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 ()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：

1.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。

2.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：

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。

⒉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:

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：
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)
{
	// ...
}

7. istream类型对象转换为逻辑条件判断值

istream类型对象转换为逻辑条件判断值时，可以使用bool类型进行转换。在C++中，istream对象会被隐式转换为bool值，其中空的istream对象会被转换为false，非空的istream对象会被转换为true。

例如，可以通过如下方式判断istream对象是否为空：

#include <iostream>

int main() {
    std::istream input; // 假设input是一个istream类型对象

    if (input) {
        std::cout << "input不为空" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "input为空" << std::endl;
    }

    return 0;
}

如果istream对象不为空，则条件判断为真，输出"input不为空"；如果istream对象为空，则条件判断为假，输出"input为空"。

https://cplusplus.com/reference/istream/istream/operator%3E%3E/

https://cplusplus.com/reference/ios/ios/operator_bool/

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。

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 << endl;
	while (d)
	{
		cin >> d;
		cout << d << endl;
	}
	return 0;
}

3.2C++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:

1.定义一个文件流对象：

• ifstream ifile(只输入用)(注：ifstream是类型，ifile是变量名，变量名可以自定)

ifstream - C++ Reference

• ofstream ofile(只输出用)(注：ofstream是类型，ofile是变量名，变量名可以自定)

ofstream - C++ Reference

• fstream iofile(既输入又输出用)(注：fstream是类型，iofile是变量名，变量名可以自定)

fstream - C++ Reference

注：默认是输出在当前路径底下形成一个新的txt文件。

#include <fstream>
int main()
{
	std::ofstream of("test.txt");//使用"test.txt"进行，意思是在当前路径底下创建一个test.txt文件
	of << "hello world" << endl;//把内容输入到文件当中
	of << "hello world" << endl;

    of.close();
	return 0;
}

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

注：当你使用构造函数创建 ifstream、ofstream 和 fstream 对象时，并在构造函数中传递文件名作为参数，这将会导致在创建对象的同时尝试打开相应的文件。这样做是为了方便，不用显示调用open成员函数打开文件这一步，因为通常在创建流对象时就会希望它们立即与文件关联，不要忘记调用close关闭文件。

ifstream、ofstream和fstream类作为C++标准库中的I/O类，提供了一系列成员函数来处理文件的输入输出操作。以下是一些在ifstream、ofstream和fstream中通用的函数和参数：

• open(const char* filename, ios_base::openmode mode = ios_base::in): 打开文件。filename是要打开的文件的名称。mode是打开文件的模式，如只读、追加、更新等。
• is_open(): 检查文件是否已经成功打开。
• close(): 关闭文件。
• rdbuf(): 返回指向与流关联的缓冲区的指针。
• tellg(): 返回当前读取位置相对于文件开始的偏移量。
• seekp(off_type offset, ios_base::seekdir direction = ios_base::beg): 移动写入位置。
• seekg(off_type offset, ios_base::seekdir direction = ios_base::beg): 移动读取位置。
• clear(ios_base::ios_failure reason = ios_base::goodbit): 清除流的错误标志。

以下是一些在ifstream、ofstream和fstream中可能存在差异的地方：

• open函数的默认模式：

• • ifstream的默认模式是ios_base::in（只读）。
  • ofstream的默认模式是ios_base::out（只写）。
  • fstream的默认模式是ios_base::in | ios_base::out（可读写）。

• 特定的读取和写入操作：

• • ifstream具有读取数据的方法，如get(), read(), gcount()等。
  • ofstream具有写入数据的方法，如put(), write()等。
  • fstream则兼具两者的功能。

• eof(), fail(), bad()和good()函数：虽然这些函数在所有三个类中都存在，但是它们返回的状态可能因流的不同而有所区别，特别是在读写操作中。

总的来说，ifstream、ofstream和fstream类中有很多函数和参数是共通的，但是它们各自还有一些特定的成员函数和行为，以适应其特定的用途

在 C++ 中，文件流对象（例如 ifstream、ofstream 和 fstream）的构造函数和成员函数中经常会出现一些参数，这些参数用于控制文件的打开方式、读写操作等。下面是常见的文件流对象操作参数及其解释：

1. 文件打开模式（Open Mode）参数：

• • std::ios::in：以输入模式打开文件。允许从文件中读取数据。
  • std::ios::out：以输出模式打开文件。允许向文件写入数据。如果文件已存在，则会被截断（即清空原有内容）；如果文件不存在，则会创建新文件。
  • std::ios::app：以追加模式打开文件。允许向文件写入数据，但是新数据会被添加到文件末尾，而不会截断已有内容。如果文件不存在，则会创建新文件。
  • std::ios::ate：以定位到文件末尾的方式打开文件。文件打开后，文件指针会定位到文件末尾，可以立即进行读写操作。如果同时指定了 std::ios::out，则允许写入数据；如果同时指定了 std::ios::in，则允许从文件中读取数据。
  • std::ios::trunc：在打开文件之前，将文件截断（清空文件内容）。一般与 std::ios::out 结合使用，用于打开文件时清空文件内容。

1. 二进制模式参数：

• • std::ios::binary：以二进制模式打开文件。在二进制模式下，数据将以二进制格式读写，不会进行任何格式转换。通常与 std::ios::in、std::ios::out、std::ios::app 等模式组合使用。

1. 额外参数：

• • std::ios::ate：已在上述文件打开模式中解释。
  • std::ios::nocreate：如果文件不存在，则不创建新文件。
  • std::ios::noreplace：如果文件已存在，则不覆盖现有文件，而是返回打开失败。

上面这些参数通常可以通过按位或运算 | 来组合使用，以指定文件流对象的打开方式。例如，std::ofstream ofs("example.txt", std::ios::out | std::ios::binary); 表示以二进制输出模式打开文件 "example.txt"，允许向文件写入数据，并且不对数据进行格式转换。

#include <fstream>

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() const
	{
		// 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;
};

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

	int _port;
	Date _date;
};

istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{
	in >> d._year >> d._month >> d._day;
	return in;
}

istream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{
	out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;

	return out;
}

struct ConfigManager
{
public:
	ConfigManager(const char* filename)
		:_filename(filename)
	{}

	// 二进制读写，读写对象中，不能有string
	void WriteBin(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename, ofstream::out | ofstream::binary);
		ofs.write((char*)&info, sizeof(info));
	}
	void ReadBin(ServerInfo& info)
	{
		ifstream ifs(_filename, ofstream::in | ofstream::binary);
		ifs.read((char*)&info, sizeof(info));
	}
    // 在代码中，虽然没有显式调用 open 函数打开文件，但是这并不表示文件流没有打开。
    // 在C++中，如果使用文件流对象的构造函数初始化对象时指定了文件名，文件流对象在构造时会尝试
    // 打开相应的文件。因此，ofstream ofs(_filename, ofstream::out | ofstream::binary); 和 
    // ifstream ifs(_filename, ofstream::in | ofstream::binary); 这两行代码实际上会尝试打
    // 开文件 _filename。
    // 如果文件打开成功，那么后续的写入和读取操作将正常进行。如果文件打开失败，后续的写入和
    // 读取操作可能会导致未定义的行为或错误。


	// 文本读写 C++文本读写更简单
	// 文本读写本质，内存中任何类型都是转成字符串在写
	// c语言文本读写很不方便，因为要不断转字符串
	// c++封装了以后就有很大的优势
	void WriteText(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename);
		ofs << info._address << " ";
		ofs << info._port << endl;
		ofs << info._date << endl;
	}

	void ReadText(ServerInfo& info)
	{
		ifstream ifs(_filename);
		ifs >> info._address;
		ifs >> info._port;
		ifs >> info._date;
	}

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

int main()
{
	ServerInfo winfo = { "192.0.0.1xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx", 80, { 2023, 7, 11 } };

	string str;
	cin >> str;
	if (str == "二进制写")
	{
		ConfigManager cm("test.txt");
		cm.WriteBin(winfo);
	}
	else if (str == "二进制读")
	{
		ServerInfo rinfo;
		ConfigManager cm("test.txt");
		cm.ReadBin(rinfo);
		cout << rinfo._address << endl;
		cout << rinfo._port << endl;
		cout << rinfo._date << endl;
	}
	else if (str == "文本写")
	{
		ConfigManager cm("test.txt");
		cm.WriteText(winfo);
	}
	else if (str == "文本读")
	{
		ServerInfo rinfo;
		ConfigManager cm("test.txt");
		cm.ReadText(rinfo);

		cout << rinfo._address << endl;
		cout << rinfo._port << endl;
		cout << rinfo._date << endl;
	}
	

	return 0;
}

为什么文件流不用单独重新实现 istream& operator >> 和 istream& operator << 这两个函数？

文件流（如ifstream和ofstream）是从基类iostream派生出来的，继承了iostream类中的输入（>>）和输出（<<）操作符重载函数。

在C++中，iostream类已经为常见的输入输出类型（如int、char、string等）提供了默认的输入（>>）和输出（<<）操作符重载函数。对于自定义类型，如果希望能够使用输入输出操作符进行读写，我们需要单独实现对应的重载函数。

在代码中，虽然istream和ostream类是基类，但ifstream和ofstream类是它们的派生类。由于继承关系，ifstream和ofstream类继承了istream和ostream类中的输入（>>）和输出（<<）操作符重载函数。因此，在代码中我们可以直接使用ifstream和ofstream对象进行读写操作，而不需要单独重新实现这两个函数。

总结来说，文件流（如ifstream和ofstream）可以直接使用iostream类中定义的输入（>>）和输出（<<）操作符重载函数，而不需要单独重新实现。这使得文件的读写操作更加方便和简洁。

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。
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：
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

#include<sstream>
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

#include<sstream>
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。