【C/C++】IO流

目录

前言：

一，C语言的I/O流

二，C++的I/O流

2-1，C++标准IO流

2-2，IO流的连续输入

前言：

“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。I/O是指输入输出设备。C/C++的I/O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。它的特性是有序连续性和方向性。

一，C语言的I/O流

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。除此外C语言还提供了类似于fprintf、fscanf等等专门控制I/O的函数接口。C语言借助了相应的缓冲区来进行输入与输出（缓冲器的专门讲解：缓冲区），如下图所示：

输入输出缓冲区优点：

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，减少因频繁地、小块地读写数据而产生的性能开销。这里的缓冲区可一次性存入这些数据，等到刷新缓冲区时将进行输入/输出。

C语言对于I/O这块需注意缓冲区的刷新，我们来观看以下C语言的代码问题。

#include <stdio.h>
int main()
{
char password[20] = { 0 };
printf("请输入密码: ");
scanf("%s", password);
printf("请确认密码(Y/N): ");
char input = 0;
scanf("%c", &input);//注意：这块开始出问题
if (input == 'Y')
printf("确认成功\n");
else
printf("确认失败\n");
return 0;
}

scanf 函数的原理就是行缓冲，即输入回车('\n')就会刷新缓冲区。不过需要注意，用户最后输入的回车也会储存在缓冲区。上面代码的问题就出现在scanf的行刷新，当输入完 password 并回车后，缓冲区中还存在回车这个残留字符，当再次进行input流操作时，缓冲区将其字符赋给input并自动刷新（因为缓冲区已经没有数据了），即input == '\n'，就会出现上面那种情况。这里需要将缓冲区里面残留字符给去掉或使用 fflush强制刷新缓冲区，但 fflush在有些编译器是没有的，它不属于C标准，不推荐使用。

#include <stdio.h>
int main()
{
char x = 0, y = 0;
scanf("%c", &x);
printf("x = %c\n", x);

//将缓冲区中的'\n'拿出，即清理缓冲区，若需要清理大部分字符，这里要使用循环语句
getchar();
scanf("%c", &y);
if (y == '\n')
printf("y == \\n\n");
else
printf("y = %c\n", y);
return 0;
}

输出一：没有getchar清理缓冲区字符

输出二：getchar清理缓冲区字符

C++中的cin是一种格式化输入，拿取数据时，自动跳过开头所有空白符，如空格、回车(\n)全都忽略。只有读取有效数据，且读到下一个空白符才会停止，其中空白符会留在输入缓冲区里。因此，平常多次使用cin从缓冲区拿取数据时不会出现任何问题，但是getline原理与cin不同，getline按行读取，不会跳过开头任何空白符，是直接从当前缓冲区位置开始读取，一直读到回车（\n）为止，最后会把\n从缓冲区里取走并丢弃，因此才会出现上面情况。

cin中的ignore接口可以清空缓冲区，并丢弃缓冲区里的字符。

cin.ignore(256, '\n');

第一个参数表示最多忽略256个字符

第二个参数表示终止条件，当读取到'\n'时就立刻停止忽略

二，C++的I/O流

2-1，C++标准IO流

C++的I/O底层原理与C语言一样，但C++系统实现了一个庞大的类库来实现I/O流操作，其中ios为基类，其他类都是直接或间接派生自ios类。

其中，istream（输入流）和ostream（输出流）是I/O（输入/输出）流类的重要组成部分，它们定义了进行I/O操作的基本接口。cin、cout、cerr、clog都是istream和ostream的实例。这两个类及其派生类（如ifstream、ofstream等）允许程序员以一种简洁且灵活的方式与各种数据源（如文件、控制台等）进行交互。

istream（输入流）定义了从数据源（如文件、控制台等）读取数据的基本操作，它包含了一系列以operator>>形式出现的成员函数，用于读取不同类型的数据。其中我们常用于从控制台读取数据的cin就是istream的一个实例，而cin只有把输入缓冲区中的数据取完后（即刷新缓冲区），才要求输入新的数据，补足了C语言的scanf的缺陷。

ostream（输出流）定义了向数据目标（如文件、控制台等）写入数据的基本操作，它包含了一系列以operator<<形式出现的成员函数，用于写入不同类型的数据。其中我们常用于向控制台写入数据的cout就是ostream的一个实例，而平常与cout连用的std::endl操作符不仅插入了一个换行符，还刷新了与std::cout关联的输出缓冲区。

C++标准IO流除了cout标准输出和cin标准输入外，还有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，一般情况下cout用的比较多。

C++的标准IO流之所以能够直接输出内置类型数据，是因为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，若需要支持cin和cout的标准输入输出，需要对 << 和 >>进行重载。

总的来说，C++的IO流是使用面向对象+运算符重载的方式实现的，它识别类型的本质是函数重载，内置类型可以直接使用是因为库里面istream/ostream类型已经实现了，自定义类型则需要自己重载<< 和 >>，也就是说C++的这种IO模式能够更好的兼容自定义类型，流插入和流提取。

2-2，IO流的连续输入

编程算法中有些情况会出现不断输入的情况，如：while (cin >> a){.....}，结束输入的情况很多时候都是使用快捷键：Ctrl + c解决（Ctrl + c是向系统内部发送结束当前进程的信号，直接暴力杀死进程）。

实际上我们看到使用while (cin >> a){.....}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，即while(cin >> a)实际上是while (operator>>(cin, a))，那么这里可以做逻辑条件值，源自于istream的对象又调用了operator bool()，operator bool()调用时如果接收流失败或有结束标志时，则返回false。任何类型只要想判断，只用重载一个operator bool()即可。

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)
{}
//重载bool类型，用于循环语句的判断
operator bool()
{
//这里假设输入_year为0时结束
if (_year == 0)
return false;
else
return true;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
//实现Date类的流插入和流提取
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(2024, 6, 7);
cout << "输出: " << d << endl;
while (d)
{
cin >> d;
cout << "输出: " << d << endl;
}
return 0;
}

三，字符串流

在C++中，字符串流是标准库提供的一种I/O流类，用于在字符串和流之间进行数据交换。它们允许你像操作文件流一样操作字符串，属于iostream类库的一部分，比如读写操作。这里重点说明stringstream。

stringstream是双向字符串流，是C++ 标准库中的一个类，在<sstream>头文件中。它结合了输入流（istream）和输出流（ostream）的功能，允许我们使用输入操作符（>>）和输出操作符（<<）从stringstream对象中读取数据和将数据写入stringstream对象中，即使用像操作文件一样操作字符串。

最后要说明的是，stringstream常用于将一种数据类型转换为另一种数据类型。当我们使用 ">>" 读取一个数据项时，它会在遇到第一个空白字符时停止读取，并将读取到的内容转换为相应的数据类型。stringstream的使用如下：

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

int main()
{
stringstream ss("1 2 3");
string str1 = ss.str();// str用于获取ss整个内容
string str2;
ss >> str2;
cout << "str1: " << str1 << endl;
cout << "str2: " << str2 << endl;
cout << endl;
ss << "Name: " << "张三" << ", Age: " << 18;
str1 = ss.str();
cout << "str1: " << str1 << endl;
// cout << ss << endl; 注意：这种操作是错误的，因为stringstream本身就是字符串流
return 0;
}