C++流类输入输出全解析

### C++ 流类输入输出全解析 #### 1. 输入输出流概述 在 C++ 中，输入输出（I/O）类是标准库的重要组成部分，一个没有 I/O 功能的程序用途十分有限。C++ 标准库中的 I/O 类并不局限于文件、屏幕和键盘，而是形成了一个可扩展的框架，用于任意数据的格式化和对任意“外部表示”的访问。 在 C++98 标准化之前，IOStream 库（即 I/O 类库）是 C++ 标准库中唯一被广泛使用的部分。早期的 C++ 系统发行版中包含了由 AT&T 开发的一组类，这些类实际上为 I/O 操作建立了标准。尽管这些类为了更好地融入 C++ 标准库并满足新需求经历了多次修改，但 IOStream 库的基本原理保持不变。 #### 2. C++11 带来的新特性 C++98 已经规定了 IOStream 库的几乎所有特性，而 C++11 又添加了一些重要特性： - **新的操纵符**：引入了 hexfloat 和 defaultfloat，以及 get_time()、put_time()、get_money() 和 put_money()。 - **异常类改进**：异常类现在从 std::system_error 派生，而非直接从 std::exception 派生，以便提供更多异常信息。 - **右值和移动语义支持**：字符串流和文件流类现在支持右值和移动语义，可进行移动构造、移动赋值和交换操作，还能使用临时字符串或文件流进行 I/O。 - **文件名参数改进**：文件流现在允许传递 std::string 类型的文件名，而不只是 const char*。 - **操作符重载**：输出和输入操作符 << 和 >> 现在也为 long long 和 unsigned long long 进行了重载。 - **并发支持**：I/O 流现在部分支持并发。 - **字符特性支持**：为 char16_t 和 char32_t 类型提供了字符特性。 - **字符集读写支持**：借助新的 wbuffer_convert 类，流可以读写不同的字符集，如 UTF - 8。 #### 3. I/O 流的常见背景知识 在深入了解流类之前，先简要介绍一下流的常见方面，熟悉 iostream 基础知识的读者可以跳过此部分。 ##### 3.1 流对象 在 C++ 中，I/O 操作通过流来完成。流是一种“数据流”，其中字符序列“流动”。按照面向对象的原则，流是一个具有由类定义属性的对象。输出被解释为数据流入流，输入被解释为数据从流中流出。标准 I/O 通道预定义了全局对象。 ##### 3.2 流类 由于存在不同类型的 I/O 操作，如输入、输出和文件访问，因此根据 I/O 类型的不同有不同的流类。以下是一些重要的流类： - **istream 类**：定义了可用于读取数据的输入流。 - **ostream 类**：定义了可用于写入数据的输出流。 这两个类分别是 basic_istream<> 和 basic_ostream<> 类模板以 char 为字符类型的实例化。实际上，整个 IOStream 库并不依赖于特定的字符类型，大多数类的字符类型是作为模板参数的，这种参数化与字符串类相对应，用于国际化。 ##### 3.3 全局流对象 IOStream 库定义了几个 istream 和 ostream 类型的全局对象，它们对应于标准 I/O 通道： | 类型 | 名称 | 用途 | | ---- | ---- | ---- | | istream | cin | 从标准输入通道读取用户输入，对应 C 的 stdin，通常连接到键盘 | | ostream | cout | 向标准输出通道写入程序的“正常”输出，对应 C 的 stdout，通常连接到显示器 | | ostream | cerr | 向标准错误通道写入各种错误消息，对应 C 的 stderr，通常也连接到显示器，默认情况下不缓冲 | | ostream | clog | 标准日志通道，无 C 对应物，默认连接到与 cerr 相同的目标，但输出是缓冲的 | “正常”输出和错误消息的分离使得在执行程序时可以不同地处理这两种输出。例如，程序的正常输出可以重定向到文件，而错误消息仍显示在控制台。这一标准通道的分离源自 UNIX 的 I/O 重定向概念。 ##### 3.4 流操作符 输入的 >> 和输出的 << 操作符针对相应的流类进行了重载，因此在 C++ 中，“移位操作符”变成了“I/O 操作符”。使用这些操作符可以链式执行多个 I/O 操作。例如： ```cpp int a, b; // as long as input of a and b is successful while (std::cin >> a >> b) { // output a and b std::cout << "a: " << a << " b: " << b << std::endl; } ``` ##### 3.5 操纵符 大多数输出语句的末尾会使用所谓的操纵符，例如 std::cout << std::endl。操纵符是用于操纵流的特殊对象，通常只改变输入的解释方式或输出的格式，如用于数字基数的 dec、hex 和 oct 操纵符。输出流的操纵符不一定会产生输出，输入流的操纵符也不一定会消耗输入，但有些操纵符会触发立即操作，如刷新输出缓冲区或跳过输入缓冲区中的空白。 endl 操纵符表示“换行”，它会执行两件事： 1. 输出一个换行符（即字符 '\n'）。 2. 刷新输出缓冲区（使用流的 flush() 方法强制写入所有缓冲数据）。 IOStream 库定义的一些重要操纵符如下表所示： | 操纵符 | 类 | 含义 | | ---- | ---- | ---- | | endl | ostream | 输出 '\n' 并刷新输出缓冲区 | | ends | ostream | 输出 '\0' | | flush | ostream | 刷新输出缓冲区 | | ws | istream | 读取并丢弃空白字符 | ##### 3.6 简单示例 以下示例展示了流类的使用，该程序读取两个浮点值并输出它们的乘积： ```cpp // io/io1.cpp #include <cstdlib> #include <iostream> using namespace std; int main() { double x, y; // operands // print header string cout << "Multiplication of two floating point values" << endl; // read first operand cout << "first operand: "; if (! (cin >> x)) { // input error // => error message and exit program with error status cerr << "error while reading the first floating value" << endl; return EXIT_FAILURE; } // read second operand cout << "second operand: "; if (! (cin >> y)) { // input error // => error message and exit program with error status cerr << "error while reading the second floating value" << endl; return EXIT_FAILURE; } // print operands and result cout << x << " times " << y << " equals " << x * y << endl; } ``` #### 4. 基本流类和对象 ##### 4.1 类和类层次结构 IOStream 库的流类形成了一个层次结构，各层次类的作用如下： - **ios_base 基类**：定义了所有流类独立于字符类型和相应字符特性的属性，主要包含状态和格式标志的组件和函数。 - **basic_ios<> 类模板**：从 ios_base 派生，定义了所有依赖于字符类型和相应字符特性的流类的公共属性，包括流使用的缓冲区的定义。缓冲区是从 basic_streambuf<> 模板类派生的类的对象，负责实际的读写操作。 - **basic_istream<> 和 basic_ostream<> 类模板**：虚拟继承自 basic_ios<>，分别定义了可用于读取或写入的对象。这些类是模板类，以字符类型及其特性作为参数。在不考虑国际化时，通常使用以 char 为字符类型的实例化类 istream 和 ostream。 - **basic_iostream<> 类模板**：从 basic_istream<> 和 basic_ostream<> 派生，定义了可同时用于读写的对象。 - **basic_streambuf<> 类模板**：是 IOStream 库的核心，定义了所有可由流