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🔥 系列专栏：C++从入门到精通

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++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。

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。

🚀 3.1 C++标准IO流

🍐 ios_base 类是基类，ios类 继承了 ios_base。通过 ios又分别设置了两个子类istream 和 ostream 。这两个类分别都有一个实例对象 cin和 cout！此外ostream还要标准错误cerr和日志输出clog。除了标准IO外，istream 和 ostream 还有子类，文件流和string流，来提供特殊的使用！

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!

再来看operator bool , 这个保证了流输入输出可以转换为bool进行一个判断。在输出输入出错时可以进行一个判断。而operator bool 会去检查四个标志值，按照对应映射返回true或false:

1. goodbit : 表示一切正常！
2. eofbit : 读取到结束，会设置这个比特位！
3. failbit ：发生一些基本的逻辑错误，会设置这个比特位！
4. badbit : 发生不可修复的错误，会设置这个比特位！一般不会遇到种错误！
   
   我们来看一下这四个标志：

string str;while (cin >> str)
{cout << str << endl;
}// 原型如下  重载了 >> 和 bool  就会返回 true 或 false   通过检查failbit这个标志while (operator>>(cin, str).operator bool())
{cout << cin.good() << endl;     // 1cout << cin.eof() << endl;      // 0  cout << cin.bad() << endl;      // 0cout << cin.fail() << endl;     // 0  cout << str << endl;
}

🚀 istream类型对象转换为逻辑条件判断值

🍐 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。

🚀 3.2 C++IO的性能

💢 C++为了兼容C语言，会做出一些妥协优化。C语言的缓冲区只有遇到刷新标志时才会进行刷新，而如果printf缓冲区还没有刷新，我们使用cout会出现什么情况？会先把printf缓冲区刷新出来，再打印cout输出的内容，所以cout之前会先对缓冲区进行检查！所以C++风格IO需要和C风格IO进行缓冲区同步！

并且iostream库中的缓冲区通常是动态分配的，而stdio库中的缓冲区通常是静态分配的。动态分配和释放内存比静态分配内存要慢。

在上面的输出格式中我们看到iostream库支持丰富的格式化选项，C++风格IO需要再运行时进行解析处理，但是C风格IO在编译时就已经确认好输出格式了，这减少了运行时的开销。

对于有大量IO的场景，C++的IO效率会比C风格IO慢，可以使用下面三行代码来进行优化：

ios_base::sync_with_stdio(0);
cin.tie(nullptr);
cout.tie(nullptr);

• ios_base::sync_with_stdio(0)
  🎯 这行代码的作用是取消 C++ 的 iostream 库与 C 的 stdio 库的同步。通过将 sync_with_stdio 设置为 false，可以解除这种同步，从而提高 I/O 的性能。但是，这样做之后，就不能在同一个程序中混合使用 iostream 和 stdio 函数了，因为它们不再保持同步。

• cin.tie(nullptr)
  🎯 在默认情况下，cin 和 cout 是绑定在一起的，这意味着每次读取 cin 或写入 cout 后，都会立即刷新 cout 的缓冲区。这确保了输入输出操作的顺序性，但可能会导致性能下降。通过将 cin 的绑定解除，可以防止在每次读取输入时自动刷新输出缓冲区，从而提高性能。

• cout.tie(nullptr)
  🎯 类似于对 cin 的操作，这行代码将 cout 的绑定解除。默认情况下，cout 与 cin 绑定，当 cin 被读取时，cout 的缓冲区会被刷新。将 cout 的.tie()设置为 nullptr，可以防止 cout 在 cin 被读取时自动刷新，从而提高性能。

🚀 3.3 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 (只输入用)
• ofstream (只输出用)
• fstream (既输入又输出用) (继承了ifstream和ofstream)

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 。
   open：打开文件，可以设置对应的打开方式和C语言很类似。
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。

打开方式	功能
in	Input mode (输入模式)。打开文件用于输入操作
out	Output mode (输出模式)。打开文件用于输出操作
app	Append mode (追加模式)。在每次写入时，数据将被追加到文件的末尾，而不是覆盖现有内容
binary	Binary mode (二进制模式)。以二进制方式打开文件，不进行任何字符转换。这对于非文本文件（如图像或可执行文件）是必要的。
ate	At end mode (文件末尾模式)。打开文件时，文件指针定位到文件末尾。
trunc	Truncate mode (截断模式)。如果文件已经存在，则在打开时将其长度截断为0，即删除文件中的所有内容

🍐 写入操作可以使用<<进行流写入，也可以通过write写入一个缓冲区字符串。读取操作可以通过>>来一个一个字符读取，也可以通过read直接读取到缓冲区中。

🌰 代码示例：

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;
}

四： 🔥 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。

• 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，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<sstream>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 sstreamsstream.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; // idDate _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。

🚀 共勉

以上就是我对 C++ IO流全解析 的理解，]觉得这篇博客对你有帮助的，可以点赞收藏关注支持一波~😉