ファイル処理 | Programming Place Plus　新C++編

このページの概要 🔗

このページでは、ファイルに書き込まれているデータを使ったり、データをファイルへ書き出したりする方法を取り上げます。ファイルの取り扱いができるようになると、プログラムを実行して得られた結果を取っておいたり、その結果を再びプログラムに読み込ませて再編集したりといったことも可能になり、実現できることの幅が一気に広がります。

このページの解説は C++14 をベースとしています。

以下は目次です。要点だけをさっと確認したい方は、「まとめ」をご覧ください。

• ファイル
• ストリーム
• パス
  • 絶対パスと相対パス
• ファイルに出力する (std::ofstream)
  • ファイルをオープンする
  • ファイルへ書き込む
  • ファイルをクローズする
• ファイルから入力する (std::ifstream)
  • ファイルの終わりまで読み込む
• まとめ
• 練習問題
• 参考リンク
• 更新履歴

ファイル 🔗

ここまでのページでは、電卓プログラムを題材にしながら、C++ の機能を解説してきました。まだ不満が残る状態かもしれませんが、電卓プログラムの話は終わりにして、このページから、ごく簡単な「蔵書リスト」のプログラムを題材としていきます。自分がこれまでに買った本の一覧表を作り、内容を閲覧、検索、編集できるようにします。本の追加もプログラムから行います。

この手のプログラムを作るにあたって必須となる知識が、このページのテーマである「ファイル (file)」です。ファイルといえば、ソースファイルもファイルですし、プログラムをビルドすると作られる実行ファイルもファイルですが、ここでは、データを保存しておく目的でファイルを使います。

これまでのプログラムは、実行結果が画面に表示されるだけですから、計算などで得られたデータは、プログラムの実行が終わると消失していました。もう１度同じデータが欲しいと思ったら、もう１度プログラムを実行しなおすしかありません。しかし蔵書リストのようなプログラムでは、実行を終えるたびにデータが消えてしまってはいけませんから、どこかにデータを保存しておく必要があります。その保存先が、ファイルということです。

ストリーム 🔗

ファイルを使った具体的なプログラムの話に入る前に、ストリーム (stream) という用語について触れておきます。

ストリームは「流れ」を意味する英単語ですが、ここでは「データの流れ」という意味になります。データの流れとはつまり、入力や出力のことです。

これまで、入力といえばキーボードからの入力、出力といえば画面への出力でした。ソースコード上では std::cin とか std::cout を使って表現しました。

std::cout << "xyz\n";  // 画面へ出力
std::cin >> str;       // キーボードから入力

データが流れているのだと捉えると、<< や >> という記号を使っている意味も見えてくると思います。<< は左方向に、>> は右方向にデータが流れていく様子を表現しています。ここで std::cout は << の先に書かれているので、流れの先（つまりデータが行き着く先）を表しているといえます。つまり、行き着く先は画面ということです。std::cin の方も同様で、>> の左側に書かれているので、データの出どころを表していて、それはキーボードということになります。

std::cout は「画面」、std::cin は「キーボード」だという理解で進めてきましたが、これはデフォルトがそうなっているというだけのことです。話が難しくなるので詳しくは取り上げませんが、std::cout や std::cin が具体的には何であるのかを変更する方法があります。そこで、std::cout が表すものを「画面」と決めつけるのではなく、標準出力 (standard output) と呼びます。std::cin も「キーボード」だと決めつけるのではなく、標準入力 (standard input) と呼びます。今後はこのように表記します。

ファイルからの入力や、ファイルへの出力も同じように、データが流れるのだと考えます。標準出力への出力とファイルへの出力は、データが流れているという捉え方をするとまったく同じものです。違うのはデータの「行き着く先」だけです。入力も同様で、「出どころ」だけが異なります。実際、C++ ではファイルへの出力と入力を次のように書けるのですが、違うのは「行き着く先」と「出どころ」の部分だけであることがわかります。

std::cout << "xyz\n";  // 画面へ出力
ofs << "xyz\n";        // ファイルへ出力（ofs は std::ofstream型の変数）

std::cin >> str;       // キーボードから入力
ifs >> str;            // ファイルから入力 (ifs は std::ifstream型の変数)

コメントにある std::ofstream や std::ifstream については、あとで実際にプログラムを書くときに取り上げます。

ファイルへ出力することをよく「ファイルに書き出す（書き込む）」といい、ファイルから入力することをよく「ファイル（の内容）を読み込む（読み取る）」といいます。

ソースコードのかたちは同じになりますが、ファイルの場合には特有の難しさがあります。たとえば、a というファイルからデータを入力しようと思っていたが、実際には a というファイルは存在しないかもしれません（誰かが誤って消してしまったかもしれない）。b というファイルにデータを出力しようと思ったら、b の書き換えは許可されていないかもしれません（ファイルには「読み取り専用」のような設定ができます）。本格的なプログラムでは、こうした難しさにもきちんと向き合わなくてはなりませんが、最初からすべてを考慮することは難しいので、当面は厄介ごとは起こらない前提で話を進めていきます。

パス 🔗

もう１つ重要な用語として、パス (path)　があります。

パスは、あるファイルがどこに置かれているのかをあらわす文字列のことです。ファイルはコンピュータの記憶装置（ハードディスクや SSD など）に保存されているわけですが、その具体的な所在地を表現しているもので、たとえば Windows では「C:¥Users¥readme.txt」といったふうに表現できます。この場合、Cドライブにある Users というフォルダの中にある readme.txt を表しています。

「Windows では」といったように、ほかの環境では異なる表現方法を取ることがあります。

フォルダという言葉が出ましたが、これと同じ意味で使われるディレクトリ (directory) という用語があります。プログラミングでは、ディレクトリという用語を使う場合が多いです。

ファイルに出力する (std::ofstream) 🔗

では、実際にファイルを使ったプログラムを書いてみます。

前に少し触れたとおり、ファイルを使ったプログラムには特有の難しさがあって、きちんと書こうと思うとなかなか大変です。最初からきちんとやるのは難しいですし、最低限のエラーチェックだけを入れるにしてもソースコードが大きくなって理解しづらくなるので、まずはすべてがうまくいく前提で書きます。エラーへの対策については、次のページで取り上げます。

次のプログラムは、test.txt という名前のファイルに “Hello.” を出力します。

#include <fstream>

int main()
{
    std::ofstream ofs("test.txt");
    ofs << "Hello.\n";
}

実行結果（標準出力）：

実行結果（test.txt）：

Hello.

プログラムは非常に短いですが、説明しなければならないことはたくさんあります。

ofs.close();    // ofs は std::ofstream型の変数

ファイルから入力する (std::ifstream) 🔗

次は入力です。さきほどのサンプルプログラムで出力された test.txt を読み込んで、その内容を標準出力へ出力するようにします。

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

int main()
{
    std::ifstream ifs("test.txt");
    std::string s {};
    std::getline(ifs, s);
    std::cout << s << "\n";
}

実行結果（標準出力）：

Hello.

test.txt の内容：

Hello.

入力の場合も、まずファイルをオープンしなければなりません。そのためには、std::ifstream型の変数を宣言し、入力したいファイルのパスを指定します。std::ofstream と同様、#include <fstream> の記述が必要です。

std::ofstream と std::ifstream とでは、オープンに関する挙動に違いがあります。std::ofstream ではオープンされたファイルの中身が空になりますが、std::ifstream では何も変化しません。また、std::ofstream では指定したファイルが存在しなかったときには自動的に空のファイルが作成されますが、std::ifstream ではエラーになります。

【Ｃ言語プログラマー】std::ifstream の挙動は、fopen関数の第２引数に “r” を指定したときと同じです。std::ofstream は “w” と同じです。

この挙動の違いは、出力と入力の違いから来るものです。出力の場合は、これから新規のデータを書き込もうとしているので、「元あったデータはいらない」「ファイルがなければ新規で作る」という動作を取ります。入力の場合は、既存のデータを読み取りたいので、「元あったデータはそのまま」「ファイルが無いのなら読み込みようがないのでエラー」という動作を取ります。

無事にファイルがオープンできたら、std::getline(ifs, s); のようにして１行分の内容を読み込んで、変数s に格納します。もちろん ifs >> s; も可能ですが、こちらだと空白文字のところで読み込みを止めてしまいます（「文字列の入力」のページを参照）。

while (/* どこかで打ち切らないと・・・ */) {
    std::string s {};
    std::getline(ifs, s);   // 新しい行を読み込む
    std::cout << s << "\n";
}

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

int main()
{
    std::ifstream ifs("test.txt");

    while (ifs.eof() == false) {  // ファイルの終わりまで読み込み済みなら終了する
        std::string s {};
        std::getline(ifs, s);     // １行分読み込む
        std::cout << s << "\n";
    }
}

1st line.
2nd line.
3rd line.

1st line.
2nd line.
3rd line.

まとめ 🔗

• ファイルのありかを表記した文字列をパスという
  • パスには、経路を漏れなく書き並べる絶対パスと、基準となる場所（カレントディレクトリ）からの経路を書き並べる相対パスという表記方法がある
  • 相対パスでは、「..」という特別な記述によって、「１つ上のディレクトリ」を表現できる
• データがどこかから別のどこかへと流れることや、その経路をストリームと呼ぶ
• std::cout があらわしている、データの流れる先（出力先）のことを標準出力と呼ぶ
• std::cin があらわしている、データの流れの元（入力元）のことを標準入力と呼ぶ
• ファイルの入出力を行うには、まずファイルをオープンする必要がある
  • この操作は std::ofstream や std::ifstream の変数を宣言するときに、パスを渡せば行われる
• ファイルへ出力するには std::ofstream を使う。ファイルをオープンしたあと、ofs << "Hello.\n"; のようにして書き出せる
• ファイルから入力を受け取るには std::ifstream を使う。ファイルをオープンしたあと、ifs >> s; や std::getline(ifs, s); のようにして読み込める
• ファイルは使い終わったらクローズする。基本的に自動で行われるが、ofs.close(); のようにして自分でクローズすることもできる
• ファイルの読み込みが終わったかどうかは、if (ifs.eof()) のようにして調べられる

新C++編の【本編】の各ページには、末尾に練習問題があります。ページ内で学んだ知識を確認する簡単な問題から、これまでに学んだ知識を組み合わせなければならない問題、あるいは更なる自力での調査や模索が必要になるような高難易度な問題をいくつか掲載しています。

参考リンク 🔗

• 1.
  • たとえば、std::ofstream型の変数宣言時にパスを与える場合、以下の仕様から、rdbuf()->open(s, mode|ios_base::out) が呼び出されることが分かる（ほかの方法でオープンする場合も同様）
    • C++ standard working draft N4140 §27.9.1.11 basic_ofstream constructors | 14882: Contents
  • rdbuf() が返すものは std::basic_filebuf のポインタであり、std::basic_filebuf::open() の以下の仕様から、std::fopen() と同じ挙動を取ることが分かる
    • C++ standard working draft N4140 §27.9.1.4 Member functions | 14882: Contents
  • std::fopen() はＣ言語の標準ライブラリの fopen() と同等である。明確な記述はないが、Ｃ言語のものと同様であるとすれば、Ｃ言語の以下の仕様にある「正しいファイル名の規則は，処理系定義とする。」が適用されると思われる
    • JIS X 3010:2003 7.19.3 ファイル
    • 日本産業標準調査会：データベース検索-JIS検索 で「X3010」を検索
    • 簡易閲覧 (kikakurui.com)
• 2. C++ standard working draft N4140 §27.9.1.2 basic_filebuf constructors | 14882: Contents
  • std::basic_filebuf（std::ofstream や std::ifstream がメンバ変数として保持しているオブジェクトの型）のデストラクタの動作について、close() が呼ばれること、その最中やオブジェクトが破棄されるあいだに例外が発生した場合、catch はするがスローはしないとされている
• Programming Place Plus　新C++編　参考書籍
  • 当サイトの参考書籍一覧ページ。C++ に関する書籍を多数紹介
• Programming Place Plus　新C++編　リンク集
  • 当サイトの参考Webサイト集。C++ の全般的な学習に有益なサイトを紹介

練習問題 🔗

問題の難易度について。

• (確認★) このページの内容の理解を確認する問題
• (基本★～★★) このページの内容を使って解く問題
• (応用★★～★★★) このページまでに学んだことを活用して、現実的な問題を解決する問題
• (調査★★～★★★) 自力で情報を探したり、模索したりする問題
• (発展★★★) プログラムの改善など、より上を目指すような問題

★は、すべての方が取り組める入門レベルの問題です。
★★は、自力でプログラミングができるようなるために、入門者の方であっても取り組んでほしい問題です。
★★★は、本格的にプログラマーを目指す人のための問題です。

203 1100 95
635 55 300
1400 2 16
80 65 54

更新履歴 🔗

• ’2021/3/20
  • 新規作成

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