C++程序设计：I/O流

输入/输出（I/O）用于完成数据传输。C++语言支持两种I/O，一种是C语言中的I/O函数，另一种是面向对象的I/O流类库。本章将针对C++中I/O流类库及其使用进行详细讲解。

一、I/O流类库

I/O流类库是C++标准库的重要组成部分，它主要包括ios类库和streambuf类库。其中，ios类库提供流的高级I/O操作，streambuf类库主要负责缓冲区的处理，下面将分别介绍ios类库和streambuf类库。

3.1、ios类库

ios类库以ios类为基类，ios类是一个抽象类，提供了输入/输出所需的公共接口，如设置数据流格式、错误状态恢复、设置文件的输入/输出模式等。ios类库的层次结构如图下所示。

由图可知，抽象基类ios类派生了2个类，分别是istream类和ostream类，其中istream类是输入流类，ostream类是输出流类，它们定义了输入流和输出流的基本特性。istream类和ostream类又派生了多个类，具体介绍如下。

• ifstream类：文件输入流类，支持文件的读操作。
• ofstream类：文件输出流类，支持文件的写操作。
• istringstream类：字符串输入流类，支持字符串的输入操作。
• ostringstream类：字符串输出流类，支持字符串的输出操作。
• fstream类：文件输入/输出流类，支持文件的读写操作。
• stringstream类：字符串输入/输出流类，支持字符串的输入和输出操作。

3.2、streambuf类库

streambuf类库以streambuf类为基类，streambuf类是一个抽象类，提供了缓冲区操作接口，如设置缓冲区、从缓冲区提取字节、向缓冲区插入字节等。streambuf类库的层次结构如下图所示。

由图可知，streambuf类派生了3个类，分别是stdiobuf类、filebuf类、stringstreambuf类。其中，stdiobuf类用于标准I/O缓冲区管理，filebuf类用于文件缓冲区管理，stringstreambuf类用于内存缓冲区管理。

二、标准I/O流

标准输入流和标准输出流的一系列操作方法都是由istream和ostream两个类提供的，这两个类继承自抽象基类ios，它们预定义了标准输入流对象和标准输出流对象，并且提供了多种输入/输出方法。本节就针对标准输入流和标准输出流进行详细的讲解。

2.1、预定义流对象

C++提供了四个预定义流对象，包括cin、cout、cerr和clog。cin是istream类的对象，用于处理标准输入（键盘输入）。cout、cerr和clog是ostream类的对象，其中，cout用于处理标准输出（屏幕输出），cerr和clog用于处理标准错误信息。

cerr与clog用法相同，默认设备都是显示器。clog有缓冲区，而cerr没有缓冲，意味着cerr输出的信息会直接发送给屏幕，不会等到缓冲区填满或遇到换行符才输出错误信息。

关于四个预定义流对象的信息如下表所示。

2.2、标准输出流

ostream类重载了“<<”运算符，输出流对象与“<<”运算符结合使用，可以输出各种类型的数据。此外，ostream类还提供了成员函数用于输出数据，比较常用的两个成员函数为put()函数和write()函数，下面分别进行讲解。

2.2.1、put()函数

put()函数用于输出单个字符。put()函数将字符插入输出流对象，通过输出流对象将字符输出到指定位置。其函数声明如下所示：

ostream& put(char ch);

上述函数声明中，参数ch表示要输出的字符，函数返回值为ostream类对象引用。由于put()函数返回的是输出流对象，因此put()函数与输出运算符“<<”一样，可以连续调用。

下面调用put()函数输出单个字符，示例代码如下所示：

2.2.2、write()函数

2.3、标准输入流

istream类预定义了输入流对象cin，并且重载了“>>”运算符，输入流对象与“>>”运算符结合使用，可以输入各种类型的数据。此外，istream类还提供了成员函数用于输入数据，如get()函数、getline()函数、read()函数等，下面分别介绍这些函数。

2.3.1、get()函数

2.3.2、getline()函数

2.3.3、read()函数

三、文件流

文件流，是指以磁盘中的文件作为输入、输出对象的数据流。输出文件流，是将数据从内存输出到文件中，这个过程通常称为写文件；输入文件流，是将数据从磁盘中的文件读入内存，这个过程通常称为读文件。本节将针对文件流进行详细讲解。

3.1、文件流对象的创建

在C++中，要进行文件的读写操作，首先必须建立一个文件流对象，然后把文件流对象与文件关联起来（打开文件）。文件流对象与文件关联之后，程序就可以调用文件流类的各种方法对文件进行操作了。

C++提供了三个类支持文件流的输入、输出，这三个类都包含在fstream头文件中。

• ifstream：输入文件流类，用于实现文件的输入。
• ofstream：输出文件流类，用于实现文件的输出。
• fstream：输入/输出文件流类，可同时实现文件的输入和输出。

文件流不像标准I/O流那样，预定义了输入流对象和输出流对象，使用文件流时，需要创建文件流对象。创建文件流对象时，可以调用文件流类的无参构造函数，也可以调用文件流类的有参构造函数，具体如下所示。

（1）调用无参构造函数创建文件流对象。ifstream类、ofstream类和fstream类都提供了无参构造函数，可以创建不带参数的文件流对象，示例代码如下所示：

// 定义一个文件输入流对象
ifstream ifs;

// 定义一个文件输出流对象
ofstream ofs;

// 定义一个文件输入、输出流对象
fstream fs;

（2）调用有参构造函数创建文件流对象。ifstream类、ofstream类和fstream类也提供了有参构造函数，在创建文件流对象时可以指定文件名和文件打开模式，示例代码如下所示：

ifstream ifs("filename", ios::in)
ofstream ofs("filename", ios::out)
fstream fs("filename", ios::in|ios::out)

ifstream类默认文件打开模式为ios::in，ofstream类默认文件打开模式为ios::out，fstream类默认文件打开模式为ios::in|ios::out。

3.2、文件的打开与关闭

文件最基本的操作就是打开和关闭，在对文件进行读写之前，需要先打开文件；读写结束之后，要及时关闭文件。下面将针对文件的打开与关闭进行讲解。

3.2.1、打开文件

C++提供了两种打开文件的方式：第一种方式是调用文件流类的构造函数；第二种方式是调用文件流类的成员函数open()。其中，第一种文件打开方式（调用文件流类的构造函数）就是在创建文件流对象时传入文件名和文件打开模式，这种方式在上节已经讲解过了。下面主要讲解第二种文件打开方式（调用open()函数）。

fstream类、ostream类和fstream类都提供了成员函数open()用于打开文件，open()函数声明如下所示：

void open(const char* filename, int mode);

在上述函数声明中，参数filename表示要打开的文件；参数mode表示文件打开模式。文件打开模式，是指以什么方式打开文件，如只读模式、只写模式等。C++常用的文件打开模式及含义如下表所示。

此外，文件打开模式可以通过位或运算符“|”组合使用，示例代码如下所示：

// 创建文件流对象
ofstream ofs;
// 多种打开模式组合使用
ofs.open("Hello.txt", ios::in|ios::out|ios::binary);

如果文件打开失败，则文件流对象的值为0。

3.2.2、关闭文件

文件使用完毕之后，要及时关闭。关闭文件就是解除文件与文件流对象的关联，释放缓冲区和其他资源的过程。

ifstream类、ostream类和fstream类都提供了成员函数close()用于关闭文件，close()函数声明如下所示：

void close();

close()函数没有参数和返回值，用法也很简单，直接通过文件流对象调用close()函数就可以关闭文件。

3.2.3、案例

下面通过案例演示，文件的打开与关闭。首先在项目根目录下创建文本文件hello.txt，然后编写代码，调用open()函数打开hello.txt文件，再调用close()函数关闭hello.txt文件，代码如下所示。

#include<iostream>
#include<fstream>
using namespace std;

int main()
{
  // 创建输入流对象
  ifstream ifs;
  // 以只读方式打开文件hello.txt
  ifs.open("hello.txt", ios::in);
  if(ifs)
    cout<<"文件打开成功"<<endl;
  else
    cout<<"文件打开失败"<<endl;
  // 关闭文件
  ifs.close();

  return 0;
}

上述代码，第8行代码创建ifstream类对象ifs。第10行代码通过对象ifs调用open()函数打开hello.txt文件。第11～14行代码判断文件打开是否成功，如果文件打开失败，就输出“文件打开失败”；如果文件打开成功，就输出“文件打开成功”。第16行代码通过对象ifs调用close()函数关闭文件。

3.3、文本文件的读写

对文本文件的读写，C++提供了两种方式，第一种方式是使用提取运算符“>>”和插入运算符“<<”，第二种方式是调用文件流类的成员函数。下面分别介绍这两种读写方式。

3.3.1、使用提取运算符“>>”和插入运算符“<<”读写文件

istream类重载了“>>”运算符，ifstream类继承了istream类，也继承了“>>”运算符；ostream类重载了“<<”运算符，ofstream继承了ostream类，也继承了“>>”运算符。istream类和ostream类共同派生了iostream类，而fstream类又继承自iostream类，因此fstream类同时继承了“>>”运算符和“<<”运算符。

由上述继承关系可知，文件流对象也可以使用“>>”运算符和“<<”运算符传输数据，实现文本文件的读写。

下面通过案例演示，使用“>>”运算符和“<<”运算符读写文本文件，示例如下。

#include<iostream>
#include<fstream>
using namespace std;

int main()
{
  // 创建文件流对象，并以只写模式打开
  ofstream ofs("hello.txt", ios::out);
  if(!ofs)
  {
    cout<<"写文件时，文件打开失败"<<endl;
    exit(0);
  }
  // 定义数组str
  char str[1024]={0};
  cout<<"请输入要写入文件的数据："<<endl;
  // 从键盘输入数据并存储到str数组
  cin>>str;
  // 将数组str中的数据写入文件
  ofs<<str;
  cout<<"文件写入成功"<<endl;
  // 关闭文件
  ofs.close();

  // 创建文件流对象，并以只读模式打开
  ifstream ifs("hello.txt", ios::in);
  if(!ifs)
  {
    cout<<"读文件时，文件打开失败"<<endl;
    exit(0);
  }
  // 定义数组buf
  char buf[1024]={0};
  // 将文件内容读入buf
  ifs>>buf;
  cout<<"文件读取成功，内容如下："<<endl;
  // 输出数组buf中的数据
  cout<<buf<<endl;
  // 关闭文件
  ifs.close();

  return 0;
}

上述代码，第8行代码创建了ofstream类对象ofs，并以只写模式打开项目根目录下的hello.txt文件。第15～18行代码定义字符数组str，并通过预定义流对象cin从键盘输入数据并存储到str数组中。第20行代码使用对象ofs和“<<”运算符将str数组中的数据写入文件中。第23行代码调用close()函数关闭文件。

第26行代码创建了ifstream类对象ifs，并以只读模式打开hello.txt文件。第33行代码定义了字符数组buf。第35行代码使用对象ifs和“>>”运算符将文件中的数据读取到buf数组中。第38～40行代码输出buf数组中的数据，并关闭文件。

3.3.2、调用文件流类的成员函数读写文件

文件流类继承了istream类和ostream类的成员函数get()、getline()和put()，通过调用这些成员函数，文件流对象也可以完成文件的读写。

下面就通过案例演示，调用文件流类的成员函数实现文件的读写，示例如下。

#include<iostream>
#include<fstream>
using namespace std;

int main()
{
  // 创建文件流对象，并以只写模式打开
  ofstream ofs("hello.txt", ios::out);
  if(!ofs)
  {
    cout<<"写文件时，文件打开失败"<<endl;
    exit(0);
  }
  cout<<"将26个字母写入文件"<<endl;
  char ch1='a';
  for(int i=0;i<26;i++)
  {
    // 调用put()函数将字母写入文件
    ofs.put(ch1+i);
  }
  cout<<"文件写入成功"<<endl;
  // 关闭文件
  ofs.close();

  ifstream ifs("hello.txt",ios::in);
  if(!ifs)
  {
    cout<<"读文件时，文件打开失败"<<endl;
    exit(0);
  }
  cout<<"文件读取成功，内容如下："<<endl;
  char ch2;
  // 调用get()函数将字母读取到ch2变量中
  ifs.get(ch2);
  // 循环读取剩余字母
  while(!ifs.eof())
  {
    // 输出ch2的值
    cout<<ch2;
    ifs.get(ch2);
  }
  // 关闭文件
  ifs.close();

  return 0;
}

上述代码，第8行代码创建了ofstream类对象ofs，并以只写模式打开项目根目录下的hello.txt文件。第16～2-行代码通过for循环调用put()函数将26个小写字母写入文件。第23行代码调用close()函数关闭文件。

第25行代码创建了ifstream类对象ifs，并以只读模式打开hello.txt文件。第36～41行代码通过while循环调用get()函数读取文件中的数据。第43行代码调用close()函数关闭文件。

注：上述代码，调用get()函数从文件中读取数据，也可以调用get()函数的其他重载形式，或调用getline()函数读取文件中的数据。

3.4、二进制文件的读写

文件流类从istream类和ostream类分别继承了write()函数和read()函数，这两个函数可以用来读写二进制文件。下面通过案例演示，二进制文件的读写，示例如下。

#include<iostream>
#include<fstream>
using namespace std;

struct Student
{
  // 姓名
  char name[20];
  // 年龄
  int age;
  // 性别
  char sex;
};

int main()
{
  // 定义学生结构体数组，大小为3
  Student stus[3];
  cout<<"请输入3个学生的信息:\n(姓名 年龄 性别) "<<endl;
  // 通过for循环从键盘输入学生信息
  for(int i=0;i<3;i++)
  {
    cin>>stus[i].name>>stus[i].age>>stus[i].sex;
  }
  // 创建输出文件流对象，以二进制、写入模式打开二进制文件student.dat
  ofstream ofs("student.dat", ios::out|ios_base::binary);
  if(!ofs)
  {
    cerr<<"写入时，文件打开失败"<<endl;
    exit(0);
  }
  // 通过for循环将3个学生的信息写入文件
  for(int i=0;i<3;i++)
  {
    // 调用write()函数写入数据，每次写入一个学生信息
    ofs.write(reinterpret_cast<char*>(&stus[i]), sizeof(stus[i]));
    ofs.flush();
  }
  // 关闭文件
  ofs.close();
  cout<<"写入成功"<<endl<<"读取文件:"<<endl;
  // 创建输入文件流对象，以二进制、写读模式打开二进制文件student.dat
  ifstream ifs("student.dat", ios::in|ios_base::binary);
  if(!ifs)
  {
    cout<<"读取时，文件打开失败"<<endl;
    exit(0);
  }
  // 定义学生结构体数组，存储读取的文件内容
  Student stus1[3];
  for(int i=0;i<3;i++)
  {
    // 调用read()函数读取数据，每次读取一个学生信息
    ifs.read(reinterpret_cast<char*>(&stus1[i]), sizeof(stus1[i]));
    cout<<stus1[i].name<<" "<< stus1[i].age<<" "<<stus1[i].sex<<endl;
  }
  // 关闭文件
  ifs.close();

  return 0;
}

上述代码，第5～13行代码定义了学生结构体Student，该结构体包含姓名、年龄、性别3个成员。第18～24行代码定义了Student结构体数组stus，大小为3，并通过键盘输入3个学生信息。第26～40行代码创建ofstream类对象ofs，以ios::out|ios::binary模式打开项目根目录下的student.dat文件。在for循环中通过调用write()函数将stus数组中3个学生的信息写入文件，并关闭文件。

第41～58行代码创建ifstream类对象ifs，以ios::in|ios::binary模式打开student.dat文件。在for循环中通过调用read()函数将文件中数据读取到学生结构体数组stus1中，并关闭文件。

需要注意的是，上述代码，每次读写一个结构体变量，由于read()函数和write()函数的第一个参数为char*类型，因此在传递参数时，需要调用reinterpret_cast<>运算符将Student结构体变量的地址转换成char*类型。

3.5、文件随机读写

在C语言中实现文件的随机读写要依靠文件位置指针，在C++中文件的随机读写也是通过移动文件位置指针完成的。

C++文件流类提供了设置文件位置指针的函数。ifstream类提供了tellg()函数、seekg()函数，这两种函数声明分别如下所示：

// 注：streampos和streamoff是C++标准库重定义的数据类型。
streampos tellg();
istream& seekg(streampos);
istream& seekg(streamoff, ios::seek_dir);

在上述函数声明中，tellg()函数用于返回文件位置指针的位置。seekg()函数用于设置文件位置指针的位置，即移动文件位置指针，它有两种重载形式。第一种重载形式有一个参数streampos，表示文件位置指针从文件开头移动streampos长度的距离；第二种重载形式有两个参数，第一个参数streamoff表示文件位置指针的移动距离，第二个参数ios::seek_dir表示参照位置，其取值有以下三个。

• ios::beg=0，表示从文件开头处开始，移动文件位置指针。
• ios::cur=1，表示从当前位置开始，移动文件位置指针。
• ios::end=2，表示从文件结尾处开始，移动文件位置指针。

tellg()函数与seekg()函数的用法示例代码如下：

// 创建输入文件流对象ifs
ifstream ifs("a.txt");

// 调用tellg()函数，获取文件位置指针
ifs.tellg();

// 将文件位置指针移动20个字节
ifs.seekg(20);

// 将文件位置指针从文件末尾处向前移动20个字节
ifs.seekg(-20,ios::end);

ofstream类提供了tellp()函数、seekp()函数用于移动文件位置指针，这两种函数声明分别如下所示：

streampos tellp();
ostream& seekp(streampos);
ostream& seekp(streamoff, ios::seek_dir);

tellp()函数与tellg()函数的含义与用法相同，seekp()函数与seekg()函数的含义与用法相同。fstream类则拥有上述所有函数，即拥有tellg()函数、seekg()函数、tellp()函数和seekp()函数。

下面通过案例演示，文件的随机读写，示例如下。

#include<iostream>
#include<fstream>
using namespace std;

int main()
{
  // 创建输出文件流对象ofs
  ofstream ofs("random.dat", ios::out|ios::binary);
  if(!ofs)
  {
    cout<<"写入文件时，文件打开失败"<<endl;
    exit(0);
  }
  // 
  cout<<"文件打开时，文件位置指针的位置："<<ofs.tellp()<<endl;
  
  cout<<"请输入数据："<<endl;
  // 定义字符数组buf
  char buf[1024]={0};
  // 将从键盘输入的数据存储到buf中
  cin.getline(buf,1024,'/');
  // 调用write()函数将buf中的数据写入文件
  ofs.write(buf,30);
  cout<<"写入完成后，文件位置指针的位置："<<ofs.tellp()<<endl;

  // 移动文件位置指针
  ofs.seekp(-10,ios::end);
  cout<<"移动指针之后，文件位置指针的位置："<<ofs.tellp()<<endl;

  return 0;
}

上述代码，第8行代码创建了输入文件流对象ofs，并以ios::out|ios::binary模式打开文件random.dat。第15行代码调用tellp()函数获取文件位置指针的位置。第19～23行代码定义字符数组buf，将从键盘输入的数据存储到buf中，并调用write()函数将buf中的数据写入文件中。第24行代码调用tellp()函数再次输出文件位置指针的位置。第27～28行代码调用seekp()函数，将文件位置指针从文件末尾向前移动10个字节，然后再次调用tellg()函数输出文件位置指针的位置。

上述代码，刚打开文件时，文件位置指针的位置为0，即文件位置指针在文件开头；向文件写入30个字符之后，文件位置指针的位置为30，表明文件位置指针指向文件末尾；调用seekp()函数移动文件位置指针之后，文件位置指针的位置为20（相对于文件开头），表明seekp()函数调用成功。

四、字符串流

字符串流是以string对象为输入/输出对象的数据流，这些数据流的传输在内存中完成，因此字符串流也称为内存流。C++提供了istringstream、ostringstream和stringstream这三个类支持string对象的输入/输出。这三个类都由istream类和ostream类派生而来，因此它们都可以使用“>>”运算符和“<<”运算符，以及istream类和ostream类的成员函数。下面简单介绍这三个类。

提示：在C++98标准之前，C++使用istrstream、ostrstream和strstream三个类完成string对象的输入/输出，但从C++98标准开始，这三个类被弃用了，取而代之的是istringstream类、ostringstream类和stringstream类。

4.1、istringstream类

istringstream是输入字符串流类，用于实现字符串对象的输入。istringstream类的构造函数有三个，具体如下所示：

istringstream(openmode=ios_base::in);
istringstream(const string& str, openmode=ios_base::in);
istringstream(istringstream&& x);

第一个构造函数带有一个默认参数openmode，表示流的打开方式，默认值为ios_base::in。第二个构造函数带有两个参数，第一个参数str为string对象的常引用；第二个参数openmode是流的打开模式，默认值为ios_base::in。第三个构造函数为移动构造函数。

istringstream类的一个典型用法就是将一个数字字符串转换成对应的数值。相比于C语言的数字和字符串转换函数，istringstream类具有模板亲和性，转换效率更高而且更安全。

下面通过案例演示，如何将数字字符串转换成对应的数值，示例如下。

#include<iostream>
#include<sstream>
using namespace std;

// 定义模板函数：将一个数字字符串转换成对应的数值
template<class T>
inline T swapString(const string& str)
{
  // 创建istringstream类对象istr
  istringstream istr(str);
  // 定义变量t
  T t;
  // 将对象istr中的数据输入t中
  istr>>t;
  // 返回t
  return t;
}

int main()
{
  // 将字符串"10"转换成数值10
  int num=swapString<int>("10");
  cout<<"num="<<num<<endl;
  // 将字符串"3.14"转换成数值3.14
  double d=swapString<double>("3.14");
  cout<<"d="<<d<<endl;
  // 将字符串"abc"转换成float类型
  float f=swapString<float>("abc");
  cout<<"f="<<f<<endl;

  return 0;
}

上述代码，第6～17行代码定义了模板函数swapString()，用于将字符串转换为对应的数值。第22～23行代码，调用swapString()函数将字符串“10”转换为int类型数据10，并输出。第25～26行代码，调用swapString()函数将字符串“3.14”转换为double类型数据，并输出。第28～29行代码，调用swapString()函数将字符串“abc”转换为float类型数据，并输出。

需要注意的是，istringstream类、ostringstream类和stringstream类都包含在sstream头文件中，使用这三个类时要包含sstream头文件。

4.2、ostringstream类

ostringstream是输出字符串流类，用于实现字符串对象的输出。ostringstream类也提供了三个构造函数，分别如下所示：

ostringstream(openmode=ios_base::out);
ostringstream(const string& str, openmode=ios_base::out);
ostringstream(ostringstream&& x);

ostringstream类构造函数的参数含义与istringstream类构造函数的参数含义相同。除了构造函数，ostringstream类还提供了一个比较常用的成员函数str()。str()函数用于获取ostringstream流缓冲区中的内容副本，函数声明如下所示：

string str() const;

str()函数获取ostringstream流缓冲区的数据后，并不对数据进行修改，获取的数据可以存储到一个string对象中。

下面通过案例演示，ostringstream类和str()函数用法，示例如下。

#include<iostream>
#include<sstream>
using namespace std;

int main()
{
  // 创建ostringstream类对象ostr
  ostringstream ostr;
  // 创建string类对象str
  string str;
  
  cout<<"请输入一个字符串: "<<endl;
  // 调用getline()函数从键盘为str输入内容
  getline(cin,str);
  // 将str内容插入到ostr类对象中
  ostr<<str;
  // 调用str()成员函数，获取ostr对象缓冲区内容
  string result=ostr.str();
  cout<<result<<endl;

  return 0;
}

上述代码，第8行代码创建了ostringstream类对象ostr。第10行代码创建了string类对象str，第14行代码从键盘输入数据存储到str中。第16行代码使用插入运算符“<<”将str中的数据插入类对象ostr中。第18～19行代码，通过对象ostr调用str()函数获取对象ostr的缓冲区内容并输出。

4.3、stringstream类

stringstream类是输入/输出字符串流类，可同时实现字符串对象的输入/输出。stringstream类也提供了三种形式的构造函数，分别如下所示：

stringstream(openmode=ios_base::in|ios_base::out);
stringstream(const string& str, openmode=ios_base::in|ios_base::out);
stringstream(stringstream&& x);

stringstream类构造函数的参数含义与istringstream类构造函数的参数含义相同。stringstream类包括了istringstream类与ostringstream类的功能。

五、参考

[《C++程序设计教程》](《C++程序设计教程（第2版）》电子书在线阅读-黑马程序员　编著-得到APP (dedao.cn))