【C++】C++中的IO流

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，并将值存放在变量对应的内存中。

printf(): 将指定的文字/字符串输出到标准输出设备(屏幕)。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，就可以义“行”的概念，然后解析缓冲区的内容，返回一个“行”。

注意: C语言除了有标准输入输出接口scanf和printf，还有文件操作读写接口fread/fwrite/fscanf/fprintf，以及字符串序列化反序列化接口sprintf/snprintf/sscanf

二、什么是流

“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。它的特性是：有序连续、具有方向性

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”。

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I/O标准类库，其中ios为基类，其他类都是直接或间接派生自ios类

1.C++标准IO流

C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog：

• cin：进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中
• cout：进行标准输出，即数据从内存流向控制台(显示器)
• cerr：用来进行标准错误的输出
• clog：进行日志的输出

从I/O标准类库的继承体系图可以看出，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：在使用全局对象流时候必须要包含文件(iostream)并引入std标准命名空间

cin/cout使用注意事项：

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。

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。需要注意的是，自定义类型在重载流插入和流提取运算符的时候，需要先将operator<<和operator>>声明为类的友元函数，然后再在类外面对函数进行定义。

下面我们给出日期输入输出重载的例子：

class Date
{
    
    
public:

	// 输入输出函数声明为类的友元
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
	friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
	Date(int year=1,int month=1,int day=1)
		:_year(year)
		,_month(month)
		,_day(day)
	{
    
    }

private:
	int _year = 1;
	int _month = 1;
	int _day = 1;
};

// 在类外实现
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
    
    
	out << d._year << " " << d._month << " " << d._day << endl;
	return out;
}

istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
    
    
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}

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：
• 输出：严格按照题目的要求进行，多一个少一个空格都不行。
• 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)
{
    
    
	// ...
}

我们可以看到，上面的代码中包含了string类型，但是我们又发现，string类中重载的流提取运算符operator>>的返回值是istream类型的对象。

但是，istream作为自定义类型的对象是怎么能够作为逻辑判断的条件呢？

我们知道，一般只有三种数据类型能够作为逻辑判断：

1.整形：非0代表真，0代表假

2.指针类型：非空指针代表真，空指针代表假

3.bool类型：true代表真，false代表假

回到上面的问题，istream类型的对象是如何做到的呢》答案是istream类内部重载了bool：

由于istream类中重载了流提取运算符，我们使用while(cin>>str)去流提取数据的时候，调用的是operator>>，该函数返回一个istream类型的对象；同时，因为istream类还重载了bool，随意istream对象会去调用operator bool函数，operator bool函数调用时如果接收流失败，或者有结束标志，那么就返回false，，否则就返回true，所以这里自定义类型istream的对象可以作为逻辑判断条件

我们注意到，operator bool函数的前面添加了explict关键字，这是防止隐式类型转换将一个类对象转换成bool类型，从而在条件判断上造成误判。

此外，我们自己也可以在自定义类型中重载operator >>和operator bool，从而可以让其支持进行逻辑判断：

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;
}
int main()
{
    
    
	// 自动识别类型的本质--函数重载
	// 内置类型可以直接使用--因为库里面ostream类型已经实现了
	int i = 1;
	double j = 2.2;
	cout << i << endl;
	cout << j << endl;

	// 自定义类型则需要我们自己重载<< 和 >>
	Date d(2023, 7, 15);
	cout << d;
	while (d)
	{
    
    
		cin >> d;
		cout << d;
	}

	return 0;
}

c此外，我们看看重载operator bool中C++98的方式为重载void*

这是因为重载bool类对象不一定必须重载为bool 类型，也可以重载为整形，指针类型都可以，因为它们都可以作为逻辑来进行判断。operator bool本质就是通过重载自定义类型转化为内置类型，它的使用不仅仅局限于用作逻辑条件判断，还可以用作其他地方，比如下面的例子：

class A
{
    
    
public:
	A(int a1, int a2)
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{
    
    }

	operator int()
	{
    
    
		return _a1 + _a2;
	}

private:
	int _a1;
	int _a2;
};

int main()
{
    
    
	A a(1, 2);
	int n = a;
	cout << n << endl;
	return 0;
}

补充：类的上下文转换

在C++中，类的上下文转换（Contextual Conversion）是指在特定的上下文中，将一种类型的对象转换为另一种类型的对象。C++中有多种类型的上下文转换，包括隐式转换和显式转换。

1. 隐式转换（Implicit Conversion）：隐式转换是指在不需要显示指定转换操作符的情况下，自动进行的类型转换。例如：

   • 数值类型之间的隐式转换：可以将较小的数值类型转换为较大的数值类型，如将int类型转换为long类型。
   • 类型之间的继承关系转换：可以将派生类的指针或引用隐式转换为基类的指针或引用。
   • 字面值的隐式转换：可以将字面值常量转换为特定类型的对象。

2. 显式转换（Explicit Conversion）：显式转换是指通过使用转换操作符来显式地将一种类型的对象转换为另一种类型的对象。例如：

   • C风格的类型转换：使用强制类型转换运算符进行类型转换，如(int)floatNumber。
   • C++中的类型转换函数：使用static_cast、dynamic_cast、const_cast、reinterpret_cast等转换函数进行类型转换。

需要注意的是，显式转换应该谨慎使用，因为它可以绕过编译器的类型检查，可能导致类型不匹配或运行时错误。在进行类型转换时，应该确保转换是安全的，并遵循良好的编程实践。

2.C++文件IO流

C++中一共有三个用于文件操作的类，分别为ifstream/ofstream/fstream,如下：

• ifstream – 输入文件流，仅用于输入
• ofstream–输出文件流，仅用于输出
• fstream–文件流，用于输入和输出

这三个类的关系如下：

下面我们介绍fstream类在文件操作中的使用：

构造函数

fstream支持无参构造和有参构造，不支持拷贝构造，支持移动构造：

• 无参构造：创建一个未与任何文件关联的流对象，即不会打开任何文件，当使用默认构造函数创建fstream对象时，我们需要使用open函数让一个对象与一个文件相关联

• 带参构造：需要指定要打开的文件名以及文件的打开方式，如果要以多种方式打开，则需要使用|运算符。C++打开文件的方式如下：in/out表示该对象对文件进行读/写操作，binary/ate/app/trunc分为表示向文件读取/写入数据的格式–二进制读取或写入/文件尾写入/追加写入/写入前清空文件中的内容

sftream默认的情况下是以只读的形式打开文件，以文本格式向文件中读取和写入数据，同时，文件对象在析构时会自动调用close成员函数关闭文件，我们也可以自动手动来关闭文件

文件操作相关成员函数：

我们可以使用流提取和流插入运算符对文件进行读写操作，也可以使用成员函数进行读写：

但是这些接口在实际的开发中用的最多的还是operator>>和operator<<。这是因为这两个接口使用起来十分方便，通过这两个接口向文件读取和写入数据就和我们向标准输入输出中读出数据一样。

下面是C++面向对象文件操作的一个示例：

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;
}

struct ServerInfo
{
    
    
	char _address[32];
	int _port;
	Date _date;
};

struct ConfigManager
{
    
    
public:
	ConfigManager(const char* filename)
		:_filename(filename)
	{
    
    }
	void WriteBin(const ServerInfo& info)
	{
    
    
		ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary);
		ofs.write((const char*)&info, sizeof(info));
	}
	void ReadBin(ServerInfo& info)
	{
    
    
		ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);
		ifs.read((char*)&info, sizeof(info));
	}
	// C++文件流的优势就是可以对内置类型和自定义类型，都使用
	// 一样的方式，去流插入和流提取数据
	// 当然这里自定义类型Date需要重载>> 和 <<
	// istream& operator >> (istream& in, Date& d)
	 // ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
	void WriteText(const ServerInfo& info)
	{
    
    
		ofstream ofs(_filename);
		ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date;
	}
	void ReadText(ServerInfo& info)
	{
    
    
		ifstream ifs(_filename);
		ifs >> info._address >> info._port >> info._date;
	}
private:
	string _filename; // 配置文件
};
int main()
{
    
    
	ServerInfo winfo = {
    
     "192.0.0.1", 80, {
    
     2023, 7, 15 } };

	// 二进制读写
	ConfigManager cf_bin("test.bin");
	cf_bin.WriteBin(winfo);
	ServerInfo rbinfo;
	cf_bin.ReadBin(rbinfo);
	cout << rbinfo._address << " " << rbinfo._port << " "<< rbinfo._date << endl;
	// 文本读写
	ConfigManager cf_text("test.text");
	cf_text.WriteText(winfo);
	ServerInfo rtinfo;
	cf_text.ReadText(rtinfo);
	cout << rtinfo._address << " " << rtinfo._port << " " <<rtinfo._date << endl;
	return 0;
}

注意：如果文件是以二进制格式打开的，则不能直接向文件中写入string对象，因为string是自定义类型，其中除了还有char* _str字符数组之外，还很多很多其他成员变量和成员函数，若直接将其写入到文件中，那么写入的数据就是该对象所占用的内存空间，即对象中成员变量和成员函数的地址，而不是字符串本身的内容，即_str变量指向的堆空间中的字符数组。这样在读取文件时，就无法正确的获取原始字符串数据(下次再读取数据时该对象可能已经被销毁了，再通过旧对象中的成员变量的地址去访问堆上的字符数组就造成野指针访问)

但是以文本格式打开的文件可以直接向其写入string对象，因为在文本文件中，数据是按照字符编码的形式存储的，即将单个字符转换成相应的数字形式后再存储到文件中，即将堆空间中的字符数组对应的ASCII值写入文件。因此，字符串数组可以直接以文本形式写入到文件中，并在读取时直接通过>>运算符等操作直接进行读取

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，一是使用itoa()函数，二是使用sprintf()函数

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。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;
	cout << sa << endl;
	// 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

struct ChatInfo
{
    
    
	string _name; // 名字
	int _id;   //id
	Date _date; //时间
	string _msg; //聊天信息
};
int main()
{
    
    
	// 结构信息序列化为字符串
	ChatInfo winfo = {
    
     "张三", 135246, {
    
     2023, 7, 15 }, "晚上一起看电影吧"
	};
	ostringstream oss;
	oss << winfo._name << " " << winfo._id << " " << winfo._date << " "
		<< 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._date >> rInfo._msg;
	cout << "-------------------------------------------------------"
		<< endl;
	cout << "姓名：" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ") ";
	cout << rInfo._date << endl;
	cout << rInfo._name << ":>" << rInfo._msg << endl;
	cout << "-------------------------------------------------------"
		<< endl;
	return 0;
}

需要注意的是：

1.序列化和反序列化操作在网络中非常重要，它用于在不同计算机之间传输数据

2.当客户端需要向服务器发送一个请求时，它需要将请求数据序列化为字节流并通过网络传输到服务器，在服务器端接收到请求之后，需要对接收到的字节流进行反序列化操作，获得原始的请求数据，从而能够获取客户端请求的具体信息并做出相应的响应

3.C++提供的stringstream虽然可以完成序列化和反序列化操作，但是它只适用于小型对象的序列化和反序列化操作，如果需要处理大量的数据或者数据需要进行高性能的序列化和反序列化操作，则需要更加专业的序列化库，比如Json和protobuf。

stringstream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。