C++的IO流

「爱情、让人受尽委屈。」 2023-09-26 03:59 61阅读 0赞

### C++的IO流 ###

*  前言
 *  一、C语言的输入与输出
 *  二、流的概念
 *  三、C++的IO流
 *   *  3.1 C++标准IO流
     *  3.2 C++文件IO流
     *  3.3 C++字符IO流

# 前言 #

流是一种抽象概念，它代表了数据的无结构化传递。按照流的方式进行输入输出，数据被当成无结构的字节序或字符序列。从流中取得数据的操作称为提取操作，而向流中添加数据的操作称为插入操作。用来进行输入输出操作的流就称为IO流。换句话说，IO流就是以流的方式进行输入输出。

# 一、C语言的输入与输出 #

C语言中我们用到的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。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：

![b592c8b50f3045d2ba6a420f2b4d2f07.png][]  
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 “你好” 读取的行为，对于计算机而言是没有 “你好” 这个概念，有了这部分，就可以定义 “你好” 的概念，然后解析缓冲区的内容，返回一个 “你好” 。

# 二、流的概念 #

“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++的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。  
**继承体系：**

![62b2f2e7b84b4852a35ef94e3784cdcc.png][]

[C++ IO 文档][C_ IO]

## 3.1 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。**在使用时候必须要包含文件并引入std标准命名空间。**

**注意：**

1.  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。
2.  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。
3.  **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。
4.  **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:

[std::istream::operator>>：][std_istream_operator]

![d00ad8a7564b4680ae3cc9f77159ef89.png][]

[std::ostream::operator<<：][std_ostream_operator]  
![eef03f5e136c40eaa7e1f4c5af8f5636.png][]

1.  **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**。  
    例如实现日期类：

class Date
    {
        
    	friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& date);
    	friend istream& operator >> (istream& cin, Date& date);
    
    	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
    		:_year(year)
    		,_month(month)
    		,_day(day)
    	{
        }
    
    private:
    	int _year;
    	int _month;
    	int _day;
    };
    
    ostream& operator << (ostream& out, const Date& date)
    {
        
    	out << date._year << " " << date._month << " " << date._day;
    	return out;
    }
    
    istream& operator >> (istream& in, Date& date)
    {
        
    	in >> date._year >> date._month >> date._day;
    	return in;
    }

1.  在线OJ中的输入和输出：

> 对于IO类型的算法，一般都需要循环输入。  
> 输出：严格按照题目的要求进行，多一个少一个空格都不行。  
> 连续输入时，vs系列编译器下在输入ctrl+Z时结束

// 单个元素循环输入
    while(cin>>a)
    {
        
      // ...
    }
    // 多个元素循环输入
    while(c>>a>>b>>c)
    {
        
      // ...
    }
    // 整行接收
    while(cin>>str)
    {
        
      // ...
    }

1.  istream类型对象转换为逻辑条件判断值。

> [istream& operator>> (int& val);][istream_ operator_ _int_ val]  
> [explicit operator bool() const;][explicit operator bool_ const]

实际上我们看到使用 while(cin >> i) 去流中提取对象数据时，调用的是operator>>，返回值是istream类型的对象，那么这里可以做逻辑条件值，源自于istream的对象又调用了operator bool，operator bool调用时如果接收流失败，或者有结束标志，则返回false。  
例如在上面的Date类中实现operator bool：

Date::operator bool()
    	{
        
    		//判断日期是否合法
    		if (_year >= 1 && _month >= 1 && _month <= 12 && _day >= 1 && _day <= GetMonthDay(_year, _month))
    		{
        
    			return true;
    		}
    		else
    		{
        
    			return false;
    		}
    	}

void test()
    {
        
    		Date d1 = -1;
    		Date d2 = {
         2022, 10, 11 };
    	
    		bool ret1 = d1;
    		bool ret2 = d2;
    	
    		cout << ret1 << endl; //false
    		cout << ret2 << endl; //true
    }

## 3.2 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：

1.  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)

1.  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
2.  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
3.  关闭文件

**例如模拟实现一个配置文件管理类：**

struct ServerInfo
    {
        
    	char _address[32];//地址
    	int _port;//端口号
    	Date _date;//日期
    };
    
    class ConfigManager
    {
        
    public:
    	ConfigManager(const char* filename)
    		:_filename(filename)
    	{
        }
    
    	//以二进制写文件
    	void WriteBin(const ServerInfo& info)
    	{
        
    		ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary);
    		ofs.write((const char*)&info, sizeof(info));
    
    	}
    
    	/*
    	C++文件流的优势就是可以对内置类型和自定义类型，都使用一样的方式，去流插入和流提取数据当然这里自定义类型Date需要重载 >> 和 << :
    	istream& operator >> (istream& in, Date& date)
    	ostream& operator << (ostream& out, const Date& date)
       */
    
    	//以二进制读文件
    	void ReadBin(ServerInfo& info)
    	{
        
    		ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);
    		ifs.read((char*)&info, sizeof(info));
    	}
    
    	//以文本文件写文件
    	void WriteText(const ServerInfo& info)
    	{
        
    		ofstream ofs(_filename);
    		ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date;
    	}
    
    	//以文本文件读文件
    	void ReadText(ServerInfo& info)
    	{
        
    		ifstream ifs(_filename);
    		ifs >> info._address >> info._port >> info._date;
    	}
    
    private:
    	string _filename; //文件名
    };
    
    int main()
    {
        
    	ServerInfo wInfo{
         "192.0.0.1", 80, {
         2022, 4, 10 } };
    
    	//二进制读写
    	ConfigManager cf_bin("Test.bin");
    	cf_bin.WriteBin(wInfo);
    
    	ServerInfo rInfo1;
    	cf_bin.ReadBin(rInfo1);
    
    
    	//文本文件读写
    	ConfigManager cf_txt("Test.txt");
    	cf_txt.WriteText(wInfo);
    
    	ServerInfo rInfo2;
    	cf_txt.ReadText(rInfo2);
    
    
    	return 0;
    
    }

## 3.3 C++字符IO流 ##

**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。

**[stringstream的简单介绍][stringstream]**

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，本文使用的是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>
    #include<iostream>
    using namespace std;
    
    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;
    	
    	cout << "sa = " << sa << endl;
    	cout << s.str() << endl; // str()方法：返回stringsteam中管理的string类型
    
    	s.str(""); // 将stringstream底层管理string对象设置成""
    	s.clear(); // 清空s, 不清空会转化失败
    
    	double d = 12.34;
    	s << d;
    	s >> sa;
    	cout << "sa = " << sa << endl;
    
    	string sValue;
    	sValue = s.str(); // str()方法：返回stringsteam中管理的string类型
    	cout << sValue << endl;
    	return 0;
    }

**【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**，因此**使用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**。

1.  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 sstream
    	sstream.str("");
    	sstream.clear();
    	sstream << "third string";
    	cout << "After clear, strResult is: " << sstream.str() << endl;
    	return 0;
    }

1.  序列化和反序列化结构数据

struct ChatInfo
    {
        
    	string _name; // 名字
    	int _id;  // id
    	Date _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" };
    
    	ostringstream oss;
    	oss << winfo._name << " " << winfo._id << " " << winfo._date << " " << winfo._msg;
    
    	string str = oss.str();
    	cout << str << endl;
    
    	// 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;
    	istringstream 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】  
4. 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。  
5. **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。  
6. 可以**使用s. str(“”)方法将底层string对象设置为""空字符串**。  
7. 可以**使用s.str()将让stringstream返回其底层的string对象**。  
8. 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。

[b592c8b50f3045d2ba6a420f2b4d2f07.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/b592c8b50f3045d2ba6a420f2b4d2f07.png
[62b2f2e7b84b4852a35ef94e3784cdcc.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/62b2f2e7b84b4852a35ef94e3784cdcc.png
[C_ IO]: https://legacy.cplusplus.com/reference/ios/
[std_istream_operator]: https://legacy.cplusplus.com/reference/istream/istream/operator%3E%3E/
[d00ad8a7564b4680ae3cc9f77159ef89.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/d00ad8a7564b4680ae3cc9f77159ef89.png
[std_ostream_operator]: https://legacy.cplusplus.com/reference/ostream/ostream/operator%3C%3C/
[eef03f5e136c40eaa7e1f4c5af8f5636.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/eef03f5e136c40eaa7e1f4c5af8f5636.png
[istream_ operator_ _int_ val]: https://cplusplus.com/reference/istream/istream/operator%3E%3E/
[explicit operator bool_ const]: https://legacy.cplusplus.com/reference/ios/ios/operator_bool/
[stringstream]: https://legacy.cplusplus.com/reference/sstream/stringstream/