【C++】36.C++IO流

文章目录

[1. C语言的输入与输出](#1. C语言的输入与输出)
[2. 流是什么](#2. 流是什么)
[3. C++IO流](#3. C++IO流)
- [3.1 C++标准IO流](#3.1 C++标准IO流)
- [3.2 C++文件IO流](#3.2 C++文件IO流)
[4. stringstream的简单介绍](#4. stringstream的简单介绍)

1. 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：

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。

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"。

2. 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

3. 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

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，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

cpp 复制代码

// 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)
{
    // ...
}

istream类型对象转换为逻辑条件判断值

cpp 复制代码

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

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。

cpp 复制代码

class Date
{
    // 声明为友元函数，使其能访问私有成员
    friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);
    friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:
    // 构造函数，提供默认参数
    Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
        :_year(year)
        , _month(month)
        , _day(day)
    {}

    // 类型转换运算符，将Date转换为bool类型
    // 用于while(d)这样的条件判断
    operator bool()
    {
        // 示例实现：year为0时返回false，表示结束
        if (_year == 0)
            return false;
        return true;
    }

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

// 重载输入运算符
// 注意：参数Date必须是非const，因为要修改其值
istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{
    in >> d._year >> d._month >> d._day;
    return in;  // 返回流对象以支持连续输入
}

// 重载输出运算符
// 参数Date是const，因为不需要修改其值
ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{
    out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;
    return out;  // 返回流对象以支持连续输出
}

int main()
{
    // 内置类型的输入输出
    int i = 1;
    double j = 2.2;
    cout << i << endl;  // 使用库中已实现的重载
    cout << j << endl;

    // 自定义类型的输入输出
    Date d(2022, 4, 10);
    cout << d;  // 使用我们重载的operator<<

    // 循环输入，直到year为0
    while (d)   // 使用operator bool()进行判断
    {
        cin >> d;   // 使用重载的operator>>
        cout << d;  // 使用重载的operator<<
    }

    return 0;
}

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：

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)

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

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

关闭文件

cpp 复制代码

// 服务器信息结构体
struct ServerInfo
{
    char _address[32];  // 服务器地址
    int _port;         // 端口号
    Date _date;        // 日期（自定义类型）
};

// 配置管理类
struct ConfigManager
{
public:
    // 构造函数，接收文件名
    ConfigManager(const char* filename)
        :_filename(filename)
    {}

    // 二进制写入
    void WriteBin(const ServerInfo& info)
    {
        // 以二进制方式打开文件进行写入
        ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary);
        // 将结构体整块写入
        ofs.write((const char*)&info, sizeof(info));
    }

    // 二进制读取
    void ReadBin(ServerInfo& info)
    {
        // 以二进制方式打开文件进行读取
        ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);
        // 读取整块数据到结构体
        ifs.read((char*)&info, sizeof(info));
    }

    // 文本方式写入
    void WriteText(const ServerInfo& info)
    {
        // 以文本方式打开文件
        ofstream ofs(_filename);
        // 使用流插入运算符写入
        ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date;
    }

    // 文本方式读取
    void ReadText(ServerInfo& info)
    {
        // 以文本方式打开文件
        ifstream ifs(_filename);
        // 使用流提取运算符读取
        ifs >> info._address >> info._port >> info._date;
    }

private:
    string _filename; // 配置文件名
};

int main()
{
    // 创建测试数据
    ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 80, { 2022, 4, 10 } };
    
    // 二进制方式读写测试
    ConfigManager cf_bin("test.bin");
    cf_bin.WriteBin(winfo);     // 写入
    
    ServerInfo rbinfo;
    cf_bin.ReadBin(rbinfo);     // 读取
    cout << rbinfo._address << " " << rbinfo._port << " " 
         << rbinfo._date << endl;

    // 文本方式读写测试
    ConfigManager cf_text("test.text");
    cf_text.WriteText(winfo);    // 写入
    
    ServerInfo rtinfo;
    cf_text.ReadText(rtinfo);    // 读取
    cout << rtinfo._address << " " << rtinfo._port << " " 
         << rtinfo._date << endl;

    return 0;
}

4. 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？

使用itoa()函数

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。

cpp 复制代码

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：istringstream、ostringstream 和 stringstream，分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作，本文主要介绍stringstream。

stringstream主要可以用来：

将数值类型数据格式化为字符串

cpp 复制代码

#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;
}

字符串拼接

cpp 复制代码

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;
}

序列化和反序列化结构数据

cpp 复制代码

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 << "-------------------------------------------------------" << endl;
    cout << "姓名：" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ") ";
    cout <<rInfo._date << endl;
    cout << rInfo._name << ":>" << rInfo._msg << endl;
    cout << "-------------------------------------------------------" << endl;
    return 0;
}

注意：

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()将让stringstream返回其底层的string对象。