《C++ Primer》学习笔记（八）：标准 IO 库

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《C++ Primer》习题参考答案：第8章 - 标准 IO 库

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标准 IO 库

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标准 IO 库

部分IO库设施：

istream：输入流类型，提供输入操作。
ostream：输出流类型，提供输出操作。
cin：istream 对象，从标准输入读取数据。
cout：ostream 对象，向标准输出写入数据。
cerr：ostream 对象，向标准错误写入数据。
>> 运算符：从 istream 对象读取输入数据。
<< 运算符：向 ostream 对象写入输出数据。
getline 函数：从 istream 对象读取一行数据，写入 string 对象。

1、IO类

头文件 iostream 定义了用于读写流的基本类型，fstream 定义了读写命名文件的类型，sstream 定义了读写内存中 string 对象的类型。
在这里插入图片描述
宽字符版本的IO类型和函数的名字以 w 开始，如 wcin、wcout 和 wcerr 分别对应 cin、cout 和cerr。它们与其对应的普通 char 版本都定义在同一个头文件中，如头文件 fstream 定义了 ifstream 和 wifstream 类型。

通常可以将一个派生类（继承类）对象当作其基类（所继承的类）对象来使用，这是通过 继承机制（inheritance） 实现的。

1）IO象无拷贝或赋值

不能拷贝或对IO对象赋值。

ofstream out1, out2;
out1 = out2;    			// 错误：不能对流对象赋值
ofstream print(ofstream);   // 错误：不能初始化ofstream参数
out2 = print(out2);     	// 错误：不能拷贝流对象

由于IO对象不能拷贝，因此不能将函数形参或返回类型定义为流类型。进行IO操作的函数通常以引用方式传递和返回流。读写一个IO对象会改变其状态，因此传递和返回的引用不能是 const 的。

2）条件状态

IO操作一个与生俱来的问题是可能发生错误。一些错误是可恢复的，而其他错误则发生在系统深处，已经超出了应用程序可以修正的范围。

IO库条件状态：
在这里插入图片描述

while (cin >> word)
    // ok: 读操作成功....

badbit 表示系统级错误，如不可恢复的读写错误。通常情况下，一旦 badbit 被置位，流就无法继续使用了。在发生可恢复错误后，failbit 会被置位，如期望读取数值却读出一个字符。如果到达文件结束位置，eofbit 和 failbit 都会被置位。如果流未发生错误，则 goodbit 的值为0。如果 badbit、failbit 和 eofbit 任何一个被置位，检测流状态的条件都会失败。

good 函数在所有错误均未置位时返回 true。而 bad、fail 和 eof 函数在对应错误位被置位时返回 true。此外，在 badbit 被置位时，fail 函数也会返回 true。因此应该使用 good 或 fail 函数确定流的总体状态，eof 和 bad 只能检测特定错误。

流对象的 rdstate 成员返回一个 iostate 值，表示流的当前状态。setstate 成员用于将指定条件置位（叠加原始流状态）。clear 成员的无参版本清除所有错误标志；含参版本接受一个 iostate 值，用于设置流的新状态（覆盖原始流状态）。

// 记住cin的当前状态
auto old_state = cin.rdstate();     // 记住cin的当前状态
cin.clear();    			// 使cin有效
process_input(cin);     	// 使用cin
cin.setstate(old_state);    // 将cin置为原有状态

3）管理输出缓冲

每个输出流都管理一个缓冲区，用于保存程序读写的数据。

导致缓冲刷新（即数据真正写入输出设备或文件）的原因有很多：

程序正常结束。
缓冲区已满。
使用操纵符（如 endl）显式刷新缓冲区。
在每个输出操作之后，可以用 unitbuf 操纵符设置流的内部状态，从而清空缓冲区。默认情况下，对 cerr 是设置 unitbuf 的，因此写到 cerr 的内容都是立即刷新的。
一个输出流可以被关联到另一个流。这种情况下，当读写被关联的流时，关联到的流的缓冲区会被刷新。默认情况下，cin 和 cerr 都关联到 cout，因此，读 cin 或写 cerr 都会刷新 cout 的缓冲区。

flush 操纵符刷新缓冲区，但不输出任何额外字符。ends 向缓冲区插入一个空字符，然后刷新缓冲区。

cout << "hi!" << endl;   // 输出hi和一个换行，然后刷新缓冲区
cout << "hi!" << flush;  // 输出hi，然后刷新缓冲区，不附加任何额外字符
cout << "hi!" << ends;   // 输出hi和一个空字符，然后刷新缓冲区

如果想在每次输出操作后都刷新缓冲区，可以使用 unitbuf 操纵符。它令流在接下来的每次写操作后都进行一次 flush 操作。而 nounitbuf 操纵符则使流恢复使用正常的缓冲区刷新机制。

cout << unitbuf;    // 所有输出操作后都会立即刷新缓冲区
// 任何输出都立即刷新，无缓冲
cout << nounitbuf;  // 回到正常的缓冲方式

如果程序异常终止，输出缓冲区是不会被刷新的。当一个程序崩溃后，它所输出的数据很可能停留在输出缓冲区中等待打印。

当调试一个已经崩溃的程序时，需要确认那些你认为已经输出的数据确实已经刷新了。否则，可能将大量时间浪费在追踪代码为什么没有执行上，而实际上代码已经执行了，只是程序崩溃后缓冲区没有被刷新，输出数据被挂起没有打印而已。

当一个输入流被关联到一个输出流时，任何试图从输入流读取数据的操作都会先刷新关联的输出流。标准库将cout和cin关联在一起，因此下面的语句会导致cout的缓冲区被刷新：

cin >> ival;

交互式系统通常应该关联输入流和输出流。这意味着包括用户提示信息在内的所有输出，都会在读操作之前被打印出来。

使用 tie 函数可以关联两个流。它有两个重载版本：无参版本返回指向输出流的指针。如果本对象已关联到一个输出流，则返回的就是指向这个流的指针，否则返回空指针。tie 的第二个版本接受一个指向 ostream 的指针，将本对象关联到此 ostream。

cin.tie(&cout);     // 仅仅是用来展示：标准库将cin和cout关联在一起
// old tie指向当前关联到cin的流（如果有的话）
ostream *old_tie = cin.tie(nullptr); // cin不再与其他流关联
// 将cin与cerr关联；这不是一个好主意，因为cin应该关联到cout
cin.tie(&cerr);     // 读取cin会刷新 cerr而不是cout
cin.tie(old_tie);   // 重建cin和cout间的正常关联

每个流同时最多关联一个流，但多个流可以同时关联同一个 ostream。向 tie 传递空指针可以解开流的关联。

2、文件输入输出

头文件 fstream 定义了三个类型来支持文件IO：ifstream 从给定文件读取数据，ofstream 向指定文件写入数据，fstream 可以同时读写指定文件。
在这里插入图片描述

1）使用文件流对象

每个文件流类型都定义了open函数，它完成一些系统操作，定位指定文件，并视情况打开为读或写模式。

创建文件流对象时，如果提供了文件名（可选），open 会被自动调用。

ifstream in(ifile);   	// 构造一个ifstream并打开给定文件
ofstream out;   		// 输出文件流未关联到任何文件

在C++11中，文件流对象的文件名可以是 string 对象或C风格字符数组。旧版本的标准库只支持C风格字符数组。

在要求使用基类对象的地方，可以用继承类型的对象代替。因此一个接受 iostream 类型引用或指针参数的函数，可以用对应的 fstream 类型来调用。

可以先定义空文件流对象，再调用 open 函数将其与指定文件关联。如果 open 调用失败，failbit 会被置位。

一旦一个文件流已经打开，它就保持与对应文件的关联。对一个已经打开的文件流调用 open 会失败，并导致 failbit 被置位。随后试图使用文件流的操作都会失败。如果想将文件流关联到另一个文件，必须先调用 close 关闭当前文件，再调用 clear 重置流的条件状态（close 不会重置流的条件状态）。

当 fstream 对象被销毁时，close 会自动被调用。

2）文件模式

每个流都有一个关联的文件模式，用来指出如何使用文件。
在这里插入图片描述
指定文件模式有如下限制：

只能对 ofstream 或 fstream 对象设定 out 模式。
只能对 ifstream 或 fstream 对象设定 in 模式。
只有当 out 被设定时才能设定 trunc 模式。
只要 trunc 没被设定，就能设定 app 模式。在 app 模式下，即使没有设定 out 模式，文件也是以输出方式打开。
默认情况下，即使没有设定 trunc，以 out 模式打开的文件也会被截断。如果想保留以 out 模式打开的文件内容，就必须同时设定 app 模式，这会将数据追加写到文件末尾；或者同时设定 in 模式，即同时进行读写操作。
ate 和 binary 模式可用于任何类型的文件流对象，并可以和其他任何模式组合使用。
与 ifstream 对象关联的文件默认以 in 模式打开，与 ofstream 对象关联的文件默认以 out 模式打开，与 fstream 对象关联的文件默认以 in 和 out 模式打开。

每个文件流类型都定义了一个默认的文件模式，当我们未指定文件模式时，就使用此默认模式。与 ifstream 关联的文件默认以 in 模式打开；与 ofstream 关联的文件默认以 out 模式打开；与 fstream 关联的文件默认以 in 和 out 模式打开。

默认情况下，打开 ofstream 对象时，文件内容会被丢弃，阻止一个 ofstream 清空给定文件内容的方法是同时指定 app 模式：

流对象每次打开文件时都可以改变其文件模式。

ofstream out;   			// 未指定文件打开模式
out.open("scratchpad");    	// 模式隐含设置为输出和截断
out.close();    			// 关闭out，以便我们将其用于其他文件
out.open("precious", ofstream::app);   // 模式为out和app
out.close();

保留被 ofstream 打开的文件中已有数据的唯一方法是显式指定 app 或 in 模式。

3、string流

头文件 sstream 定义了三个类型来支持内存IO：istringstream 从 string 读取数据，ostringstream 向 string 写入数据，stringstream 可以同时读写 string 的数据。
在这里插入图片描述

1）使用istringstream

当某些工作是对整行文本进行处理，而其他一些工作是处理行内的单个单词时，通常可以使用 istringstream。

// 成员默认为公有
struct PersonInfo
{
    string name;
    vector<string> phones;
};

string line, word;   // 分别保存来自输入的一行和单词
vector<PersonInfo> people;    // 保存来自输入的所有记录
// 逐行从输入读取数据，直至cin遇到文件尾（或其他错误）
while (getline(cin, line))
{
    PersonInfo info;    			// 创建一个保存此记录数据的对象
    istringstream record(line);    	// 将记录绑定到刚读入的行
    record >> info.name;    		// 读取名字
    while (record >> word)  		// 读取电话号码
        info.phones.push_back(word);   // 保持它们
    people.push_back(info);    		// 将此记录追加到people末尾
}

2）使用ostringstream

当逐步构造输出，希望最后一起打印时， ostringstream 是很有用的。

for (const auto &entry : people)
{ 
	// 对people中每一项
    ostringstream formatted, badNums;   	// 每个循环步创建的对象
    for (const auto &nums : entry.phones)
    { 
    	// 对每个数
        if (!valid(nums))
        {
            badNums << " " << nums;  		// 将数的字符串形式存入badNums
        }
        else
            // 将格式化的字符串"写入"
            formatted << " " << format(nums);
    }
    if (badNums.str().empty())   			// 没有错误的数
        os << entry.name << " "  			// 打印名字
            << formatted.str() << endl;   	// 和格式化的数
    else  // 否则，打印名字和错误的数
        cerr << "input error: " << entry.name
            << " invalid number(s) " << badNums.str() << endl;
}