檔案與例外

📌 本頁使用方式（先備知識 · 語法與互動）

先讀語法與例子，再操作互動圖解並完成四選一自測。忘記寫法時回看速查表，最後用中英詞彙卡複習。

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CONTENTS · 內容目錄

P00為什麼這一頁比較短 P01讀檔與寫檔 P02開檔失敗怎麼知道 P03例外是什麼 P04標準例外與 at() P05throw 與自訂例外 P06沒有人接會怎樣 EX隨堂練習 REF速查表 QUIZ自我檢測 CARD關鍵詞彙卡

PART 00 · 檔案與錯誤

讓資料留下來，並處理走不通的路

本頁先讀寫文字檔，再學習開檔失敗、界線檢查與例外傳遞。檔案範例可以獨立執行，不需其他教材資料。這些做法也適用於一般程式的輸入驗證與錯誤回報。

PART 01 · 檔案

讀檔與寫檔：三個型別、一個模式

檔案串流物件會管理它開啟的檔案。物件生命週期結束時，會執行稱為解構式（destructor）的收尾函式。先理解「物件負責管理資源」即可；本頁使用標準類別，不需要先自行撰寫解構式。

ofstream 寫、ifstream 讀，用法跟 cout／cin 一模一樣 —— 因為它們是同一家族。

寫進去再讀回來

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
using namespace std;
 
int main() {
    ofstream out("notes.txt");            // 開檔寫入，不存在就建立
    if (!out.is_open()) {
        cout << "開檔失敗" << endl;
        return 1;
    }
    out << "READ" << endl << "CHECK" << endl << "SEND" << endl;
    out.close();                          // 也可以讓它離開範圍自動關

    ifstream in("notes.txt");             // 開檔讀取
    string line;
    int n = 0;
    while (getline(in, line)) {           // 逐行讀到檔尾
        cout << ++n << ": " << line << endl;
    }
    return 0;
}
 

預期輸出

1: READ
2: CHECK
3: SEND

三個重點：① 檔案串流需 <fstream>。② getline 回傳串流參考，while 依讀取狀態判斷是否繼續；最後一行沒有換行也可成功讀取。③ 物件正常離開作用域時解構式會關檔，但本例要在 out 還活著時立刻讀同一檔案，所以先明確 close，確保寫入完成。

寫法	意思
ifstream in("a.txt");	開檔讀取
ofstream out("a.txt");	開檔寫入，清空原內容
ofstream out("a.txt", ios::app);	附加到結尾
getline(in, line)	讀取一行，回傳串流；作條件時反映這次讀取是否成功
in >> word	讀一個「詞」，以空白切開

順便：字串也能當「檔案」讀 —— `stringstream`

stringstream 是這一家族的第三個成員：把字串當成 cin 來讀，>> 一樣自動以空白切詞、照變數型別轉換。跟 P1 用 istringstream 模擬鍵盤輸入是同一家，只是 stringstream 讀寫都能做。

將一行用品記錄逐詞讀出

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
    stringstream input("pencil blue 12");
    string token;
    while (input >> token) {
        cout << "[" << token << "] ";
    }
    cout << endl;
}
 

預期輸出

[pencil] [blue] [12]

stringstream 讓字串也能用串流的 >> 規則逐項解析，並依目標型別轉換。獨立程式應明確 #include <sstream>，不要依賴特定環境自動引入。

PART 02 · 開檔失敗

檔案開啟失敗時，串流會進入失敗狀態

開一個不存在的檔案

#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
 
int main() {
    ifstream in("no_such_file.txt");
    cout << "is_open() = " << in.is_open() << endl;
    cout << "檔案不存在時 ifstream 不會丟例外，只是進入失敗狀態。" << endl;
    cout << "所以開檔之後一定要自己檢查。" << endl;
    return 0;
}
 

預期輸出

is_open() = 0
檔案不存在時 ifstream 不會丟例外，只是進入失敗狀態。
所以開檔之後一定要自己檢查。

它不丟例外、不終止、什麼都不說，只是把串流設成失敗狀態。你如果不檢查就直接讀，會讀到零筆資料然後難以判斷原因。所以 ifstream 開完一定要接一句 if (!in.is_open())。

✅ 相對路徑是相對於「執行時的工作目錄」

檔案讀取失敗時，先確認工作目錄、檔名及開檔狀態，再檢查資料格式。相對路徑以執行時的工作目錄為基準。

PART 03 · 例外

例外不是「壞掉」，是「這條路走不通，換你決定」

例外處理的骨架只有兩個關鍵字：try 圈出可能失敗的程式，catch 接住失敗。

下面先看語法骨架：risky() 代表可能失敗的函式，SpecificError 代表要捕捉的例外型別，兩者都是占位名稱，不是標準函式或可直接執行的程式。後面的完整範例會換成 readAge 與 invalid_argument。

try {
    // 可能失敗的那幾行，範圍越小越好找錯
    risky();
} catch (const SpecificError& e) {
    // 只接住你預期會發生的那一種
    cout << "拋出例外時: " << e.what() << endl;
}
// 接住之後程式繼續往下跑

C++	Python	備註
try { } catch (…) { }	try: / except:	概念相同
throw X();	raise X()	主動拋出
e.what()	str(e)	取得訊息
沒有對應	finally:	把資源綁定到物件生命週期，由解構式收尾：RAII（Resource Acquisition Is Initialization）
沒有對應	else:	C++ 沒有這個區塊

⚠️ 不要寫 catch (...) 把所有東西一起接住

catch (...) 接住所有傳到此處的 C++ 例外，但不能處理一般的未定義行為或記憶體存取錯誤。它可用於清理後重新拋出，或在程式邊界統一回報；若接住後不記錄、不處理，就可能掩蓋問題。

同一段程式，餵不同的輸入就會走出兩條完全不同的路。按下面兩顆 ▶ 各跑一次，注意例外那條路上 readAge 的框是什麼時候消失的。

#include <iostream>
#include <stdexcept>
using namespace std;
int readAge() {
    int age;
    cin >> age;
    if (age < 0) {
        throw invalid_argument("年齡不能是負數");
    }
    return age;
}
 
int main() {
    try {
        int age = readAge();
        cout << "年齡：" << age << endl;
    } catch (const invalid_argument& e) {
        cout << "輸入有問題：" << e.what() << endl;
    }
    cout << "程式繼續往下跑" << endl;
    return 0;
}

速度

堆疊解開 UNWIND

例外不是從 throw 直接跳到 catch。它會沿著呼叫鏈往回走，把中間每一個函式的框架逐一撤掉，撤掉時該框架裡區域物件的解構式都會被呼叫 —— 這叫 stack unwinding。所以檔案串流這類物件不必手動收尾，例外飛過去的時候它們也會自己關好。

型別要對得上 MATCH

catch 只接住型別相符的例外。丟 invalid_argument、只寫 catch (const out_of_range& e)，例外就會穿過去繼續往上飛；一路到 main 外面都沒人接，程式直接 terminate 終止。父類別接得住子類別，所以 catch (const exception& e) 是最寬的那一層，要放最後面。

PART 04 · at() 與 []

兩個下標寫法，一個檢查範圍一個不檢查查錯時用得到

同一個越界存取，兩種下場

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>
using namespace std;
int main() {
    vector<int> v = {10, 20, 30};
    // 錯誤示範：v[10] 越界，行為未定義，因此不執行。
    try {
        cout << "trying at: ";
        int value = v.at(10);
        cout << value << endl;
    } catch (const out_of_range& e) {
        cout << "caught out_of_range" << endl;
        cout << "details: " << e.what() << endl;
    }
    cout << "continue" << endl;
}
 

預期輸出

trying at: caught out_of_range
details: （由實作提供的錯誤描述）
continue

vector 的 v[10] 不符合有效索引前提，屬未定義行為，所以只留在註解中。實際執行的是 v.at(10)：它丟出 out_of_range，catch 接住後可繼續執行。what() 訊息依實作而異；trying at: 已在拋出之前輸出，例外不會回復先前的副作用。

常見標準例外	什麼時候發生
out_of_range	`vector::at()`、`string::at()` 越界
invalid_argument	`stoi("abc")` 這種轉不了的輸入
bad_alloc	`new` 要不到記憶體
runtime_error	通用的執行期錯誤，自訂例外常繼承它

🎯 什麼時候用哪個

不確定索引時，at() 的範圍檢查能讓錯誤較早被發現。已確認合法且需要控制檢查成本時可用 []；兩者差別是介面契約，不是「所有程式都該用某一個」。string 的 size() 位置另可讀結尾空字元，不能把它和 vector 的界線完全混同。

PART 05 · 主動拋出

用 throw 主動回報輸入問題

函式無法接受輸入時，可以透過例外回報。本例遇到負數就拋出 invalid_argument；正常路徑只回傳已通過檢查的數量。

負數數量應立即拒絕

#include <iostream>
#include <stdexcept>
using namespace std;
int checkedQuantity(int n) {
    if (n < 0) throw invalid_argument("數量不可為負數");
    return n;
}
int main() {
    try { cout << checkedQuantity(-1) << endl; }
    catch (const exception& e) { cout << e.what() << endl; }
}
 

預期輸出

數量不可為負數

先用標準的 invalid_argument 表達輸入不合法，throw 會離開目前正常路徑並尋找符合的 catch。等學過類別、繼承與模板後，P9 保留完整自訂例外與草稿箱例子。

💡 為什麼不回傳一個特殊值就好

特殊回傳值是否合適，取決於函式契約。例如本頁數量只允許非負值，便可另約定以 -1 表示錯誤；但若函式回傳溫度，-1 也可能是正常資料。採特殊值時，呼叫端必須檢查；採例外時，則由相符的 catch 處理。這裡使用 invalid_argument，讓正常回傳值只表達有效數量。

PART 06 · 沒人接

例外沒有人接住會怎樣

未捕捉例外的執行結果

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
 
int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3};
    cout << "接下來這行會丟例外，而且沒有人接：" << endl;
    cout << v.at(99) << endl;
    cout << "這一行永遠不會被執行" << endl;
    return 0;
}
 

預期輸出

接下來這行會丟例外，而且沒有人接：

[執行結束碼 -6]
terminate called after throwing an instance of 'std::out_of_range'
  what():  vector::_M_range_check: __n (which is 99) >= this->size() (which is 3)

程式會終止，後面的正常敘述不再執行。這裡的 terminate 診斷與結束碼是特定環境的示例；不能只憑 -6 判定是未捕捉例外或 assert，因為其他情況也可能呼叫 abort。定位原因時應一起閱讀例外型別、訊息與發生位置。

✅ 沒接住其實常常是對的

在有能力處理或轉譯錯誤的位置使用 catch。若目前這一層無法處理，可讓例外繼續傳遞，交由呼叫端或程式邊界統一回報。保留錯誤資訊，避免無聲忽略後繼續使用不完整的結果。

EX · 隨堂練習

兩題確認觀念

EXERCISE 1 · 開檔失敗

ifstream in("data.txt"); 檔案不存在時會發生什麼？

(A) 丟出一個例外

(B) 安靜地進入失敗狀態，要自己用 is_open() 檢查

(D) 程式必定立刻終止

EXERCISE 2 · 該用哪個下標

你在 debug 一個索引算錯的排序程式。應該把 v[i] 暫時換成什麼？

(A) v.at(i)

(B) v.front()

(D) v[i]

REFERENCE · 速查表

P7 速查表

#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <stdexcept>
using namespace std;
 
// 以下是放在函式內的獨立語法片段。
ifstream in("data.txt");
if (!in.is_open()) { /* 回報開檔失敗 */ }
string line;
while (getline(in, line)) { /* 逐行處理 */ }
 
ofstream out("out.txt", ios::app); // 附加模式
out << "一行內容" << endl;
 
vector<int> values = {10, 20};
try {
    cout << values.at(5);
} catch (const out_of_range& e) {
    cout << e.what();
}
 
// 主動回報錯誤，仍使用本頁已介紹的標準例外。
throw invalid_argument("數量不可為負數");
 

自訂例外需要類別與繼承語法，完整寫法請接著讀 P9 的自訂例外。本頁速查先整理已學過的標準例外。

① ifstream 開完一定要檢查 is_open()。
② 相對路徑是相對於執行時的工作目錄。
③ debug 時把 [] 換成 at()。
④ 在適當的位置處理例外；無法處理時，保留資訊並向呼叫端傳遞。

延伸閱讀

資源	看什麼
cppreference · fstream	開檔模式與串流狀態的完整說明。
cppreference · Exceptions	標準例外的完整階層。
本站	程式唯一示範例外處理的地方。

QUIZ · 自我檢測

自我檢測：檔案與例外隨堂自測 · 6 題

每個選項都有解說：選錯也點開看看為什麼錯。全對之後再往下翻詞彙卡。

Q1.以下程式印出什麼？

vector<int> v = {10, 20, 30};
try {
    cout << v.at(10);
} catch (const out_of_range& e) {
    cout << "接住了";
}
cout << "|繼續";

Q2.ifstream in("data.txt"); 而 data.txt 不存在時會發生什麼？

Q3.假設檔案開啟、寫入與讀取皆成功，以下片段印出什麼？

ofstream out("log.txt");   // log.txt 原本有 100 行
out << "新的一行" << endl;
out.close();

ifstream in("log.txt");
string line;
int n = 0;
while (getline(in, line)) n++;
cout << n;

Q4.你在 debug 一個索引算錯的程式。把 v[i] 換成 v.at(i) 有什麼好處？

Q5.接住 const runtime_error& e 後，e.what() 的用途是什麼？

Q6.一個例外沒有被任何 catch 接住，會發生什麼？

CARDS · 關鍵詞彙卡