文件、格式化与序列化

文件、格式化与序列化

Node.js 的 readFile 和 JSON.parse 把文件句柄、编码和错误传播集中在运行时；C++ 的流对象会把这些边界摆到代码中。机器人日志可能比内存大很多，文件还要跨版本、跨机器和跨语言读取，所以“能写出来”不等于“可回放”。本节以可诊断的 CSV/JSONL 为入口，逐步理解文件生命周期、格式兼容和二进制边界。

学习目标

你将学会使用 ifstream/ofstream 进行逐行读写；区分 EOF、权限、解析和部分写入错误；设计包含版本、时间单位与 frame 的消息格式；说明为什么不能直接把 C++ struct 的内存写成跨机器协议；为传感器日志建立可回放的验证路径。

文件流是一个有状态的 RAII 对象

const text = await fs.promises.readFile(file, "utf8");
const records = text.trim().split("
").map(JSON.parse);

std::ifstream input{file};
if (!input) return FileError{"open", file};
std::string line;
while (std::getline(input, line)) consume(decode(line));

ifstream 离开作用域会关闭文件，但不会替你确认路径可读。逐行读取限制内存峰值，适合 rosbag 导出的 JSONL 或诊断日志；要区分正常 EOF 和磁盘读取失败，可以在循环结束后检查 input.eof()、input.fail()。输出文件也应检查 open 和最终 flush，现场磁盘满时不能假设日志已保存。

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

int main() {
  std::ifstream input{"readings.csv"};
  if (!input) { std::cerr << "open failed\n"; return 1; }
  std::string line;
  std::size_t line_number = 0;
  while (std::getline(input, line)) {
    ++line_number;
    std::cout << line_number << ": " << line << '\n';
  }
  if (!input.eof() && input.fail()) {
    std::cerr << "read failed after line " << line_number << '\n';
    return 2;
  }
}

用 g++ -std=c++20 read.cpp -o read 编译。文件不存在时验证返回码为 1；正常读到文件末尾时 eof() 为真，不应把 EOF 当成异常。这比 JS 中只捕获 readFile 的异常多了一层流状态模型。

用稳定字段设计消息格式

#include <fstream>
#include <string>

struct Reading {
  std::uint64_t sequence{};
  double range_m{};
};

bool write_reading(std::ofstream& output, const Reading& reading) {
  output << reading.sequence << ',' << reading.range_m << '\n';
  return static_cast<bool>(output);
}

真实项目还要 include <cstdint>，并定义分隔符转义、浮点精度、版本号和时间单位。直接 reinterpret_cast 一个结构体写二进制会把 padding、字节序和编译器布局带进协议；跨机器传输应使用明确的序列化库或逐字段编码。日志格式要保留原始时间戳和 frame 名，后续 TF2 回放才能定位空间错误。

解析字段要有边界

#include <charconv>
#include <string_view>

bool parse_range(std::string_view text, double& out) {
  const auto* first = text.data();
  const auto* last = first + text.size();
  const auto result = std::from_chars(first, last, out);
  return result.ec == std::errc{} && result.ptr == last && out >= 0.0;
}

示例要求整段文本都被消费，"1.2m" 不会悄悄当成 1.2。生产解析器还要处理 NaN、单位和最大物理范围。验证时准备 "0.42"、空串、"1.2m"、负数和过大的距离，记录每个输入为何接受或拒绝。错误边界清楚，后面的消息队列才不会收到半解析对象。

文本与二进制的取舍

#include <cstdint>
#include <fstream>

void write_fixed(std::ofstream& out, std::uint64_t stamp_ns, float range_m) {
  out.write(reinterpret_cast<const char*>(&stamp_ns), sizeof stamp_ns);
  out.write(reinterpret_cast<const char*>(&range_m), sizeof range_m);
}

这段代码只适合同一编译器、同一字节序和明确布局的临时实验，不适合设备间接口。跨平台二进制应写入协议规定的字节序和字段宽度，并带 magic、version、payload length 与 checksum。文本格式更容易用 Python 回放和人工检查，二进制更节省带宽；选择必须结合传感器频率、磁盘、CPU 和排错成本。

读取失败不是只有异常

路径不存在、权限不足和编码不符合预期，通常在打开或解析边界处理。坏行要记录行号、原文摘要和解析原因，但不要把整行无限写入日志。部分写入时保留临时文件，完成并关闭成功后再原子重命名，避免下次启动读到半个校准文件。若文件被另一个进程同时写，定义锁、追加和快照策略，不能靠 sleep 猜测写入完成。

RAII、所有权与并发写入

ofstream 是拥有文件句柄的对象，离开作用域会释放资源；它不保证业务层已经写完一条完整记录。多个线程共享同一个流需要 mutex，而且锁住磁盘 I/O 会拖慢实时线程。更稳妥的方式是采集线程把结构化事件交给日志线程，日志线程独占文件；退出时先停止生产者，再关闭队列，最后 flush 并关闭文件。

编译、链接、运行时排错

no member named eof 一类错误先查 include 和类型；模板化流操作的错误要看第一个类型不匹配的位置。链接时缺少序列化库会出现 undefined reference，检查 target 的 link 关系。运行时统计为零时，区分文件为空、第一行解析失败和循环从未进入；路径在 launch 环境中可能不是当前目录，使用绝对路径或参数并打印最终解析路径。

面向回放的验证闭环

先用三行固定 CSV 做单元测试，再用真实传感器导出文件做集成测试。测试应比较解析成功数、坏行号、时间戳单调性、frame 一致性和距离范围；回放输出要和原始序号对齐。对写入过程，故意在第二行后返回错误，确认正式文件仍是旧版本、临时文件可以清理。可观测指标包括 bytes_written、parse_errors、last_sequence 和 flush_latency。

迁移练习

实现 JSONL/CSV 读取器：每行包含序号、时间戳和距离，统计成功记录、坏行号和最终 EOF 状态。再写一个带版本字段的文本导出器，模拟写入中途失败并验证临时文件不会被当作完整校准文件使用。

读取函数应在每次 getline 后记录行号，解析成功增加 accepted，失败保存行号与原因，循环结束再检查 fail/eof。导出写入带版本的临时文件并确认 flush/close 成功后重命名；协议字段要明确纳秒和米，避免回放时误读单位。