【C++】C++的IO流

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：

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”。

二、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++的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，当中的每个类都称为流/流类，用以完成某方面的功能。

三、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。

C++的isream，ostream，都是不能拷贝的！

1、C++标准IO流

C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog，在使用时候必须要包含文件并引入std标准命名空间。

1. 使用cout进行标准输出，即数据从内存流向控制台(显示器)。
2. 使用cin进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中。
3. cerr用来进行标准错误的输出，
4. 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。

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中对应位置比特位（置1），程序继续运行。

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

流插入>>

流插入<<

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. istream类型对象可以转换为逻辑条件判断值。

某些在线OJ题目是有多组测试用例对我们编写的代码进行测试的，对于这种题目，C语言通常采用的解决方式如下

while (scanf("%d", &a) != EOF)
{
	//...
}

而在C++当中，我们一般采用的解决方式如下：

while (cin >> a)
{
	//...
}

C语言的处理方式我们很容易理解，但是cin的返回值是一个istream对象，正常情况下istream对象是没有办法转换为bool类型的，为什么我们还能通过这种方法进行循环读取呢？

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在C++中，operator TypeName()语法用来将对象转换为指定的TypeName类型，当这里TypeName为bool时，就可以直接在条件判断式里面直接用该对象。

class Foo 
{
public:
    operator bool() const 
    {
        return true;
    }
};

int main() 
{
    Foo foo;
    if (foo)
    {
        std::cout << "true" << std::endl;
    }
    
    // 隐式类型转化
    bool flag = foo;

    // 隐式类型转化，不会报错，除非定义是这样的
    // explicit operator bool() const 
    // 或者书写时是显示类型转换 
    // bool flag = (bool)foo;
    // bool flag = static_cast(foo);

    return 0;
}

所以对于istream类其内部都有这样的一个函数：

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
   操作文件的类有以下三个

类	对应操作场景
ofstream	只写
ifstream	只读
fstream	读+写

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。

文件常见的打开方式如下：

打开方式	功能
in	以读的方式打开文件
out	以写的方式打开文件
binary	以二进制方式对文件进行操作
ate	输出位置从文件的末尾开始
app	以追加的方式对文件进行写入
trunc	先将文件内容清空再打开文件

想要将它们组合起来使用在传递参数时可以使用|进行传递，（其底层与比特位有关）。

3. 对文件进行读写操作，或使用成员函数进行读写
   对文件进行提取和插入操作的常用成员函数：

成员函数	功能
put	插入一个字符到文件
write	插入一段字符到文件
get	从文件提取字符
read	从文件提取多个字符
tellg	获取当前字符在文件当中的位置
seekg	设置对文件进行操作的位置
flush	刷新缓冲区
>>运算符重载	将数据形象地以“流”的形式进行输入
<<运算符重载	将数据形象地以“流”的形式进行输出

4. 关闭文件，当然ofstream的析构函数也会将打开的文件会自动关闭。

下面演示两种文件读写方式，

二进制读写

#include 
#include
using namespace std;
// 日期类
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)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

// 对流插入进行重载
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& si)
	{
		ofstream ofs(_filename, ofstream::out | ofstream::binary);
		// 二进制写write
		ofs.write(reinterpret_cast<const char*>(&si), sizeof(si));
	}
	void ReadBin(ServerInfo& si)
	{
		ifstream ifs(_filename, ofstream::in | ofstream::binary);
		// 二进制读read
		ifs.read(reinterpret_cast<char*>(&si), sizeof(si));
	}
	
private:
	string _filename;
};

int main()
{
	ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 80, { 2022, 4, 10 } };
	// 写入
	ConfigManager cm("test.txt");
	cm.WriteBin(winfo);

	//读取
	ServerInfo rinfo;
	cm.ReadBin(rinfo);
	cout << rinfo._address << endl;
	cout << rinfo._port << endl;
	cout << rinfo._date << endl;
	return 0;
}

此外二进制读写，对于字符串必须使用char数组，不能使用string，文本读写可以使用string

文本读写

....
struct ConfigManager
{
public:
	ConfigManager(const char* filename)
		:_filename(filename)
	{}
	void WriteText(const ServerInfo& si)
	{
		ofstream ofs(_filename);
		// 文本写
		ofs << si._address << " ";
		ofs << si._port << " ";
		ofs << si._date << " ";
	}
	void ReadText(ServerInfo& si)
	{
		ifstream ifs(_filename);
		// 文本读
		ifs >> si._address >> si._port >> si._date;
	}
private:
	string _filename;
};

int main()
{
	ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 80, { 2022, 4, 10 } };
	// 写入
	ConfigManager cm("test.txt");
	cm.WriteText(winfo);

	//读取
	ServerInfo rinfo;
	cm.ReadText(rinfo);

	cout << rinfo._address << endl;
	cout << rinfo._port << endl;
	cout << rinfo._date << endl;
	return 0;
}

这里的Date在文件中也能使用>> <<是因为继承体系！

3、stringstream的简单介绍

在C语言中，我们若是想要将一个整型变量的数据转化为字符串格式，有以下两种方法：

1、使用itoa函数进行转化。

int a = 10;
char arr[10];
itoa(a, arr, 10); //将整型的a转化为十进制字符数字存储在字符串arr当中

2、使用sprintf函数进行转化。

int a = 10;
char arr[10];
sprintf(arr, "%d", a); //将整型的a转化为字符串格式存储在字符串arr当中

虽然itoa函数和sprintf函数都能完成转化，但是在两个函数在转化时，都需要先给出保存结果的空间，而空间的大小是不太好界定的，除此之外，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。

在C++中，可以使用stringstream类对象来避开此问题。
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。

stringstream主要可以用来：

1. 将数值类型数据格式化为字符串

int main()
{
	stringstream ssm;
	double d = 10.21;
	string s;
	ssm << d;
	ssm >> s;
	cout << s << endl;

	// 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
	// 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

	ssm.clear();

	int a = 1234;
	ssm << a;
	ssm >> s;
	cout << s << endl;
	// str()方法：返回stringsteam中管理的string类型
	cout << ssm.str() << endl;
	return 0;
}

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

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 }, "看电影"};
	stringstream 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);
	oss >> 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：

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。
3. 可以使用s. str("")方法将底层string对象设置为""空字符串。
4. 可以使用s.str()将让stringstream返回其底层的string对象。
5. 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。