C++ 基础系列——输入输出流
一、概览
C++ 中用于实现数据输入和输出的这些流类以及它们之间的关系：
- istream：常用于接收从键盘输入的数据；
- ostream：常用于将数据输出到屏幕上；
- ifstream：用于读取文件中的数据；
- ofstream：用于向文件中写入数据；
- iostream：继承自 istream 和 ostream 类，因为该类的功能兼两者于一身，既能用于输入，也能用于输出；
- fstream：兼 ifstream 和 ofstream 类功能于一身，既能读取文件中的数据，又能向文件中写入数据。
cin、cout 都声明在 iostream 头文件中，此外该头文件还有 cerr、clog 两个 ostream 类对象。
- cout 除了可以通过重定向将数据输出到屏幕上，还可以实现将数据输出到指定文件中；而 cerr 和 clog 都不支持重定向，它们只能将数据输出到屏幕上；
- cout 和 clog 都设有缓冲区，即它们在输出数据时，会先将要数据放到缓冲区，等缓冲区满或者手动换行（使用换行符 '\n' 或者 endl）时，才会将数据全部显示到屏幕上；而 cerr 则不设缓冲区，它会直接将数据输出到屏幕上。
cin 输入流对象常用成员方法
| 成员方法名 | 功能 |
|---|---|
| getline(str,n,ch) | 从输入流中接收 n-1 个字符给 str 变量，当遇到指定 ch 字符时会停止读取，默认情况下 ch 为 '\0'。 |
| get() | 从输入流中读取一个字符，同时该字符会从输入流中消失。 |
| gcount() | 返回上次从输入流提取出的字符个数，该函数常和 get()、getline()、ignore()、peek()、 read()、readsome()、putback() 和 unget() 联用。 |
| peek() | 返回输入流中的第一个字符，但并不是提取该字符。 |
| putback(c) | 将字符 c 置入输入流（缓冲区）。 |
| ignore(n,ch) | 从输入流中逐个提取字符，但提取出的字符被忽略，不被使用，直至提取出 n 个字符，或者 当前读取的字符为 ch。 |
| operator>> | 重载 >> 运算符，用于读取指定类型的数据，并返回输入流对象本身。 |
cout 输出流对象常用成员方法
| 成员方法名 | 功能 |
|---|---|
| put() | 输出单个字符。 |
| write() | 输出指定的字符串。 |
| tellp() | 用于获取当前输出流指针的位置。 |
| seekp() | 设置输出流指针的位置。 |
| flush() | 刷新输出流缓冲区。 |
| operator<< | 重载 << 运算符，使其用于输出其后指定类型的数据。 |
二、cout.put()：输出单个字符
put() 方法专用于向输出流缓冲区中添加单个字符，其语法格式如下：
ostream＆put(char c);
- 参数 c 为要输出的字符。
除了使用 cout.put() 函数输出一个字符外，还可以用 putchar() 函数输出一个字符。putchar() 函数是C 语 言中使用的，在 <stdio.h> 头文件中定义，C++保留了这个函数，在
三、cout.write()：输出字符串
write() 成员方法专用于向输出流缓冲区中添加指定的字符串，其语法格式如下：
ostream＆write（const char * s，streamsize n）;
- 其中，s 用于指定某个长度至少为 n 的字符数组或字符串；n 表示要输出的前 n 个字符。
四、cout.tellp()和 cout.seekp()方法
当数据暂存于输出流缓冲区中时，我们仍可以对其进行修改。ostream 类中提供 有 tellp() 和 seekp() 成员方法，借助它们就可以修改位于输出流缓冲区中的数据。
tellp()
tellp() 成员方法用于获取当前输出流缓冲区中最后一个字符所在的位置，其语法格式如下：
streampos tellp();
- streampos 是 fpos 类型的别名， 而 fpos 通过自动类型转换，可以直接赋值给一个整形变量。
当输出流缓冲区中没有任何数据时，该函数返回的整形值为 0；当指定的输出流缓冲区不支持此操作， 或者操作失败时，该函数返回的整形值为 -1。
int main() {
//定义一个文件输出流对象
std::ofstream outfile;
//打开 test.txt，等待接收数据
outfile.open("test.txt");
const char * str = "ASDFASDFASDF";
//将 str 字符串中的字符逐个输出到 test.txt 文件中，每个字符都会暂时存在输出流缓冲区中
for (int i = 0; i < strlen(str); i++) {
outfile.put(str[i]);
//获取当前输出流
long pos = outfile.tellp();
std::cout << pos << std::endl;
}
//关闭文件之前，刷新 outfile 输出流缓冲区，使所有字符由缓冲区流入 test.txt 文件
outfile.close();
return 0;
}
seekp()
seekp() 方法用于指定下一个进入输出缓冲区的字符所在的位置。
seekp() 方法有如下 2 种语法格式：
//指定下一个字符存储的位置
ostream& seekp (streampos pos);
//通过偏移量间接指定下一个字符的存储位置
ostream& seekp (streamoff off, ios_base::seekdir way);
- pos：用于接收一个正整数；
- off：用于指定相对于 way 位置的偏移量，其本质也是接收一个整数，可以是正数（代表正偏移）或者负数（代表负偏移）；
- way：用于指定偏移位置，即从哪里计算偏移量，它可以接收表 1 所示的 3 个值。
文件定位标志
| 模式标志 | 描述 |
|---|---|
| ios::beg | 从文件头开始计算偏移量 |
| ios::end | 从文件末尾开始计算偏移量 |
| ios::cur | 从当前位置开始计算偏移量 |
五、cout 格式化输出
C++ 通常使用 cout 输出数据，和 printf() 函数相比，cout 实现格式化输出数据的方式更加多样化。- cout 作为 ostream 类的对象，该类中提供有一些成员方法，可实现对输出数据的格式化；
- C++ 标准库专门提供了一个
头文件，该头文件中包含有大量的格式控制符（严格意义上称为“流操纵算子”），使用更加方便。
表1 ostream 类的成员方法
| 成员函数 | 说明 |
|---|---|
| flags(fmtfl) | 当前格式状态全部替换为 fmtfl。注意，fmtfl 可以表示一种格式，也可以表示多种格式。 |
| precision(n) | 设置输出浮点数的精度为 n。 |
| width(w) | 指定输出宽度为 w 个字符。 |
| fill(c) | 在指定输出宽度的情况下，输出的宽度不足时用字符 c 填充（默认情况是用空格填充）。 |
| setf(fmtfl, mask) | 在当前格式的基础上，追加 fmtfl 格式，并删除 mask 格式。其中，mask 参数可以省略。 |
| unsetf(mask) | 在当前格式的基础上，删除 mask 格式。 |
其中，对于表 1 中 flags() 函数的 fmtfl 参数、setf() 函数中的 fmtfl 参数和 mask 参数以及 unsetf() 函数 mask 参数，可以选择表 2 中列出的这些值。
表2 fmtfl 和 mask 参数可选值
| 标志 | 作用 |
|---|---|
| ios::boolapha | 把 true 和 false 输出为字符串 |
| ios::left | 输出数据在本域宽范围内向左对齐 |
| ios::right | 输出数据在本域宽范围内向右对齐 |
| ios::internal | 数值的符号位在域宽内左对齐，数值右对齐，中间由填充字符填充 |
| ios::dec | 设置整数的基数为 10 |
| ios::oct | 设置整数的基数为 8 |
| ios::hex | 设置整数的基数为 16 |
| ios::showbase | 强制输出整数的基数（八进制数以 0 开头，十六进制数以 0x 打头） |
| ios::showpoint | 强制输出浮点数的小点和尾数 0 |
| ios::uppercase | 在以科学记数法格式 E 和以十六进制输出字母时以大写表示 |
| ios::showpos | 对正数显示“+”号 |
| ios::scientific | 浮点数以科学记数法格式输出 |
| ios::fixed | 浮点数以定点格式（小数形式）输出 |
| ios::unitbuf | 每次输出之后刷新所有的流 |
double a = 1.23; 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
//设定后续输出的浮点数的精度为 4
cout.precision(4);
cout <<"precision: "<< a << endl;
//设定后续以科学计数法的方式输出浮点数
cout.setf(ios::scientific);
cout <<"scientific："<< a << endl;
当 cout 采用此方式进行格式化输出时，其后不能立即输出数据，需要再用一个 cout 输出数据。
当调用 unsetf() 或者 2 个参数的 setf() 函数时，为了提高编写代码的效率，可以给 mask 参数传递如下 3 个组合格式：
- ios::adjustfield：等价于 ios::left | ios::right | ios::internal；
- ios::basefield：等价于 ios::dec | ios::oct | ios::hex；
- ios::floatfield：等价于 ios::scientific | ios::fixed。
double f = 123;
//设定后续以科学计数法表示浮点数
cout.setf(ios::scientific);
cout << f << '\n';
//删除之前有关浮点表示的设定
cout.unsetf(ios::floatfield);
cout << f;
使用流操纵算子格式化输出
C++流操纵算子
| 流操纵算子 | 作用 |
|---|---|
| *dec | 以十进制形式输出整数 |
| hex | 以十六进制形式输出整数 |
| oct | 以八进制形式输出整数 |
| fixed | 以普通小数形式输出浮点数 |
| scientific | 以科学计数法形式输出浮点数 |
| left | 左对齐，即在宽度不足时将填充字符添加到右边 |
| *right | 右对齐，即在宽度不足时将填充字符添加到左边 |
| setbase(b) | 设置输出整数时的进制，b=8、10 或 16 |
| setw(w) | 指定输出宽度为 w 个字符，或输入字符串时读入 w 个字符。注意，该函数所起的作用是一次性的，即只影响下一次 cout 输出。 |
| setfill(c) | 在指定输出宽度的情况下，输出的宽度不足时用字符 c 填充（默认情况是用空格填 充） |
| setprecision(n) | 设置输出浮点数的精度为 n。 在使用非 fixed 且非 scientific 方式输出的情况下，n 即为有效数字最多的位数， 如果有效数字位数超过 n，则小数部分四舍五人，或自动变为科学计 数法输出并保 留一共 n 位有效数字。 在使用 fixed 方式和 scientific 方式输出的情况下，n 是小数点后面应保留的位数。 |
| setiosflags(mask) | 在当前格式状态下，追加 mask 格式，mask 参数可选择表 2 中的所有值。 |
| resetiosflags(mask) | 在当前格式状态下，删除 mask 格式，mask 参数可选择表 2 中的所有值。 |
| boolapha | 把 true 和 false 输出为字符串 |
| *noboolalpha | 把 true 和 false 输出为 0、1 |
| showbase | 输出表示数值的进制的前缀 |
| *noshowbase | 不输出表示数值的进制.的前缀 |
| showpoint | 总是输出小数点 |
| *noshowpoint | 只有当小数部分存在时才显示小数点 |
| showpos | 在非负数值中显示 + |
| *noshowpos | 在非负数值中不显示 + |
| uppercase | 十六进制数中使用 A~E。若输出前缀，则前缀输出 0X，科学计数法中输出 E |
| *nouppercase | 十六进制数中使用 a~e。若输出前缀，则前缀输出 0x，科学计数法中输出 e。 |
| internal | 数值的符号（正负号）在指定宽度内左对齐，数值右对 齐，中间由填充字符填充。 |
注意：“流操纵算子”一栏带有星号 * 的格式控制符，默认情况下就会使用。例如在默认情况下，整数是用十 进制形式输出的，等效于使用了 dec 格式控制符。
//以十六进制输出整数
cout << hex << 16 << endl;
//删除之前设定的进制格式，以默认的 10 进制输出整数
cout << resetiosflags(ios::basefield)<< 16 << endl;
double a = 123;
//以科学计数法的方式输出浮点数
cout << scientific << a << endl;
//删除之前设定的科学计数法的方法
cout << resetiosflags(ios::scientific) << a << endl;
六、输入输出重定向
cout 和 cerr、clog 的一个区别是，cout 允许被重定向，而 cerr 和 clog 都不支持。值得一提的是，cin 也允许被重定向。
freopen()函数实现重定向
freopen() 定义在stdio.h头文件中，是 C 语言标准库中的函数，专门用于重定向输入流（包括 scanf()、 gets() 等）和输出流（包括 printf()、puts() 等）。该函数也可以对 C++ 中的 cin 和 cout 进行重定向。
string name, url;
// 将标准输入流重定向到 in.txt 文件
freopen("in.txt", "r", stdin);
cin >> name >> url;
// 将标准输出重定向到 out.txt 文件
freopen("out.txt", "w", stdout);
cout << name << "\n" << url;
rdbuf()函数实现重定向
rdbuf() 函数定义在
ios 作为 istream 和 ostream 类的基类，rdbuf() 函数也被继承，因此 cin 和 cout 可以直接调 用该函数实现重定向。
rdbuf() 函数的语法格式有 2 种，分别为：
- streambuf * rdbuf() const; // 返回一个指向当前流缓冲区的指针
- streambuf * rdbuf(streambuf * sb); // 将 sb 指向的缓冲区设置为当前流的新缓冲区，并返回一个指向旧缓冲区的对象。
streambuf 是 C++ 标准库中用于表示缓冲区的类，该类的指针对象用于代指某个具体的流缓冲区。
通过控制台实现重定向
在控制台中使用 > 或者 < 实现重定向
D:\test> D:\demo.ext < in.txt > out.txt
七、管理输出缓冲区
导致缓冲刷新（数据写到输出设备或文件）的原因有很多：
- 程序正常结束，作为 main() 函数的 return 操作的一部分，缓冲刷新被执行。
- 缓冲区满时，需要刷新缓冲，而后新的数据才能继续写入缓冲区。
- 使用操纵符如 endl 来显式刷新缓冲区。
- 每个输出操作之后，可以用操作符 unitbuf 设置流的内部状态，来清空缓冲区。默认情况下，对 cerr 是设置 unitbuf 的，因此写到 cerr 的内容都是立即刷新的。
- 一个输出流可能被关联到另一个流。在这种情况下，当读写被关联的流时，关联到的流的缓冲区会被刷新。例如，默认情况下，cin 和 cerr 都关联到 cout。因此，读 cin 或写 cerr 都会导致 cout 的缓冲区被刷新。
刷新输出缓冲区
- flush 和 ends。flush 刷新缓冲区，但不输出任何额外的字符；
- ends 向缓冲区插入一个空字符，然后刷新缓冲区。
cout << "hi!" << endl; //输出 hi 和一个换行，然后刷新缓冲区
cout << "hi!" << flush; //输出 hi，然后刷新缓冲区，不附加任何额外字符
cout << "hi!" << ends; //输出 hi 和一个空字符，然后刷新缓冲区
unitbuf 操作符
可以使用 unitbuf 操作符，它告诉流在接下来的每次写操作之后都进行一次 flush 操作。而 nounitbuf 操作符则重置流， 使其恢复使用正常的系统管理的缓冲区刷新机制：
cout << unitbuf; // 所有输出操作后都会立即刷新缓冲区
cout << nounitbuf; //回到正常的缓冲方式
如何程序崩溃，输出缓冲区不会被刷新。
关联输入和输出流
当一个输入流被关联到一个输出流时，任何试图从输入流读取数据的操作都会先刷新关联的输出流。标准库将 cout 和 cin 关联在一起，因此下面语句：
cin >> ival;
导致 cout 的缓冲区被刷新。
tie() 函数可以用来绑定输出流，它有两个重载的版本：
ostream* tie ( ) const; //返回指向绑定的输出流的指针。
ostream* tie ( ostream* os ); //将 os 指向的输出流绑定的该对象上，并返回上一个绑定的输出流指针。
cin.tie(&cout); //仅仅是用来展示，标准库已经将 cin 和 cout 关联在一起
//old_tie 指向当前关联到 cin 的流（如果有的话）
ostream *old_tie = cin.tie(nullptr); // cin 不再与其他流关联
//将 cin 与 cerr 关联，这不是一个好主意，因为 cin 应该关联到 cout
cin.tie(&cerr); //读取 cin 会刷新 cerr 而不是 cout
cin.tie(old_tie); //重建 cin 和 cout 间的正常关联
每个流同时最多关联到一个流， 但多个流可以同时关联到同一个 ostream。
八、cin.get()：C++读取单个字符
get() 是 istream 类的成员函数，它有多种重载形式。
最简单最常用的一种：
int get();
此函数从输入流中读入一个字符，返回值就是该字符的 ASCII 码。如果碰到输入的末尾，则返回值为 EOF(-1)。
get() 函数不会跳过空格、制表符、回车等特殊字符，所有的字符都能被读入。
九、cin.getline()：C++读入一行字符串（整行数据）
getline() 是 istream 类的成员函数，它有如下两个重载版本：
istream & getline(char* buf, int bufSize); \ 从输入流中读取 bufSize-1 个字符到缓冲区 buf，或遇到\n 为止
istream & getline(char* buf, int bufSize, char delim); \ 读到 delim 字符为止。
十、忽略指定字符
ignore() 是 istream 类的成员函数，它的原型是：
istream & ignore(int n =1, int delim = EOF);
此函数的作用是跳过输入流中的 n 个字符，或跳过 delim 及其之前的所有字符，哪个条件先满足就按哪个执行。 两个参数都有默认值，因此 cin.ignore() 就等效于 cin.ignore(1, EOF)， 即跳过一个字符。
十一、查看输入流中的下一个字符
peek() 是 istream 类的成员函数，它的原型是：
int peek();
此函数返回输入流中的下一个字符，但是并不将该字符从输入流中取走， 因此叫 peek。
cin.peek() 不会跳过输入流中的空格、回车符。在输入流已经结束的情况下，cin.peek() 返回 EOF。
十二、cin 如何判断输入结束
在控制台中输入特殊的控制字符就表示输入结束了：
- 在 Windows 系统中，通过键盘输入时，按 Ctrl+Z 组合键后再按回车键，就代表输入结束。
- 在 UNIX/Linux/Mac OS 系统中，Ctrl+D 代表输入结束。
不管是文件末尾，还是 Ctrl+Z 或者 Ctrl+D，它们都是结束标志；cin 在正常读取时返回 true，遇到结束标志 时返回 false，我们可以根据 cin 的返回值来判断是否读取结束。
十三、处理输入输出错误
发生输入输出错误的可能情况是无限的！但 C++ 将所有可能的情况归结为四类，称为流状态（stream state）。 每种流状态都用一个 iostate 类型的标志位来表示。
流状态对应的标志位
| 标志位 | 意义 |
|---|---|
| badbit | 发生了（或许是物理上的）致命性错误，流将不能继续使用。 |
| eofbit | 输入结束（文件流的物理结束或用户结束了控制台流输入，例如用户按下了 Ctrl+Z 或 Ctrl+D 组合键。 |
| failbit | I/O 操作失败，主要原因是非法数据（例如，试图读取数字时遇到字母）。流 可以继续使用，但会设置 failbit 标志。 |
| goodbit | 一切止常，没有错误发生，也没有输入结束。 |
ios_base 类定义了以上四个标志位以及 iostate 类型，但是 ios 类又派生自 ios_base 类，所以可以使用 ios::failbit 代替 ios_base::failbit 以节省输入。
一旦流发生错误，对应的标志位就会被设置，我们可以通过下表列出的函数检测流状态。
| 检测函数 | 对应的标志位 | 说明 |
|---|---|---|
| good() | goodbit | 操作成功，没有发生任何错误。 |
| eof() | eofbit | 到达输入末尾或文件尾。 |
| fail() | failbit | 发生某些意外情况（例如，我们要读入一个数字，却读入了字符 'x'）。 |
| bad() | badbit | 发生严重的意外（如磁盘读故障）。 |
不幸的是，fail() 和 bad() 之间的区别并未被准确定义
- 如果输入操作遇到一个简单的格式错误，则使流进入 fail() 状态，也就是假定我们（输入操作的用户）可以从错 误中恢复。
- 如果错误真的非常严重，例如发生了磁盘故障，输入操作会使得流进入 bad() 状态。也就是假定面对这种情况所能做的很有限，只能退出输入。
