【C/C++】IO流

目录

前言:

一,C语言的I/O流

二,C++的I/O流

2-1,C++标准IO流

2-2,IO流的连续输入


前言:

"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的抽象描述。I/O是指输入输出设备。C/C++的I/O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。它的特性是有序连续性和方向性。


一,C语言的I/O流

C语言中我们用到的最频繁的输入输出方式就是scanf()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。除此外C语言还提供了类似于fprintf、fscanf等等专门控制I/O的函数接口。C语言借助了相应的缓冲区来进行输入与输出(缓冲器的专门讲解:缓冲区),如下图所示:

输入输出缓冲区优点:

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,减少因频繁地、小块地读写数据而产生的性能开销。这里的缓冲区可一次性存入这些数据,等到刷新缓冲区时将进行输入/输出。

C语言对于I/O这块需注意缓冲区的刷新,我们来观看以下C语言的代码问题。

#include <stdio.h>
int main()
{
char password[20] = { 0 };
printf("请输入密码: ");
scanf("%s", password);
printf("请确认密码(Y/N): ");
char input = 0;
scanf("%c", &input); //注意:这块开始出问题
if (input == 'Y')
printf("确认成功\n");
else
printf("确认失败\n");
return 0;
}

scanf 函数的原理就是行缓冲,即输入回车('\n')就会刷新缓冲区。不过需要注意,用户最后输入的回车也会储存在缓冲区。上面代码的问题就出现在scanf的行刷新,当输入完 password 并回车后,缓冲区中还存在回车这个残留字符,当再次进行input流操作时,缓冲区将其字符赋给input并自动刷新(因为缓冲区已经没有数据了),即input == '\n',就会出现上面那种情况。这里需要将缓冲区里面残留字符给去掉或使用 fflush强制刷新缓冲区,但 fflush在有些编译器是没有的,它不属于C标准,不推荐使用。

#include <stdio.h>
int main()
{
char x = 0, y = 0;
scanf("%c", &x);
printf("x = %c\n", x);

//将缓冲区中的'\n'拿出,即清理缓冲区,若需要清理大部分字符,这里要使用循环语句
getchar();
scanf("%c", &y);
if (y == '\n')
printf("y == \\n\n");
else
printf("y = %c\n", y);
return 0;
}

输出一:没有getchar清理缓冲区字符

输出二:getchar清理缓冲区字符


二,C++的I/O流

2-1,C++标准IO流

C++的I/O底层原理与C语言一样,但C++系统实现了一个庞大的类库来实现I/O流操作,其中ios为基类,其他类都是直接或间接派生自ios类。

其中,istream(输入流)和ostream(输出流)是I/O(输入/输出)流类的重要组成部分,它们定义了进行I/O操作的基本接口。cin、cout、cerr、clog都是istreamostream的实例。这两个类及其派生类(如ifstreamofstream等)允许程序员以一种简洁且灵活的方式与各种数据源(如文件、控制台等)进行交互。

istream(输入流)定义了从数据源(如文件、控制台等)读取数据的基本操作,它包含了一系列以 operator>>形式出现的成员函数,用于读取不同类型的数据。其中我们常用于从控制台读取数据的cin就是istream的一个实例,而cin只有把输入缓冲区中的数据取完后(即刷新缓冲区),才要求输入新的数据,补足了C语言的scanf的缺陷。

ostream(输出流)定义了向数据目标(如文件、控制台等)写入数据的基本操作,它包含了一系列以 operator<<形式出现的成员函数,用于写入不同类型的数据。其中我们常用于向控制台写入数据的cout就是ostream的一个实例,而平常与cout连用的std::endl操作符不仅插入了一个换行符,还刷新了与std::cout关联的输出缓冲区。

C++标准IO流除了cout标准输出和cin标准输入外,还有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,一般情况下cout用的比较多。

C++的标准IO流之所以能够直接输出内置类型数据,是因为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,若需要支持cin和cout的标准输入输出,需要对 << 和 >>进行重载。

总的来说,C++的IO流是使用面向对象+运算符重载的方式实现的,它识别类型的本质是函数重载,内置类型可以直接使用是因为库里面istream/ostream类型已经实现了,自定义类型则需要自己重载<< 和 >>,也就是说C++的这种IO模式能够更好的兼容自定义类型,流插入和流提取。

2-2,IO流的连续输入

编程算法中有些情况会出现不断输入的情况,如:while (cin >> a){.....},结束输入的情况很多时候都是使用快捷键:Ctrl + c解决(Ctrl + c是向系统内部发送结束当前进程的信号,直接暴力杀死进程)。

实际上我们看到使用while (cin >> a){.....}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,即while(cin >> a)实际上是while (operator>>(cin, a)),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有结束标志时,则返回false。任何类型只要想判断,只用重载一个operator bool()即可。

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)
{}
//重载bool类型,用于循环语句的判断

operator bool()
{
//这里假设输入_year为0时结束
if (_year == 0)
return false;
else
return true;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
//实现Date类的流插入和流提取
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;
}
int main()
{
Date d(2024, 6, 7);
cout << "输出: " << d << endl;
while (d)
{
cin >> d;
cout << "输出: " << d << endl;
}
return 0;
}

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