📔 第 17 章输入、输出和文件学习笔记

1. C++输入和输出概述¶

C实现自带了一个标准函数库，C++自带了一个标准类库。标准类库是一个非正式的标准，是由头文件 iostream 和 fstream 中定义的类组成。

1.1 流、缓冲区和`iostream`¶

C++程序把输入和输出看作字节流。

输入时
- 程序从输入流中抽取字节
输出时
- 程序把字节插入到输出流中

输入流中的字节可能来自键盘、存储设备或者其它程序。

输出流中的字节可以流向屏幕、打印机、存储设备或者其它程序。

管理输入包含两步：

将流与输入去向的程序关联起来
将流与文件连接起来。

通常，通过使用缓冲区可以高效地处理输入和输出。缓冲区是用作中介的内存块 。它将信息从设备传输到程序或从程序传输给设备的 临时存储工具。

头文件iostream 中包含了一些专门设计用来实现管理流和缓冲区的类。

streambuf类为缓冲区提供了内存，并提供了用于填充缓冲区，访问缓冲区内容，刷新缓冲区和管理缓冲区内存的类方法。
ios_base类表示流的一般特征，如是否可读取，是二进制还是文本流等。
ios类基于ios_base，其中包含了一个指向streambuf对象的指针成员。
ostream类是基于ios类派生而来，提供输出方法。
istream类也是基于ios类派生而来，提供输入方法。
iostream是基于 istream 和 ostream类，基础了输入和输出方法。

在程序中包含 iostream 文件，将自动创建8个流对象（4个用于窄字符流，4个用于宽字符流）

处理窄字符流 ----- 处理 char_t 类型
- cin对象对应于标准输入流。
- cout对象与标准输出流相对应。
- cerr对象与标准错误流相对应，用于显示错误信息。流不会被缓冲。
- clog对象对应标准错误流。流会被缓冲。
处理宽字符流 ----- 处理 wchar_t 类型
- wcin对象
- wcout对象
- wcerr对象
- wclog对象

1.2 重定向¶

标准输入和输出流通常连接键盘和屏幕。

输入重定向（<）
输出重定向（>）

2. 使用cout进行输出¶

C++将输出流看作字节流。平台不同，则读取字节流会有差异。

ostream类最重要的任务之一：将数据内部表示（二进制位模式）转换为由字符字节组成的输出流，使能够直接翻译成二进制数据。

在C++中，<< 运算符的默认含义是按位左移运算符。但ostream类重新定义了 << 运算符，方法将其重载为输出（也称为 插入运算符）。

插入运算符的所有化身的返回类型都是 ostream&。原型格式如下：

ostream & operator<<(type);

除了 operator<<() 函数外，ostream类还提供 put() 方法和 write() 方法。前者用于显示字符，后者用于显示字符串。

put()方法

原型如下：

// 参数：提供要显示的字符
ostream &put(char);

write()方法

原型如下：

// 第一个参数：提供要显示字符串的地址
// 第二个参数：指出要显示多少个字符
basic_ostream<charT, traits> & write(const char_type* s, streamsize n);

⚠️注意点：write() 方法不会在遇到空字符时自动停止打印字符，而只是打印指定数目的字符，即使超出字符串的边界。

都是类成员函数，需要有调用对象。

cout.put('w');
cout.write("Kansas",6);

ostream类对cout对象处理的输出进行缓冲，所以输出不会立即发送到目标地址，而是被存储到缓冲区中，直到缓冲区填满。然后程序将刷新缓冲区，把内容发送出去，并清空缓冲区，以存储新的数据。

如果实现不能在所希望时刷新输出，可以使用强制刷新的两个控制符之一：

flush：刷新缓冲区
endl：刷新缓冲区，并插入一个换行符

cout << "Hello, good-looking !" << flush;
cout << "Wait just a moment, please ." << endl;

ostream插入运算符将值转换为文本格式。在默认情况下，格式化值的方式如下：

char值：如果代表的是可打印字符，则将被作为一个字符显示在宽度为一个字符的字段中。
数值整型：将以十进制方式显示在一个刚好容纳该数字的字段中。
字符串：显示在宽度等于该字符串长度的字段中
浮点类型：浮点类型被显示为6位，末尾的0不显示
- 数字以定点表示法显示还是科学计数法表示，取决于值。
- 当指数大雨6或者小于等于-5时，将使用科学计数法。
- 字段宽度恰好容纳数字和负号。

2.1 修改显示时使用的计数系统¶

ostream类从ios类派生而来，而ios从ios_base类派生而来。ios_base类存储了描述格式状态的信息。

通过使用 ios_base 的成员函数，可以控制字段和小数位数。。因ios_base类时ostream的间接基类，可以将其方法用于ostream对象。

要控制整数以十进制、十六进制还是八进制显示，可以使用 dec、hex 和 oct 控制符。

dec(cout);   // 十进制，等价于  cout << dec;
hex(cout);   // 十六进制，等价于 cout << hex;
oct(cout);   // 八进制，等价于 cout << oct;

使用上述设置后，程序将以十六进制形式打印整数值，直到将格式状态设置为其它选项为止。注意：控制符不是成员函数，不必通过对象来调用。

2.2 调整字段宽度¶

由于数字的字段宽度不同，所以可以使用 width 成员函数将长度不同的数字放到宽度相同的字段中。方法原型为：

int width(); // 返回字段宽度的当前设置
int width(int i); // 将字段宽度设置为 i 个空格，并返回以前的字段宽度值

width()方法只影响将显示的下一个项目，然后字段宽度将恢复为默认值。

C++永远不会截短数据，会增宽字段，以容纳该数据。C/C++的原则 ：显示所有的数据比保持列的整洁更重要，C++视内容重于形式。

int main()
{
  cout.width(5);
  cout << "N" << ":";
}

2.3 填充字符¶

在默认情况下，cout 使用空格填充字段中未被使用的部分，可以使用 fill() 成员函数来改变填充字符。

cout.fill('*');

对于检查结果，防止接收方添加数字很有用。

2.4 设置浮点数的显示精度¶

浮点数精度的含义取决于输出模式。在默认模式下，指的是显示的总位数。

在定点模式和科学模式下，精度指的是小数点后的位数。

C++中的默认精度为6位（末尾的0将不显示），precision() 成员函数使能够选择其他值。

cout.precision(2); // 设置精度为2，设置后一直有效，只有重新设置会被重置

2.5 打印末尾的0或小数点¶

使用 setf() 函数，能够控制多种格式化特性：

cout.setf(ios_base::showpoint); // 默认精度是6位

使用默认的浮点格式时，会将导致末尾的0被显示出来。

2.6 setf()¶

ios_base类有一个受保护的数据成员，其中的各位分别控制着格式化的各个方面。

对于setf() 函数，有两个原型：

// 此为原型1
fmtflags setf(fmtflags);

fmtflags 是 bitmask类型的typedef名，用于存储格式标记。

其中ios_base定义了代表位置的常量，其中一些定义为：

因都是 ios_base类中定义，所以使用时，必须加上作用域解析运算符。

bitmask 类型是一种用来存储各个位值的类型。可以是整型、枚举，也可以是STL bitset容器。

在C++标准中，定点表示法和科学表示法都有两个特征：

精度指的是小数位数，而不是总位数
显示末尾的0

第二种 setf() 函数的原型：

// 第一个参数：包含所需设置的fmtflags值
// 第二个参数：指出要清除第一个参数中的那些位
fmtflags setf(fmtflags,fmtflags);

例如，要左对齐，则使用：

ios_base::fmtflags old = cout::setf(ios::left, ios::adjustfield);

如果要恢复以前的设置，则使用，

cout.setf(old,ios::adjustfield);

在调用setf() 后可以通过unsetf() 来消除，unsetf() 的原型如下：

// mask 是位模式，mask中是所有的位都设置为1，将使得对应的位被复位
void unsetf(fmtflags mask);

实际代码示例

2.7 头文件iomanip¶

C++ 在头文件 iomanip中提供了一些控制符。其中3个最常用的控制符分别是：

setprecision()：设置精度
- 接受一个指定精度的整数参数
setfill()：填充字符
- 接受一个指定填充字符的char参数
setw()：字符宽度
- 接受一个指定字段宽度的整数参数

3. 使用cin进行输入¶

cin对象将标准输入表示为字节流，通常情况下，通过键盘来生成这种字符流。

3.1 `cin>>`如何检查输入¶

不同版本的抽取运算符查看输入流的方法都是相同的。他们跳过空白（空格、换行符和制表符），直到遇到非空白字符。

单字符模式
- >> 运算符将读取该字符，将它放置到指定的位置
其他模式
- >> 运算符将读取一个指定类型的数据。

3.2 流状态¶

流状态（被定义为isolate类型，而isolate是一种bitmask类型）。由3个ios_base元素组成：

eofbit：表示到达文件末尾
badbit：遇到无法诊断的失败破坏流
failbit：未能读取到预期的字符

其中的每个元素都是一位，可以是1（设置）或0（清除）。当3个状态位都被设置为0时，说明一切顺利。

clear() 和 setstate() 类型，都是重置状态，但采取的方式不同。

clear()：将状态设置为它的参数
setstate()：只影响其参数中设置的位置，而不会影响其他位。

exceptions() 方法返回一个位字段，包含3位，分别对应于eofbit、failbit、badbit。修改流状态涉及clear() 或 setstate() ，都将使用clear()。当前状态中的对应位也被设置，则clear() 将引发 ios_base::failure 异常。如果两个值都设置了badbit，将发生这种情况。

exceptions() 的默认设置为 goodbit，没有引发异常，但重载的 exceptions(isolate) 函数使得能够控制其行为。

cin.exceptions(badbit);

位运算符OR 使能够指定多位。

cin.exceptions(badbit | eofbit);

设置流状态位将对后面的输入或者输出关闭，直到位将被清除。

while (cin >> input)
{
  sum += input;
}
// 可以在此处增加 clear() 来清除流状态
//cout.clear();
cin >> input; // don't work

如果希望程序在流状态位被设置后能够读取后面的输入，就必须将流状态设置为良好。可以通过调用 clear() 来实现。导致输入循环终止的不匹配输入仍留在输入队列中，程序必须跳过它。

3.3 其他istream类方法¶

方法get(char&) 和 get(void) 提供不跳过空白的单个字符输入功能
函数 get(char*, int, char) 和 getline(char*, int, char)在默认情况下读取整行而不是一个单词。

都称为 非格式化输入函数。都只是读取字符输入，而不会跳过空白，也不进行数据转换。

对于 >>、get(char &) 或者 get(void)的选择问题上，确定是否跳过空格，如果跳过空白则使用抽取运算符>>。

get() 方法会检查程序每个字符。

对于字符串的输入成员函数，getline() 成员函数和 get() 的字符串读取版本都读取字符串，他们的函数特征标相同。

// 第一个参数：放置输入字符串的内存单元的地址
// 第二个参数：比要读取的最大字符数大1
// 第三个参数：指定用做分界符的字符
istream & get(char *, int, char);
istream & get(char *, int);
istream & getline(char *, int, char);
istream & getline(char *, int);

对于get() 和 getline() 方法的区别：

get()：将换行符留在输入流中
getline()：抽取并丢弃输入流中的换行符。

特殊的成员函数 ignore()，函数原型表示：

istream & ignore(int = 1,int = EOF); // 原型中的两个参数提供的默认值为 1 和 EOF。

默认参数值EOF导致 ignore() 读取指定数目的字符或读取文件尾。

3.4 其他istream方法¶

read()：读取指定数目的字节，并将其存储在指定的位置中。不会在输入后加上空值字符。
peek()：返回输入中的下一个字符，但不抽取输入流中的字符。
gcount()：返回最后一个非格式化抽取方法读取的字符数。
putback()：将一个字符插入到输入字符串中，被插入的字符将是下一条输入语句读取的第一个字符。

4. 文件输入和输出¶

C++ I/O类软件包处理文件输入和输出的方式与处理标准输入和输出的方式相似。

要写入文件，需要创建一个ofstream对象，并使用ofstream方法。
要读取文件，需要创建一个ifstream对象，并使用ifstream方法。

4.1 简单的文件I/O¶

要让程序写入文件的做法：

创建一个ofstream对象来管理输出流
将该对象与特定的文件关联起来
以使用cout的方式使用该对象，唯一的区别是输出将进入文件，而不是屏幕。

读取文件的做法：

创建一个ifstream对象来管理输入流
将该对象与特定的文件关联起来
以使用cin的方式使用该对象

当输入和输出流对象过期（如程序终止）时，到文件的连接将自动关闭，另外，也可以使用 close() 方法来显式地关闭到文件的连接。关闭连接并不会删除流，只是将流重新连接到同一个文件或者另一个文件。

ifstream fin;
ofstream fout;
fout.close();
fin.close();

4.2 流状态检查和`is_open()`¶

C++文件流从 ios_base 类那里继承了一个流状态成员。

在C++通过使用 is_open() 方法来检查文件是否被成功打开。

4.3 命令行处理技术¶

文件处理程序通常是使用命令行参数来指定文件。命令行参数是用户在输入命令时，在命令行中输入的参数。

C++中在命令行环境中运行的程序能够访问命令行参数的机制

// argc：命令行中的参数个数
// argv：变量为一个指针，指向一个指向char的指针。argv[0] 表示指向一个参数（字符串指针）
int main(int argc, char *argv[])

4.4 文件模式¶

文件模式描述的是文件将被如何使用：读、写、追加等。

ios_base类定义了一个 openmode 类型，用于表示模式。

位运算符OR（|）：将两个位值合并成一个可用于设置两个位的值。

ofstream fout("bageis",ios_base::out | ios_base::app);

在 ios_base::out 本身将导致文件将被截短，但与 ios_base::in 一起使用时，不会导致文件被截短，没有列出的组合。

ios_base::ate 和 ios_base::app 都将文件指针指向打开的文件结尾。区别之处：

ios_base::app：将指针放到文件尾
ios_base::ate：只允许数据添加到文件尾。

数据存储在文件中，是两种形式：

文本格式：将所有的内容都存储为文本。
二进制格式：将存储值的计算机内部表示。
- 计算机不是存储字符，而是以二进制的形式存储。

文件两种存储形式的优缺点 - 文本格式 - 优点 - 便于读取 - 使用编辑器或字符处理器来读取和编辑

二进制格式
- 优点
  - 不会有转换误差或者舍入误差
  - 保存速度快，不需要转换
  - 可以大块存储数据。
  - 数据特征不同，空间占用小
- 缺点
  - 换系统或者OS会导致无法正常使用

要以二进制格式（而不是文本格式）存储数据，可以使用 write() 成员函数。

将文件使用二进制的格式：

fout.write((char *) &pl, sizeof pl)
// 将pl地址强制转换为指向char的指针
// sizeof() 获取字节数

要使用文件恢复信息，则使用通过 ifstream对象 使用相应的 read() 方法：

ifstream fin("planets.dat",ios_base::in | ios_base::binary);
fin.read((char *) &pl,sizeof pl);

read() 和 write() 成员函数的功能是相反，一般使用 read() 来恢复 write() 写入的数据。

4.5 随机存取¶

随机存取指的是直接移动（不是依次移动）到文件的任何位置。

随机存取常被用于数据库文件，程序维护一个独立的索引文件。文件指出数据在主数据文件中的位置。

需要在一种文件中移动的方式，ifstream类继承的两个方法：

seekg()：将输入指针移到指定的文件位置。
- 可用于 ifstream 对象
seekp()：将输出指针移到指定的文件位置。
- 可用于 ofstream对象

seekg() 的原型：

basic_istream<charT, traits> & seekg(off_type, ios_base::seekdir);
basic_istream<charT, traits> & seekg(pos_type);

// 将 char 具体化
istream & seekg(streamoff, ios_base::seekdir); // 定位到离第二个参数指定的文件位置特定距离（单位为字节）的位置
istream & seekg(streampos); // 定位到离开文件开头特定距离（单位为字节）的位置

代码示例

5. 内核格式化¶

头文件 sstream 定义了一个从 ostream类派生来的ostringstream类。如果创建了一个ostringstream对象，则可以将信息写入其中，并将其信息存储。

istringstream 和 ostringstream类使得能够使用 istream 和 ostream 类的方法来管理存储在字符串中的字符数据。

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