C++的IO流

Posted 2021-10-07 2021dragon

文章目录

• C语言的输入与输出
• 流是什么
• C++IO流
• • C++标准IO流
  • C++文件IO流
  • • 文件操作步骤
    • 以二进制的形式操作文件
    • 以文本的形式操作文件
    • 使用>>和<<对文件进行操作
• stringstream的介绍

C语言的输入与输出

在C语言当中，我们使用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，并将读取到的值存放到某一指定变量当中。
• printf： 将指定的数据输出到标准输出设备（屏幕），使用时需要注意宽度输出和精度输出的控制。

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”这个概念的，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”。

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有方向性的数据的抽象描述。

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）输入和从计算机内部向外部输出设备（如显示器）输出的过程。这种输入输出的过程被形象的比喻为“流”。

流的特性： 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。

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++标准IO流

C++标准库提供了4个全局流对象（cin、cout、cerr、clog）：

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. 使用cerr进行标准错误的输出。
4. 使用clog进行日志的输出。

从上图可以看出，cout、cerr、clog都是由ostream类实例化出的三个不同的对象，因此这三个对象基本没什么区别，只是应用场景不同。

注意：
1、在使用cin、cout时必须要包含iostream文件，并引入std标准命名空间。

#include <iostream> //包含iostream文件
using namespace std; //引入std标准命名空间
int main()
{
	int a = 0;
	cin >> a;
	cout << a << endl;
	return 0;
}

或是在使用时指定cout和cin所属的命名空间。

#include <iostream> //包含iostream文件
int main()
{
	int a = 0;
	std::cin >> a; //使用时指定所属命名空间
	std::cout << a << std::endl; //使用时指定所属命名空间
	return 0;
}

2、cin为缓冲流。键盘输入的数据保存在缓冲区中，当要提取时，是从缓冲区中提取。如果一次输入过多，则多余的数据会留在缓冲区以供之后提取，如果输入错了，必须在回车之前进行修改，回车键按下就无法进行修改了，只有把输入缓冲区中的数据取完后，才会要求输入新的数据。
例如，对于以下代码，若在第一次输入时便以空格为分隔输入了两个数据，则在下一次需要提取数据的时候就直接从缓冲区进行提取。

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 0, b = 0;
	cin >> a; //输入：10 20
	cout << a << endl;
	cin >> b; //直接从输入缓冲区提取
	cout << b << endl;
	return 0;
}

3、输入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（置1），程序继续。

4、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。但如果是字符型和字符串，则空格无法用cin输入，字符串中也不能有空格，回车符也无法读入。
例如，我们使用cin无法将含空格的字符串"hello world"输入到string对象中。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string s;
	cin >> s;          //输入："hello world"
	cout << s << endl; //输出："hello"
	return 0;
}

对于含有空格的字符串，我们需要使用getline函数进行读取，因为getline函数只有遇到’\\n’才会停止读取。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string s;
	getline(cin, s);   //输入："hello world"
	cout << s << endl; //输出："hello world"
	return 0;
}

5、cin和cout可以直接输入和输出内置类型的数据。因为标准库已经将所有内置类型的输入和输出进行了重载。

>>运算符的重载：
<<运算符的重载：

5、对于自定义类型，如果要支持cin和cout的标准输入输出，则需要对<<和>>进行重载。
例如，对于下面简单实现的日期类，在对<<和>>进行重载后就能够支持cin和cout的输入输出了。

#include <iostream>
using namespace std;
class Date
{
	friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);
	friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);
public:
	Date(int year = 2021, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
//对>>进行重载
istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}
//对<<进行重载
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
	return out;
}

int main()
{
	Date d;
	cin >> d;          //输入：2021 9 20
	cout << d << endl; //输出：2021-9-20
	return 0;
}

6、在线OJ中的输入和输出。
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++文件IO流

文件操作步骤

C++根据文件内容的数据格式将文件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如下：
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

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。
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
>>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。

以二进制的形式操作文件

以二进制的形式对文件进行写入操作：

//以二进制的形式对文件进行写入
void WriteBinary()
{
	ofstream ofile; //定义文件流对象
	ofile.open("test.bin", ofstream::out | ofstream::binary); //以二进制写入的方式打开test.bin文件
	char data[] = "2021dragon";
	ofile.write(data, strlen(data)); //将data字符串写入文件
	ofile.put('!'); //将字符'!'写入文件
	ofile.close(); //关闭文件
}

以二进制的形式对文件进行读取操作：

//以二进制的形式对文件进行读取
void ReadBinary()
{
	ifstream ifile; //定义文件流对象
	ifile.open("test.bin", ofstream::in | ofstream::binary); //以二进制读取的方式打开test.bin文件
	ifile.seekg(0, ifile.end); //跳转到文件末尾
	int length = ifile.tellg(); //获取当前字符在文件当中的位置，即文件的字符总数
	ifile.seekg(0, ifile.beg); //重新回到文件开头
	char data[100];
	ifile.read(data, length); //将文件当中的数据全部读取到字符串data当中
	ifile.close(); //关闭文件
}

以文本的形式操作文件

以文本的形式对文件进行写入操作：

//以文本的形式对文件进行写入
void WriteTxt()
{
	ofstream ofile; //定义文件流对象
	ofile.open("test.txt"); //以写入的方式打开test.txt文件
	char data[] = "2021dragon";
	ofile.write(data, strlen(data)); //将data字符串写入文件
	ofile.put('!'); //将字符'!'写入文件
	ofile.close(); //关闭文件
}

以文本的形式对文件进行读取操作：

//以文本的形式对文件进行读取
void ReadTxt()
{
	ifstream ifile; //定义文件流对象
	ifile.open("test.txt"); //以读取的方式打开test.txt文件
	ifile.seekg(0, ifile.end); //跳转到文件末尾
	int length = ifile.tellg(); //获取当前字符在文件当中的位置，即文件的字符总数
	ifile.seekg(0, ifile.beg); //重新回到文件开头
	char data[100];
	ifile.read(data, length); //将文件当中的数据全部读取到字符串data当中
	cout << length << endl;
	cout << data << endl;
	ifile.close(); //关闭文件
}

注意： 使用ofstream类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以写的方式打开文件；使用ifstream类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以读的方式打开文件；使用fstream类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以写+读的方式打开文件。

使用>>和<<对文件进行操作

使用>>和<<运算符对文件进行读写操作，会变得很简单，也很形象。
对文件进行写入操作：

//对文件进行写入操作
void WriteFile()
{
	ofstream ofs("data.txt"); //定义文件流对象，并打开文件
	ofs << "2021dragon!"; //字符串“流入”文件
	ofs.close(); //关闭文件
}

对文件进行读取操作：

//对文件进行读取操作
void ReadFile()
{
	ifstream ifs("data.txt"); //定义文件流对象，并打开文件
	char data[100];
	ifs >> data; //文件数据“流入”字符串data
	ifs.close(); //关闭文件
}

注意： 可以在定义文件流对象的同时指定将要打开的文件名，以及文件的打开方式。

stringstream的介绍

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，我们可以使用stringstream类对象来避开此问题。在程序当中如果想要使用stringstream，必须要包含头文件sstream。在该头文件下，有三个类：

类	对应操作场景
ostringstream	输出操作
istringstream	输入操作
stringstream	输入操作+输出操作

这里主要介绍stringstream，stringstream主要可以用来：
1、将数值类型数据格式化为字符串。

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	int a = 10;
	string sa;
	stringstream s;
	s << a; //将int类型的a放入输入流
	s >> sa; //从s中抽取前面插入的int类型的值，赋值给string类型（方式一）
	cout << sa << endl;
	s.str(""); //将stringstream底层管理的string对象设置为""。
	s.clear(); //将上次转换状态清空掉
	//进行下一次转换
	double b = 3.14;
	s << b;
	sa = s.str(); //获取stringstream中管理的string类型（方式二）
	cout << sa << endl;
	return 0;
}

2、字符串拼接。

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string rets;
	stringstream s;
	s << "2021" << "dragon"; //将多个字符串放入stringstream中
	s >> rets; //方式一获取
	cout << rets << endl;
	s.str(""); //将stringstream底层管理的string对象设置为空字符串
	s.clear(); //将上次转换状态清空掉
	s << "Thanks" << " " << "for" << " " << "reading"; //将多个字符串放入stringstream中
	rets = s.str(); //方式二获取
	cout << rets << endl;
	return 0;
}

注意事项：

1. stringstream实际是在底层维护了一个string类型的对象用来保存结果。
2. stringstream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，因此在下一次转换前必须调用clear将状态重置为goodbit才可以转换，但clear不会将stringstream底层的string对象清空。
3. 可以使用s.str("")的方式将stringstream底层的string对象设置为空字符串，否则多次转换时，会将结果全部累积在底层string对象中。
4. 获取stringstream转换后的结果有两个方法，一是使用>>运算符之间从流当中提取，二是使用s.str( )获取stringstream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，也不会存在格式化失败的风险，因此使用更方便，更安全。