【c++ Prime 学习笔记】第8章 IO库

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• 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
• 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

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8.1 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
• 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

IO 类型间的关系

• 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
• 标准库通过继承机制实现不同类型的流之间的差异可以忽略，利用模板
  • 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

8.1.1 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

8.1.2 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

• 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

查询流的状态

• 当流作为条件时，只能知道是否有效，不知道发生了什么
• IO库定义了一个机器无关的iostate类型，它提供了表达流状态的完整功能
• iostate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
• 标准库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

管理条件状态

• 流对象rdstate()操作返回iostate类型值，表示当前状态
• 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
• 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

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

8.1.3 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，来清空缓存区。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

刷新输出缓冲区

• 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

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

unitbuf 操纵符

• 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

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

关联输入和输出流

• 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

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

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8.2 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

8.2.1 使用文件流对

• 要读写文件时应定义文件流对象，并将对象与文件关联

成员函数 open 和 close

• 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
• 对一个已经打开的文件流调用open会失败，并会导致failbit被置位

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

自动构造和析构

• 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
• 当一个fstream对象离开其作用域时，与之关联的文件会自动关闭

for ( auto p = argv + 1; p != argv +argc; ++p){
	ifstream input(*p);//每个循环 input都要被创建和销毁
	if(input){
		process(input);
	} else
		cerr << "couldn't open: " + string(*p);
}

• 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

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

using namespace std;
int main() {
	ifstream in("./test.txt");
	if (!in) {
		cerr << "无法打开文件" << endl;
	}

	string line;
	vector<string> words;
	while (getline(in,line))
		words.push_back(line);
	in.close();

	for (auto customLine : words)
		cout << customLine << endl;

//另外一种写法 迭代器
	vector<string>::const_iterator it = words.begin();
	while (it!=words.end())
	{
		cout << *it++ << endl;
	}

	system("pause");
	return 0;
}

8.2.2 文件模式

每个流都有一个关联的文件模式

• 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

以 out 模式打开文件会丢弃已有数据模式

• 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

//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);

每次调用 open 时都会确定文件模式

• 对于一个给定流，每当打开文件时，都可以改变其文件模式

ofstream out;            //未指定文件打开模式
out.open("scratchpad");  //隐含设置输出和截断
out.close();             //关闭，以便用于其他文件
out.open("precious",ofstream::app);  //模式为输出和追加，即保留原有的数据
out.close()

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8.3 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

// will hold a line and word from input, respectively
	string line, word;

	// will hold all the records from the input
	vector<PersonInfo> people;

	// read the input a line at a time until end-of-file (or other error)
	while (getline(is, line)) {
		PersonInfo info;            // object to hold this record's data
	    istringstream record(line); // bind record to the line we just read
		record >> info.name;        // read the name
	    while (record >> word)      // read the phone numbers
			info.phones.push_back(word);  // and store them
		people.push_back(info); // append this record to people
	}

使用ostringstream

• 用ostringstream逐步构造输出，最后一起打印

ostringstream os;
for (const auto &entry : people) {  // 对 people 中每一项
    ostringstream formatted, badNums;   // 每个循环步创建的对象
    for (const auto &nums : entry.phones) {     // 对每个数
        if (!valid(nums))
            badNums << " " << nums;     // 将数的字符串形式存入 badNums
        else
            // 将格式化的字符串"写入" formatted
            formatted << " " << format(nums);
    }
    if (badNums.str().empty())      // 没有错误的数
        // 打印名字和格式化的数
        os << entry.name << " " << formatted.str() << endl;
    else
        // 否则，打印名字和错误的数
        cerr << "input error: " << entry.name
        << " invalid numbers(s) " << badNums.str() << endl;
}
cout << os.str() << endl;