实验6 文件I/O与异常处理

一、实验任务1

源代码task1

#pragma once
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>

struct Contestant {
    long   id;              // 学号
    std::string name;       // 姓名
    std::string major;      // 专业
    int    solved;          // 解题数
    int    penalty;         // 总罚时
};

// 重载<<
// 要求：姓名/专业里不含空白符
inline std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Contestant& c) {
    out << std::left;
    out << std::setw(15) << c.id
        << std::setw(15) << c.name
        << std::setw(15) << c.major
        << std::setw(10) << c.solved
        << std::setw(10) << c.penalty;

    return out;
}

// 重载>>
inline std::istream& operator>>(std::istream& in, Contestant& c) {
    in >> c.id >> c.name >> c.major >> c.solved >> c.penalty;

    return in;
}

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <vector>
#include "contestant.hpp"
#include "utils.hpp"

const std::string in_file = "./data.txt";
const std::string out_file = "./ans.txt";

void app() {
    std::vector<Contestant> contestants;

    try {
        contestants = load(in_file);                                      
        std::sort(contestants.begin(), contestants.end(), cmp_by_solve); 
        print(contestants);      
        save(out_file, contestants);                         
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << e.what() << '\n';
        return;
    }
}

int main() {
    app();
}

#pragma once
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <string>
#include <vector>
#include "contestant.hpp"

// ACM 排序规则：先按解题数降序，再按罚时升序
inline bool cmp_by_solve(const Contestant& a, const Contestant& b) {
    if(a.solved != b.solved)
        return a.solved > b.solved;
    
    return a.penalty < b.penalty;
}

// 将结果写至任意输出流
inline void write(std::ostream& os, const std::vector<Contestant>& v) {
    for (const auto& x : v) 
        os << x << '\n';
}

// 将结果打印到屏幕
inline void print(const std::vector<Contestant>& v) {
    write(std::cout, v);
}

// 将结果保存到文件
inline void save(const std::string& filename, const std::vector<Contestant>& v) {
    std::ofstream os(filename);
    if (!os) 
        throw std::runtime_error("fail to open " + filename);

    write(os, v);
}

// 从文件读取信息（跳过标题行）
inline std::vector<Contestant> load(const std::string& filename) {
    std::ifstream is(filename);
    if (!is) 
        throw std::runtime_error("fail to open " + filename);

    std::string line;
    std::getline(is, line);          // 跳过标题

    std::vector<Contestant> v;
    Contestant t;
    int seq;
    while (is >> seq >> t) 
        v.push_back(t);
        
    return v;
}

运行结果截图

问题1：流操作与代码复用

观察 print() 与 save() 的实现，均在内部调用 write() ：

（1） write() 的参数类型是 std::ostream& ，它为什么能同时接受 std::cout 和 std::ofstream 对象作为实参？

std::ostream 是 std::cout（ostream 类实例）和 std::ofstream（ostream 派生类）的基类，基类引用可以绑定到任意派生类对象（多态特性），因此 std::cout 和 std::ofstream 对象均能适配 std::ostream& 类型的参数要求。

（2）如果要把结果写到其他设备，只要该设备也提供 std::ostream 接口，还需改动 write() 吗？

不需要改动。write () 仅依赖 std::ostream 接口，只要新设备的接口继承自 std::ostream 且兼容其调用规范，可直接传入 write ()，体现了代码的复用性。

问题2：异常处理与捕获

在代码中找到两处 throw 语句，说明：

（1）什么情况下会抛出异常；

两处 throw 均为 throw std::runtime_error("fail to open " + filename)：

load () 中：尝试打开指定文件（如 data.txt）失败时，输入流状态异常，抛出该异常；

save () 中：尝试创建 / 写入指定文件（如 ans.txt）失败时，输出流状态异常，抛出该异常。

（2）异常被谁捕获、做了哪些处理。

两处异常均被 app () 函数中的 try-catch 块捕获； 处理逻辑：通过 catch(const std::exception& e) 捕获异常后，调用 std::cerr << e.what() << '\n' 输出异常具体信息（如 “fail to open ./data.txt”），随后执行 return 退出 app () 函数，终止后续操作。

问题3：替代写法

函数 app 中 std::sort(contestants.begin(), contestants.end(), cmp_by_solve); 参数cmp_by_solve 换成下面的lambda表达式是否可以？功能、性能、结果是否一致

[](const Contestant& a, const Contestant& b) { 

return a.solved != b.solved ? a.solved > b.solved

: a.penalty < b.penalty;}

可以替换，且功能、性能、结果完全一致。

功能上：lambda 表达式完全复现了 cmp_by_solve 的逻辑 —— 先按解题数降序排序，解题数相同时按罚时升序排序；

性能上：lambda 表达式无函数调用的额外开销，与原函数实现效率一致；

结果上：排序规则未变，最终 contestants 的排序结果完全相同。

问题4：数据完整性与代码健壮性

把 in_file 改成 "./data_bad.txt" （内含空白行或字段缺失），重新编译运行：

（1）观察运行结果有什么问题？给出测试截图并分析原因。

运行结果问题：部分数据读取错误（如某参赛者的解题数 / 罚时被错误赋值），且后续多条数据记录缺失（如 Jennie、Tibby、Vermont 的数据未读取）。

原因分析：原 load () 函数采用简单的流式读取逻辑，输入流会自动忽略前导空白符；当遇到空白行 / 字段缺失行时，会错误读取下一行的有效数据填充当前字段（如将序号读为解题数、学号读为罚时）；当读取到类型不匹配的数据（如期望 int 却读到 string）时，输入流进入 fail 状态，while 循环终止，后续数据无法读取。

（2）思考：如何修改函数 std::vector<Contestant> load(const std::string& filename) ，使其提示出错行号并跳过有问题的数据行，同时让程序继续执行？（选答*）

改用 std::getline 逐行读取文件，通过 std::istringstream 解析单行数据，维护行号变量定位错误行；空行 / 格式错误行仅输出警告并跳过，不终止程序执行，保证有效数据正常读取。

inline std::vector<Contestant> load(const std::string& filename) {
    std::ifstream is(filename);
    if (!is) throw std::runtime_error("fail to open " + filename);

    std::string line;
    std::getline(is, line); // 跳过标题行
    std::vector<Contestant> v;
    int line_num = 1;

    while (std::getline(is, line)) {
        line_num++;
        if (line.empty()) { // 检测空行
            std::cerr << "警告：第" << line_num << "行为空行，跳过\n";
            continue;
        }

        Contestant t;
        int seq;
        std::istringstream iss(line);
        // 校验格式并处理
        if (!(iss >> seq >> t.id >> t.name >> t.major >> t.solved >> t.penalty)) {
            std::cerr << "错误：第" << line_num << "行格式错误，跳过\n";
            continue;
        }
        v.push_back(t);
    }
    return v;
}

 

二、实验任务2

源代码task2

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>

class Student {
public:
    Student() = default;
    ~Student() = default;
    
    const std::string get_major() const;
    int get_grade() const;

    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Student& s);
    friend std::istream& operator>>(std::istream& is, Student& s);

private:
    int id;   
    std::string  name;
    std::string  major;
    int          grade;  // 0-100
};

#pragma once
#include <string>
#include <vector>
#include "student.hpp"

class StuMgr {
public:
    void load(const std::string& file);  // 加载数据文件（空格分隔）
    void sort();                         // 排序: 按专业字典序升序、同专业分数降序
    void print() const;                  // 打印到屏幕
    void save(const std::string& file) const; // 保存到文件

private:
    void write(std::ostream &os) const;  // 把数据写到任意输出流

private:
    std::vector<Student> students;
};

#include <iostream>
#include <limits>
#include <string>
#include "stumgr.hpp"

const std::string in_file = "./data.txt";
const std::string out_file = "./ans.txt";

void menu() {
    std::cout << "\n**********简易应用**********\n"
                 "1. 加载文件\n"
                 "2. 排序\n"
                 "3. 打印到屏幕\n"
                 "4. 保存到文件\n"
                 "5. 退出\n"
                 "请选择：";
}

void app() {
    StuMgr mgr;

    while(true) {
        menu();
        int choice;
        std::cin >> choice;

        try {
            switch (choice) {
            case 1: mgr.load(in_file); 
                    std::cout << "加载成功\n"; break;
            case 2: mgr.sort(); 
                    std::cout << "排序已完成\n"; break;
            case 3: mgr.print(); 
                    std::cout << "打印已完成\n"; break;
            case 4: mgr.save(out_file); 
                    std::cout << "导出成功\n"; break;
            case 5: return;
            default: std::cout << "不合法输入\n";
            }
        }
        catch (const std::exception& e) {
            std::cout << "Error: " << e.what() << '\n';
        }
    }
}

int main() {
    app();
}

#include<iomanip>
#include "student.hpp"
#include <iostream>

// 获取专业
const std::string Student::get_major() const {
    return major;
}

// 获取成绩
int Student::get_grade() const {
    return grade;
}

// 重载输出操作符 <<
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Student& s) {
    os << std::left
       << std::setw(10) << s.id
       << std::setw(15) << s.name
       << std::setw(15) << s.major
       << std::setw(10) << s.grade;
    return os;
}

// 重载输入操作符 >>
std::istream& operator>>(std::istream& is, Student& s) {
    is >> s.id >> s.name >> s.major >> s.grade;
    return is;
}

#include "stumgr.hpp"
#include <fstream>
#include <algorithm>
#include <stdexcept>

// 加载数据文件
void StuMgr::load(const std::string& file) {
    std::ifstream is(file);
    if (!is) {
        throw std::runtime_error("fail to open " + file);
    }

// 清空旧数据
    students.clear();  
    std::string line;
    if (!std::getline(is, line)) {
        throw std::runtime_error("empty file: " + file);
    }
    Student s;
    int line_num = 1;  
    while (is >> s) {
        line_num++;
        if (s.get_grade() < 0 || s.get_grade() > 100) {
            throw std::runtime_error("invalid grade at line " + std::to_string(line_num));
        }
        students.push_back(s);
    }
    if (is.fail() && !is.eof()) {
        throw std::runtime_error("input format error near line " + std::to_string(line_num));
    }
}

// 排序
void StuMgr::sort() {
    std::sort(students.begin(), students.end(),
              [](const Student& a, const Student& b) {
                  if (a.get_major() != b.get_major()) {
                      return a.get_major() < b.get_major();
                  }
                  return a.get_grade() > b.get_grade();
              });
}

// 内部通用写入函数
void StuMgr::write(std::ostream& os) const {

    for (const auto& s : students) {
        os << s << '\n';
    }
}

// 打印
void StuMgr::print() const {
    write(std::cout);
}

// 保存
void StuMgr::save(const std::string& file) const {
    std::ofstream os(file);
    if (!os) {
        throw std::runtime_error("fail to open :" + file);
    }
    write(os);
}

运行结果截图

 

实验总结：

本次实验探究了C++流操作、异常处理、算法复用及代码健壮性。理解了ostream多态特性带来的代码复用优势，掌握了文件操作异常的捕获与处理方法，验证了lambda表达式与排序函数的等价性，同时发现简单流式读取的缺陷，认识到数据校验对提升代码健壮性的重要性。