C++ 的 IO 流

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1. C 语言的输入输出

1.1 常用输入输出函数

C 语言中最常用的输入输出方式是 scanf() 与 printf() 。

scanf()：从标准输入流（通常是键盘）读取格式化数据，按照指定的格式将输入数据存储到对应的变量中。
printf()：将格式化的数据输出到标准输出流（通常是显示器）。使用时需注意宽度输出和精度输出控制。

1.2 输入输出缓冲区

C 语言借助相应的缓冲区来进行输入与输出，输入输出缓冲区作用如下：

屏蔽低级 I/O 的实现：低级 I/O 的实现依赖操作系统本身内核，屏蔽这部分差异可使程序更具可移植性。
实现 “行” 读取行为：计算机本身没有 “行” 的概念，通过缓冲区可定义 “行”，并解析其内容返回 “行”。

2. 流是什么

“流” 是对有序连续且具有方向性的数据的抽象描述。

C++ 流指信息从外部输入设备（如键盘）向计算机内部（如内存）输入，以及从内存向外部输出设备（显示器）输出的过程。

C++ 流的特性：

有序连续：数据按顺序流动。
有方向性：分为输入流和输出流。
基于 I/O 标准类库：通过类对象实现输入输出操作。

3. C++ IO 流

C++ 中构建了一个体系庞大的类库，在这个类库的继承体系里，ios类是基类，其他所有相关类均直接或间接派生自ios类。

3.1 C++ 标准 IO 流

3.1.1 全局流对象

C++ 标准库提供了 4 个全局流对象：cin、cout、cerr、clog。

cin：标准输入流（键盘输入到程序），属于istream类。
cout：标准输出流（程序输出到显示器），属于ostream类。
cerr：标准错误输出流（无缓冲，直接输出）。
clog：标准日志输出流（有缓冲）。

cout、cerr、clog是ostream类的三个不同对象，应用场景不同，但基本功能类似。使用时必须包含头文件<iostream>，并引入std标准命名空间。

3.1.2 关键细节

3.1.2.1 缓冲机制

cin为缓冲流，输入数据先存入缓冲区，提取时从缓冲区读取。
输入错误会设置流状态字state，但程序继续执行。

3.1.2.2 数据类型匹配

输入类型需与提取类型一致，否则出错（如给int变量输入字符将出错）。

3.1.2.3 分隔符处理

空格和回车可作为数据分隔符，字符型和字符串无法读取空格或回车。

3.1.2.4 内置类型支持

标准库已重载<<和>>运算符，可直接输入输出内置类型（如int、double）。

3.1.2.5 自定义类型支持

需重载<<和>>运算符才能使用cin/cout。

3.1.2.6 在线 OJ 输入输出

<1> IO类型的算法，一般都要循环输入：

（1）单个元素循环输入

适用场景：读取多组单一类型数据（如多组整数）。


int num;
while (cin >> num) 
{  // 输入整数，遇EOF结束cout << "输入的数：" << num << endl;
}

（2）多个元素循环输入

适用场景：读取每行包含多个数据的输入（如每行输入 “姓名年龄分数”）。

string name;
int age;
double score;
while (cin >> name >> age >> score) 
{  // 按顺序读取多个元素cout << name << " " << age << " " << score << endl;
}

（3）非整行字符串输入（不含空格）

适用场景：读取以空格 / 换行分隔的单词（如多个独立字符串）。

string word;
while (cin >> word) 
{  // 读取单个单词，遇空格/换行/EOF结束cout << "单词：" << word << endl;
}

（4）整行字符串输入（含空格）

适用场景：读取完整句子或段落（如 “Hello, world!”）。

string line;
while (getline(cin, line)) 
{  // 读取整行，包括空格，遇EOF或空行结束if (line.empty()) break;  // 可选：跳过空行cout << "整行内容：" << line << endl;
}

<2> 输出必须与题目要求完全一致，包括空格、换行符、标点符号等，多一个或少一个字符均可能导致错误。

<3> Windows 系统的 VS 系列编译器中，通过输入 Ctrl + Z 再按下 Enter ，就可发送 EOF（文件结束符） 信号，快捷终止输入循环。

3.1.2.7 流对象的逻辑判断

istream 对象能直接用于条件判断。若输入成功，则继续执行相关操作；若输入失败，则停止执行相关操作。
自定义类型可通过重载 operator bool() 函数来添加额外的逻辑判断。这些额外逻辑判断通常用于设置业务层面的结束条件。

istream 对象可作为逻辑条件值，是因为该对象会调用 operator bool 函数。

当流提取成功时，operator bool返回true；当遇到文件结束符（EOF，如键盘输入Ctrl+Z）、提取类型不匹配（如给int变量输入字符）或流被关闭时，operator bool返回false，循环终止。

示例：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class Date 
{// 声明友元函数以访问私有成员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) {}// 类型转换运算符：定义Date对象的逻辑判断条件explicit operator bool() const {// 假设输入_year为0时，返回falsereturn _year != 0;}private:int _year;int _month;int _day;
};// 重载流提取运算符：从输入流读取Date对象
istream& operator>>(istream& in, Date& d) 
{in >> d._year >> d._month >> d._day; return in; // 返回输入流对象，支持链式调用（如cin >> d1 >> d2）
}// 重载流插入运算符：向输出流写入Date对象
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day; return out; // 返回输出流对象，支持链式调用（如cout << d << endl）
}int main() 
{// 输出内置类型（自动调用标准库重载的<<运算符）int i = 1;double j = 2.2;cout << "内置类型输出：" << endl;cout << "整数i = " << i << endl;cout << "浮点数j = " << j << endl;// 输出自定义类型Date（调用重载的<<运算符）Date d(2022, 4, 10); cout << "\n初始化的日期：" << d << endl;// 循环输入Date对象，直到输入年份为0时结束cout << "\n请输入日期（格式：年 月 日，输入0 0 0结束）：" << endl;while (cin >> d) { // 用operator>>返回的istream对象调用operator bool// 输入成功后，检查Date对象的逻辑状态（_year是否为0）if (!d) { cout << "检测到结束标志（年份为0），退出程序。" << endl;break;}cout << "输入的日期为：" << d << endl; cout << "请继续输入（或输入0 0 0结束）：" << endl;}return 0;
}

3.2 C++ 文件 IO 流

根据数据的组织形式，数据文件可分为二进制文件和文本文件。

数据在内存中以二进制形式存储，若不加转换输出到外存文件中，就是二进制文件；
若要求在外存上以 ASCII 码形式存储，则需在存储前转换，以 ASCII 字符形式存储的文件就是文本文件。

采用文件流对象操作文件的一般步骤：

（1）定义文件流对象

类名用途 定义语法 示例

类名	用途	定义语法	示例
`ifstream`	只读取文件	1.直接构造并打开文件： `ifstream 对象名("文件名",模式);` 2. 默认构造后打开文件： `ifstream 对象名;` `对象名.open("文件名", 模式);` `若未显式指定模式将默认ios_base::in`	`std::ifstream fin("data.txt");` `std::ifstream fin; fin.open("data.bin", std::ios_base::binary); // 或 std::ifstream fin; fin.open("data.bin", std::ios_base::in \| std::ios_base::binary);`
`ofstream`	只写入文件	1. 直接构造并打开文件（覆盖写入）： `ofstream 对象名("文件名",模式);` 2.默认构造后打开文件： `ofstream 对象名;` `对象名.open("文件名", 模式);` `若未显式指定模式将默认ios_base::out`	类似 `ifstream`
`fstream`	读写文件	`fstream 对象名("文件名", 模式);` （模式必须包含 `ios_base::in` \| `ios_base::out` ）	`std::fstream file("data.txt", std::ios_base::in \| std::ios_base::out);` `// 追加读写： std::fstream file("data.txt", std::ios_base::in \| std::ios_base::out \| std::ios_base::app);`

ifstream

只读取文件

1.直接构造并打开文件：

ifstream 对象名("文件名",模式);
2. 默认构造后打开文件：
ifstream 对象名;
对象名.open("文件名", 模式);

若未显式指定模式将默认ios_base::in

std::ifstream fin("data.txt");

std::ifstream fin;
fin.open("data.bin", std::ios_base::binary);
// 或
std::ifstream fin;
fin.open("data.bin", std::ios_base::in | std::ios_base::binary);

ofstream

只写入文件

1. 直接构造并打开文件（覆盖写入）：
ofstream 对象名("文件名",模式);
2.默认构造后打开文件：
ofstream 对象名;
对象名.open("文件名", 模式);

若未显式指定模式将默认ios_base::out

类似 ifstream

fstream

读写文件

fstream 对象名("文件名", 模式);
（模式必须包含 ios_base::in | ios_base::out ）

std::fstream file("data.txt", std::ios_base::in | std::ios_base::out);

// 追加读写：
std::fstream file("data.txt", std::ios_base::in | std::ios_base::out | std::ios_base::app);

注意：ifstream / ofstream / fstream 均需包含头文件 <fstream> ；ifstream 、ofstream 、fstream 、ios_base 要展开命名空间或使用 std:: 前缀。

（2）打开文件
- 成员函数：open(const char* filename, ios_base::mode)。
- 常用打开模式：
  - ios_base::in：输入模式（读文件）。
  - ios_base::out：输出模式（写文件，覆盖原有内容）。
  - ios_base::app：追加模式（写文件，内容追加到末尾）。
  - ios_base::binary：二进制模式（默认为文本模式）。
（3）读写文件
- 文本读写：使用<<和>>运算符（需重载自定义类型运算符）。
- 二进制读写：使用write()和read()成员函数（按字节操作）。
（4）关闭文件：调用close()成员函数。

3.2.1 模拟服务器配置信息的读写

#include <iostream>       
#include <fstream>        
#include <string>         
using namespace std;      class Date 
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day) {}friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);private:int _year;   int _month;  int _day;    
};ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return out;
}istream& operator>>(istream& in, Date& d) 
{char separator1, separator2; // 用于读取日期中的分隔符（如'-'）in >> d._year >> separator1 >> d._month >> separator2 >> d._day;return in;
}// 服务器信息结构体
struct ServerInfo 
{char _address[32];  // 地址（字符数组）int _port;          // 端口号Date _date;         // 日期（已重载IO运算符）
};// 配置管理类
class ConfigManager 
{
public:// 构造函数：初始化文件名explicit ConfigManager(const char* filename) : _filename(filename) {}// 二进制写入文件void WriteBin(const ServerInfo& info) {ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary); if (!ofs.is_open()) { // 检查文件是否打开成功cerr << "Error: Failed to open file for writing (binary)." << endl;return;}// 写入结构体数据（需保证结构体无虚函数、无动态成员，否则需自定义序列化逻辑）ofs.write(reinterpret_cast<const char*>(&info), sizeof(info));ofs.close();}// 二进制读取文件void ReadBin(ServerInfo& info) {ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);if (!ifs.is_open()) { cerr << "Error: Failed to open file for reading (binary)." << endl;return;}// 读取结构体数据ifs.read(reinterpret_cast<char*>(&info), sizeof(info));ifs.close();}// 文本写入文件void WriteText(const ServerInfo& info) {ofstream ofs(_filename);if (!ofs.is_open()) { cerr << "Error: Failed to open file for writing (text)." << endl;return;}// 使用流插入运算符写入数据（需保证Date类已重载<<）ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date << endl;ofs.close();}// 文本读取文件void ReadText(ServerInfo& info) {ifstream ifs(_filename);if (!ifs.is_open()) { cerr << "Error: Failed to open file for reading (text)." << endl;return;}// 使用流提取运算符读取数据（需保证Date类已重载>>）ifs >> info._address >> info._port >> info._date;ifs.close();}private:string _filename; // 配置文件名
};int main() 
{// 初始化服务器信息ServerInfo winfo = {"192.0.0.1",    // 地址80,             // 端口号{2022, 4, 10}   // 日期（使用Date构造函数初始化）};// 创建配置管理器对象（二进制和文本文件）ConfigManager cf_bin("test.bin");ConfigManager cf_text("test.txt");// ---------------------- 二进制操作 ----------------------// 写入二进制文件cf_bin.WriteBin(winfo);cout << "二进制文件写入完成。" << endl;// 读取二进制文件ServerInfo rbinfo;cf_bin.ReadBin(rbinfo);cout << "二进制读取结果：" << endl;cout << "地址：" << rbinfo._address << endl;cout << "端口：" << rbinfo._port << endl;cout << "日期：" << rbinfo._date << endl;cout << endl;// ---------------------- 文本操作 ----------------------// 写入文本文件cf_text.WriteText(winfo);cout << "文本文件写入完成。" << endl;// 读取文本文件ServerInfo rtinfo;cf_text.ReadText(rtinfo);cout << "文本读取结果：" << endl;cout << "地址：" << rtinfo._address << endl;cout << "端口：" << rtinfo._port << endl;cout << "日期：" << rtinfo._date << endl;return 0;
}

4. 简单介绍 stringstream

传统C语言方法（如 sprintf / itoa ）在进行类型转换与字符串操作时，存在缓冲区溢出风险且需手动管理内存空间，尤其在处理结构体数据的序列化与反序列化时不够安全便捷。

stringstream 通过流式操作实现自动类型推导，并利用安全的string缓冲区管理，有效简化了类型转换与字符串拼接过程，规避了上述风险，更适用于序列化场景。

4.1 头文件与类定义

头文件：#include <sstream>
相关类：
- istringstream：从字符串读取数据（输入流）。
- ostringstream：向字符串写入数据（输出流）。
- stringstream：双向操作（读写字符串）。

4.2 核心功能

4.2.1 数值类型转字符串

避免itoa()或sprintf()的缓冲区溢出问题，自动推导类型。

示例代码：

#include <iostream>       
#include <sstream>        
#include <string>         // 包含string类型头文件using namespace std;      int main()
{int a = 12345678;     string sa;            // 定义用于存储转换结果的string对象stringstream s;       // 定义stringstream对象，用于数据转换// 第一次转换：将整数a转换为字符串s << a;               // 向stringstream中插入int类型数据（自动格式化）s >> sa;              // 从stringstream中提取数据到string对象sacout << "整数转字符串结果：" << sa << endl;  // ---------------------- 关键操作：清空流状态和底层缓冲区 ----------------------s.clear();            // 重置流状态标志（清除可能的badbit状态）s.str("");            // 清空stringstream底层维护的string对象，避免残留数据影响下次转换// ----------------------------------------------------------------------------// 第二次转换：将双精度浮点数d转换为字符串double d = 12.34;     s << d;               // 向stringstream中插入double类型数据（自动格式化）s >> sa;              // 从stringstream中提取数据到string对象sacout << "浮点数转字符串结果：" << sa << endl;  return 0;
}

4.2.2 字符串拼接

方便合并多个字符串或变量。

示例代码：

#include <iostream>      
#include <sstream>        
#include <string>         using namespace std;      int main() 
{// 创建stringstream对象用于字符串操作stringstream sstream;// 向流中插入多个字符串进行拼接sstream << "Hello" << " " << "World," << " 你好！";// 从stringstream中提取拼接后的完整字符串string result = sstream.str();cout << "拼接结果：" << result << endl;  return 0;
}

4.2.3 序列化与反序列化结构数据

将结构体数据转为字符串（如网络传输），或从字符串解析回结构体。

示例代码：

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
using namespace std;class Date 
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day) {}friend istream& operator>>(istream& in, Date& d);friend ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d);private:int _year;int _month;int _day;
};istream& operator>>(istream& in, Date& d) 
{char separator1, separator2; // 用于处理日期格式中的分隔符（如YYYY-MM-DD）in >> d._year >> separator1 >> d._month >> separator2 >> d._day;return in;
}ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d) 
{out << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day; return out;
}struct ChatInfo 
{string _name;int _id;Date _date; // 假设已重载<<和>>string _msg;
};int main() 
{// 序列化：结构体转字符串ChatInfo winfo = {"张三",135246,{2022, 4, 10}, // 使用Date构造函数初始化日期"晚上一起看电影吧"};ostringstream oss;// 按顺序输出结构体成员，用空格分隔（需注意字符串中的空格会导致反序列化问题）oss << winfo._name << " "<< winfo._id << " "<< winfo._date << " "<< winfo._msg; // 假设_msg中不含空格，否则需特殊处理（如转义或使用其他分隔符）string str = oss.str();cout << "序列化字符串：" << str << endl;// 反序列化：字符串转结构体ChatInfo rInfo;istringstream iss(str);// 按顺序读取数据，与序列化顺序严格一致iss >> rInfo._name >> rInfo._id >> rInfo._date >> rInfo._msg;// 检查反序列化是否成功（处理可能的读取错误）if (iss.fail()) {cerr << "反序列化失败：输入格式错误" << endl;return 1;}cout << "\n反序列化结果：" << endl;cout << "姓名：" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ")" << endl;cout << "时间：" << rInfo._date << endl;cout << "消息：" << rInfo._msg << endl;return 0;
}

4.3 注意事项

状态与缓冲区管理
- clear()：重置流状态（如badbit），但不清空底层字符串。
- str("")：清空底层string对象，避免多次转换时数据累积。
安全性
- 使用string代替字符数组，避免缓冲区溢出。
- 自动类型推导，无需手动格式化，减少错误风险。