从C语言到C++_38(C++的IO流+空间适配器)STL六大组件联系(上)

简介: 从C语言到C++_38(C++的IO流+空间适配器)STL六大组件联系

1. C语言的输入和输出和流

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)。

要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. C++的IO流

       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”。


它的特点:有序连续、具有方向性。


C++定义了I/O标准类库来实现这种流动,这些每个类都称为流/流类,用以完成某种特定的功能。


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:


2.1 C++标准IO流

       iostream类也叫做标准IO流,根据上面IO库可以看到,iostream是同时继承了istream标准输入和ostream标准输出。

       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。

先复习下标准输入:

       对于标准输入,只要包含了C++的IO库,就会有一个全局的istream对象cin,用来从IO流中将数据提取到内存中的指定位置。

       而为了能实现数据从标准外设到内存的流动,重载了>>运算符,如上图红色框中所示函数operator>>,这个运算符也形象的表示了数据流动的方向,是向右流动的。

int a;
cin >> a;

如上面代码所示,数据从cin对象流到了变量a中,其中cin这个全局对象就代表标准输入(如键盘)。

       从operator>>的成员函数定义中,可以看到,所有的内置类型都进行了重载,这个工作是由C++IO库来完成的,我们可以直接使用。 而对于内置类型需要我们自己来实现>>的重载,我们在日期类就详细讲过了。


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加回车时结束。

c0af4a35757e473095216a6e475ffd47.png

⑦ 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。

跟着上面知识重新看下日期类:

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 << "年" << d._month << "月" << d._day << "日";
  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(2023, 1, 2);
  cout << d << endl;
  while (cin >> d)
  {
    cout << d << endl;;
  }
  return 0;
}

下面的C++文件IO流对于日期类这种自定义类型也有优点。


2.2 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)。

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。

       保留上面的日期类,再看段代码:(注意包含头文件#include ,还有日期类的输出要改一点)

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; // 文本读写先用空格分割,不然再从文件读就错了
  return out;
}
 
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); // 两种状态
    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,都适用
  // 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 = { "777.6.5.4", 80, { 2023, 5, 4 } };
  // 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;
}


2.3 stringstream(字符流)

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。


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sstream。


       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。


这里主要介绍stringstream。 stringstream主要可以用来:


① 将数值类型数据格式化为字符串


② 字符串拼接


③ 序列化和反序列化结构数据


①②都不那么重要,但是先看看 ① 将数值类型数据格式化为字符串:

#include<sstream>
int main()
{
  int a = 7654321;
  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 << endl;
  // 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;
}


再看看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;
}


最后看看③ 序列化和反序列化结构数据

这里就类似于一个设备给另一个设备发信息,然后这段代码把要发的信息排列成易看的格式发出。

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; // 文本读写先用空格分割,不然再从文件读就错了
  return out;
}
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 = { "清濑灰二", 777999, { 2023, 5, 4 }, "晚上去跑步吗" };
  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 << "时间" << rInfo._date << endl;
  cout << "信息:>" << rInfo._msg << endl;
  cout << "-------------------------------------------------------" << endl;
  return 0;
}


总结注意:

  • 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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