21. C++ 입출력(C++ I/O)

1. 키워드

C++ 입출력(C++ I/O)
스트림(Stream)과 버퍼(Buffer)
iostream 헤더 파일
istream과 ostream 클래스
바이너리 파일(Binary File)과 텍스트 파일(Text File)
fstream 헤더 파일
ifstream과 ofstream 클래스
파일 모드(File Mode)와 ios_base 클래스

2. 스트림과 버퍼

1) C++ 입출력

C++은 C와 마찬가지로 입출력에 관한 기능을 언어에서 기본적으로 제공하지 않는다.
그 이유는 컴파일러를 만들 때 입출력 기능을 해당 하드웨어에 가장 적합한 형태로 만들 수 있도록 컴파일러 개발자에게 권한을 주기 위해서이다.
하지만 대부분의 C++ 컴파일러는 iostream과 fstream 헤더 파일에 정의되어 있는 클래스 라이브러리를 제공한다.
iostream과 fstream 클래스 라이브러리의 중요 개념 중 하나가 바로 스트림이다.

2) 스트림

C++ 프로그램은 파일이나 콘솔의 입출력을 직접 다루지 않고, 스트림이라는 흐름을 통해 다룬다.
스트림이란 실제의 입력이나 출력이 표현된 데이터의 이상화된 흐름을 의미한다.
즉, 스트림은 OS에 의해 생성되는 가상의 연결 고리를 의미하며, 중간 매개자 역할을 한다.

3) 버퍼

스트림은 내부에 버퍼라는 임시 메모리 공간을 가지고 있다.
이러한 버퍼를 이용하면 입력과 출력을 좀 더 효율적으로 처리할 수 있게 된다.

버퍼를 사용하면서 얻을 수 있는 장점은 다음과 같다.

1] 문자를 하나씩 전달하는 것이 아닌 묶어서 한 번에 전달하므로, 전송 시간이 적게 걸려 성능이 향상된다.

2] 사용자가 문자를 잘못 입력했을 경우 수정을 할 수가 있다.

하지만 입력 작업에 버퍼를 사용하는 것이 반드시 좋은 것만은 아니다.
빠른 반응이 요구되는 게임과 같은 프로그램에서는 키를 누르는 즉시 바로 전달되어야만 한다.

이렇게 버퍼를 사용하는 입력과 버퍼를 사용하지 않는 입력은 서로 다른 용도로 사용된다.
따라서 자신의 목적에 맞게 버퍼의 사용 여부를 판단해야 한다.
참고로 대부분의 C++ 프로그램은 입력 시에는 사용자가 Enter 키를 누르면 입력 버퍼를 비우고, 출력 시에는 '\n'(개행 문자)를 전달 받으면 출력 버퍼를 비우게 된다.

3. 파일 입출력

1) 파일이란?

파일이란 의미있는 정보를 담고 있으며, 이름을 가지고 있는 저장 장치 상의 논리적인 단위를 의미한다.
C++은 이러한 파일을 바이트별로 따로 읽을 수 있는 연속적인 바이트의 집합으로 취급한다.

2) 파일의 종류

컴퓨터는 파일을 다음과 같이 두 가지 종류로 나누어서 다룬다.

1] 바이너리 파일

2] 텍스트 파일

바이너리 파일은 데이터의 저장과 처리를 목적으로 0과 1의 이진 형식으로 인코딩된 파일을 가리킨다.
프로그램이 이 파일의 데이터를 읽거나 쓸 때는 데이터의 어떠한 변환도 일어나지 않는다.
텍스트 파일은 사람이 알아볼 수 있는 문자열로 이루어진 파일을 가리킨다.
프로그램이 이 파일의 데이터를 읽거나 쓸 때는 포맷 형식에 따라 데이터의 변환이 일어난다.

3) C++ 파일 입출력 클래스

C++에서 파일의 입출력을 표준 입출력처럼 처리한다.
C++ 표준 입출력은 iostream 헤더 파일의 istream 클래스와 ostream 클래스의 멤버 함수로 처리한다.
이와 마찬가지로 C++ 파일 입출력은 fstream 헤더 파일의 클래스 라이브러리를 가지고 처리하게 된다.
파일의 입력은 ifstream 클래스로, 파일의 출력은 ofstream 클래스의 멤버 함수로 처리한다.
이 클래스는 iostream 헤더 파일의 클래스로부터 파생된 클래스이다.

4) 파일의 입출력

C++에서 파일에 대한 입출력 동작은 다음과 같은 순서에 따라 진행된다.

1] 스트림을 관리하기 위한 ifstream(또는 ofstream) 객체 생성

2] 특정 파일과의 연결

3] cin(또는 cout) 객체와 같은 방법으로 객체를 사용하여 입출력 수행

4] 모든 작업이 끝나면 파일과의 연결 종료

특정 파일과의 연결은 open() 멤버 함수를 사용하여 다음과 같이 수행한다.

ifstream ifs;             // ifs라는 ifstream 객체를 생성함
ifs.open("example.txt");  // ifs를 example.txt와 연결함

위에서 살펴본 ifstream 객체의 생성과 파일과의 연결을 다음과 같이 한 줄로 결합할 수도 있다.

ifstream ifs("example.txt");  // ifs라는 ifstream 객체를 생성하고, example.txt와 연결함

이렇게 연결된 파일에서 cin 객체를 사용하는 방법과 동일한 방법으로 파일의 내용을 읽을 수 있다.

char ch;
char buf[20];
string str;

ifs >> ch;             // example.txt 파일에서 한 문자를 읽어 변수 ch에 저장함
ifs.getline(buf, 20);  // example.txt 파일에서 한 행을 읽어 배열 buf에 저장함
getline(ifs, str);     // example.txt 파일에서 한 행을 읽어 문자열 객체인 str에 저장함

앞서 생성한 입출력 파일 스트림 객체의 수명이 다하면 파일은 자동으로 닫힌다.
또한, close() 멤버 함수를 통해 명시적으로 파일과의 연결을 닫을 수도 있다.

ifs.close();  // 파일과의 연결을 닫음

5) 스트림의 상태 검사

C++의 파일 입출력 클래스는 스트림의 상태를 검사해 주는 ios_base 클래스의 멤버 함수를 상속 받는다.

과거의 C++에서는 파일을 성공적으로 열었는지를 다음과 같은 방법으로 확인했다.

1. if (ifs.fail()) { ... }   // 파일을 여는데 실패한 경우
2. if (!ifs.good()) { ... }  // 파일을 여는데 실패한 경우
3. if (!ifs) { ... }         // 파일을 여는데 실패한 경우

최신의 C++에서는 파일의 성공적인 개방을 is_open 멤버 함수를 통해 확인할 수도 있다.

if (!ifs.is_open()) { ... }  // 파일을 여는데 실패한 경우

다음의 코드는 C++에서 단순히 파일을 열어 그 안에 저장된 텍스트 한 줄을 읽어 오는 것이다.

#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main(void) {
    ifstream ifs;
    string str;

    ifs.open("example.txt");

    if (!ifs.is_open()) {
        cout << "파일을 열 수가 없습니다!" << endl;
        exit(1);
    } else {
        cout << "파일을 성공적으로 열었습니다!" << endl;
        getline(ifs, str);
        cout << str << endl;
        ifs.close();
    }

    return 0;
}

// 파일을 성공적으로 열었습니다!
// C++ 프로그래밍

4. 파일 모드

C++에서 파일 모드란 파일의 사용 용도와 파일의 데이터를 어떤 방식으로 입출력할지를 결정하는 상수이다.
파일 모드 상수는 ifstream(또는 ofstream) 객체를 파일의 이름으로 초기화하거나, open() 멤버 함수를 통해 스트림에 파일을 연결할 때 파일 모드를 지정하기 위한 두 번째 매개변수로 사용된다.

// ifs라는 ifstream 객체를 생성하고, example.txt와 읽기 모드로 연결함
ifstream ifs("example.txt", ios_base::in);

기본적으로 ifstream의 생성자와 open() 멤버 함수는 파일 모드의 디폴트 인수로 ios_base::in을 제공한다.
또한, ofstream의 생성자와 open() 멤버 함수는 파일 모드의 디폴트 인수로 ios_base::out | ios_base::trunc를 제공한다.

1) C++ 파일 모드 상수

C++에서 제공하는 파일 모드 상수는 다음과 같다.

1] ios_base::in

파일을 오로지 읽는 것만 가능한 모드로 개방함

2] ios_base::out

파일을 쓰는 것만이 가능한 모드로 개방함

3] ios_base::ate

파일을 개방할 때 파일의 끝으로(At The End) 파일 포인터를 이동시킴

4] ios_base::app

해당 파일의 맨 끝에서부터 데이터를 추가함(Append)

5] ios_base::trunc

파일이 있으면 해당 파일의 모든 데이터를 지우고(Truncate) 개방함

6] ios_base::binary

바이너리 모드로 개방함

이렇게 제공되는 파일 모드 상수는 단독으로 사용할 수도 있고, 여러 모드를 조합하여 사용할 수도 있다.
C++에서 자주 사용되는 파일 모드 조합은 다음과 같다.

1] ios_base::out | ios_base::trunc

C 파일 모드: "w"
파일을 쓰는 것만이 가능한 모드로 개방함
파일이 없으면 새 파일을 만들고, 파일이 있으면 해당 파일의 모든 데이터를 지우고 개방함

2] ios_base::out | ios_base::app

C 파일 모드: "a"
파일을 쓰는 것만이 가능한 모드로 개방함
파일이 없으면 새 파일을 만들고, 파일이 있으면 해당 파일의 맨 끝에서부터 데이터를 추가함

3] ios_base::in | ios_base::out

C 파일 모드: "r+"
파일을 읽고 쓰는 것이 둘 다 가능한 모드로 개방함

4] ios_base::in | ios_base::out | ios_base::trunc

C 파일 모드: "w+"
파일을 읽고 쓰는 것이 둘 다 가능한 모드로 개방함
파일이 없으면 새 파일을 만들고, 파일이 있으면 해당 파일의 모든 데이터를 지우고 개방함