【C++】面向对象之C++输入和输出流-008

第八章 c++输入和输出流

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8.1 流的概念和流类库的结构

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程序的输入指的是从输入文件将数据传送给程序，程序的输出指的是从程序将数据传送给输出文件。

C++输入输出包含以下三个方面的内容：

• 对系统指定的标准设备的输入和输出。即从键盘输入数据，输出到显示器屏幕。这种输入输出称为标准的输入输出，简称标准I/O。

• 以外存磁盘文件为对象进行输入和输出，即从磁盘文件输入数据，数据输出到磁盘文件。以外存文件为对象的输入输出称为文件的输入输出，简称文件I/O。

• 对内存中指定的空间进行输入和输出。通常指定一个字符数组作为存储空间(实际上可以利用该空间存储任何信息)。这种输入和输出称为字符串输入输出，简称串I/O。

  C++编译系统提供了用于输入输出的iostream类库。iostream这个单词是由3个部 分组成的，即i-o-stream，意为输入输出流。在iostream类库中包含许多用于输入输出的 类。常用的见表
  

  

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ios是抽象基类，由它派生出istream类和ostream类，两个类名中第1个字母i和o分别代表输入(input)和输出(output)。 istream类支持输入操作，ostream类支持输出操作， iostream类支持输入输出操作。iostream类是从istream类和ostream类通过多重继承而派生的类。其继承层次见上图表示。

C++对文件的输入输出需要用ifstrcam和ofstream类，两个类名中第1个字母i和o分别代表输入和输出，第2个字母f代表文件 (file)。ifstream支持对文件的输入操作， ofstream支持对文件的输出操作。类ifstream继承了类istream，类ofstream继承了类ostream，类fstream继承了 类iostream。见图

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I/O类库中还有其他一些类，但是对于一般用户来说，以上这些已能满足需要了。

1.与iostream类库有关的头文件

iostream类库中不同的类的声明被放在不同的头文件中，用户在自己的程序中用#include命令包含了有关的头文件就相当于在本程序中声明了所需 要用到的类。可以换 —种说法：头文件是程序与类库的接口，iostream类库的接口分别由不同的头文件来实现。常用的有

• iostream 包含了对输入输出流进行操作所需的基本信息。
• fstream 用于用户管理的文件的I/O操作。
• strstream 用于字符串流I/O。
• stdiostream 用于混合使用C和C + +的I/O机制时，例如想将C程序转变为C++程序。
• iomanip 在使用格式化I/O时应包含此头文件。

2.在iostream头文件中定义的流对象

在 iostream 头文件中定义的类有 ios，istream，ostream，iostream，istream 等。
在iostream头文件中不仅定义了有关的类，还定义了4种流对象，

对象	含义	对应设备	对应的类	c语言中相应的标准文件
cin	标准输入流	键盘	istream_withassign	stdin
cout	标准输出流	屏幕	ostream_withassign	stdout
cerr	标准错误流	屏幕	ostream_withassign	stderr
clog	标准错误流	屏幕	ostream_withassign	stderr

在iostream头文件中定义以上4个流对象用以下的形式（以cout为例）：

ostream cout ( stdout);

在定义cout为ostream流类对象时，把标准输出设备stdout作为参数，这样它就与标准输出设备(显示器)联系起来，如果有

 cout <<3;

就会在显示器的屏幕上输出3。

3.在iostream头文件中重载运算符

“<<”和“>>”本来在C++中是被定义为左位移运算符和右位移运算符的，由于在iostream头文件中对它们进行了重载， 使它们能用作标准类型数据的输入和输出运算符。所以，在用它们的程序中必须用#include命令把iostream包含到程序中。

#include 

1).>>a表示将数据放入a对象中。
2). <表示将a对象中存储的数据拿出。

8.2 标准I/O流

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标准I/O对象:cin，cout，cerr，clog

1.cout流对象

cout是console output的缩写，意为在控制台（终端显示器）的输出。强调几点。

1. cout不是C++预定义的关键字，它是ostream流类的对象，在iostream中定义。 顾 名思义，流是流动的数据，cout流是流向显示器的数据。cout流中的数据是用流插入 运算符“<<”顺序加入的。如果有:
   cout<<"I "<<"study C++ "<<"very hard. << “hello world !";
   按顺序将字符串"I ", "study C++ ", "very hard."插人到cout流中，cout就将它们送 到显示器，在显示器上输出字符串"I study C++ very hard."。cout流是容纳数据的载 体，它并不是一个运算符。人们关心的是cout流中的内容，也就是向显示器输出什么。

2. 用“cout<<”输出基本类型的数据时，可以不必考虑数据是什么类型，系统会判断数 据的类型，并根据其类型选择调用与之匹配的运算符重 载函数。这个过程都是自动的， 用户不必干预。如果在C语言中用prinf函数输出不同类型的数据，必须分别指定相应 的输出格式符，十分麻烦，而且容易出错。C++的I/O机制对用户来说，显然是方便 而安全的。

3. cout流在内存中对应开辟了一个缓冲区，用来存放流中的数据，当向cout流插人一个endl时，不论缓冲区是否已满，都立即输出流中所有数据，然后插入一个换行符， 并刷新流（清空缓冲区）。注意如果插人一个换行符”\n“（如cout<），则只输出和换行，而不刷新cout 流(但并不是所有编译系统都体现出这一区别）。

4. 在iostream中只对"<<"和">>"运算符用于标准类型数据的输入输出进行了重载，但未对用户声明的类型数据的输入输出进行重载。如果用户声明了新的类型，并希望用"<<"和">>"运算符对其进行输入输出，按照重运算符重载来做。

2.cerr流对象

cerr流对象是标准错误流，cerr流已被指定为与显示器关联。
cerr的 作用是向标准错误设备(standard error device)输出有关出错信息。cerr与标准输出流cout的作用和用法差不多。

但有一点不同：cout流通常是传送到显示器输出，但也可以被重定向输出到磁盘文件，而cerr流中的信息只能在显示器输出。当调试程序时，往往不希望程序运行时的出错信息被送到其他文件，而要求在显示器上及时输出，这时 应该用cerr。cerr流中的信息是用户根据需要指定的。

3.clog流对象

clog流对象也是标准错误流，它是console log的缩写。它的作用和cerr相同，都是在终端显示器上显示出错信息。
区别：cerr是不经过缓冲区，直接向显示器上输出有关信息，而clog中的信息存放在缓冲区中，缓冲区满后或遇endl时向显示器输出。

缓冲区的概念:

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8.3 标准输入流

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标准输入流对象cin，重点掌握的函数

cin.get() //一次只能读取一个字符
cin.get(一个参数) //读一个字符
cin.get(两个参数) //可以读字符串
cin.getline()
cin.ignore()
cin.peek()
cin.putback()

//cin.get
void test01(){
#if 0
    char ch = cin.get();
    cout << ch << endl;

    cin.get(ch);
    cout << ch << endl;


    //链式编程
    char char1, char2, char3, char4;
    cin.get(char1).get(char2).get(char3).get(char4);

    cout << char1 << " " << char2 << "" << char3 <<  " " << char4 << " ";
#endif

    char buf[1024] = { 0 };
    //cin.get(buf.1024);
    cin.getline(buf,1024);
    cout << buf;
}

//cin.ignore
void test02(){

    char buf[1024] = { 0 };
    cin.ignore(2); //忽略缓冲区当前字符
    cin.get(buf,1024);
    cout << buf << endl;
}

//cin.putback 将数据放回缓冲区
void test03(){

    //从缓冲区取走一个字符
    char ch = cin.get();
    cout << "从缓冲区取走的字符:" << ch << endl;
    //将数据再放回缓冲区
    cin.putback(ch);
    char buf[1024] = { 0 };
    cin.get(buf,1024);
    cout << buf << endl;

}

//cin.peek 偷窥
void test04(){
    
    //偷窥下缓冲区的数据
    char ch = cin.peek();
    cout << "偷窥缓冲区数据:" << ch << endl;
    char buf[1024] = { 0 };
    cin.get(buf, 1024);
    cout << buf << endl;
}

//练习  作业 使用cin.get和putback完成类似功能
void test05(){
    
    cout << "请输入一个数字或者字符串:" << endl;
    char ch = cin.peek();
    if(ch >= '0' && ch <= '9'){
        int number;
        cin >> number;
        cout << "数字:" << number << endl;
    }
    else{
        char buf[64] = { 0 };
        cin.getline(buf, 64);
        cout << "字符串:" <<  buf << endl;
    }
}

8.4 标准输出流

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8.4.1 字符输出

cout.flush() //刷新缓冲区 Linux下有效
cout.put() //向缓冲区写字符
cout.write() //从buffer中写num个字节到当前输出流中。

//cout.flush 刷新缓冲区，linux下有效
void test01(){  
    cout << "hello world";
    //刷新缓冲区
    cout.flush(); 
}

//cout.put 输出一个字符
void test02(){
    
    cout.put('a');
    //链式编程
    cout.put('h').put('e').put('l');
}

//cout.write 输出字符串 buf,输出多少个
void test03(){
    
    //char* str = "hello world!";
    //cout.write(str, strlen(str));
    char* str = "*************";
    for (int i = 1; i <= strlen(str); i ++){
        cout.write(str, i);
        cout << endl;
    }

    for (int i = strlen(str); i > 0; i --){
        cout.write(str, i);
        cout << endl;
    }

}

8.4.2 格式化输出

在输出数据时，为简便起见，往往不指定输出的格式，由系统根据数据的类型采取默认的格式，但有时希望数据按指定的格式输出，如要求以十六进制或八进制形式输出一个整数，对输出的小数只保留两位小数等。有两种方法可以达到此目的。

1.使用控制符的方法；
2.使用流对象的有关成员函数。

8.4.2.1 使用流对象的有关成员函数

通过调用流对象cout中用于控制输出格式的成员函数来控制输出格式。用于控制输出格式的常用的成员函数如下：

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流成员函数 setf和控制符 setiosflags括号中的参数表示格式状态，它是通过格式标志来指定的。格式标志在类 ios中被定义为枚举值。因此在引用这些格式标志时要在前面加上类名ios和域运算符“ ::”。格式标志见表13.5。

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8.4.2.2 控制符格式化输出

C++提供了在输入输出流中使用的控制符(有的书中称为操纵符)。

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//通过流成员函数
void test01(){
    
    int number = 99;
    cout.width(20);
    cout.fill('*');
    cout.setf(ios::left);
    cout.unsetf(ios::dec); //卸载十进制
    cout.setf(ios::hex);
    cout.setf(ios::showbase);
    cout.unsetf(ios::hex);
    cout.setf(ios::oct);
    cout << number << endl;

}

//使用控制符
void test02(){

    int number = 99;
    cout << setw(20)
        << setfill('~')
        << setiosflags(ios::showbase)
        << setiosflags(ios::left)
        << hex
        << number
        << endl;

}

8.4.2.3 对程序的几点说明

1. 成员函数width(n)和控制符setw(n)只对其后的第一个输出项有效。如：
   cout. width(6);
   cout <<20 <<3.14<
   输出结果为 203.14
   在输出第一个输出项20时，域宽为6，因此在20前面有4个空格，在输出3.14时，width (6)已不起作用，此时按系统默认的域宽输出（按数据实际长度输出）。如果要求在输出数据时都按指定的同一域宽n输出，不能只调用一次width(n)， 而必须在输出每一项前都调用一次width(n)，上面的程序中就是这样做的。

2. 在表13.5中的输出格式状态分为5组，每一组中同时只能选用一种（例如dec、hex和oct中只能选一，它们是互相排斥的）。在用成员函数setf和 控制符setiosflags设置输出格式状态后，如果想改设置为同组的另一状态，应当调用成员函数unsetf（对应于成员函数self）或 resetiosflags（对应于控制符setiosflags），先终止原来设置的状态。然后再设置其他状态，大家可以从本程序中看到这点。程序在开 始虽然没有用成员函数self和控制符setiosflags设置用dec输出格式状态，但系统默认指定为dec，因此要改变为hex或oct，也应当先 用unsetf 函数终止原来设置。如果删去程序中的第7行和第10行，虽然在第8行和第11行中用成员函数setf设置了hex和oct格式，由于未终止dec格式，因 此hex和oct的设置均不起作用，系统依然以十进制形式输出。
   同理，程序倒数第8行的unsetf 函数的调用也是不可缺少的。

3. 用setf 函数设置格式状态时，可以包含两个或多个格式标志，由于这些格式标志在ios类中被定义为枚举值，每一个格式标志以一个二进位代表，因此可以用位或运算符“|”组合多个格式标志。如倒数第5、第6行可以用下面一行代替: cout.setf(ios::internal I ios::showpos); //包含两个状态标志，用"|"组合

4. 可以看到：对输出格式的控制，既可以用控制符(如例13.2)，也可以用cout流的有关成员函数(如例13.3)，二者的作用是相同的。控制符是在头文件iomanip中定义的，因此用控制符时，必须包含iomanip头文件。cout流的成员函数是在头文件iostream 中定义的，因此只需包含头文件iostream，不必包含iomanip。许多程序人员感到使用控制符方便简单，可以在一个cout输出语句中连续使用多种控制符。

8.4 文件读写

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8.4.1文件流类和文件流对象

输入输出是以系统指定的标准设备（输入设备为键盘，输出设备为显示器）为对象的。在实际应用中，常以磁盘文件作为对象。即从磁盘文件读取数据，将数据输出到磁盘文件。和文件有关系的输入输出类主要在fstream.h这个头文件中被定义，在这个头文件中主要被定义了三个类，由这三个类控制对文件的各种输入输出操作，他们分别是ifstream、ofstream、fstream，其中fstream类是由iostream类派生而来，他们之间的继承关系见下图所示：

在这里插入图片描述

由于文件设备并不像显示器屏幕与键盘那样是标准默认设备，所以它在fstream头文件中是没有像cout那样预先定义的全局对象，所以我们必须自己定义一个该类的对象。ifstream类，它是从istream类派生的，用来支持从磁盘文件的输入。ofstream类，它是从ostream类派生的，用来支持向磁盘文件的输出。

fstream类，它是从iostream类派生的，用来支持对磁盘文件的输入输出。

8.4.2 C++打开文件

所谓打开(open)文件是一种形象的说法，如同打开房门就可以进入房间活动一样。 打开文件是指在文件读写之前做必要的准备工作，包括：

1. 为文件流对象和指定的磁盘文件建立关联，以便使文件流流向指定的磁盘文件。
2. 指定文件的工作方式，如：该文件是作为输入文件还是输出文件，是ASCII文件还是二进制文件等。

以上工作可以通过两种不同的方法实现:

1. 调用文件流的成员函数open。如

        ofstream outfile;  //定义ofstream类(输出文件流类)对象outfile
        outfile.open("f1.dat",ios::out);  //使文件流与f1.dat文件建立关联

第2行是调用输出文件流的成员函数open打开磁盘文件f1.dat，并指定它为输出文件，文件流对象outfile将向磁盘文件f1.dat输出数据。ios::out是I/O模式的一种，表示 以输出方式打开一个文件。或者简单地说，此时f1.dat是一个输出文件，接收从内存 输出的数据。
磁盘文件名可以包括路径，如"c:\\new\\f1.dat"，如缺省路径，则默认为当前目录下的文件。

2. 在定义文件流对象时指定参数
   在声明文件流类时定义了带参数的构造函数，其中包含了打开磁盘文件的功能。因此， 可以在定义文件流对象时指定参数，调用文件流类的构造函数来实现打开文件的功能。

   
   
   

   在这里插入图片描述

几点说明：

1. 新版本的I/O类库中不提供ios::nocreate和ios::noreplace。

2. 每一个打开的文件都有一个文件指针，该指针的初始位置由I/O方式指定，每次读写都从文件指针的当前位置开始。每读入一个字节，指针就后移一个字节。当文件指针移到最后，就会遇到文件结束EOF（文件结束符也占一个字节，其值为-1)，此时流对象的成员函数eof的值为非0值(一般设为1)，表示文件结束 了。

3. 可以用“位或”运算符“|”对输入输出方式进行组合，如表13.6中最后3行所示那样。还可以举出下面一些例子：

    ios::in | ios:: noreplace  //打开一个输入文件，若文件不存在则返回打开失败的信息
    ios::app | ios::nocreate  //打开一个输出文件，在文件尾接着写数据，若文件不存在，则返回打开失败的信息
    ios::out l ios::noreplace  //打开一个新文件作为输出文件，如果文件已存在则返回打开失败的信息
    ios::in l ios::out I ios::binary  //打开一个二进制文件，可读可写

但不能组合互相排斥的方式，如 ios::nocreate l ios::noreplace。

4. 如果打开操作失败，open函数的返回值为0(假)，如果是用调用构造函数的方式打开文件的，则流对象的值为0。可以据此测试打开是否成功。如

    if(outfile.open("f1.bat", ios::app) ==0)
        cout <<"open error";
或
    if( !outfile.open("f1.bat", ios::app) )
        cout <<"open error";

8.4.3 C++关闭文件

在对已打开的磁盘文件的读写操作完成后，应关闭该文件。关闭文件用成员函数close。

如：outfile.close( );  //将输出文件流所关联的磁盘文件关闭

所谓关闭，实际上是解除该磁盘文件与文件流的关联，原来设置的工作方式也失效，这样，就不能再通过文件流对该文件进行输入或输出。 此时可以将文件流与其他磁盘文件建立关联，通过文件流对新的文件进行输入或输出。如:

    outfile.open("f2.dat",ios::app|ios::nocreate)；
   此时文件流outfile与f2.dat建立关联，并指定了f2.dat的工作方式。

8.4.4 C++对ASCII文件的读写操作

如果文件的每一个字节中均以ASCII代码形式存放数据,即一个字节存放一个字符,这个文件就是ASCII文件(或称字符文件)。程序可以从ASCII文件中读入若干个字符,也可以向它输出一些字符。

1. 用流插入运算符“<<”和流提取运算符“>>”输入输出标准类型的数据。“<<”和“ >>”都巳在iostream中被重载为能用于ostream和istream类对象的标准类型的输入输出。由于ifstream和 ofstream分别是ostream和istream类的派生类；因此它们从ostream和istream类继承了公用的重载函数，所以在对磁盘文件的操作中，可以通过文件流对象和流插入运算符“<<”及 流提取运算符“>>”实现对磁盘 文件的读写，如同用cin、cout和<<、>>对标准设备进行读写一样。

2. 用文件流的put、get、geiline等成员函数进行字符的输入输出，：用C++流成员函数put输出单个字符、C++ get()函数读入一个字符和C++ getline()函数读入一行字符。

int main(){

    char* sourceFileName = "./source.txt";
    char* targetFileName = "./target.txt";
    //创建文件输入流对象
    ifstream ism(sourceFileName, ios::in);
    //创建文件输出流对象
    ofstream osm(targetFileName,ios::out);

    if (!ism){
        cout << "文件打开失败!" << endl;
    }

    while (!ism.eof()){
        char buf[1024] = { 0 };
        ism.getline(buf,1024);
        cout << buf << endl;
        osm << buf << endl;
    }

    //关闭文件流对象
    ism.close();
    osm.close();

    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;
}

8.4.5 C++对二进制文件的读写操作

二进制文件不是以ASCII代码存放数据的，它将内存中数据存储形式不加转换地传送到磁盘文件，因此它又称为内存数据的映像文件。因为文件中的信息不是字符数据，而是字节中的二进制形式的信息，因此它又称为字节文件。

对二进制文件的操作也需要先打开文件，用完后要关闭文件。在打开时要用ios::binary指定为以二进制形式传送和存储。二进制文件除了可以作为输入文件或输出文件外,还可以是既能输入又能输出的文件。这是和ASCII文件不同的地方。

用成员函数read和write读写二进制文件

对二进制文件的读写主要用istream类的成员函数read和write来实现。这两个成员函数的原型为

    istream& read(char *buffer,int len);
    ostream& write(const char * buffer,int len);

字符指针buffer指向内存中一段存储空间。len是读写的字节数。调用的方式为：

    a. write(p1,50);
    b. read(p2,30);

上面第一行中的a是输出文件流对象，write函数将字符指针p1所给出的地址开始的50个字节的内容不加转换地写到磁盘文件中。在第二行中，b是输入文件流对象，read 函数从b所关联的磁盘文件中，读入30个字节(或遇EOF结束），存放在字符指针p2所指的一段空间内。

class Person{
public:
    Person(char* name,int age){
        strcpy(this->mName, name);
        this->mAge = age;
    }
public:
    char mName[64];
    int mAge;
};

int main(){

    char* fileName = "person.txt";
    //二进制模式读写文件
    //创建文件对象输出流
    ofstream osm(fileName, ios::out | ios::binary);

    Person p1("John",33);
    Person p2("Edward", 34);

    //Person对象写入文件
    osm.write((const char*)&p1,sizeof(Person));
    osm.write((const char*)&p2, sizeof(Person));

    //关闭文件输出流
    osm.close();

    //从文件中读取对象数组
    ifstream ism(fileName, ios::in | ios::binary);
    if (!ism){
        cout << "打开失败!" << endl;
    }
    
    Person p3;
    Person p4;

    ism.read((char*)&p3, sizeof(Person));
    ism.read((char*)&p4, sizeof(Person));

    cout << "Name:" << p3.mName << " Age:" << p3.mAge << endl;
    cout << "Age:" << p4.mName << " Age:" << p4.mAge << endl;

    //关闭文件输入流
    ism.close();

    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;
}