【C++进阶之路】第十一篇：C++的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”。

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。

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（仅展示一部分）：

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系列编译器下在输入ctrl+Z时结束

   • // 单个元素循环输入
     while (cin >> a)
     {
     	// ...
     }
     
     // 多个元素循环输入
     while (c >> a >> b >> c)
     {
     	// ...
     }
     
     // 整行接收
     while (cin >> str)
     {
     	// ...
     }
     

7. istream类型对象转换为逻辑条件判断值

   • istream& operator>> (int& val);
     explicit operator bool() const;
     

实际上我们看到使用while(cin>>i)去流中提取对象数据时，调用的是operator>>，返回值是istream类型的对象，那么这里可以做逻辑条件值，源自于istream的对象又调用了operator bool，operator bool调用时如果接收流失败，或者有结束标志，则返回false。

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;
}

// C++ IO流，使用面向对象+运算符重载的方式
// 能更好的兼容自定义类型，流插入和流提取
int main()
{
	// 自动识别类型的本质--函数重载
	// 内置类型可以直接使用--因为库里面ostream类型已经实现了
	int i = 1;
	double j = 2.2;
	cout << i << endl;
	cout << j << endl;

	// 自定义类型则需要我们自己重载<< 和 >>
	Date d(2022, 4, 10);
	cout << d;

	while (d)
	{
		cin >> d;
		cout << d;
	}

	return 0;
}

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

   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));
   	}
   
   	// C++文件流的优势就是可以对内置类型和自定义类型，都使用
   	// 一样的方式，去流插入和流提取数据
   	// 当然这里自定义类型Date需要重载>> 和 <<
   	// istream& operator >> (istream& in, Date& d)
   		// ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
   	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;
   }
   

4.stringstream的简单介绍

在C语言中，如果想要将一个整形变量的数据转化为字符串格式，如何去做？

1. 使用itoa()函数
2. 使用sprintf()函数

但是两个函数在转化时，都得需要先给出保存结果的空间，那空间要给多大呢，就不太好界定，而且转化格式不匹配时，可能还会得到错误的结果甚至程序崩溃。

int main()
{
	int n = 123456789;
	char s1[32];
	_itoa(n, s1, 10);

	char s2[32];
	sprintf(s2, "%d", n);

	char s3[32];
	sprintf(s3, "%f", n);
	return 0;
}

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include。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，本文主要介绍stringstream。

stringstream主要可以用来：

1. 将数值类型数据格式化为字符串

   #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;
   
   	// clear()
   	// 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
   
   	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;
   }
   

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 }, "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。