【C++】IO流

文章目录

• 一、C语言的输入与输出
• 二、流是什么？
• 三、C++IO流
• • [1. C++标准IO流](#1. C++标准IO流)
  • [2. C++文件IO流](#2. C++文件IO流)
• 四、stringstream简单介绍

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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()。

1. scanf(): 从标准输入设备(键盘)读取数据，并将值存放在变量中。
2. 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"。

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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。

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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：

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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，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。在使用时候必须要包含文件并引入std标准命名空间。

💕 注意：

• 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。
• 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。
• 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。
• 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:
  
• 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。

💕 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/输出：严格按照题目的要求进行，多一个少一个空格都不行。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，元素为内置类型
while (cin >> a)
{
	// ...
}
// 多个元素循环输入
while (cin >> a >> b >> c)
{
	// ...
}
// 整行接收--元素为string类型
while (cin >> str)
{
	// ...
}

string类中重载了流提取运算符 operator>> 的返回值是istream类型的对象。

但在实际应用中其实只有三种类型的数据类型能够用来作为逻辑判断：

• 整形：非0代表真，0代表假
• 指针类型： 非空代表真，nullptr代表假
• bool类型：true代表真，false代表假

而istream作为自定义类型的对象能够作为逻辑判断的条件的原因是istream内部重载了bool。

所以，由于 istream 类中重载了流提取运算符，所以当我们使用 while (cin >> str) 去流中提取对象数据时，调用的是 operator>>，该函数返回一个 istream类型的对象；同时，因为 istream 类中还重载了 bool，所以 istream 对象会去调用 operator bool 函数；operator bool 调用时如果接收流失败，或者有结束标志，返回 false，否则返回 true；所以这里自定义类型 istream 的对象可以用作逻辑条件值。

注：在需要 bool 类型的地方，比如条件判断处，编译器会自动调用 operator bool函数，将自定义类型转化为 bool 类型。同时，operator bool函数被 explicit关键字修饰，这是防止隐式地将一个类对象转换成 bool 类型，从而在条件判断上造成误解。

注意：并不是一定要重载 bool 类对象才能作为逻辑条件值，重载整形、指针类型都可以，因为它们都能够进行逻辑判断。同时，operator bool其本质是通过重载将自定义类型转化为内置类型，它的使用可以不仅仅局限于用作逻辑条件值，也可以用作其他地方。

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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
   • ifstream ifile(只输入用)
   • ofstream ofile(只输出用)
   • fstream iofile(既输入又输出用)
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

下面我们来看一下C++中用于文件操作的类：ifstream/ofstream/fstream 之间的关系：

下面我们以fstream类为例来解释一下C++中面向对象的文件操作，其他两个类的使用和fstream的使用基本一致。

• 无参构造：创建一个未与任何文件关联的流对象，即不会打开任何文件。当使用默认构造函数创建 fstream 对象时，我们需要使用 open 函数来让对象与一个文件相关联。
  

• 带参构造：需要指定要打开的文件名以及文件的打开方式；如果要以多种方式打开，则需要使用 | 运算符。C++ 文件的打开方式如下：其中 in/out 表示该对象对文件进行读/写操作，binary/ate/app/trunc 分别表示向文件中读取/写入数据的格式 -- 二进制读取或写入/文件尾写入/追加写入/写入前清空文件内容。
  

特别注意：fstream 默认情况下以只读形式打开文件，以文本格式向文件中读取和写入数据。同时，文件对象在析构时会自动调用 close 成员函数关闭文件；当然，我们也可以手动调用 close 来关闭文件。

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在实际开发中，operator<< 和 operator>> 使用起来非常方便，通过这两个接口向文件中读取和写入数据就和我们向标准输入输出中写入读出数据一样 -- cin 从文件/标准输入读取数据，cout 向文件/标准输出写入数据 (其实本质上标准输入输出也是文件，或者是流)。

struct ServerInfo
{
	char _address[32];

	int _port;
	Date _date;
};

struct ConfigManager
{
public:
	ConfigManager(const char* filename)
		:_filename(filename)
	{}

	// 二进制写
	void WriteBin(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary);
		ofs.write((char*)&info, sizeof(info));
	}

	// 二进制读
	void ReadBin(ServerInfo& info)
	{
		ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);
		ifs.read((char*)&info, sizeof(info));
	}

	// 文本读写 C++文本读写更简单
	// 文本读写本质，内存中任何类型都是转成字符串在写
	// c语言文本读写很不方便，因为要不断转字符串 c++封装了以后就有了很大的优势


	void WriteText(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename);
		ofs << info._address << " ";
		ofs << info._date << " ";
		ofs << info._port << endl;
	}

	void ReadText(ServerInfo& info)
	{
		ifstream ifs(_filename);
		ifs >> info._address;
		ifs >> info._date;
		ifs >> info._port;
	}

private:
	string _filename;
};
int main()
{
	ServerInfo winfo = { "192.0.0.1xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx", 80, { 2023, 7, 11 } };
	string str;
	cin >> str;
	
	if (str == "二进制写")
	{
		ConfigManager cm("test.txt");
		cm.WriteBin(winfo);
	}
	else if (str == "二进制读")
	{
		ServerInfo rinfo;
		ConfigManager cm("test.txt");
		cm.ReadBin(rinfo);
		cout << rinfo._address << " " << rinfo._date << " " << rinfo._port << endl;
	}
	else if (str == "文本写")
	{
		ConfigManager cm("test.txt");
		cm.WriteText(winfo);
	}
	else if (str == "文本读")
	{
		ServerInfo rinfo;
		ConfigManager cm("test.txt");
		cm.ReadText(rinfo);
		cout << rinfo._address << " " << rinfo._date << " " << rinfo._port << endl;
	}
	return 0;
}

注意：如果文件是以二进制格式打开的，则不能直接向文件中写入 string 对象；因为 string 是自定义类型，其中除了有 char* _str字符数组之外，还有很多其他成员变量和成员函数，若直接将其写入到文件中，那么写入的数据就是该对象所占用的内存空间，即对象中成员变量和成员函数的地址，而不是字符串本身的内容，此时的是将地址 _str写入了文件，再对文件内容读取的时，读取到的地址是上一个进程的地址，拿着该地址去内存中取数据就会存在越界访问的问题了。所以，二进制读写不适合需要深拷贝的类型。

但以文本格式打开的文件可以直接向其中写入 string 对象；因为在文本文件中，数据是按照字符编码的形式存储的，即将单个字符转换成相应的数字形式后再存储到文件中，即将堆空间中字符数组对应的 ASCII 值写入到文件。因此，字符串数据可以直接以文本形式写入到文件中，并在读取时直接通过 >> 运算符等操作进行读取。

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四、stringstream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
2. 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。

C++中提供了stringstream类来解决这个问题，stringstream包含在<sstream>头文件中，该头文件下有三个类：istringstream、ostringstream 和 stringstream，分别用来进行流插入、流输出和流输入输出。

💕 数值类型和字符串类型之间的相互转化

int main()
{
	// 数值类型转化成字符串类型
	stringstream oss;
	oss << 100 << " " << 11.22 << " " << "hello";

	string str = oss.str();
	cout << str << endl;

	// 字符串类型转换成数值类型
	stringstream iss(str);
	int i;
	double d;
	string s;
	iss >> i >> d >> s;
	cout << i << endl;
	cout << d << endl;
	cout << s << endl;

	return 0;
}

💕 字符串拼接

int main()
{
	stringstream sstream;
	sstream << "hello" << " ";
	sstream << "world" << endl;
	cout << sstream.str() << endl;
	// sstream.str(""); 清空sstream
	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()
{
	// 结构化数据序列化为字符串
	ChatInfo winfo = { "张三", 135246, { 2022, 4, 10 }, "晚上一起看电影吧" };
	stringstream oss;
	oss << winfo._name << " ";
	oss << winfo._id << " ";
	oss << winfo._date << " ";
	oss << winfo._msg << " ";

	string str = oss.str();
	cout << str << endl << endl << endl;

	// 将stringstream中的字符串反序列化到结构化数据中。
	stringstream iss(str);
	ChatInfo rinfo;
	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;
}

C++ 提供的 stringstream 虽然可以完成序列化与反序列化操作，但是它只适用于小型对象的序列化和反序列化操作。如果需要处理大量的数据，或者需要进行高性能的序列化和反序列化操作，则需要更加专业化的序列化库，比如 Json 和 protobuf，这些我们将在 Linux 网络编程部分进行学习。

注意事项：

• 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。
• 多次进行数据类型转化时，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() 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 (自动扩容)，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，因此使用更加方便和安全。

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