C++课程学习笔记第七周（上）：输入输出

前言：本文主要是根据MOOC网北大课程——《程序设计与算法（三）：C++面向对象程序设计》内容整理归纳而来，整理的课程大纲详见 https://www.cnblogs.com/inchbyinch/p/12398921.html

本文介绍了常用的输入输出流、流操纵算子、文件读写，以及缓冲与缓存的区别。

1 输入输出流

1.1 基本IO类相关

输入输出相关类：

标准流对象：cin, cout, cerr, clog

判断输入流结束：if(cin>>x), if(cin.get(..))等（估计本质上是调用了cin.good()，windows屏幕中输入流结束符为单独一行ctrl+z）

istream类成员函数：

• istream & cin.operator>>()；
• istream & cin.get()等;
• istream & getline(char * buf, int bufSize)等;
• bool eof(); 判断输入流是否结束
• int peek(); 返回下一个字符,但不从流中去掉.
• istream & putback(char c); 将字符ch放回输入流
• istream & ignore(int nCount = 1, int delim = EOF);

输出输入重定向：

• freopen("test.txt", "w", stdout); //将标准输出重定向到 test.txt文件
• freopen("t.txt", "r", stdin); //cin被改为从 t.txt中读取数据

1.2 cin的详细用法：

https://blog.csdn.net/bravedence/article/details/77282039

cin读取数据方式常用三种：cin>> , cin.get() , cin.getline() .

• 在屏幕上输入数据后，需要敲一个回车才能把数据送到缓冲区中，回车符会被替换成'\n'，作为一个字符存入缓冲区中；
• cin读取数据也是从缓冲区中获取数据，缓冲区为空时，cin的成员函数会阻塞等待数据的到来，一旦缓冲区中有数据，就触发cin的成员函数去读取数据。
• cin>> 读取数据时，会跳过并清除开头的空白字符，继续读取下一个字符；若读取成功，后面未读取成功的字符（包括换行符等空白字符）会残留在缓冲区中，cin不做处理。（推测：cin>>读取字符数组时会在末尾自动加上'\0'，因为能正确cout）
• cin.get常用的有四种，前两种读取一个字符，后两种可读取一行；开头不会跳过空白字符，读取一行字符时遇到'\n'停止，但'\n'仍残留在缓冲区中，不做处理。（故推荐用getline读取一行）
• cin.getline不会跳过开头的空白字符，持续读取直至将'\n'读入char数组，并将最后一个字符'\n'换成'\0'。（此时缓冲区中已经没有这个'\n'了。）
• 若cin.get或cin.getline读入字符个数达到限定值，则读入失败，cin.fail()为1，（虽然此次已经读入，但下次cin不可用，）可用if(cin.getline(..))判断是否读入成功，可用cin.clear()重置。
• cin.getline之后可以用cin.gcount()来查看成功读取的字符个数。
• 注意cin.getline()和getline()不同，前者读进char数组中，后者读进string中。

cin的条件状态函数：https://www.cnblogs.com/wangduo/p/5940884.html

• 每一个IO对象都会维护一组条件状态属性，用来表示对象当前的条件状态，包括eofbit、failbit、badbit、goodbit等；
• 获取、设置条件状态的函数有：s.eof()、s.fail()、s.bad()、s.good()、s.clear()、s.rdstate()等；
• 最简单常用的判断方法是 if(cin>>c)，if(cin.getline(..))

cin清空输入缓冲区:

• 为了避免上一次操作在缓冲区中残留数据导致下一次的输入受影响，可以手动清空缓冲区；
• cin.ignore(numeric_limits < std::streamsize > ::max(), '\n')清除缓冲区的当前行（包括换行符），不指定delim时默认清除整个cin缓冲区.

2 流操纵算子

• 使用流操纵算子需要包含头文件iomanip
• 整数流的基数：流操纵算子dec,oct,hex,setbase
• 控制浮点数精度precision,setprecision
• 设置浮点数小数点位置固定与非固定setiosflags(ios::fixed)，resetiosflags(ios::fixed)
• 设置域宽setw, width（宽度设置有效性是一次性的），以及宽度不足的填充方式setfill()
• 也可以自定义流操纵算子

3 文件读写

文件打开后一定要及时关闭，读取文件之前，要把该文件的写入流关闭，否则出错。

3.1 创建文件

ifstream  //文件读取流
ofstream  //文件写入流
fstream   //文件读写流

//创建流对象时直接关联文件
ofstream fout("clients.dat", ios::out|ios::binary);
//先创建对象，再打开文件
ofstream fout;
fout.open("clients.dat", ios::out|ios::binary);

//判断打开是否成功
if（!fout）{
    cout << “File open error!”<<endl;
}

//第一个参数：(Windows下)文件的绝对路径和相对路径
"c:\\tmp\\mydir\\some.txt"   //绝对路径
"\\tmp\\mydir\\some.txt"   //当前盘符的根目录下的tmp\dir\some.txt
"tmp\\mydir\\some.txt"   //当前文件夹的tmp子文件夹里面的…
"..\\tmp\\mydir\\some.txt"   //当前文件夹的父文件夹下面的tmp子文件夹里面的…

//第二个参数：文件打开方式
ios::in  //只读
ios::out  //只写
ios::app  //追加模式，从文件末尾开始写，防止丢失文件中原来就有的内容
ios::ate  //打开一个文件时，将位置移动到文件尾
ios::binary  //二进制模式
ios::nocreate  //打开一个文件时，如果文件不存在，不创建文件
ios::noreplace  // 打开一个文件时，如果文件不存在，创建该文件
ios::trunc   // 打开一个文件，然后清空内容

3.2 文件的读写指针

相关函数：

• f.seekp 定位写指针
• f.seekg 定位读指针
• f.tellp 获取写指针的位置
• f.tellg 获取读指针的位置

文件指针位置在c++中的用法：

• ios::beg // 文件头
• ios::end // 文件尾
• ios::cur // 当前位置

//文件的读写指针
ofstream fout("a1.out", ios::app); //以添加方式打开
long location = fout.tellp();  //取得写指针的位置
location = 10;
fout.seekp(location);  // 将写指针移动到第10个字节处
fout.seekp(location, ios::beg); //从头数location
fout.seekp(location, ios::cur); //从当前位置数location
fout.seekp(location, ios::end); //从尾部数location，location可以为负值

ifstream fin(“a1.in”,ios::ate); //打开文件，定位文件指针到文件尾
long location = fin.tellg(); //取得读指针的位置
fin.seekg(10); // 将读指针移动到第10个字节处

3.3 字符文件读写

因为文件流也是流，所以流的成员函数和流操作算子也同样适用于文件流。

//写一个程序，将文件 in.txt 里面的整数排序后，输出到out.txt
//原in.txt的内容为：1 234 9 45 6 879
//执行后out.txt内容为：1 6 9 45 234 879

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v;
    ifstream srcFile("in.txt", ios::in);
    ofstream destFile("out.txt", ios::out);
    int x;
    while(srcFile >> x)
        v.push_back(x);
    sort(v.begin(),v.end());
    for(int i=0; i<v.size(); i++)
        destFile << v[i] << " ";
    destFile.close(); //文件要及时关闭
    srcFile.close();
    return 0;
}

3.4 二进制文件读写

• 读取二进制文件用 istream& read(char* s, long n);
• 写入二进制文件用 istream& write(const char* s, long n);
• 前者为ifstream和fstream的成员函数，将文件内容读入地址s处的内存中；后者为ofstream和fstream的成员函数，将内存s处的内容写入文件中；读/写指针均随之移动。
• 读写指针实际是一个指针，在fstream对象打开的文件中，尽量显式地说明指针的位置。

//示例1：从键盘输入几个学生的姓名的成绩，并以二进制文件形式保存、读取、修改
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <fstream>
using namespace std;

struct Student {
    char name[20];
    int score;
};
int main(){
    Student s;
    //创建写入流文件，写入数据
    ofstream outFile( "students.dat", ios::out|ios::binary);
    if(!outFile){
        cerr << "error" << endl;
        return 0;
     }
    cout << "输入学生信息，格式示例：Jane 68" << endl;
    while(cin >> s.name >> s.score)
        outFile.write((char*)&s, sizeof(s));
    outFile.close(); //需要及时关闭

    //创建读取流文件，读取数据
    ifstream inFile("students.dat", ios::in|ios::binary );
    if(!inFile){
        cerr << "error" << endl;
        return 0;
     }
    cout << endl;
    while(inFile.read((char* )&s, sizeof(s))){
        int readedBytes = inFile.gcount(); //看刚才读了多少字节
        cout << s.name << " " << s.score << endl;
     }
    inFile.close();

    //将students.dat文件的第三个学生名字改成Mike
    fstream ioFile("students.dat", ios::in|ios::out|ios::binary);
    if(!ioFile){
        cout << "error";
        return 0;
     }
    ioFile.seekp(2 * sizeof(s), ios::beg); //定位写指针到第三个记录
    ioFile.write("Mike", strlen("Mike")+1);
    ioFile.seekg(0, ios::beg); //定位读指针到开头，需要显式地说明位置
    cout << endl;
    while(ioFile.read((char* )&s, sizeof(s)))
        cout << s.name << " " << s.score << endl;
    ioFile.close();

    return 0;
}


//示例2：文件拷贝程序mycopy，将src.dat拷贝到dest.dat
//用法示例：mycopy src.dat dest.dat
#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;

int main(int argc, char * argv[]){
    if(argc != 3){
        cout << "File name missing!" << endl;
        return 0;
     }
    ifstream inFile(argv[1], ios::binary|ios::in); //打开文件用于读
    if(!inFile ){
        cout << "Source file open error." << endl;
        return 0;
     }
    ofstream outFile(argv[2], ios::binary|ios::out); //打开文件用于写
    if(!outFile){
        cout << "New file open error." << endl;
        inFile.close(); //打开的文件一定要关闭
        return 0;
     }
    char c;
    while(inFile.get(c)) //每次读取一个字符
        outFile.put(c); //每次写入一个字符
    outFile.close();
    inFile.close();
    return 0;
}

3.5 二进制文件和文本文件的区别

不同系统下换行符的表示不同：

• Linux,Unix下的换行符号：‘\n’(ASCII码: 0x0a)
• Windows 下的换行符号：‘\r\n’(ASCII码： 0x0d0a) endl 就是 '\n'
• Mac OS下的换行符号：‘\r’(ASCII码：0x0d)

导致不同系统下二进制文件和文本文件的区别：

• Linux, Mac OS文本文件在Windows记事本中打开时不换行。
• Unix/Linux下打开文件，用不用 ios::binary 没区别。
• Windows下打开文件，如果不用 ios::binary，则读取文件时，所有的 '\r\n’会被当做一个字符'\n'处理，即少读了一个字符'\r'；写入文件时，写入单独的'\n'时，系统自动在前面加一个'\r'，即多写了一个'\r'。

4 其余相关：缓冲区和缓存

https://www.cnblogs.com/mlgjb/p/7991903.html

缓冲区（buffer）

• 缓冲区就是一块内存区，它用在输入输出设备和CPU之间，用来存储数据。它使得低速的输入输出设备和高速的CPU能够协调工作，避免低速的输入输出设备占用CPU，解放出CPU，使其能够高效率工作。
• 缓冲区的三种类型：全缓冲、行缓冲和不带缓冲。
• 缓冲区的刷新：当缓冲区满或关闭文件时自动刷新，还可以显式刷新（endl、flush、ends）。

缓存（cache）：

• 缓存是个很大的概念，有CPU的缓存、浏览器的缓存等。
• CPU的Cache是用来解决CPU与内存之间速度不匹配的问题，避免内存与辅助内存频繁存取数据，提高系统的执行效率。

缓冲区和缓存的区别

• Buffer的核心作用是用来缓冲，缓和冲击。比如你每秒要写100次硬盘，对系统冲击很大，浪费了大量时间在忙着处理开始写和结束写这两件事。用个buffer暂存起来，变成每10秒写一次硬盘，对系统的冲击就很小。一方面提高效率，一方面减少对硬盘的访问。
• Cache的核心作用是加快取用的速度。比如你一个很复杂的计算做完了，下次还要用结果，就把结果放手边一个好拿的地方存着，下次不用再算了。加快了数据取用的速度。
• 简单来说就是buffer偏重于写，而cache偏重于读。