cpp-IO类说明 - YHT's Note Repo

%% # 纲要 > 主干纲要、Hint/线索/路标 - **I/O 库及相关头文件** - **I / O 标志位**； - **状态标志位**有哪些？含义是什么？如何**设置/清除**？ - EOF 标志 - **格式标志位**有哪些？含义是什么？如何**设置/清除**？ - 格式化控制：例如保留小数点后几位，输出十进制、十六进制； - **输入输出缓冲区** - 缓冲区大小、 # Q&A #### 已明确 ![[02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明#^no808o]] ![[02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明#^snv0v5]] ![[02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明#^107nq8]] ![[02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明#^ljdupg]] ![[02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明#^m99kh1]] ![[02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明#^zx67ht]] #### 待明确 > 当下仍存有的疑惑 **❓ 有什么问题？** # Buffer ## 闪念 > sudden idea ## 候选资料 > Read it later %% # C++ I/O 库 ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-00569A872E9B6A52D23C53211B6B1390.png|800]] ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-9828E9822B276FA30B0B7A4E521E3E3E.png|889]] C++ 标准库提供的 IO 处理相关的头文件包括： - `<iostream>` 头文件：定义了读写 "**流**" 的 I/O 类及操作（三种流：**标准输入、标准输出、标准错误**，通常关联到**控制台窗口和键盘**） - `<fstream>` 头文件：定义了读写 "**文件**" 的 I/O 类及操作 - `<sstream>` 头文件：定义了读写 "**string 对象**（内存中）" 的 I/O 类及操作 > [!NOTE] fstream 类与 stringstream 类都是继承自 iostream 类 > [!caution] IO 对象不支持拷贝和赋值！ ### `iostream` 头文件 C++ 标准库的头文件 `<iostream>` 中提供了以下 I/O 相关内容： - 类定义： - `istream` 类（输入流），提供输入操作 - `ostream` 类（输出流），提供输出操作 - 全局的 `stream` 对象： - `cin`：一个 `istream` 类对象，从 "**标准输入**" 读取数据； - `cout`：一个 `ostream` 类对象，向 "**标准输出**" 写入数据； - `cerr`：一个 `ostream` 类对象，向 "**标准错误**" 写入数据； - `clog`：一个 `ostream` 类对象 - 操作符与函数： - `>>` ：**提取**运算符，用于**从一个 "`istream`" 对象**中读取输入数据； - `<<` ：**输出**运算符，用于**向一个 "`ostream`" 对象**中写入数据。 > [!NOTE] > > - `ifstream`、`istringstream` 都继承自 `istream`，因此对这两类对象可以使用 `>>` 操作符和 `getline` 函数。 > - `ofstream`、`ostringstream` 都继承自 `ostream`，因此对这两类对象可以使用 `<<` 操作符。 # C++ I/O 流类的继承体系参见 [^1] ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-D390E53E7A57405FCEB815A304B94E12.png|588]] - `basic_ios` 的派生类（ `iostream`等）只处理 "**==数据的格式化==**"； - `basic_ios` 派生类所维护的 **stream buffer** 完成**实际读/写动作**。 - **==Stream Buffer 提供读/写时所使用的字符缓冲区==，并形成对外部数据源（文件或字符串）的抽象** 具体来说： - `ios_base`：表示流的一般属性比如文件是否打开、是二进制流还是文本流等等 - `ios`：基于 `ios_base`，并且包含了一个指针成员**指向一个 `streambuf` 对象** - `ostream`：继承自 ios 类并提供了输出方法 - `istream`：继承自 ios 类并提供了输入方法 - `iostream`：继承自 ostream 类和 istream 类 - `streambuf`：该类为缓冲区提供内存（**提供缓冲区**），并提供了**填充缓冲区**、**访问缓冲区内容**、**刷新缓冲区**、**管理缓冲区内存** 的类方法； > [!NOTE] > ios 类包含一个指针，**指向 `streambuf` 对象**，而 istream 和 ostream 是其子类， > 所以 cin 和 cout 其实都是从 **streambuf 表示的缓冲区** 中读取数据。 > > 创建 istream 或 ostream 对象（如 `cin`、`cout`）时将**打开一个流**，**自动创建缓冲区**，并**将其与流关联起来**。 > > # I/O 流关联的输入输出缓冲区每一个 **I/O 流对象**都包含一个 **`streambuf` 对象** 的成员指针。该 `streambuf` 对象为 I/O 流提供了 "**输入/输出缓冲区**"，提供了**填充缓冲区**、**访问缓冲区内容**、**刷新缓冲区**、**管理缓冲区内存**等功能的成员函数。 ![[02-开发笔记/99-Unix 环境编程/文件 IO#^015hqk]] # I/O 标志位 C++ 标准库的 **I/O 类**中定义了一些 **==标志位==** ( 值以 "**全局常量**" 的形式给出) 及 **==检查函数==**、**==操控符==**，用于 **==表示和管理 I/O 流的状态==**。标志位包括两类： - **==状态==标志位**（State Flag）：表示 **I/O 流的状态**， - 通过对应的「**==检查函数==**」来**获取状态** - **==格式==标志位**（Format Flag）：控制输出输出**格式**，如进制、对齐方式、小数点位数等， - 通过对应的「**==操控符==（Manipulator）**」来**进行控制** ## 「I/O 状态标志位」 **状态标志位**（State Flag）：每个 IO 对象都维护有一组 "**状态标志位**"，表示 **I/O 流的状态**，指示是否可在该对象上进行 IO 操作。 > [!NOTE] IO 库的条件状态位及操作函数 > > 参见[^2] > > ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-9C5E6301F0A7FD33B655C902B3D984A9.png|701]] > ### 四种状态标志位 | 状态标志位（常量值） | 标志位含义 | 检查函数 | 函数说明 | | --------------- | ------------------------------------------ | ---------- | ---------------------------------- | | `strm::goodbit` | 表示 **流处于良好状态**，没有错误 | `s.good()` | `goodbit` 置位时返回 `true`，表示没有任何错误 | | `strm::eofbit` | 表示**流已到达文件结束** (EOF) | `s.eof()` | `eofbit` 置位时返回 `true`，表示到达文件结束 | | `strm::failbit` | 表示**一个 IO 操作失败** （格式错误、逻辑错误等原因） | `s.fail()` | `failbit` 或 `badbit` 置位时返回 `true`； | | `strm::badbit` | 表示**流已崩溃，发生了不可恢复的错误** （如 I/O 操作被中断硬件故障） | `s.bad()` | `badbit` 置位时返回 `true` | > [!info] 四个状态标志位是 `std::ios::iostate` 类型 > > `std::ios::iostate` 是 IO 库中定义的 "**机器无关**" 的类，提供了表达 "**I/O 状态**" 的完整功能，存储了 I/O 类的所有条件状态位情况。 > [!NOTE] > - `std::ios` 是`std::istream` 和 `std::ostream` 的基类，**包含了用于格式化和控制流状态的常量和类型定义**； > - `s` 是 "**IO 流**" 对象，例如 `cin`、`cout`，检查函数是 "**IO 流对象**" 的成员函数。 > - 可**直接获取**流对象的标志位值，例如 `cin.goodbit`、`cin.failbit`； #### 文件结束标志 EOF > ❓文件结束标志 EOF 是什么？ ^no808o EOF（End Of File，**文件结束标志**）是一个**指示==文件或流已到达末尾==的状态标志**。当**输入流**到达文件尾时，会触发流结束标志 EOF。 ```cpp // 下方代码, 只要存在有效输入, 循环将无止境. // 直到文件尾, cin.get(ch)返回的cin对象带有EOF标志位, 被判定为False，循环终止; char ch; while (cin.get(ch)) { // process input } int ch; // 这里应当使用int而不是char, 因为值EOF可能无法用char类型表示; ch = cin.get(); while ((ch = cin.get()) != EOF) { //process input } ``` #### 如何在输入流中触发 EOF 标志 > ❓如何在标准输入流（控制台终端）中触发 EOF 标志？ ^snv0v5 对于键盘输入，键盘仿真的文件尾为： - `DOS` 和 `Windows` 命令提示符模式，为按下`Ctrl+Z`； - `^Z`（`ctrl+z` 在终端中显示的结果）**不会产生字符，是空字符**。 - **输入流的结束条件是：`^Z`之前没有任何字符输入（回车除外），否则`^Z` 起不到流结束的作用。** - 对于 Unix，为**在行首**按下 `Ctrl + D` `cin>>`， `cin.get(ch)` 遇见`EOF` 时结束输入。 > [!NOTE] windows 下通过 `ctrl+z` 模拟 EOF > > ![image-20230918185805392|875](_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-34FF5FFB0BC334DABD1F181B1ADD07A2.png) > ### 复位/置位函数 | 函数 | 函数说明 | | ------------------- | --------------------------------------------- | | `s.clear()` | **清除（复位）流 `s` 的所有错误状态**，返回 `void` | | `s.clear(flags)` | **清除（复位）** 所有标志位后，**将 flags 标志位置位**，返回 `void` | | `s.setstate(flags)` | **置位**流`s` 的 flags 标志位，返回 `void` | | `s.rdstate()` | **返回流 `s` 的当前条件状态**，返回类型为 `std::ios::iostate` | #### 示例 ```cpp // 置位EOF cin.setstate(std::ios::eofbit); // 清除所有标志位 cin.clear(); // 清除 // 清除fallbit与badbit, 而保留其它所有标志位(包括格式标志位) cin.clear(cin.rdstate() & ~cin.failbit & ~cin.badbit); // 清除eof, 而保留其它所有标志位(包括格式标志位) cin.clear(cin.rdstate() & ~cin.badbit); ``` ## 「I/O 格式标志位」 **==格式==标志位**（Format Flag）：控制输出输出**格式**，如进制、对齐方式、小数点位数等。一部分**格式标志位**及对应的**操控器**如下： | 控制标志位 | 标志位含义 | 操控器 Manipulator | | ---------------------- | -------------------- | ----------------- | | `std::ios::dec` | 十进制格式（默认） | `std::dec` | | `std::ios::hex` | 十六进制格式 | `std::hex` | | `std::ios::oct` | 八进制格式 | `std::oct` | | `std::ios::showbase` | 显示进制基数（例如`0x`） | `std::showbase` | | `std::ios::showpoint` | 强制显示浮点数的小数点 | `std::showpoint` | | `std::ios::uppercase` | 使用大写字母（例如，十六进制中的A-F） | `std::uppercase` | | `std::ios::scientific` | 科学计数法格式 | `std::scientific` | | `std::ios::fixed` | 定点格式 | `std::fixed` | | `std::ios::left` | 左对齐 | `std::left` | | `std::ios::right` | 右对齐 | `std::right` | | `std::ios::internal` | 符号位左对齐，其余部分右对齐 | `std::internal` | （操控器定义于 `<iomanip>` 头文件中） > [!NOTE] 格式控制相关的标志位大多 "**成对存在**"：设置/复原。 > > 例如，控制标志位 `std::ios::showbase` 与 `std::ios::noshowbase`， > 以及对应的操纵器 `std::showbase` 与 `std::noshowbase`。 ^nf6sxe ### 格式标志位访问控制函数参见 [^3] ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-6C66E49A9BDAC28575DDC6963B56FAD3.png|646]] #### 应用示例 > ❓ 如何暂存当前格式标志位、恢复之前的格式标志位？ ^ljdupg 示例：**暂存**旧的格式标志位、**修改**格式标志位、**恢复**此前暂存的格式标志位 ```cpp title:example.cpp using std::ios; using std::cout; // 暂存当前格式标志位 ios::fmtflags oldFlags = cout.flags(); // 修改 // 同时设置多个格式标志位 cout.setf(ios::showps | ios::showbase | ios::uppercase); // 清除basefield分组中的所有置位, 并置位hex cout.setf(ios::hex, ios::basefield); // 恢复此前的格式标志位 cout.flags(oldFlags); ``` # I/O 操纵符（Manipulator）「**操控器**（Manipulator）」是 C++标准库提供一类全局的**特殊对象**，用于： - 改变输入流的 "**输入解释方式**"； - 改变输出流的 "**输出格式化方式**"。 ## 操控器的运作原理 > ❓ I/O 流相关的操纵器 Manipulator 的原理是什么？ ^m99kh1 **操纵符**本质上都是 "**==函数==**"，这些函数或是**函数原型为 `iostream&(iostrea&)`**，或是返回一个 "**对象**" [^4] [^5]。 I/O 流类中重载了 `operator<<`，包括： - （1）**以 "函数指针 `ostrea& (*op)(ostream&)`" 为参数**，从而接受 "**操作符**"，并在内部通过 "**函数指针**" 进行调用：`(*op)(*this)` 。 - 例如，`std::cout << std::endl` **实际上是==函数调用==** `std::endl(std::cout)`。 - ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-0E3895EBC8BA1506BBFB4BEF0C76C6DE.png|715]] - （2）以 "**操纵符函数返回的==特定对象==**" 为参数 - 例如，`std::setw(n)` 返回一个特定的 `_Setw` 类型对象，而 I/O 类重载的 **`operator<<` 具有一个接收 `_Setw` 对象的版本**。 > [!example] `std::endl` 操纵符的函数定义 > > ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-D400C8DB33124079A25971EF937E5025.png|450]] > > [!example] `std::fixed`、`std::scientific` 操作符的函数定义 > > 格式控制相关的操纵符本质上都是 "**语法糖**"，内部通过调用 **IO 对象的 `.setf()` 方法**完成： > > ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-8B4B5B2F24C436B67ACB7C288DC18E40.png|504]] > > ^zfv7z4 > [!example] `std::setw()` 操作符的函数定义 > > - `std::setw()` 是个函数，**返回一个 `_Setw` 对象**； > - I/O 流类中为 `operator <<()` **重载了一个 `_Setw` 对象为参数的版本**。 > > ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-BEC7154DBCBAC6344903D7BDDA8AC77F.png|479]] > ## iostream 头文件中的操控器 `<iostream>` 头文件中定义了几个最基本的操控器： ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-77319518C67F9B32555FADDEA7F752A6.png|474]] `std::endl` 的作用是**向缓冲区中输出`\n`** 并**应用 `std::flush` 强制输出缓冲区所有数据**。参见 `<ostream>` 头文件中关于 `endl` 的声明： ```cpp _CRTIMP2_PURE inline basic_ostream<char, char_traits<char> >& __CLRCALL_OR_CDECL endl(basic_ostream<char, char_traits<char> >& _Ostr) { // insert newline and flush byte stream _Ostr.put('\n'); //换行 _Ostr.flush(); //刷新缓冲 return (_Ostr); } ``` ### 用于 "刷新输出缓冲区" 的操控器 > ❓ C++中用于 "刷新输出缓冲区" 的操控器？ ^zx67ht 输出流 `ostream` 会对**输出内容进行缓冲**，因此**输出内容可能不会立即给到输出设备（如显示器）**。 `flush`，`endl` ，`ends` 操控符用于**手动地刷新输出缓冲区**，实现输出。此外，还有 `unitbuf` 和 `nounitbuf` 操控器： - `unibuf`：设置后，每次执行 "写操作" 后都将自动进行一次 `flush` 操作； - `nounitbuf`：重置上述置位，恢复回正常的系统默认的缓冲区刷新机制。 ```c++ cout << unitbuf; // 此后所有输出操作后都会立即刷新缓冲区, 任何输出都立即输出, 无缓冲; cout << nounitbuf; // 回到正常缓冲方式 ``` > [!NOTE] > > 通常，不使用 `endl`、`flush` 也能正常即时输出，是因为在**系统较为空闲时候，会查看缓存区的内容，如果发现新的内容便会立即进行输出**。 > 然而，这一输出的时机是不确定的，与系统自身的运行状况有关。 > **通过 `endl`、`flush` 刷新缓存区则是强制性的**，为了避免极端情况下系统没有主动刷新输出流，在打印语句调试程序时，应当加入 `endl` 或 `flush`。 ## iomanip 头文件中的操控器 `<iomanip>` 头文件中提供了与 "**格式控制**" 相关的操控器。下图参见 [^4] [^6] ![[_attachment/02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明.assets/IMG-cpp-IO类说明-7860FE2AAEB8A886B69F2706A9A07112.png|579]] # I/O 格式化控制 > ❓ 如何对输出进行格式化？ ^107nq8 **格式化控制**，也即设置 "**格式标志位**" 的方式有 2 种： 1. 通过对应的 **==操控器 Manipulator==**； 2. 通过 I/O 流类的 **==格式控制成员函数==** - 无参格式标志位： `s.setf(flags)`、`s.flag(flags)`、`s.unsetf(flags)` - 带参格式标志位： `s.precision(n)` ![[02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明#^zfv7z4]] ![[02-开发笔记/01-cpp/输入输出相关/cpp-IO类说明#^nf6sxe]] ##### 示例示例：设置 "**固定小数点后两位**" ```cpp #include <iostream> #include <iomanip> using namespace std; double db = 123.456789; // 1.通过 "操控器" 设置格式标志位 void exam1() { cout << fixed << setprecision(2); // 设置定点格式 & 精度为2 cout << db << endl; } // 2.通过i/o流对象的成员函数设置格式标志位 void exam2() { cout.precision(2); // 设置精度为2; cout.setf(ios::fixed, ios::floatfield); // 设置为定点格式 } ``` # 参考资料参考： [进入缓冲区（缓存）的世界，破解一切与输入输出有关的疑难杂症](https://www.cnblogs.com/zjuhaohaoxuexi/p/16259442.html) [scanf 为毛要敲回车？——输入输出缓冲区，键盘缓冲区](https://momentonly.github.io/2020/05/19/C/%E9%94%AE%E7%9B%98%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA/) [理解缓冲区，字符 I/O和结束键盘输入](https://bbs.huaweicloud.com/blogs/354764) [一文带你读懂C/C++语言输入输出流与缓存区](https://www.eet-china.com/mp/a19757.html) [关于输入流状态函数cin.eof()的问题（转）](https://blog.csdn.net/liyang2010dd/article/details/18792419) # Footnotes [^1]: 《C++ 标准库（第二版）》P748 [^2]: 《C++ Primer》P279 [^3]: 《C++ 标准库（第二版）》P779 [^4]: 《C++ 标准库（第二版）》P775 [^5]: 《C++ Primer》P666 [^6]: 《C++ Primer》P670