一、C语言的输入和输出
C语言中我们用到的最频繁的输入输出方式就是scanf()与printf()。
scanf(): 从标准输入设备(键盘)读取数据，并将值存放在变量中。
printf(): 将指定的文字/字符串输出到标准输出设备(屏幕)。注意宽度输出和精度输出控制。
C语言借助了相应的缓冲区来进行输入与输出。如下图所示:
对输入输出缓冲区的理解:
(1) 可以屏蔽掉低级I/O的实现，低级I/O的实现依赖操作系统本身内核的实现，所以如果能够屏蔽这部分的差异，可以很容易写出可移植的程序。
(2) 可以使用这部分的内容实现 “行“ 读取的行为，对于计算机而言是没有”行”这个概念，有了这部分，就可以定义“行“的概念，然后解析缓冲区的内容，返回一个“行”。
注意：IO的I指in(进来)，O指out(出去)。不管是标准IO流、文件流还是字符串流，都是相对内存而言的: 从内存到设备就是输出(out)，设备到内存就是输入(in)。
二、流是什么？
“流” 即是流动的意思，是物质从一处向另一处流动的过程，是对一种有序连续且具有方向性的数据(其单位可以是bit、byte、packet)的抽象描述。C++流是指信息从外部输入设备(如键盘)向计算机内部(如内存)输入和从内存向外部输出设备(显示器)输出的过程。这种输入输出的过程被形象的比喻为 “流”。
它的特性是: 有序连续、具有方向性
为了实现这种流动，C++定义了I/O标准类库，库里的这些类都称为流/流类，用以完成某方面的功能。
三、C++IO流
C++系统实现了一个庞大的类库，其中ios为基类，其他类都是直接或间接派生自ios类。
以下是C++三种流(标准IO流、文件IO流、字符串流)与iostream基类关系的总结：
▲ iostream是多重继承的产物，同时继承自istream(输入流基类)和ostream(输出流基类)，因此它本身是一个支持双向读写的流类。
标准IO流：cin(istream对象)、cout/cerr/clog(ostream对象)直接继承自istream或ostream，而非iostream。
文件IO流：fstream继承自iostream，而ifstream(文件输入流)和ofstream(文件输出流)分别继承自istream和ostream。
字符串流：stringstream继承自iostream，而istringstream和ostringstream分别继承自istream和ostream。
🍅🍅并非所有流都直接继承iostream，只有需要同时支持读写的流类(如fstream、stringstream)会继承iostream，而单一功能的流类(如ifstream、istringstream)仅继承istream或ostream。C++通过多重继承实现流功能的模块化，避免了冗余。例如: 文件输入流(ifstream)只需继承输入功能(istream)，无需继承输出功能。
3.1 C++标准IO流
C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog，使用cout进行标准输出，即数据从内存流向控制台(显示器)。使用cin进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中，同时C++标准库还提供了cerr用来进行标准错误的输出，以及clog进行日志的输出，从上图可以看出，cout、cerr、clog是ostream类的三个不同的对象，因此这三个对象现在基本没有区别，只是应用场景不同。在使用时候必须要包含头文件<iostream>并引入std标准命名空间。
🍋注意🍋:
- cin为缓冲流。键盘输入的数据保存在缓冲区中，当要提取时，是从缓冲区中拿。如果一次输入过多，会留在那儿慢慢用，如果输入错了，必须在回车之前修改，如果回车键按下就无法挽回了。只有把输入缓冲区中的数据取完后，才要求输入新的数据。
- 输入的数据类型必须与要提取的数据类型一致，否则出错。出错只是在流的状态字state中对应位置位(置1)，程序继续。
- 空格和回车都可以作为数据之间的分格符，所以多个数据可以在一行输入，也可以分行输入。但如果是字符型和字符串，则空格(ASCII码为32)无法用cin输入，字符串中也不能有空格。回车符也无法读入。
- cin和cout可以直接输入和输出内置类型数据，原因: 标准库已经将所有内置类型的输入和输出全部重载了。
- 对于自定义类型，如果要支持cin和cout的标准输入输出，需要对<<和>>进行重载。
- 在线OJ中的输入和输出:
○ 对于IO类型的算法，一般都需要循环输入
○ 输出: 严格按照题目的要求进行，多一个少一个空格都不行
○ 连续输入时，vs系列编译器下在输入 ctrl+z(加换行) 时结束
//单个元素循环输入
while (cin >> a)
{
//...
}
//多个元素循环输入
while (c >> a >> b >> c)
{
//...
}
//整行接收
while (cin >> str)
{
//...
}
- istream类型对象转换为逻辑条件判断值
实际上我们看到使用while(cin>>i)去流中提取对象数据时，调用的是operator>>，返回值是istream类型的对象，那么这里可以做逻辑条件值，源自于istream类的对象又调用了operator bool，operator bool调用时如果接收流失败，或者有结束标志，则返回false。
istream& operator>>(int& val);
explicit operator bool() const;
这里要解释一下：将cin>>变量/对象这种作为循环语句的循环条件，本质是一种函数调用，也就是上面重载了流提取操作符>>。但返回值却是一个istream类型的对象，那为什么可以作为循环语句的条件呢？这里就涉及到类型的转换问题：
class A
{
public:
A(const int& i)
{ }
};
class C
{
public:
operator int()
{
//...
return 0;
}
};
int main()
{
int* p = nullptr;
int i = (int)p; //强制类型转换
cout << i << endl;
//调用A类型的构造函数完成:内置类型->自定义类型
A a1 = 10;
string str = "xxxx"; //隐式类型转换其实就是因为有构造函数支持,才实现的转换
cout << str << endl;
set<int> s;
//set类的insert接口就是普通迭代器转const迭代器:自定义类型->自定义类型
set<int>::const_iterator it = s.begin();
C c;
int b = c; //C类的operator int支持:自定义类型->内置类型
cout << b << endl;
return 0;
}
在循环语句中，之所以cin>>变量/对象的返回值可以继续作为循环的判断条件，本质就是进行了类型转换。即istream类中实现了：istream->bool的转换接口，这样istream类的对象在做逻辑条件值时，编译器会自动去调类型转换的接口：
自定义类型转内置类型接口的书写格式为：
operator type(); 其中type就为要转换的内置类型，在该函数中要返回一个type类型的值。
下面有一个例子可以看一下：
class Date
{
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)
{ }
operator bool()
{
// 这里是随意写的,假设输入_year为0,则结束
if (_year == 0)
return false;
else
return true;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
istream& operator>>(istream& in, Date& d)
{
in >> d._year >> d._month >> d._day;
return in;
}
ostream& operator<<(ostream& out, const Date& d)
{
out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;
return out;
}
// C++ IO流,使用面向对象+运算符重载的方式
// 能更好的兼容自定义类型，流插入和流提取
int main()
{
// 自动识别类型的本质--函数重载
// 内置类型可以直接使用<<和>>--因为库里面ostream类已经实现了
int i = 1;
double j = 2.2;
cout << i << endl;
cout << j << endl;
// 自定义类型则需要我们自己重载<<和>>
Date d(2022, 4, 10);
cout << d;
while (d)
{
cin >> d;
cout << d;
}
return 0;
}
注意：由于C++兼容C语言，所以C和C++的输入输出系统在默认情况下会共享缓冲区。即C++标准流(cin/cout)默认会与C标准流(stdin/stdout)保持同步，这种设计使得两者可以安全混用。同步状态下，C++流操作会直接影响C标准流的缓冲区状态。
int main()
{
int i = 0;
int j = 0;
cin >> i;
scanf("%d", &j);
return 0;
}
● C语言使用stdio.h提供的独立缓冲区系统
● C++通过iostream类体系管理自己的缓冲区
3.2 C++文件IO流
C++根据文件内容的数据格式分为二进制文件和文本文件。采用文件流对象操作文件的一般步骤：
(1) 定义一个文件流对象
● ifstream ifile(只输入用)
● ofstream ofile(只输出用)
● fstream iofile(既输入又输出用)
(2) 使用文件流对象的成员函数打开一个磁盘文件，使得文件流对象和磁盘文件之间建立联系
(3) 使用提取和插入运算符对文件进行读写操作，或使用成员函数进行读写
(4) 关闭文件
ofstream类就是对文件进行操作的输出流类：
该类的对象维护一个filebuf对象作为它们的内部流缓冲区，它对与它们相关联的文件(如果有的话)执行输入/输出操作。来看一下该类的构造函数：
红框里的第二个构造函数：该构造函数有两个参数，第一个参数const string& filename是一个string类型的常量引用，用于指定要打开的文件的名称。第二个参数ios_base::openmode mode = ios_base::out是文件的打开模式，它是一个可选参数，默认值为ios_base::out。
而ios_base::out表示以输出方式打开文件(也可以用ofstream::out, 下同)，这是ofstream类最基本的打开模式，用于向文件写入数据。如果文件不存在，会创建一个新文件；如果文件已存在，默认情况下会将文件内容截断(清空文件)再写入新内容。除了默认的ios_base::out，还可以通过组合其他模式来改变文件的打开行为(通过按位或组合在一起)，例如: ios_base::app表示追加模式，此时写入的数据会添加到文件末尾而不是覆盖原有内容；ios_base::binary表示以二进制方式打开文件，用于处理非文本文件等。
当创建好了一个ofstream类型的对象，打开了相关的文件以后。紧接着就要将数据写到(输出到)文件中：
即将s指向的数组的前n个字符插入到(文件)流中，n是字符个数(也指字符数组的大小)。如果我们还想把文件中的数据读到(输入到)内存中：
即从流中提取n个字符，并将它们存储在s所指向的数组中。
🍓🍓与C语言类似，文件读写完数据后，要将打开的文件关闭。在C++中可以不用手动调close关闭文件，因为ofstream是类，该类对象在进程结束时，会自动调用析构函数去关闭文件。
(1) 下面我们就试着以二进制的形式去读写一个文件：
struct ServerInfo
{
char _address[32];
double _d;
Date _date;
};
//设计一个类用来读写上面ServerInfo类对象的内容(二进制读写)
class BinIO
{
public:
BinIO(const char* filename = "info.bin")
:_filename(filename)
{ }
//将一个ServerInfo类对象中的内容以二进制的形式输出到文件中
void Write(const ServerInfo& winfo)
{
ofstream ofs(_filename, ofstream::out | ofstream::binary);
ofs.write((char*)&winfo, sizeof(winfo));
}
//将文件中的内容以二进制的形式输入到一个ServerInfo类对象中
void Read(const ServerInfo& rinfo)
{
ifstream ifs(_filename, ifstream::in | ifstream::binary);
ifs.read((char*)&rinfo, sizeof(rinfo));
}
private:
string _filename; //文件名
};
void test_Write()
{
ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 3.14, { 2022, 4, 10 } };
BinIO bin;
bin.Write(winfo); //将winfo对象里的内容按字节写到文件中
}
void test_Read()
{
ServerInfo info;
BinIO bin;
bin.Read(info); //将文件里的内容读到info对象中
}
再把文件中的数据读到一个ServerInfo类型的对象info中(内存中)：
注意：上面的ServerInfo结构体中是用字符数组作为其成员，即在栈上开辟数组。但不能换成string类的成员，因为这样通过二进制形式读写会出问题：
struct ServerInfo
{
string s;
double _d;
Date _date;
};
如果是在同一个进程中(都在main函数中进行读写)，先把一个ServerInfo类对象以二进制形式写进文件中，然后紧接着又将这个文件中的内容读给另一个ServerInfo类对象，跟浅拷贝的问题类似，即两个对象共享同一块资源。因为string类的底层是三个成员：_str、_size、_capacity，而_str指向着堆上申请的资源，字符串就存储在这块资源中。比如：
int main()
{
BinIO bin;
ServerInfo winfo = { "https://legacy.cplusplus.com/reference/istream/istream/read/", 3.14, { 2022, 4, 10 } };
bin.Write(winfo); //将winfo对象里的内容按字节读到文件中
ServerInfo info;
bin.Read(info); //将文件里的内容读到info对象里
return 0;
}
所以winfo与info共享着同一块资源，析构的时候就会出现同一块资源析构两次，程序报错。就是因为在同一个进程中，将winfo对象中的string类成员s中的_str存储的值(地址)写进了文件中，而此时堆上申请的资源并没有销毁，再将文件中的内容读给了另一个对象info，那正好就将winfo的s的_str的值读给了info中的s的_str。所以析构时才会报错。当然这是在同一个进程中才出现的问题。
如果是在两个进程中分别进行上面的写和读，也还是会报错：
int main()
{
BinIO bin;
ServerInfo winfo = { "https://legacy.cplusplus.com/reference/istream/istream/read/", 3.14, { 2022, 4, 10 } };
bin.Write(winfo); //将winfo对象里的内容按字节读到文件中
return 0;
}
int main()
{
BinIO bin;
ServerInfo info;
bin.Read(info); //将文件里的内容读到info对象里
cout << info.s << endl;
cout << info._d << endl;
cout << info._date << endl;
return 0;
}
原因就是先在一个进程中把winfo中的s的_str的值写进文件中，再在另一个进程中把文件里的内容读给另一个对象info中的s的_str，但原来的winfo对象的s的_str所指向的堆上的资源早就在原来的进程中析构了，s也销毁了。所以此时文件中存储的地址就是一个野指针！那再读给info的s的_str，访问时就是野指针的使用。
🔥所以总结：只要是容器时，都要小心！不能以二进制的形式进行文件的读写🔥
(2) 既然二进制读写会出现上面的错误，那可以进行文本读写：
注意：在C++的文件流操作中，ios_base::out默认是以文本模式进行读写操作的。
struct ServerInfo
{
char _address[32];
double _d;
Date _date;
};
//设计一个类用来读写上面ServerInfo类对象的内容(文本读写)
class TextIO
{
public:
TextIO(const char* filename = "info.text")
:_filename(filename)
{ }
//将一个ServerInfo类对象中的内容以字符串的形式输出到文件中
void Write(const ServerInfo& winfo)
{
ofstream ofs(_filename); //使用默认的缺省参数ios_base::out
ofs << winfo._address << endl;
ofs << winfo._d << endl;
ofs << winfo._date << endl;
}
//将文件中的内容输入到一个ServerInfo类对象中
void Read(ServerInfo& rinfo)
{
ifstream ifs(_filename); //使用默认的缺省参数ios_base::in
ifs >> rinfo._address;
ifs >> rinfo._d;
ifs >> rinfo._date;
}
private:
string _filename; //文件名
};
int main()
{
TextIO text;
ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 3.14, { 2022, 4, 10 } };
text.Write(winfo);
ServerInfo info;
text.Read(info);
cout << info._address << endl;
cout << info._d << endl;
cout << info._date << endl;
return 0;
}
● 文件流(如ofstream和ifstream)和标准IO流(如cout和cin)、字符串流(如stringstream)对内置类型(int、float、string等)已预定义重载，不管是哪种流的输入和输出均能自动识别数据类型。
● 对于自定义类型(如类对象)，必须 手动重载<< 和 >> 运算符才能支持流操作。
● 返回流引用以支持链式调用(如cout << obj1 << obj2)。
● 输入重载需修改对象参数，故不能加const限定。
😎流对象的统一性：
所有流(标准IO/文件/字符串流)均继承自ios_base，重载后的<<和>>运算符可通用。例如: 自定义类型重载<<和>>后，既能用cout输出到控制台，也能用ofstream类对象写入文件。
四、stringstream的简单介绍
在C语言中，如果想将一个整形变量的数据转化为字符串格式，如何去做呢?
1.使用itoa()函数
2.使用sprintf()函数
都需要先给出保存结果的空间，那空间要给多大呢，这就不太好界定，但两个函数在转化时而且转化格式不匹配时，可能还会得到错误的结果甚至程序崩溃。
int main()
{
int n = 123456789;
char s1[32];
_itoa(n, s1, 10);
char s2[32];
sprintf(s2, "%d", n);
char s3[32];
sprintf(s3, "%f", n);
return 0;
}
在C++中，可以使用stringstream类对象来避开此问题，在程序中如果想要使用stringstream，必须要包含头文件 <sstream>。在该头文件下，标准库的三个类istringstream、ostringstream和stringstream，分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作，本文主要介绍stringstream。
stringstream主要可以用来：
(1) 将数值类型数据格式化为字符串
int main()
{
int a = 12345678;
string sa;
//将一个整形变量转化为字符串,存储到string类对象中
stringstream ss;
ss << a;
ss >> sa;
// clear()
// 注意多次转换时，必须使用clear将上次转换的状态清空掉
// stringstream在转换结尾时(即最后一个转换后),会将其内部状态设置为badbit
// 因此下一次转换是必须调用clear()将状态重置为goodbit才可以转换
// 但是clear()不会将stringstream底层字符串清空掉
// oss.str("");
// 将stringstream底层管理的string对象设置成"",
// 否则多次转换时,会将结果全部累积在底层string对象中
ss.str("");
ss.clear();
// 清空ss, 不清空会转化失败
double d = 12.34;
ss << d;
ss >> sa;
string sValue;
sValue = ss.str();
// str()接口:返回stringsteam中管理的string类型
cout << sValue << endl;
return 0;
}
(2) 字符串拼接
int main()
{
stringstream ss;
// 将多个字符串放入sstream中
ss << "first" << " " << "string,";
ss << " second string";
cout << "strResult is: " << ss.str() << endl;
// 清空sstream
ss.str("");
ss << "third string";
cout << "After clear, strResult is: " << ss.str() << endl;
return 0;
}
stringstream的流插入(<<)和流提取(>>)操作底层通过字符串缓冲区管理和类型格式化转换实现，具体机制如下：
- 底层数据结构
内部缓冲区：基于stringbuf类管理，继承自basic_streambuf，负责存储字符串数据。
双向流支持：stringstream同时继承了istream和ostream，允许读写操作共享同一缓冲区。 - 流插入(<<)的底层流程
类型格式化：通过重载<<操作符将数据(如int、double等)转换为字符序列，调用num_put等locale工具处理格式化。
缓冲区写入：格式化后的字符序列被追加到stringbuf的内部string中，动态扩展容量(类似vector的扩容机制)。
状态维护：更新流状态标志(如eofbit、failbit)以反映操作结果。 - 流提取(>>)的底层流程
字符解析：从stringbuf中读取字符序列，通过num_get等工具将字符转换为目标类型(如解析"123"为int)。
分隔符处理：默认以空格/换行符作为分隔符，遇到分隔符时停止提取。
错误处理：若类型不匹配(如尝试提取数字但遇到字母)，设置failbit并终止操作。
避免频繁创建：重复使用同一stringstream对象时，需先调用str(“”)清空缓冲区，再调用clear()重置状态标志。
(3) 序列化和反序列化结构数据
struct ChatInfo
{
string _name; //名字
int _id; //id
Date _date; //时间
string _msg; //聊天信息
};
int main()
{
// 结构信息序列化为字符串(序列化)
ChatInfo winfo = { "熊二", 135246, { 2022, 4, 10 }, "等下去光头强家" };
ostringstream oss;
oss << winfo._name << endl;
oss << winfo._id << endl;
oss << winfo._date << endl;
oss << winfo._msg << endl;
cout << oss.str() << endl;
// 我们通过网络把这个字符串发送给对象,实际开发中,信息相对更复杂，
// 一般会选用Json、xml等方式进行更好的支持
// 字符串解析成结构信息(反序列化)
ChatInfo rinfo;
string str = oss.str();
istringstream iss(str);
iss >> rinfo._name;
iss >> rinfo._id;
iss >> rinfo._date;
iss >> rinfo._msg;
cout << "-----------------------------------------------" << endl;
cout << "姓名：" << rinfo._name << "(" << rinfo._id << ")";
cout << rinfo._date << endl;
cout << rinfo._name << ":>" << rinfo._msg << endl;
cout << "-----------------------------------------------" << endl;
return 0;
}
🍑总结🍑:
○ stringstream实际是在其底层维护了一个string类型的对象用来保存结果。
○ 多次数据类型转化时，一定要用clear()清空，才能正确转化，但clear()不会将stringstream底层的string对象清空。
○ 可以使用ss.str(“”)方法，将底层的string类对象设置为""(空字符串)。
○ 可以使用ss.str()将让stringstream返回其底层的string类对象。
○ stringstream使用string类对象代替字符数组，可以避免缓冲区溢出的危险，而且其会对参数类型进行推演，不需要格式化控制，也不会出现格式化失败的风险。因此使用更方便，更安全。
