【C++】C++的IO流

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 “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”。

二、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。

三、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。

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：
  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& operator>> (int& val);
explicit operator bool() const;

    cplusplus.com/reference/istream/istream/operator>>/

    cplusplus.com/reference/ios/ios/operator_bool/

    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;
    while (d)
    {
        cin >> d;
        cout << d;
    }

    return 0;
}

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。

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);
        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& 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 = { "192.0.0.1", 80, { 2023, 11, 10 } };
 
    // 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;
}

四、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：

  1. istringstream
  2. ostringstream
  3. stringstream
分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作，下面主要介绍 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

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 

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 << "姓名：" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ") ";
    cout <<rInfo._date << endl;
    cout << rInfo._name << ":>" << rInfo._msg << 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。

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