C++ 的 IO 流

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1. C 語言的輸入輸出

1.1?常用輸入輸出函數

C 語言中最常用的輸入輸出方式是?scanf()?與?printf()?。

scanf()：從標準輸入流（通常是鍵盤）讀取格式化數據，按照指定的格式將輸入數據存儲到對應的變量中。
printf()：將格式化的數據輸出到標準輸出流（通常是顯示器）。使用時需注意寬度輸出和精度輸出控制。

1.2?輸入輸出緩沖區

C 語言借助相應的緩沖區來進行輸入與輸出，輸入輸出緩沖區作用如下：

屏蔽低級 I/O 的實現：低級 I/O 的實現依賴操作系統本身內核，屏蔽這部分差異可使程序更具可移植性。
實現 “行” 讀取行為：計算機本身沒有 “行” 的概念，通過緩沖區可定義 “行”，并解析其內容返回 “行”。

2. 流是什么

“流” 是對有序連續且具有方向性的數據的抽象描述。

C++ 流指信息從外部輸入設備（如鍵盤）向計算機內部（如內存）輸入，以及從內存向外部輸出設備（顯示器）輸出的過程。

C++ 流的特性：

有序連續：數據按順序流動。
有方向性：分為輸入流和輸出流。
基于 I/O 標準類庫：通過類對象實現輸入輸出操作。

3.?C++ ?IO 流

C++ 中構建了一個體系龐大的類庫，在這個類庫的繼承體系里，ios類是基類，其他所有相關類均直接或間接派生自ios類。

3.1?C++ 標準?IO 流

3.1.1?全局流對象

C++ 標準庫提供了 4 個全局流對象：cin、cout、cerr、clog。

cin：標準輸入流（鍵盤輸入到程序），屬于istream類。
cout：標準輸出流（程序輸出到顯示器），屬于ostream類。
cerr：標準錯誤輸出流（無緩沖，直接輸出）。
clog：標準日志輸出流（有緩沖）。

cout、cerr、clog是ostream類的三個不同對象，應用場景不同，但基本功能類似。使用時必須包含頭文件<iostream>，并引入std標準命名空間。

3.1.2 關鍵細節

3.1.2.1 緩沖機制

cin為緩沖流，輸入數據先存入緩沖區，提取時從緩沖區讀取。
輸入錯誤會設置流狀態字state，但程序繼續執行。

3.1.2.2 數據類型匹配

輸入類型需與提取類型一致，否則出錯（如給int變量輸入字符將出錯）。

3.1.2.3 分隔符處理

空格和回車可作為數據分隔符，字符型和字符串無法讀取空格或回車。

3.1.2.4 內置類型支持

標準庫已重載<<和>>運算符，可直接輸入輸出內置類型（如int、double）。

3.1.2.5 自定義類型支持

需重載<<和>>運算符才能使用cin/cout。

3.1.2.6 在線 OJ 輸入輸出

<1> IO類型的算法，一般都要循環輸入：

（1）單個元素循環輸入

適用場景：讀取多組單一類型數據（如多組整數）。

?
int num;
while (cin >> num) 
{  // 輸入整數，遇EOF結束cout << "輸入的數：" << num << endl;
}

（2）多個元素循環輸入

適用場景：讀取每行包含多個數據的輸入（如每行輸入 “姓名年齡分數”）。

string name;
int age;
double score;
while (cin >> name >> age >> score) 
{  // 按順序讀取多個元素cout << name << " " << age << " " << score << endl;
}

（3）非整行字符串輸入（不含空格）

適用場景：讀取以空格 / 換行分隔的單詞（如多個獨立字符串）。

string word;
while (cin >> word) 
{  // 讀取單個單詞，遇空格/換行/EOF結束cout << "單詞：" << word << endl;
}

（4）整行字符串輸入（含空格）

適用場景：讀取完整句子或段落（如 “Hello, world!”）。

string line;
while (getline(cin, line)) 
{  // 讀取整行，包括空格，遇EOF或空行結束if (line.empty()) break;  // 可選：跳過空行cout << "整行內容：" << line << endl;
}

<2> 輸出必須與題目要求完全一致，包括空格、換行符、標點符號等，多一個或少一個字符均可能導致錯誤。

<3> Windows 系統的 VS 系列編譯器中，通過輸入?Ctrl + Z??再按下?Enter?，就可發送?EOF（文件結束符）?信號，快捷終止輸入循環。

3.1.2.7 流對象的邏輯判斷

istream 對象能直接用于條件判斷。若輸入成功，則繼續執行相關操作；若輸入失敗，則停止執行相關操作。
自定義類型可通過重載?operator bool()?函數來添加額外的邏輯判斷。這些額外邏輯判斷通常用于設置業務層面的結束條件。

istream?對象可作為邏輯條件值，是因為該對象會調用?operator bool?函數。

當流提取成功時，operator bool返回true；當遇到文件結束符（EOF，如鍵盤輸入Ctrl+Z）、提取類型不匹配（如給int變量輸入字符）或流被關閉時，operator bool返回false，循環終止。

示例：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class Date 
{// 聲明友元函數以訪問私有成員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) {}// 類型轉換運算符：定義Date對象的邏輯判斷條件explicit operator bool() const {// 假設輸入_year為0時，返回falsereturn _year != 0;}private:int _year;int _month;int _day;
};// 重載流提取運算符：從輸入流讀取Date對象
istream& operator>>(istream& in, Date& d) 
{in >> d._year >> d._month >> d._day; return in; // 返回輸入流對象，支持鏈式調用（如cin >> d1 >> d2）
}// 重載流插入運算符：向輸出流寫入Date對象
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day; return out; // 返回輸出流對象，支持鏈式調用（如cout << d << endl）
}int main() 
{// 輸出內置類型（自動調用標準庫重載的<<運算符）int i = 1;double j = 2.2;cout << "內置類型輸出：" << endl;cout << "整數i = " << i << endl;cout << "浮點數j = " << j << endl;// 輸出自定義類型Date（調用重載的<<運算符）Date d(2022, 4, 10); cout << "\n初始化的日期：" << d << endl;// 循環輸入Date對象，直到輸入年份為0時結束cout << "\n請輸入日期（格式：年 月 日，輸入0 0 0結束）：" << endl;while (cin >> d) { // 用operator>>返回的istream對象調用operator bool// 輸入成功后，檢查Date對象的邏輯狀態（_year是否為0）if (!d) { cout << "檢測到結束標志（年份為0），退出程序。" << endl;break;}cout << "輸入的日期為：" << d << endl; cout << "請繼續輸入（或輸入0 0 0結束）：" << endl;}return 0;
}

3.2?C++ 文件?IO 流

根據數據的組織形式，數據文件可分為二進制文件和文本文件。

數據在內存中以二進制形式存儲，若不加轉換輸出到外存文件中，就是二進制文件；
若要求在外存上以 ASCII 碼形式存儲，則需在存儲前轉換，以 ASCII 字符形式存儲的文件就是文本文件。

采用文件流對象操作文件的一般步驟：

（1）定義文件流對象

類名用途 定義語法 示例

類名	用途	定義語法	示例
`ifstream`	只讀取文件	1.直接構造并打開文件： `ifstream 對象名("文件名",模式);` 2. 默認構造后打開文件： `ifstream 對象名;` `對象名.open("文件名", 模式);` `若未顯式指定模式將默認ios_base::in`	`std::ifstream fin("data.txt");` `std::ifstream fin; fin.open("data.bin", std::ios_base::binary); // 或 std::ifstream fin; fin.open("data.bin", std::ios_base::in \| std::ios_base::binary);`
`ofstream`	只寫入文件	1. 直接構造并打開文件（覆蓋寫入）： `ofstream 對象名("文件名",模式);` 2.默認構造后打開文件： `ofstream 對象名;` `對象名.open("文件名", 模式);` `若未顯式指定模式將默認ios_base::out`	類似?`ifstream`
`fstream`	讀寫文件	`fstream 對象名("文件名", 模式);` （模式必須包含?`ios_base::in`?\|?`ios_base::out`?）	`std::fstream file("data.txt", std::ios_base::in \| std::ios_base::out);` `// 追加讀寫： std::fstream file("data.txt", std::ios_base::in \| std::ios_base::out \| std::ios_base::app);`

ifstream

只讀取文件

1.直接構造并打開文件：

ifstream 對象名("文件名",模式);
2. 默認構造后打開文件：
ifstream 對象名;
對象名.open("文件名", 模式);

若未顯式指定模式將默認ios_base::in

std::ifstream fin("data.txt");

std::ifstream fin;
fin.open("data.bin", std::ios_base::binary);
// 或
std::ifstream fin;
fin.open("data.bin", std::ios_base::in | std::ios_base::binary);

ofstream

只寫入文件

1. 直接構造并打開文件（覆蓋寫入）：
ofstream 對象名("文件名",模式);
2.默認構造后打開文件：
ofstream 對象名;
對象名.open("文件名", 模式);

若未顯式指定模式將默認ios_base::out

類似?ifstream

fstream

讀寫文件

fstream 對象名("文件名", 模式);
（模式必須包含?ios_base::in?|?ios_base::out?）

std::fstream file("data.txt", std::ios_base::in | std::ios_base::out);

// 追加讀寫：
std::fstream file("data.txt", std::ios_base::in | std::ios_base::out | std::ios_base::app);

注意：ifstream /?ofstream /?fstream?均需包含頭文件?<fstream> ；ifstream 、ofstream 、fstream?、ios_base 要展開命名空間或使用?std::?前綴。

（2）打開文件
- 成員函數：open(const char* filename, ios_base::mode)。
- 常用打開模式：
  - ios_base::in：輸入模式（讀文件）。
  - ios_base::out：輸出模式（寫文件，覆蓋原有內容）。
  - ios_base::app：追加模式（寫文件，內容追加到末尾）。
  - ios_base::binary：二進制模式（默認為文本模式）。
（3）讀寫文件
- 文本讀寫：使用<<和>>運算符（需重載自定義類型運算符）。
- 二進制讀寫：使用write()和read()成員函數（按字節操作）。
（4）關閉文件：調用close()成員函數。

3.2.1?模擬服務器配置信息的讀寫

#include <iostream>       
#include <fstream>        
#include <string>         
using namespace std;      class Date 
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day) {}friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);private:int _year;   int _month;  int _day;    
};ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return out;
}istream& operator>>(istream& in, Date& d) 
{char separator1, separator2; // 用于讀取日期中的分隔符（如'-'）in >> d._year >> separator1 >> d._month >> separator2 >> d._day;return in;
}// 服務器信息結構體
struct ServerInfo 
{char _address[32];  // 地址（字符數組）int _port;          // 端口號Date _date;         // 日期（已重載IO運算符）
};// 配置管理類
class ConfigManager 
{
public:// 構造函數：初始化文件名explicit ConfigManager(const char* filename) : _filename(filename) {}// 二進制寫入文件void WriteBin(const ServerInfo& info) {ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary); if (!ofs.is_open()) { // 檢查文件是否打開成功cerr << "Error: Failed to open file for writing (binary)." << endl;return;}// 寫入結構體數據（需保證結構體無虛函數、無動態成員，否則需自定義序列化邏輯）ofs.write(reinterpret_cast<const char*>(&info), sizeof(info));ofs.close();}// 二進制讀取文件void ReadBin(ServerInfo& info) {ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);if (!ifs.is_open()) { cerr << "Error: Failed to open file for reading (binary)." << endl;return;}// 讀取結構體數據ifs.read(reinterpret_cast<char*>(&info), sizeof(info));ifs.close();}// 文本寫入文件void WriteText(const ServerInfo& info) {ofstream ofs(_filename);if (!ofs.is_open()) { cerr << "Error: Failed to open file for writing (text)." << endl;return;}// 使用流插入運算符寫入數據（需保證Date類已重載<<）ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date << endl;ofs.close();}// 文本讀取文件void ReadText(ServerInfo& info) {ifstream ifs(_filename);if (!ifs.is_open()) { cerr << "Error: Failed to open file for reading (text)." << endl;return;}// 使用流提取運算符讀取數據（需保證Date類已重載>>）ifs >> info._address >> info._port >> info._date;ifs.close();}private:string _filename; // 配置文件名
};int main() 
{// 初始化服務器信息ServerInfo winfo = {"192.0.0.1",    // 地址80,             // 端口號{2022, 4, 10}   // 日期（使用Date構造函數初始化）};// 創建配置管理器對象（二進制和文本文件）ConfigManager cf_bin("test.bin");ConfigManager cf_text("test.txt");// ---------------------- 二進制操作 ----------------------// 寫入二進制文件cf_bin.WriteBin(winfo);cout << "二進制文件寫入完成。" << endl;// 讀取二進制文件ServerInfo rbinfo;cf_bin.ReadBin(rbinfo);cout << "二進制讀取結果：" << endl;cout << "地址：" << rbinfo._address << endl;cout << "端口：" << rbinfo._port << endl;cout << "日期：" << rbinfo._date << endl;cout << endl;// ---------------------- 文本操作 ----------------------// 寫入文本文件cf_text.WriteText(winfo);cout << "文本文件寫入完成。" << endl;// 讀取文本文件ServerInfo rtinfo;cf_text.ReadText(rtinfo);cout << "文本讀取結果：" << endl;cout << "地址：" << rtinfo._address << endl;cout << "端口：" << rtinfo._port << endl;cout << "日期：" << rtinfo._date << endl;return 0;
}

4. 簡單介紹?stringstream

傳統C語言方法（如 sprintf / itoa ）在進行類型轉換與字符串操作時，存在緩沖區溢出風險且需手動管理內存空間，尤其在處理結構體數據的序列化與反序列化時不夠安全便捷。

stringstream 通過流式操作實現自動類型推導，并利用安全的string緩沖區管理，有效簡化了類型轉換與字符串拼接過程，規避了上述風險，更適用于序列化場景。

4.1 頭文件與類定義

頭文件：#include <sstream>
相關類：
- istringstream：從字符串讀取數據（輸入流）。
- ostringstream：向字符串寫入數據（輸出流）。
- stringstream：雙向操作（讀寫字符串）。

4.2 核心功能

4.2.1 數值類型轉字符串

避免itoa()或sprintf()的緩沖區溢出問題，自動推導類型。

示例代碼：

#include <iostream>       
#include <sstream>        
#include <string>         // 包含string類型頭文件using namespace std;      int main()
{int a = 12345678;     string sa;            // 定義用于存儲轉換結果的string對象stringstream s;       // 定義stringstream對象，用于數據轉換// 第一次轉換：將整數a轉換為字符串s << a;               // 向stringstream中插入int類型數據（自動格式化）s >> sa;              // 從stringstream中提取數據到string對象sacout << "整數轉字符串結果：" << sa << endl;  // ---------------------- 關鍵操作：清空流狀態和底層緩沖區 ----------------------s.clear();            // 重置流狀態標志（清除可能的badbit狀態）s.str("");            // 清空stringstream底層維護的string對象，避免殘留數據影響下次轉換// ----------------------------------------------------------------------------// 第二次轉換：將雙精度浮點數d轉換為字符串double d = 12.34;     s << d;               // 向stringstream中插入double類型數據（自動格式化）s >> sa;              // 從stringstream中提取數據到string對象sacout << "浮點數轉字符串結果：" << sa << endl;  return 0;
}

4.2.2 字符串拼接

方便合并多個字符串或變量。

示例代碼：

#include <iostream>      
#include <sstream>        
#include <string>         using namespace std;      int main() 
{// 創建stringstream對象用于字符串操作stringstream sstream;// 向流中插入多個字符串進行拼接sstream << "Hello" << " " << "World," << " 你好！";// 從stringstream中提取拼接后的完整字符串string result = sstream.str();cout << "拼接結果：" << result << endl;  return 0;
}

4.2.3 序列化與反序列化結構數據

將結構體數據轉為字符串（如網絡傳輸），或從字符串解析回結構體。

示例代碼：

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
using namespace std;class Date 
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day) {}friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);private:int _year;int _month;int _day;
};istream& operator>>(istream& in, Date& d) 
{char separator1, separator2; // 用于處理日期格式中的分隔符（如YYYY-MM-DD）in >> d._year >> separator1 >> d._month >> separator2 >> d._day;return in;
}ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day; return out;
}struct ChatInfo 
{string _name;int _id;Date _date; // 假設已重載<<和>>string _msg;
};int main() 
{// 序列化：結構體轉字符串ChatInfo winfo = {"張三",135246,{2022, 4, 10}, // 使用Date構造函數初始化日期"晚上一起看電影吧"};ostringstream oss;// 按順序輸出結構體成員，用空格分隔（需注意字符串中的空格會導致反序列化問題）oss << winfo._name << " "<< winfo._id << " "<< winfo._date << " "<< winfo._msg; // 假設_msg中不含空格，否則需特殊處理（如轉義或使用其他分隔符）string str = oss.str();cout << "序列化字符串：" << str << endl;// 反序列化：字符串轉結構體ChatInfo rInfo;istringstream iss(str);// 按順序讀取數據，與序列化順序嚴格一致iss >> rInfo._name >> rInfo._id >> rInfo._date >> rInfo._msg;// 檢查反序列化是否成功（處理可能的讀取錯誤）if (iss.fail()) {cerr << "反序列化失敗：輸入格式錯誤" << endl;return 1;}cout << "\n反序列化結果：" << endl;cout << "姓名：" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ")" << endl;cout << "時間：" << rInfo._date << endl;cout << "消息：" << rInfo._msg << endl;return 0;
}

4.3 注意事項

狀態與緩沖區管理
- clear()：重置流狀態（如badbit），但不清空底層字符串。
- str("")：清空底層string對象，避免多次轉換時數據累積。
安全性
- 使用string代替字符數組，避免緩沖區溢出。
- 自動類型推導，無需手動格式化，減少錯誤風險。