[C++知识库]C++的IO流

前言

无论什么语言，IO都是非常重要的。C++也是如此，正因为有了IO，我们才能从键盘中获取数据，并且使这些数据在屏幕显示。

1、C语言中的输入输出

1.1 简单回顾

在C语言中，我们用到最频繁的输入出入方式就是scanf()和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)。但必须注意需要我们控制宽度输出和精度输出，否则产生的结果可能与我们所期望的相违背。
除了上述中这两个常用的输入输出外，C语言还提供了其他的输入输出函数，例如sscanf()，sprintf()，fscanf()，fprintf()，fputs()，fgets等等。这里就不做过多的详细说明了 。

1.2 理解什么是缓冲区

在操作系统看来，一切皆文件。几乎所有编译器在使用时，都会默认的打开三个文件，在C语言当中，它们是stdin(标准输入)，stdout(标准输出)，stderr(标准错误)(C++则为cin，cout，cerr)

ANSIC 标准采用“缓冲文件系统”处理的数据文件的，所谓缓冲文件系统是指系统自动地在内存中为程序中每一个正在使用的文件开辟一块“文件缓冲区”。从内存向磁盘输出数据会先送到内存中的缓冲区，再送到磁盘上。如果从磁盘向计算机读入数据，则从磁盘文件中读取数据输入到内存缓冲区，然后再从缓冲区逐个地将数据送到程序数据区（程序变量等）。如果缓冲区对应的是输入设备，那么则为输入缓冲区，如果对应输出设备，则为输出缓冲区。

为什么要引入缓冲区：
当我们从磁盘上读入或写入数据时，先将数据放入缓冲区，计算机再从缓冲区中读取或者写入数据，这将大大减少磁盘IO次数，再加上计算机对缓冲区的操作大大快于对磁盘的操作，故应用缓冲区可大大提高计算机的运行速度，提升整体性能。
说白了，缓冲区就是一个中间层，方便两者沟通交流的。

除此之外，使用缓冲区，还可以屏蔽掉低级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
注意：语言层次的IO都是对系统级IO的封装，因为对硬件的访问需要经过管理者的允许，然后管理者再帮你访问，而这个管理者就是操作系统。所以说，对硬件的操作需要贯穿整个操作系统。

缓冲区类型：

1. 全缓冲。缓冲区也是内存，也有大小。当标准IO缓冲区被填满时，再对缓冲区进行实际IO操作。典型代表为磁盘文件的读写操作。
2. 行缓冲。当我们在进行输入操作时，是先对缓冲区进行操作的，也就是说我们输入的每个字符都会放在缓冲区，当遇到结束标识符时，才进行实际的IO。典型代表为print()和与之相似的输入函数。
3. 不带缓冲。也就是不进行缓冲。为什么会有不带缓冲呢？原因就是每个程序都可能会报错，作为程序的管理者，我们尽快的想知道程序出错的地方，这样才能将损失降到最低。典型代表是C语言中的stderr(标准错误)，C++中为cerr。

2、C++IO流

2.1 什么是流？

“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

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

2.2 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. 循环输入：
   因为while关键字只能对bool类型进行判断，但对于cin来说，它是一个流对象，该如何判断呢？在cin里面，对bool进行了重载
   

// 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) 
{
 // ...
}

不想再输入了就ctrl+z就能退出循环	

2.3 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

二进制写：

struct ServerInfo
{
	char _ip[32]; // ip
	int _port; // 端口
};

class ConfigManager
{
public:
	ConfigManager(const char* filename)
		:_filename(filename)
	{}
	void WriteBin(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename.c_str(), ios_base::out | ios_base::binary);
		ofs.write((const char*)&info, sizeof(ServerInfo));
	}
	
private:
	string _filename;
};

int main()
{
	ServerInfo info = { "127.0.0.1", 80 };
	ConfigManager cm("config.bin");
	cm.WriteBin(info);

	return 0;
}

ofstream的第一个参数是const char* 类型的，需要自己传参。第二个参数给了缺省值，可以不用自己传参

write的第一个参数的类型是const char*，第二个参数的类型是streamsize，用来表示需要写多大的数据，单位是字节。这两个参数都需要自己手动传参。

对于文件的打开方式有：in、out、binary、ate、app、trunc
in：读方式
out：写方式
binary：以二进制的方式
ate：文件末尾
app：追加
trunc：打开文件之前，删除文件中的所用内容
上述这些方式都能使用或运算符(|)进行组合

运行后我们发现确实有一个文件叫config.bin

二进制读：

void ReadBin(ServerInfo& info)
{
	ifstream ifs(_filename.c_str(), ios_base::in | ios_base::binary);
	ifs.read((char*)&info, sizeof(ServerInfo));
}
int main()
{

	ServerInfo info = { 0 };
	ConfigManager cm("config.bin");
	cm.ReadBin(info);
	cout << info._ip << endl;
	cout << info._port << endl;
	return 0;
}

read第一个参数是char*。第二个参数是streamsize，表示一次希望读多少数据，单位是自己。两个参数都需要我们自己传参。

运行后的结果：

文本写：

void WriteText(const ServerInfo& info)
{
	ofstream ofs(_filename.c_str());
	ofs << info._ip << " " << info._port << endl;//这里一定要加空格作为分割符，否则从文本中读取时会出错
}

int main()
{
	ServerInfo info = { "127.0.0.1", 80 };
	ConfigManager cm("config.txt");
	cm.WriteText(info);
	return 0;
	return 0;
}

文本写支持流插入：

运行代码之后：


文本读：

void ReadText(ServerInfo& info)
{
	ifstream ifs(_filename.c_str());
	ifs >> info._ip >> info._port;
}
int main()
{
	ServerInfo info = { 0 };
	ConfigManager cm("config.txt");
	cm.ReadText(info);
	cout << info._ip << endl;
	cout << info._port << endl;
	return 0;
}

文本读支持流提取：

运行代码之后：

3 、stringstream

在C语言中，如果想要一个整形变量的数据转换为字符串格式，该怎么做呢？

1. 使用itoa()函数(非标准的C/C++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);
	printf("%s\n", s1);

	char s2[32];
	sprintf(s2, "%d", n);
	printf("%s\n", s2);

	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#include。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，我们主要介绍stringstream。

1. 将数值类型数据格式化为字符串

#include<string>
#include<sstream>
int main()
{
	int a = 12345678;
	string fl;
	// 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 >> fl;
	cout << fl << 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 >> fl;
	cout << fl << endl;
	string sValue;
	sValue = s.str(); // str()方法：返回stringsteam中管理的string类型
	cout << sValue << endl;
	return 0;
}

代码运行结果：

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。