Cpp: I/O

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C++风格的I/O

I/O是一门语言很重要的部分，<iostream>之所以含有相当一部分好用的函数，是因为在I/O实现时各个头文件互相包含，使得只需要包含<iostream>就能够使用很多的东西

但如果要用STL、实现文件交互等，<iostream>并没有包含它们，推荐使用万能头文件<bits/stdc++.h>，包含几乎所有会用到的东西

stdInput

cin

在C++中，istream类的对象cin(在<iostream>中声明)替代了scanf，它自动创建标准输入缓冲区，从标准输入流提取输入

这些对象被称为流对象，它将流和对象联系起来，一个非iostream,fstream类流对象只和一个缓冲区、两端(程序端、输出输入端)相关联

最简单的获取输入的代码如下，它是格式化流插入符(即会将读取的字符串转换成后接对象的相应类型，除了它，其它方法都是非格式化读取)，接受一个引用：

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cin >> identifier;     // 有回显、有缓冲、忽略空格与换行,遇空格或回车停止

自然想到，如何读取空格，实现面向行的输入？cin有两种方法可以实现：

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cin.getline(char*,std::streamsize);// 读取size-1个字符后或遇到换行符停止,且丢弃换行符
cin.get(char*,std::streamsize);  // 读取size-1个字符后或遇到换行符停止,将换行符保留在缓冲区

std::streamsize是long int的重命名，即有符号整型；它们的共同特性是都不会将换行符读入到字符串中，且可以添加第三个char型参数表示自定义终止字符

如果需要只读取缓冲区内的任意一字符，cin有重载的get()方法，其一的用法类似getchar()：

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ch = cin.get();      // 读取一字符,返回它的字符编码;如遇到EOF,则返回eof(一个负数)
cin.get(char& ch);     // 将读取的字符赋值给ch;如遇到EOF,则返回0

它们常用于抛弃掉缓冲区的换行符，但一次调用只能丢弃一个字符，cin提供ignore()方法来一次性抛弃多个字符：

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cin.ignore(std::streamsize n,delim='\n'); // 抛弃n个字符后或遇到delim并抛弃它后停止

operator>>(),cin.getline(),cin.get(...),cin.get(char),cin.ignore()都返回cin的引用，这意味着它们可以链式调用：

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cin.getline(a,b).getline(a,b);  // 读取两行(或是读取一串较长行)
cin >> a >> b;
cin.get(ch).get();     // 连续读取两字符
(cin.get(ch)>>a).get();
cin.get().get(ch);     // 错误,get(void)返回的不是istream引用

如果非要给cin改名，可以选择创建引用istream& in=cin(一般不会直接使用istream或ostream的构造函数，只有在创建文件流对象的时候会间接调用i(o)stream(sb&)、或是想实现多缓冲区输入输出时会直接使用它，在这里不作讨论)

string的输入

上述方法都不支持string类对象，然而显然string类更常用，于是<string>中有一个全局函数：

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getline(istream&,string&,char='\n');

三个参数，第一个为自定义的输入流，通常是标准输入流cin，第三个参数为指定的结束符(默认为换行符)

有些编译器在使用string类后默认添加<string>，所以就算没有包含它也能运行，但getline()是<string>的函数，应该养成习惯事先包含它，以免出错

stdOutput

cout

与cin的大部分内容类似，cout是ostream类的对象，它与标准输出流相关联，格式化输出如下，operator<<接受引用或常量：

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cout << identifier << constant;

由于string类定义的operator<<()能完整输出整个字符串，所以输出部分不像输入一样有专门的函数

对应putchar()，cout也有类似的方法：

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cout.put(char)  // 输出单个字符

operator<<(),cout.put(char)都返回指向cout的引用，所以cout也可以链式输出：

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(cout << str << endl).put(48)

标准输出缓冲区采用行缓冲，它遇到换行符或eof时将自动刷新缓冲区，此外还提供了两个控制符：

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cout << flush << endl;  // flush直接刷新缓冲区,endl在缓冲区中插入换行符后再刷新它

精细控制输出

C++提供一种不逊于printf()那样精细控制输出位数、输出形式的，更简洁的输出方式，那就是许多控制符

除了刷新缓冲区的flush和endl(在<ostream>中)，其它常用的控制符如下：

  • hex,oct,dec：将整型数据以十六、八、十进制输出，在<bits/basic_ios.h>中
  • setprecision(int)：永久设置数据的精度(显示数据的总位数)
  • setfill(char)：永久设置字段中填充的字符(默认为空格)
  • setw(int)：暂时设置字段的宽度，在输出下一数据后恢复默认字段值(即0)，用于对齐画面等

除了第一条，其它三条控制符都需要包含头文件<iomanip>

这些控制符实际上是调用iostream类的祖宗类ios_base的成员函数setf()和部分成员，来实现控制输出的功能，其它控制符详见fmtflags

注：fmtflags不是控制符，而只是部分控制符调用了setf(fmtflags)而已，ios_base::fmtflags和后续将提到的ios_base::iostate,ios_base::openmode都是一串二进制掩码(bitmask)，这意味着它们可以通过'|'运算符叠加，在ios_base中提供了它们的一些枚举常量

ios(即basic_ios<char>)类是ios_base类的派生类，能使用它的所有公开和保护性成员，所以直接用ios::badbit等也是正确的，所以在除定义外的说明和实例中都使用ios::

流状态

状态位

所有流对象都有称为流状态的属性，流的打开或关闭由三个状态位决定：

  • badbit：系统性错误时(如文件不存在、文件不允许访问等)被设置，这种错误一般无法恢复
  • failbit：格式错误时(如输入字符赋给整型对象、get(str)读取到空行等)被设置，这种错误可以恢复
  • eofbit：遇到eof时被设置

ios_base类中有ios_base::badbit,ios_base::failbit,ios_base::eofbit,ios_base::goodbit四种标准状态常量，它们以三位二进制数表示，分别为001,100,010,000

当这三个状态位都被清除(即0)时，goodbit将被清除，表示这个流一切正常，是打开的

检查状态的方法

可通过对应的方法(bad(),fail(),eof(),rdstate())查看这四个位的状态(具体应查看头文件定义，实际上有略微不同)

operator!()和rdstate()效果一样，而good()是与operator!()相反的方法，当goodbit=0时返回true

这些方法都在ios中定义

需要清楚的是，rdstate()的返回值是ios_base::iostate对象，而其它方法都返回布尔类型，这意味着rdstate()方法还可以通过与标准状态常量对比进行错误检测

这些方法都可用于检测错误，例如rdstate()可用于粗略地检查所有错误类型，出错则返回真

这些流并不会在出错时报错，这涉及到ios::exceptions()方法，它默认返回goodbit，只有当f.exceptions() & f.rdstate()不为零时，程序才会抛出ios_base::failure错误

如果需要让流报错，应改变exceptions()的返回值(使用它的重载函数exceptions(iostate))：

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// 示例
f.exceptions(ios::failbit);  // 设置成100,则一旦流的failbit被设置,将报错
try {
    ...
} catch (ios::failure& message){
    cerr << message.what();
}

清除状态的方法

ios::clear()和ios::setstate()方法可将流设置成正常，原理有所不同：

  • clear()将该流的状态强制改成提供的状态，默认提供0，即ios::goodbit
  • setstate()将该流的状态和提供的状态相叠加，相当于两个二进制数进行了按位或操作，实际上，进行f.setstate(state)相当于进行f.clear(f.rdstate() | state)
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// 定义
file.clear(ios_base::iostate=0);  // 默认参数为000,不设置任何位,即清除所有三位
file.setstate(ios_base::iostate);  // 必须提供参数,只会设置它而不影响其它两位
// 示例
file.clear(ios::eofbit);    // 参数为010,设置eofbit,清除其它两位
file.clear(ios::eofbit | ios::badbit) // 参数为011,清除failbit,设置其它两位

当然，可以用其他流的状态作为参数，只是这没有意义

常用不带参数的clear()方法来强制打开流，而setstate()常被流对象自动调用，来叠加到自身的流状态里

文件I/O

实现文件IO需要包含头文件<fstream>，创建输入流则创建ifstream对象，创建输出流则创建ofstream对象，只不过流的另一端由键盘和显示器变成了文件

因为ifstream,ofstream分别为istream,ostream的派生类，所以可以像cin,cout一样使用方法，而除此之外，文件IO有额外的成员和方法

创建文件流和关闭文件

ifstream和ofstream类中额外定义了默认构造函数和带字符串(有char*类型和string&类型的两个重载)参数的构造函数

以ifstream为例，初始化一个文件流对象如下：

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// 定义
ifstream fin;  // 默认构造函数,这会创建一个新的缓冲区(fb)并将fb的引用传递给基类初始化器
// 将字符串传递给构造函数,它将创建缓冲区并以默认为ios::in的模式调用open("fileName")
ifstream fin(char*,ios_base::openmode=ios_base::in);
ifstream fin(string&,ios_base::openmode=ios_base::in);

一个文件流对象除了继承istream/ostream的用于格式化输入输出的流装置外，还额外包含一个私有的filebuf对象，用于与文件进行底层交互；例如文件流对象含有的成员函数open()和close()，它们实质上是调用filebuf类的open()和close()，只是在类里面重写了一遍方便使用罢了

fstream类的对象较为特殊，它继承了两个缓冲区，目的在于用一个对象实现对文件的输入和输出

它们的析构函数是空的，这意味着文件是通过方法close()关闭的，即关闭文件不影响流对象的重复使用，而流的打开与关闭和流状态有关；这也更说明，流不是一个容器，而数据也只会暂时存储在缓冲区中

文件模式

对于一个文件流对象fio，如果要检查它的流是否异常(而不是文件是否打开)，一般不用像cin,cout一样的operator!(),rdstate()方法，而是成员函数is_open()(还是调用filebuf类的成员，但这次是间接调用了file类的成员)，它能检查出“文件打开方式错误”一类的异常

C++的文件模式设计与C有许多共通之处，但更好理解和记忆：

ios_base::openmode(以下省略ios::) C风格 意义 文件存在 文件不存在
in(ifstream默认值) “r” 读打开 正常 异常(failbit+badbit)
out(ofstream默认值;默认加上trunc) “w” 写打开 清空文件 创建空文件
ate fseek(file*,0,SEEK_END) 跳到eof 文件必须已经打开
app(默认加上out) “a” 追加写打开 不会被清空,并在文件尾开始添加内容 创建空文件
trunc - 清空文件 文件必须已经写打开
binary “b” 二进制模式打开 文件必须已经打开
in | out(fstream默认值) “r+” 读写打开 不清空文件,并在文件开头开始添加内容 异常(failbit+badbit)
in | out | trunc “w+” 读写打开 清空文件 创建空文件
other | ate “other”后,fseek(file*,0,SEEK_END) 打开文件后跳到eof 视other而定
other | binary “other+b” 二进制other模式打开 视other而定

以下为常用模式：

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// 示例
ofstream("tmp/old");  // 创建空文件或覆盖旧文件,并写打开; 和显式声明out或out|trunc等价
ofstream("file",ios::app);  // 追加写打开; 和显式声明out|app等价
ifstream("file");   // 只读打开; 和显式声明in等价
fstream("file");   // 读写打开文件,不清空文件; 和显式声明in|out等价
fstream("tmp/old",ios::in|ios::out|ios::trunc);// 创建空文件或覆盖旧文件,并读写打开; 不常用
// 用于图像或其它二进制资源的读写:
ofstream("Icon/other",ios::out|ios::binary);
ifstream("Icon/other",ios::in|ios::binary);

读写与异常处理

一般来说，只要打开或关闭文件正常，那么文件流就会保持正常，对于文本内容，像使用cin,cout一样即可；而对于二进制内容，可以用read()(读方法，在istream类中)和write()(写方法，在ostream类中)，它们和其它输入输出方法的区别是在读取/输出时不会添加\0，且read()函数不提供默认或指定的终止符(getline()默认遇回车停止)：

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fin.read(char*,int);  // 读取指定个字符到char*中,不支持string类
fout.write(char*,int);  // 向文件写入指定个字符,不支持string类

当然在关闭文件后，为了防止读到EOF或其他问题影响这个流对象的再使用，应选择改变exceptions()，或是不管不顾直接clear()强行打开流

附

以阅读头文件的方式回顾所学(Doxygen风格注释)，以下是部分内容在头文件内的定义(小标题是头文件名)：

各类关联

重命名：

1.typedef

2.typedef

继承关系：

classes

ios_base.h

以下都属于ios_base类：

流状态常量：

ios_base_Ios_Iostate

ios_base_iostate

ios_base_bit

控制符相关：

1.ios_fmtflags

2.ios_fmtflags

3.ios_fmtflags

4.ios_fmtflags

ios_setf

文件模式：

1.ios_base_openmode

1.ios_base_openmode

basic_ios.h

ios_method

ios_clear()&setstate()

1.ios_checkErr

2.ios_checkErr

1.ios_exceptions

2.ios_exceptions

以上是ios类中的成员，下面这个控制符以及oct,dec等是本头文件内的内联函数：

ios_hex

istream&ostream

以istream为例，operator<<与其类似：

iostream_exceptions

get(...)与其类似：

1.4.2.iostream_strInput

1.4.3.iostream_ignore

基类初始化器：

iostream_ctor

控制符flush和endl都在<ostream>里，它们是内联函数：

1.4.4.iostream_endl

ifstream&ofstream

以ifstream类为例：

fstream_ctor

fstream_detor

fstream

这些是filebuf类里的：

fstream_open

fstream_close