【c++】C++ IO流

本专栏内容为：C++学习专栏，分为初阶和进阶两部分。 通过本专栏的深入学习，你可以了解并掌握C++。

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C语言的输入与输出

在C语言当中，我们使用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，并将读取到的值存放到某一指定变量当中。
printf： 将指定的数据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的控制。
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”这个概念的，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”。

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有方向性的数据的抽象描述。

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）输入和从计算机内部向外部输出设备（如显示器）输出的过程。这种输入输出的过程被形象的比喻为“流”。

流的特性： 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，当中的每个类都称为流/流类，用以完成某方面的功能。

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。

C++标准IO流

C++标准库提供了4个全局流对象（cin、cout、cerr、clog）：

使用cout进行标准输出，即数据从内存流向控制台（显示器）。
使用cin进行标准输入，即数据通过键盘输入到程序中。
使用cerr进行标准错误的输出。
使用clog进行日志的输出。
从上图可以看出，cout、cerr、clog都是由ostream类实例化出的三个不同的对象，因此这三个对象基本没什么区别，只是应用场景不同。

注意：
1、在使用cin、cout时必须要包含iostream文件，并引入std标准命名空间。

#include <iostream> //包含iostream文件
using namespace std; //引入std标准命名空间
int main()
{int a = 0;cin >> a;cout << a << endl;return 0;
}

或是在使用时指定cout和cin所属的命名空间。

#include <iostream> //包含iostream文件
int main()
{int a = 0;std::cin >> a; //使用时指定所属命名空间std::cout << a << std::endl; //使用时指定所属命名空间return 0;
}

2、cin为缓冲流。键盘输入的数据保存在缓冲区中，当要提取时，是从缓冲区中提取。如果一次输入过多，则多余的数据会留在缓冲区以供之后提取，如果输入错了，必须在回车之前进行修改，回车键按下就无法进行修改了，只有把输入缓冲区中的数据取完后，才会要求输入新的数据。
例如，对于以下代码，若在第一次输入时便以空格为分隔输入了两个数据，则在下一次需要提取数据的时候就直接从缓冲区进行提取。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{int a = 0, b = 0;cin >> a; //输入：10 20cout << a << endl;cin >> b; //直接从输入缓冲区提取cout << b << endl;return 0;
}

3、输入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（置1），程序继续。

4、空格和回车都可以作为数据之间的分隔符，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;
}

5、cin和cout可以直接输入和输出内置类型的数据。因为标准库已经将所有内置类型的输入和输出进行了重载。

“>>” 运算符的重载：

"<<"运算符重载

6、对于自定义类型，如果要支持cin和cout的标准输入输出，则需要对<<和>>进行重载。
例如，对于下面简单实现的日期类，在对<<和>>进行重载后就能够支持cin和cout的输入输出了。

#include <iostream>
using namespace std;
class Date
{friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
public:Date(int year = 2021, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}
private:int _year;int _month;int _day;
};
//对>>进行重载
istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{in >> d._year >> d._month >> d._day;return in;
}
//对<<进行重载
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return out;
}
int main()
{Date d;cin >> d;          //输入：2024 7 4cout << d << endl; //输出：2024-7-4return 0;
}

7、在线OJ中的输入和输出。
某些在线OJ题目是有多组测试用例对我们编写的代码进行测试的，对于这种题目，C语言通常采用的解决方式如下：

while (scanf("%d", &a) != EOF)
{//...
}

而在C++当中，我们一般采用的解决方式如下：

while (cin >> a)
{//...
}

C++文件IO流

文件操作步骤

C++根据文件内容的数据格式将文件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如下：
1、定义一个文件流对象。
操作文件的类有以下三个:

类	对应操作场景
ofstream	只写
ifstream	只读
fstream	读+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

打开方式	功能
in	以读的方式打开文件
out	以写的方式打开文件
binary	以二进制方式对文件进行操作
ate	输出位置从文件的末尾开始
app	以追加的方式对文件进行写入
trunc	先将文件内容清空再打开文件

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。
对文件进行提取和插入操作的常用成员函数：

成员函数	功能
put	插入一个字符到文件
write	插入一段字符到文件
get	从文件提取字符
read	从文件提取多个字符
tellg	获取当前字符在文件当中的位置
seekg	设置对文件进行操作的位置
>>运算符重载	将数据形象地以“流”的形式进行输入
<<运算符重载	将数据形象地以“流”的形式进行输出

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>
//以二进制的形式对文件进行写入
void WriteBinary()
{ofstream ofile; //定义文件流对象ofile.open("test.bin", ofstream::out | ofstream::binary); //以二进制写入的方式打开test.bin文件char data[] = "2024xiaoxiaounicorn";ofile.write(data, strlen(data)); //将data字符串写入文件ofile.put('!'); //将字符'!'写入文件ofile.close(); //关闭文件
}

以二进制的形式对文件进行读取操作：

//以二进制的形式对文件进行读取
void ReadBinary()
{ifstream ifile; //定义文件流对象ifile.open("test.bin", ofstream::in | ofstream::binary); //以二进制读取的方式打开test.bin文件ifile.seekg(0, ifile.end); //跳转到文件末尾int length = ifile.tellg(); //获取当前字符在文件当中的位置，即文件的字符总数ifile.seekg(0, ifile.beg); //重新回到文件开头char data[100];ifile.read(data, length); //将文件当中的数据全部读取到字符串data当中ifile.close(); //关闭文件
}

以文本的形式操作文件

以文本的形式对文件进行写入操作：

//以文本的形式对文件进行写入
void WriteTxt()
{ofstream ofile; //定义文件流对象ofile.open("test.txt"); //以写入的方式打开test.txt文件char data[] = "2024xiaoxiaounicorn";ofile.write(data, strlen(data)); //将data字符串写入文件ofile.put('!'); //将字符'!'写入文件ofile.close(); //关闭文件
}

以文本的形式对文件进行读取操作：

//以文本的形式对文件进行读取
void ReadTxt()
{ifstream ifile; //定义文件流对象ifile.open("test.txt"); //以读取的方式打开test.txt文件ifile.seekg(0, ifile.end); //跳转到文件末尾int length = ifile.tellg(); //获取当前字符在文件当中的位置，即文件的字符总数ifile.seekg(0, ifile.beg); //重新回到文件开头char data[100];ifile.read(data, length); //将文件当中的数据全部读取到字符串data当中cout << length << endl;cout << data << endl;ifile.close(); //关闭文件
}

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。

使用>>和<<对文件进行操作

使用>>和<<运算符对文件进行读写操作，会变得很简单，也很形象。
对文件进行写入操作：

//对文件进行写入操作
void WriteFile()
{ofstream ofs("data.txt"); //定义文件流对象，并打开文件ofs << "2024xiaoxiaounicorn!"; //字符串“流入”文件ofs.close(); //关闭文件
}

对文件进行读取操作：

//对文件进行读取操作
void ReadFile()
{ifstream ifs("data.txt"); //定义文件流对象，并打开文件char data[100];ifs >> data; //文件数据“流入”字符串dataifs.close(); //关闭文件
}

注意： 可以在定义文件流对象的同时指定将要打开的文件名，以及文件的打开方式。

stringstream的介绍

在C语言中，我们若是想要将一个整型变量的数据转化为字符串格式，有以下两种方法：
1、使用itoa函数进行转化。

int a = 10;
char arr[10];
itoa(a, arr, 10); //将整型的a转化为十进制字符数字存储在字符串arr当中

2、使用sprintf函数进行转化。

int a = 10;
char arr[10];
sprintf(arr, "%d", a); //将整型的a转化为字符串格式存储在字符串arr当中

虽然itoa函数和sprintf函数都能完成转化，但是在两个函数在转化时，都需要先给出保存结果的空间，而空间的大小是不太好界定的，除此之外，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，我们可以使用stringstream类对象来避开此问题。在程序当中如果想要使用stringstream，必须要包含头文件sstream。在该头文件下，有三个类：

类	对应操作场景
ostringstream	输出操作
istringstream	输入操作
stringstream	输入操作+输出操作

这里主要介绍stringstream，stringstream主要可以用来：
1、将数值类型数据格式化为字符串。

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{int a = 10;string sa;stringstream s;s << a; //将int类型的a放入输入流s >> sa; //从s中抽取前面插入的int类型的值，赋值给string类型（方式一）cout << sa << endl;s.str(""); //将stringstream底层管理的string对象设置为""。s.clear(); //将上次转换状态清空掉//进行下一次转换double b = 3.14;s << b;sa = s.str(); //获取stringstream中管理的string类型（方式二）cout << sa << endl;return 0;
}

2、字符串拼接。

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{string rets;stringstream s;s << "2024" << "xiaoxiaounicorn"; //将多个字符串放入stringstream中s >> rets; //方式一获取cout << rets << endl;s.str(""); //将stringstream底层管理的string对象设置为空字符串s.clear(); //将上次转换状态清空掉s << "Thanks" << " " << "for" << " " << "reading"; //将多个字符串放入stringstream中rets = s.str(); //方式二获取cout << rets << endl;return 0;
}

注意事项：

1. stringstream实际是在底层维护了一个string类型的对象用来保存结果。
2. stringstream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，因此在下一次转换前必须调用clear将状态重置为goodbit才可以转换，但clear不会将stringstream底层的string对象清空。
3. 可以使用s.str(“”)的方式将stringstream底层的string对象设置为空字符串，否则多次转换时，会将结果全部累积在底层string对象中。
4. 获取stringstream转换后的结果有两个方法，一是使用>>运算符之间从流当中提取，二是使用s.str( )获取stringstream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，也不会存在格式化失败的风险，因此使用更方便，更安全。