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C++处理输入输出错误

当处理输入输出时,我们必须预计到其中可能发生的错误并给出相应的处理措施。
  • 当我们输入时,可能会由于人的失误(错误理解了指令、打字错误、允许自家的小猫在键盘上散步等)、文件格式不符、错误估计了情况等原因造成读取失败。
  • 当我们输出时,如果输出设备不可用、队列满或者发生了故障等,都会导致写入失败。

发生输入输出错误的可能情况是无限的!但 C++ 将所有可能的情况归结为四类,称为流状态(stream state)。每种流状态都用一个 iostate 类型的标志位来表示。

流状态对应的标志位
标志位 意义
badbit 发生了(或许是物理上的)致命性错误,流将不能继续使用。
eofbit 输入结束(文件流的物理结束或用户结束了控制台流输入,例如用户按下了 Ctrl+Z 或 Ctrl+D 组合键。
failbit I/O 操作失败,主要原因是非法数据(例如,试图读取数字时遇到字母)。流可以继续使用,但会设置 failbit 标志。
goodbit 一切止常,没有错误发生,也没有输入结束。

ios_base 类定义了以上四个标志位以及 iostate 类型,但是 ios 类又派生自 ios_base 类,所以可以使用 ios::failbit 代替 ios_base::failbit 以节省输入。

一旦流发生错误,对应的标志位就会被设置,我们可以通过下表列出的函数检测流状态。

C++流状态检测函数及其说明
检测函数 对应的标志位 说明
good() goodbit 操作成功,没有发生任何错误。
eof() eofbit 到达输入末尾或文件尾。
fail() failbit 发生某些意外情况(例如,我们要读入一个数字,却读入了字符 'x')。
bad() badbit 发生严重的意外(如磁盘读故障)。

不幸的是,fail() 和 bad() 之间的区别并未被准确定义,程序员对此的观点各种各样。但是,基本的思想很简单:
  • 如果输入操作遇到一个简单的格式错误,则使流进入 fail() 状态,也就是假定我们(输入操作的用户)可以从错误中恢复。
  • 如果错误真的非常严重,例如发生了磁盘故障,输入操作会使得流进入 bad() 状态。也就是假定面对这种情况你所能做的很有限,只能退出输入。

以上观点导致如下逻辑:
int i = 0;
cin >> i;
if(!cin){  //只有输入操作失败,才会跳转到这里
    if(cin.bad()){  //流发生严重故障,只能退出函数
        error("cin is bad!");  //error是自定义函数,它抛出异常,并给出提示信息
    }
    if(cin.eof()){  //检测是否读取结束
        //TODO:
    }
    if(cin.fail()){  //流遇到了一些意外情况
        cin.clear(); //清除/恢复流状态
        //TODO:
    }
}
!cin 可以理解为“cin 不成功”或者“cin 发生了某些错误”或者“ cin 的状态不是 good()”, 这与“操作成功”正好相反,《C++ cin判断输入结束》一节中对此有详解。

请注意我们在处理 fail() 时所使用的 cin.clear()。当流发生错误时,我们可以进行错误恢复。为了恢复错误,我们显式地将流从 fail() 状态转移到其他状态,从而可以继续从中读取字符。clear() 就起到这样的作用——执行 cin.clear() 后,cin 的状态就变为 good()。

实例

下面是一个如何使用流状态的例子。假定我们要读取一个整数序列并存入 vector 中,字符*或“文件尾”表示序列结束。Windows 平台按下 Ctrl+Z 组合键,再按下回车键表示到达文件末尾;类Unix系统按下 Ctrl+D 组合键表示到达文件末尾。

上述功能可通过如下函数来实现:
//从 ist 中读入整数到 v 中,直到遇到 eof() 或终结符
void fill_vector(istream& ist, vector<int>& v, char terminator){
    for( int i; ist>>i; ) v.push_back(i);

    //正常情况
    if(ist.eof()) return;  //发现到了文件尾,正确,返回

    //发生严重错误,只能退出函数
    if (ist.bad()){
        error("cin is bad!");  //error是自定义函数,它抛出异常,并给出提示信息
    }

    //发生意外情况
    if (ist.fail()) {  //最好清除混乱,然后汇报问题
        ist.clear();  //清除流状态

        //检测下一个字符是否是终结符
        char c;
        ist>>c;  //读入一个符号,希望是终结符
        if(c != terminator) { // 非终结符
            ist.unget(); //放回该符号
            ist.clear(ios_base::failbit);  //将流状态设置为 fail()
        }
    }
}
如果发生了 fail(),我们尝试检测下一个字符是否是结束符:如果是,那么就完整得读取了数据,使用 clear() 恢复状态就可以;如果不是,我们就没有办法处理了,所以将状态重新设置为 fail(),以期望 fill_vector() 的调用者(上层函数)有能力处理。

我们通过调用 ist.clear(ios_base::failbit) 来将流状态设置为 fail()。对照简单的cleal(),带参数的用法有些令人迷惑:当 clear() 带参数时,参数中所指出的 iostream 状态位会被置位(进入相应状态),而未指出的状态位会被复位。通过将流状态设置为 fail(),我们表明遇到了一个格式错误,而不是一个更为严重的问题。

可以用 unget() 将字符放回 ist,以便 fill_vector() 的调用者可能使用该字符。unget() 函数是 putback() 的简化版本,它依赖于流对象记住最后一个字符是什么,所以在这里可以不用考虑它的用法。

如果 fill_vector() 的调用者想知道是什么原因终止了输入,那么可以检测流是处于 fail() 还是 eof() 状态。当然也可以捕获 error() 抛出的 runtime_error 异常,但当 istream 处于 bad() 状态时,继续获取数据是不可能的。大多数的调用者无须为此烦恼。因为这意味着,几乎在所有情况下,对于 bad() 状态,我们所能做的只是抛出一个异常。

简单起见,可以让 istream 帮我们抛出这个异常。

//当 ist 出现问题时拋出异常
ist.exceptions(ist.exceptions() | ios_base:: badbit);

这样的写法也许看起来有些奇怪,但结果却很简单,当此语句执行时,如果 ist 处于 bad() 状态,它会抛出一个标准库异常 ios_base::failure。在一个程序中,我们只需要调用 exceptions() 一次。这允许我们简化关联于 ist 的所有输入过程,同时忽略对 bad() 的处理:
//从ist中读入整数到v中,直到遇到eof()或终结符
void fill_vector(istream& ist, vector<int>& v, char terminator){
    ist.exceptions(ist.exceptions() | ios_base:: badbit);

    for (int i; ist>>i; ) v.push_back(i);

    if (ist.eof()) return;  //发现到了文件尾

    //不是good(),不是bad(),不是eof(),ist的状态一定是fail()
    ist.clear();  //清除流状态

    char c;
    ist>>c;    //读入一个符号,希望是终结符
    if (c != terminator) { //不是终结符号,一定是失败了
        ist.unget();    //也许程序调用者可以使用这个符号
        ist.clear(ios_base::failbit); //将流状态设置为 fail()
    }
}
这里使用了 ios_base,它是 iostream 的一部分,包含了对常量如 badbit 的定义、异常如 failure 的定义,以及其他一些有用的定义。可以通过::操作符来使用它们,例如 ios_ base::badbit。

我们无须如此深入地讨论 iostream 库的细节,若要学习 iostream的所有内容,可能需要一门完整的课程。例如,iostream 可以处理不同的字符集,实现不同的缓冲策略,还包含一些工具,能按不同语言的习惯格式化货币金额的输入输出。我们曾经收到过一份关于乌克兰货币输入输出格式的错误报告。如果需要了解更多 iostream 库的内容,可以参考 Stroustrup 的《The C++ Programming Language》和 Langer 的《Standard C++ IOStreams and Locales》。

与 istream—样,ostream 也有四个状态:good()、fail()、eof() 和 bad()。不过,对于本教程的读者来说,输出错误要比输入错误少得多,因此通常不对 ostream 进行状态检测。如果程序运行环境中输出设备不可用、队列满或者发生故障的概率很高,我们就可以像处理输入操作那样,在每次输出操作之后都检测其状态。

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