（十）C++学习 | 输入输出流

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1. 简介

在$\mathrm{C}＋＋$中，与输入输出相关的类的继承与派生关系如下：

• istream是用于输入的流类，我们常用的cin就是该类的对象；
• ostream是用于输出的流类，我们常用的cout就是该类的对象；
• ifstream是用于从文件读取数据的类；
• ofstream是用于向文件下入数据的类；
• iostream是既能用于输入，又能用于输出的类；
• fstream是既能从文件读取数据，又能向文件写入数据的类。

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2. 标准流对象

我们常用的输入流对象cin和输出流对象cout又称为标准流对象，它们位于命名空间std中。除此之外，还有cerr、clog等与标准错误输出设备相连的对象。通常，在缺省的情况下，以下语句完成的功能是一致的：

cerr << "Hello World!" <<endl;
clog << "Hello World!" <<endl;
cout << "Hello World!" <<endl;

• cin对应于标准输入流，用于从键盘读取数据，也可以被重定向为从文件中读取数据；
• cout对应于标准输出流，用于向屏幕输出数据，也可以被重定向为向文件写入数据；
• cerr对应于标准错误数据流，用于向屏幕输出出错信息；
• clog对应于标准错误数据流，用于向屏幕输出出错信息；
• cerr和clog的区别在于cerr不适用缓冲区，直接向显示器输出信息；而输出到eclog中的信息先会被存放在缓冲区，缓冲区满或者刷新时才输出到屏幕。

下面是输出重定向的例子：

#include

using namespace std;

int main() {
	int x, y;
	// 从键盘输入x和y两个值
	cin >> x >> y;
	// 将标准输出重定向到test.txt文件中
	freopen("test.txt", "w", stdout);
	// 除数为零，则在屏幕上输出错误信息
	if (y == 0) {
		cerr << "error." << endl;
	}
	// 否则将计算结果存放到test.txt文件中
	else
	{
		cout << x / y;
	}
	return 0;
}

下面是输入重定向的例子：

#include

using namespace std;

int main() {
	double f; int n;
	// 将标准输入流重定向到test.txt文件中
	freopen("test.txt", "r", stdin);
	// 从文件中获取输入内容
	cin >> f >> n;
	// 输出重定向后的内容，如test.txt中的内容为3.14 314，
	// 则词条语句打印结果为3.14,314
	cout << f << "," << n << endl;
	return 0;
}

上面提到输入流可以来源于键盘或文件，针对这两种方式的判断输入流结束的方式如下：

int x;
while (cin >> x) {
	...
}

如果是从文件输入，那么读取到文件尾部时上面循环被打破，此时输入流就算结束；如果从键盘输入，则在单独一行输入ctrl + z代表输入流结束。

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3. istream类的成员函数

istream类是用于控制输入流的类，它有几个重要成员函数。首先是重载成员函数getline。第一种重载形式如下：

istream& getline(char* buf, int bufSize);

从输入流中读取bufSize - 1个字符到缓冲区buf，或读取时碰到\n时提前结束。第二种重载形式如下：

istream& getline(char* buf, int bufSize, char delim);

从输入流中读取bufSize - 1个字符到缓冲区buf，或读取时碰到字符delim时提前结束。两个函数都会自动在buf中读入数据的结尾添加\0。\n或字符delim都不会被读入buf，但会被从输入流中取走(删除)。如果输入流中的\n或字符delim之前的字符个数达到或超过了bufSize个，就会导致读入出错。其结果就是：虽然本次读入已经完成，但是之后的读入就会失败了。istream类的其他几个成员函数：

• bool eof(); 判断输入流是否结束；
• int peek(); 返回下一个字符，但不从流中去掉；
• istream& putback(char c); 将字符ch放回输入流；
• istream& ignore(int nCount=1, int delim=EOF); 从流中删除最多nCount个字符，遇到EOF时结束。

#include

using namespace std;

int main() {
	int x;
	// 100大小的缓冲区
	char buf[100];
	// 读入x
	cin >> x;
	// 从输入流中读取89个字符到缓冲区buf，或
	// 碰到\n时提前结束
	cin.getline(buf, 90);
	cout << buf << endl;
	return 0;
}

• 如果我们从键盘的输入是12 abcd\n，那么屏幕输出结果为空格abcd。第一部分输入12被存储在变量x中；第二部分输入空格abcd被存储在输入缓冲区中，这时缓冲区没有满，只是遇到回车自动结束。
  如果我们从键盘的输入是12\n，那么屏幕什么也不输出。这是由于cin.geline()一来就遇到了停止符\n，所以缓冲区什么东西也没有接受。

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4. 用流操纵算子控制输出格式

用流操纵算子控制输出格式就是规范化输出格式，主要包括以下几点：

• 整数流的基数：流操纵算子十进制dec、八进制oct、十六进制hex、任意进制setbase；
• 浮点数的精度(precision, setprecision)；
• 设置域宽setw, width；
• 用户自定义的流操纵算子。

在使用流操纵算子前，需要引入头文件iomanip。如整数流的基数用法如下：

int n = 10;
cout << n <<endl;			// 输出10，十进制
cout << hex << n << endl;	// 输出a，十六进制
cout << dec<< n << endl;	// 输出10，十进制
cout << oct<< n << endl;	// 输出12，八进制

控制浮点数精度的流操纵算子：

cout.precision(5);
cout << setprecision(5);

上面两条语句的功能相同，在以非定点方式(小数点可能不位于个数的右边，如科学计数法。缺省)输出时，指定输出浮点数的有效位数；在以定点方式(小数点一定位于个位数的右边，即我们平常所使用的浮点数的标准表示形式)输出时，指定输出浮点数的小数点后的有效位数。如：

#include
#include

using namespace std;

int main() {
	double x = 1234567.89, y = 12.345678;
	int n = 123456;
	int m = 123;
	cout << setprecision(6) << x << endl;	// 输出1.23457e+06
	cout << y << endl;						// 输出12.3457
	cout << n << endl;						// 输出123456
	cout << m << endl;						// 输出123
}

对于第一条语句的输出，由于非定向方式为缺省情况，所以输出需要对1234567.89保留六位有效数字，由于整数部分已经超过六位，这里只能使用科学计数法表示。下面是以定点方式输出保留小数点后六位的结果：

#include
#include

using namespace std;

int main() {
	double x = 1234567.89, y = 12.345678;
	int n = 123456;
	int m = 123;
	cout << setiosflags(ios::fixed) << setprecision(6) << x << endl;// 输出1234567.890000
	cout << y << endl;												// 输出12.345678
	cout << n << endl;												// 输出123456
	cout << m << endl;												// 输出123
}

定点输出方式向非定点输出方式的转变：

double x = 1234567.89;
cout << setiosflags(ios::fixed) << setprecision(6) << x << endl;	// 定点方式输出
cout << resetiosflags(ios::fixed) << x << endl;						// 取消以定点方式输出

设置域宽即设置输出内容所占的宽度，宽度设置的有效性是一次性，在每次输入和输出之前都要设置宽度。如：

int main() {
	int w = 4;
	char string[10];
	cin.width(5);	// 设置输入域宽为5，包含结尾字符\0
	while (cin >> string)	// 从键盘输入1234567890，此时string只保存了1234四个字符
	{
		cout.width(w++);	// 第一次输出域宽为4，第二次输出域宽为5，第三次输出域宽为6
		cout << string << endl;	// 第一次输出1234，第二次输出 5678，第三次输出    90，位数不足用空格补齐
		cin.width(5);	// 设置输入域宽为5，包含结尾\0，实际上接受四个字符
	}
}

最后来看一个流操纵算子的综合例子：

#include
#include

using namespace std;

int main() {
	int n = 141;
	double x = 1234567.89, y = 12.34567;
	// 分别以十六进制、十进制、八进制先后输出n，即8d 141 215
	cout << "1)" << hex << n << " " << dec << n << " " << oct << n << endl;
	// 保留五位有效数字
	cout << "2)" << setprecision(5) << x << " " << y << " " << endl;
	// 保留小数点后面五位
	cout << "3)" << fixed << setprecision(5) << x << " " << y << " " << endl;
	// 科学计数法输出，且保留小数点后面五位
	cout << "4)" << scientific << setprecision(5) << x << " " << y << endl;
	// 非负数显示正号，输出宽度为12，宽度不足用*补齐
	cout << "5)" << showpos << fixed << setw(12) << setfill('*') << 12.1 << endl;
	// 非负数不显示正号，输出宽度为12，宽度不足则右边用填充字符填充
	cout << "6)" << noshowpos << setw(12) << left << 12.1 << endl;
	// 输出宽度为12，负号和数值分列左右，中间用填充字符填充
	cout << "8)" << setw(12) << internal << -12.1 << endl;
	cout << "9)" << 12.1 << endl;
	return 0;
}

输出如下：

同时，除了$\mathrm{C}＋＋$提供的流操纵算子，用户也可以自定义流操纵算子。自定义流操纵算子的过程类似于函数的重载，如：

ostream& tab (ostream& output) {
	return coutput << '\t';
}

定义如上函数后，在输出格式中tab相当于一个制表符\t。如下：

// 输出为aa	bb
cout << "aa" << tab << "bb" << endl;

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5. 总结

本文介绍了$\mathrm{C}＋＋$中的输入输出流，并以从键盘或文件读写为例说明。然后详细介绍了使用流操纵算子控制程序的输出格式，这是我们平时在写程序时常用到的内容。最后，以一个综合的例子来介绍常用到的使用流操纵算子的情景。

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参考

1. 北京大学公开课：程序设计与算法（三）C++面向对象程序设计.

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完

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