C++ day43 C++ I/O(一) 流，缓冲区，iostream类库

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2023-02-19 09:27 138阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  引入
 *   *  历史
 *  流：C++程序把输入和输出都看作是字节流
 *  缓冲区：用作中介的内存块；匹配不同的数据传输速率
 *   *  刷新缓冲区 flushing the buffer
 *  管理流和缓冲区的类：iostream类库
 *   *  包含iostream头文件会自动创建8个流对象！
     *   *  对象就代表一个流
 *  重定向：改变标准输入和标准输出
 *  总结

# 引入 #

*  每一个程序都要用输出输入，所以必须好好学。
 *  C++的I/O用了很多**高级的语言特性**，包括**类，派生类，多重继承，函数重载，虚函数，模板**等。所以把I/O放在全书最后一章，前面用到的都是些皮毛。要像真正理解C++ I/O的设计，需要掌握很多内容。

> 所以不要觉得输入输出自己已经很熟悉了，毕竟一本书的所有示例代码都敲了一遍，每个示例都有输入输出。就以为自己很懂输入输出了。

*  之前用的cin是**istream类**的对象；cout是**ostream类**的对象；还用过**ifstream类和ofstream类**的对象做过文件的输入输出。
 *  C++I/O和现有的C的I/O是兼容的，这多亏了ANSI/ISO C++委员会完成的工作，所以为了迎合C的I/O，C++的I/O和传统C++又有一点点不一样。

> 突然明白“控制台”是啥意思了，很多IDE都有控制台程序，创建一个控制台程序，然后写代码，控制台指的就是可以通过**键盘和屏幕**控制程序，或者控制电脑。“控制”就是说我们通过和键盘和屏幕的交互达到控制程序的目的，所以叫做控制台。

*  C和C++并**没有把输入和输出建立在语言中**。即不是以语为基础而实现的。C,C++**语言本身没有包含任何和I/O有关的内容**！

> BASIC, Pascal语言的输入输出就是语言本身实现的，PRINT语句中的PRINT是他们的关键字，是语言的一部分。  
> 而C的scanf, printf不是关键字，而是函数库的一部分。  
> C++的cin, cout, istream, ostream也不是关键字，而是类库的一部分。

> C++自己搞了一个标准类库（非正式标准）来做I/O  
> C搞了一个标准函数库来做I/O。

## 历史 ##

C语言把I/O留给了编译器开发人员，以让他们自由设计I/O函数，使之符合不同计算机的不同硬件需求。并不是甩锅，大佬在乎这一个锅？

所以C语言的I/O主要建立在UNIX环境下开发的库函数的基础之上。后来被ANSI/C委员会承认，称其为标准输入/输出包，成为标准C库的组成部分。

后来C++也认可这个软件包，所以C++程序也支持这个包提供的函数，比如scanf,printf。

C++自己搞了一个标准类库（非正式标准）来做I/O，C搞了一个标准函数库来做I/O。

# 流：C++程序把输入和输出都看作是字节流 #

这种看待方式，说实话，是比较抽象的，不是具象化的角度和眼光去认识和看待。

*  输入时， 程序从**输入流**中**抽取字节**。输入流的字节可以来自**键盘**或者**文件**或者**其他程序**，其中文件的本质其实就是一片**存储区域**。
 *  输出时， 程序把字节插入到输出流中。输出流的字节可以流向**屏幕，打印机，其他程序**。
 *  流是**程序和流源**的桥梁；流是**程序和流目标**的桥梁。

> 流的一端连着程序，一端连着流源（文件，键盘，程序）或者流目标（文件，程序，显示器）。

*  流使得C++以相同的方式对待来自键盘，文件和其他程序的输入；也使得C++以相同的方式对待不同去向的输出。即流使得C++程序**处理输入的方式独立于其来源，处理输出的方式独立于其去向**。

下面的图很形象，输入流和输出流像有一个多路开关，可以选择三种不同的方式。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NjA3ODk0_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
相当于流是一个抽象，隐藏了底部的具体细节，只让C++程序看到流提供的统一接口，以方便C++程序的处理，C++程序根本不需要关心也不需要知道输入到底来自啥，输出到底要去哪里，它只需要使用流提供的接口进行输入输出就好了。

光有流还不够，因为流只是把不同的来源个去向统一起来了，遮盖起来了，封装隐藏起来了，但这并不是I/O的全部需求，好的I/O，还需要别的工具——缓冲区。

C++为了提升I/O处理的效率，提升速度，使用了缓存。

# 缓冲区：用作中介的内存块；匹配不同的数据传输速率 #

*  是什么：把信息从设备传输到程序，或者从程序传输到设备的**临时存储工具**（中介性质的内存）。
 *  作用：可以使得处理输入和输出更加高效。具体是通过**匹配不同的数据传输速率**实现的。

一般，磁盘驱动器以512字节为缓冲块。如果没有缓冲内存，则每一次从文件中读取一个字节，程序处理了这一个字节后再读取下一个字节，但是从硬盘读取一个字节的速度相比于CPU处理一个字节是要慢100多倍的，所以CPU会大量空闲，效率极低。  
有了缓存（一般，磁盘驱动器以512字节为缓冲块）的话，程序一次性从硬盘中读取512个字节到缓存中，程序则可以从内存中一次读取一个字节，内存和CPU的速度差就小得多了，就会很快。等缓存区的最后一个字节被程序读取了，程序就会从硬盘载读取一块数据，这样，从硬盘读取数据的次数就大大减少了，速度就快了很多。

> 所以现在的电脑都有缓存，L1 L2 L3 cache，就是在硬盘和CPU之间架一个桥梁，一次从硬盘读取一大坨数据到内存，让CPU直接从内存拿数据，以匹配硬盘和CPU的处理速率的差异。

## 刷新缓冲区 flushing the buffer ##

输出的时候，程序先把数据输出到内存中用作缓冲区的那块内存，即缓存，满了512字节以后，再输出到硬盘，然后清空缓冲区，再把新数据输出到缓冲区。

# 管理流和缓冲区的类：iostream类库 #

流和缓冲区并不好管理，管理起来很复杂。于是C++专门设计了一堆**模板类**来管理，他们都在iostream类库中，管理了所有的细节。

从C++98就有了这些类，只不过当时只提供了`char`,`wchar_t`类型的字节流，后来C++11又增加了`cahr16_t`, `char32_t`的具体化。

> 8位char是很传统的字节类型，但是只适用于英语，因为总共字符数很少，少于256个。  
> 但是，国际上那么多国家，很多国家的总字符数都多于256，所以ascii码并不是一个国际化的字符编码。其他国家发明了其他的字符编码，比如unicode,需要占用2个字节，这种字符编码可以最多表示65536个字符，可以基本符合世界所有国家的语言需求了，所以被称为万国码，是国际字符集。  
> C++为了能够处理国际字符集，毕竟它想做国际化的编程语言，就在传统的8位char基础上增加了wchar\_t，C++11觉得还不够，又增加了char16\_t, char32\_t。  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NjA3ODk0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

*  这些类都在`iostream`头文件中。`#include <iostream>`
 *  `streambuf`类，就是提供**缓存**的类，它的类方法包括**填充缓存，访问缓存，刷新缓冲区（删除缓存内容）和管理缓存区内存**。
 *  `ios_base`类，上面图中没有，是`ios`类的基类，是最顶层的基类，所以抽象程度最高，它表示的是流的一般特征（有点像STL里面的**概念**，即由于抽象程度高，所以只是最基本的最通用的一些要求），比如是否读取，是二进制流还是文本流。

> 如果是二进制流就当成数字计算得到数字，如果是字符流则按照ascii编码或者unicode等编码翻译为字符。

*  `ios`类，从`ios_base`类派生而来。他有一个数据成员是一个对象指针，且是`streambuf`类的对象。所以在ios类中，已经引入了缓存工具，即开始把流和缓冲工具结合使用了。

> 注意上图中，streambuf类并不是ios类的派生类哈，别误会了。

*  ostream类：cout就是它的一个对象。
 *  istream类：cin就是它的一个对象。

> istream, ostream都是**char具体化的typedef**得到的类名。实际上他们都是模板类的具体化而已。  
> `basic_istream<char, traits<char>>`  
> `basic_ostream<char, traits<char>>`  
> 其中`traits<charT>`是一个模板类，为各种字符类型定义了具体的特性，比如怎么比较俩字符是否相等，字符的EOF值等。

> wistream, wostream是wchar\_t对basic\_istream , basic\_ostream类的具体化。

创建ostream类和 istream类的一个对象，会自动打开一个流，自动创建一个缓冲区，并把缓冲区和流关联起来。

> cin，cout都是预定义的对象  
> cin被预定义的是：输入流来自键盘  
> cout被预定义的是：输出流去往屏幕

*  iostream类：多重继承，ostream和istream类都是他的基类，所以继承了istream类的输入方法和ostream类的输出方法。

> 注意，OOP机制中，虽然各种有用的方法，数据成员都是通过类来定义的，但是！！！使用这些方法或者数据成员，都必须通过类的某个具体对象！！！只有通过对象才可以使用类提供的丰富的接口。就算是友元类，也要用A类的对象去使用A的友元类B的方法呀。  
> 类再牛逼，也必须要具体化一个对象出来，一切才有意义。

## 包含iostream头文件会自动创建8个流对象！ ##

因为iostream类已经声明了这8个对象了，所以只要一包含这个头文件，程序就有了这8个对象。这就是预定义的意思，即头文件中已经声明了，毕竟头文件是预处理器导入进来的，所以有个"预"字儿。

4个用于**窄字符流**：

*  cin：标准输入流，默认关联到标准输入设备，即键盘。
 *  cout:标准输出流，默认关联到标准输出设备，即屏幕，显示器。
 *  cerr:标准错误流，用于显示错误信息。默认关联到标准输出设备，即屏幕，显示器。

注意！这个流没有缓冲！！！即，错误信息会直接发到屏幕，不会先发到缓冲区，等到缓冲区填满了再发给屏幕。

*  clog:也对应标准错误流。默认关联到标准输出设备，即屏幕，显示器。

但是，他有缓冲！

4个用于**宽字符流**：

*  wcin:和cin类似，只是处理的是wchar\_t类型。
 *  wcout:和cout类似，只是处理的是wchar\_t类型。
 *  wcerr:和cerr类似，只是处理的是wchar\_t类型。
 *  wclog: 和clog 类似，只是处理的是wchar\_t类型。

### 对象就代表一个流 ###

因为每个流对象都有和输入，或者输出有关的一系列数据成员，比如cout对象。它的数据成员有：

*  显示数据时的字段宽度
 *  小数位数
 *  显示整数时的计数方法
 *  描述用来处理输出流的缓冲区的streambuf对象的地址

cout  << "ok";//把"ok"放到cout对象的缓冲区去

# 重定向：改变标准输入和标准输出 #

标准输入一般是键盘，标准输出一般是显示器。

但是所有主流操作系统（UNIX, Linux, windows）都提供了重定向工具，可以把输入来源改成文件，或者把输出去向改为文件。

即，操作系统改变了输出流的流出端连接。

但是输入流的流入端还是和程序连接。

实现的方法是：使用重定向运算符`<`（输出）和`>`（输入）。

> 注意重定向只会改变标准输出和标准输入的通道，并不会影响到cerr, clog，即错误信息还是在屏幕打印。

# 总结 #

*  一定要注意，虽然C++把输入和输出看做字节流，但是这里的字节是广义的字节，可以是8位，16位位甚至32位的。

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