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C++中IO类（iostream、fstream和sstream）知识详解和应用

news 来源：原创 2025/5/25 5:51:03

一、C++ I/O 类体系概览

C++ 的 I/O 功能由一组 流（stream） 类封装，位于头文件 <iostream>、<fstream>、<sstream> 等。核心类别及其继承关系简图如下：

          ios_base↑basic_ios<CharT,Traits>↑┌─────────┴─────────┐│                   │
basic_istream      basic_ostream↑                   ↑istream             ostream↑                   ↑ifstream, istringstream  ofstream, ostringstream↑                   ↑
iostream

istream：输入流；ostream：输出流
iostream：既能输入也能输出（如 std::cin/std::cout）
ifstream/ofstream/fstream：文件流；
istringstream/ostringstream/stringstream：基于字符串缓冲的内存流。

二、常用流对象

对象	头文件	用途
`std::cin`	`<iostream>`	从标准输入读取
`std::cout`	`<iostream>`	向标准输出写入
`std::cerr`	`<iostream>`	向标准错误写入（不带缓冲）
`std::clog`	`<iostream>`	向标准错误写入（带缓冲）
`std::ifstream`	`<fstream>`	从文件读取
`std::ofstream`	`<fstream>`	向文件写入
`std::fstream`	`<fstream>`	同时读写文件
`std::istringstream`	`<sstream>`	从内存字符串读取
`std::ostringstream`	`<sstream>`	向内存字符串写入
`std::stringstream`	`<sstream>`	内存中读写混合

三、打开模式与文件流

#include <fstream>// 打开文件写入（若不存在则创建，若存在则截断）
std::ofstream out("data.txt", std::ios::out | std::ios::trunc);// 追加写入
std::ofstream app("data.txt", std::ios::out | std::ios::app);// 读取二进制
std::ifstream in("data.bin", std::ios::in | std::ios::binary);// 读写
std::fstream fs("db.bin", std::ios::in|std::ios::out|std::ios::binary);

常用模式
- ios::in、ios::out、ios::app（尾部追加）、ios::trunc（截断）、ios::binary（二进制）

检查打开状态

if (!out.is_open()) {std::cerr << "无法打开文件\n";
}

四、格式化与操纵器（Manipulator）

#include <iostream>
#include <iomanip>double x = 123.456789;// 控制浮点精度
std::cout << std::fixed << std::setprecision(2) << x << "\n";  // 123.46// 控制宽度与对齐
std::cout << std::setw(10) << std::left << "Hello" << "|\n";// 控制进制
int n = 255;
std::cout << std::hex << n << " " << std::dec << n << "\n";    // ff 255// 重置格式
std::cout << std::defaultfloat << std::right;

<iomanip> 中常用：setw、setfill、setprecision、fixed、scientific、hex、dec、boolalpha 等。

五、同步与性能注意事项

关闭同步
```
std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(nullptr);
```
- 关闭与 C 标准库（stdio）的同步，可大幅提升 cin/cout 性能。
- cin.tie(nullptr) 解除 cin 对 cout 的自动刷新绑定。
避免频繁刷新
- std::endl 会刷新缓冲区，使用 '\n' 代替可减少开销。
缓冲区大小
- 可通过自定义缓冲区（继承自 std::streambuf）或调用 rdbuf()->pubsetbuf() 调整。

六、错误处理与例外

状态位（rdstate() / good() / eof() / fail() / bad()）

if (in.fail()) { /* 读取失败 */ }
if (in.eof())  { /* 到达文件末尾 */ }

抛出例外

in.exceptions(std::ios::failbit | std::ios::badbit);
try {int v;in >> v;    // 失败时抛 ios_base::failure
} catch (const std::ios_base::failure& e) {std::cerr << "I/O 错误: " << e.what() << "\n";
}

七、`stringstream` 与文本解析

#include <sstream>
#include <string>std::string line = "100,3.14,hello";
std::istringstream ss(line);int    a;
double b;
std::string s;char comma;
ss >> a >> comma >> b >> comma >> s;
// a=100, b=3.14, s="hello"

用于将字符串分割解析为各种类型，避免手写字符串处理逻辑。

八、自定义流缓冲区

继承 std::streambuf 并重载底层读写函数，可实现内存、网络、压缩等自定义 I/O。
示例略：需重载 underflow()（输入）、overflow()（输出）等。

九、示例：日志类

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <mutex>
#include <string>class Logger {std::ofstream ofs;std::mutex    mtx;
public:Logger(const std::string& filename): ofs(filename, std::ios::app){if (!ofs) throw std::runtime_error("无法打开日志文件");}void log(const std::string& msg) {std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);ofs << msg << '\n';// 不使用 endl 以避免每次都 flush}
};int main() {Logger log("app.log");log.log("程序启动");log.log("处理完成");return 0;
}