C++进阶（11）C++的IO流

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()、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

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C++一共三种流，对标C语言中对应的3种流。

每个箭头都表示继承关系，最基础的父类是ios_base。

iostream是菱形继承。

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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。

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cerr、clog是为错误和日志准备的。都是输出到控制台。

cout、cerr、clog都是先输出到缓冲区，遇到刷新标志再到控制台，它们的缓冲区有一定的区别。

C++的IO流的输出都是输出到设备，控制台本质是一个虚拟的文件设备。

输出到文件都是以字符串的形式。

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3.1.1 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operator << 和operator >>

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。

• 输入：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)
{
    // ...
}

本质是调用operator>>(cin, str)，返回一个istream类型的对象。

istream类型重载了operator bool，支持逻辑判断。

while (cin >> str)本质就是while (operator>>(cin, str).operator bool())。

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【operator bool的介绍】

• “返回是否设置了错误标志（即 failbit 或 badbit）。
• 注意，此函数与成员函数 good 的返回值并不相同，而是与成员函数 fail 的返回值相反。”

如果failbit和badbit都没被设置，就返回真，否则返回假。

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C++的IO流设置了4种标志：

“流状态标志的类型”——用于表示流错误状态标志的位掩码类型（Bitmask type）。

所有流对象内部都保存着对象自身状态的信息。这些信息可以通过调用成员函数basic_ios::rdstate 获取，或通过调用 basic_ios::setstate 设置。

获取和设置的值均为此类型的元素。

这些函数传递和返回的值可以是以下成员常量的任意有效组合（使用逻辑或运算符 "|" 进行组合）：

……………………………………

这些常量在 ios_base 类中作为公有成员定义。因此，可以通过以下方式引用它们：

• 直接使用 ios_base 成员的名称（如 ios_base::badbit）

• 或者通过任何继承类或实例化对象（例如 ios::eofbit 或 cin.goodbit）”

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这4个标志在底层是使用一个整型值来存储的——不同bit位。

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一般IO流出错，都是些不太严重的错误，往往都是设置failbit。

badbit不太常用，但是一旦出现badbit就表示出现了比较严重的错误。

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• failbit错误，可以清除标志之后，继续读取。
• badbit错误，清除流标志不管用，流本身已经被破坏了，属于程序问题。（不是硬件问题）

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Windows下的控制台（Linus下的终端），程序会把它当作一个像文件一样的东西，但是并没有在磁盘上映射的对应的内存块，不是真的文件，是虚拟文件。底层存储数据的地方不是对应的磁盘上的存储块，底层不是走的文件系统映射磁盘那一套，而是一个内存文件。

Linux下有一个概念——你看到的，“一切皆文件”。

Linux下看待这些硬件设备（摄像头、键盘、话筒、……），都当作文件，即跟这些外设进行交互的时候，都是通过文件系统的接口，好处在于所有的设备都可以通过文件的接口进行访问。

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输出Ctrl+Z，会设置failbit标志，operator bool返回false，输入结束。

输入Ctrl+C，会直接杀进程。

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【演示】

输出Ctrl+Z，会当作文件的结尾。

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标志被设置falibit之后，不清理是无法重新读取数据的。

需要恢复标志状态。

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除了输入Ctrl+Z结束之外，还可以自己设计输入哪些内容也能结束循环：

除了break，也可以直接关闭输入流——设置failbit。

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除了Ctrl+Z，当输入类型和接收类型不匹配，也会导致输入失败，输入流关闭。

输入11s，第一个cin >> i读取完11，遇到s就结束读取了。

第二个cin >> i什么都没读取到就结束了，i的值被给成0。同时设置了failbit。

输入的数据，按下回车后会进入输入缓冲区（可以理解为内存中的一段数组）。

cin会到输入缓冲区内拿数据。

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遇到不按规范输入数据导致输入失败的情况，还想继续输入，清除状态标志不管用。

【重要】因为即使清除了状态标志，ss还留在输入缓冲区。

除了清除标志，还要清理输入缓冲区。

但是多个字符就不管用了。

这时就需要更高效的手段去情况输入缓冲区：

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7. istream类型对象转换为逻辑条件判断值。

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

http://www.cplusplus.com/reference/istream/istream/operator%3E%3E/

http://www.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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3.1.2 C++的cin、cout的效率问题

C++兼容C：

期望的打印顺序是：i j k，其中i和k在C++的缓冲区，j在C语言的缓冲区。

如果C++的缓冲区刷新了，C语言的缓冲区没刷新，就只能看到i k。

所以C++为了兼容C，在C++的缓冲区刷新的时候，会连带着刷新C语言的缓冲区。

保持同步是有一定的代价的，就会影响效率，这是C++的IO流比C语言慢的原因之一。

关了同步能一定程度上提高C++的IO流的效率，但是如果混着用C语言的IO流可能就会出问题。

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C++的输出流和输入流之间也是有绑定关系的：

“默认情况下，标准窄字符流 cin 和 cerr 被绑定到 cout，它们的宽字符对应流（wcin 和 wcerr）被绑定到 wcout。库实现也可能会绑定 clog 和 wclog。”

【总结】

• 关闭同步；（C++和C语言）
• 接触绑定；（cout和cin）

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3.2 C++文件流

ifstream和ofstream分别继承了istream和ostream，即istream和ostream的接口，文件流基本上都能用。

3.2.1 文件流接口说明

• 这些标志可以通过按位或运算符（|）进行组合。

• 对于 ofstream 对象，out 标志始终会被设置（即使在参数模式中未显式设置）。

• 需要注意的是，尽管 ofstream 是输出流，但其内部的 filebuf 对象也可能被设置为支持输入操作。

打开文件默认是覆盖写——不管文件内有没有内容，文件光标都是定位到文件的开始。

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文件流的头文件<fstream>。

C++根据文件内容的数据格式分为二进制文件和文本文件。

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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：
   1. ifstream ifile（只输入用）
   2. ofstream ofile（只输出用）
   3. 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。

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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, { 2022, 4, 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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【课堂演示】

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流插入是最好用的，插入整型如果使用write，还需要把整型转成字符串。

C++的文件流好用的地方就在于可以使用流插入流提取。

其次就是不一定非要ofs.close()，析构函数会自动关闭，所以如果说不是需要提前关闭的场景，是不需要主动close的。

打开文件除了在open给文件名，还可以在构造函数给文件名。

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读文件使用ifstream。

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二进制文件需要用二进制的方式读取。（注意：路径的分隔要用转义字符）

实际有6511607个字符。

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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;
}

struct ServerInfo
{
	char _address[32];		//地址

	int _port;				//端口号
	Date _date;				//日期
};

//配置管理
struct ConfigManager
{
public:
	//构造
	ConfigManager(const char* filename)
		:_filename(filename)
	{
	}

	// 二进制的形式写
	void WriteBin(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary);

		ofs.write((const char*)&info, sizeof(info));		//从对象地址开始，写入sizeof(info)个字节
	}
private:
	string _filename; // 配置文件
};

int main()
{
	ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 80, { 2022, 4, 10 } };

	ConfigManager cf_bin("test.bin");

	// 二进制写
	cf_bin.WriteBin(winfo);

	return 0;
}

再用二进制的方式读。

【结构读写】

• 结构写：一次性把“一个结构体大小字节的内容”从内存中写到二进制文件中；
• 结构读：一次性把“一个结构体大小字节的内容”从二进制文件中写到内存中；

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把地址从字符数组换成字符串：

string比较短的时候是存储在buff数组内（16字节）。

超过16字节，string的内容就没有存储在buff数组，而是存储在堆上。

二进制写的时候，把成员指针写到文件里面，然后读取的时候读到成员指针给结构对象。

相当于浅拷贝了。

当写程序结束，winfo对象就销毁了，连带着string成员也销毁了。

当读程序启动，rbinfo拿到的是已销毁的堆空间的地址。（野指针）

涉及深拷贝的类，都不能使用二进制读写。

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文本读写就是把所有数据都转成字符串之后再写入、读出。

string成员不会把string的指针写成字符串，而是写把string指向的字符串。

• 不需要自己转，文件流插入、提取就能完成。
• 重载的<<、>>不仅流插入流提取可以使用，文件流也可以使用。

• 写的时候写了一些空格用于分隔，读的时候不用在意这些空格。
• C++流提取的时候空格或换行就是分隔符。

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fstream继承iostream，既能读文件，也能写文件。

一般情况下还是分开来的。

• IO流和文件流更喜欢把读写分开用；
• 字符流更喜欢用stringstream，而不是istingstream、ostingstream。

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？

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。

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在程序中如果想要使用stringstream，必须要包含头文件<sstream>。

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在该头文件下，标准库三个类：istringstream、ostringstream、stringstream，分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作。

本节主要介绍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;
}

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;
}

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

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【课堂演示】

oss内部有一个string对象存储字符串。

• 遇到空格或换行就完成一次提取；
• 如果类型匹配不上，就提取失败，就需要清除状态标志，还要把对应的数据拿走。

iss可以提取常量字符串：

可以直接用常量字符串构造iss：

文件流支持把任意类型的数据转成字符串。（重载<<、>>）

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简单的序列化和反序列化：

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为什么需要json库？stingstream存在局限性。

插入或提取数据的时候，交换了iss >> rInfo._id >> rInfo._name >> rInfo._date >> rInfo._msg;的顺序就会出问题。

一旦类型不匹配，流的状态标志被设置，就会读取失败。

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如果只想读取第20个数据块，还需要先把前19个数据块读取了。

json库给每一块都做了映射，类似于map，可以通过key去拿对应的那一项。