目录

  • 1. 流和缓存
  • 2. 标准输入和输出流
  • 3. 字符输入和输出
  • 4. 字符串输入和输出
  • 5. 格式化输入和输出
  • 6. string class 输入
  • 7. 文件输入和输出

1. 流和缓存

C++程序把输入和输出当作字节流，对于面向文本的程序，每个字节对应一个字符。流stream充当程序与流的起点或终点之间的媒介，连接程序端与文件端。文件端可以是文件，也可以是设备，比如键盘和屏幕。

缓存buffer是一块内存，充当程序与设备之间信息交换的临时存储1。一般地，设备，比如硬盘，通常以512字节（或更多）为单位传输信息，而程序每次处理一个字节信息。而且，从内存中读单个字节，比从硬盘中更快。缓存帮助匹配两个不同速率的数据交换：从硬盘中读取一块数据，保存在缓存中，再从缓存中每次读取一个字节，读完后（清空缓存flush the buffer）再从硬盘取一块数据放到缓存；反方向，向缓存每次写入一个字节，写满缓存后再一次性写入硬盘（清空缓存），然后再向缓存写入数据。缓存法比单字节读写法（byte-by-byte）更快和更简单。

在将输入数据传给程序前，缓存法键盘输入允许用户备份和修改输入信息。通常，C++程序在用户按下回车键Enter时清空输入缓存，当用户输出换行符（newline character）时清空输出缓存，都不必等到缓存填满。

2. 标准输入和输出流

C++提供了多个类来实现和管理流和缓存：

类 class 描述
streambuf 为缓存提供内存，并一同提供用于填充缓存、访问缓存内容、清空缓存和管理缓存内存的类方法。
ios_base 表示流的一般属性，比如是否打开用于读取和是二进制流还是文本流。
ios 基于ios_base class，包括一个指向streambuf对象的指针成员。
ostream 衍生自ios，提供输出方法。
istream 衍生自ios，提供输入方法。
iostream 基于istream和ostream，继承两者的输入和输出方法。

在C++程序中包括头文件<iostream>（在该头文件中声明的对象有外部链接性external linkage和静态生存期static duration2）将自动创建8个流对象（窄字符34个，宽字符44个）：

  1. cin对应标准输入流（standard input stream）：默认与标准输入设备（一般是键盘）相关联。
  2. cout对应标准输出流（standard output stream）：默认与标准输出设备（一般是显示器）相关联。
  3. cerr对应标准错误流（standard error stream）：默认与标准输出设备（一般是显示器）相关联，而且该流不缓存，直接把错误信息发送到屏幕，不等缓存填满或换行符（newline character）。
  4. clog对应标准错误流（standard error stream）：默认与标准输出设备（一般是显示器）相关联，而且缓存。
C stream C++ stream 默认关联设备 缓存
stdin cin 键盘 是
stdout cout 显示器 是
stderr cerr 显示器 否
— clog 显示器 是

默认cin与stdin同步，cout与stdout同步。cin绑定于cout，意味着在对cin执行I/O操作之前先清空cout缓存。而cout不与任何其他输出流绑定。

3. 字符输入和输出

#include <istream>
// single character
int get(void);              // return character read or EOF if failure
istream & get(char & c);    // return invoking object reference#include <ostream>
// single character
ostream & put(char c);      // return invoking object reference

get()函数有三种模式：单字节模式（见上面代码片段）、C风格字符串模式和流缓存模式。而且字符输入所使用单字节模式也有两种签名：第一种签名与C语言字符输入的gtechar函数等价，无参数，返回读取的字符，如果出错返回EOF；第二种签名与put()函数的一致，将读取的字符赋值给引用参数所指示的char型变量，返回调用对象引用，所以支持输入级联（concatenation）。

#include <iostream>using namespace std;int main(int argc, char const *argv[]) {char a;char b;char c;cout << "Enter no less than 3 characters: \n";a = cin.get();      // int get(void)cin.get(b).get(c);  // istream & get(char & c)cout.put(a).put(b).put(c).put('\n');    // ostream & put(char c)return 0;
}

输出

Enter no less than 3 characters:
RMB
RMB

4. 字符串输入和输出

#include <istream>
// append '\0' at the end, leave delimiter in queue
istream & get(char * s, streamsize n, char delim='\n');
// append '\0' at the end, discard delimiter
istream & getline(char * s, streamsize n, char delim='\n');
// without checking its content nor appending '\0' at the end
istream & read(char * s, streamsize n);#include <ostream>
// without checking its content and treat '\0' as regular character
ostream & write(const char * s, streamsize n);

get()和getline()读取字符串，直到遇到EOF、分隔符或者已经读取n-1个字符，无论哪个先发生。

输入函数 默认分隔符 处理分隔符 结尾无效字符’\0’
get ‘\n’ 留在队列中 添加
getline ‘\n’ 丢弃 添加
read 无 无 不添加

四个函数都是返回调用对象的引用，支持级联。read()和write()函数读写一块数据，read()从输入流中提取n个字符保存在字符数组中，write()将字符数组中的前n个字符插入到输出流中，都不对内容进行检查，不对无效字符做特殊处理。

#include <iostream>
#include <fstream>  // file stream
#include <cstring>  // strlenusing namespace std;int main(int argc, char const *argv[]) {ifstream fin("1.txt", ios_base::in);    // the same as cinint n = 13;char s1[n];char s2[n];char s3[n];cout << "Enter a string for s1[13]:\n";// hello, world\nfin.get(s1, n, '\n');       // leave delimiter in queuechar a = fin.get();         // delimiter '\n'cout << "strlen(s1): " << strlen(s1);cout.put(a);                // newline '\n'cout << s1 << a;cout << "Enter a string for s2[13]:\n";// hello, world\nfin.getline(s2, n, '\n');   // discard delimitercout << "strlen(s2): " << strlen(s2) << '\n';cout << s2 << '\n';cout << "Enter a string for s3[13]:\n";// hello, world!!!\nfin.read(s3, n-3);          // no appending '\0' at the endcout << "strlen(s3): " << strlen(s3) << '\n';cout << "output s3 using cout.writer(s3, 13):\n";cout.write(s3, n) << '\n';cout << "output s3 using cout << s3 << '\\n':\n";cout << s3 << '\n';fin.close();   // close text filereturn 0;
}

文本文件"1.txt"

hello, world
hello, world
hello, world!!!

输出

Enter a string for s1[13]:
strlen(s1): 12
hello, world
Enter a string for s2[13]:
strlen(s2): 12
hello, world
Enter a string for s3[13]:
strlen(s3): 13
output s3 using cout.writer(s3, 13):
hello, wor_<0x04><0x01>
output s3 using cout << s3 << '\n':
hello, wor_<0x04><0x01>

以上代码示例将文本文件"1.txt"与文件输入流对象ifstream fin相关联，使用fin读取字符串，与使用标准输入流cin等价。也可以对cin重定向，在命令行输入./a.out < 1.txt，在代码中使用cin，产生相同效果。

5. 格式化输入和输出

对位移运算符<<（左移）和>>（右移）进行重载，得到用于输出cout的插入insertion运算符和用于输入的提取extraction运算符。提取运算符可以识别字符数组、字符指针和string class对象三种类型变量，用于保存读取的字符串，而且读取时跳过空白字符。空白字符whitespace character通常包括空格符space、制表符tab和换行符newline三种，更广义的空白字符如下表2，可以用头文件<cctype>里的int isspace(int c)函数来检查。插入运算符接收到字符数组名或者字符指针后，利用字符串末尾无效字符决定何时停止显示字符。

字符 数值（16进制） 名称
’ ’ (0x20) space (SPC)
‘\t’ (0x09) horizontal tab (TAB)
‘\n’ (0x0a) newline (LF)
‘\v’ (0x0b) vertical tab (VT)
‘\f’ (0x0c) feed (FF)
‘\r’ (0x0d) carriage return (CR)

清空缓冲的四种情况：

  1. 缓存填满。
  2. 回车键Enter和换行符'\n'。
  3. cin绑定于cout，在对cin执行I/O操作之前先清空cout缓存。
  4. <ostream>里的操作符（manipulator，也是函数）：flush（只清空缓存）和endl（先换行，再清空缓存）。
#include <ostream>
ostream & flush(ostream & os);
ostream & endl(ostream & os);

代码示例

#include <iostream>
#include <string>   // string classusing namespace std;int main(int argc, char const *argv[]) {int n = 13;char a[n];              // char arraychar * b = new char[n]; // char pointer,allocate memorystring str;             // string class objectcin >> a;cin >> b;cin >> str;cout << a << endl;cout << b << '\n' << flush;cout << str;cout.put('\n');flush(cout);                // no '\n', fluch buffer onlycout << "hello, world";endl(cout);                 // '\n' then flush bufferdelete b[];                 // free memoryreturn 0;
}

输出

good morning, beijing
good
morning,
beijing
hello, world

6. string class 输入

除了使用提取运算符>>将字符串保存到string class对象，还可以使用<string>里的getline()函数，从输入流is中读取一行字符串保存到str中，默认分隔符是换行符’\n’（提取后丢弃分隔符）。使用string class的构造函数string(const char * s)从C风格字符串构造一个等价的string class对象，相应地使用其成员函数c_str()返回等价的C风格字符串。另外一个构造函数string(const char * s, size_t n);可以指明需要拷贝的字符个数。

#include <string>
// get a line from istream into a string object, automatic sizing feature
istream & getline(istream &  is, string & str, char delim='\n');
// construct a string object from c-string (null-terminated char sequence)
string(const char * s); // constructor
// construct a string object from buffer, copy the first n chars from array
string(const char * s, size_t n);   // constructor
// get c-string equivalent (plus a terminating null character '\0')
const char * c_str() const noexcept;

代码示例

#include <iostream>
#include <cstdio>   // printf
#include <cstring>  // strlenusing namespace std;int main(int argc, char const *argv[]) {string str1;getline(cin, str1, '!');cout << str1 << '\n';cout << "str1.size(): " << str1.size() << '\n';const char * cstr = str1.c_str();printf("%s\n", cstr);printf("strlen(cstr): %lu\n", strlen(cstr));string str2(cstr, strlen(cstr) - 3);cout << str2 << '\n';return 0;
}

输出

hello, world!
hello, world
str1.size(): 12
hello, world
strlen(cstr): 12
hello, wo

7. 文件输入和输出

<fstream>衍生自<iostream>，其中的open()函数可以创建输入流ifstream和输出流ofstream对象，与具体文件相关联，使用方式与标准输入流cin和标准输出流cout一样。相应地，使用其成员函数close()断开文件与文件流对象的连接，而文件流对象和它管理的缓存还在，可以重新使用与其他文件建立连接1。

#include <fstream>#include <ifstream>
void open(const   char * filename,  ios_base::openmode mode = ios_base::in);
void open(const string & filename,  ios_base::openmode mode = ios_base::in);#include <ofstream>
void open(const   char * filename,  ios_base::openmode mode = ios_base::out);
void open(const string & filename,  ios_base::openmode mode = ios_base::out);

代码示例

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>using namespace std;int main(int argc, char const *argv[]) {ifstream fin;fin.open("1.txt", ifstream::in);ofstream fout("2.txt", ios_base::out);string str;fin >> str;fout << "hey, there\n";fout << str << '\n';fin.close();fout.close();return 0;
}

文本文件"1.txt"

hello, world

文本文件"2.txt"（初始为空）

hey, there
hello,

  1. C++ Primer Plus 6th Edition by Stephen Prata ↩︎ ↩︎

  2. www.cplusplus.com ↩︎ ↩︎

  3. 传统的8比特字符ASCII类型char。 ↩︎

  4. 大于8比特的字符类型wchar_t，C++11添加了char16_t和char32_t。 ↩︎

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