【C++】IO库 IO流

📝前言：

这篇文章我们来讲讲IO库 && IO流：

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一，IO库

C语言是面向过程的语言，而C++是面向对象。在C++中，我们的IO也是面向对象的，这个对象也叫做流。对于要输出的目标文件的不同，IO的对象的类型就不同（比如，输出到屏幕和输出到文件的IO类型是不同的）。

C++IO类型设计的是⼀个继承家族，通过继承家族类解决控制台/⽂件/string的IO操作。

二，IO流

1. 什么是IO流

流是一种抽象概念，表示数据从一个源到目标的流动。

• 输入流：数据从外设流向程序
• 输出流：数据从程序流向外设

在C++中，我们可以把流看做是一个具有以下特性的对象。

1. 缓冲区：用来存储数据，避免频繁的与外设交互，提高IO效率
2. 状态：流对象会维护一个状态标识，用于检测IO操作是否成功
3. 不同流动方向对应不同的对象：输入流和输出流对应的对象不同
4. 运算符重载：可以使用<<和>>进行输入和输出（方便）
5. 格式化控制：允许<<和>>中对数据进行格式化控制

2. IO流的状态

IO流中的状态用标记位来表示，通过|操作可以链接多个标记位。

四种状态（定义在ios_base中，子类流都是会继承下来的）：

• goodbit表示：流没有错误，对应0001
• failbit表示：IO操作失败，对应0010
• eofbit表示：流到达文件结束，对应0100
• badbit表示：流崩溃了出现了系统级错误，对应1000

其他细节：

• 如果到达文件结束位置eofbit和failbit都会被置位
• ⼀个流一旦发生错误，后续的IO操作都会失败，这时需要调用clear()函数来重置流的标记位为1000
• 出现badbit代表底层系统级错误，clear()也没用，这个流就完全不可用了
• 在基类ios_base中也提供了很多访问器，让用户可以查看流的状态
  • good()：查看goodbit位
  • rdstate()：返回当前流的所有错误组合的标识(通常是：bad, fail, eof的组合），通过&对应的状态位可以得到具体的状态（不如fail()等方便）
  • setstate(iostate flags)：设置流的标记位（即：置为1），setstate(failbit | eofbit)把这两位置为1

示例：

int main()
{cout << cin.good() << endl; // 查看 cin 的 goodbitint i;cin >> i;// 故意输入 字符 a 创造错误cout << (cin.rdstate() & ios_base::failbit) << endl; // 看当前流的错误信息cin.clear(); // 重置状态为: 1000// 但是注意：此时字符 a 还在缓冲区没有被读走cin.get(); // 读走 cin 缓冲区的一个字符cin >> i; // 重新输入 10 cout << i << endl;cout << cin.good() << cin.bad() << cin.fail() << cin.eof() << endl;return 0;
}

运行结果：

如果缓冲区中还残留有多个字符，我们可以用peek()查看缓冲区的第一个字符，然后get出来，直到第一个字符为int时再重新cin

3. IO流的缓冲区

用户的输入并不是直接刷新到外设上，而是先保存在IO流的缓冲区里，当我们刷新缓冲区的时候才会刷新到外设上（实际上是先刷新到内核缓冲区上，但是这设计操作系统）
缓冲区刷新模式分为：满刷新、行筛选、立即刷新（在这里我就不细讲了。）

• endl 或 flush会立即强制刷新缓冲区
  • endl其实是一个函数，<<对应函数指针会调用对应的函数，而endl里面包括换行和flush操作
• unitbuf：设置成立即刷新模式

什么时候会触发缓冲区刷新？

1. 缓冲区满了
2. 满足刷新模式的条件了
3. 强制刷新，如flush
4. 被绑定了，在操作输入流时，绑定的输出流会自动刷新缓冲区

如：默认情况下cin和cout绑定，所以cin读的时候，会导致cout缓冲区会被刷新
操作：

cin.tie(&cout); // 绑定
cin.tie(nullptr); // 解绑

同步：每次 C++ 流操作前，会先刷新对应的 C 流缓冲区（反之亦然），确保输出顺序一致

关闭同步：

// 关闭标准 C++ 流是否与标准 C 流在每次输⼊/输出操作后同步。
ios_base::sync_with_stdio(false); // 默认是true

关闭以后cout和printf混用的时候，输出顺序就不能保障

4. 标准IO流

不过多讲了，cin和cout一直在用

• ostream和istream是不支持拷贝的，只支持移动(外部也不能使用，因为是保护成员)
• 对于内置类型，可以直接使用<<和>>
• 对于自定义类型，自定义类型要重载<< 和 >>
• istream的cin对象⽀持转换为bool值
  • 即：可以if(cin)，如果cin被设置了badbit或failbit，就返回false，如果是goodbit就返回true
• 其他接口也不讲了，需要的时候再查阅（毕竟也记不完，也没必要硬记）

5. 文件IO流

• ofstream是ostream的派生类，用于输出（写）， ifstream是istream的派生类，用于输入（读），fstream是ifstream和ofstream的派生类，既可以读也可以写
• 文件流对象可以在构造时打开文件，也可以调用open函数打开文件，打开文件的mode（选项，本质也是标记位，可以用|来组合）有5钟
  • out：写方式打开，默认清空写
  • trunc：清空写
  • app：每次写操作都到末尾写
  • in：只读方式打开
  • ate：打开时把文件指针定位到文件末尾（有点鸡肋，用不到）
  • binary：二进制方式 读 / 写（看和哪个搭配）
• 注意：因为这些标识符是基类的成员，而iostream又是继承的ios_base在，子类中要使用继承的成员需要指明基类的类域，即：ios_base::out
  （以上的操作和Linux中的系统调用都差不多，因为本来封装的就是系统调用，就不展示寄出用法了）

示例1

下面展示一个，对于一个已有内容的文件，不希望希望清空，然后用seekp()设置文件指针写入指针的位置，来实现任意位置读写的操作。（seekp是写入指针，seekg是读指针）

原log.txt

代码：

int main()
{// 这样打开文件就不会清空，文件指针在起始位置ofstream outfile("log.txt", ios_base::out | ios_base::in); outfile.seekp(9, ios::cur); // 把指针从当前位置往后移动 9 个位置（以字节为单位）outfile << "hello" << endl;return 0;
}

运行结果：

可见，文件写指针p本来原来指向1，往后移动9个位置到,然后覆盖写入hello共五个字符，即覆盖写了：\n、6,7,共五个字符。

示例2

下面展示一个直接以二进制方式读写来实现图片复制。

int main()
{ifstream ifs("test.png", ios_base::in | ios_base::binary);ofstream ofs("test_copy.png", ios_base::out | ios_base::binary);int n = 0;while (ifs && ofs) // 确保流的状态都是 good 的{char ch = ifs.get();ofs << ch;++n;}cout << n << endl;return 0;
}

运行结果：

对于大部分东西的复制，我们都可以用二进制，直接当一个整体输入和输出。

一定要确保两步都是用binary来的。因为图片的内容不是标准的字符，文本输入和输出中，遇到的一些字符（就如我们cin字符时，输入ctrl + z）可能会标记fail和eof，导致流失效，图片不能复制完全。

6. string IO流

• string IO流是一种在内存中处理字符串的流类，它允许你像操作文件流一样操作字符串，即可以使用<<和>>（和操作文件的方法一样）
• ostringstream是string的写入流，istringstream是string的读出流
• stringstream是ostringstream和istringstream的派生类，既可以读也可以写【这个更好用，因为我们对字符串的读写控制没文件要求怎么高】
• stringstream系列底层维护了⼀个string类型的对象来保存结果
• string流使用str函数获取底层的string对象

示例1

int main() {// 输出字符串流 (ostringstream)ostringstream oss;oss << "Hello " << 32 << " world!";  // 会把 32 当字符string str = oss.str(); // 获取字符串cout << str << endl;// 输入字符串流 (istringstream)istringstream iss("100 200"); // 用"100 200"构造 iss底层的stringint a, b;iss >> a >> b; //  >> 会以空格为分隔符cout << a + b << endl;// 输入输出字符串流 (stringstream)stringstream ss;ss << "3.14";double pi;ss >> pi; // 从 ss 流中读入 3,14 然后给了picout << pi * 2 << endl;return 0;
}

2. 示例2

对于自定义类型，需要自定义类型重载<<

class Date
{
public:friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);Date(int y, int m, int d):_year(y),_month(m),_day(d){}private:int _year;int _month;int _day;
};ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{out << d._year << "/" << d._month << "/" << d._day;return out;
}int main()
{stringstream ss;Date date1(2025, 6, 3);ss << date1 << " hello world!" << endl;cout << ss.str() << endl;return 0;
}

运行结果：

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