C++中的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。


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.
 

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图中箭头指的是各个类之间的派生关系。 

c语言的三套流： 

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C++为什么要设计一套IO流的库呢？

C语言是不能支持自定义类型的打印的。C++为了能够支持复杂类型的打印，设计了这样一套io流的库，如果需要对自定义类型进行打印，则可以通过运算符重载来进行自定义输入、输出。

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。
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 观察以下代码：

int main()
{string str;while (cin >> str){cout << str << endl;}return 0;
}

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它是怎么结束的呢？

我们可以去查一下 string 类的流提取。

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这个地方的本质就是调用这个函数。如下：

int main()
{string str;//while (cin >> str)while (operator>>(cin, str)){cout << str << endl;}return 0;
}

但是调用这个函数我们发现它的返回值是一个istream 的对象，一个 istream 的对象是不能做条件逻辑判断的，这是因为C++ 重载了一个operator bool 

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int main()
{string str;//while (cin >> str)while (operator>>(cin, str).operator bool()){cout << str << endl;}return 0;
}

 所以这里底层的原型是调用了operator bool

那为什么输入一个 CTRL+Z 就正常退出了呢？

 

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如果设置了这些错误标志(failbit badbit)中的至少一个，则函数返回false，否则返回true。

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:

3.1.1 IO流中的错误标志

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通过下面四个接口可以看到每个错误标志的状态，哪个错误标志被设置了就会返回true.

int main()
{cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl <<endl;string str;//while (cin >> str)while (operator>>(cin, str).operator bool()){cout << str << endl;}cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl;return 0;
}

 通过这段代码可以看到在输入CRLT Z 的时候,eofbit failbit 标志被设计了。

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而且如果错误标志被设置了，是不能接着提取数据的。

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如果还行继续使用就需要恢复，我们可以调用clear 接口。

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int main()
{cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl <<endl;string str;while (cin >> str){cout << str << endl;}cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl;cin.clear();while (cin >> str){cout << str << endl;}return 0;
}

因此想让cin 不能用的话，我们可以自己设置结束标志。

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可以看到调用了两次operator >>只写入了一次。 

int main()
{int i;cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl << endl;cin >> i;cout << i << endl << endl;cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl << endl;cin >> i;cout << i << endl << endl;cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl << endl;return 0;
}

 因为i 是一个int 类型的变量，在缓冲区中读取到非数字的时候，会认为是给下一个位置读的，所以并没有改变流标志，当第二次读到这个非法标志的时候就会默认把i 写成0，并将设置fail 标志。

 

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那我们把标志清除还能不能继续读写 。

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虽然我们把错误标志清除了，但是非法字符还在缓冲区里面。

可以这样写：

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int main()
{int i;cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl << endl;cin >> i;cout << i << endl << endl;cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl << endl;cin >> i;cout << i << endl << endl;cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl << endl;if (cin.fail()){cin.clear();cin.get();}cin >> i;cout << i << endl << endl;cout << cin.good() << endl;cout << cin.eof() << endl;cout << cin.fail() << endl;cout << cin.bad() << endl << endl;return 0;
}

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如果要写一个只能读取数字的程序就可以这样：

int main()
{int i;do{cin >> i;if (cin.fail()){cin.clear();char ch;cin.get(ch);}else{cout << i << endl;}} while (1);return 0;
}

提高C++IO 效率

在一些IO需求比较高的地方，比一些大量输入的计算题中，加上这三行代码，可以提高C++IO 效率。

int main()
{cin.sync_with_stdio(false);cin.tie(nullptr);cout.tie(nullptr);return 0;
}

由于C++ 是兼容C 的，所以IO流和C流就会有各自的缓冲区。默认情况下，IO流和C流是同步的。

如果流是同步的，则程序可以将 iostream 操作与 stdio 操作混合使用。

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所以关闭流同步可以提高C++IO 效率。you

	cin.tie(nullptr);cout.tie(nullptr);

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默认情况下，cin cout cerr是默认绑定的。我们给他一个nullptr 就会解除（cin  cout）互相之间的绑定关系。

 

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

 

ofstream

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5ff36d03480d4210bd0193e8c98a2dad.png

f4fba193ce0743779ce21dea9c59bfa7.png 7dfaebf68fa04ab9b00f18f2daa416cf.png

 

int main()
{ofstream ofs;ofs.open("test.txt");ofs.put('x');ofs.write("hello\n", 6);ofs << "word" << endl; // (最好用)return 0;
}//可以在构造的时候给文件名
int main()
{ofstream ofs("test.txt");ofs.put('x');ofs.write("hello\n", 6);ofs << "word" << endl;return 0;
}

我们不需要手动close 因为有析构函数。 

这三种方法都可以。 

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ifstream

705ec5ea875d4c5aa705addc0f382c6a.png

二进制文件读

我们来打印一张截图看看：

int main()
{ifstream ifs("C:\\Users\\34855\\Pictures\\Screenshots\\屏幕截图 2024-09-22 185637.png");//转义字符int n = 0;while (!ifs.eof()){char ch = ifs.get();cout << ch;n++;}cout << n << endl;return 0;
}

c035312f7a6840a29fed5e23c17cd839.png

这样是错误的，二进制文件我们需要标识，不能用文本文件的读取方法。

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这些标志可以与按位或运算符 (|) 结合使用.

cf37503ddc4c4bbb8be598e307a6e408.png

某些特殊字符是打印不出来，然后把错误标志设置了。

6cc2d9629256437b96c5dcb7edc1eafd.png

 

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;elsereturn 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);//二进制写ofs.write((const char*)&info, sizeof(info));}void ReadBin(ServerInfo& info){ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);//二进制读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
};

通过二进制写操作写到文件text.bin 中。 

9f8316b82fd14f71be5210fa89d1e82c.png

然后通过读操作将文件中的了内容读到了结构体中。

705b6e9906b14b039980a1a340da53df.png

内存中怎么存，就怎么写出去。 

 

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550fd23d4d40426f886d845363d70356.png

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。

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

2. 字符串拼接

3. 序列化和反序列化结构数据

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3a90e62f274143bc9d7fbd2392de8250.png

 

bb76b9b79f474f999dc27ca97d9a5a88.png

这四种写法都可以 

90db0c5c9a2b4410801d2c7d6adb702b.png

int main()
{int i = 100; Date d1 = { 2024, 9, 24 };ostringstream  oss;oss << i << endl << d1 << endl;string str;str = oss.str();cout << str << endl;//istringstream  iss(str);//istringstream  iss;//iss.str(str);//istringstream  iss("100 2024 9 24");istringstream  iss;iss.str("100 2024 9 24");int i1;Date d2;iss >> i1 >> d2;return 0;
}

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。

 

 感谢大家的观看！

 

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