【C++】IO流

一、C语言的输入输出

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：

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++ 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，如下图：

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

例如文档：istream 流提取重载 和 operator bool() 重载

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.

例如下面的日期类，当我们输入 _year 为 0 时，结束循环：

				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;
				};
				
				
				// 流提取重载
				istream& operator >> (istream& in, Date& d)
				{
					in >> d._year >> d._month >> d._day;
					return in;
				}
				
				// 流插入重载
				ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
				{
					out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;
					return out;
				}
				
				
				int main()
				{
					Date d;
					while (d)
					{
						cin >> d;
						cout << d << endl;
					}
					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；

例如我们定义一个结构体：

				struct ServerInfo
				{
					char _address[32];
					int _port;
					Date _date;
				};

假设我们需要向文件中写入和读取这个结构体的信息，分别用二进制读写和文本读写的方式实现；首先我们先定义一个类，将二进制读写和文本读写进行封装：

				class ConfigManager
				{
				public:
					ConfigManager(const char* filename = "test.txt")
						:_filename(filename)
					{}
				
					void WriteBin(const ServerInfo& info)
					{
						// 二进制覆盖写
						ofstream ofs(_filename, ofstream::out | ofstream::binary);
						ofs.write((const char*)&info, sizeof(info));
					}
				
					void ReadBin(ServerInfo& info)
					{
						// 二进制读取
						ifstream ifs(_filename, ofstream::in | ofstream::binary);
						ifs.read((char*)&info, sizeof(info));
					}
					
					void WriteText(const ServerInfo& info)
					{
						// 文本格式写入
						ofstream ofs(_filename);
						ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date;
					}
				
					void ReadText(ServerInfo& info)
					{
						// 文本格式读取
						ifstream ifs(_filename);
						ifs >> info._address >> info._port >> info._date;
					}
				
				private:
					string _filename; // 配置文件
				};

其中，在定义 ofstream 对象和 ifstream 对象的时候，可以以构造函数的形式传参去打开文件，也可以使用 open 接口，这里我们使用第一种方法，其构造函数的重载形式和参数解析参考文档：ofstream. 接下来我们进行测试：

				int main()
				{
					ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 100, { 2024, 1, 20 } };
				
					// 二进制写
					ConfigManager cf_bin("test.bin");
					cf_bin.WriteBin(winfo);
				
					// 二进制读
					ServerInfo rbinfo;
					cf_bin.ReadBin(rbinfo);
					// 打印读取结果
					cout << rbinfo._address << " " << rbinfo._port << " " << rbinfo._date << endl;
				
					// 文本写入
					ConfigManager cf_text("test.txt");
					cf_text.WriteText(winfo);
				
					// 文本读取
					ServerInfo rtinfo;
					cf_text.ReadText(rtinfo);
					// 打印读取结果
					cout << rtinfo._address << " " << rtinfo._port << " " << rtinfo._date << endl;
				
					return 0;
				}

运行结果如下：

我们也可以在当前目录下看见新建的两个文件：

注意，以二进制方式写数据的时候，不能使用二进制方式写容器，例如我们将上述的结构的信息中的 char _address[32] 改成 string：

				struct ServerInfo
				{
					//char _address[32];
					string _address;
					int _port;
					Date _date;
				};

因为 string 底层是有一个指针指向的是当前字符串的空间，当我们打开一个文件：

• 如果在同一个进程中，WriteBin 写入的时候向文件中写入的是 string 中的 _str 指针、_size、_capacity，而 ReadBin 读取出来的时候是原封不动地将文件中的内容读取到另外一个对象中，也就是浅拷贝问题，相当于两个结构体对象中的 string 都指向同一个空间，所以会出现析构两次的情况。
• 如果不同一个进程中，WriteBin 写入完成的时候并没有读取，而是进程退出，空间释放，_str 指向的空间被释放；而在另外一个进程中读取的时候，ReadBin 在读取的时候，读取的是 _str 释放掉的空间，也就是野指针问题。

四、stringstream 的简单介绍

在C语言中，如果想要将一个整型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：istringstream、ostringstream 和 stringstream，分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作，我们这里主要介绍 stringstream.

stringstream 主要可以用来：

1. 将数值类型数据格式化为字符串

例如我们将一个整型转化为字符串，存储到 string 类对象中；代码如下：

				int main()
				{
					int a = 12345678;
					string sa;

					stringstream s;
					s << a;
					s >> sa;
					cout << sa << endl;
					
					return 0;
				}

打印结果如下：

注意多次转换时，必须使用 clear() 将上次转换状态清空掉，因为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。

同时，需要使用 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。

例如我们经过上次转换后，继续转换一个 double 类型：

				int main()
				{
					int a = 12345678;
					string sa;

					stringstream s;
					s << a;
					s >> sa;
				
					s.str("");
					s.clear();     // 清空s, 不清空会转化失败
					double d = 12.34;
					s << d;
					s >> sa;
					cout << sa << endl;
					
					string sValue;
					// str()方法：返回 stringsteam 中管理的 string 类型
					sValue = s.str();  
					cout << sValue << endl;
					return 0;
				}

其中，s.str() 会返回 stringsteam 中管理的 string 类型；运行结果如下：

2. 字符串拼接

代码如下：

				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

示例代码如下：

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