【C++】C++的IO流

【C++】C++的IO流

1、C语言输入输出

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。

在C语言中，输入输出缓冲区是用于在程序和外部设备（如键盘、显示器、文件等）之间传递数据的临时存储区域。缓冲区的作用是为了提高程序的性能和效率。

输入缓冲区（input buffer）用于存储从外部设备读取的数据，例如通过键盘输入的字符。当程序需要从输入设备读取数据时，输入缓冲区会接收并存储输入的内容，然后程序可以从缓冲区中逐个字符地读取数据。这种缓冲机制可以减少程序频繁读取外部设备数据的次数，提高效率。

输出缓冲区（output buffer）用于存储程序要发送到外部设备的数据，例如要显示在屏幕上的字符或写入文件的内容。当程序使用输出函数（如printf）输出数据时，数据会先存储在输出缓冲区中，然后再根据一定的条件（如缓冲区满、遇到换行符等）将缓冲区中的数据一次性发送到外部设备。这种缓冲机制可以减少频繁的设备访问操作，提高效率。

缓冲区的使用可以有效地减少与外部设备的交互次数，从而提高程序的性能。缓冲区的大小可以根据需求进行配置，以平衡内存使用和IO性能。在某些情况下，可能需要手动刷新缓冲区或禁用缓冲区以实现特定的行为，例如实时输入输出或需要立即将数据写入设备。

需要注意的是，有时在程序中需要手动刷新缓冲区，以确保数据及时地传输到设备或从设备读取。这可以通过使用fflush函数来完成。另外，输入输出缓冲区在不同的编译器和操作系统中的行为可能会有所不同，因此在编写程序时要注意相关的规范和文档。

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”。

2、流的解释

在C++中，“流”（stream）是一种用于输入和输出的抽象概念。流可以被看作是数据在程序和外部设备（如键盘、显示器、文件等）之间传输的通道。C++中的流提供了一种方便的方式来处理输入和输出操作，以及对数据进行格式化、转换和处理。

流是基于类的，C++标准库提供了多个流类，包括iostream、ifstream、ofstream等。iostream类是最常用的流类，它继承自istream（用于输入）和ostream（用于输出）类。这些类提供了一系列成员函数和操作符重载，使得我们可以方便地进行输入和输出操作。

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

在C++中，我们可以使用标准输入流（std::cin）和标准输出流（std::cout）进行控制台输入和输出。例如，通过使用"<<“运算符，我们可以将数据发送到标准输出流，而使用”>>"运算符，我们可以从标准输入流接收数据。这使得我们可以方便地进行简单的输入和输出操作。

除了标准输入和输出流，C++还支持文件流。我们可以使用ifstream类来从文件中读取数据，使用ofstream类将数据写入文件中，以及使用fstream类进行读写操作。文件流提供了类似于标准输入输出流的接口，允许我们以类似的方式处理文件数据。

流的一个重要特性是可以对数据进行格式化。通过使用流对象的成员函数和操作符重载，我们可以指定输出的格式，如控制输出的精度、宽度、填充字符等。这使得我们可以对数据进行格式化输出，例如控制输出的小数位数或对齐数据。

总之，C++中的流提供了一种高级的抽象机制，用于处理输入和输出操作，并允许我们对数据进行格式化、转换和处理。流提供了简单而一致的接口，使得输入和输出变得更加方便和灵活。

3、C++的IO流

3.1 标准IO流

C++标准库提供了丰富的输入输出流类，被称为C++标准IO流（Standard IO Streams）。这些流类定义在头文件中，主要包括以下三个流对象：

1. std::cin：标准输入流，用于从键盘读取输入数据。它是std::istream类的一个对象，支持各种输入操作符，如>>用于读取数据。

2. std::cout：标准输出流，用于向控制台输出数据。它是std::ostream类的一个对象，支持各种输出操作符，如<<用于输出数据。

3. std::cerr：标准错误流，用于向控制台输出错误信息。它也是std::ostream类的一个对象，通常用于输出程序的错误和异常信息。

这些流对象提供了一种简洁且一致的方式来进行输入和输出操作，允许我们与用户进行交互、读取文件、输出结果等。它们是面向字符的流，可以进行文本输入输出。

此外，C++标准IO流还提供了其他的流类，如：

1. std::ifstream：文件输入流，用于从文件中读取数据。

2. std::ofstream：文件输出流，用于将数据写入文件。

3. std::stringstream：字符串流，可以将字符串作为输入输出流来处理。

这些流类可以通过构造函数来创建，并提供了类似于std::cin和std::cout的接口。它们允许我们以类似的方式处理文件和字符串数据，实现了统一的输入输出操作。

C++标准IO流还提供了一些其他功能，如格式化输出、文件定位、错误处理等。通过成员函数和操作符重载，我们可以对输出进行格式化，设置精度、宽度等。我们还可以使用流的状态标志位来检查流的状态，并进行错误处理。

关于cin的一些观察和解释：

1. cin是一个缓冲流，它会将键盘输入的数据保存在输入缓冲区中。当你使用cin提取数据时，它会从缓冲区中获取数据。如果一次输入的数据量超过了你要提取的数据量，剩余的数据将保留在缓冲区中，可以在后续的输入操作中使用。如果你输入了错误的数据，你只能在按下回车键之前进行修改，按下回车键后无法更改。

2. 对于输入数据类型与提取数据类型不匹配的情况，会导致输入流的状态标志位设置为错误状态，可以通过检查流的状态来判断输入是否成功。可以使用cin.fail()来检查输入是否失败。

3. 空格和回车都可以作为数据之间的分隔符，所以多个数据可以在一行输入，也可以分行输入。但是，对于字符型和字符串，输入流无法直接读取空格，字符串中也不能包含空格。回车符也不能被读入。

4. cin和cout可以直接输入和输出内置类型的数据，这是因为标准库已经重载了输入和输出操作符（<<和>>）来支持这些类型的输入输出。

5. 对于自定义类型，如果想要支持使用cin和cout进行标准输入输出，你需要对相应的输入输出操作符（<<和>>）进行重载，以定义如何将自定义类型的数据格式化为文本并进行输入输出。

6. 在在线评测系统（Online Judge）中，输入和输出的格式要严格遵循题目的要求。多一个或少一个空格都可能导致格式错误。

7. 当你使用while(cin >> i)从流中提取数据时，调用的是operator>>，它会返回一个istream类型的对象。istream对象又会调用operator bool进行逻辑条件判断。如果流的提取操作失败（如遇到无效的输入、达到文件末尾等），或者遇到结束标志，operator bool会返回false，结束循环。

3.2 文件IO流

文件输入输出流（File I/O Streams）是C++标准库提供的用于读写文件的机制。它通过文件流类来实现，主要包括以下几个类：

1. std::ifstream：文件输入流类，用于从文件中读取数据。通过创建一个std::ifstream对象，可以打开一个文件，并从该文件中读取数据。

2. std::ofstream：文件输出流类，用于将数据写入文件。通过创建一个std::ofstream对象，可以打开一个文件，并将数据写入该文件。

3. std::fstream：文件流类，可以同时进行文件的读写操作。它既可以作为输入流，也可以作为输出流。通过创建一个std::fstream对象，可以打开一个文件，并进行读写操作。

这些文件流类提供了类似于std::cin和std::cout的接口，可以使用输入操作符（>>）从文件中读取数据，使用输出操作符（<<）将数据写入文件。它们也支持其他的成员函数，如getline用于逐行读取数据，seekg和seekp用于定位文件指针位置等。

使用文件流进行文件输入输出的一般流程如下：

1. 创建一个文件流对象，即std::ifstream、std::ofstream或std::fstream。

2. 使用成员函数open打开要读取或写入的文件。可以指定文件名、路径等。

3. 使用输入操作符>>或输出操作符<<从文件中读取数据或将数据写入文件。

4. 使用成员函数close关闭文件流。

以下是一个简单的示例，展示如何使用文件流读取文件内容并将其写入另一个文件中：

#include 

int main() {
    std::ifstream inputFile("input.txt");  // 打开输入文件
    std::ofstream outputFile("output.txt");  // 打开输出文件

    if (inputFile && outputFile) {  // 检查文件是否成功打开
        int num;
        while (inputFile >> num) {  // 从输入文件读取数据
            outputFile << num << " ";  // 将数据写入输出文件
        }

        inputFile.close();  // 关闭输入文件
        outputFile.close();  // 关闭输出文件
    }

    return 0;
}

在上述示例中，我们创建了一个输入文件流对象inputFile，并通过open函数打开了名为input.txt的文件。然后，我们创建了一个输出文件流对象outputFile，并通过open函数打开了名为output.txt的文件。接下来，我们使用输入操作符>>从输入文件中读取数据，并使用输出操作符<<将数据写入输出文件中。最后，我们分别调用了close函数关闭了输入文件和输出文件。

文件流提供了一种方便的方式来读写文件，使得我们可以轻松地处理文件中的数据。需要注意的是，在进行文件读写操作时，要检查文件是否成功打开，并适当处理错误情况。

4、stringstream介绍

std::stringstream是C++标准库中的一个类，它是基于内存的字符串流，提供了将字符串作为输入和输出流来处理的功能。std::stringstream类定义在 头文件中。

std::stringstream类可以将字符串看作是一个流，并允许我们在内存中读取和写入字符串数据，就像操作输入输出流一样。它提供了一系列成员函数和操作符重载，以便于读取和写入不同类型的数据。

使用std::stringstream可以方便地进行以下操作：

1. 字符串到其他类型的转换：可以将字符串解析为其他数据类型，如整数、浮点数等。通过使用输入操作符（>>）或成员函数std::stringstream::operator>>，我们可以从字符串中提取数据并存储到对应的变量中。

2. 其他类型到字符串的转换：可以将其他数据类型转换为字符串形式，以便于输出或存储。通过使用输出操作符（<<）或成员函数std::stringstream::operator<<，我们可以将数据插入到字符串流中。

下面是一个简单的示例，展示了如何使用std::stringstream将字符串解析为整数并进行一些计算：

#include 
#include 

int main() {
    std::string inputString = "123 456 789";
    std::stringstream ss(inputString);

    int num1, num2, num3;
    ss >> num1 >> num2 >> num3;

    int sum = num1 + num2 + num3;
    std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;

    return 0;
}

在上述示例中，我们首先创建了一个std::stringstream对象ss，并将字符串"123 456 789"传递给它。然后，我们使用输入操作符>>从字符串流中依次提取整数，并将它们存储在变量num1、num2和num3中。最后，我们计算了这三个整数的和，并将结果输出到控制台。

std::stringstream类对于需要在内存中进行字符串数据处理的情况非常有用，例如解析格式化的字符串、将数据转换为字符串等。它提供了一种方便而灵活的方式来进行字符串和其他数据类型之间的转换。