By FunnyAWM
在 C++ 中，输入与输出流同样是由标准库提供的。其中包含负责输入输出到屏幕或文件的类的头文件有 iostream 与 fstream。这一章我们来详细讲解如何使用 C++ 中的 IO 功能。
1. C++ 的流缓冲区与 iostream
1. iostream 中的类与对象
在 iostream 头文件中，C++ 以以下方式实现了 IO 流类：
- 首先，我们有一个独立的 streambuf 类，这个类负责为 IO 流提供缓冲区内存，并提供了用于填充、访问、刷新、管理缓冲区的方法；
- 然后，ios_base 类表示了流的一般特征；
- 之后，ios 类基于 ios_base 类进行派生，其中包含了一个 streambuf 指针，这个指针指向的对象将作为这个 ios 对象的缓冲区；
- 然后，ostream 类和 istream 类分别继承了 ios 类，分别实现了输出方法与输入方法；
- 最后，iostream 多重继承了 ostream 与 istream，从这两个类中继承了输入与输出方法。
我们常用的 cout、cin 等就是这些类实例化的结果。那么到底有几个对象呢？这些对象都被用于做些什么？我们接下来一个一个来看：
- cin 用于标准输入流，其输入来源一般是标准输入设备（通常是键盘
） ； - cout 用于标准输出流，其输出目标一般是标准输出设备（通常是屏幕
） ； - cerr 用于标准错误流，其输出目标一般是标准输出设备（通常是屏幕
） ； - clog 同样用于标准错误流，输出目标同上。clog 与 cerr 的区别在于：cerr 没有缓冲区，一切由 cerr 处理的输出将直接被打印到屏幕上。
同时，这些对象都有一个宽变种，用于处理宽字符。
我们之前说过，iostream 中的输入与输出类通过重载了 <<与>> 运算符实现了输入与输出功能，同时由于这些重载返回的是 ostream 或 istream 对象，这也赋予了 cout 与 cin 拼接输出或输入的能力。
2. 缓冲区
为什么 cout、cin 等对象都要有缓冲区呢？其实这里的 streambuf 是一个独立的抽象基类，用于提供流缓冲区。缓冲区常被用于暂存从高速存储部分传入的数据，以低速存储部分能够接受的速度进行输出。例如在内存写回到硬盘时，硬盘一般会有一个高速缓冲区，用于暂存内存的数据，然后以硬盘的速度写入到硬盘。如果硬盘没有缓冲区的话，内存将被迫使用硬盘的速度进行数据写入，拖慢内存的运行效率。这种现象一般被描述为 “硬盘存在 IO 性能瓶颈
内存：我的很大（指数据硬盘：豪大大数据~ 豪大大数据~
而 cout、cin 等对象存在缓冲区的原因还有一个 —— 降低系统调用次数。操作系统的知识告诉我们，计算机操作系统的进程一般会分为两种状态：用户态与内核态。操作系统运行必要的应用程序一般都在内核态，而几乎一切外部组件与用户运行的程序都在用户态。这样做极大提高了操作系统内核的安全性，能够有效防止恶意程序直接向内核注入指定代码片段。系统调用的作用就是从用户态临时提升当前单个操作为内核态，然后调用内核对应的操作。如果没有缓冲区，cout 输出到屏幕的行为将导致程序频繁在用户态与内核态进行模式切换，显著降低了程序的运行效率。缓冲区的出现使得 C++ 程序能够在缓冲区满后再使用系统调用将当前缓冲区中的内容一次性输出到屏幕，显著降低了系统调用的次数。
对于 cout，缓冲区刷新的时机在输出到屏幕时一般为行缓冲，即遇到 endl 或 "\n" 时刷新缓冲区；而对于文件则是全缓冲，即在关闭文件或利用 flush 操作符手动刷新缓冲区时刷新缓冲区（此时 endl 可以刷新缓冲区，但 "\n" 不行
对于 cin，其缓冲区刷新时机默认使用了 tie 方法与 cout 绑定，这意味着在 cin >> 操作被执行之前，cout 的缓冲区会立刻刷新，以便用户看到提示信息。
3. 重定向
我们可以利用操作系统的能力来将程序的输出改变到文件或其他 IO 设备中。这种功能被称作重定向，在 Windows、MacOS 与 Linux 中都可以使用。一般使用 > 来改变输出到文件或其他 IO 设备，使用 < 来改变输入来源为文件或其他 IO 设备。这个过程是由操作系统完成的，与我们运行的 C++ 程序本身无关。
如何在 IDE 中实现重定向
在 Visual Studio 中，要实现程序输出重定向，只需要在项目属性中的调试选项中，添加命令参数即可。其他支持调整运行时参数的 IDE 基本都可以通过这种方式实现输入或输出的重定向。
4. cout 的高级应用
我们可以通过使用 dec、hex 与 oct 控制符来指定 cout 以十进制、十六进制或八进制输出，这样的设置仅影响整数输出。例如：
cout << hex; // 现在cout会输出十六进制整数需要注意的是：这种操作是持久的，在当前程序之后的执行中，cout 都会保持这个设置。
width 函数可以用于设定下一个输出的最小宽度。例如：
cout.width(4);
cout << 114 << endl;
cout << 114 << endl;
cout.width(4);
cout << 114514;这段代码的输出为：
114
114
114514由上面的输出可见，width 函数只影响接下来输出的一个项目，然后将最小宽度重置回默认值。同时我们可以发现，width 函数只是规定了输出的最小宽度，当输出的宽度大于这个设定的最小宽度，cout 也不会截断数据。
默认情况下，width 函数使用空格填充字符串前部来满足最小宽度要求。如果我们希望使用另外的字符填充，只需要调用 fill 函数即可。例如：
cout.width(4);
cout.fill('*');
cout << 114 << endl;
cout.width(4);
cout << 514 << endl;程序输出如下：
*114
*514由此可见，fill 方法与 hex 等控制符一样都是持久操作。
cout 的 precision 方法用于设定浮点数的允许输出位数，默认为 6 位。例如：
cout.setf(
std::ios::
showpoint); // 这一行设置cout强制显示小数点，当输出位数不满足precision要求时，会通过在后面补0来满足要求
cout.precision(4);
cout << 11.4 << endl;
cout.precision(2);
cout << 514.0 << endl;程序输出如下：
11.40
5.1e+02为什么第二个输出换用了科学计数法来输出数据呢？这是因为 precision 在默认浮点数格式下指定的是有效数字的总位数（包括整数部分和小数部分
setf 方法可以用于设置 cout 输出的格式。例如：
- boolalpha 可以设置 bool 值不以整数输出，而使用 true 与 false；
- showbase 可以设置输出使用基数前缀（例如我们之前已经见到过的 0x
） ； - showpoint 用于显示浮点数末尾的小数点；
- uppercase 用于设置十六进制输出与 e 表示法使用大写字母；
- showpos 用于在正数前加上正号。
利用 setf 修改的格式与 fill 一样是持久操作，不过 setf 执行的操作可以用 unsetf 来撤销，只需要传入相同的参数即可。同时，这些参数都可以通过输出控制符的方式来使用。
5. cin 的高级应用
可以调用 cin 的 getline 方法来获取整行输入（包括空格
char input[5];
cin.getline(input, 5);这种方法不适用于 string；对于 string，应直接调用 std::getline 方法，并设定 cin 为输入流。例如：
string str;
getline(cin, str); // 需要string头文件在 cin 中，有一个描述流状态的数据成员，由 3 个 ios_base 元素组成：eofbit、badbit 或 failbit。当 cin 尝试读取但流已经到文件末尾时会设置 eofbit，而操作未能获取到预期字符或 IO 操作失败时会设置 failbit，而在一些无法确定原因的错误破坏流时则会设置 badbit。
注意
由于一些编译器实现并不严格区分 failbit 与 badbit 的使用场合，在检查输入是否完整时，推荐使用 fail 函数把这两个位都检查一次。
可以调用 cin 的 good 函数来确定是否设置了这 3 位的任意一位。如果这 3 位都没有被设置，那么 good 函数将返回 true；当 eofbit 被设置时，调用 eof 方法将返回 true；对 bad 与 fail 方法的调用同理。可以调用 clear 方法来清理这 3 个位，以便执行后续操作（例如重新读取等
exception 方法可以设置一个异常掩码，当流状态中对应位被设置时，自动抛出 std::ios_base::failure 异常。只需要写以下代码：
cin.exception(ios::badbit |
ios::failbit); // 当badbit和failbit被设置时抛出异常这样当这些位被设置时就会抛出一个 std::ios_base::failure 异常。可以使用 rdstate 函数获取这 3 个位的状态，它返回一个 iostate 值。
当输入触发了 failbit 或者 badbit 时，有什么方式能够恢复 cin 的使用呢？正确方法是使用 clear 方法与 ignore 方法直接跳过这个异常输入。例如：
int value;
while (!(cin >> value)) {
cin.clear(); // 清除错误状态
cin.ignore(); // 忽略错误字符
cout << "请输入有效数字: ";
}2. C++ 的文件 IO
1. 如何使用文件 IO
在 C++ 中，由于我们拥有了针对流对象的 IO，针对文件的 IO 也只是复用了这些接口而已。区别在于，要实现文件 IO，我们就不能使用 ostream 和 istream 了 ——C++ 标准库中有一个 fstream 文件，我们需要使用里面的 ofstream 与 ifstream 类。例如：
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
using std::cout;
using std::endl;
using std::ifstream;
using std::ofstream;
using std::string;
int main() {
ofstream fout;
fout.open("output.txt");
fout << "Hello World!";
fout.close();
ifstream fin;
fin.open("output.txt");
string line;
getline(fin, line);
fin.close();
fin.clear();
cout << "文件中的内容：" << line << endl;
}这样我们就实现了一个完整的程序功能，这个程序将 "Hello World!" 写入到程序目录中的 output.txt 文件中，然后再使用 ifstream 来读取它。
2. 文件 IO 的高级操作
1. 读写模式
在 C++ 的文件 IO 中，我们有一个虚拟的指针概念，它指向了这个文件中的内容。它的作用有点像 Word 等字编辑器中的光标，准备往文件指针的位置插入或从文件指针的位置向前或向后读取文件内容。在读取文件时，我们可以通过为文件 IO 流类构造时指定一些读取模式参数来实现对文件指针的控制。例如：
ifstream fin("output.txt",
ios_base::in |
ios_base::binary); // 打开文件，针对二进制文件读
ofstream fout(
"input.txt",
ios_base::out |
ios_base::
trunc); // 打开文件以写入，如果文件已经存在则直接截断（清空文件内容）各常量及其意义如下：
| 常量 | 含义 |
|---|---|
| ios_base::in | 打开文件以读取 |
| ios_base::out | 打开文件以写入 |
| ios_base::ate | 打开文件并移动到文件尾 |
| ios_base::app | 追加到文件结尾 |
| ios_base::trunc | 如果文件存在则截断（清空）文件 |
| ios_base::binary | 打开二进制文件 |
ate 标记打开文件并将文件指针移动到文件尾字符，而 app 标记会移动到文件尾后的一个字符，以便随时可以利用这个对象进行写入。
trunc 标记的语义为：如果文件不存在则新建文件，如果已经存在则直接截断文件。
[!ERROR] 警告 截断文件会直接抹除文件的所有内容，除非确定需要截断，否则不要使用 trunc 标记。
binary 标记用于写入二进制序列到文件，配合 reinterpret_cast 可以用于类或结构体的序列化与反序列化。例如：
// 假设我们这里有一个已经序列化的struct MyStruct
ifstream fin("snapshot.bin", ios_base::in | ios_base::binary);
MyStruct structSnapshot;
fin.read(reinterpret_cast<char *>(&structSnapshot), sizeof(MyStruct));[!ERROR] 警告 由于我们并不知道其他架构或同一架构下其他编译器的实现（例如内存对齐规则、字节序规则等
这种方式仅能用作同一平台的本地存储。强烈不建议使用这种方式进行跨设备数据传输。对于跨设备数据传输场合，使用 JSON 或 Protocol Buffers 等通用性更强的方案会更好。 ） ，
binary 标记还可以用于实现程序特有的二进制文件格式，例如 zip 格式使用的哈夫曼编码就可以通过这种方式进行写入。
2. 文件指针与随机文件 IO
我们之前讲到过，文件中存在一个文件指针，它的作用类似 Word 中的光标，用于定位操作点在文件中的位置。但是如果我们希望能够随意移动这个文件指针，如何操作呢？文件指针虽然类似常规指针，但我们无法直接操作文件指针，只能通过一些 ifstream 和 ofstream 的成员函数进行操作。使用什么成员函数呢？答案是 —— 使用 ssekp 或 seekg 函数。
1. seekg 与 seekp
在 seekg 与 seekp 中，用于移动文件指针需要的参数几乎是相同的 —— 使用文件指针的绝对位置或使用起始位置与偏移量的相对位置。这两个函数都允许使用单个参数调用，其含义为直接移动到参数指定的绝对位置（单位为字节
#include <fstream>
#include <iostream>
std::ifstream fin("data.bin", std::ios::binary);
fin.seekg(0, std::ios::beg); // 移动到文件头
fin.seekg(
0,
std::ios::end); // 移动到文件尾，此时可以获取文件大小，将在后续进行说明
fin.seekg(-5, std::ios::cur); // 文件指针向前移动5个字节
fin.seekg(3, std::ios::cur); // 文件指针向后移动3个字节从上面的代码中我们已经能够知道 seekg 函数的用法了。那么 seekp 的用法是什么样的呢？答案是 —— 两者的用法与参数相同。那么这两个函数有什么区别呢？答案是 —— 两个函数的使用场合不同。一般来说，seekg 函数用于 ifstream 等输入流，而 seekp 用于 ofstream 等输出流。
同时我们需要注意一点：当 ifstream 或 ofstream 使用了 app 模式打开文件时，文件每次在写入时文件指针都会回到 文件尾，此时的操作一般会无视 seekg 函数。ate 模式不受该限制影响。
2. tellg 与 tellp
之前我们说到，seek 系列函数在将文件指针移动到文件尾时可以获取文件大小。怎么做呢？答案是使用 tell 系列函数。tell 系列函数的限制与上述 seek 系列相同，相同的后缀也与上面对应。它返回一个 std::streampos 类型，用于存储文件在调用函数时的位置以及一些其他信息。如果需要取出偏移量整数用于其他处理，需要先转换为 std::streamoff 再使用 static_cast 转换为 long long 类型。
然而，在保存文件位置时，直接使用 streampos 类型传入 seekg 即可，seekg 可以自行处理这个文件位置并将文件指针放置在正确的位置，不需要转换为整数。例如：
std::streampos pos = fin.tellg(); // 记住当前位置
// ... 执行一些读取操作 ...
fin.seekg(pos); // 恢复到之前记住的位置