『C++』C++的IO流详解

「前言」文章是关于C++的IO流

「归属专栏」C嘎嘎

「笔者」枫叶先生(fy)

「座右铭」前行路上修真我

「枫叶先生有点文青病」

「每篇一句」

就像山看水，水流山还在，

喜欢之人，只管远去，

我只管喜欢。

——烽火戏诸侯《剑来》

目录

一、C语言的输入与输出

二、流是什么

三、C++IO流

3.1 C++标准IO流

3.2 C++文件IO流

四、stringstream的简单介绍

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一、C语言的输入与输出

C语言中我们用到的最频繁的输入输出方式就是scanf ()与printf()。

• scanf(): 从标准输入设备(键盘)读取数据，并将值存放在变量中。
• printf(): 将指定的文字/字符串输出到标准输出设备(屏幕)，使用时需要注意宽度输出和精度输出控制。

C语言借助了相应的缓冲区来进行输入与输出，如下图所示：

对输入输出缓冲区的理解：

1. 可以屏蔽掉低级I/O的实现，低级I/O的实现依赖操作系统本身内核的实现，所以如果能够屏蔽这部分的差异，可以很容易写出可移植的程序。
2. 可以使用这部分的内容实现“行”读取的行为，对于计算机而言是没有“行”这个概念，有了这部分，就可以定义“行”的概念，然后解析缓冲区的内容，返回一个“行”

二、流是什么

流”即是流动的意思，是物质从一处向另一处流动的过程，是对一种有序连续且具有方向性的数据（ 其单位可以是bit,byte,packet ）的抽象描述

C++流是指信息从外部输入设备（如键盘）向计算机内部（如内存）输入和从内存向外部输出设备（显示器）输出的过程。这种输入输出的过程被形象的比喻为“流”

它的特性是：有序连续、具有方向性

为了实现这种流动，C++定义了I/O标准类库，这些每个类都称为流/流类，用以完成某方面的功能

三、C++IO流

C++系统实现了一个庞大的类库，其中ios为基类，其他类都是直接或间接派生自ios类

3.1 C++标准IO流

C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog

1. 使用cout进行标准输出，即数据从内存流向控制台(显示器)。
2. 使用cin进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中，
3. 同时C++标准库还提供了cerr用来进行标准错误的输出，
4. 以及clog进行日志的输出

从上图可以看出，cout、cerr、clog是ostream类的三个不同的对象，因此这三个对象现在基本没有区别，只是应用场景不同

注意：使用这4个流的时候必须要包含文件并引入std标准命名空间

注意：

（1）cin为缓冲流。键盘输入的数据保存在缓冲区中，当要提取时，是从缓冲区中拿。如果一次输入过多，会留在那儿慢慢用，如果输入错了，必须在回车之前修改，如果回车键按下就无法挽回了。只有把输入缓冲区中的数据取完后，才要求输入新的数据

（2）输入的数据类型必须与要提取的数据类型一致，否则出错。出错只是在流的状态字state中对应位置位（置1），程序继续

（3）空格和回车都可以作为数据之间的分格符，所以多个数据可以在一行输入，也可以分行输入。但如果是字符型和字符串，则空格（ASCII码为32）无法用cin输入，字符串中也不能有空格。回车符也无法读入

例如，我们使用cin无法将含空格的字符串"hello world"输入到string对象中

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string s;
	cin >> s;          //输入："hello world"
	cout << s << endl; //输出："hello"
	return 0;
}

对于含有空格的字符串，我们需要使用getline函数进行读取，因为getline函数只有遇到’\n’才会停止读取

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string s;
	getline(cin, s);   //输入："hello world"
	cout << s << endl; //输出："hello world"
	return 0;
}

（4）cin和cout可以直接输入和输出内置类型数据，原因：标准库已经将所有内置类型的输入和输出全部重载了

（5）对于自定义类型，如果要支持cin和cout的标准输入输出，需要对<<和>>进行重载

（6）在线OJ中的输入和输出

对于IO类型的算法，一般都需要循环输入，连续输入时，vs系列编译器下在输入ctrl+Z时结束

// 单个元素循环输入
while(cin>>a)
{
    // ...
}
// 多个元素循环输入
while(c>>a>>b>>c)
{
    // ...
}
// 整行接收
while(cin>>str)
{
    // ...
}

（7）istream类型对象转换为逻辑条件判断值

实际上我们看到使用 while(cin>>i) 去流中提取对象数据时，调用的是operator>>，返回值是istream类型的对象，那么这里可以做逻辑条件值，源自于istream的对象又调用了operator bool，operator bool调用时如果接收流失败，或者有结束标志，则返回false

istream& operator>> (int& val);
explicit operator bool() const;

测试代码： 

class Date
{
	friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);
	friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	operator bool()
	{
		// 这里是随意写的，假设输入_year为0，则结束
		if (_year == 0)
			return false;
		else
			return true;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}
ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;
	return out;
}
// C++ IO流，使用面向对象+运算符重载的方式
// 能更好的兼容自定义类型，流插入和流提取
int main()
{
	// 自定义类型则需要我们自己重载<< 和 >>
	Date d(2023, 5, 22);
	cout << d << endl;
	while (d)//operator bool()，函数里面规定只要年输入为0就为false
	{
		cin >> d;
		cout << d << endl;;
	}
	return 0;
}

测试

3.2 C++文件IO流

C++根据文件内容的数据格式分为二进制文件和文本文件。采用文件流对象操作文件的一般步骤：

1. 定义一个文件流对象，操作文件的类有以下三个：

• ifstream ifile(只读)
• ofstream ofile(只写)
• fstream iofile(可读可写)

2. 使用文件流对象的成员函数打开一个磁盘文件，使得文件流对象和磁盘文件之间建立联系

文件常见的打开方式如下：

3. 使用提取和插入运算符对文件进行读写操作，或使用成员函数进行读写
4. 关闭文件 

以二进制的形式操作文件 

以二进制的形式对文件进行写入操作： 

#include <fstream>

int main()
{
	ofstream ofs("log.txt", ios_base::out | ios_base::binary);//以二进制写入的方式打开
	char buffer[] = "hello world——aaaaaaaaa..!!";
	ofs.write(buffer, sizeof(buffer));
	ofs.close();
	return 0;
}

以二进制的形式对文件进行读取操作：

int main()
{
	ifstream ifs("log.txt", ios_base::in | ios_base::binary);//以二进制读取的方式打开
	
	ifs.seekg(0, ifs.end); //跳转到文件末尾
	int length = ifs.tellg(); //获取当前字符在文件当中的位置，即文件的字符总数
	ifs.seekg(0, ifs.beg); //重新回到文件开头
	char buffer[100];//读取到的数据存在buffer里面
	ifs.read(buffer, length);
	// 处理读取到的数据
	for (int i = 0; i < length; i++) 
	{
		cout << buffer[i];
	}
	cout << endl;
	ifs.close();
	return 0;
}

注意：使用二进制的方式进行读取不能使用string，否则程序会读取异常，虽然在一个进程里面读取没有问题，一个程序写入，另一个程序读取就会出现问题

使用二进制的方式进行操作文件，很不方便，一般都是使用文本的方式操作文件

以文本的形式操作文件

对文件的操作一般喜欢使用流的方式进行读取，更加方便，可以不使用类的成员的数 

以文本的形式对文件进行写入操作：

int main()
{
	ofstream ofs("log.txt");//ofstream不指定打开方式，默认以写的方式打开
	//使用流的方式更方便，不使用类的成员函数
	ofs << "hello world——aaaaaaaaa..!!!!!!!!!11111111";
	ofs.close();
	return 0;
}

 以文本的形式对文件进行读取操作：

int main()
{
	ifstream ifs("log.txt");//ifstream默认以读的方式打开
	
	string s1;//读取到的数据存在s1里面
	string s2;//读取到的数据存在s2里面
	ifs >> s1 >> s2;//读取到空格就停下了

	cout << s1 <<  " " << s2 << endl;
	ifs.close();

	return 0;
}

注意：使用ofstream类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以写的方式打开文件；使用ifstream类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以读的方式打开文件；使用fstream类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以写+读的方式打开文件

四、stringstream的简单介绍

在C语言中，如果想要将一个整形变量的数据转化为字符串格式：

• 使用itoa()函数
• 使用sprintf()函数

int main()
{
	int n = 123456789;
	char s1[32];
	_itoa(n, s1, 10);

	char s2[32];
	sprintf(s2, "%d", n);
	char s3[32];
	sprintf(s3, "%f", n);
	return 0;
}

但是两个函数在转化时，都得需要先给出保存结果的空间，那空间要给多大呢，就不太好界定，而且转化格式不匹配时，可能还会得到错误的结果甚至程序崩溃

在C++中，可以使用stringstream类对象来避开此问题。
在程序中如果想要使用stringstream，必须要包含头文件 <sstream>。

在该头文件下，标准库三个类：istringstream、ostringstream 和 stringstream，分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作

本文主要介绍stringstream

stringstream主要可以用来：

1. 将数值类型数据格式化为字符串

#include<sstream>
int main()
{
	int a = 12345678;
	string sa;
	// 将一个整形变量转化为字符串，存储到string类对象中
	stringstream s;
	s << a;
	s >> sa;

	// clear()
	// 注意多次转换时，必须使用clear将上次转换状态清空掉
	// stringstreams在转换结尾时(即最后一个转换后),会将其内部状态设置为badbit
	// 因此下一次转换是必须调用clear()将状态重置为goodbit才可以转换
	// 但是clear()不会将stringstreams底层字符串清空掉
	// s.str("");
	// 将stringstream底层管理string对象设置成"",
	// 否则多次转换时，会将结果全部累积在底层string对象中

	s.str("");
	s.clear(); // 清空s, 不清空会转化失败
	double d = 12.34;
	s << d;
	s >> sa;

	string sValue;
	sValue = s.str(); // str()方法：返回stringsteam中管理的string类型
	cout << sValue << endl;

	return 0;
}

2. 字符串拼接

int main()
{
	stringstream sstream;
	// 将多个字符串放入 sstream 中
	sstream << "first" << " " << "string,";
	sstream << " second string";
	cout << "strResult is: " << sstream.str() << endl;
	// 清空 sstream
	sstream.str("");
	sstream << "third string";
	cout << "After clear, strResult is: " << sstream.str() << endl;
	return 0;
}

3. 序列化和反序列化结构数据

#include <sstream>
struct ChatInfo
{
	string _name; // 名字
	int _id; // id
	string _msg; // 聊天信息
};
int main()
{
	// 结构信息序列化为字符串
	ChatInfo winfo = { "张三", 135246, "看电影吧"};
	ostringstream oss;
	oss << winfo._name << " " << winfo._id << " "<< winfo._msg;
	string str = oss.str();
	cout << str << endl << endl;
	// 我们通过网络这个字符串发送给对象，实际开发中，信息相对更复杂，
	// 一般会选用Json、xml等方式进行更好的支持
	// 字符串解析成结构信息
	ChatInfo rInfo;
	istringstream iss(str);
	iss >> rInfo._name >> rInfo._id >> rInfo._msg;
	cout << "-------------------------------------------------------"
		<< endl;
	cout << "姓名：" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ") " << endl;
	cout << rInfo._name << ":>" << rInfo._msg << endl;
	cout << "-------------------------------------------------------"
		<< endl;
	return 0;
}

注意：

1. stringstream实际是在其底层维护了一个string类型的对象用来保存结果。
2. 多次数据类型转化时，一定要用clear()来清空，才能正确转化，但clear()不会将stringstream底层的string对象清空。
3. 可以使用s. str("")方法将底层string对象设置为""空字符串。
4. 可以使用s.str()将让stringstream返回其底层的string对象。
5. stringstream使用string类对象代替字符数组，可以避免缓冲区溢出的危险，而且其会对参数类型进行推演，不需要格式化控制，也不会出现格式化失败的风险，因此使用更方便，更安全。

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「 作者 」 枫叶先生
「 更新 」 2023.5.23
「 声明 」 余之才疏学浅，故所撰文疏漏难免，
          或有谬误或不准确之处，敬请读者批评指正。