C++ IO流详解:标准IO、文件IO与字符串IO实战

简介: 本文详解C++三大IO流:标准流(cin/cout)、文件流(ifstream/ofstream)和字符串流(istringstream/ostringstream),涵盖核心类库、操作符、格式化控制及实战代码,助你掌握统一而强大的IO系统。

好的,我们来详细讲解 C++ 中的 IO 流系统,包括标准 IO、文件 IO 和字符串 IO,并提供实战代码示例。

C++ IO 流详解

C++ 的输入/输出系统基于的概念。流是一个抽象,代表数据从一个源(如键盘、文件、内存)流向一个目标(如屏幕、文件、内存)的序列。iostream 库提供了处理这些流的类和函数。

主要分为三大类:

  1. 标准 IO:处理标准输入(键盘)和标准输出(屏幕/控制台)。
  2. 文件 IO:处理磁盘文件的读写。
  3. 字符串 IO:处理内存中的字符串,就像处理文件或控制台一样。

核心类库:

  • <iostream>:包含标准输入输出对象 (cin, cout, cerr, clog)。
  • <fstream>:包含文件流类 (ifstream, ofstream, fstream)。
  • <sstream>:包含字符串流类 (istringstream, ostringstream, stringstream)。

所有流类都继承自基类 ios_baseios,它们定义了流的通用状态和格式化标志。


1. 标准 IO

  • 对象:
  • cinistream 对象,绑定到标准输入(通常是键盘)。
  • coutostream 对象,绑定到标准输出(通常是屏幕)。
  • cerrostream 对象,绑定到标准错误输出(无缓冲,立即显示错误信息)。
  • clogostream 对象,绑定到标准日志输出(有缓冲,用于记录日志)。
  • 基本操作:
  • 输入 (>> 提取运算符): 从流中读取数据到变量。它会跳过前导空白字符(空格、制表符、换行符)。
  • 输出 (<< 插入运算符): 将数据插入到输出流。
  • 格式化: 可以使用操纵符(如 std::endl, std::setw, std::setprecision, std::fixed, std::showpoint, std::hex) 或 ios 成员函数(如 setf, precision, width) 来控制输出的格式。
  • 状态检查: 使用成员函数 good(), eof(), fail(), bad() 检查流的状态。clear() 可以清除错误状态。
  • 实战示例:
#include <iostream>
#include <iomanip> // 用于操纵符如 setw, setprecision
int main() {
    int num;
    double pi = 3.1415926535;
    char ch;
    // 输入整数
    std::cout << "请输入一个整数: ";
    std::cin >> num;
    if (std::cin.fail()) {
        std::cerr << "输入错误!请输入有效的整数。" << std::endl;
        std::cin.clear(); // 清除错误状态
        std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n'); // 忽略错误输入行
        return 1;
    }
    // 输出整数和格式化后的浮点数
    std::cout << "你输入的整数是: " << num << std::endl;
    std::cout << "Pi 的值: " << std::setprecision(4) << std::fixed << pi << std::endl;
    // 输入字符 (注意 >> 会跳过空格)
    std::cout << "请输入一个字符: ";
    std::cin >> ch; // 如果缓冲区有残留的换行符,这里可能不会等待输入
    std::cout << "你输入的字符是: " << ch << std::endl;
    // 读取一行 (包括空格)
    std::cout << "请输入一行文本: ";
    std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n'); // 清除之前的输入缓冲区
    std::string line;
    std::getline(std::cin, line); // 使用 getline 读取整行
    std::cout << "你输入的文本是: " << line << std::endl;
    return 0;
}

image.gif


2. 文件 IO

  • 类:
  • ifstream: 输入文件流,用于从文件读取数据。
  • ofstream: 输出文件流,用于向文件写入数据。
  • fstream: 文件流,可同时用于输入和输出(读写)。
  • 基本步骤:
  1. 打开文件: 创建流对象并关联到文件名。可以在构造函数中指定文件名和打开模式,或者先创建对象再用 open() 成员函数打开。
  2. 检查是否打开成功: 使用 is_open() 成员函数。
  3. 读写数据: 使用 >>, <<, getline() 等操作符和函数,与标准 IO 类似。
  4. 关闭文件: 使用 close() 成员函数。对象析构时也会自动关闭,但显式关闭是好习惯。
  • 打开模式 (ios::openmode): 使用位或 | 组合。
  • ios::in: 打开用于输入(读)。
  • ios::out: 打开用于输出(写)。如果文件存在,默认会截断文件(清空内容)。使用 ios::appios::ate 避免。
  • ios::app: 追加模式,所有写入都追加到文件末尾。
  • ios::ate: 打开后定位到文件末尾,但写入位置可以移动。
  • ios::trunc: 如果文件存在则截断(清空)。
  • ios::binary: 以二进制模式打开文件,避免字符转换(如换行符处理)。
  • 实战示例 (文本文件读写):
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
int main() {
    // 写入文件 (覆盖模式)
    std::ofstream outfile("data.txt"); // 默认模式: ios::out | ios::trunc
    if (!outfile.is_open()) {
        std::cerr << "打开文件 data.txt 用于写入失败!" << std::endl;
        return 1;
    }
    outfile << "Hello, File IO!" << std::endl;
    outfile << "This is a test line." << std::endl;
    outfile << "Writing numbers: " << 42 << std::endl;
    outfile.close(); // 关闭文件
    // 读取文件
    std::ifstream infile("data.txt");
    if (!infile.is_open()) {
        std::cerr << "打开文件 data.txt 用于读取失败!" << std::endl;
        return 1;
    }
    std::string line;
    std::cout << "文件内容:" << std::endl;
    while (std::getline(infile, line)) {
        std::cout << line << std::endl;
    }
    infile.close();
    // 追加模式写入
    std::ofstream appfile("data.txt", std::ios::app); // 追加模式
    if (appfile.is_open()) {
        appfile << "This line is appended." << std::endl;
        appfile.close();
    }
    return 0;
}

image.gif

  • 实战示例 (二进制文件读写): 使用 read()write() 成员函数。
#include <iostream>
#include <fstream>
struct Person {
    char name[50];
    int age;
    double height;
};
int main() {
    Person p = {"Alice", 30, 1.75};
    // 写二进制文件
    std::ofstream b_outfile("person.dat", std::ios::binary);
    if (b_outfile.is_open()) {
        b_outfile.write(reinterpret_cast<char*>(&p), sizeof(Person));
        b_outfile.close();
    }
    // 读二进制文件
    Person p_read;
    std::ifstream b_infile("person.dat", std::ios::binary);
    if (b_infile.is_open()) {
        b_infile.read(reinterpret_cast<char*>(&p_read), sizeof(Person));
        b_infile.close();
        std::cout << "Name: " << p_read.name << std::endl;
        std::cout << "Age: " << p_read.age << std::endl;
        std::cout << "Height: " << p_read.height << std::endl;
    }
    return 0;
}

image.gif


3. 字符串 IO

  • 类:
  • istringstream: 输入字符串流,用于从字符串读取数据。
  • ostringstream: 输出字符串流,用于向字符串写入数据。
  • stringstream: 字符串流,可同时用于输入和输出。
  • 用途:
  • 格式化解析: 将包含多种类型数据的字符串分解成单独的变量。
  • 格式化构造: 将不同类型的数据格式化为一个字符串。
  • 内存中数据处理: 像操作文件或控制台一样操作字符串。
  • 基本操作: 与标准 IO (cin, cout) 和文件 IO 使用相同的 >>, <<, getline(), str() 等操作符和成员函数。
  • 获取/设置字符串: 使用 str() 成员函数获取或设置底层字符串对象。http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272811.shtm

http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272812.shtm

http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272813.shtm

http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272814.shtm

http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272815.shtm

http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272816.shtm

http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272817.shtm

http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272818.shtm

http://fhqgpmuxd.cn/article/20260224/272819.shtm

  • 实战示例 (字符串解析):
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
int main() {
    std::string data = "John Doe 30 1.85";
    std::istringstream iss(data);
    std::string firstname, lastname;
    int age;
    double height;
    iss >> firstname >> lastname >> age >> height;
    std::cout << "First Name: " << firstname << std::endl;
    std::cout << "Last Name: " << lastname << std::endl;
    std::cout << "Age: " << age << std::endl;
    std::cout << "Height: " << height << std::endl;
    return 0;
}

image.gif

  • 实战示例 (字符串格式化):
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
int main() {
    std::ostringstream oss;
    int num = 123;
    double value = 45.67;
    std::string text = "Formatted";
    oss << text << " output: Number=" << num << ", Value=" << value;
    std::string result = oss.str(); // 获取格式化后的字符串
    std::cout << result << std::endl; // 输出: Formatted output: Number=123, Value=45.67
    return 0;
}

image.gif

  • 实战示例 (字符串流读写):
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
int main() {
    std::stringstream ss;
    // 写入到字符串流
    ss << "Initial content. ";
    ss << 100 << " ";
    ss << 3.14;
    // 从字符串流读取
    std::string part;
    int num;
    double pi;
    ss >> part; // 读取到空格
    std::cout << "Part1: " << part << std::endl; // 输出: Initial
    ss >> part; // 继续读取下一个单词
    std::cout << "Part2: " << part << std::endl; // 输出: content.
    ss >> num;
    std::cout << "Number: " << num << std::endl; // 输出: 100
    ss >> pi;
    std::cout << "Pi: " << pi << std::endl; // 输出: 3.14
    return 0;
}

image.gif


总结:

  • 标准 IO (cin, cout): 用于与控制台交互。注意输入错误处理和缓冲区管理。
  • 文件 IO (ifstream, ofstream, fstream): 用于持久化存储。注意打开模式(文本/二进制、读/写/追加)和文件路径。
  • 字符串 IO (istringstream, ostringstream, stringstream): 用于内存中字符串的格式化和解析,非常灵活。

C++ IO 流提供了强大而统一的接口来处理各种输入输出需求。理解流的状态、格式化控制以及不同流类的特性和使用场景是高效使用 C++ IO 的关键。

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