《C++ Primer》第8章 IO库

参考资料：

《C++ Primer》第5版
《C++ Primer 习题集》第5版

8.1 IO类（P278）

我们目前使用过的 IO 对象（cin 、cout）都是关联到控制台窗口、操纵 char 数据的。有时，我们需要对命名文件或者 string IO 操作。为了支持不同种类的 IO 操作，标准库定义了一些 IO 类型：

IO类型间的关系

概念上，设备类型和字符大小不会影响我们要执行的 IO 操作，例如我们可以用 >> 读取数据，这是通过**继承机制（inheritance）**实现的。

8.1.1 IO对象无拷贝或赋值（P279）

我们不能拷贝或对 IO 对象赋值，进行 IO 操作的函数通常以引用的方式传递和返回流。读写 IO 对象会改变其状态，所以传递和返回的引用不能是 const 的。

8.1.2 条件状态（P279）

IO 操作可能发生不同类型的错误，IO 类定义了一些函数和标志，可以帮助我们访问和操纵流的条件状态（condition state）。

例如我们使用输入运算符并期待读入一个 int ，而实际上却得到了一个字符 B ，此时输入流将进入错误状态。只有当一个流处于无错状态时，我们才可以向它读写数据。最简单的判断流对象是否处于良好状态的方法：

while(cin >> word){ ... }

查询流的状态

IO 库定义了一个机器无关的 iostate 类型，提供表达流状态的完整功能。iostate 应该作为位集合来使用，IO 库定义了 4 个特定 constexpr 来表示特定的位：

badbit 表示系统级错误，通常为不可恢复的读写错误。
failbit 表示可恢复错误，如期望读取数值却得到字符。
eofbit 表示文件结束，此时 failbit 也会被置位。
goodbit 为 0 表示流未发生错误（个人推测，前 3 个位在正常状态下位 0 ，goodbit 就是它们的或）。

标准库还定义了一组函数来查询上述标志位的状态：

good 在所有错误位均未被置位的情况下返回 true 。
bad 、fail 、eof 在对应位被置位时返回 true ，此外，fail 在 badbit 被置位时也会返回 true 。

管理条件状态

auto old_state = cin.rdstate();
cin.clear();
cin.setstate(old_state);
// 将failbit、badbit复位，其他位保持不变
cin.clear(cin.rdstate() & ~cin.failbit & ~cin.badbit);

上述代码中，rastate 函数返回一个 iostate 值，对应当前流的状态；setstate 相当于把输入的 iostate “叠加”到流的原状态上，可以理解为或运算；无参数的 clear 复位所有错误标志位，带参数的 clear 接受一个 iostate 参数，表示流的新状态。

8.1.3 管理输出缓冲（P281）

每个输出流都有一个缓冲区，用来保存程序读写的数据。保存在缓冲区中的数据可能随后再打印。

导致缓冲刷新（数据真正写到输出设备或文件）的原因：

程序正常结束，作为 main 函数 return 操作的一部分。
缓冲区满。
使用操纵符（如 endl ）显式刷新缓冲区。
使用操纵符 unitbuf 设置流的内部状态。cerr 是默认 unitbuf 的，因此写到 cerr 里的内容是立即刷新的。
和输入流关联的输出流在输入流读取数据前会刷新缓冲区。

刷新输出缓冲区

cout << "hi" << endl;    // 输出hi和一个换行，然后刷新缓冲区
cout << "hi" << ends;    // 输出hi和一个空字符，然后刷新缓冲区
cout << "hi" << flush;    // 输出hi，然后刷新缓冲区

`unibuf`操纵符

cout << unitbuf;    // 将流设置为：接下来每一次写操作之后都进行一次flush操作
cout << nounitbuf;    // 回到正常的缓冲方式

如果程序异常终止，缓冲区是不会刷新的。所以我们在调试崩溃的程序时，需要检查输出是否停留在缓冲区内。

关联输入和输出流

当一个输入流被关联到一个输出流时，任何试图从输入流中读取数据的操作都会先刷新输出流的缓冲区。标准库将 cin 和 cout 关联在一起。

// 将cin关联到cout（仅仅用来展示，相当于什么都没有做）
cin.tie(&cout);
ostream *old_tie = cin.tie();
// 让cin不与任何流关联
cin.tie(nullptr);
// 将cin关联到cerr
cin.tie(&cerr);
cin.tie(old_tie);

tie 的无参数版本返回指向输出流的指针，如果本对象关联到一个输出流，则返回那个输出流的指针；如果本对象没有关联的输出流，则返回 nullptr 。tie 的单参数版本接受一个指向输出流的指针，将自己关联到此输出流。

每个流最多与一个流关联，但多个流可以同时关联到一个输出流（单向关联）。

8.2 文件输入输出（P283）

头文件 fstream 定义了三个类型来支持文件 IO ：

ifstream ：从一个给定文件读取数据。
ofstream：向一个给定文件写入数据。
fstream ：读写给定文件。

除了继承自 iostream 的操作外，fstream 中还定义了一些新的成员：

8.2.1 使用文件流对象（P284）

当我们想要读写一个文件时，可以定义一个文件流对象，并将之与文件关联起来。每个文件流类都定义了名为 open 成员函数来定位并以指定模式打开文件。创建文件流对象时，如果我们提供了文件名，则 open 会自动调用：

ifstream in(ifile);    // 构造一个ifstream并打开文件
ofstream out;

在 C++ 新标准中，文件名可以是 string 对象或 C 风格字符数组，旧版本的标准库只允许 C 风格字符数组。

用`fstream`代替`iostream&`

在要求使用基类对象的地方，我们可以用继承类对象代替。这意味着一个接受 iostream 类型引用或指针参数的函数，可以用相应的 fstream 对象代替。

成员函数`open`和`close`

ifstream in(ifile);    // 构造一个ifstream并打开文件
ofstream out;
out.open(ifile + ".copy");

如果 open 调用失败，fallbit 会被置位。检测 open 是否成功是个好习惯：

if(out)

当一个文件流与对应文件成功关联，我们称文件流已经打开。用一个已经打开的文件流调用 open 会导致 failbit 被置位。所以如果我们将文件流关联到另一个文件，我们必须先使用 close 关闭当前文件：

in.close();

自动构造和析构

当一个 fstream 对象被销毁时，close 会自动调用。

8.2.2 文件模式（P286）

每个流都有一个关联的文件模式（file mode），用来指出如何使用文件：

无论用哪种方式打开文件，我们都可以指定文件模式：

只有 ofstream 和 fstream 能使用 out 模式。
只有 ifstream 和 fstream 能使用 in 模式。（ VS2022 似乎没这两条限制？这两条似乎与后面的冲突啊 … ）
只有当 out 模式被设定时，trunc 模式才能被设定。
只要 trunc 模式没被设定，就可以设定 app 模式。在 app 模式下，文件综艺输出方式打开。
默认情况下，以 out 模式打开的文件会默认被截断，为了保留文件内容，可以同时指定 add 或 in 模式。
ate 和 binary 模式可以用于任何类型的文件流对象。

每个文件流类型都有默认的文件模式，如果我们没有指定文件模式，就使用此模式。ifstream 默认使用 in 模式，ofstream 默认使用 out 模式，fstream 默认使用 in 和 out 模式。

以`out`模式打开会丢失数据

默认情况下，我们用 ofstream 对象打开文件时，文件内容的会被丢弃。

每次调用`open`时会确定文件模式

对于一个给定的流，每当打开文件时都可以改变文件模式。

8.3 `string`流

sstream 头文件定义了三个支持内存 IO ：

istringstream ：从 string 读取数据。
ostringstream ：向 string 写入数据。
stringstream ：读写 string 数据。

8.3.1 使用`istringstream`

假设我们要处理一个文件，文件的内容时人名和他们使用的电话号码：

morgan 2015552368 8625550123
drew 973550130
lee 6095550132 2015550175 800555000

我们首先定义一个类来保存数据：

struct PersonInfo {
	string name;
	vector<string> phones;
};

然后完成程序：

string line, word;
vector<PersonInfo> people;
while (getline(cin, line)) {
    PersonInfo info;
    istringstream record(line);
    record >> info.name;
    while (record >> word) {
        info.phones.push_back(word);
    }
    people.push_back(info);
}

8.3.2 使用`ostringstream`（P289）

接上面的例子，如果我们希望逐个验证电话号码并改变其格式，并将改变格式后的有效代码输出，并打印无效号码的错误信息：

for (const auto &entry : people) {
	ostringstream formatted, badNums;
	for (const auto &nums : entry.phones) {
		if (!valid(nums)) {
			badNums << " " << nums;
		}
		else {
			formatted << " " << format(nums);
		}
		if (badNums.str().empty())
			cout << entry.name << " " << formatted.str() << endl;
		else
			cerr << "input error: " << entry.name << "invalid number(s)" << badNums.str() << endl;
	}
}