【C++入门到精通】C++的IO流（输入输出流） [ C++入门 ]

引言

C++中的IO流（输入输出流）是程序与外部环境之间进行数据交互的重要手段。通过IO流，程序可以从外部读取数据或将数据输出到外部，实现了程序与用户、其他程序和设备之间的数据传输。C++标准库提供了丰富的IO流类和函数，通过这些类和函数，开发者能够方便地实现各种类型的IO操作。本文将介绍IO流的基本概念和相关类，讲解如何在C++程序中使用IO流实现输入输出操作，并给出相应的示例代码以说明其用法。同时，还将介绍一些常见的IO流操作技巧和使用注意事项，帮助读者更好地掌握和应用C++中的IO流机制。通过学习本文，读者将能够深入理解C++中的IO流，掌握IO流的使用方法，提高程序的输入输出效率和稳定性。

一、C语言的输入与输出

C语言中我们用到的最频繁的输入输出方式就是scanf ()与printf()。

• scanf(): 从标准输入设备(键盘)读取数据，并将值存放在变量中。
• printf(): 将指定的文字/字符串输出到标准输出设备(屏幕)。

🚨🚨注意宽度输出和精度输出控制

C语言借助了相应的缓冲区来进行输入与输出。如下图所示：

⭕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”。

二、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（ 其单位可以是bit，byte，packet ）的抽象描述。

C++中的流是一种抽象描述，用于表示数据从一个地方（输入设备）流向另一个地方（输出设备）的过程。它描述了数据以有序连续和具有方向性的方式流动的特性。在C++中，流被比喻为信息从外部输入设备（如键盘）向计算机内部（如内存）输入，或者从内存向外部输出设备（如显示器）输出的过程。为了实现这种流动，C++提供了I/O标准类库，其中的每个类都被称为流或流类，用于完成不同方面的输入输出功能。通过使用这些流类，我们可以实现数据的输入和输出操作，实现与外部环境的交互。

🔴C++提供的I/O标准类库

三、C++IO流

C++系统实现了一个庞大的类库，其中ios为基类，其他类都是直接或间接派生自ios类

1. C++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类的三个不同的对象，因此这三个对象现在基本没有区别，只是应用场景不同。

（1）istream

istream 是输入流的基类，它提供了从外部读取数据的功能。常用的 istream 类有 istream, ifstream（从文件读取）和 istringstream（从字符串读取）。

⭕常用的 istream 函数包括：

• get()：从流中获取下一个字符并返回其 ASCII 值。
• getline()：从流中读取一行文本，并将其存储在指定的字符串变量中。
• operator>>：从流中读取数据并将其存储在指定的变量中。

例如：

int num;
std::cin >> num; // 从标准输入设备读取一个整数

（2）ostream

ostream 是输出流的基类，它提供了向外部写入数据的功能。常用的 ostream 类有 ostream, ofstream（写入到文件）和 ostringstream（写入到字符串）。

⭕常用的 ostream 函数包括：

• put()：向流中写入一个字符。
• write()：向流中写入指定长度的数据。
• operator<<：向流中写入数据。

例如：

int num = 42;
std::cout << "The answer is: " << num << std::endl; // 输出 "The answer is: 42"

（3）iostream

iostream 是同时具有输入和输出功能的流类，继承自 istream 和 ostream。常用的 iostream 类有 iostream、fstream（用于文件输入输出）和 stringstream（用于字符串输入输出）。

例如：

int num;
std::cin >> num; // 从标准输入设备读取一个整数
std::cout << "You entered: " << num << std::endl; // 输出 "You entered: 42"

（4）cin 和 cout

cin 和 cout 是预定义的 istream 和 ostream 对象，它们分别用于从标准输入设备（通常是键盘）读取数据和向标准输出设备（通常是屏幕）写入数据。

例如：

int num;
std::cout << "Enter a number: ";
std::cin >> num; // 从标准输入设备读取一个整数
std::cout << "You entered: " << num << std::endl; // 输出 "You entered: 42"

除此之外，C++标准IO流还提供了一些其他重要的类和函数，如格式化输入输出、流状态检查和文件输入输出等。你可以通过查阅相关文档或教程深入了解更多关于C++标准IO流的知识。

2. C++文件IO流

C++文件IO流是C++标准库提供的用于文件输入和输出的一组类和函数。它们可以用于读取和写入文件中的数据。

⭕C++文件IO流主要涉及以下几个类：

（1）ifstream

ifstream：用于从文件中读取数据的输入流类。通过创建 ifstream 对象，可以打开一个文件并从中读取数据。

⭕常用的 ifstream 成员函数有：

• open()：打开指定的文件。
• close()：关闭当前打开的文件。
• is_open()：检查文件是否成功打开。
• operator>>：从文件中读取数据。

示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::ifstream file("example.txt");
    if (file.is_open()) 
    {
        int num;
        while (file >> num) 
        {
            std::cout << num << std::endl; // 输出文件中的整数
        }
        file.close();
    } 
    else 
    {
        std::cerr << "Failed to open file." << std::endl;
    }
    return 0;
}

（2）ofstream

ofstream：用于向文件中写入数据的输出流类。通过创建 ofstream 对象，可以打开一个文件并向其中写入数据。

⭕常用的 ofstream 成员函数有：

• open()：打开指定的文件。
• close()：关闭当前打开的文件。
• is_open()：检查文件是否成功打开。
• operator<<：将数据写入文件。

示例代码：

#include <fstream>

int main() {
    std::ofstream file("example.txt");
    if (file.is_open()) {
        file << "Hello, World!" << std::endl; // 向文件中写入字符串
        file.close();
    } else {
        std::cerr << "Failed to open file." << std::endl;
    }
    return 0;
}

（3）fstream

fstream：同时具有读取和写入功能的文件流类。通过创建 fstream 对象，可以打开一个文件并在其中进行读写操作。

⭕常用的 fstream 成员函数除了可以使用 ifstream 和 ofstream 的成员函数外，还包括：

• seekg()：设置输入位置指针（用于读取）。
• seekp()：设置输出位置指针（用于写入）。

示例代码：

#include <fstream>
#include <iostream>

int main() {
    std::fstream file("example.txt", std::ios::in | std::ios::out);
    if (file.is_open()) 
    {
        int num;
        while (file >> num) 
        {
            std::cout << num << std::endl; // 从文件中读取整数并输出
        }
        file.seekp(0, std::ios::end); // 将输出位置指针移动到文件末尾
        file << "New data" << std::endl; // 向文件中写入新数据
        file.close();
    } 
    else 
    {
        std::cerr << "Failed to open file." << std::endl;
    }
    return 0;
}

在使用文件IO流时，需要包含头文件 <fstream>，并根据需要选择适当的流对象（ifstream、ofstream 或 fstream）。

四、stringstream的简单介绍

stringstream 是 C++ 标准库中的一个流类，它可以像 cout 和 cin 一样进行输入输出操作。不同之处在于 stringstream 不是对控制台进行输入输出，而是对字符串进行输入输出。

stringstream 继承自 istream 和 ostream，因此它既可以进行输入操作，也可以进行输出操作。stringstream 的主要作用是将数据转换为字符串或从字符串中读取数据。使用 stringstream 可以方便地进行格式化输出和解析字符串。

⭕stringstream 的头文件是 <sstream>，它定义了以下三个类：

• std::istringstream：从字符串中读取数据的输入流。
• std::ostringstream：将数据输出到字符串的输出流。
• std::stringstream：既可以输入数据，也可以输出数据的流。

使用 stringstream 进行输入输出操作的一般流程如下：

1. 创建 stringstream 对象

可以使用默认构造函数创建一个空的 stringstream 对象，例如：

std::stringstream ss;

2. 输入数据

可以使用运算符 << 将数据写入 stringstream 中，例如：

int num = 123;
std::string str = "hello";
ss << "The number is: " << num << ", the string is: " << str;

3. 输出数据

可以使用成员函数 str() 或 str(std::string&) 获取 stringstream 所包含的字符串，例如：

std::string output = ss.str();
std::cout << output << std::endl; // 输出：The number is: 123, the string is: hello

4. 解析字符串

可以使用运算符 >> 从 stringstream 中读取数据，例如：

std::string input = "123 4.56 hello";
int num;
double d;
std::string str;
ss.clear(); // 清空 stringstream 对象
ss.str(input);
ss >> num >> d >> str;
std::cout << num << " " << d << " " << str << std::endl; // 输出：123 4.56 hello

🚨🚨注意：在读取数据之前应该先清空 stringstream 对象，并使用成员函数 str(std::string&) 将要解析的字符串写入 stringstream 中。

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