「C++系列」输入/输出

文章目录

一、输入/输出
- 1. 包含iostream库
- 2. 使用std命名空间
- 3. 输出到控制台
- 4. 从控制台读取输入
- 5. 注意事项
二、库头文件
三、标准输出流（cout）
- 1. 基本用法
- 2. 格式化输出
- 3. 缓冲
- 4. 错误处理
- 5. 注意事项
四、标准输入流（cin）
- 1. 基本用法
- 2. 错误处理
- 3. 注意事项
五、标准错误流（cerr）
- 1. 基本用法
- 2. 与 cout 的比较
- 3. 错误处理
- 4. 注意事项
六、标准日志流（clog）
- 1. 基本用法
- 2. 与 cerr 的比较
- 3. 注意事项
七、相关链接

一、输入/输出

在C++中，基本的输入输出操作主要依赖于iostream库，该库提供了用于输入输出的类和对象，如cin（用于输入）和cout（用于输出）。为了使用这些功能，你需要在程序顶部包含iostream头文件。

1. 包含iostream库

在你的C++程序开始处，使用#include预处理指令来包含iostream库。

#include <iostream>

2. 使用std命名空间

iostream库中的类和对象（如cout和cin）都定义在std命名空间中。为了避免在每次引用这些对象时都加上std::前缀，你可以使用using namespace std;语句来告诉编译器在当前作用域内使用std命名空间中的名字。

using namespace std;

3. 输出到控制台

使用cout对象与插入操作符（<<）向控制台输出文本或变量的值。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    cout << "Hello, World!" << endl; // 输出文本并换行
    int number = 42;
    cout << "The number is: " << number << endl; // 输出变量值
    return 0;
}

注意：endl是一个特殊的操纵符，用于在输出流中插入一个换行符，并刷新输出缓冲区，确保立即输出。如果你仅仅想要输出一个换行符而不刷新缓冲区，可以使用'\n'。

4. 从控制台读取输入

使用cin对象与插入操作符（>>）从控制台读取输入。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int number;
    cout << "Enter a number: ";
    cin >> number; // 读取用户输入的整数
    cout << "You entered: " << number << endl;
    return 0;
}

5. 注意事项

当你使用cin读取数据时，它会根据数据类型尝试将输入转换为对应的类型。如果输入不匹配，cin会进入错误状态，并停止进一步读取输入。
在处理文件或更复杂的输入输出时，你可能需要了解fstream库（用于文件操作）和sstream库（用于字符串流操作）。
始终注意输入输出流的错误状态，这可以通过检查cin.fail(), cin.good(), cin.eof(), cin.bad(), 和 cin.clear()等方法来完成。

通过以上步骤，你应该能够开始使用C++进行基本的输入输出操作了。随着你对C++的进一步学习，你将能够处理更复杂的输入输出场景。

二、库头文件

在C++中，处理输入输出（I/O）操作通常涉及几个不同的库头文件，但最基础且广泛使用的是<iostream>。这个头文件包含了用于标准输入输出（如控制台输入输出）的类和对象，如std::cin（用于输入）和std::cout（用于输出），以及std::cerr（用于错误输出，不经过缓冲区直接输出）和std::clog（用于日志记录，经过缓冲区输出）。

然而，C++标准库还提供了其他几个与I/O相关的头文件，用于处理不同类型的输入输出操作：

<iostream>：包含基本的输入输出流对象，如std::cin、std::cout、std::cerr和std::clog，以及相关的流操作。
<fstream>：用于文件输入输出操作。它提供了std::ifstream（用于从文件读取数据）、std::ofstream（用于向文件写入数据）和std::fstream（同时支持读写操作）等类。
<sstream>：用于字符串流操作。它提供了std::istringstream（用于从字符串读取数据）、std::ostringstream（用于向字符串写入数据）和std::stringstream（同时支持读写操作）等类。这些类允许你像操作文件一样操作字符串。
<iomanip>：这是一个非流库头文件，但它提供了用于操纵流格式化的工具，如设置浮点数的精度、填充字符、对齐方式等。它包含了一系列用于修改流状态的操纵符，如std::setprecision、std::setw、std::setfill等。
<cstdio>（或C风格的<stdio.h>）：虽然这不是C++特有的I/O库，但C++标准库也包含了C标准I/O库的头文件，以支持C风格的输入输出函数，如printf、scanf、fgets、fputs等。这些函数提供了与C++流不同的输入输出方式，有时在需要更细粒度控制或与C代码交互时很有用。

三、标准输出流（cout）

在C++中，标准输出流cout是一个非常重要的对象，它用于向标准输出设备（通常是控制台或终端）发送数据。cout是ostream类的一个实例，该类定义在<iostream>头文件中。通过使用cout和插入操作符（<<），我们可以将文本、变量值、表达式结果等输出到控制台。

1. 基本用法

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    cout << "Hello, World!" << endl; // 输出字符串并换行
    int number = 42;
    cout << "The number is: " << number << endl; // 输出字符串和变量值
    double pi = 3.14159;
    cout << "The value of pi is approximately " << pi << endl; // 输出字符串和浮点数
    return 0;
}

2. 格式化输出

虽然cout本身不提供直接的格式化选项（如设置宽度、精度等），但你可以使用<iomanip>头文件中的操纵符来格式化输出。

#include <iostream>
#include <iomanip> // 引入格式化操纵符
using namespace std;

int main() {
    double pi = 3.141592653589793;
    cout << fixed << setprecision(3) << pi << endl; // 以固定的小数点表示法输出，并设置精度为3
    cout << setw(10) << left << "Left" << endl; // 设置字段宽度为10，并左对齐输出"Left"
    cout << setw(10) << right << "Right" << endl; // 设置字段宽度为10，并右对齐输出"Right"
    return 0;
}

3. 缓冲

cout是缓冲的，这意味着当你向cout写入数据时，这些数据首先被存储在内存中的一个缓冲区中，而不是立即发送到输出设备。当缓冲区满、显式刷新缓冲区（如使用endl或flush操纵符），或程序正常结束时，缓冲区的内容才会被发送到输出设备。

4. 错误处理

如果cout在输出过程中遇到错误（例如，如果输出被重定向到了一个无效的文件句柄），它可能会进入错误状态。你可以使用cout.fail()来检查cout是否处于错误状态，使用cout.clear()来重置其状态。但是，在大多数情况下，处理cout的错误状态并不是必需的，因为控制台输出通常不会失败。

5. 注意事项

在多线程程序中，多个线程可能会同时尝试写入cout，这可能会导致输出交错或混乱。为了避免这种情况，你可能需要使用互斥锁或其他同步机制来保护对cout的访问。
尽管cout主要用于控制台输出，但它也可以被重定向到文件或其他输出流。这可以通过将cout与文件流对象绑定来实现。

四、标准输入流（cin）

C++ 标准输入流 cin 是用于从标准输入设备（通常是键盘）读取数据的对象。它是 istream 类的一个实例，该类定义在 <iostream> 头文件中。通过使用 cin 和提取操作符（>>），我们可以读取整数、浮点数、字符、字符串等类型的数据。

1. 基本用法

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int number;
    cout << "Enter a number: ";
    cin >> number; // 读取一个整数
    cout << "You entered: " << number << endl;

    double pi;
    cout << "Enter the value of pi: ";
    cin >> pi; // 读取一个浮点数
    cout << "The value of pi is: " << pi << endl;

    string name;
    cout << "Enter your name: ";
    getline(cin, name); // 使用getline读取一行文本到字符串中
    cout << "Hello, " << name << "!" << endl;

    // 注意：在读取字符串之前使用cin读取其他类型的数据时，可能需要清理输入缓冲区
    // 以避免getline直接读取到之前的换行符

    return 0;
}

2. 错误处理

如果 cin 在读取数据时遇到错误（例如，用户输入了非法的数据类型），它会进入错误状态。你可以使用 cin.fail() 来检查 cin 是否处于错误状态，使用 cin.clear() 来重置其状态，以及使用 cin.ignore() 来忽略掉导致错误的输入字符（通常是直到下一个换行符）。

if (cin.fail()) {
    cout << "Invalid input. Please enter a number." << endl;
    // 清除错误状态
    cin.clear();
    // 忽略掉导致错误的输入（通常是直到下一个换行符）
    cin.ignore(numeric_limits<streamsize>::max(), '\n');
}

3. 注意事项

当使用 cin 读取不同类型的数据时，如果输入的数据类型与期望的不匹配，cin 会进入错误状态，并且后续的读取操作可能会受到影响，直到错误状态被清除。
在读取字符串之前，如果使用了 cin 来读取其他类型的数据（如整数或浮点数），并且输入流中留下了换行符，getline 可能会立即读取到这个换行符并返回空字符串。为了避免这种情况，可以在 getline 调用之前使用 cin.ignore() 来忽略掉这个换行符。
在处理输入时，考虑到用户可能会输入非预期的数据是很重要的，因此应该添加适当的错误处理逻辑来确保程序的健壮性。
在多线程程序中，多个线程可能会同时尝试从 cin 读取数据，这可能会导致未定义的行为。因此，在多线程程序中，你应该使用互斥锁或其他同步机制来保护对 cin 的访问。然而，在大多数控制台应用程序中，这通常不是问题，因为标准输入通常是顺序访问的。

五、标准错误流（cerr）

在C++中，标准错误流 cerr 是用于输出错误消息和警告信息的对象。它是 ostream 类的一个实例，但与标准输出流 cout 不同，cerr 通常不经过缓冲区直接输出到标准错误设备（通常是控制台，但也可能被重定向到文件或其他输出流）。这意味着使用 cerr 输出的内容会立即显示在屏幕上，而不需要等待缓冲区满或程序结束。

1. 基本用法

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 假设这里有一些代码，可能会遇到错误情况
    cerr << "Error: An error occurred!" << endl;
    // 错误消息会立即显示在屏幕上

    // 继续执行其他操作...

    return 0;
}

2. 与 cout 的比较

缓冲：cout 是缓冲的，而 cerr 通常不是（尽管这取决于具体的实现和配置）。因此，cerr 的输出会立即显示，而 cout 的输出可能会延迟。
用途：cout 用于正常的输出，如程序的结果或中间状态信息；而 cerr 用于输出错误消息和警告，这些信息对于用户来说通常是紧急且重要的。
重定向：在将输出重定向到文件时，cout 和 cerr 可以被分别重定向到不同的文件。这允许你将正常的输出和错误消息分开处理。

3. 错误处理

虽然 cerr 主要用于输出错误消息，但你的程序仍然需要处理导致这些错误的情况。cerr 本身并不提供错误处理机制；它只是提供了一个输出错误的渠道。你应该在代码中添加适当的逻辑来检测错误条件，并使用 cerr 来通知用户。

4. 注意事项

在多线程程序中，多个线程可能会同时尝试写入 cerr。虽然这通常不会导致数据损坏（因为 cerr 通常是未缓冲的），但输出可能会交错或混乱。为了避免这种情况，你可能需要使用互斥锁或其他同步机制来保护对 cerr 的访问。
某些情况下，你可能希望即使发生错误也继续执行程序的其余部分。在这种情况下，你应该在输出错误消息后继续执行代码，而不是立即退出程序。
记住，cerr 是用于输出错误消息的，而不是用于调试信息。对于调试目的，你可能想要使用调试器或更专门的日志记录机制。

六、标准日志流（clog）

标准日志流（clog）在C++中是一个预定义的对象，它是ostream类的一个实例，用于将日志信息输出到标准错误设备（通常是控制台，但也可能被重定向到文件或其他输出流）。与cerr类似，clog也附属到标准错误设备，但clog是缓冲的，这意味着每个流插入到clog的内容都会先存储在缓冲区中，直到缓冲区填满或缓冲区被刷新时才会输出。

1. 基本用法

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 假设这里有一些代码，可能需要记录日志信息
    clog << "Log message: This is a log entry." << endl;
    // 日志消息会存储在缓冲区中，直到缓冲区满或程序显式刷新缓冲区

    // 继续执行其他操作...

    return 0;
}

2. 与 cerr 的比较

缓冲：cerr 通常是非缓冲的（尽管这取决于具体的实现和配置），而 clog 是缓冲的。这意味着使用 cerr 输出的内容会立即显示在屏幕上，而 clog 的输出可能会延迟。
用途：虽然 cerr 和 clog 都用于输出到标准错误设备，但通常建议使用 cerr 来输出错误消息和警告，这些消息对于用户来说是紧急且重要的。而 clog 则更适用于输出日志信息，这些信息对于程序的调试和监控可能很有用，但不一定需要立即显示给用户。

3. 注意事项

在多线程程序中，多个线程可能会同时尝试写入 clog。由于 clog 是缓冲的，这可能会导致输出交错或混乱。为了避免这种情况，你可能需要使用互斥锁或其他同步机制来保护对 clog 的访问。
当你需要记录详细的日志信息时，clog 是一个很好的选择。然而，请注意不要将过多的日志信息输出到 clog，因为这可能会影响程序的性能，并使得在控制台或日志文件中查找重要信息变得更加困难。
在某些情况下，你可能希望将日志信息输出到文件而不是控制台。这可以通过将 clog 与文件流对象绑定来实现。例如，你可以使用 clog.rdbuf(filebuf) 来将 clog 的缓冲区与文件流对象的缓冲区关联起来。