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C++ 随机访问

在文件处理中，随机访问是一项非常强大的功能，它允许程序直接跳转到文件中的特定位置进行读取或写入操作，而不必从头到尾顺序处理整个文件。本教程将深入探讨C++中的文件随机访问技术，帮助初学者理解和掌握这一重要概念。

什么是随机访问？​

随机访问（Random Access）是指能够直接定位到文件中的任意位置进行读取或写入操作，而不需要按顺序访问前面的所有数据。这与顺序访问形成对比，顺序访问只能从文件开始处按顺序读取数据。

提示

想象一本书：顺序访问就像从第一页开始一页一页地读；而随机访问则像直接翻到某一特定页码开始阅读。

随机访问的基础函数​

在C++中，文件随机访问主要通过以下四个函数实现：

  1. seekg() - 用于移动输入流（读取）的文件位置指针
  2. seekp() - 用于移动输出流（写入）的文件位置指针
  3. tellg() - 返回当前输入流位置指针的位置
  4. tellp() - 返回当前输出流位置指针的位置

文件指针位置标志​

在使用seekg()和seekp()函数时，我们可以指定以下位置标志：

  • ios::beg - 文件开头（默认）
  • ios::cur - 当前位置
  • ios::end - 文件末尾

使用seekg()和tellg()进行读取操作​

seekg()函数允许我们将文件读取指针移动到文件中的任意位置。它有两种形式：

  1. seekg(offset) - 从文件开头移动offset个字节
  2. seekg(offset, direction) - 从指定的方向（开头/当前位置/末尾）移动offset个字节

让我们看一个实际的例子：

cpp
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>

int main() {
    std::ifstream file("example.txt");
    
    if (!file) {
        std::cerr << "无法打开文件！" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    // 获取文件大小
    file.seekg(0, std::ios::end);
    std::streampos fileSize = file.tellg();
    std::cout << "文件大小: " << fileSize << " 字节" << std::endl;
    
    // 返回到文件开头
    file.seekg(0, std::ios::beg);
    
    // 读取第一个字符
    char ch;
    file.get(ch);
    std::cout << "第一个字符: " << ch << std::endl;
    
    // 跳到文件中间
    file.seekg(fileSize / 2);
    file.get(ch);
    std::cout << "文件中间的字符: " << ch << std::endl;
    
    // 读取最后一个字符
    file.seekg(-1, std::ios::end);
    file.get(ch);
    std::cout << "最后一个字符: " << ch << std::endl;
    
    file.close();
    return 0;
}

假设example.txt文件内容为：Hello World! This is a test file.

输出将类似于：

文件大小: 34 字节
第一个字符: H
文件中间的字符: i
最后一个字符: .

使用seekp()和tellp()进行写入操作​

类似地，seekp()函数用于在文件中定位写入位置指针：

cpp
#include <iostream>
#include <fstream>

int main() {
    std::fstream file("random.txt", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::trunc);
    
    if (!file) {
        std::cerr << "无法打开文件！" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    // 写入一些初始数据
    file << "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
    
    // 返回到文件开头
    file.seekp(0, std::ios::beg);
    std::cout << "当前写入位置: " << file.tellp() << std::endl;
    
    // 修改第5个字符
    file.seekp(4);
    file << "X";
    
    // 修改第10个字符
    file.seekp(9);
    file << "Y";
    
    // 修改最后一个字符
    file.seekp(-1, std::ios::end);
    file << "Z";
    
    // 重置文件指针以便读取
    file.seekg(0);
    std::string content;
    std::getline(file, content);
    std::cout << "修改后的内容: " << content << std::endl;
    
    file.close();
    return 0;
}

输出将是：

当前写入位置: 0
修改后的内容: ABCDXFGHIYKLMNOPQRSTUVWXYZ

二进制文件的随机访问​

随机访问在处理二进制文件时特别有用，特别是当我们需要读取或修改特定记录时：

cpp
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>

struct Person {
    char name[50];
    int age;
    double salary;
};

void displayPerson(const Person& p) {
    std::cout << "姓名: " << p.name << ", 年龄: " << p.age 
              << ", 薪资: " << p.salary << std::endl;
}

int main() {
    // 准备数据
    std::vector<Person> people = {
        {"张三", 25, 8000.0},
        {"李四", 30, 9500.0},
        {"王五", 22, 7800.0},
        {"赵六", 28, 12000.0}
    };
    
    // 写入二进制文件
    std::fstream file("employees.dat", std::ios::binary | std::ios::out | std::ios::in | std::ios::trunc);
    
    if (!file) {
        std::cerr << "无法创建文件！" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    for (const auto& person : people) {
        file.write(reinterpret_cast<const char*>(&person), sizeof(Person));
    }
    
    // 随机访问记录
    Person temp;
    // 读取第三条记录（索引从0开始）
    file.seekg(2 * sizeof(Person));
    file.read(reinterpret_cast<char*>(&temp), sizeof(Person));
    std::cout << "第三条记录: ";
    displayPerson(temp);
    
    // 修改第二条记录
    Person updatedPerson = {"李四", 31, 10000.0}; // 加薪并增加年龄
    file.seekp(1 * sizeof(Person));
    file.write(reinterpret_cast<const char*>(&updatedPerson), sizeof(Person));
    
    // 检查修改结果
    file.seekg(1 * sizeof(Person));
    file.read(reinterpret_cast<char*>(&temp), sizeof(Person));
    std::cout << "修改后的第二条记录: ";
    displayPerson(temp);
    
    file.close();
    return 0;
}

输出将类似于：

第三条记录: 姓名: 王五, 年龄: 22, 薪资: 7800
修改后的第二条记录: 姓名: 李四, 年龄: 31, 薪资: 10000

随机访问的实际应用场景​

  1. 数据库系统：数据库需要能够快速定位和访问特定记录，而不是每次都从头开始扫描。

  2. 大型文件处理：当处理大型日志文件时，可能只需要分析特定时间段的日志条目。

  3. 多媒体应用：播放器需要能够跳转到音频/视频文件中的特定位置。

  4. 配置文件修改：应用程序可能需要只更新配置文件中的特定条目，而不是重写整个文件。

随机访问注意事项​

  1. 二进制模式vs文本模式：在文本模式下，由于换行符的处理不同，精确定位可能会变得复杂。因此，对于需要精确字节定位的操作，推荐使用二进制模式。

  2. 错误检查：随机访问操作后应当检查流的状态，以确保操作成功。

  3. 文件边界：尝试访问超出文件范围的位置将导致错误。

cpp
file.seekg(1000000); // 如果文件小于1000000字节，这将导致错误
if (!file) {
    std::cerr << "定位错误！" << std::endl;
}

总结​

C++的文件随机访问功能为处理文件提供了极大的灵活性：

  • seekg()和seekp()函数允许在文件中自由定位读取和写入位置
  • tellg()和tellp()函数返回当前位置信息
  • 随机访问特别适合处理需要选择性读取或更新的文件
  • 二进制文件处理中，随机访问是操作固定大小记录的有力工具

通过掌握文件随机访问，你可以开发出更高效和功能丰富的文件处理应用程序。

练习​

  1. 编写一个程序，创建一个包含10个整数的二进制文件，然后随机访问并打印出第3个、第5个和第8个整数。

  2. 创建一个简单的"文本编辑器"程序，允许用户指定行号和新内容来替换文本文件中的特定行。

  3. 实现一个程序，可以在不重写整个文件的情况下，将二进制文件中的特定记录标记为"已删除"（例如，设置一个标志字段）。

警告

在进行文件随机访问操作时，务必确保文件已正确打开，且所有操作后检查流状态以确认操作成功。