深蓝学院C++基础与深度解析笔记第 7 章深入 IO

1. IOStream 概述（I：输入，O：输出）

●IOStream 采用流式 I/O 而非记录 I/O (类似于数据库)，但可以在此基础上引入结构信息
● 所处理的两个主要问题：

– 表示形式的变化：使用格式化 / 解析在数据的内部表示与字符序列间转换
– 与外部设备的通信：针对不同的外部设备（终端、文件、内存）引入不同的处理逻辑

● 所涉及到的操作

– 格式化 / 解析
– 缓存
– 编码转换
– 传输

● 采用模板来封装字符特性，采用继承来封装设备特性

– 常用的类型实际上是类模板实例化的结果

eg: ifstream,使用模板逐步细化
在这里插入图片描述

2. 输入与输出

输入与输出分为格式化与非格式化两类
**A、非格式化 I/O ：**不涉及数据表示形式的变化，非格式化对人类阅读很不友好

– 常用输入函数： get（一个） / read （多个）/ getline（一行） / gcount（缓存里剩余的）
– 常用输入函数： put（一个） / write（多个）

B、格式化 I/O ： 使用移位操作符来进行的输入 (>>) 与输出 (<<)

– C++通过操作符重载以支持内建数据类型的格式化 I/O
– 可以通过重载操作符以支持自定义类型的格式化 I/O

● 格式控制

setf()

– 可接收位掩码类型（ showpos 修改某一位 ）、字符类型（ fill() 填充参数字符）与取值相对随意（ width() ,可以接收整数，加参数个空格）的格式化参数
– 注意 width() 方法的特殊性：触发后被重置

补充：关于showpos ：
在C++中，showpos是一个用于控制输出流的格式标志，它在输出正数时显示加号（+），而在输出负数时显示负号（-）。它主要用于调整输出的格式，使得输出的数值更易读。

要使用showpos标志，你需要包含<iostream>头文件，并使用std::showpos函数或使用std::ios_base::showpos成员函数来设置输出流的格式标志。

下面是一个使用showpos的简单示例：

#include <iostream>

int main() {
    int number = 10;
    double value = -3.14;

    std::cout << std::showpos;         // 设置输出流的格式标志为showpos（+-）
    std::cout << number << std::endl;  // 输出：+10
    std::cout << value << std::endl;   // 输出：-3.14

    return 0;
}

在上面的示例中，通过设置std::cout的showpos标志，输出的整数number在前面显示了一个加号，而输出的浮点数value在前面显示了一个负号。

需要注意的是，showpos标志仅影响整数和浮点数类型的输出，对于其他类型（如字符串、字符等）则不起作用。另外，showpos标志是一个永久性的标志，即一旦设置后，后续的输出将一直保持该格式，除非通过其他方式取消设置。

如果你想取消showpos标志的设置，可以使用std::noshowpos函数或std::ios_base::noshowpos成员函数来清除输出流的格式标志。例如：

std::cout << std::noshowpos;  // 取消showpos标志的设置

这样，后续的输出将不再显示加号或负号。
● 操纵符

– 简化格式化参数的设置
– 触发实际的插入与提取操作

setw()函数是定义在头文件中的一个函数，用于设置输出流中字段的宽度。
注意：setw()函数触发后被重置，只影响其后的输出项，即只对紧随其后的输出产生作用。如果想要持久设置输出流的字段宽度，可以使用std::setfill()函数。

另外，需要包含头文件才能使用setw()函数。

● 提取会放松对格式的限制，例如输入 ‘+a’只输出‘+’；
● 提取 C 风格字符串时要小心内存越界：
在这里插入图片描述
避免方法：可以使用setw()设置边界:

3. 文件与内存操作

A、文件操作

basic_fstream： basic_ifstream （读取）/ basic_ofstream（写入）
ifstream和ofstream是C++标准库中用于文件输入和输出的两个类。它们都是从基类fstream派生而来。
文件流可以处于打开 / 关闭两种状态，处于打开状态时无法再次打开，只有打开时才能 I/O。
当使用std::ofstream outFile(“my_file”); 这种方式时，不必进行打开关闭动作，程序会自动打开关闭的。或者使用一个域。

一般都是先写入缓存，再写到终端/文件中去

B、文件流的打开模式

– 每种文件流都有缺省的打开方式
– 注意 ate 与 app 的异同
– binary 能禁止系统特定的转换
– 避免意义不明确的流使用方式（如 ifstream + out ）

缺省的打开例子：在这里插入图片描述

C、六种文件流的打开模式： 在这里插入图片描述
in | out 读写文件时，打开文件一般位于文件开头；
ate：起始位置位于文件末尾，这个位置可以移动
app：起始位置位于文件末尾，这个位置不可以移动

D、合理的文件打开组合：
在这里插入图片描述
E、内存流相关
● 内存流： basic_istringstream / basic_ostringstream / basic_stringstream
● 也会受打开模式： in / out / ate / app 的影响
● 使用 str() 方法获取底层所对应的字符串
– cpp风格的字符串.c_str()是合理的
– 小心使用 str().c_str() 的形式获取 C 风格字符串,以下为指向一块已经释放的内存，即未定义：
在这里插入图片描述
● 基于字符串流的字符串拼接优化操作

4. 流的状态、定位与同步

A、流的状态
●iostate
– failbit / badbit / eofbit / goodbit: 在这里插入图片描述

● 检测流的状态
– good( ) / fail() / bad() / eof() 方法
– 转换为 bool 值（参考cppreference）
在这里插入图片描述
从级别来看：fail() < bad()

● 注意区分 fail 与 eof
– 可能会被同时设置，但二者含意不同
– 转换为 bool 值时不会考虑 eof
eof 表示到了尾部的位置
● 通常来说，只要流处于某种错误状态时，插入 / 提取操作就不会生效
● 复位流状态

– clear ：设置流的状态为具体的值（缺省为 goodbit ）
– setstate ：将某个状态附加到现有的流状态上

● 捕获流异常：exceptions方法
在这里插入图片描述

B、流的定位
● 获取流位置
– tellg() / tellp() 可以用于获取输入 / 输出流位置 (pos_type 类型 )
– 两个方法可能会失败，成功时为当前可以输入的位置指示器，若流失败、异常时候会出现失败则为 pos_type(-1)

#include <iostream>
#include <sstream>
int main()
{
    std::ostringstream s;
    std::cout << s.tellp() << '\n';
    s << 'h';
    std::cout << s.tellp() << '\n';
    s << "ello, world ";
    std::cout << s.tellp() << '\n';
    s << 3.14 << '\n';
    std::cout << s.tellp() << '\n' << s.str();
}

输出：

0
1
13
18
hello, world 3.14

● 设置流位置
– seekg() / seekp() 用于设置输入 / 输出流的位置
– 这两个方法分别有两个重载版本：
● 设置绝对位置：传入 pos_type 进行设置
● 设置相对位置：
通过偏移量（字符个数 ios_base::beg ） + 流位置符号的方式设置

– ios_base::beg 
– ios_base::cur
– ios_base::end

seekg()：设置当前关联 streambuf 对象的输入位置指示器。

#include <iostream>
#include <string>
#include <sstream>
 
int main()
{
    std::string str = "Hello, world";
    std::istringstream in(str);
    std::string word1, word2;
 
    in >> word1;
    in.seekg(0); // 回溯
    in >> word2;
 
    std::cout << "word1 = " << word1 << '\n'
              << "word2 = " << word2 << '\n';
}

C、流的同步
● 基于 flush() / sync() / unitbuf 的同步

– flush() 用于输出流同步，刷新缓冲区
– sync()  用于输入流同步，其实现逻辑是编译器所定义的
– 输出流可以通过设置 unitbuf 来保证每次输出后自动同步

在这里插入图片描述
或

或

unitbuf 会立即刷新，但是会影响性能

补充：std::cout 和std::cerro有什么区别？
std::cout 和 std::cerr 是 C++ 标准库中用于输出的流对象，但它们在以下几个方面有所不同：

输出位置： std::cout 对应标准输出流（stdout），而 std::cerr 对应标准错误流（stderr）。这意味着通过 std::cout 输出的内容会显示在正常的输出中，而 std::cerr 输出的内容则被视为错误信息，并显示在错误流中。
缓冲机制： std::cout 使用标准输出缓冲区，而 std::cerr 使用非缓冲的错误流。这意味着 std::cout 输出的内容通常会在缓冲区满、换行符出现或程序正常终止时刷新并显示，而 std::cerr 的输出则会立即显示，无需等待缓冲区刷新。
用途： std::cout 主要用于一般的标准输出，例如打印程序的正常输出、结果等。而 std::cerr 则常用于报告错误、警告和异常情况，以便能够及时注意和处理程序中的问题。

由于 std::cerr 是一个非缓冲的流，并且将其输出视为错误信息，因此在编写调试代码和处理异常时，使用 std::cerr 可以获得更及时和准确的错误报告，以便于调试和追踪问题。而 std::cout 则适合用于一般的输出和日志记录。

需要注意的是，std::cout 和 std::cerr 都是流对象，可以像其他流一样使用流操作符（<<）来输出数据。例如：

#include <iostream>

int main() {
    int value = 42;
    std::cout << "Value: " << value << std::endl; // 正常输出
    std::cerr << "Error: Something went wrong!" << std::endl; // 错误输出
    return 0;
}

在使用时，根据你的需求选择适当的输出流对象。-end

● 基于绑定 (tie) 的同步

– 流可以绑定到一个输出流上，这样在每次输入 / 输出前可以刷新输出流的缓冲区
– 比如： cin 绑定到了 cout 上,所以输入之前的输出 都会打印出来

● 与 C 语言标准 IO 库的同步

– 缺省情况下， C++ 的输入输出操作会与 C 的输入输出函数同步

可以通过 sync_with_stdio 关闭该同步

本章大量参考了：cppreference 中流相关的内容。