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:
- 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 “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:
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:
- 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。
- 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。
- 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。
- 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:
- 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; }
- 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) { // ... }
- istream类型对象转换为逻辑条件判断值。
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:
- 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)
- 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
- 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?
- 使用itoa()函数
- 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:
- 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。
- 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; }
- 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。