「前言」文章是关于C++的 IO 流的讲解。

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)，使用时需要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 为父类，其他类都是直接或间接派生自 ios 类。

3.1 C++标准IO流

C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog。

  1. 使用 cout 进行标准输出，即数据从内存流向控制台(显示器)。
  2. 使用 cin 进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中，
  3. 同时C++标准库还提供了 cerr 用来进行标准错误的输出，
  4. 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：使用这4个流的时候必须要包含文件并引入 std 标准命名空间。

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。

例如，使用 cin 无法将含空格的字符串"hello world"输入到 string 对象中。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string s;
	cin >> s;          //输入："hello world"
	cout << s << endl; //输出："hello"
	return 0;
}

对于含有空格的字符串，我们需要使用 getline 函数进行读取，因为 getline 函数只有遇到’\n’才会停止读取。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	string s;
	getline(cin, s);   //输入："hello world"
	cout << s << endl; //输出："hello world"
	return 0;
}

（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）在线 OJ 中的输入和输出。

对于IO类型的算法，一般都需要循环输入，连续输入时，vs系列编译器下在输入ctrl+Z时结束。

// 单个元素循环输入
while(cin>>a)
{
    // ...
}
// 多个元素循环输入
while(c>>a>>b>>c)
{
    // ...
}
// 整行接收
while(cin>>str)
{
    // ...
}

（7）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。

istream& operator>> (int& val);
explicit operator bool() const;

测试代码： 

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()
{
	// 自定义类型则需要我们自己重载<< 和 >>
	Date d(2023, 5, 22);
	cout << d << endl;
    
	while (d)//operator bool()，函数里面规定只要年输入为0就为false
	{
		cin >> d;
		cout << d << endl;;
	}
	return 0;
}

测试

3.2 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，操作文件的类有以下三个：

  • ifstream ifile(只读)
  • ofstream ofile(只写)
  • fstream iofile(可读可写)

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。

文件常见的打开方式如下：

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。

以二进制的形式操作文件 

以二进制的形式对文件进行写入操作： 

#include <fstream>

int main()
{
	ofstream ofs("log.txt", ios_base::out | ios_base::binary);//以二进制写入的方式打开
	char buffer[] = "hello world——aaaaaaaaa..!!";
	ofs.write(buffer, sizeof(buffer));
	ofs.close();
	return 0;
}

以二进制的形式对文件进行读取操作：

int main()
{
	ifstream ifs("log.txt", ios_base::in | ios_base::binary);//以二进制读取的方式打开
	
	ifs.seekg(0, ifs.end); //跳转到文件末尾
	int length = ifs.tellg(); //获取当前字符在文件当中的位置，即文件的字符总数
	ifs.seekg(0, ifs.beg); //重新回到文件开头
	char buffer[100];//读取到的数据存在buffer里面
	ifs.read(buffer, length);
	// 处理读取到的数据
	for (int i = 0; i < length; i++) 
	{
		cout << buffer[i];
	}
	cout << endl;
	ifs.close();
	return 0;
}

注意：使用二进制的方式进行读取不能使用 string，否则程序会读取异常，虽然在一个进程里面读取没有问题，一个程序写入，另一个程序读取就会出现问题。

使用二进制的方式进行操作文件，很不方便，一般都是使用文本的方式操作文件。

以文本的形式操作文件

对文件的操作一般喜欢使用流的方式进行读取，更加方便，可以不使用类的成员函数。

以文本的形式对文件进行写入操作：

int main()
{
	ofstream ofs("log.txt");//ofstream不指定打开方式，默认以写的方式打开
	//使用流的方式更方便，不使用类的成员函数
	ofs << "hello world——aaaaaaaaa..!!!!!!!!!11111111";
	ofs.close();
	return 0;
}

 以文本的形式对文件进行读取操作：

int main()
{
	ifstream ifs("log.txt");//ifstream默认以读的方式打开
	
	string s1;//读取到的数据存在s1里面
	string s2;//读取到的数据存在s2里面
	ifs >> s1 >> s2;//读取到空格就停下了

	cout << s1 <<  " " << s2 << endl;
	ifs.close();

	return 0;
}

注意：

  • 使用 ofstream 类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以写的方式打开文件；
  • 使用 ifstream 类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以读的方式打开文件；
  • 使用 fstream 类对象的open函数时，若不指定打开方式，则默认以写+读的方式打开文件。

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：

  • 使用 itoa() 函数。
  • 使用 sprintf() 函数。
int main()
{
	int n = 123456789;
	char s1[32];
	_itoa(n, s1, 10);

	char s2[32];
	sprintf(s2, "%d", n);
	char s3[32];
	sprintf(s3, "%f", n);
	return 0;
}

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。

类对应操作
istringstream输入
ostringstream输出
stringstream输出+输入输出

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。

#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;
}

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;
}

运行结果

strResult is: first string, second string
After clear, strResult is: third string

3. 序列化和反序列化结构数据

struct ChatInfo
{
    string _name; // 名字
    int _id; // id
    string _msg; // 聊天信息
};
int main()
{
    // 结构信息序列化为字符串
    ChatInfo winfo = { "张三", 135246, "看电影吧" };
    ostringstream oss;
    oss << winfo._name << " " << winfo._id << " " << 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._msg;
    cout << "--------------------------------------------"
        << endl;
    cout << "姓名：" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ") " << endl;
    cout << rInfo._name << ":>" << rInfo._msg << endl;
    cout << "--------------------------------------------"
        << endl;
    return 0;
}

运行结果

张三 135246 看电影吧

--------------------------------------------
姓名：张三(135246)
张三:>看电影吧
--------------------------------------------

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。

--------------- END ---------------

「 作者 」 枫叶先生
「 更新 」 2023.5.23
「 声明 」 余之才疏学浅，故所撰文疏漏难免，
          或有谬误或不准确之处，敬请读者批评指正。