C++ 输出流（Output Stream）全解析

一、什么是"输出流"？

输出流（Output Stream） 是 C++ 中用于 将数据从程序发送到外部设备 的抽象机制。

数据像"水流"一样，从程序流向：屏幕、文件、网络、字符串等。

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二、输出流家族总览

#include <iostream>     // std::cout, std::cerr, std::clog
#include <fstream>      // std::ofstream
#include <sstream>      // std::ostringstream
#include <iomanip>      // 格式控制

类	用途	继承关系
std::ostream	通用输出流基类	std::ios → std::ostream
std::ofstream	文件输出流	std::ostream
std::ostringstream	字符串输出流	std::ostream
std::cout	标准输出（屏幕）	std::ostream
std::cerr	标准错误（屏幕，不缓冲）	std::ostream
std::clog	标准日志（屏幕，有缓冲）	std::ostream

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三、核心操作：<< 插入运算符

std::cout << "Hello" << 42 << 3.14 << '\n';

工作原理：

1. 自动类型转换
2. 链式调用 （返回 *this）
3. 缓冲机制（默认不立即刷新）

std::cout << "Loading" << std::flush;  // 强制刷新
std::cout << "Loading" << std::endl;   // 换行 + 刷新

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四、标准输出流对比

流	用途	缓冲	典型场景
std::cout	正常输出	有缓冲	程序结果
std::cerr	错误信息	无缓冲	调试、错误
std::clog	日志信息	有缓冲	运行日志

std::cout << "Info: Starting...\n";
std::cerr << "ERROR: File not found!\n";
std::clog << "LOG: User logged in\n";

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五、输出流的成员函数

函数	功能	示例
operator<<	插入数据	cout << x;
put()	输出单个字符	cout.put('A');
write()	输出原始字节	cout.write(buf, n);
flush()	强制刷新缓冲区	cout.flush();
seekp()	设置写位置（文件流）	file.seekp(0);
tellp()	获取当前写位置	auto pos = file.tellp();

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六、格式控制（<iomanip>）------ 核心！

操纵符	作用	示例
std::endl	换行 + 刷新	cout << endl;
std::flush	强制刷新	cout << flush;
std::setw(n)	设置字段宽度	cout << setw(10) << x;
std::setfill(c)	填充字符	cout << setfill('0');
std::left / std::right / std::internal	对齐方式	cout << left;
std::hex / std::dec / std::oct	进制	cout << hex << 255; → ff
std::showbase	显示进制前缀	0xff, 077
std::boolalpha	true/false	cout << boolalpha << true;
std::fixed	固定小数点	3.14
std::scientific	科学计数法	3.140000e+00
std::setprecision(n)	精度	setprecision(2)

示例：格式化表格

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

cout << left << setw(15) << "Name"
     << right << setw(10) << "Age"
     << setw(12) << "Salary" << endl;

cout << setfill('-') << setw(37) << "" << setfill(' ') << endl;

cout << left << setw(15) << "Alice"
     << right << setw(10) << 25
     << setw(12) << fixed << setprecision(2) << 50000.50 << endl;

输出：

Name           Age      Salary
-------------------------------------
Alice           25    50000.50

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七、输出到文件

std::ofstream file("output.txt");
if (!file.is_open()) {
    std::cerr << "无法打开文件！\n";
    return 1;
}

// 写入
file << "Hello, 文件！" << 42 << '\n';

// 追加模式
std::ofstream file2("log.txt", std::ios::app);
file2 << "新日志\n";

模式标志

模式	含义
std::ios::out	写入（默认）
std::ios::app	追加
std::ios::trunc	清空文件
std::ios::binary	二进制模式

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八、字符串输出流：std::ostringstream

#include <sstream>

std::ostringstream oss;
oss << "Score: " << 95 << ", Rank: " << 1;
std::string result = oss.str();  // "Score: 95, Rank: 1"

典型用途：

• 日志拼接
• JSON 构造
• 格式化输出再发送

std::string json = [&]{
    std::ostringstream oss;
    oss << "{ \"name\": \"" << name << "\", \"age\": " << age << " }";
    return oss.str();
}();

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九、自定义输出（重载 <<）

struct Point {
    int x, y;
};

// 友元函数（推荐）
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Point& p) {
    os << "(" << p.x << ", " << p.y << ")";
    return os;
}

// 使用
Point p{10, 20};
std::cout << p << "\n";  // (10, 20)

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十、底层机制：streambuf

std::cout.rdbuf()                    // 获取缓冲区
std::cout.rdbuf(new_buf)             // 替换缓冲区

应用：重定向输出

// 将 cout 重定向到文件
std::ofstream file("log.txt");
std::streambuf* old_buf = std::cout.rdbuf(file.rdbuf());

// 现在 cout 写入文件
std::cout << "这会写入文件！\n";

// 恢复
std::cout.rdbuf(old_buf);

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十一、性能优化技巧

技巧	说明
std::ios::sync_with_stdio(false);	关闭 C 流同步，提速 5~10 倍
cout.tie(nullptr);	解绑 cin 和 cout
减少 endl	用 '\n' 替代（endl 会 flush）
批量写入	用 write() 写大块数据

int main() {
    std::ios::sync_with_stdio(false);
    cout.tie(nullptr);

    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        cout << i << '\n';  // 比 endl 快得多
    }
}

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十二、缓冲机制详解

缓冲类型	触发刷新条件
全缓冲（文件）	缓冲区满
行缓冲 （cout）	遇到 \n
无缓冲 （cerr）	立即输出

std::cout << "A";     // 还在缓冲区
std::cout << "B\n";   // 遇到 \n，刷新 → 输出 "AB"
std::cout << std::flush;  // 强制刷新

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十三、异常机制（可选）

std::cout.exceptions(std::ios::failbit | std::ios::badbit);

try {
    std::cout << "写入...";
} catch (const std::ios::failure& e) {
    std::cerr << "写入失败: " << e.what() << "\n";
}

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十四、完整示例：日志系统

class Logger {
    std::ostringstream buffer;
    std::ofstream file;

public:
    Logger(const std::string& filename) : file(filename, std::ios::app) {}

    template<typename T>
    Logger& operator<<(const T& data) {
        buffer << data;
        return *this;
    }

    Logger& operator<<(std::ostream& (*manip)(std::ostream&)) {
        if (manip == static_cast<std::ostream& (*)(std::ostream&)>(std::endl)) {
            std::string line = buffer.str();
            std::cout << "[LOG] " << line << std::endl;
            if (file) file << line << std::endl;
            buffer.str("");  // 清空
        }
        return *this;
    }
};

// 使用
Logger log("app.log");
log << "User " << username << " logged in at " << time << endl;

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十五、常见错误与防御性编程

错误	后果	正确做法
cout << endl 频繁使用	性能低下	用 '\n'
文件未关闭	资源泄露	RAII（ofstream 自动关闭）
忘记 flush	输出延迟	关键日志用 cerr 或 flush
忽略返回值	写入失败未检测	检查 if (!file)

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十六、总结：输出流核心要点

要点	内容
核心操作	<<（插入）、endl、flush
格式控制	setw, setprecision, hex, fixed 等
三大标准流	cout（正常）、cerr（错误）、clog（日志）
性能优化	sync_with_stdio(false) + '\n'
高级用法	ostringstream 拼接、rdbuf() 重定向
自定义	重载 << 支持结构体

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推荐学习资源

• 《C++ Primer》 第 8 章：IO 库
• cppreference: std::basic_ostream
• 《Effective C++》 Item 3：使用 const

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一句话总结 ：
输出流是 C++ 与外界沟通的桥梁，掌握 <<、iomanip、ostringstream 就能写出优雅、可读、高效的输出代码。