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【C++】IO库（一）：IO类

news 2025/7/8 16:18:37

IO 库

C++ 不直接处理输入输出，而是通过定义一族定义在标准库当中的类型来处理IO。

8.1 IO 类

为了支持不同种类的 IO 处理操作，除了 istream 和 ostream 之外，标准库还定义了其它 IO 类型。这些类型分别定义在三个独立的头文件当中：

iostream 定义了用于读写流的基本类型；
fstream 定义了读写命名文件的类型；
sstream 定义了读写内存 string 对象的类型；

IO 类型间的关系

设备类型和字符大小不会影响我们要执行的 IO 操作。例如，我们可以使用 >> 读取数据，不用管数据的来源是来自于控制台窗口，还是来自于磁盘文件或 string 读取。

标准库是我们可以忽略这些不同类型的流之间的差异，这是通过**继承机制（inheritance）**来实现的。

利用模板，可以使用具有继承关系的类，而不必了解继承机制如何工作的细节。

8.1.1 IO 对象无拷贝或赋值

我们不能拷贝或对 IO 对象赋值：

ofstream out1, out2;
out1 = out2;				// 错误❌: 不能对流对象赋值
ofstream print(ofstream);	// 错误❌: 不能初始化 ofstream 参数
out2 = print(out2);			// 错误❌: 不能拷贝流对象

由于不能拷贝 IO 对象，因此不能将形参或返回类型设置为流类型。进行 IO 操作的函数通常以引用方式传递和返回流（其中，以引用的方式传递和返回流已经在之前的章节当中出现过多次，比如实现一个 read 函数作为 Sales_item 类的接口，从标准输入流读取数据，来对 Sales_item 类进行初始化。read 函数的实现部分正是将输入流作为引用进行参数传递和返回）。

读写一个 IO 对象会改变其状态，因此传递和返回的引用不能是 const 的。

8.1.2 条件状态

IO 操作的一个根本问题是，它是有可能发生错误的。某些错误是可恢复的，而有一些错误可能发生在系统深处，超出了应用程序自身的修正范围。

以下是一个 IO 错误的例子：

int ival;
cin >> ival;

如果我们从标准输入键入Boo，读操作就会失败，因为输入运算符期待的是int类型的输入，以和ival匹配。一个流一旦发生错误，其上后续的 IO 操作都会失败。

查询流的状态

有时我们需要直到流为什么会失败，而不仅仅需要知道流是否有效。

IO 库定义了一个与机器无关的 iostate 类型，它提供了表达流状态的完整功能。这个类型应作为一个位集合来使用。IO 库定义了 4 个 iostate 类型的 constexpr 值，表示特定的位模式。这些值用来表示特定类型的 IO 条件，可以与位运算符一起使用来一次性检测或设置多个标志位。

badbit 表示系统级错误，如不可恢复的读写错误。通常，一旦 badbit 被置位，则流就无法使用了。

在发生可恢复错误后，failbit 被置位，如期望读取数值却读出一个字符等错误。这种问题通常是可修复的，流还可以继续使用。

如果到达文件结束位置，eofbit 和 failbit 都会被置为。

goodbit 的值为 0，表示流未发生错误。如果 badbit、failbit 和 eofbit 任意一个被置位，则检测流状态的条件会失败。

标准库还定义了一组函数来查询这些标志位的状态。操作 good 在所有错误均为被置位的情况下返回 true，而 bad、fail 和 eof 则在对应错误位置被置位时返回 true。

管理条件状态

8.1.3 管理输出缓冲

每个输出流都管理一个缓冲区，用来保存程序读写的数据。有了缓冲机制，操作系统就可以将程序的多个输出操作组合成单一的系统级写操作。

刷新输出缓冲区

操作符 endl 可以完成换行并刷新缓冲区。

IO 库中还有另外两个相似的操作符，分别是 flush 和 ends。

flush 刷新缓冲区，但不输出任何额外的字符。

ends 向缓冲区插入一个空字符，然后刷新缓冲区。

unitbuf 操作符

如果想要在每一个输出操作后都刷新缓冲区，可以使用 unitbuf 操作符。它将会告诉输出流，接下来的每次写操作之后都进行一次 flush 操作。而 nounitbuf 会重置流：

cout << unitbuf;	// 后续的所有输出操作会立即刷新缓冲区
cout << nounitbuf;	// 重置

关联输入和输出流

当一个输入流被关联到一个输出流时，任何试图从输入流读取数据的操作都会先刷新关联的输出流。标准库直接将 cout 和 cin 关联在一起，因此cin >> ival;这条语句将导致 cout 的缓冲区被刷新。

交互式系统通常应该关联输入流和输出流。这意味着所有输出，包括用户提示信息，都会在读操作之前被打印出来。

tie 有两个重载的版本：一个版本不带参数，返回指向输出流的指针。如果本对象当前关联到一个输出流，则返回的就是指向这个流的指针；如果对象未关联到流，则返回空指针。

tie 的第二个版本接受一个指向 ostream 的指针，将自己关联到此 ostream。即：x.tie(&o)将x关联到输出流o。

我们既可以将 istream 对象关联到另一个 ostream，也可以将一个 ostream 关联到另一个 ostream：

cin.tie(&cout);
ostream *old_tie = cin.tie(nullptr);	// cin 不再与其它流关联
cin.tie(&cerr);							// 读取 cin 会刷新 cerr, 而非 cout
cin.tie(old_tie);						// 重建 cin 和 cout 的正常关联

每个流同时最多关联到一个流，但多个流可以同时关联到同一个 ostream。