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一、文件操作的基本概念

1.1 文件的分類與打開方式

在 C++ 編程中，文件是存儲數據的重要載體，根據數據的編碼方式，文件主要分為 ASCII 碼文件（也稱為文本文件）和二進制文件。

文本文件以字符形式存儲數據，每個字符對應一個 ASCII 碼值，并且以換行符\n作為行的分隔符，這使得文本文件具有良好的可讀性，我們可以直接使用文本編輯器打開并查看其內容，例如常見的.txt文件。而二進制文件則是以二進制的形式存儲數據，它直接反映了數據在內存中的存儲形式，沒有特定的字符編碼和行分隔符概念，因此二進制文件對于人類來說可讀性較差，但在存儲一些復雜數據結構或需要高效存儲時具有明顯優勢，比如圖像文件（.jpg、.png）、音頻文件（.mp3、.wav）等。

當我們在 C++ 中進行文件操作時，首先需要打開文件，通過指定不同的打開方式來確定對文件的操作權限和行為。常見的文件打開方式有以下幾種：

• ios::in：以輸入（讀取）模式打開文件，用于從文件中讀取數據，通常用于讀取文本文件或二進制文件中的數據。例如，如果我們要讀取一個配置文件的內容，就可以使用ios::in模式打開該文件。
• ios::out：以輸出（寫入）模式打開文件，用于向文件中寫入數據。若文件已存在，其原有內容會被清空；若文件不存在，則會創建一個新文件。比如我們要生成一個日志文件記錄程序運行信息，就可以用ios::out模式打開文件進行寫入操作 。
• ios::app：以追加模式打開文件，新寫入的數據會追加到文件的末尾，不會覆蓋原有內容，適用于需要不斷記錄新信息的場景，如記錄系統運行日志。
• ios::binary：以二進制模式打開文件，用于處理二進制文件，在這種模式下，文件讀寫操作將按照字節進行，不會對數據進行任何字符轉換。例如在處理圖像文件時，就需要使用ios::binary模式打開，以確保圖像數據的準確性。

我們可以在打開文件時組合使用這些模式，比如ios::in | ios::binary表示以二進制輸入模式打開文件，ios::out | ios::app表示以追加寫入模式打開文件。正確選擇文件的打開方式是進行文件操作的基礎，它直接影響到文件操作的結果和效率。

1.2 文件流的概念與相關類（ifstream、ofstream、fstream）

在 C++ 中，文件流是一種用于在程序和外部文件之間進行數據交互的機制，它提供了一種按順序讀取或寫入文件內容的方式，就像是一條數據的流動通道，數據可以從文件流入程序（讀取操作），也可以從程序流出到文件（寫入操作）。文件流是 C++ 輸入 / 輸出（I/O）體系的一部分，它使得文件操作更加方便和直觀。

C++ 標準庫提供了三個主要的文件流類來實現文件的輸入輸出操作，它們分別是ifstream、ofstream和fstream。

• ifstream：繼承自istream類，專門用于文件的輸入操作，即從文件中讀取數據。當創建一個ifstream對象并調用其open()成員函數時，可以指定要讀取的文件名和打開模式（默認為ios::in）。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ifstream file("example.txt");// 以默認的輸入模式打開文件if (file.is_open()) {std::string line;while (std::getline(file, line)) {std::cout << line << std::endl;}file.close();// 關閉文件} else {std::cerr << "無法打開文件" << std::endl;}return 0;
}

在上述代碼中，我們使用ifstream打開名為example.txt的文件，并逐行讀取文件內容輸出到控制臺。如果文件打開失敗，會輸出錯誤信息。

• ofstream：繼承自ostream類，用于文件的輸出操作，即向文件中寫入數據。默認以ios::out模式打開文件，如果文件已存在，會先清空原有內容；若文件不存在，則創建新文件。示例如下：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ofstream file("output.txt");// 以輸出模式打開文件if (file.is_open()) {file << "這是寫入文件的內容" << std::endl;file.close();} else {std::cerr << "無法打開文件" << std::endl;}return 0;
}

此代碼通過ofstream打開output.txt文件，并向其中寫入一行文本。

• fstream：繼承自iostream類，它同時支持文件的輸入和輸出操作，功能更為全面。在使用fstream時，需要明確指定打開模式，如ios::in | ios::out表示以讀寫模式打開文件。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::fstream file("data.txt", std::ios::in | std::ios::out);if (file.is_open()) {std::string content;file >> content;std::cout << "讀取的內容是：" << content << std::endl;file.seekp(0, std::ios::end);file << "追加新的內容";file.close();} else {std::cerr << "無法打開文件" << std::endl;}return 0;
}

這段代碼使用fstream以讀寫模式打開data.txt文件，先讀取文件內容輸出，然后將文件指針移動到文件末尾追加新內容。

1.3 文件操作的基本流程

在 C++ 中進行文件操作，通常遵循以下基本流程：

1. 打開文件：使用上述提到的文件流類（ifstream、ofstream、fstream）的構造函數或open()成員函數來打開文件，并指定合適的打開方式。在打開文件后，務必檢查文件是否成功打開，可以通過文件流對象的is_open()成員函數來判斷。若文件打開失敗，應及時進行錯誤處理，例如輸出錯誤信息并終止相關操作，避免后續對未成功打開的文件進行讀寫操作導致程序崩潰。
2. 讀寫文件：根據文件的打開模式和需求，使用相應的運算符或成員函數進行文件的讀寫操作。例如，使用<<運算符向文件中寫入數據（適用于ofstream和fstream在輸出模式下），使用>>運算符從文件中讀取數據（適用于ifstream和fstream在輸入模式下） ；對于二進制文件，還可以使用read()和write()成員函數進行按字節的讀寫操作。在讀寫過程中，要注意數據的格式和類型匹配，確保數據的正確讀寫。
3. 關閉文件：在完成文件的讀寫操作后，需要關閉文件，以釋放系統資源并確保數據的完整性。可以通過調用文件流對象的close()成員函數來關閉文件。使用RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原則，將文件流對象定義在合適的作用域內，當對象離開作用域時，其析構函數會自動調用close()函數關閉文件，這樣可以有效避免因忘記關閉文件而導致的資源泄漏問題。

在整個文件操作過程中，異常處理也是非常重要的環節。由于文件操作可能會受到各種因素的影響，如文件不存在、磁盤空間不足、權限不足等，這些情況都可能導致文件操作失敗并拋出異常。因此，我們應該使用try-catch語句塊來捕獲可能出現的異常，并進行適當的處理，例如向用戶提示錯誤信息、記錄日志等，以增強程序的穩定性和可靠性。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {try {std::ofstream file("test.txt");if (!file.is_open()) {throw std::runtime_error("無法打開文件");}file << "寫入一些內容";file.close();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "文件操作錯誤: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}

在上述代碼中，通過try-catch塊捕獲文件操作過程中可能拋出的異常，并輸出錯誤信息。

二、文本文件的讀寫實戰

2.1 文本文件的打開與關閉

在 C++ 中，對文本文件進行讀寫操作前，首先需要打開文件，操作完成后要關閉文件，以確保資源的正確管理和數據的完整性。下面通過不同的文件流類來展示打開和關閉文本文件的方法。

使用ofstream類打開文件用于寫入操作：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ofstream outFile("example.txt");// 使用默認的ios::out模式打開文件，若文件存在則清空內容，若不存在則創建新文件if (outFile.is_open()) {outFile << "這是寫入文件的內容" << std::endl;outFile.close();// 關閉文件} else {std::cerr << "無法打開文件進行寫入" << std::endl;}return 0;
}

上述代碼中，ofstream類的構造函數接受文件名作為參數來打開文件。通過is_open()函數檢查文件是否成功打開，如果打開成功則進行寫入操作，最后使用close()函數關閉文件。

使用ifstream類打開文件用于讀取操作：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ifstream inFile("example.txt");// 以默認的ios::in模式打開文件if (inFile.is_open()) {std::string line;while (std::getline(inFile, line)) {std::cout << line << std::endl;}inFile.close();} else {std::cerr << "無法打開文件進行讀取" << std::endl;}return 0;
}

此代碼中，ifstream類打開文件后，通過getline函數逐行讀取文件內容并輸出，操作結束后關閉文件。

若需要對文件進行讀寫操作，則可以使用fstream類：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::fstream ioFile("example.txt", std::ios::in | std::ios::out);if (ioFile.is_open()) {// 讀取文件內容std::string content;ioFile >> content;std::cout << "讀取的內容是：" << content << std::endl;// 寫入文件內容ioFile.seekp(0, std::ios::end);ioFile << "追加新的內容";ioFile.close();} else {std::cerr << "無法打開文件進行讀寫" << std::endl;}return 0;
}

在這個例子中，fstream類以ios::in | ios::out模式打開文件，既可以讀取文件內容，也可以向文件中追加內容。先讀取文件內容，然后將文件指針移動到文件末尾，再進行寫入操作，最后關閉文件。

2.2 文本文件的寫入操作（<< 運算符、write 函數）

在 C++ 中，向文本文件寫入數據主要有兩種常用方式：使用<<運算符和write函數，它們各有特點和適用場景。

使用<<運算符寫入文本文件是一種非常直觀和便捷的方式，它與向cout輸出數據的語法類似，適用于寫入各種類型的數據，如字符串、整數、浮點數等，并且會自動處理數據類型的轉換。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ofstream file("output.txt");if (file.is_open()) {int num = 100;double pi = 3.14159;std::string message = "Hello, File!";file << "整數: " << num << std::endl;file << "浮點數: " << pi << std::endl;file << "字符串: " << message << std::endl;file.close();} else {std::cerr << "無法打開文件進行寫入" << std::endl;}return 0;
}

上述代碼通過<<運算符將不同類型的數據依次寫入到output.txt文件中，每寫入一項數據后換行，使得文件內容具有良好的可讀性。

write函數則更側重于以二進制的方式寫入數據，它接受一個字符指針和要寫入的字節數作為參數，因此需要手動處理數據的格式化和類型轉換。通常用于寫入字符串或者二進制數據塊。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <cstring>int main() {std::ofstream file("output.txt", std::ios::binary);if (file.is_open()) {const char* message = "Hello, Binary Write!";std::size_t length = strlen(message);file.write(message, length);file.close();} else {std::cerr << "無法打開文件進行寫入" << std::endl;}return 0;
}

此代碼中，write函數將字符串message的內容按照字節原樣寫入到文件中，由于是以二進制模式打開文件，不會對數據進行額外的字符轉換。需要注意的是，如果寫入的是字符串，write函數不會自動添加字符串結束符’\0’，這與<<運算符有所不同。在使用write函數寫入非字符串數據時，需要確保正確計算數據的字節數，以保證數據的完整性。

2.3 文本文件的讀取操作（>> 運算符、read 函數、getline 函數）

從文本文件中讀取數據是文件操作的另一個重要方面，C++ 提供了多種讀取方式，每種方式都有其獨特的應用場景。

使用>>運算符讀取文本文件時，它會按照空白字符（空格、制表符、換行符等）來分隔數據，將數據讀取到相應類型的變量中。這種方式適用于讀取格式化的數據，例如文件中每行存儲一個整數、浮點數或字符串等。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ifstream file("input.txt");if (file.is_open()) {int num;double pi;std::string word;file >> num;file >> pi;file >> word;std::cout << "讀取的整數: " << num << std::endl;std::cout << "讀取的浮點數: " << pi << std::endl;std::cout << "讀取的字符串: " << word << std::endl;file.close();} else {std::cerr << "無法打開文件進行讀取" << std::endl;}return 0;
}

在這個例子中，input.txt文件中應按順序存儲一個整數、一個浮點數和一個字符串，>>運算符依次將它們讀取到對應的變量中。

read函數主要用于以二進制方式讀取文件內容，它可以讀取指定字節數的數據到緩沖區中，常用于讀取二進制文件或者需要精確控制讀取字節數的場景。對于文本文件，如果要讀取特定長度的字符串或數據塊，也可以使用read函數，但需要注意處理字符編碼和換行符等問題。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {std::ifstream file("input.txt", std::ios::binary);if (file.is_open()) {char buffer[100];file.read(buffer, 50);std::cout << "讀取的內容: " << buffer << std::endl;file.close();} else {std::cerr << "無法打開文件進行讀取" << std::endl;}return 0;
}

上述代碼從input.txt文件中以二進制模式讀取 50 個字節的數據到buffer數組中，并輸出讀取的內容。由于是二進制讀取，可能會包含一些不可見字符，如果文件是文本文件，可能需要根據具體情況對讀取的數據進行進一步處理。

getline函數用于讀取文件中的一行數據，它會讀取到換行符（\n）為止，并將換行符從輸入流中提取出來，但不存儲在讀取的字符串中。這種方式非常適合逐行讀取文本文件，常用于處理日志文件、CSV 文件等按行存儲數據的文本文件。例如：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>int main() {std::ifstream file("input.txt");if (file.is_open()) {std::string line;while (std::getline(file, line)) {std::cout << "讀取的行: " << line << std::endl;}file.close();} else {std::cerr << "無法打開文件進行讀取" << std::endl;}return 0;
}

此代碼通過getline函數逐行讀取input.txt文件的內容，并輸出每一行數據，確保了每行數據的完整性，不會因為行中的空白字符而被截斷。

三、二進制文件的讀寫實戰

3.1 二進制文件的打開方式與特點

在 C++ 中，二進制文件的打開方式與文本文件有所不同，主要通過在打開文件時指定ios::binary標志來實現。例如，使用ifstream以二進制輸入模式打開文件可以這樣寫：

std::ifstream binaryFile("data.bin", std::ios::in | std::ios::binary);

使用ofstream以二進制輸出模式打開文件：

std::ofstream binaryFile("output.bin", std::ios::out | std::ios::binary);

若需要同時進行讀寫操作，則使用fstream并指定相應模式：

std::fstream binaryFile("both.bin", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::binary);

二進制文件的特點使其在特定場景下具有顯著優勢：

• 數據存儲緊湊：二進制文件直接存儲數據的二進制形式，不進行字符編碼轉換，因此對于一些復雜數據結構，如自定義的結構體、數組等，能夠更緊湊地存儲數據，減少存儲空間的浪費。例如，一個包含多個成員的結構體，如果以文本文件存儲，每個成員可能需要進行字符轉換并添加分隔符，而二進制文件則直接存儲結構體在內存中的二進制表示，大大節省空間。
• 讀寫效率高：由于二進制文件不需要進行字符編碼和解碼操作，在讀寫數據時，系統直接按照字節進行讀取和寫入，減少了數據轉換的開銷，尤其對于大量數據的讀寫操作，效率優勢明顯。比如在處理圖像文件時，圖像數據量大且對讀寫速度要求高，使用二進制文件可以快速讀取和處理圖像的像素信息。
• 適用于復雜數據類型：對于一些無法簡單用文本表示的數據類型，如浮點數的高精度表示、二進制圖像數據、音頻數據等，二進制文件能夠準確地存儲和還原數據，確保數據的完整性和準確性。例如，音頻文件中的采樣數據需要精確的二進制表示才能保證音頻的質量，使用文本文件存儲會導致數據精度丟失和音頻失真。
• 不可直接閱讀：二進制文件的內容對于人類來說是不可直接閱讀和理解的，因為它不遵循字符編碼規則，而是以二進制位的形式存儲數據。這也使得二進制文件在安全性上有一定優勢，對于一些敏感數據，如加密密鑰、重要配置信息等，以二進制形式存儲可以增加數據的保密性。

3.2 二進制文件的寫入與讀取方法

在 C++ 中，對二進制文件進行寫入和讀取操作主要使用write和read函數，它們屬于ostream和istream類的成員函數，ofstream和ifstream分別繼承自這兩個類，因此可以直接使用這些函數。

寫入二進制文件時，write函數接受兩個參數：要寫入的數據的指針和要寫入的字節數。例如，將一個整數數組寫入二進制文件：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {int numbers[] = {10, 20, 30, 40, 50};std::ofstream binaryFile("numbers.bin", std::ios::out | std::ios::binary);if (binaryFile.is_open()) {// 將數組的起始地址作為指針，數組大小作為字節數寫入文件binaryFile.write(reinterpret_cast<char*>(numbers), sizeof(numbers));binaryFile.close();} else {std::cerr << "無法打開文件進行寫入" << std::endl;}return 0;
}

在上述代碼中，由于write函數要求參數為char類型的指針，所以需要使用reinterpret_cast將int類型的指針轉換為char*類型。

讀取二進制文件時，read函數的使用方式類似，它接受兩個參數：用于存儲讀取數據的緩沖區指針和要讀取的字節數。例如，從剛才寫入的文件中讀取數據：

#include <iostream>
#include <fstream>int main() {int readNumbers[5];std::ifstream binaryFile("numbers.bin", std::ios::in | std::ios::binary);if (binaryFile.is_open()) {binaryFile.read(reinterpret_cast<char*>(readNumbers), sizeof(readNumbers));binaryFile.close();for (int i = 0; i < 5; ++i) {std::cout << "讀取的數字: " << readNumbers[i] << std::endl;}} else {std::cerr << "無法打開文件進行讀取" << std::endl;}return 0;
}

這里同樣需要進行類型轉換，將char類型的指針轉換回int類型，以便正確存儲和訪問讀取的數據。在讀取操作完成后，可以通過遍歷數組來查看讀取到的數據。

3.3 二進制文件與文本文件的區別與適用場景

二進制文件和文本文件在多個方面存在明顯區別，了解這些區別有助于我們在實際編程中根據需求選擇合適的文件類型。

• 存儲形式：
  • 文本文件：以字符形式存儲數據，每個字符對應一個特定的字符編碼（如 ASCII、UTF - 8 等），文件中的數據可以直接用文本編輯器查看和編輯，直觀易讀。例如，一個包含字符串 “Hello, World!” 的文本文件，在文件中存儲的是每個字符對應的編碼值。
  • 二進制文件：以二進制的形式直接存儲數據，反映數據在內存中的原始存儲形式，文件內容對于人類來說通常是不可讀的亂碼，需要特定的程序來解析和處理。比如一個圖像文件，它存儲的是圖像的像素信息、顏色數據等二進制形式，使用文本編輯器打開會顯示亂碼。
• 讀寫方式：
  • 文本文件：讀寫操作通常基于字符或字符串，使用<<和>>運算符進行格式化讀寫，也可以使用getline等函數按行讀取。在讀取時，會根據字符編碼進行解碼操作；寫入時，會進行編碼操作。例如，使用>>讀取一個整數時，會將文件中的字符形式的數字轉換為對應的整數值。
  • 二進制文件：主要使用read和write函數進行按字節的讀寫操作，不進行字符編碼和解碼，直接讀寫數據的二進制表示。這使得二進制文件在讀寫復雜數據結構和大量數據時效率更高。
• 適用場景：
  • 文本文件：適用于存儲需要人類直接閱讀和編輯的數據，如配置文件（.ini、.conf），其中的配置信息以文本形式呈現，方便用戶修改；日志文件，記錄系統運行的各種信息，便于查看和分析；源代碼文件，程序員可以直接閱讀和編輯代碼。
  • 二進制文件：適合存儲和傳輸那些不需要人類直接閱讀，但對數據存儲效率和準確性要求較高的數據，如多媒體文件（圖像、音頻、視頻），這些文件的數據量較大且結構復雜，使用二進制文件能夠高效存儲和快速處理；數據庫文件，存儲大量結構化數據，二進制文件可以保證數據的完整性和高效訪問；程序的可執行文件，包含計算機可直接執行的機器代碼，必須以二進制形式存儲。

四、實戰項目：文本文件內容統計與分析工具

4.1 項目需求（統計字符數、單詞數、行數等）

本實戰項目旨在開發一個文本文件內容統計與分析工具，其主要功能需求如下：

• 統計字符數：計算文本文件中包含的字符總數，包括字母、數字、標點符號、空格以及換行符等所有可見和不可見字符。
• 統計單詞數：統計文件中單詞的數量。單詞定義為連續的字母序列，以空格、標點符號或換行符作為分隔。例如，“hello, world!” 中包含 “hello” 和 “world” 兩個單詞。
• 統計行數：統計文本文件的行數，以換行符\n作為行的分隔標志，每遇到一個換行符則行數加 1。對于文件末尾沒有換行符的情況，也將其視為一行進行統計。
• 結果輸出與文件保存：將統計分析得到的字符數、單詞數和行數輸出到控制臺，方便用戶即時查看統計結果。同時，提供將這些統計結果保存到另一個文件的功能，以便后續查看和分析。保存的文件格式為文本文件，每一行記錄一個統計結果，格式清晰明了。

通過實現這些功能，該工具能夠幫助用戶快速了解文本文件的基本信息，在處理大量文本數據時提高效率，比如在處理學術論文、日志文件、代碼文件等場景中都具有實用價值。

4.2 文件讀寫與統計分析代碼實現

下面是使用 C++ 實現文本文件內容統計與分析工具的代碼及詳細思路：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <sstream>int main() {std::ifstream inputFile("input.txt");// 打開輸入文件if (!inputFile) {std::cerr << "無法打開輸入文件!" << std::endl;return 1;}std::ofstream outputFile("output.txt");// 創建輸出文件if (!outputFile) {std::cerr << "無法創建輸出文件!" << std::endl;return 1;}int lineCount = 0;int wordCount = 0;int charCount = 0;std::string line;while (std::getline(inputFile, line)) {lineCount++;charCount += line.length();std::istringstream iss(line);std::string word;while (iss >> word) {wordCount++;}}// 關閉輸入文件，因為已經完成讀取操作inputFile.close();// 寫入結果到輸出文件outputFile << "行數: " << lineCount << std::endl;outputFile << "單詞數: " << wordCount << std::endl;outputFile << "字符數: " << charCount << std::endl;// 關閉輸出文件，確保數據寫入磁盤outputFile.close();std::cout << "操作完成，統計信息已保存到output.txt." << std::endl;return 0;
}

代碼思路如下：

1. 文件打開：首先使用ifstream打開要統計的輸入文件input.txt，并檢查文件是否成功打開。若打開失敗，輸出錯誤信息并終止程序。接著使用ofstream創建用于保存統計結果的輸出文件output.txt，同樣檢查創建是否成功。
2. 統計變量初始化：定義lineCount、wordCount和charCount分別用于記錄行數、單詞數和字符數，并初始化為 0。
3. 逐行讀取與統計：通過getline函數逐行讀取輸入文件的內容。每讀取一行，lineCount加 1，同時將該行的長度累加到charCount中。為了統計單詞數，使用istringstream將每行內容按空格等分隔符拆分成單詞，每讀取一個單詞，wordCount加 1。
4. 文件關閉與結果輸出：完成文件讀取和統計后，關閉輸入文件。然后將統計結果依次寫入輸出文件，最后關閉輸出文件，并在控制臺提示用戶操作完成以及結果保存的位置。

4.3 結果輸出與文件保存功能

在上述代碼中，結果輸出與文件保存功能通過以下部分實現：

• 結果輸出到控制臺：在程序執行的最后，使用std::cout輸出提示信息，告知用戶操作已完成且統計信息保存的位置，讓用戶及時了解程序執行的結果。

std::cout << "操作完成，統計信息已保存到output.txt." << std::endl;

• 結果保存到文件：在統計完成后，通過outputFile對象將統計結果寫入到output.txt文件中。每一項統計結果獨占一行，以清晰的格式呈現，方便用戶后續查看。

// 寫入結果到輸出文件
outputFile << "行數: " << lineCount << std::endl;
outputFile << "單詞數: " << wordCount << std::endl;
outputFile << "字符數: " << charCount << std::endl;

在實際應用中，如果需要對輸出結果進行更復雜的格式化處理，例如設置輸出的精度、添加更多的說明信息等，可以使用 C++ 的格式化輸出功能，如std::setprecision、std::fixed等操縱符。同時，為了增強程序的健壯性，可以在寫入文件時添加更多的錯誤處理機制，比如檢查寫入操作是否成功，如果失敗則給出相應的錯誤提示 ，以確保統計結果能夠準確無誤地保存到文件中。