C++ IO流全解析：标准库中的数据处理与文件读写艺术

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🔥 系列专栏：C++从入门到精通

一： 🔥 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。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，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”。

二： 🔥 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。

三： 🔥 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。

🚀 3.1 C++标准IO流

🍐 ios_base 类是基类，ios类 继承了 ios_base。通过 ios又分别设置了两个子类istream 和 ostream 。这两个类分别都有一个实例对象 cin和 cout！此外ostream还要标准错误cerr和日志输出clog。除了标准IO外，istream 和 ostream 还有子类，文件流和string流，来提供特殊的使用！

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!

再来看operator bool , 这个保证了流输入输出可以转换为bool进行一个判断。在输出输入出错时可以进行一个判断。而operator bool 会去检查四个标志值，按照对应映射返回true或false:

goodbit : 表示一切正常！
eofbit : 读取到结束，会设置这个比特位！
failbit ：发生一些基本的逻辑错误，会设置这个比特位！
badbit : 发生不可修复的错误，会设置这个比特位！一般不会遇到种错误！

我们来看一下这四个标志：

string str;


while (cin >> str)
{
	cout << str << endl;
}

// 原型如下  重载了 >> 和 bool  就会返回 true 或 false   通过检查failbit这个标志

while (operator>>(cin, str).operator bool())
{
	cout << cin.good() << endl;     // 1
	cout << cin.eof() << endl;      // 0  
	cout << cin.bad() << endl;      // 0
	cout << cin.fail() << endl;     // 0  

	cout << str << endl;
}

🚀 istream类型对象转换为逻辑条件判断值

🍐 实际上我们看到使用 while(cin>>i) 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。

🚀 3.2 C++IO的性能

💢 C++为了兼容C语言，会做出一些妥协优化。C语言的缓冲区只有遇到刷新标志时才会进行刷新，而如果printf缓冲区还没有刷新，我们使用cout会出现什么情况？会先把printf缓冲区刷新出来，再打印cout输出的内容，所以cout之前会先对缓冲区进行检查！所以C++风格IO需要和C风格IO进行缓冲区同步！

并且iostream库中的缓冲区通常是动态分配的，而stdio库中的缓冲区通常是静态分配的。动态分配和释放内存比静态分配内存要慢。

在上面的输出格式中我们看到iostream库支持丰富的格式化选项，C++风格IO需要再运行时进行解析处理，但是C风格IO在编译时就已经确认好输出格式了，这减少了运行时的开销。

对于有大量IO的场景，C++的IO效率会比C风格IO慢，可以使用下面三行代码来进行优化：

ios_base::sync_with_stdio(0);
cin.tie(nullptr);
cout.tie(nullptr);

ios_base::sync_with_stdio(0)
🎯 这行代码的作用是取消 C++ 的 iostream 库与 C 的 stdio 库的同步。通过将 sync_with_stdio 设置为 false，可以解除这种同步，从而提高 I/O 的性能。但是，这样做之后，就不能在同一个程序中混合使用 iostream 和 stdio 函数了，因为它们不再保持同步。
cin.tie(nullptr)
🎯 在默认情况下，cin 和 cout 是绑定在一起的，这意味着每次读取 cin 或写入 cout 后，都会立即刷新 cout 的缓冲区。这确保了输入输出操作的顺序性，但可能会导致性能下降。通过将 cin 的绑定解除，可以防止在每次读取输入时自动刷新输出缓冲区，从而提高性能。
cout.tie(nullptr)
🎯 类似于对 cin 的操作，这行代码将 cout 的绑定解除。默认情况下，cout 与 cin 绑定，当 cin 被读取时，cout 的缓冲区会被刷新。将 cout 的.tie()设置为 nullptr，可以防止 cout 在 cin 被读取时自动刷新，从而提高性能。

🚀 3.3 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：

定义一个文件流对象

ifstream (只输入用)
ofstream (只输出用)
fstream (既输入又输出用) (继承了ifstream和ofstream)

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。
open：打开文件，可以设置对应的打开方式和C语言很类似。
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。
关闭文件。

打开方式	功能
in	Input mode (输入模式)。打开文件用于输入操作
out	Output mode (输出模式)。打开文件用于输出操作
app	Append mode (追加模式)。在每次写入时，数据将被追加到文件的末尾，而不是覆盖现有内容
binary	Binary mode (二进制模式)。以二进制方式打开文件，不进行任何字符转换。这对于非文本文件（如图像或可执行文件）是必要的。
ate	At end mode (文件末尾模式)。打开文件时，文件指针定位到文件末尾。
trunc	Truncate mode (截断模式)。如果文件已经存在，则在打开时将其长度截断为0，即删除文件中的所有内容

🍐 写入操作可以使用<<进行流写入，也可以通过write写入一个缓冲区字符串。读取操作可以通过>>来一个一个字符读取，也可以通过read直接读取到缓冲区中。

🌰 代码示例：

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

int main()
{
	ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 80, { 2022, 4, 10 } };
	// 二进制读写
	ConfigManager cf_bin("test.bin");
	cf_bin.WriteBin(winfo);
	ServerInfo rbinfo;
	cf_bin.ReadBin(rbinfo);
	cout << rbinfo._address << " " << rbinfo._port << " "
		<< rbinfo._date << endl;
	// 文本读写
	ConfigManager cf_text("test.text");
	cf_text.WriteText(winfo);
	ServerInfo rtinfo;
	cf_text.ReadText(rtinfo);
	cout << rtinfo._address << " " << rtinfo._port << " " <<
		rtinfo._date << endl;
	return 0;
}

四： 🔥 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？

使用 itoa() 函数
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：

将数值类型数据格式化为字符串

#include<sstream>

int main()
{
	int a = 12345678;
	string sa;
	// 将一个整形变量转化为字符串，存储到string类对象中
	stringstream s;
	s << a;
	s >> sa;
	
	// clear()
	// 注意多次转换时，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
	// s.str("");
	// 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
	
	s.str("");
	s.clear(); // 清空s, 不清空会转化失败
	double d = 12.34;
	s << d;
	s >> sa;
	string sValue;
	sValue = s.str(); // str()方法：返回stringsteam中管理的string类型
	cout << sValue << endl;
	
	return 0;
}

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;
}

序列化和反序列化结构数据

struct ChatInfo
{
	string _name; // 名字
	int _id; // id
	Date _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：

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。
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。
可以使用 s. str("") 方法将底层 string 对象设置为""空字符串。
可以使用 s.str() 将让 stringstream 返回其底层的 string 对象。
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。