杂文件操作、动态文件处理
系统调用（`dup2`）	底层控制，适合系统编程	平台相关，代码复杂	系统编程、管道或套接字结合
C++ `rdbuf`	面向对象，异常安全，支持流缓冲	代码复杂，需理解流缓冲	临时重定向、面向对象编程
命令行重定向	简单，无需改代码，跨平台	依赖命令行，无法动态控制	快速测试、批处理脚本

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本文由作者按照 CC BY-NC-SA 4.0 进行授权

一、文件操作中的重定向

1.1 什么是“标准输入/输出”？

1.1.1 标准输入/输出的组成

1.1.2 在C中的实现方式

1.1.3 在C++中的实现方式

1.1.4 为什么要使用“标准”输入输出？

1.2 什么是“重定向”？

1.2.1 重定向常用场景

附：重定在信奥竞赛中的应用，信奥做题文件输入输出说明（CSP开始做题的方法）

二、C/C++中重定向的方法

2.1 使用 freopen 函数

代码示例

2.2 使用文件流（C++ fstream）

代码示例

2.3 使用系统调用（dup 和 dup2）

代码示例

2.4 使用 C++ std::cin, std::cout 的 rdbuf 重定向（C++风格）

代码示例

2.5 命令行重定向

代码示例

对比总结

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2.1 使用 `freopen` 函数

2.2 使用文件流（C++ `fstream`）

2.3 使用系统调用（`dup` 和 `dup2`）