第二十四讲:C++中的IO流
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1、C输入输出
2、流是什么
3、C++IO流
3.1、标准IO流
3.2、文件IO流
3.2.1、二进制读写
3.2.2、文本读写
3.2、字符串流
3.2.1、数值类型转化为字符串
3.2.2、字符串拼接
3.2.3、序列化和反序列化
1、C输入输出
C语言中用到的很频繁的输入输出方式就是scanf ()与printf()。scanf()是从标准输入设备(键盘)读取数据,并将值存放在变量中。printf()是将指定的文字或字符串输出到标准输出设备(屏幕)。C语言借助了相应的缓冲区来进行输入与输出。
对输入输出缓冲区的理解:
1、可以屏蔽掉低级I/O的实现,低级I/O的实现依赖操作系统本身内核的实现,所以如果能够屏蔽这部分的差异,可以很容易写出可移植的程序。
2、可以使用这部分的内容实现“行”读取的行为,对于计算机而言是没有“行”这个概念,有了这部分,就可以定义“行”的概念,然后解析缓冲区的内容,返回一个“行”。
2、流是什么
“流”即是流动的意思,是物质从一处向另一处流动的过程,是对一种有序连续且具有方向性的数据的抽象描述。C++流是指信息从外部输入设备(如键盘)向计算机内部(如内存)输入和从内存向外部输出设备(显示器)输出的过程。这种输入输出的过程被形象的比喻为“流”。 它的特性是:有序连续、具有方向性。
为了实现这种流动,C++定义了I/O标准类库,这些每个类都称为流或流类,用以完成某方面的功 能。
3、C++IO流
C++有一个庞大的类库,其中ios由ios_base派生而来,istream和ostream由ios派生而来,iostream则继承了istream和ostream,fstream和stringstream又继承自iostream,如下图所示:
其中cin和cout、cerr、clog都是被定义出的全局对象。iostream主要用于终端或者控制台的输入输出,fstream主要用于文件的输入输出,sstream主要用于与格式控制相关的内容。
注:终端一般是Linux中的叫法,控制台一般是Windows中的叫法。
3.1、标准IO流
C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog。使用cout进行标准输出,即数据从内存流向控制台(显示器)。使用cin进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中。同时C++标准库还提供了cerr用来进行标准错误的输出,以及clog进行日志的输出。从上图可以看出,cout、 cerr、clog是ostream类定义出的三个对象,因此这三个对象基本没有区别,使用也是一致的,只是应用场景不同。
注意:
1、cin和cout可以直接输入和输出内置类型数据,原因:标准库已经将所有内置类型的输入和输出全部重载了。对于自定义类型,如果要支持cin和cout的标准输入输出,需要对<<以及>>进行重载。
2、在线OJ中的输入和输出:对于IO类型的算法,一般都需要循环输入。连续输入时,vs系列编译器下在输入 ctrl+z+换行 结束。
例如:
int main()
{cerr << "hello" << endl;clog << "hello" << endl;cout.put('x');int a, b, c;while (cin >> a >> b >> c){cout << a << ":" << b << ":" << c << endl;}return 0;
}
运行结果为:
3、istream类型对象转换bool值
可以作逻辑判断的类型有:bool类型、整形、指针。使用while(cin>>i),cin>>i的返回值是istream类型的对象,那为什么istream类型的对象可以作判断呢?类型转换可以分为三种:
第一种:有关联的内置类型间的转换,分隐式类型转换和显示类型转换。这个前面的文章已经讲过。
第二种:其他类型转换为自定义类型。使用构造函数即可实现这种转换。
第三种:自定义类型转换为内置类型。使用operator type()实现。
例如:
class C
{
public:C(int x){}
};class D
{
public:D(const C& c){}
};class E
{
public:operator int() // 这个不算是运算符重载,可以看作是一种特殊的用法。用来做类型转换。{// .....return 1;}
};int main()
{// 内置类型转换为自定义类型C c1 = 11;string s1 = "xxx";// 自定义类型转换为自定义类型D d1 = c1;// 自定义类型转内置类型E e1;int i = e1;cout << i << endl;return 0;
}
实际上我们看到使用while(cin>>i)去流中提取对象数据时,调用的是operator>>,返回值是istream类型的对象,那么这里可以做逻辑条件值,就源自于istream的对象又调用了operator bool,发生了类型转换,把istream对象转变成为了一个bool值,如下图所示:
正常输入返回的都是真,输入ctrl+z+换行或者遇到错误就会返回假。
例如:
class Date
{friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}operator bool(){// 这里是随意写的,假设输入_year为0,则结束。if (_year == 0)return false;elsereturn true;}private:int _year;int _month;int _day;
};istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{in >> d._year >> d._month >> d._day;return in;
}ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;return out;
}int main()
{Date d(2022, 4, 10);while (d){cin >> d;cout << d << endl;}return 0;
}
运行结果为:
4、同步状态
有如下函数,该函数的作用是切换与stdio流的同步状态。
bool sync_with_stdio (bool sync = true);
默认情况下,是同步的,开启同步时,C++ 流和 C 流在内部会使用一致的顺序来处理输入输出,保证在两种接口混用时的可预测性,但是性能会较低一些,因为要维护这种一致性。
关闭同步可以提升IO的性能,但在同一程序中混合使用C和C++的IO,可能会导致输入和输出的顺序出现错乱。
3.2、文件IO流
C++根据文件内容的数据格式分为二进制文件和文本文件。
文本文件是指数据以字符的 ASCII 码(或其他字符编码,如UTF-8)形式存储。文本文件的内容可被人类直接阅读(用文本编辑器打开时显示为字符)。读写需编码转换,速度较慢。
二进制文件是指数据以内存中的原始二进制形式直接存储,不经过字符编码转换。内容是原始字节序列,直接用文本编辑器打开会显示乱码。读写速度快。
3.2.1、二进制读写
例如:
class Date
{friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}operator bool(){// 这里是随意写的,假设输入_year为0,则结束if (_year == 0)return false;elsereturn true;}
private:int _year;int _month;int _day;
};istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{in >> d._year >> d._month >> d._day;return in;
}ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;return out;
}struct ServerInfo
{char _address[1024];double _x;Date _date;
};class BinIO // 二进制读写
{
public:BinIO(const char* filename = "info.bin"):_filename(filename){}void Write(const ServerInfo& winfo){ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary); //或者ofstream ofs(_filename, ofstream::out | ofstream::binary);ofs.write((char*) & winfo, sizeof(winfo));}void Read(ServerInfo& rinfo){ifstream ifs(_filename, ios::in | ios::binary);ifs.read((char*)&rinfo, sizeof(rinfo));}private:string _filename;
};void Bin_test01() // 写
{ServerInfo winfo = { "https://legacy.cplusplus.com/reference/fstream/fstream/fstream/", 12.13, { 2022, 4, 10 } };BinIO bin;bin.Write(winfo);
}void Bin_test02() // 读
{ServerInfo rinfo;BinIO bin;bin.Read(rinfo);cout << rinfo._address << endl;cout << rinfo._x << endl;cout << rinfo._date << endl;
}int main()
{Bin_test01();Bin_test02();return 0;
}
运行结果如下:
info.bin文件如下:
注意:二进制读写需要注意的是STL中的容器,例如string这个容器,在上面的代码中将char _address[1024]改为string _address,如下
struct ServerInfo
{// char _address[1024];string _address;double _x;Date _date;
};
然后进行下面的操作。
1、同一个进程进行读写操作。
运行程序,程序的运行结果为:
原因是string所指向的内容在读之前就已经被释放了,因此读的内容是错误的,另外最终还析构了两次,因此程序就崩溃了。
在上面程序的基础上,将main函数中的内容改为如下:
int main()
{ServerInfo winfo = { "https://legacy.cplusplus.com/reference/fstream/fstream/fstream/", 12.13, { 2022, 4, 10 } };BinIO bin1;bin1.Write(winfo);ServerInfo rinfo;BinIO bin2;bin2.Read(rinfo);cout << rinfo._address << endl;cout << rinfo._x << endl;cout << rinfo._date << endl;return 0;
}
运行结果为:
这次读到的内容是正确的,但是发生了浅拷贝,最终会被析构两次,因此程序就崩溃了。
2、不同的进程:一个进程写,然后再让另一个进程去读。
先完成写操作,main函数改为如下内容:
int main()
{Bin_test01();return 0;
}
再完成读操作,main函数中代码改为如下内容:
int main()
{Bin_test01();return 0;
}
运行结果为:
原因是会有野指针的问题,所以程序出错。
二进制的方式读写数据不仅仅是string会出现这样的问题,其他的容器也是类似,不能用二进制的方式进行读写。原因就是容器中并未存储数据的内容,而存储的是维护数据内容的字段。
3.2.2、文本读写
例如:
class Date
{friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}operator bool(){// 这里是随意写的,假设输入_year为0,则结束if (_year == 0)return false;elsereturn true;}
private:int _year;int _month;int _day;
};istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{in >> d._year >> d._month >> d._day;return in;
}ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;return out;
}struct ServerInfo
{char _address[1024];double _x;Date _date;
};class TextIO // 文本读写
{
public:TextIO(const char* filename = "info.text"):_filename(filename){}void Write(const ServerInfo& winfo){ofstream ofs(_filename);ofs << winfo._address << endl;ofs << winfo._x << endl;ofs << winfo._date << endl;}void Read(ServerInfo& rinfo){ifstream ifs(_filename);ifs >> rinfo._address;ifs >> rinfo._x;ifs >> rinfo._date;}private:string _filename;
};void Text_01()
{ServerInfo winfo = { "https://legacy.cplusplus.com/reference/fstream/fstream/fstream/", 12.13, { 2022, 4, 10 } };TextIO text;text.Write(winfo);
}void Text_02()
{ServerInfo winfo;TextIO text;text.Read(winfo);cout << winfo._address << endl;cout << winfo._x << endl;cout << winfo._date << endl;
}int main()
{Text_01();Text_02();return 0;
}
运行结果为:
info.text文件内容如下:
3.2、字符串流
在C语言中,如果想要将一个变量的数据转化为字符串格式,如何去做? 例如:使用sprintf()函数 但是在转化时,需要先给出保存结果的空间,那空间要给多大呢,就不太好界定, 而且转化格式不匹配时,可能还会得到错误的结果甚至程序崩溃。
例如:
int main()
{int n = 123456789;char s1[32];sprintf(s1, "%d", n);printf("%s\n", s1);char s2[32];sprintf(s2, "%f", n);printf("%s\n", s2);return 0;
}
运行结果为:
在C++中,标准库三个类:istringstream、ostringstream 和 stringstream,分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作,本文主要介绍stringstream。stringstream主要可以用来:
3.2.1、数值类型转化为字符串
例如:
int main()
{// 将一个整形变量转化为字符串,存储到string类对象中int a = 12345678;string sa;stringstream s;s << a;s >> sa;cout << sa << endl;s.str(""); // 将stringstream底层管理string对象设置成"", 否则多次转换时,会将结果全部累积在底层string对象中。s.clear(); // 注意多次转换时,必须使用clear将上次转换状态清空掉。但是clear()不会将stringstreams底层字符串清空掉。double d = 12.34;s << d;s >> sa;string sValue;sValue = s.str(); // 返回stringsteam中管理的string类型。cout << sValue << endl;return 0;
}
运行结果为:
3.2.2、字符串拼接
int main()
{stringstream sstream;// 将多个字符串放入 sstream 中sstream << "first" << " " << "string,";sstream << " second string";cout << "str: " << sstream.str() << endl;// 清空 sstreamsstream.str("");sstream << "third string";cout << "After str: " << sstream.str() << endl;return 0;
}
运行结果为:
3.2.3、序列化和反序列化
简单来讲,把各种信息转化为字符串的过程就是序列化,把字符串的信息进行还原的过程就是反序列化。例如:
struct ChatInfo
{string _name; // 名字int _id; // idDate _date; // 时间string _msg; // 聊天信息
};int main()
{ChatInfo winfo = { "张三", 135246, { 2022, 4, 10 }, "晚上一起看电影吧" };stringstream oss;oss << winfo._name << endl;oss << winfo._id << endl;oss << winfo._date << endl;oss << winfo._msg << endl;cout << oss.str() << endl;ChatInfo rinfo;string str = oss.str();stringstream iss(str);iss >> rinfo._name >> rinfo._id >> rinfo._date >> rinfo._msg;cout << "-------------------------------------------------------"<< endl;cout << "姓名:" << rinfo._name << "(" << rinfo._id << ") ";cout << rinfo._date << endl;cout << rinfo._name << ":>" << rinfo._msg << endl;cout << "-------------------------------------------------------" << endl;return 0;
}
运行结果为:
注:在实际的开发中,信息是很复杂的,一般会选用json来进行支持,并不会用这一块的内容。简单的序列化和反序列化是可以用这一块的内容的。
注意:
1、stringstream实际是在其底层维护了一个string类型的对象用来保存结果。
2、多次数据类型转化时,一定要用clear()来重置内部状态,才能正确转化,但clear()不会将 stringstream底层的string对象清空。可以使用s.str("")方法将底层string对象设置为""空字符串。
3、可以使用s.str()将让stringstream返回其底层的string对象。
4、stringstream使用string类对象代替字符数组,可以避免缓冲区溢出的危险,而且其会对参数类型进行推演,不需要格式化控制,也不会出现格式化失败的风险,因此使用更方便,更安全。