Практическая работа №7

Работа с файлами в C++: Консольный ввод-вывод

Цель работы: Научиться использовать стандартные средства C++ для работы с файлами (чтение, запись, обработка) в консольных приложениях, используя классы из библиотеки <fstream>.

Основные теоретические положения

1. Библиотека `<fstream>`

Для работы с файлами в C++ используется библиотека <fstream>, которая предоставляет три основных класса:

Класс	Назначение	Режим работы
`ofstream`	Вывод в файл (запись)	Создает файл для записи. Если файл существует, его содержимое по умолчанию стирается.
`ifstream`	Ввод из файла (чтение)	Открывает существующий файл для чтения.
`fstream`	Ввод и вывод (чтение и запись)	Открывает файл для одновременного чтения и записи.

2. Открытие и закрытие файла

Для открытия файла используется конструктор класса или метод open().

#include <fstream>
#include <iostream>

void file_example() {
    // 1. Создание объекта для записи
    std::ofstream fout("output.txt");

    // 2. Проверка успешности открытия
    if (fout.is_open()) {
        fout << "Это первая строка.\n";
        fout << "Это вторая строка.\n";

        // 3. Закрытие файла
        fout.close();
        std::cout << "Данные записаны в output.txt\n";
    } else {
        std::cerr << "Не удалось открыть файл для записи!\n";
    }

    // 4. Создание объекта для чтения
    std::ifstream fin("output.txt");
    std::string line;

    if (fin.is_open()) {
        std::cout << "Чтение из output.txt:\n";
        // Чтение построчно
        while (getline(fin, line)) {
            std::cout << line << "\n";
        }
        fin.close();
    } else {
        std::cerr << "Не удалось открыть файл для чтения!\n";
    }
}

3. Режимы открытия файла (Flags)

При открытии файла можно указать дополнительные режимы с помощью оператора побитового ИЛИ (|):

Флаг	Описание
`std::ios::in`	Открытие для чтения (по умолчанию для `ifstream`).
`std::ios::out`	Открытие для записи (по умолчанию для `ofstream`).
`std::ios::app`	Все операции записи выполняются в конец файла (добавление).
`std::ios::trunc`	Стирает содержимое файла, если он существует (по умолчанию для `ofstream`).
`std::ios::binary`	Открытие файла в бинарном режиме.

Пример добавления в конец файла:

std::ofstream fout("log.txt", std::ios::app);
fout << "Новая запись в логе.\n";
fout.close();

4. Работа с бинарными файлами

Бинарные файлы используются для хранения данных в том виде, в каком они хранятся в памяти, без преобразования в текстовое представление. Это обеспечивает более высокую скорость ввода-вывода и точное сохранение данных (например, чисел с плавающей точкой).

Для работы с бинарными файлами необходимо использовать флаг std::ios::binary при открытии файла. Основные операции выполняются с помощью методов write() и read().

Запись в бинарный файл (write) Метод write записывает блок данных из памяти в файл.

// Синтаксис: stream.write(const char* s, streamsize n);
int number = 12345;
std::ofstream fout("data.bin", std::ios::out | std::ios::binary);
fout.write(reinterpret_cast<const char*>(&number), sizeof(number));
fout.close();

reinterpret_cast<const char*>(&number): Преобразует адрес переменной в указатель на char, так как write работает с сырыми байтами.
sizeof(number): Указывает количество байтов, которое нужно записать.

Чтение из бинарного файла (read) Метод read считывает блок данных из файла в память.

// Синтаксис: stream.read(char* s, streamsize n);
int read_number;
std::ifstream fin("data.bin", std::ios::in | std::ios::binary);
fin.read(reinterpret_cast<char*>(&read_number), sizeof(read_number));
fin.close();
// Теперь read_number содержит значение 12345

5. Работа со структурами в бинарном режиме

Бинарный режим особенно удобен для работы со структурами, поскольку позволяет записывать и считывать их целиком одним блоком, сохраняя исходное представление данных в памяти.

Пример записи структуры:

struct Student {
    int id;
    char name[50];
    float avg_grade;
};

void write_student(const Student& s) {
    std::ofstream fout("students.dat", std::ios::out | std::ios::binary);
    // Запись всей структуры целиком
    fout.write(reinterpret_cast<const char*>(&s), sizeof(Student));
    fout.close();
}

Пример чтения структуры:

Student s;
std::ifstream fin("students.dat", std::ios::in | std::ios::binary);
// Чтение всей структуры целиком
fin.read(reinterpret_cast<char*>(&s), sizeof(Student));
fin.close();
// Теперь s содержит данные из файла

6. Произвольный доступ к файлу (`seekg`, `seekp`)

По умолчанию чтение и запись происходят последовательно. Для доступа к данным в произвольном месте файла используются функции-члены:

seekg(): Перемещает указатель чтения (get pointer).
seekp(): Перемещает указатель записи (put pointer).

Обе функции принимают два аргумента:

Смещение (offset): Количество байтов для смещения.
Начальная позиция (direction): Точка отсчета для смещения.

Точка отсчета	Флаг	Описание
Начало файла	`std::ios::beg`	Смещение от начала файла (по умолчанию).
Текущая позиция	`std::ios::cur`	Смещение от текущей позиции.
Конец файла	`std::ios::end`	Смещение от конца файла.

Пример произвольного доступа:

// Переместить указатель чтения на 10-й байт от начала файла
fin.seekg(10, std::ios::beg);

// Переместить указатель записи на 5 байт назад от текущей позиции
fout.seekp(-5, std::ios::cur);

// Получить текущую позицию указателя чтения/записи
long pos_g = fin.tellg();
long pos_p = fout.tellp();

7. Проверка состояния потока

Крайне важно проверять состояние потока после операций ввода-вывода:

Метод	Описание
`is_open()`	Возвращает `true`, если файл успешно открыт.
`good()`	Возвращает `true`, если ошибок не было.
`eof()`	Возвращает `true`, если достигнут конец файла.
`fail()`	Возвращает `true`, если произошла ошибка (например, ошибка чтения).

Компиляция и запуск программы

g++ *имя_файла*.cpp -o *название_файла_для_компиляции*

./*название_скомпилированного_файла*

Общие требования

Для каждого задания необходимо:

Составить схему алгоритма программы;
Написать программу на языке программирования C++;
Предусмотреть обработку ошибок открытия/записи/чтения файлов;
Продемонстрировать работу программы на тестовых данных, создав необходимые входные файлы.

Задания для выполнения

Выбор варианта: Номер варианта соответствует порядковому номеру студента в списке группы. Если количество студентов превышает 15, варианты повторяются по кругу (например, 16-й студент выполняет Вариант 1, 17-й - Вариант 2 и т.д.).

Вариант 1

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает 5 строк и записывает их в файл `lines.txt`, каждую с новой строки.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `numbers.txt` (целые числа через пробел). Найдите и запишите в файл `output_sum.txt` сумму всех положительных чисел.
3	Бинарный I/O	Запишите 10 случайных целых чисел в бинарный файл `random.bin`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Product` (название, цена, количество). Запросите данные для 3 продуктов и запишите их в бинарный файл `products.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `products.dat` (из задачи 4). Используя `seekg`, прочитайте и выведите на экран данные о втором продукте.

Вариант 2

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая записывает в файл `alphabet.txt` все заглавные буквы английского алфавита (от A до Z) через пробел.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `text.txt`. Подсчитайте количество слов, начинающихся с гласной буквы, и запишите результат в `vowel_count.txt`.
3	Бинарный I/O	Запишите 5 чисел с плавающей точкой в бинарный файл `floats.bin`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Employee` (ФИО, должность, зарплата). Запросите данные для 4 сотрудников и запишите их в бинарный файл `employees.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `employees.dat` (из задачи 4). Используя `seekp`, обновите зарплату для первого сотрудника, установив ее равной 75000.

Вариант 3

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает у пользователя целое число N и записывает в файл `sequence.txt` последовательность чисел от 1 до N, по одному числу в строке.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `log.txt`. Создайте новый файл `errors.txt`, куда запишите только те строки, которые содержат слово “ERROR” (без учета регистра).
3	Бинарный I/O	Создайте программу, которая считывает содержимое файла `random.bin` (из Варианта 1) и выводит его на экран.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Point` (x, y, z - float). Запишите 5 случайных точек в бинарный файл `points.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `points.dat` (из задачи 4). Используя `seekg`, прочитайте и выведите на экран координаты последней точки.

Вариант 4

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая считывает содержимое файла `source.txt` и записывает его в файл `copy.txt`, заменяя все пробелы на символы подчеркивания (`_`).
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `text.txt`. Подсчитайте количество строк, которые являются палиндромами, и запишите результат в `palindromes.txt`.
3	Бинарный I/O	Запишите 8 логических значений (`bool`) в бинарный файл `bools.bin`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Book` (название, автор, год). Запросите данные для 3 книг и запишите их в бинарный файл `books.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `books.dat` (из задачи 4). Используя `seekp`, обновите год издания для второй книги, установив его равным 2024.

Вариант 5

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает название файла и его содержимое, и записывает содержимое в указанный файл.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `data.txt` (целые числа, по одному в строке). Отсортируйте числа и запишите отсортированный список в файл `sorted_data.txt`.
3	Бинарный I/O	Прочитайте файл `bools.bin` (из Варианта 4) и выведите на экран, сколько из записанных значений были `true`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Car` (марка, год, цена). Запишите 5 автомобилей в бинарный файл `cars.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `cars.dat` (из задачи 4). Используя `seekg`, найдите и выведите на экран данные о первом автомобиле.

Вариант 6

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает 5 чисел с плавающей точкой и записывает их в файл `floats.txt` с точностью до двух знаков после запятой.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `students.txt` (ФИО, средний балл). Найдите студента с минимальным средним баллом и запишите его ФИО в файл `worst_student.txt`.
3	Бинарный I/O	Запишите массив из 100 целых чисел в бинарный файл `array.bin`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Movie` (название, жанр, рейтинг). Запишите 3 фильма в бинарный файл `movies.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `movies.dat` (из задачи 4). Используя `seekp`, обновите рейтинг для последнего фильма, установив его равным 9.5.

Вариант 7

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает строку и добавляет ее в конец файла `history.log` с текущей меткой времени.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `text.txt`. Создайте новый файл `no_vowels.txt`, куда запишите содержимое файла, удалив все гласные буквы.
3	Бинарный I/O	Прочитайте файл `array.bin` (из Варианта 6) и выведите на экран сумму всех чисел.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Circle` (радиус, цвет). Запишите 5 кругов в бинарный файл `circles.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `circles.dat` (из задачи 4). Используя `seekg`, прочитайте и выведите на экран данные о третьем круге.

Вариант 8

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая записывает в файл `primes.txt` первые 10 простых чисел.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `text.txt`. Создайте новый файл `unique_words.txt`, куда запишите все уникальные слова из исходного файла, отсортированные по алфавиту.
3	Бинарный I/O	Запишите 5 целых чисел в бинарный файл `data.bin` и затем прочитайте их обратно, используя `read()`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Address` (город, улица, дом). Запишите 3 адреса в бинарный файл `addresses.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `addresses.dat` (из задачи 4). Используя `seekp`, обновите город в первом адресе на “Санкт-Петербург”.

Вариант 9

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает у пользователя 5 слов и записывает их в файл `words.txt`, каждое слово в отдельной строке.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `grades.txt` (ФИО, оценка). Увеличьте оценку каждого студента на 1 балл (но не более 5) и запишите обновленные данные в файл `new_grades.txt`.
3	Бинарный I/O	Запишите 10 чисел с плавающей точкой в бинарный файл `temps.bin`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Planet` (название, масса, радиус). Запишите 4 планеты в бинарный файл `planets.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `planets.dat` (из задачи 4). Используя `seekg`, прочитайте и выведите на экран данные о планете, которая находится предпоследней в файле.

Вариант 10

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая считывает содержимое файла `source.txt` и записывает его в файл `reversed.txt` в обратном порядке (последняя строка становится первой).
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `text.txt`. Удалите все пустые строки и запишите результат в файл `no_empty_lines.txt`.
3	Бинарный I/O	Прочитайте файл `temps.bin` (из Варианта 9) и найдите минимальное и максимальное значения.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Animal` (имя, вид, возраст). Запишите 5 животных в бинарный файл `animals.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `animals.dat` (из задачи 4). Используя `seekp`, обновите возраст для третьего животного.

Вариант 11

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает у пользователя 3 строки и добавляет их в конец файла `notes.txt`.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `matrix.txt` (квадратная матрица). Найдите сумму элементов побочной диагонали и запишите ее в файл `anti_diag_sum.txt`.
3	Бинарный I/O	Запишите 20 случайных чисел типа `short` в бинарный файл `shorts.bin`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Recipe` (название, время_приготовления, сложность). Запишите 3 рецепта в бинарный файл `recipes.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `recipes.dat` (из задачи 4). Используя `seekg`, прочитайте и выведите на экран данные о первом рецепте.

Вариант 12

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает у пользователя символ и записывает его в файл `symbol.txt` 100 раз подряд.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `text.txt`. Подсчитайте частоту встречаемости каждого символа и запишите результат в файл `char_freq.txt`.
3	Бинарный I/O	Прочитайте файл `shorts.bin` (из Варианта 11) и найдите среднее арифметическое всех чисел.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Song` (название, исполнитель, длительность). Запишите 5 песен в бинарный файл `songs.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `songs.dat` (из задачи 4). Используя `seekp`, обновите длительность для третьей песни.

Вариант 13

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая записывает в файл `numbers.txt` числа от 1 до 100, разделенные запятыми.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `text.txt`. Создайте новый файл `no_comments.txt`, удалив все строки, начинающиеся с символа `#`.
3	Бинарный I/O	Запишите массив из 50 чисел типа `float` в бинарный файл `data_float.bin`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Customer` (ID, ФИО, баланс). Запишите 3 клиентов в бинарный файл `customers.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `customers.dat` (из задачи 4). Используя `seekg`, прочитайте и выведите на экран данные о клиенте с ID=2 (вторая запись).

Вариант 14

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая считывает содержимое файла `source.txt` и записывает его в файл `destination.txt`, переводя все символы в верхний регистр.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `sales.csv` (Товар;Количество). Найдите товар с максимальным количеством продаж и запишите его название в файл `best_seller.txt`.
3	Бинарный I/O	Прочитайте файл `data_float.bin` (из Варианта 13). Найдите количество чисел, которые больше 10.0.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Vector` (x, y, z - int). Запишите 5 векторов в бинарный файл `vectors.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `vectors.dat` (из задачи 4). Используя `seekp`, обнулите все компоненты (`x`, `y`, `z`) для первого вектора.

Вариант 15

№	Тип задачи	Описание задачи
1	Текст (Запись)	Создайте программу, которая запрашивает у пользователя путь к файлу и считывает его содержимое, выводя его на экран.
2	Текст (Обработка)	Прочитайте файл `text.txt`. Создайте новый файл `reversed_words.txt`, инвертировав порядок букв в каждом слове.
3	Бинарный I/O	Запишите 5 целых чисел в бинарный файл `final.bin`.
4	Структуры (Бинарный I/O)	Создайте структуру `Country` (название, столица, население). Запишите 3 страны в бинарный файл `countries.dat`.
5	Произвольный доступ	Прочитайте файл `countries.dat` (из задачи 4). Используя `seekg` и `std::ios::end`, прочитайте и выведите на экран данные о первой стране (с начала файла).

Контрольные вопросы

Какие три основных класса используются в C++ для работы с файлами и в чем их различие?
Для чего используется метод is_open()? Какие еще методы проверки состояния потока вы знаете?
В чем разница между режимами открытия std::ios::out и std::ios::app?
Как можно прочитать файл построчно в C++? Приведите пример функции.
Объясните, что такое бинарный режим работы с файлами (std::ios::binary) и когда его следует использовать.
Как происходит обработка ошибок при работе с файлами (например, если файл не найден)?
Как считывать структурированные данные (например, целые числа или слова) из файла, используя оператор >>?