【C++】————IO流

 

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                                                      本篇博客专栏：C++

                                                      创作时间 ：2024年9月9日

一、C语言的输入和输出

C语言中我们用到的最频繁的输入输出方式就是 scanf() 和 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）。注意宽度输出和精度输出控制。

除此之外，C语言借助了相应的缓冲区来进行输入和输出。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。

其中值得注意的是 cerr、clog 是很少用的，它们本来是用做 错误输出 和 日志输出 的，但是因为 cout 也能做到，所以这两个很少被使用。

<iostream>：标准IO流

对于 cin：在C++中称为流提取，也就是在 IO流 中提取信息，比如说读文件、获取键盘的信息等

对于 cout：在C++中称为流插入，也就是在 IO流 中插入信息，比如说写文件、将信息输出到屏幕等

<fstream>：文件IO流，支持通过流的方式来读写文件

对于 fstream：既支持读也支持写文件，经常用，而另外三个比较少用，因为这个功能比较多！
<sstream>：用来支持字符串的序列化与反序列化，多用于网络，与流关系不大

对于 stringsream：字符串常用这个
我们来研究下面这两段代码：

代码一：

struct Student
{string _name = "liren";int _age = 20;
};int main()
{Student s;cin >> s._name >> s._age;cout << "名字：" << s._name << " 年龄：" << s._age << endl;scanf("%s%d", s._name.c_str(), &s._age);printf("名字：%s 年龄：%d\n", s._name.c_str(), s._age);return 0;
}

这段代码看上去没有什么问题，但如果我们第二次输入的字符串过长，会导致程序崩溃，原因如下 :string内部会有一个 _Buf数组，当存储的字符串大小小于15字节时，不会去堆上开辟空间存储字符串，会将字符串存储在 _Buf数组中，但无论第一次输入的字符串大小是大于15字节还是小于15字节，第二次如果输入过长，都会导致程序崩溃，原因在于第二次是用scanf进行输入，使用scanf输入，不会影响string的size和capacity，因为string中只重载了**>>和<<**，所以输入过长就会越界写入！

代码二：

struct Student
{string _name = "liren";int _age = 20;
};int main()
{Student s;cin >> s._name >> s._age;printf("名字：%s 年龄：%d\n", s._name.c_str(), s._age);cout << "名字：" << s._name << " 年龄：" << s._age << endl;scanf("%s%d", s._name.c_str(), &s._age);printf("名字：%s 年龄：%d\n", s._name.c_str(), s._age);cout << "名字：" << s._name << " 年龄：" << s._age << endl;return 0;
}

这段代码和上一段代码相比只是最后的输出使用了 cout,跟上面一样，如果输入过长也会导致越界写入，除此之外，就算输入的长度在合法的范围内，打印出来的结果也不是我们想要的，原因是 cout 在输出时是根据 string 的 size 来输出的，而 scanf 输入时并没有改变string 的 size，所以打印结果不是我们想要的，上面的 printf 如果输入的长度在合法的范围内，打印结果就是我们想要的，原因是 printf打印字符串时是根据 ’\0’ 的位置来判断的。

为了解决这两个问题，我们需要提前为string变量扩容：

struct Student
{string _name = "liren";int _age = 20;
};int main()
{Student s;cin >> s._name >> s._age;printf("名字：%s 年龄：%d\n", s._name.c_str(), s._age);cout << "名字：" << s._name << " 年龄：" << s._age << endl;s._name.resize(100); //提前扩容！scanf("%s%d", s._name.c_str(), &s._age);printf("名字：%s 年龄：%d\n", s._name.c_str(), s._age);cout << "名字：" << s._name << " 年龄：" << s._age << endl;return 0;
}

总结：建议在C++中尽量去用cin和cout，用cout和cin不方便的地方，再去用scanf和printf(格式控制输出时)

 1.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，同时C++标准库还提供了 cerr 用来进行标准错误的输出，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： 在使用时候必须要包含文件并引入 std 标准命名空间。

注意：

• 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。除此之外， cin 不能重定向。
• cin 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。
• 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。如果想将字符串整行读取，则要使用getline()。
   

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{// 输入 hello worldstring a;cin >> a;cout << a << endl; // hellocin >> a;cout << a << endl; // worldgetline(cin,a);cout << a << endl;return 0;
}

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

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。

发生错误时，系统需要立即输出以提醒用户，因此错误输出流对象 cerr 不具备缓冲区。

在线OJ中的输入和输出：
① 对于IO类型的算法，一般都需要循环输入
② 输出：严格按照题目的要求进行，多一个少一个空格都不行。
③ 连续输入时，vs系列编译器下在输入ctrl+Z时结束
④ scanf函数当读取发生错误或读到文件末尾，会返回EOF(-1)

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：

定义一个文件流对象
ifstream ifile(只输入用)
ofstream ofile(只输出用)
fstream iofile(既输入又输出用)
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
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
关闭文件
 对于二进制的读写：读写简单，高效快捷，但是缺点是除了字符和字符串，其他的类型从内存中写到文件的时候都是乱码。

文件常见的打开方式 :
(1). in 以读的方式打开文件
(2). out 以写的方式打开文件
(3). binary 以二进制方式对文件进行操作
(4). ate 输出位置从文件的末尾开始
(5). app 以追加的方式对文件进行写入
(6). trunc 先将文件内容清空再打开文件

常用成员函数
(1). put 插入一个字符到文件
(2). write 插入一段字符到文件
(3). get 从文件提取字符
(4). read 从文件提取多个字符
(5). tellg 获取当前字符在文件当中的位置
(6). seekg 设置对文件进行操作的位置
(7). >>运算符重载 将数据形象地以“流”的形式进行输入(用于文本文件)
(8). <<运算符重载 将数据形象地以“流”的形式进行输出(用于文本文件)

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，如何去做？

1. 使用itoa()函数

2. 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。

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; 
}

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;// 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 sstreamsstream.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;      // idDate _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, { 2022, 4, 10 }, "晚上一起看电影吧"};stringstream oss;oss << winfo._name << " " << winfo._id << " " << winfo._date << " " << winfo._msg;// 通过str()可以获取oss中的字符串string str = oss.str();cout << str << endl << endl;// 反序列化// 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;stringstream 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; 
}

 注意：
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。

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**。

可以使用 s. str(“”) 方法将底层 string 对象设置为 “” 空字符串。

可以使用 s.str() 将让 stringstream 返回其底层的 string 对象。

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。
 

最后：

十分感谢你可以耐着性子把它读完和我可以坚持写到这里，送几句话，对你，也对我：

1.一个冷知识：
屏蔽力是一个人最顶级的能力，任何消耗你的人和事，多看一眼都是你的不对。

2.你不用变得很外向，内向挺好的，但需要你发言的时候，一定要勇敢。
正所谓：君子可内敛不可懦弱，面不公可起而论之。

3.成年人的世界，只筛选，不教育。

4.自律不是6点起床，7点准时学习，而是不管别人怎么说怎么看，你也会坚持去做，绝不打乱自己的节奏，是一种自我的恒心。

5.你开始炫耀自己，往往都是灾难的开始，就像老子在《道德经》里写到：光而不耀，静水流深。

最后如果觉得我写的还不错，请不要忘记点赞✌，收藏✌，加关注✌哦(｡･ω･｡)

愿我们一起加油，奔向更美好的未来，愿我们从懵懵懂懂的一枚菜鸟逐渐成为大佬。加油，为自己点赞！