【C++】IO流

C语言中的输入与输出

在C语言中，我们输入输出是使用的printf / scanf系列接口

其中最常用的就是

cpp 复制代码

// 文件
int fprintf(FILE* stream, const char* format, ...);
int fscanf(FILE* stream, const char* format, ...);
// 标准输入输出设备（键盘、屏幕）
int printf(const char* format, ...);
int scanf(const char* format, ...);
// 字符串
int sprintf(char* str, const char* format, ...);
int sscanf(const char* s, const char* format, ...);

也对应了我们最常用的三个场景，文件，标准设备、字符串。

C++的IO流

什么是流

"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。

IO流标准库

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。可以看到整个继承体系还是非常复杂的，中间还使用了菱形继承合并istream和ostream，让一个类既可以输入，也可以输出，然后又自iostream向下继承，实现fstream和stringstream。

我们总体看下来，其实这样的实现也对应了C语言中的文件，标准设备、字符串。这种继承的设计风格类似系统编程中的write / read函数，以linux为例，一切皆文件，用文件描述符（fd）作为句柄，操作一切IO。这里的C++也是秉承着这样的设计理念，一切皆流，通过继承让流操作所有IO。

C++的IO流和C语言的接口相比，通过运算符重载<<和>>，我们可以实现各种自定义类型的输入输出操作，函数重载也支持自动识别类型，<<和>>对于面向对象来说也比较形象。

C++类型转换运算符函数

在C++中，我们可以实现这样的操作，

cpp 复制代码

std::string str;
while (std::cin >> str)
	std::cout << str << std::endl;

为什么可以呢？我们看向cin的operator>>函数

返回的是istream引用，为了实现多个>>链式调用操作。那么这个类型的对象怎么转换成bool类型的呢？因为istream对象内部实现了operator bool()，它是类型转换运算符函数，它允许将自定义类对象隐式或显式地转换为 bool类型。

其类内部有一个标志位，记录了各种flag，如果是error flag，那么就返回false，否则就是true。注意这个函数中的explicit的意思不是防止单参构造函数的隐式类型转换，而是防止自己这个类型的对象被隐式转换成另一种类型，加了这个关键字，那就只能显示转换。

cpp 复制代码

class A
{
	int _a = 2;
public:
	A() {}
	explicit operator int()
	{
		return _a;
	}
};

int main()
{
	A a;
	//int b = a;
	int b = static_cast<int>(a);
	std::cout << b << std::endl;
	return 0;
}

上面定义的是operator int，想转什么类型都能写（自定义也行）。

文件IO流

我们可以这样使用文件IO流，

cpp 复制代码

std::ofstream ofs("log.txt");
ofs << "hello_world";
ofs.close();
std::ifstream ifs("log.txt");
std::string str;
ifs >> str;
std::cout << str << std::endl;

ofstream

ofstream是文件输出流，

创建方式有好几种，我们可以选择默认构造，然后使用open函数打开。

或者我们直接在构造函数中给明参数打开，我们也能调用close函数关闭文件流，

注意，如果已经打开了文件，调用open会失败，反之调用close会失败。

在ofstream中，调用函数失败的话，不会返回值，不会抛异常，而是会设置错误状态，ostream分别有这几种错误状态，

可以看到，每一种错误状态都有一个函数可以单独检查，然后有一个good函数，它会返回当前ostream对象有没有任何一个错误状态被设置，有的话就返回false，没有一个被设置就返回true。rdstate则可以返回当前ostream的错误标志，这些标志以类似位图的形式存储，不同标志位按位或在一起，如果有多个，那么返回的就是多个标志位或在一起的结果。

创建对象或调用open时，我们可以选择文件的打开方式，这同样也是一个个标志位，多个的话可以按位或在一起，即

如果是ofstream，那么除了in之外都能用，如果是ifstream，那么主要用in和binary。

不论是构造还是open函数，默认标志位都是out，他表示输出模式，如果文件不存在，会创建新文件，如果文件已存在，默认会清空内容（除非指定其他模式），且只能写入，不能读取。默认参数是out，即使给了参数比如ate，既没有out，这时也会默认处理加上out。

in则表示输入模式，如果文件不存在，打开失败，只能读取，不能写入。

binary表示二进制模式，其不进行任何字符转换，只是单纯的输入输出字节。

ate表示初始位置在文件末尾，打开文件后，读写位置初始在文件末尾，其不同于app，之后可以用seekg / seekp移动位置。ofstream中很鸡肋，没什么用。

app表示追加模式，所有写入都自动在文件末尾进行，即使使用seekp移动位置，写入时仍会回到末尾，不会清空文件原有内容，打开文件时，如果不存在，会自动创建。

trunc表示打开文件时清空所有内容。out默认包含 trunc（除非同时有 in），不要和 app一起用（互相矛盾），文件不存在时：会创建新文件。

out、app、binary比较常用。

打开文件了之后，我们可以对文件进行写入了，但是对于文件来说，有两种打开方式，一种的文本模式，默认使用输出模式时就是文本模式，这时我们可以使用<<方便的对文件进行写入，<<可以将各种类型转换成字符串输出（自定义类型要重载operator <<）.

当我们额外加上标志位binary时，我们就以二进制模式打开了文件流，那么这时我们应该使用函数write来进行二进制写入，即将数据原模原样地写入文本，那么这时因为内存的存储方式和人类地文字不同，这时我们就看不懂写入文件的内容了。之前的文本模式会自动进行转换，比如int类型的1转换成了char类型的1，这样我们查看文件就是1。文本模式和二进制模式各有优劣，二进制读写不用转换，肯定效率高，但是人看不懂，所以如果是日志这样地内容，那么文本相对好一些。

我们的ostream怎么关闭文件呢？使用close函数就行，

cpp 复制代码

void close();

如果我们不去显示关闭，类销毁时也会自动调用。

值得注意的是因为是同一个类，所以即使我们以二进制打开，却还是能用operator <<，即使我们以文本模式打开，却还是能用write，那么这样串着用有问题吗？会有一些小问题。

文本模式（默认模式）：

使用<<运算符时，数据会经过格式化输出。对于基本类型（如int、double等）会转换为字符串表示，并且可能会受到本地化设置的影响。对于字符串，会直接输出字符串内容，但要注意 <<运算符在输出字符指针时，直到遇到空字符为止，因此如果字符串中间有空字符 ，则只会输出空字符之前的部分。

使用write成员函数时，它不会进行任何格式化，而是将给定的内存块按原样写入文件。但是，在文本模式下，系统可能会对某些字符进行转换，例如在Windows平台上，换行符（'\n'）会被转换为回车换行对（"\r\n"）。这可能会破坏二进制数据的原始内容。

二进制模式：

使用<<运算符时，同样会进行格式化输出，但写入文件时不会进行字符转换（即不会将换行符'\n'转换为平台特定的换行序列）。但是，<<运算符通常用于输出文本格式的数据，所以如果你要输出二进制数据（比如一个整数的内存表示），那么使用 <<运算符可能会得到文本表示，而不是原始的二进制数据。例如，ofs << 123;会写入字符'1','2','3'，而不是整数123的4字节（假设int为4字节）二进制表示。

使用write成员函数时，它不会进行任何格式化，直接按内存中的字节序列写入文件，并且由于是二进制模式，系统不会进行任何字符转换。因此，write通常用于写入二进制数据。

我们最好是在operator <<用来写入文本，write用来写入二进制，模式变了功能实现不会变，而且会因为模式的不同有一些差异，所以我们应该在对应的模式下使用对应的函数。

ifstream

ifstream和ofstream同属一套继承体系，设计理念也相同，所以介绍了ofstream，这里就简单介绍一下ifstream。

ifstream的构造，

默认打开方式是in，可以默认构造，之后要用open函数。

打开方式同样是有文本模式和二进制模式之分，其中同样不能混用operator>>和read，会有细小的转化问题，上面ofstream中有说。

我们来使用一下ofstream和ifstream。

二进制读写

cpp 复制代码

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	void PRINT()
	{
		std::cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << std::endl;
	}
};

int main()
{
	std::ofstream ofs("log.txt", std::ios_base::out | std::ios_base::binary);
	Date d{ 2026, 1, 19 };
	ofs.write((const char*)&d, sizeof(d));
	ofs.close(); // 先手动关闭，写入才会生效，不然因为打开时清空了文件，输出为空
	std::ifstream ifs("log.txt", std::ios_base::in | std::ios_base::binary);
	Date ret;
	ifs.read((char*)&ret, sizeof(ret));
	ret.PRINT();
	//打印结果: 2026-1-19
	return 0;
}

文本格式查看log.txt是一堆乱码，因为是二进制写入。

文本读写

cpp 复制代码

struct Date
{
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	void PRINT()
	{
		std::cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << std::endl;
	}
};

int main()
{
	std::ofstream ofs("log.txt", std::ios_base::out);
	Date d{ 2026, 1, 19 };
	ofs << d._year << " " << d._month << " " << d._day << std::endl;
	ofs.close(); // 先手动关闭，写入才会生效，不然因为打开时清空了文件，输出为空
	std::ifstream ifs("log.txt", std::ios_base::in);
	Date ret;
	ifs >> ret._year >> ret._month >> ret._day;
	ret.PRINT();
	//打印结果: 2026-1-19
	return 0;
}

我们在写入时在一个个数据之间加上空格（或'\n'、'\t'），这样读取时因为遇到空格会停止读写然后跳过它，所以我们就能实现连续写入。而且我们也能看到文本读取那里因为因为实现了多种类型的operator>>，所以可以实现各种内置类型的写入，如果我们想要写入自定义类型，我们实现对应类型的operator>>就行。

fstream

fstream是对前两者的合并，我们日常用的也挺多，上述的标志位都可以用来初始化或open打开文件。其中in和out/app也可以混用。打开后前两者的功能fstream都能用。

除此之外我还想讲一下seekp、tellp、seekg、tellg。p就是put，即写指针，g就是get，即读指针。我们在ostream中有seekp、tellp，在istream中有seekg、tellg，在fsteram中，当然是全都有。

读写指针代表当前的读写位置，这里以写指针为例：
seekp是文件位置定位函数，用于在输出文件流中移动写入位置。

cpp 复制代码

ostream& seekp (streampos pos);
ostream& seekp (streamoff off, ios_base::seekdir way);

第一个函数是移动到绝对位置，即参数给5，那就移动到从0开始的第五个位置，第二个函数是移动到相对位置，这里的ios_base::seekdir可以认为是一个枚举，分别有

对应着开始、结束、当前位置，我们加上对应的参数，然后给出偏移量，就能移动相对位置。

tellp则是告知当前读指针的位置，

cpp 复制代码

streampos tellp();

值得注意的是，fstream打开方式指定std::ios::in | std::ios::out时并不会清空文件（因为要兼顾in），除非指定。那么则就解决了之前的一个问题，那就是ostream打开文件只默认的话会清空文件内容，指定app的话移动指针也不能写入，指定ate还是会清空（app又包含ate，合并使用无意义），总之就是说没法修改原有文件的指定位置的部分内容，要么清空重写，要么追加，这也和ostream的设计目的有关，只写模式，就只实现了这样的功能。而上面所说的fstream的特性就解决了这样的问题，因为其是读写模式，会更加灵活，而要实现修改原有文件的指定位置的部分内容的作用，我们势必用到seekp。我们来演示一下，

cpp 复制代码

std::fstream fs("log.txt", std::ios::in | std::ios::out);
fs << "hello_world" << std::endl;
fs.seekp(5);
fs << "hello_world" << std::endl;

log.txt

bash 复制代码

hellohello_world

我们还可以使用seekg来获取文件大小，

cpp 复制代码

std::fstream fs("log.txt", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::ate);
std::cout << fs.tellg() << std::endl;

因为加了ate标志位，所以起始读写指针在文件尾，然后这时的指针位置就是文件大小（按字节），当然这里用p指针也行，但是由于是读文件大小，g指针更合适。

当然如果时顺便操作文件时用这么一出算一下文件大小是可以的，如果不是操作文件，那么搞这么一出有点麻烦，很多人也这么吐槽C++，测个文件大小这么麻烦，所以C++17出了直接获得指定文件的接口。

cpp 复制代码

std::fstream fs("log.txt", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::ate);
auto size = std::filesystem::file_size("log.txt");
std::cout << size << " " << fs.tellp() << std::endl;

可以看到结果是一样的。

字符串IO流

字符串IO流也分为ostringstream、istringstream、stringstream。简单演示一下使用方法，

cpp 复制代码

std::ostringstream oss;
std::istringstream iss("hello world 2");
oss << "hello world " << 1;
std::cout << oss.str() << std::endl;
std::string str1, str2;
int a;
std::cout << iss.str() << std::endl;
iss >> str1 >> str2 >> a;
std::cout << str1 << " " <<  str2 << " " << a << std::endl;
std::cout << iss.str() << std::endl;
//打印结果:
//hello world 1
//hello world 2
//hello world 2
//hello world 2
//

基本一看就会，很简单，学完上面的可以说看几眼就知道怎么用了。字符串IO流不仅简单，而且好用，在格式化输出字符串时很好用，比如网络编程中。从这里我们也能更加明白<<和>>都是跟字符串打交道，通过重载函数完成各种转化，这也是比C语言方便的地方。

目录

C语言中的输入与输出

C++的IO流

什么是流

IO流标准库

C++类型转换运算符函数

文件IO流

ofstream

ifstream

fstream

字符串IO流