七、输入/输出流

流类简介

C++中凡是数据从一个地方传输到另一个地方的操作都是流的操作。因此，一般意义下的读操作在流数据抽象中被称为（从流中）“提取”，写操作被称为（向流中）“插入”。

iostream流类库的类关系图如下：

流类库关系图

图中箭头代表派生关系。ios是抽象基类，提供输入/输出所需的公共操作，它派生出两个类istream和ostream。为了避免多重继承的二义性，从ios派生istream和ostream时，均使用了virtual关键字（虚继承）。

stream类提供了流的大部分输入操作，对系统预定义的所有输入流重载提取运算符>>。ostream类对系统预定义的所有输出流重载插入运算符<<。

C++的iostream类库提供了数百种I/O功能，iostream类库的接口部分包含在几个头文件中。常见的头文件有以下3个：

1. iostream：包含操作所有输入/输出流所需要的基本信息，因此大多数C++程序都应包含这个头文件。该文件含有4个标准流对象，提供了无格式化和格式化的I/O功能。
2. iomanip：包含格式化I/O的带参数流操纵符，可用于指定数据输入/输出的格式。
3. fstream：包含处理文件的有关信息，提供建立文件、读/写文件的各种操作接口。

标准流对象

C++在头文件iostream中为了用户预定义了4个标准流对象，分别是：

• cin（标准输入流），cin与标准输入设备（键盘）相关联，用于读取数据，可以被重定向为从文件中读取数据。
• cout（标准输出流），cout与标准输出设备（显示器）相关联，用于输出数据，可以被重定向为向文件里写入数据。
• cerr（非缓冲错误输出流），cerr与标准错误信息输出设备（显示器）相关联（非缓冲），用于输出出错信息，不能被重定向。
• clog（缓冲错误输出流），clog与标准错误信息输出设备相关联（缓冲），用于输出出错信息，不能被重定向。

在实际中，cin常用于从键盘输入数据，是流类istream的对象。cout常用于向屏幕输出数据，是流类ostream的对象。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x, y;
    cin >> x >> y;
    //函数`freopen()`的功能是将`stream`按`mode`指定的模式重定向到路径`path`指向的文件。
    //将标准输出定向到文件test.txt
    freopen("test.txt", "w", stdout);
    
    if (y == 0) {
        cerr << "error" << endl;
    } else {
        cout << x << " / " << y << " = " << x / y << endl;
    }

    return 0;
};

控制I/O格式

C++进行I/O格式控制的方式一般有使用流操纵符、设置标志字和调用成员函数。

流操纵符

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
    int n = 65535, m = 20;
    
    //1.分别输出一个整数的十进制、十六进制和八进制表示
    cout << "1)" << n << " = " << hex << n << " = " << oct << n << endl;
    //1)65535 = ffff = 177777
    
    //2.使用setbase分别输出一个整数的十进制、十六进制和八进制表示
    cout << "2)" << setbase(10) << m << " = " << setbase(16) << m << " = " << setbase(8) << m << endl;
    //2)20 = 14 = 24
    
    //3.使用showbase和setbase分别输出一个整数的十进制、十六进制和八进制表示
    cout << "3)" << showbase;//输出表示数值进制的前缀
    cout << setbase(10) << m << " = " << setbase(16) << m << " = " << setbase(8) << m << endl;
    //3)20 = 0x14 = 024

    return 0;
};

标志字

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
    double x = 12.34;
    
    cout << "1)" << setiosflags(ios::scientific | ios::showpos) << x << endl;
    cout << "2)" << setiosflags(ios::fixed) << x << endl;
    cout << "3)" << resetiosflags(ios::fixed) << setiosflags(ios::scientific | ios::showpos) << x << end;
    cout << "4)" << resetiosflags(ios::showpos) << x << endl;
    //1)+1.234000e+001
    //2)+12.34
    //3)+1.234000e+001
    //4)1.234000e+001

    return 0;
};

调用cout的成员函数

#include <iostream>
using namespace std;

int main(){
    double values[] = {
        1.23,
        20.3456,
        300.4567,
        4000.45678,
        50000.1234567
    };
    
    cout.fill('*');//设置填充字符为`*`
    for (int i = 0; i < sizeof(values) / sizeof(double); i++) {
        cout << "values[" << i << "] = (";
        cout.width(10);//设置输出宽度
        cout << values[i] << ")" << endl;
    }
    /*
    values[0] = (******1.23)
    values[1] = (***20.3456)
    values[2] = (***300.457)
    values[3] = (***4000.46)
    values[4] = (***50000.1)
    */
    
    cout.fill(' ');//设置填充字符为空格
    for (int j = 0; j < sizefo(values) / sizeof(double); j++) {
        cout << "values[" << j << "] = (" 
        cout.width(10);//设置输出宽度
        cout.precision(j + 3);//设置保留有效数字
        cout << values[j] << ")" << endl;
    }
    /*
    values[0] = (     1.23)
    values[1] = (    20.35)
    values[2] = (   300.46)
    values[3] = (  4000.46)
    values[4] = ( 50000.12)
    */
    
    return 0;
};

调用cin的成员函数

istream类提供了一些公有成员函数，它们可以以不同的方式提取输入流中的数据。

get()函数

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main() {
    int n = 0;
    char ch;
    //当文件没有结束时继续进行循环
    while ((ch = cin.get()) != EOF) {
        cout.put(ch);
        n++;
    }
    cout << "输入字符共计：" << n << endl;
};

在Windows环境下，当进行键盘输入时，在单独的一行按ctrl + z组合键后再按enter键就代表文件输入结束。

getline()函数

getline()成员函数的原型如下：

istream & getline(char *buf, int bufSize);

其功能是从输入流中的当前字符开始读取bufSize - 1个字符到缓冲区buf，或读到\n为止（哪个条件先满足即按哪个执行）。函数会在buf中读入数据的结尾自动添加串结束标记\0。

istream & getline(char *buf, int bufSize, char delim);

其功能是从输入流中的当前字符开始读取bufSize - 1个字符到缓冲区buf，或读到字符delim为止（哪个条件先满足即按哪个执行）。函数会在buf中读入数据的结尾自动添加\0。

两者的区别在于，前者是读到\n为止，后者是读到指定字符delim为止。字符\n或delim都不会被存入buf中，但会从输入流中取走。

函数getline()的返回值是函数所作用的对象的引用。如果输入流中\n或delim之前的字符个数达到或超过bufSize，则会导致读入操作出错，其结果是：虽然本次读入已经完成，但是之后的读入都会失败。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    char buf[10];
    int i = 0;
    //若输入流的一行超过9个字符，则会出错
    while (cin.getline(buf, 10)) {
        cout << ++i << ":" << buf << endl;
    }
    cout << "last:" << buf << endl;
    
    return 0;
};

eof()函数

eof()成员函数的原型如下：

bool eof();

eof()函数用于判断输入流是否已经结束。返回值为true表示输入结束。

在应用程序中可以用eof()函数测试是否到达文件尾，当文件操作结束遇到文件尾时，函数返回1；否则返回0。

ignore()函数

ignore()成员函数的原型如下：

istream & ignore(int n = 1, int delim = EOF);

此函数的作用是跳过输入流中的n个字符，或跳过delim及其之前的所有字符（哪个条件先满足就按哪个执行）。两个参数都有默认值。因此cin.ignore()等效于cin.ignore(1, EOF)，即跳过一个字符。该函数常用于跳过输入中的无用部分，以便提取有用的部分。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    char str[30];
    while (!cin.eof()) {
        cin.ignore(10, ':');
        if (!cin.eof()) {
            cin >> str;
            cout << str << endl;
        }
    }

    return 0;
};

peek()函数

peek()成员函数的原型如下：

int peek();

函数peek()返回输入流中的当前字符，但是并不将该字符从输入流中取走，相当于只是“看了一眼”将要读入的下一个字符，因此叫“窥视”。

cin.peek()不会跳过输入流中的空格和回车符。在输入流已经结束的情况下，cin.peek()返回EOF。