【C++】—— C++的IO流

在C++中，I/O流是一项关键的编程概念，为程序提供了与外部世界进行交互的重要手段。通过使用C++的强大I/O库，开发者能够实现对标准输入输出、文件、字符串等多种数据源的高效处理。接下来让我们深入探讨C++的I/O流，了解其基本原理、常见操作以及如何优雅地处理各种输入输出任务。

（一）C语言的输入与输出

1.1 标准输入输出

1.2 文件操作

1.3 注意事项

（二）C++的IO流

2.1 什么是流

2.2 C++IO流

2.2.1 C++标准IO流

2.2.2 C++文件IO流

（三）stringstream的简单介绍

（四）小结

（一）C语言的输入与输出

C语言作为一门广泛应用的编程语言，其输入与输出（I/O）操作是程序设计中至关重要的一部分。我先带大家简单回顾一下关于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()

1.1 标准输入输出

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。

scanf(): 从标准输入设备(键盘)读取数据，并将值存放在变量中。

1.2 文件操作

C语言提供了一组用于文件操作的函数，允许程序读写外部文件。这些函数包括 fopen、fclose、fread、fwrite等。

文件打开与关闭：

【解释说明】

在上述代码中，fopen用于打开文件，返回一个文件指针。fclose 用于关闭文件；
需要注意文件的打开模式，如 "r" 表示只读，"w" 表示写入，等等。

读取与写入文件：

【解释说明】

在这个例子中，fprintf 用于向文件写入格式化的数据；
类似地，可以使用 fscanf 进行文件的格式化读取。

1.3 注意事项

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：

C语言的输入输出（I/O）是指程序与外部环境（通常是用户、文件、设备等）之间进行数据交互的过程。
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。
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”。

此外还涉及错误处理： 文件操作可能涉及到各种错误，使用 perror 函数可以输出相关的错误信息。

（二）C++的IO流

2.1 什么是流

"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

2.2 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

2.2.1 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；

此时，需要给大家说明一下在C++中，我们更多的还是使用 cin 操作，具体有以下几点：

类型安全：

cin 是C++标准模板库（STL）中的输入流对象，而 scanf 是C语言中的函数。cin 提供了类型安全的输入，它在编译时会执行类型检查，确保输入的数据类型与变量的类型匹配。这有助于避免一些由于类型不匹配而引发的运行时错误。

格式化输入：

cin 支持面向对象的格式化输入，通过使用 >> 运算符，可以轻松地处理各种数据类型，而且这样的输入更加清晰和直观。

更好的面向对象支持：

cin 是C++的一部分，与面向对象编程更好地集成。它可以与类和用户定义的类型一起工作，提供更好的对象支持。

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

【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;
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. 对于循环的输入和输出：

解释说明

其次，大家需要注意 istream的cin对象可以转bool，而stream的str对象不可以转bool。因为：istream的这个》explicit operator bool() const;支持自定义类型转内置类型；
其次，对于上述两种方式，当我们想要结束输入时可以使用【ctrl + c】。或者【ctrl + z + 换行】(推荐这种)；
实际上我们看到使用while(cin>>str)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 = 4.1;
    cout << i << endl;
    cout << j << endl;

    // 自定义类型则需要我们自己重载<< 和 >>
    Date d(2024, 1, 20);
    cout << d;
    while (d)
    {
        cin >> d;
        cout << d;
    }
    return 0;
}

2.2.2 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
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

示例如下：

int main()
{
    ofstream outfile("Test.txt"); // 创建一个输出文件流对象

    if (outfile.is_open()) { // 确保文件成功打开
        outfile << "Hello, File!" << endl; // 写入数据
        outfile << 42 << endl; // 写入数字
        outfile.close(); // 关闭文件
        cout << "File has been written." << endl;
    }
    else {
        cout << "Unable to open the file." << endl;
    }

    return 0;
}

输出展示：

（三）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

然而，需要注意的是，itoa() 并不是C++标准库的一部分，而是属于C语言的标准库。因此代码在一些编译器中可能不被支持。

2. 使用sprintf()函数

使用 sprintf 函数（C风格，不建议在C++中使用）：

注意：尽管这是一种可行的方法，但由于在C++中有更好的替代方法，通常不推荐在C++中使用 sprintf。

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

【注意】

上述只是单次转换，当遇到需要多次转换时，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；
因此还需要将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

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;
}

输出展示：

【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。