C++ 基礎系列——輸入輸出流

一、概覽

C++ 中用於實現數據輸入和輸出的這些流類以及它們之間的關系：

• istream：常用於接收從鍵盤輸入的數據；
• ostream：常用於將數據輸出到屏幕上；
• ifstream：用於讀取文件中的數據；
• ofstream：用於向文件中寫入數據；
• iostream：繼承自 istream 和 ostream 類，因為該類的功能兼兩者於一身，既能用於輸入，也能用於輸出；
• fstream：兼 ifstream 和 ofstream 類功能於一身，既能讀取文件中的數據，又能向文件中寫入數據。

cin、cout 都聲明在 iostream 頭文件中，此外該頭文件還有 cerr、clog 兩個 ostream 類對象。

• cout 除了可以通過重定向將數據輸出到屏幕上，還可以實現將數據輸出到指定文件中；而 cerr 和 clog 都不支持重定向，它們只能將數據輸出到屏幕上；
• cout 和 clog 都設有緩沖區，即它們在輸出數據時，會先將要數據放到緩沖區，等緩沖區滿或者手動換行（使用換行符 '\n' 或者 endl）時，才會將數據全部顯示到屏幕上；而 cerr 則不設緩沖區，它會直接將數據輸出到屏幕上。

cin 輸入流對象常用成員方法

成員方法名	功能
getline(str,n,ch)	從輸入流中接收 n-1 個字符給 str 變量，當遇到指定 ch 字符時會停止讀取，默認情況下 ch 為 '\0'。
get()	從輸入流中讀取一個字符，同時該字符會從輸入流中消失。
gcount()	返回上次從輸入流提取出的字符個數，該函數常和 get()、getline()、ignore()、peek()、 read()、readsome()、putback() 和 unget() 聯用。
peek()	返回輸入流中的第一個字符，但並不是提取該字符。
putback(c)	將字符 c 置入輸入流（緩沖區）。
ignore(n,ch)	從輸入流中逐個提取字符，但提取出的字符被忽略，不被使用，直至提取出 n 個字符，或者 當前讀取的字符為 ch。
operator>>	重載 >> 運算符，用於讀取指定類型的數據，並返回輸入流對象本身。

cout 輸出流對象常用成員方法

成員方法名	功能
put()	輸出單個字符。
write()	輸出指定的字符串。
tellp()	用於獲取當前輸出流指針的位置。
seekp()	設置輸出流指針的位置。
flush()	刷新輸出流緩沖區。
operator<<	重載 << 運算符，使其用於輸出其后指定類型的數據。

二、cout.put()：輸出單個字符

put() 方法專用於向輸出流緩沖區中添加單個字符，其語法格式如下：

ostream＆put(char c);

• 參數 c 為要輸出的字符。

除了使用 cout.put() 函數輸出一個字符外，還可以用 putchar() 函數輸出一個字符。putchar() 函數是C 語 言中使用的，在 <stdio.h> 頭文件中定義，C++保留了這個函數，在 頭文件中定義。

三、cout.write()：輸出字符串

write() 成員方法專用於向輸出流緩沖區中添加指定的字符串，其語法格式如下：

ostream＆write（const char * s，streamsize n）;

• 其中，s 用於指定某個長度至少為 n 的字符數組或字符串；n 表示要輸出的前 n 個字符。

四、cout.tellp()和 cout.seekp()方法

當數據暫存於輸出流緩沖區中時，我們仍可以對其進行修改。ostream 類中提供 有 tellp() 和 seekp() 成員方法，借助它們就可以修改位於輸出流緩沖區中的數據。

tellp()

tellp() 成員方法用於獲取當前輸出流緩沖區中最后一個字符所在的位置，其語法格式如下：

streampos tellp();

• streampos 是 fpos 類型的別名， 而 fpos 通過自動類型轉換，可以直接賦值給一個整形變量。

當輸出流緩沖區中沒有任何數據時，該函數返回的整形值為 0；當指定的輸出流緩沖區不支持此操作， 或者操作失敗時，該函數返回的整形值為 -1。

int main() {
    //定義一個文件輸出流對象 
    std::ofstream outfile;
    //打開 test.txt，等待接收數據 
    outfile.open("test.txt");
    const char * str = "ASDFASDFASDF";

    //將 str 字符串中的字符逐個輸出到 test.txt 文件中，每個字符都會暫時存在輸出流緩沖區中 
    for (int i = 0; i < strlen(str); i++) { 
        outfile.put(str[i]); 
        //獲取當前輸出流
        long pos = outfile.tellp();
        std::cout << pos << std::endl;
    }
    //關閉文件之前，刷新 outfile 輸出流緩沖區，使所有字符由緩沖區流入 test.txt 文件 
    outfile.close();
    return 0;
}

seekp()

seekp() 方法用於指定下一個進入輸出緩沖區的字符所在的位置。

seekp() 方法有如下 2 種語法格式：

//指定下一個字符存儲的位置 
ostream& seekp (streampos pos); 
//通過偏移量間接指定下一個字符的存儲位置
ostream& seekp (streamoff off, ios_base::seekdir way);

• pos：用於接收一個正整數；
• off：用於指定相對於 way 位置的偏移量，其本質也是接收一個整數，可以是正數（代表正偏移）或者負數（代表負偏移）；
• way：用於指定偏移位置，即從哪里計算偏移量，它可以接收表 1 所示的 3 個值。

文件定位標志

模式標志	描述
ios::beg	從文件頭開始計算偏移量
ios::end	從文件末尾開始計算偏移量
ios::cur	從當前位置開始計算偏移量

五、cout 格式化輸出

C++ 通常使用 cout 輸出數據，和 printf() 函數相比，cout 實現格式化輸出數據的方式更加多樣化。- cout 作為 ostream 類的對象，該類中提供有一些成員方法，可實現對輸出數據的格式化；

• C++ 標准庫專門提供了一個 頭文件，該頭文件中包含有大量的格式控制符（嚴格意義上稱為“流操縱算子”），使用更加方便。

表1 ostream 類的成員方法

成員函數	說明
flags(fmtfl)	當前格式狀態全部替換為 fmtfl。注意，fmtfl 可以表示一種格式，也可以表示多種格式。
precision(n)	設置輸出浮點數的精度為 n。
width(w)	指定輸出寬度為 w 個字符。
fill(c)	在指定輸出寬度的情況下，輸出的寬度不足時用字符 c 填充（默認情況是用空格填充）。
setf(fmtfl, mask)	在當前格式的基礎上，追加 fmtfl 格式，並刪除 mask 格式。其中，mask 參數可以省略。
unsetf(mask)	在當前格式的基礎上，刪除 mask 格式。

其中，對於表 1 中 flags() 函數的 fmtfl 參數、setf() 函數中的 fmtfl 參數和 mask 參數以及 unsetf() 函數 mask 參數，可以選擇表 2 中列出的這些值。

表2 fmtfl 和 mask 參數可選值

標志	作用
ios::boolapha	把 true 和 false 輸出為字符串
ios::left	輸出數據在本域寬范圍內向左對齊
ios::right	輸出數據在本域寬范圍內向右對齊
ios::internal	數值的符號位在域寬內左對齊，數值右對齊，中間由填充字符填充
ios::dec	設置整數的基數為 10
ios::oct	設置整數的基數為 8
ios::hex	設置整數的基數為 16
ios::showbase	強制輸出整數的基數（八進制數以 0 開頭，十六進制數以 0x 打頭）
ios::showpoint	強制輸出浮點數的小點和尾數 0
ios::uppercase	在以科學記數法格式 E 和以十六進制輸出字母時以大寫表示
ios::showpos	對正數顯示“+”號
ios::scientific	浮點數以科學記數法格式輸出
ios::fixed	浮點數以定點格式（小數形式）輸出
ios::unitbuf	每次輸出之后刷新所有的流

double a = 1.23; 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 

//設定后續輸出的浮點數的精度為 4 
cout.precision(4);
cout <<"precision: "<< a << endl; 

//設定后續以科學計數法的方式輸出浮點數 
cout.setf(ios::scientific);
cout <<"scientific："<< a << endl;

當 cout 采用此方式進行格式化輸出時，其后不能立即輸出數據，需要再用一個 cout 輸出數據。

當調用 unsetf() 或者 2 個參數的 setf() 函數時，為了提高編寫代碼的效率，可以給 mask 參數傳遞如下 3 個組合格式：

• ios::adjustfield：等價於 ios::left | ios::right | ios::internal；
• ios::basefield：等價於 ios::dec | ios::oct | ios::hex；
• ios::floatfield：等價於 ios::scientific | ios::fixed。

double f = 123; 
//設定后續以科學計數法表示浮點數 
cout.setf(ios::scientific); 
cout << f << '\n';

//刪除之前有關浮點表示的設定 
cout.unsetf(ios::floatfield);
cout << f;

使用流操縱算子格式化輸出

C++流操縱算子

流操縱算子	作用
*dec	以十進制形式輸出整數
hex	以十六進制形式輸出整數
oct	以八進制形式輸出整數
fixed	以普通小數形式輸出浮點數
scientific	以科學計數法形式輸出浮點數
left	左對齊，即在寬度不足時將填充字符添加到右邊
*right	右對齊，即在寬度不足時將填充字符添加到左邊
setbase(b)	設置輸出整數時的進制，b=8、10 或 16
setw(w)	指定輸出寬度為 w 個字符，或輸入字符串時讀入 w 個字符。注意，該函數所起的作用是一次性的，即只影響下一次 cout 輸出。
setfill(c)	在指定輸出寬度的情況下，輸出的寬度不足時用字符 c 填充（默認情況是用空格填 充）
setprecision(n)	設置輸出浮點數的精度為 n。 在使用非 fixed 且非 scientific 方式輸出的情況下，n 即為有效數字最多的位數， 如果有效數字位數超過 n，則小數部分四舍五人，或自動變為科學計 數法輸出並保 留一共 n 位有效數字。 在使用 fixed 方式和 scientific 方式輸出的情況下，n 是小數點后面應保留的位數。
setiosflags(mask)	在當前格式狀態下，追加 mask 格式，mask 參數可選擇表 2 中的所有值。
resetiosflags(mask)	在當前格式狀態下，刪除 mask 格式，mask 參數可選擇表 2 中的所有值。
boolapha	把 true 和 false 輸出為字符串
*noboolalpha	把 true 和 false 輸出為 0、1
showbase	輸出表示數值的進制的前綴
*noshowbase	不輸出表示數值的進制.的前綴
showpoint	總是輸出小數點
*noshowpoint	只有當小數部分存在時才顯示小數點
showpos	在非負數值中顯示 +
*noshowpos	在非負數值中不顯示 +
uppercase	十六進制數中使用 A~E。若輸出前綴，則前綴輸出 0X，科學計數法中輸出 E
*nouppercase	十六進制數中使用 a~e。若輸出前綴，則前綴輸出 0x，科學計數法中輸出 e。
internal	數值的符號（正負號）在指定寬度內左對齊，數值右對 齊，中間由填充字符填充。

注意：“流操縱算子”一欄帶有星號 * 的格式控制符，默認情況下就會使用。例如在默認情況下，整數是用十 進制形式輸出的，等效於使用了 dec 格式控制符。

//以十六進制輸出整數 
cout << hex << 16 << endl;
//刪除之前設定的進制格式，以默認的 10 進制輸出整數 
cout << resetiosflags(ios::basefield)<< 16 << endl;

double a = 123;
//以科學計數法的方式輸出浮點數 
cout << scientific << a << endl;
//刪除之前設定的科學計數法的方法
cout << resetiosflags(ios::scientific) << a << endl;

六、輸入輸出重定向

cout 和 cerr、clog 的一個區別是，cout 允許被重定向，而 cerr 和 clog 都不支持。值得一提的是，cin 也允許被重定向。

freopen()函數實現重定向

freopen() 定義在stdio.h頭文件中，是 C 語言標准庫中的函數，專門用於重定向輸入流（包括 scanf()、 gets() 等）和輸出流（包括 printf()、puts() 等）。該函數也可以對 C++ 中的 cin 和 cout 進行重定向。

string name, url; 
// 將標准輸入流重定向到 in.txt 文件 
freopen("in.txt", "r", stdin); 
cin >> name >> url;

// 將標准輸出重定向到 out.txt 文件 
freopen("out.txt", "w", stdout);
cout << name << "\n" << url;

rdbuf()函數實現重定向

rdbuf() 函數定義在 頭文件中，專門用於實現 C++ 輸入輸出流的重定向。

ios 作為 istream 和 ostream 類的基類，rdbuf() 函數也被繼承，因此 cin 和 cout 可以直接調 用該函數實現重定向。

rdbuf() 函數的語法格式有 2 種，分別為：

• streambuf * rdbuf() const; // 返回一個指向當前流緩沖區的指針
• streambuf * rdbuf(streambuf * sb); // 將 sb 指向的緩沖區設置為當前流的新緩沖區，並返回一個指向舊緩沖區的對象。

streambuf 是 C++ 標准庫中用於表示緩沖區的類，該類的指針對象用於代指某個具體的流緩沖區。

通過控制台實現重定向

在控制台中使用 > 或者 < 實現重定向

D:\test> D:\demo.ext < in.txt > out.txt

七、管理輸出緩沖區

導致緩沖刷新（數據寫到輸出設備或文件）的原因有很多：

• 程序正常結束，作為 main() 函數的 return 操作的一部分，緩沖刷新被執行。
• 緩沖區滿時，需要刷新緩沖，而后新的數據才能繼續寫入緩沖區。
• 使用操縱符如 endl 來顯式刷新緩沖區。
• 每個輸出操作之后，可以用操作符 unitbuf 設置流的內部狀態，來清空緩沖區。默認情況下，對 cerr 是設置 unitbuf 的，因此寫到 cerr 的內容都是立即刷新的。
• 一個輸出流可能被關聯到另一個流。在這種情況下，當讀寫被關聯的流時，關聯到的流的緩沖區會被刷新。例如，默認情況下，cin 和 cerr 都關聯到 cout。因此，讀 cin 或寫 cerr 都會導致 cout 的緩沖區被刷新。

刷新輸出緩沖區

• flush 和 ends。flush 刷新緩沖區，但不輸出任何額外的字符；
• ends 向緩沖區插入一個空字符，然后刷新緩沖區。

cout << "hi!" << endl;      //輸出 hi 和一個換行，然后刷新緩沖區
cout << "hi!" << flush;     //輸出 hi，然后刷新緩沖區，不附加任何額外字符
cout << "hi!" << ends;      //輸出 hi 和一個空字符，然后刷新緩沖區

unitbuf 操作符

可以使用 unitbuf 操作符，它告訴流在接下來的每次寫操作之后都進行一次 flush 操作。而 nounitbuf 操作符則重置流， 使其恢復使用正常的系統管理的緩沖區刷新機制：

cout << unitbuf;    // 所有輸出操作后都會立即刷新緩沖區

cout << nounitbuf; //回到正常的緩沖方式

如何程序崩潰，輸出緩沖區不會被刷新。

關聯輸入和輸出流

當一個輸入流被關聯到一個輸出流時，任何試圖從輸入流讀取數據的操作都會先刷新關聯的輸出流。標准庫將 cout 和 cin 關聯在一起，因此下面語句：

cin >> ival;

導致 cout 的緩沖區被刷新。

tie() 函數可以用來綁定輸出流，它有兩個重載的版本：

ostream* tie ( ) const; //返回指向綁定的輸出流的指針。
ostream* tie ( ostream* os ); //將 os 指向的輸出流綁定的該對象上，並返回上一個綁定的輸出流指針。

cin.tie(&cout);     //僅僅是用來展示，標准庫已經將 cin 和 cout 關聯在一起 

//old_tie 指向當前關聯到 cin 的流（如果有的話） 
ostream *old_tie = cin.tie(nullptr);    // cin 不再與其他流關聯

//將 cin 與 cerr 關聯，這不是一個好主意，因為 cin 應該關聯到 cout
cin.tie(&cerr);         //讀取 cin 會刷新 cerr 而不是 cout
cin.tie(old_tie);       //重建 cin 和 cout 間的正常關聯

每個流同時最多關聯到一個流， 但多個流可以同時關聯到同一個 ostream。

八、cin.get()：C++讀取單個字符

get() 是 istream 類的成員函數，它有多種重載形式。

最簡單最常用的一種：

int get();

此函數從輸入流中讀入一個字符，返回值就是該字符的 ASCII 碼。如果碰到輸入的末尾，則返回值為 EOF(-1)。

get() 函數不會跳過空格、制表符、回車等特殊字符，所有的字符都能被讀入。

九、cin.getline()：C++讀入一行字符串（整行數據）

getline() 是 istream 類的成員函數，它有如下兩個重載版本：

istream & getline(char* buf, int bufSize); \ 從輸入流中讀取 bufSize-1 個字符到緩沖區 buf，或遇到\n 為止
istream & getline(char* buf, int bufSize, char delim); \ 讀到 delim 字符為止。

十、忽略指定字符

ignore() 是 istream 類的成員函數，它的原型是：

istream & ignore(int n =1, int delim = EOF);

此函數的作用是跳過輸入流中的 n 個字符，或跳過 delim 及其之前的所有字符，哪個條件先滿足就按哪個執行。 兩個參數都有默認值，因此 cin.ignore() 就等效於 cin.ignore(1, EOF)， 即跳過一個字符。

十一、查看輸入流中的下一個字符

peek() 是 istream 類的成員函數，它的原型是：

int peek();

此函數返回輸入流中的下一個字符，但是並不將該字符從輸入流中取走， 因此叫 peek。

cin.peek() 不會跳過輸入流中的空格、回車符。在輸入流已經結束的情況下，cin.peek() 返回 EOF。

十二、cin 如何判斷輸入結束

在控制台中輸入特殊的控制字符就表示輸入結束了：

• 在 Windows 系統中，通過鍵盤輸入時，按 Ctrl+Z 組合鍵后再按回車鍵，就代表輸入結束。
• 在 UNIX/Linux/Mac OS 系統中，Ctrl+D 代表輸入結束。

不管是文件末尾，還是 Ctrl+Z 或者 Ctrl+D，它們都是結束標志；cin 在正常讀取時返回 true，遇到結束標志 時返回 false，我們可以根據 cin 的返回值來判斷是否讀取結束。

十三、處理輸入輸出錯誤

發生輸入輸出錯誤的可能情況是無限的！但 C++ 將所有可能的情況歸結為四類，稱為流狀態（stream state）。 每種流狀態都用一個 iostate 類型的標志位來表示。

流狀態對應的標志位

標志位	意義
badbit	發生了（或許是物理上的）致命性錯誤，流將不能繼續使用。
eofbit	輸入結束（文件流的物理結束或用戶結束了控制台流輸入，例如用戶按下了 Ctrl+Z 或 Ctrl+D 組合鍵。
failbit	I/O 操作失敗，主要原因是非法數據（例如，試圖讀取數字時遇到字母）。流 可以繼續使用，但會設置 failbit 標志。
goodbit	一切止常，沒有錯誤發生，也沒有輸入結束。

ios_base 類定義了以上四個標志位以及 iostate 類型，但是 ios 類又派生自 ios_base 類，所以可以使用 ios::failbit 代替 ios_base::failbit 以節省輸入。

一旦流發生錯誤，對應的標志位就會被設置，我們可以通過下表列出的函數檢測流狀態。

檢測函數	對應的標志位	說明
good()	goodbit	操作成功，沒有發生任何錯誤。
eof()	eofbit	到達輸入末尾或文件尾。
fail()	failbit	發生某些意外情況（例如，我們要讀入一個數字，卻讀入了字符 'x'）。
bad()	badbit	發生嚴重的意外（如磁盤讀故障）。

不幸的是，fail() 和 bad() 之間的區別並未被准確定義

• 如果輸入操作遇到一個簡單的格式錯誤，則使流進入 fail() 狀態，也就是假定我們（輸入操作的用戶）可以從錯 誤中恢復。
• 如果錯誤真的非常嚴重，例如發生了磁盤故障，輸入操作會使得流進入 bad() 狀態。也就是假定面對這種情況所能做的很有限，只能退出輸入。