ch07.深入IO

  1. IOStream 概述
  2. 输入与输出
  3. 文件与内存操作
  4. 流的状态、定位与同步

推荐书籍:Standard C++ IOStream and Locales

一.IOStream 概述

  • IOStream 采用流式 I/O 而非记录 I/O ,但可以在此基础上引入结构信息
  • 所处理的两个主要问题
    • 表示形式的变化:使用格式化 / 解析在数据的内部表示与字符序列间转换
    • 与外部设备的通信:针对不同的外部设备(终端、文件、内存)引入不同的处理逻辑
  • 所涉及到的操作
    • 格式化 / 解析
    • 缓存
    • 编码转换
    • 传输
  • 采用模板来封装字符特性,采用继承来封装设备特性
    • 常用的类型实际上是类模板实例化的结果

二.输入与输出

  • 输入与输出分为格式化与非格式化两类
  • 非格式化 I/O :不涉及数据表示形式的变化,使用方法查阅cppreference
    • 常用输入函数: get / read / getline / gcount
    • 常用输出函数: put / write 
       int main(){
int x;
std::cin >> x ;
std::cout<< x << std::endl;
----
int x;
std::cin.read(reinterpret_cast<char*>(&x), sizeof(x));//非格式化的输入
std::cout<< x << std::endl;//诡异的输出
----
//有时非格式化的输入也是有用的
float y = 3.1415;
std::cout<< y << std::endl;//3.1415
 }

       int main(){
char a = '0';
int x = static_cast<char>(a);
std::cout<< a << std::endl;
std::cout<< x <<std::endl;
 }
  • 格式化 I/O :使用移位操作符来进行的输入 (») 与输出 («)
    • C++ 通过操作符重载以支持内建数据类型的格式化 I/O
    • 可以通过重载操作符以支持自定义类型的格式化 I/O
  • 格式控制
    • 可接收位掩码类型( showpos )、字符类型( fill )与取值相对随意( width )的格式化参数
    • 注意 width 方法的特殊性:触发后被重置 
      int main(){
  char a = '0';
  int x = static_cast<char>(a);
  std::cout.setf(std::ios_base::showpos)//显示正数前面的正号
  std::cout.width(10);//设置输出宽度,结果:         0
  std::cout.fill('.'');//设置输出宽度结果:.........0
  std::cout<< a << std::endl;
  std::cout<< x <<std::endl;//打印x时候就没有格式输出了:width 方法的特殊性:触发后被重置
}
  • 操纵符
    • 简化格式化参数的设置
    • 触发实际的插入与提取操作 
      int main(){
  char a = '0';
  int x = static_cast<char>(a);
  //简化格式化参数
  std::cout<< std::showpos<< a << '\n << x << std::endl;
  std::cout<< std::showpos<< << setw(10)<< std::setfill('.')
           << a << '\n << x << std::endl;
  • 提取会放松对格式的限制 
     int main(){
   int x;
   std::cin>> x;//+10, +010,
   std::cout<< x <<'\n';//输出均为10
 }
  • 提取 C 风格字符串时要小心内存越界 
     int main(){
   char x[5];
   std::cin>> x;//abcdefg
   std::cout<< x <<'\n';//崩溃
   -----
   char x[5];
   std::cin>> std::setw(5) >> x;//abcdefg
   std::cout<< x <<std::endl;// 程序崩溃abcd
 }

    三.文件与内存操作

3.1.文件操作

  • basic_ifstream / basic_ofstream / basic_fstream
  • 文件流可以处于打开 / 关闭两种状态,处于打开状态时无法再次打开,只有打开时才能 I/O 
    #include<iostream>
#include<string>
#include<fstream>

int main(){
  std::ofstream outFile("my_file");
  outFile << "Hello,world!";
  std::cout<<outFile.is_open()<<std::endl;
  outFile.close();

  std::ifstream inFile("my_file");
  std::string x;
  inFile >> x;
  std::cout<< x <<std::endl;

  -----
  std::ifstream inFile;
  inFile.open("my_file");//也可以打开文件
  inFile.close();
      
  -----
  //在域里面有效
  {//可以不用open close函数,在域里面有效
    std::ofstream outFile("my_file");
    outFile << "Hello";
  }//至此隐式关闭

}

    3.2.文件流的打开模式(图引自 C++ IOStream 一书)

  • 每种文件流都有缺省的打开方式
  • 注意 ate 与 app 的异同 
    #include<iostream>
#include<string>
#include<fstream>

int main(){
  //ate表示起始位置位于文件末尾
  std::ifstream inFile("my_file", std::ios_base::in | std::ios_base::ate);

  -----
  std::ofstream outFile("my_file"); 
  outFile << "world!";//刷新文档中的内容,默认trunc模式

  -----
  //app,从文件末尾开始写 
  std::ofstream outFile("my_file", std::ios_base::out | std::ios_base::app);
}
  • binary 能禁止系统特定的转换
  • 避免意义不明确的流使用方式(如 ifstream + out )

3.3.合法的打开方式组合(引自 C++ IOStream 一书)

line1:ifstrea; line2,3:ofstream; line4,5:fstream;

3.4.其他

  • 内存流: basic_istringstream / basic_ostringstream / basic_stringstream 
     #include<iostream>
 #include<string>
 #include<sstream>
 #include<iomaning>

 int main(){
   //输出流
   std::ostringstream obj1;
   obj1<< std::ios_base::setw(10) << std::ios_base::setfill('.') << 10;
   std::string res = obj.str();//"12345"
   std::cout<< res << std::endl;

   //输入流
   std::istringstream obj2(res);
   int x;
   obj2 >>x;
   std::cout<< x << std::endl;
 }
  • 也会受打开模式: in / out / ate / app 的影响
  • 使用 str() 方法获取底层所对应的字符串
    • 小心避免使用 str().c_str() 的形式获取 C 风格字符串 ```c #include #include #include #include

    int main(){ //输出流 std::ostringstream buf2(“test”); buf2 « ‘1’; auto res = buf2.str(); auto c_res = res.c_str(); } ```

  • 基于字符串流的字符串拼接优化操作 
      #include<iostream>
  #include<string>
  #include<sstream>
  #include<iomaning>

  int main(){
    //输出流
    std::string x;
    x += "Hello";
    x += ", world!";
    x += "Hello";
    x += ", world!";// 性能较差

    //修改
    std::ostringstream ostr;
    ostr << "Hello";
    ostr << ", world!";
    ostr << "Hello";
    ostr << ", world!";// 性能更优
    std::string y = ostr.str();

  }

四.流的状态、定位与同步

4.1.流的状态

  • iostate(流的状态有四种)
    • failbit / badbit / eofbit / goodbit
      • goodbit 无错误
      • badbit 不可恢复的流错误
      • failbit 输入/输出操作失败（格式化或提取错误）
      • eofbit 关联的输入序列已抵达文件尾 ```c #include

    int main(){ std::ofstream outFile;//正常 outFile « 10;//错误,因为输出流outFile没有关联到任何文件上 //此时的错误就是badbit

    int x; std::cin»x;//键盘输入”Hello” //此时的错误就是failbit std::ofstream outFile;//正常 outFile.close();//已经是关闭状态,再次对他进行关闭,报错failbit

    int x; std::xin»x;//ctrl + d } ```

  • 检测流的状态
    • good( ) / fail() / bad() / eof() 方法
    • 转换为 bool 值( 参考 cppreference ):参考中的表格十分重要,可以推断输出是什么 ```c #include

    int main(){ int x; std::xin»x; std::cout«std::cin.good()«’ ‘ «std::cin.fail()«’ ‘ «std::cin.bad()«’ ‘ «std::cin.eof()«’ ‘ «static_cast(std::cin)<<'\n'; //输入数字10:1 0 0 0 1 //输入字符串Hello:0 1 0 1 0 } ```

  • 注意
    • 转换为 bool 值时不会考虑 eof
    • fail 与 eof 可能会被同时设置,但二者含意不同

  • 通常来说,只要流处于某种错误状态时,插入 / 提取操作就不会生效

  • 设置流状态
    • clear :设置流的状态为具体的值(缺省为 goodbit )
    • setstate :将某个状态附加到现有的流状态上
  • 捕获流异常:exceptions方法F

4.2.流的定位

  • 获取流位置
    • tellg() / tellp() 可以用于获取输入 / 输出流位置 (pos_type 类型 ) tellg–>get,tellp–>put 
        #include <iostream>
  #include <sstream>
  int main()
  {
      std::ostringstream s;
      std::cout << s.tellp() << '\n';
      s << 'h';
      std::cout << s.tellp() << '\n';
      s << "ello, world ";
      std::cout << s.tellp() << '\n';
      s << 3.14 << '\n';
      std::cout << s.tellp() << '\n' << s.str();
  }
  /*
  0
  1
  13
  18
  hello, world 3.14
  */
    • 两个方法可能会失败,此时返回 pos_type(-1)
  • 设置流位置
    • seekg() / seekp() 用于设置输入 / 输出流的位置(不是插入,而是从位置开始进行覆盖)
    • 这两个方法分别有两个重载版本:
      • 设置绝对位置:传入 pos_type 进行设置
      • 设置相对位置:通过偏移量(字符个数 ios_base::beg ) + 流位置符号的方式设置
        • ios_base::beg
        • ios_base::cur
        • ios_base::end ```c #include #include #include

      int main() { std::string str = “Hello, world”; std::istringstream in(str); std::string word1, word2;

      in >> word1;
in.seekg(0); // 回溯
in >> word2;

std::cout << "word1 = " << word1 << '\n'
          << "word2 = " << word2 << '\n'; } 输出： word1 = Hello, word2 = Hello,  ```

4.3.流的同步

  • 基于 flush() / sync() / unitbuf 的同步
    • flush() 用于输出流同步,刷新缓冲区
    • sync() 用于输入流同步,其实现逻辑是编译器所定义的
    • 输出流可以通过设置 unitbuf 来保证每次输出后自动同步 ```c #include #include #include

    int main(){ std::cout«“what’s your name?\n”; std::string name; std::cin » name; //实现刷新缓冲区

    //flush() 输出流同步:典型应用:需要吧内容显示到终端上, //或则保存到文件里,则可以调用flush进行输出同步 std::cout«“what’s your name?\n”; std::cout«“what’s your name?\n”«std::flush; //同上,不太建议,不适用缓冲区,直接打印到终端 std::cout«std::unitbuf«“what’s your name?\n”; std::cout.flush();//作用同上

    //sync() 输入流同步:典型应用:打开一个文件的同时,可能有其他程序在对 //改程序进行写入,此时可以使用sync()进行输入流同步,更新读取的内容(多线程) } ```

  • 基于绑定 (tie) 的同步
    • 流可以绑定到一个输出流上,这样在每次输入 / 输出前可以刷新输出流的缓冲区
    • 比如: cin 绑定到了 cout 上

    A–>C A–>D A绑定到C上,A可以是输入流可以是输出流,但C必须为输出流,如果A再绑定到D上,则不再绑定到C上; 既是,一个流只能绑定到一个输出流上.但可以多对一. B–>C 不同的流可以同时绑定到同一个输出流上.

    #include<iostream>
#include<string>
#include<fstream>

int main(){
  std::cout<<"what's your name?\n";
  std::string name;
  std::cin >> name;//使用cin进行输入时就刷新了cout的缓冲区
  //实现刷新缓冲区

}
-------------
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
//模拟了cin与cout的缓冲
int main()
{
    std::ofstream os("test.txt");
    std::ifstream is("test.txt");//指定了同一个文件
    std::string value("0");
  
    os << "Hello";
    is >> value;
    //"0",缓冲区没有进行绑定,缓冲区还没有写入到文件里
    std::cout << "Result before tie(): \"" << value << "\"\n";
    is.clear();

    is.tie(&os);//进行绑定,将缓冲区写入文件中
    is >> value;
  
    std::cout << "Result after tie(): \"" << value << "\"\n";
}
输出：

Result before tie(): "0"
Result after tie(): "Hello"
  • 与 C 语言标准 IO 库的同步
    • 缺省情况下, C++ 的输入输出操作会与 C 的输入输出函数同步
    • 可以通过 sync_with_stdio 关闭该同步

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