【C++】C++的IO流

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"。

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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：

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。

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

6. istream 类型对象转换为逻辑条件判断值

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

   cplusplus.com/reference/istream/istream/operator>>/

   cplusplus.com/reference/ios/ios/operator_bool/
   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。

   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()
   {
       // 自动识别类型的本质--函数重载
       // 内置类型可以直接使用--因为库里面ostream类型已经实现了
       int i = 1;
       double j = 2.2;
       cout << i << endl;
       cout << j << endl;
   
       // 自定义类型则需要我们自己重载<< 和 >>
       Date d(2022, 4, 10);
       cout << d;
       while (d)
       {
           cin >> d;
           cout << d;
       }
   
       return 0;
   }

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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。

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, { 2023, 11, 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;
}

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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？

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。

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;
}

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：

1. istringstream
2. ostringstream
3. stringstream

分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作，下面主要介绍 stringstream。

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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;
}

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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;
}

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3、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 << "姓名：" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ") ";
    cout <<rInfo._date << endl;
    cout << rInfo._name << ":>" << rInfo._msg << endl;

    return 0;
}

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。