第八章：IO库

• C++语言不直接处理输入输出，而是通过标准库中的一组类来处理IO
• 这些IO类可从设备读写数据，设备可以是文件、控制台窗口等。还有一些类型允许内存IO，即读写字符串
• 1.2节介绍的IO库：
  • istream（输入流）类型，提供输入
  • ostream（输出流）类型，提供输出
  • cin，是istream对象，从标准输入读取数据
  • cout，是ostream对象，向标准输出写数据
  • cerr，是ostream对象，用于输出错误信息，写到标准错误
  • >>运算符，从istream对象读输入
  • <<运算符，向ostream对象写输出
  • getline函数，从给定的istream读取一行数据，存入string对象

IO类

• 实际程序不仅要从控制台窗口进行IO操作，还需要读写文件，而且用IO操作处理字符串也很方便。另外，程序可能需要读写宽字符文本
• 标准库的IO类型在3个头文件中：
  • iostream头文件定义了读写流的基本类型
  • fstream头文件定义了读写命名文件的类型
  • sstream头文件定义了读写string对象的类型
• 表8.1是标准库中的这些IO类型和头文件 
• 为支持宽字符语言，标准库定义的IO类也可操纵wchar_t类型数据，它对应的类型和函数名以w开始
• 设备类型和字符宽度不会影响IO操作，例如>>运算符对控制台窗口、文件、字符串都可用，对char和wchar_t也可用
• 通过继承，标准库可忽略这些不同设备和不同字符宽度的流的差异。利用模板，可以使用具有继承关系的类
• 声明一个类继承自另一个类，则通常可将派生类当作基类来使用
• 类型ifstream和istringstream都继承自istream，即可以像使用istream对象一样使用ifstream和istringstream对象
• 本节所述的流特性都可无差别地应用于普通流、文件流、字符串流，以及char和wchar_t版本

IO对象无拷贝或赋值

• 不能拷贝IO对象，不能给IO对象赋值，不能将形参或返回类型设为流类型
• 进行IO操作的函数通常以引用方式传递和返回流
• 读写IO会改变其状态，故传递和返回的引用不能const

条件状态

• IO很可能发生错误。一些错误可恢复，另一些错误在系统深处，超过了程序可处理的范围
• 表8.2定义的函数和标志可帮助访问和操纵流的条件状态 
• 流发生错误的例子：从外部读到的类型和程序中需要的类型不匹配时，流进入错误状态
• 一个流一旦发生错误，其上后续的IO操作都会失败。只有无错误才能继续读写
• 使用流时应检查状态，将其当作条件。如while(cin>>word)，其中>>返回流的状态，操作成功则流有效
• 当流作为条件时，只能知道是否有效，不知道发生了什么
• 表8.2中，定义了一个机器无关（？）的iostate类型，可表达流的状态，这个类型是标志位的集合
• 表8.2中，定义了4个iostate类型的constexpr值来表示特定的位模式。这些值用于表示特定的条件状态，可与位运算符一起使用来一次检测或设置多个标志位
  • badbit表示系统级错误，不可恢复。一旦它被置位，流就无法使用
  • failbit在发生可恢复错误时被置位，如读取类型错误
  • 读到EOF处，eofbit和failbit都被置位
  • goodbit的值为0表示无错误
• badbit、failbit、eofbit中的任一个被置位，则检测流状态的条件都会失败
• 表8.2中，定义了一组函数来查询这些iostate标志位的状态，
  • good()在所有错误位均未置位时返回true
  • bad()、fail()、eof()均在对应错误位被置位时返回true
  • badbit被置位时，fail()也会返回true
• 将流当作条件时，等价于判断!fail()，而eof()和bad()操作只能表示特定错误
• 表8.2中定义的rdstate()操作返回iostate类型值，表示当前状态
• 表8.2中定义的setstate()操作接受iostate类型值，将给定的条件位置位，表示发生了对应错误
• 表8.2中定义的clear成员函数有两个版本：
  • clear()清除所有错误标志位
  • clear(flags)接受iostate类型值，表示流的新状态
• 例子：rdstate、setstate、clear

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auto old_state=cin.rdstate(); //保存cin的状态 cin.clear(); //清除错误位，使之有效 process_input(cin); //使用cin cin.setstate(old_state); //将cin置为原来的状态 cin.clear(cin.rdstate() & ~cin.failbit & ~cin.badbit); //复位failbit和badbit，其他位不变

管理输出缓冲

• 每个输出流都管理一个缓冲区，用于保存程序读写的数据
• 由于写设备很耗时，操作系统将程序的多个输出操作组合成单一的设备写操作，可大幅提高性能
• 导致缓冲刷新（即数据真正写到设备/文件）的原因：
  • 程序正常结束，缓冲刷新作为main的return的一部分
  • 缓冲区满时刷新
  • 用操纵符如endl、flush、ends显式刷新
  • 输出操作之后可用操纵符unitbuf设置流的内部状态，使其在每次输出都刷新缓冲。默认时cerr时unitbuf的，即cerr的内容立即刷新
  • 一个输出流可能被关联到另一个流。读写被关联的流时，关联到的流的缓冲被刷新。例如，cin和cerr关联到cout，故读cin或写cerr都将使cout刷新
• 操纵符endl、flush、ends显式刷新:
  • endl输出换行并刷新
  • flush直接刷新，不输出字符
  • ends输出空字符并刷新
• unitbuf操作符告诉流，接下来的每次写操作之后都进行flush
• nounitbuf操作符重置流，使其恢复默认刷新
• 例子：endl、flush、ends、unitbuf、nounitbuf

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cout<<"hi!"<<endl; //输出"hi!"和换行符，刷新缓冲 cout<<"hi!"<<flush; //输出"hi!"，刷新缓冲 cout<<"hi!"<<ends; //输出"hi!"和空字符，刷新缓冲 cout<<unitbuf; //之后的所有cout输出都将立即刷新缓冲 cout<<nounitbuf; //恢复cout的默认刷新

• 若程序异常终止，输出缓冲不会被刷新。因此调试崩溃的程序时要保证输出数据确实被刷新
• 当一个输入流被关联到一个输出流时，任何从该输入流读取的操作都刷新关联的输出流
• 交互式系统通常应关联输入输出流，保证所有提示信息都在读操作前被打印
• tie函数有两个重载的版本
  • tie()返回指向输出流的指针，若未关联到流则返回空指针
  • tie(ostream)接受一个指向ostream的指针，将自己关联到此ostream。用法如x.tie(&o)将流x关联到输出流o
• 每个流最多同时关联一个流，但多个流可同时关联到同一个ostream
• 例子：流的关联

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cin.tie(&cout); //将cin关联到cout ostream *old_tie=cin.tie(nullptr); //使cin不再关联到任何流 cin.tie(&cerr); //将cin关联到cerr cin.tie(&old_tie); //重建cin和cout间的正常关联

文件输入输出

• 头文件fstream定义了3个IO类来读写文件：
  • 类ifstream从给定文件读数据
  • 类ofstream向给定文件写数据
  • 类fstream可读写文件
• fstream中的这些类型继承自iostream的对应类型，它们提供的操作类似cin和cout，即<<、>>、getline等，以及8.1节中的所有操作
• 表8.3是fstream中比iostream新增的成员 

使用文件流对象

• 要读写文件时应定义文件流对象，并将对象与文件关联
• 表8.3中定义的open(s)将对象与文件关联，定位给定文件并视情况打开为读/写模式
• 创建文件流对象时可在构造函数中提供文件名filename，此时open(filename)会被自动调用。在C++11之前，文件名只能是C风格字符串，C++11后文件名可是string对象或C风格字符串
• 在要求基类对象的地方，可用派生类对象代替。例如，接受iostream引用/指针的函数，可用对应的fstream/sstream引用/指针来调用
• 可以先定义空文件流对象（默认初始化），再调用open与文件关联
• 如果调用open失败，则failbit被置位
• 对已经关联到文件的流再次调用open会失败，并将failbit置位
• 如要将已经关联到文件的流关联到另一个文件，必须先用close关闭已关联的文件
• 例子：fstream的open和close

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ifstream in(ifile); //初始化时关联到文件 ofstream out; //默认初始化 out.open(ifile+".copy"); //打开文件 if (out){/*使用out*/} //先检查是否成功关联到文件，再使用流 in.close(); //一个文件流打开另一个文件前，必须关闭当前文件 in.open(ifile+"2"); //打开另一个文件

• 当fstream被正确析构时（例如离开作用域），close会被自动调用，关联文件自动关闭

文件模式

• 表8.4定义了每个文件流都有一个关联的文件模式，用来指出如何使用文件 
• 用open打开文件或用文件名构造文件流对象时，都可指定文件模式
• 指定文件模式的限制：
  • 只可对ofstream或fstream对象设定out模式
  • 只可对ifstream或fstream对象设定in模式
  • 只有当out也被设定时才可设定trunc模式
  • 只要trunc未被设定，就可设定app模式。在app模式下，文件总以out模式被打开
  • 默认情况下，即使未指定trunc，以out模式打开的文件也会被截断，即默认用out即用了trunc。为避免截断，可指定app模式，使数据追加到文件末尾；或指定in模式，同时读写。
  • ate和binary模式可用于任何文件流对象，且可与其他任何模式组合
• 每个文件流类型都定义了默认的文件模式：
  • ifstream关联的文件默认以in模式打开
  • ofstream关联的文件默认以out模式打开
  • fstream关联的文件默认以in和out模式打开
• 默认方式（out模式）打开ostream时，文件会被丢弃。因为out模式意味着同时使用trunc模式。保留已有数据的方法是显式指定app或in模式
• 同一个流，每次用open关联到不同文件时，都可改变模式
• 例子：指定模式

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//以下3条等价，都会截断file1 ofstream out("file1"); ofstream out("file1", ofstream::out); ofstream out("file1", ofstream::out|ofstream::trunc); //以下2条等价，为保留文件内容，显式指定app模式 ofstream out("file2", ofstream::app); ofstream out("file2", ofstream::out|ofstream::app);

string流

• 头文件sstream定义了3个类型来支持内存IO，它们可读写string：
  • istringstream从string读数据
  • ostringstream向string写数据
  • stringstream既可读string又可写string
• 头文件sstream中定义的类型都继承自iostream中对应的类型
• 表8.5是sstream中定义的类型的特有操作 

使用istringstream

• 用getline逐行读取，每次读到的整行文本用istringstream读取单词

使用ostringstream

• 用ostringstream逐步构造输出，最后一起打印