c++ - 第24节 - c++的IO流

目录

1.C语言的输入与输出

2.流是什么

3.C++IO流

3.1.C++标准IO流

3.2.C++文件IO流

3.3.C++字符IO流

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1.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：

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

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2.流是什么

“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。

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3.C++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。

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，如下图所示。

5.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。

6. 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系列编译器下输入ctrl z+换行时结束，相当于输入了一个EOF。输入ctrl c也可结束，ctrl c结束相当于强制结束该进程，不推荐使用。

单个元素循环输入：

// 单个元素循环输入
while(cin>>a)
{
    // ...
}

多个元素循环输入：

// 多个元素循环输入
while(c>>a>>b>>c)
{
    // ...
}

整行接收：

// 整行接收
while(cin>>str)
{
    // ...
}

单个元素循环输入、多个元素循环输入，整行接收的原理相同，以整行接收为例，如下图一所示，分别是整行接收的c++写法和c语言写法。

c语言的写法使用了scanf函数在输入缓冲区进行读取，如果读取成功则返回字节数，如果读取失败或读到文件结尾，则返回EOF，因此while循环除非读取失败或读到文件结尾否则一直scanf循环读取并执行循环体内代码。

c++的写法中cin>>str本质调用的是string的流提取重载函数operator>>(str)，相当于operator>>(cin,str)，string的流提取重载函数的返回值是istream&类型的，如下图二所示，其实返回的就是cin。cin对象本身不能作为while循环的逻辑判断，这里涉及到了隐式类型的转换。

c++给了一种语法，可以支持自定义类型的隐式类型转换，将自定义类型转换成内置类型，如下面的代码所示，使用operator bool函数可以将Date自定义类型转换成bool类型，转换方式在operator bool函数中自己实现。

operator bool函数是将自定义类型转换成bool类型，也可以使用类似operator+内置类型的格式定义函数，将自定义类型转换成其他内置类型。

标准库的ios类中定义了operator bool函数，而istream类继承了ios类，因此istream类中也有operator bool函数，该函数如果遇到接收流失败或有结束标志则返回false，否则返回true，因此上面的while(cin>>str)代码首先调用流提取重载函数operator>>(str)，该函数返回cin，cin通过operator bool函数被隐式类型转换成bool值进行循环的判断。

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)

2. 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

3. 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

4. 关闭文件

ifstream类介绍：

构造函数：ifstream类构造函数的功能是打开文件读，标准库中ifstream类的构造函数有两个，如下图一所示，也就是有两种方式打开文件。

第一种是利用无参构造函数构造一个无参的文件流对象，这种方式没有打开任何具体的文件，因此还需要调用文件流对象的open成员函数打开某一具体文件，ifstream类的open成员函数如下图二所示；

第二种是利用带参构造函数构造一个文件流对象，将文件名作为第一个参数传给文件流对象，这种方式打开了对应的具体的文件。

注：ifstream的功能是打开文件读文件，因此上面的ifstream类带参构造函数和open成员函数的第二个参数即文件打开方式给了缺省值ios_base::in，in是定义在基类ios_base中的，如下图所示还有其它打开方式

in是给ifstream对象使用的，其功能是打开文件从头开始读文件

out是给ofstream对象使用的，其功能是打开文件从头开始写文件

binary是针对二进制文件的，如果要打开二进制文件，需要使用binary

ate是给ofstream对象使用的，其功能是打开文件从结尾开始写文件

读文件的相关函数：

operator>>函数：流提取进行读取。

get函数：按字符读取，即读取一个字符、读取n个字符。

getline函数：按行读取。

read函数：读取一段数据。

注：ifstream是istream的子类，ofstream是ostream的子类。ifstream类的operator>>函数和ofstream类的operator<<函数本身不是在ifstream类和ofstream类中定义的，而是继承istream和ostream的。因此前面我们是如何使用cin和cout进行控制台输入输出，我们就可以如何使用ifstream对象和ofstream对象进行对应文件的输入输出。

文件操作相关函数：

seekg函数：定位文件指针。

代码实践操作：

注：

1.上面图一代码以ifstream类对象ifs作为循环的逻辑判断，这里和前面的while(cin>>a)类似，调用了继承ios类的operator bool函数，将自定义的ifstream类型转换为bool类型

2.从打印结果可以看出图一的代码可以读取换行符而图二的代码无法读取换行符，原因是图二代码使用>>即ifstream类的流提取运算符重载函数来提取文件内容，ifstream类的流提取运算符重载函数默认认为空格和换行是两个值之间的间隔，读到空格和换行就自动忽略。前面讲过控制台的<<流提取也类似。

ofstream类介绍：

构造函数：ofstream类构造函数的功能是打开文件写，标准库中ifstream类的构造函数有两个，如下图一所示，也就是有两种方式打开文件。

第一种是利用无参构造函数构造一个无参的文件流对象，这种方式没有打开任何具体的文件，因此还需要调用文件流对象的open成员函数打开某一具体文件，ofstream类的open成员函数如下图二所示。

第二种是利用带参构造函数构造一个文件流对象，将文件名作为第一个参数传给文件流对象，这种方式打开了对应的具体的文件。

注：ifstream的功能是打开文件写文件，因此上面的ifstream类带参构造函数和open成员函数的第二个参数即文件打开方式给了缺省值ios_base::out。

写文件的相关函数：

operator<<重载函数：流插入进行写入。

put函数：按字符写入。

write函数：写入一段数据。

注：ifstream是istream的子类，ofstream是ostream的子类。ifstream类的operator>>函数和ofstream类的operator<<函数本身不是在ifstream类和ofstream类中定义的，而是继承istream和ostream的。因此前面我们是如何使用cin和cout进行控制台输入输出，我们就可以如何使用ifstream对象和ofstream对象进行对应文件的输入输出。

代码实践操作：

文件二进制读写和文本读写实例：

class Date
{
	friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);
	friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	operator bool()
	{
		// 这里是随意写的，假设输入_year为0，则结束
		if (_year == 0)
			return false;
		else
			return true;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}
ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;
	return out;
}

struct ServerInfo
{
	char _address[32];
	int _port;
	Date _date;
};
struct ConfigManager
{
public:
	ConfigManager(const char* filename)
		:_filename(filename)
	{}
	void WriteBin(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary);
		ofs.write((const char*)&info, sizeof(info));
	}
	void ReadBin(ServerInfo& info)
	{
		ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);
		ifs.read((char*)&info, sizeof(info));
	}

	void WriteText(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename);
		ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date;
	}
	void ReadText(ServerInfo& info)
	{
		ifstream ifs(_filename);
		ifs >> info._address >> info._port >> info._date;
	}
private:
	string _filename; // 配置文件
};

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 rbinfo;
	cf_bin.ReadBin(rbinfo);
	cout << rbinfo._address << " " << rbinfo._port << " " << rbinfo._date << endl;
	
	// 文本读写
	ConfigManager cf_text("test.text");
	cf_text.WriteText(winfo);
	ServerInfo rtinfo;
	cf_text.ReadText(rtinfo);
	cout << rtinfo._address << " " << rtinfo._port << " " << rtinfo._date << endl;

	return 0;
}

注：

1.二进制读写时，在WriteBin成员函数中使用ofstream打开文件写，因为要以二进制写的方式打开，所以构造函数的第二个参数我们传的是ios_base::out | ios_base::binary，其表示以二进制写的方式打开，多种状态之间要用|或连接。因为每个状态其实是用一个2的次方倍整数来表示，每次或就把两个状态合并在一起，最后有哪些状态观察对应位是否为1即可。

2.ifstream和ofstream类中都有close函数，c语言中打开文件并操作完后都需要显式的调用fclose函数关闭文件，c++中不用显式的调用close函数，因为fstream和ofstream对象出了作用域会自动调用析构函数，析构函数中会调用其close函数。

3.二进制读写时，ServerInfo必须使用的是_address数组来存储字符串而不是string类，因为string类中存储的其实是一个指针，指针指向的内容才是字符串内容，而将一个指针写入文件中，如果是其他进程读取后读取到的就是一个野指针，指针指向位置没有内容。

文本读写时ServerInfo可以使用string类，因为string类中有istream版本的operator>>和ostream版本的operator<<运算符重载函数，在下图一的代码中调用的是string类中重载的istream版本的operator>>和ostream版本的operator<<，里面是将string类中指针指向字符串内容进行读取和写入操作。我们自定义的Date类就是像上面这种方式定义了自己的istream版本的operator>>和ostream版本的operator<<运算符重载函数，如下图二所示。

4.ReadText中使用operator>>运算符重载函数读取的时候是以空格或换行符为间隔进行读取的，因此WriteText中每次写入一个对象时后面都需要写入空格或换行符与后面的对象隔开，如下图所示。

3.3.C++字符IO流

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，这里主要介绍stringstream。

stringstream主要可以用来：

1. 将数值类型数据格式化为字符串

2. 字符串拼接

3. 序列化和反序列化结构数据

1.将数值类型数据格式化为字符串

#include
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;

	s.str("");
	s.clear(); // 清空s, 不清空会转化失败

	double d = 12.34;
	s << d;
	s >> sa;
	string sValue;
	sValue = s.str(); // str()方法：返回stringsteam中管理的string类型
	cout << sValue << endl;

	return 0;
}

注：

1.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。

2.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。

3.istringstream类中有str成员函数，其声明如下图所示，str有两个功能，第一个功能是可以使用s.str("")方法将底层string对象设置为""空字符串。第二个功能是可以使用s.str()让stringstream返回其底层的string对象。

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。

4.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。

2.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 << "third string";
	cout << "After clear, strResult is: " << sstream.str() << endl;

	return 0;
}

3.序列化和反序列化结构数据

class Date
{
	friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);
	friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	operator bool()
	{
		// 这里是随意写的，假设输入_year为0，则结束
		if (_year == 0)
			return false;
		else
			return true;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}
ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;
	return out;
}

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 << 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：stringstream的优势是可以将自定义类型对象和字符串之间相互转换。可用于支持网络信息的传输。