C++的IO流

简介: C++的IO流

前言

流是一种抽象概念,它代表了数据的无结构化传递。按照流的方式进行输入输出,数据被当成无结构的字节序或字符序列。从流中取得数据的操作称为提取操作,而向流中添加数据的操作称为插入操作。用来进行输入输出操作的流就称为IO流。换句话说,IO流就是以流的方式进行输入输出。


一、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 “你好” 读取的行为,对于计算机而言是没有 “你好” 这个概念,有了这部分,就可以定义 “你好” 的概念,然后解析缓冲区的内容,返回一个 “你好” 。

二、流的概念

“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。

三、C++的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。

继承体系:

C++ IO 文档


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。
  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:

std::istream::operator>>:

std::ostream::operator<<:

  1. 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
    例如实现日期类:
class Date
{
  friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& date);
  friend istream& operator >> (istream& cin, Date& date);
  Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
    :_year(year)
    ,_month(month)
    ,_day(day)
  {}
private:
  int _year;
  int _month;
  int _day;
};
ostream& operator << (ostream& out, const Date& date)
{
  out << date._year << " " << date._month << " " << date._day;
  return out;
}
istream& operator >> (istream& in, Date& date)
{
  in >> date._year >> date._month >> date._day;
  return in;
}


  1. 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)
{
  // ...
}
  1. istream类型对象转换为逻辑条件判断值。

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。

例如在上面的Date类中实现operator bool:

  Date::operator bool()
  {
    //判断日期是否合法
    if (_year >= 1 && _month >= 1 && _month <= 12 && _day >= 1 && _day <= GetMonthDay(_year, _month))
    {
      return true;
    }
    else
    {
      return false;
    }
  }


void test()
{
    Date d1 = -1;
    Date d2 = { 2022, 10, 11 };
    bool ret1 = d1;
    bool ret2 = d2;
    cout << ret1 << endl; //false
    cout << ret2 << endl; //true
}

3.2 C++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)

ofstream ofile(只输出用)

fstream iofile(既输入又输出用)

  1. 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
  2. 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

例如模拟实现一个配置文件管理类:

struct ServerInfo
{
  char _address[32];//地址
  int _port;//端口号
  Date _date;//日期
};
class ConfigManager
{
public:
  ConfigManager(const char* filename)
    :_filename(filename)
  {}
  //以二进制写文件
  void WriteBin(const ServerInfo& info)
  {
    ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary);
    ofs.write((const 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& date)
  ostream& operator << (ostream& out, const Date& date)
   */
  //以二进制读文件
  void ReadBin(ServerInfo& info)
  {
    ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);
    ifs.read((char*)&info, sizeof(info));
  }
  //以文本文件写文件
  void WriteText(const ServerInfo& info)
  {
    ofstream ofs(_filename);
    ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date;
  }
  //以文本文件读文件
  void ReadText(ServerInfo& info)
  {
    ifstream ifs(_filename);
    ifs >> info._address >> info._port >> info._date;
  }
private:
  string _filename; //文件名
};
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 rInfo1;
  cf_bin.ReadBin(rInfo1);
  //文本文件读写
  ConfigManager cf_txt("Test.txt");
  cf_txt.WriteText(wInfo);
  ServerInfo rInfo2;
  cf_txt.ReadText(rInfo2);
  return 0;
}


3.3 C++字符IO流

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。


stringstream的简单介绍


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,本文使用的是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>
#include<iostream>
using namespace std;
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;
  cout << "sa = " << sa << endl;
  cout << s.str() << endl; // str()方法:返回stringsteam中管理的string类型
  s.str(""); // 将stringstream底层管理string对象设置成""
  s.clear(); // 清空s, 不清空会转化失败
  double d = 12.34;
  s << d;
  s >> sa;
  cout << "sa = " << sa << endl;
  string sValue;
  sValue = s.str(); // str()方法:返回stringsteam中管理的string类型
  cout << sValue << endl;
  return 0;
}

【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,因此使用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。


  1. 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.clear();
  sstream << "third string";
  cout << "After clear, strResult is: " << sstream.str() << endl;
  return 0;
}
  1. 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;
  // 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】

4. 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。

5. 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。

6. 可以使用s. str(“”)方法将底层string对象设置为""空字符串。

7. 可以使用s.str()将让stringstream返回其底层的string对象。

8. 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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