C++学习笔记（23）——输入和输出

很无奈，再次险些败给了懒惰。C++学习笔记更新系列还差输入输出这一章，却拖了很久时间。这几天可能稍有空闲，就把这遗留的一章码出来吧。但是这仅仅是C++入门学习的笔记，它的博大精深值得继续深入探究学习。所以，这并不意味着结束。将来将继续总结和分享某些专题或是在工程中遇到的一些idea。

一、输入输出

我们经常用到的输入和输出，都是以终端为对象的，即从键盘输入数据，运行结果输出到显示器屏幕上。从操作系统的角度看，每一个与主机相连的输入输出设备都被看作一个文件。除了以终端为对象进行输入和输出外，还经常用磁盘(光盘)作为输入输出对象，磁盘文件既可以作为输入文件，也可以作为输出文件。

C++输入输出包含以下三个方面的内容：

1.   对系统指定的标准设备的输入和输出。即从键盘输入数据，输出到显示器屏幕。这种输入输出称为标准的输入输出，简称标准I/O。

2.   以外存磁盘文件为对象进行输入和输出，即从磁盘文件输入数据，数据输出到磁盘文件。以外存文件为对象的输入输出称为文件的输入输出，简称文件I/O。

3.   对内存中指定的空间进行输入和输出。通常指定一个字符数组作为存储空间(实际上可以利用该空间存储任何信息)。这种输入和输出称为字符串输入输出，简称串I/O。

二、C语言的IO操作

在C语言中，用primf和scanf进行输人输出，往往不能保证所输入输出的数据是可靠的、安全的。学过C语言的读者可以分析下面的用法，想用格式符%d输出一个整数， 但不小心用它输出了单精度变量和字符串，会出现什么情况？假定所用的系统int型占两个字节。

printf("%d", i);  // i为整型变量，正确，输出i的值

printf("%d", f);  // f为单精度变量，输出f变量中前两个字节的内容

printf("%d", "C++");  //输出宇符串"C++"的地址

编译系统认为以上语句都是合法的，而不对数据类型的合法性进行检查，显然所得到的结果不是人们所期望的，在用scanf 输入时，有时出现的问题是很隐蔽的。如：

scanf("%d", &i);  //正确，输入一个整数，赋给整型变量i

scanf("%d", i);  //漏写&

 

假如已有声明语句“int i = 1; ”，定义i为整型变量，其初值为1。编译系统不认为上面的scanf语句出错，而是将输人的值存放到地址为000001的内存单元中，这个错误可能产生严重的后果。

C++为了与C兼容，保留了用printf和scanf进行输出和输人的方法，以便使过去所编写的大量的C程序仍然可以在C ++的环境下运行，但是希望读者在编写新的C ++程 序时不要用C的输入输出机制，而要用C++自己特有的输人输出方法。在C++的输入输出中，编译系统对数据类型进行严格的检查，凡是类型不正确的数据都不可能通过编译。因此C++的I/O操作是类型安全(type safe)的。

此外，用printf和scanf可以输出和输入标准类型的数据(如int、float、double、char)， 但无法输出用户自己声明的类型（如数组、结构体、类）的数据。在C++中，会经常遇到对类对象的输人输出，显然无法使用printf和scanf来处理。C++的I/O操作是可扩展 的，不仅可以用来输人输出标准类型的数据，也可以用于用户自定义类型的数据。C++对标准类型的数据和对用户声明类型数据的输人输出，采用同样的方法处理。显然，在用户声明了一个新类后，是无法用printf和scanf 函数直接输出和输人这个类的对象的。

C++通过I/O类库来实现丰富的I/O功能。这样使C++的输人输出明显地优于C 语言中的printf和scanf，但是也为之付出了代价，C++的I/O系统变得比较复杂，要掌握许多细节。

三、流和缓冲区

输入和输出是数据传送的过程，数据如流水一样从一处流向另一处。C++形象地将此过程称为流(Stream)。C++程序把输入输出看做字节流。输入时，程序从输入流中抽取字节；输出时，程序将字节插入到输出流中。在输入操作时，字节流从输入设备（如键盘、磁盘）流向内存，在输出操作时，字节流从内存流向输出设备(如屏幕、打印机、磁盘等)。流中的内容可以是ASCII字符、二进制形式的数据、图形图像、数字音频视频或其他形式的信息。

通常，通过使用缓冲区可以更加高效的处理输入和输出。缓冲区是用作中介的内存块，用来存放流中的数据。当用cout和插入运算符“<<”向显示器输出数据时，先将这些数据送到程序中的输出缓冲区保存，直到缓冲区满了或遇到endl，就将缓冲区中的全部数据送到显示器显示出来。在输入时，从键盘输入的数据先放在键盘的缓冲区中，当按回车键时，键盘缓冲区中的数据输入到程序中的输入缓冲区，形成cin流，然后用提取运算符“ >>”从输入缓冲区中提取数据送给程序中的有关变量。总之，流是与内存缓冲区相对应的，或者说，缓冲区中的数据就是流。

四、流类和流对象

在C++中，输入输出流被定义为类。C++的I/O库中的类称为流类(stream class)。 用流类定义的对象称为流对象。C++编译系统提供了用于输入输出的iostream类库。iostream这个单词是由3个部 分组成的，即i-o-stream，意为输入输出流。在iostream类库中包含许多用于输入输出的 类。

streambuf类：为缓冲区提供了内存，并提供了用于填充缓冲区、访问缓冲区、刷新缓冲区和管理缓冲区内存的类方法。

ios_base类:表示流的一般特征，如是否可读取、是否是二进制还是文本流。

ios类:基于ios_base，其中包括了一个指向streambuf对象的指针成员。

ostream类：从ios类派生而来，提供了输出方法。

istream类：也是从ios类派生而来，提供了输入方法。

iostream:基于istream和ostream类，因此继承了输入方法和输出方法。

要使用这些工具，必须使用适当的类对象。C++的iostream类库管理了很多细节，在程序中包含了iostream文件将自动创建8个流对象（4个用于窄字符流，4个用于宽字符流）：

对象	含义	对应设备	c语言中相应的标准文件
cin/wcin	标准输入流	键盘	stdin
cout/wcout	标准输出流	屏幕	stdout
cerr/wcerr	标准错误流	屏幕	stderr
clog/wclog	标准错误流	屏幕	stderr

五、重载<<和>>运算符

“<<”和“>>”本来在C++中是被定义为左位移运算符和右位移运算符的，由于在iostream头文件中对它们进行了重载，使它们能用作标准类型数据的输入和输出运算符。

在istream和ostream类（这两个类都是在iostream中声明的）中分别有一组成员函数对位移运算符“<<”和“>>”进行重载，以便能用它输入或输出各种标准数据类型的数据。对于不同的标准数据类型要分别进行重载，如：

ostream operator << (int );  //用于向输出流插入一个int数据

ostream operator << (float );  //用于向输出流插入一个float数据

ostream operator << (char);  //用于向输出流插入一个char数据

ostream operator << (char * );  //用于向输出流插入一个字符串数据

如果在程序中有下面的表达式：

cout<<"C++";

实际上相当于：

cout.operator <<("C++")

"C ++"的值是其首字节地址，是字符型指针(char * )类型，因此选择调用上面最后一个运算符重载函数，通过重载函数的函数体，将字符串插入到cout流中，函数返回流对象cout。

在istream类中已将运算符“>> ”重载为对以下标准类型的提取运算符：char, signed char, unsigned char, short, unsigned short, int, unsigned int，long, unsigned long, float, double, long double, char * , signed char *, unsigned char * 等。

如果想将“<<”和“>>”用于自己声明的类型的数据，就不能简单地采用包含 iostream头文件来解决，必须自己对“<<”和“>>”进行重载。

怎样理解运算符“<<”和“>>”的作用呢？有一个简单而形象的方法：它们指出了数据移动的方向，例如

>>a

箭头方向表示把数据放人a中。而

<<a

箭头方向表示从a中拿出数据。

六、标准输出

1. cout基本用法和注意事项

cout是console output的缩写，意为在控制台（终端显示器）的输出。前边已对cout作了一些介绍，它是一个输出流对象。

1) cout流中的数据是用流插入运算符“<<”顺序加入的。如果有

cout<<"I "<<"study C++ "<<"very hard.";

按顺序将字符串"I ", "study C++ ", "very hard."插人到cout流中，cout就将它们送到显示器，在显示器上输出字符串"I study C++ very hard."。cout流是容纳数据的载体，它并不是一个运算符。人们关心的是cout流中的内容，也就是向显示器输出什么。

2)用“cout<<”输出基本类型的数据时，可以不必考虑数据是什么类型，系统会判断数据的类型，并根据其类型选择调用与之匹配的运算符重载函数。这个过程都是自动的，用户不必干预。

3) cout流在内存中对应开辟了一个缓冲区，用来存放流中的数据，当向cout流插 人一个endl时，不论缓冲区是否已满，都立即输出流中所有数据，然后插入一个换行符， 并刷新流（清空缓冲区）。注意如果插人一个换行符”\n“（如cout<<a<<"\n"），则只输出和换行，而不刷新cout流(但并不是所有编译系统都体现出这一区别）。

4) 在iostream中只对"<<"和">>"运算符用于标准类型数据的输入输出进行了重载，但未对用户声明的类型数据的输入输出进行重载。如果用户声明了新的类型，并希望用"<<"和">>"运算符对其进行输入输出，应该按照前面介绍的方法（详情请查看：C++运算符重载），对"<<"和">>"运算符另作重载。

2. cerr基本用法和注意事项

cerr流对象是标准错误流，cerr流已被指定为与显示器关联。cerr的作用是向标准错误设备(standard error device)输出有关出错信息。cerr与标准输出流cout的作用和用法差不多。但有一点不同：cout流通常是传送到显示器输出，但也可以被重定向输出到磁盘文件，而cerr流中的信息只能在显示器输出。当调试程序时，往往不希望程序运行时的出错信息被送到其他文件，而要求在显示器上及时输出，这时应该用cerr。cerr流中的信息是用户根据需要指定的。

3. clog基本用法和注意事项

clog流对象也是标准错误流，它是console log的缩写。它的作用和cerr相同，都是在终端显示器上显示出错信息。区别：cerr是不经过缓冲区，直接向显示器上输出有关信息，而clog中的信息存放在缓冲区中，缓冲区满后或遇endl时向显示器输出。

4.输出的格式控制

在输出数据时，为简便起见，往往不指定输出的格式，由系统根据数据的类型采取默认的格式，但有时希望数据按指定的格式输出，如要求以十六进制或八进制形式输出一个整数，对输出的小数只保留两位小数等。有两种方法可以达到此目的。一种是使用流对象的有关成员函数；一种是使用控制符的方法。

可以用定义在iomanip中的控制符来控制输出格式，也可以通过调用流对象cout中用于控制输出格式的成员函数来控制输出格式。用于控制输出格式的常用的成员函数见表2。

表2 用于控输出格式的流成员函数
流成员函数	与之作用相同的控制符	作用
precision(n)	setprecision(n)	设置实数的精度为n位
width(n)	setw(n)	设置字段宽度为n位
fill(c)	setfill(c)	设置填充宇符c
setf()	setiosflags()	设置输出格式状态，括号中应给出格式状态，内容与控制符setiosflags括号中的内容相同 ，见表3
unsetf()	resetioflags()	终止已设置的输出格式状态，在括号中应指定内容

流成员函数setf和控制符setiosflags括号中的参数表示格式状态，它是通过格式标志来指定的。格式标志在类ios中被定义为枚举值。因此在引用这些格式标志时要在前面加上类名ios和域运算符“::”。格式标志见表3。

表3 设置格式状态的格式标志
格式标志	作用
ios::left	输出数据在本域宽范围内向左对齐
ios::right	输出数据在本域宽范围内向右对齐
ios::internal	数值的符号位在域宽内左对齐，数值右对齐，中间由填充字符填充
ios::dec	设置整数的基数为10
ios::oct	设置整数的基数为8
ios::hex	设置整数的基数为16
ios::showbase	强制输出整数的基数(八进制数以0打头，十六进制数以0x打头)
ios::showpoint	强制输出浮点数的小点和尾数0
ios::uppercase	在以科学记数法格式E和以十六进制输出字母时以大写表示
ios::showpos	对正数显示“+”号
ios::scientific	浮点数以科学记数法格式输出
ios::fixed	浮点数以定点格式(小数形式)输出
ios::unitbuf	每次输出之后刷新所有的流
ios::stdio	每次输出之后清除stdout, stderr

使用的一些注意事项：

1) 成员函数width(n)和控制符setw(n)只对其后的第一个输出项有效。

2) 在用成员函数setf和控制符setiosflags设置输出格式状态后，如果想改设置为同组的另一状态，应当调用成员函数unsetf（对应于成员函数self）或resetiosflags（对应于控制符setiosflags），先终止原来设置的状态。然后再设置其他状态.

3) 用setf 函数设置格式状态时，可以包含两个或多个格式标志，由于这些格式标志在ios类中被定义为枚举值，每一个格式标志以一个二进位代表，因此可以用位或运算符“|”组合多个格式标志。

5.输出的其他方式

在程序中一般用cout和插入运算符“<<”实现输出，cout流在内存中有相应的缓冲区。有时用户还有特殊的输出要求，例如只输出一个字符。ostream类除了提供上面介绍过的用于格式控制的成员函数外，还提供了专用于输出单个字符的成员函数put。如：

cout.put('a');

调用该函数的结果是在屏幕上显示一个字符a。put函数的参数可以是字符或字符的ASCII代码(也可以是一个整型表达式)。如

cout.put(65 + 32);

也显示字符a，因为97是字符a的ASCII代码。

可以在一个语句中连续调用put函数。如：

cout.put(71).put(79).put(79). put(68).put('\n');

在屏幕上显示GOOD。

除了使用cout.put函数输出一个字符外，还可以用putchar函数输出一个字符。putchar函数是C语言中使用的，在stdio.h头文件中定义。C++保留了这个函数，在iostream头文件中定义。

七、标准输入

1. cin基本用法和注意事项

cin是istream类的对象，它从标准输入设备(键盘)获取数据，程序中的变量通过流提取符“>>”从流中提取数据。流提取符“>>”从流中提取数据时通常跳过输入流中的空格、tab键、换行符等空白字符。

注意：只有在输入完数据再按回车键后，该行数据才被送入键盘缓冲区，形成输入流，提取运算符“>>”才能从中提取数据。需要注意保证从流中读取数据能正常进行。

当遇到无效字符或遇到文件结束符（不是换行符，是文件中的数据已读完）时，输入流cin就处于出错状态，即无法正常提取数据。此时对cin流的所有提取操作将终止。当输入流cin处于出错状态时，如果测试cin的值，可以发现它的值为false(假)，即cin为0值。如果输入流在正常状态，cin的值为true(真)，即cin为 一个非0值。可以通过测试cin的值，判断流对象是否处于正常状态和提取操作是否成功。如：

    if(!cin) //流cin处于出销状态，无法正常提取数据

        cout<<"error";

或

    while(cin>>a)//能从cin流读取数据

流提取符“>>”不断地从流中提取数据，如果成功，就陚给 a，此时cin为真，若不成功则cin为假。如果键入文件结束符，表示数据已完。

2.其他输入方法

1) 不带参数的get函数

其调用形式为

cin.get()

用来从指定的输入流中提取一个字符（包括空白字符），函数的返回值就是读入的字符。 若遇到输入流中的文件结束符，则函数值返回文件结束标志EOF(End Of File)，一般以-1代表EOF，用-1而不用0或正值，是考虑到不与字符的ASCII代码混淆，但不同的C ++系统所用的EOF值有可能不同。

C语言中的getchar函数与流成员函数cin.get( )的功能相同，C++保留了C的这种用法，可以用getchar(c)从键盘读入一个字符赋给c。

2) 有一个参数的get函数

其调用形式为

cin.get(ch)

其作用是从输入流中读取一个字符，赋给字符变量ch。如果读取成功则函数返回true(真)，如失败(遇文件结束符) 则函数返回false(假)。

3) 有3个参数的get函数

其调用形式为

cin.get(字符数组, 字符个数n, 终止字符)

或

cin.get(字符指针, 字符个数n, 终止字符)

其作用是从输入流中读取n-1个字符，赋给指定的字符数组(或字符指针指向的数组)，如果在读取n-1个字符之前遇到指定的终止字符，则提前结束读取。如果读取成功则函数返回true(真)，如失败(遇文件结束符) 则函数返回false(假)。

4) getline函数

getline的作用是从输入流中读取一行字符,其用法与带3个参数的get函数类似。即

cin.getline(字符数组(或字符指针), 字符个数n, 终止标志字符)

用getline函数从输入流读字符时，遇到终止标志字符时结束，指针移到该终止标志字符之后，下一个getline函数将从该终止标志的下一个字符开始接着读入，如本程序运行结果所示那样。如果用cin.get函数从输入流读字符时，遇终止标志字符时停止读取，指针不向后移动，仍然停留在原位置。下一次读取时仍从该终止标志字符开始。这是getline函数和get函数不同之处。

八、iostream中其他成员函数

除了前面介绍的用于读取数据的成员函数外，istream类还有其他在输入数据时用得着的一些成员函数。

1) eof 函数

eof是end of file的缩写，表示“文件结束”。从输入流读取数据，如果到达文件末尾(遇文件结束符)，eof函数值为非零值(真)，否则为0(假)。

2) peek函数

peek是“观察”的意思，peek函数的作用是观测下一个字符。其调用形式为：

c=cin.peek( );

函数的返回值是指针指向的当前字符，但它只是观测，指针仍停留在当前位置，并不后移。如果要访问的字符是文件结束符，则函数值是EOF(-1)。

3) putback函数

其调用形式为

cin.putback(ch);

其作用是将前面用get或getline函数从输入流中读取的字符ch返回到输入流，插入到当前指针位置，以供后面读取。

4) ignore函数

其调用形式为

cin.ignore(n, 终止字符)

函数作用是跳过输入流中n个字符，或在遇到指定的终止字符时提前结束(此时跳过包括终止字符在内的若干字符)。