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【C++】一文掌握C++中的IO流

24 人参与  2024年09月07日 15:25  分类 : 《休闲阅读》  评论

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迷茫时,坚定地对自己说: 当时的梦想,我还记得。 --- 宫崎骏 ---

一文掌握C++中的IO流

1 C语言中的输入与输出2 流是什么3 C++中的IO流3.1 IO流3.2 输出格式的设置3.3 C++IO的性能3.4 文件流的操作3.5 string类的IO

1 C语言中的输入与输出

C语言中我们用到的最频繁的输入输出方式就是scanf ()printf()

scanf(): 从标准输入设备(键盘)读取数据,并将值存放在变量中。printf(): 将指定的文字/字符串输出到标准输出设备(屏幕)。注意宽度输出和精度输出控制。

C语言借助了相应的缓冲区来进行输入与输出。如下图所示:

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对输入输出缓冲区的理解:
1.可以屏蔽掉低级I/O的实现,低级I/O的实现依赖操作系统本身内核的实现,所以如果能够屏蔽这部分的差异,可以很容易写出可移植的程序。
2.可以使用这部分的内容实现“行”读取的行为,对于计算机而言是没有“行”这个概念,有了这部分,就可以定义“行”的概念,然后解析缓冲区的内容,返回一个“行”。

C语言提供了多样化的接口,对于文件输入输出提供了fprintffscanf。对于字符串的输入输出提供了sprintf sscanf 等接口:
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2 流是什么

流:即是流动的意思,是物质从一处向另一处流动的过程,是对一种有序连续且具有方向性的数据( 其单位可以是bit byte packet )的抽象描述。

C++流是指信息从外部输入设备(如键盘)向计算机内部(如内存)输入和从内存向外部输出设备(显示器)输出的过程。这种输入输出的过程被形象的比喻为

它的特性是:有序连续、具有方向性

为了实现这种流动,C++定义了I/O标准类库,这些每个类都称为流/流类,用以完成某方面的功能

3 C++中的IO流

3.1 IO流

我们来看一下C++中的IO流对象体系:

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ios_base类是基类,ios类继承了ios_base。通过Ios又分别设置了两个子类istreamostream 。这两个类分别都有一个实例对象cincout!此外ostream还要标准错误cout和日志输出clog。除了标准IO外,istreamostream还有子类:文件流和string流,来提供特殊的使用!

C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog,使用cout进行标准输出,即数据从内存流向控制台(显示器)。使用cin进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中,同时C++标准库还提供了cerr用来进行标准错误的输出,以及clog进行日志的输出,从上图可以看出:cout、cerr、clog是ostream类的三个不同的对象,因此这三个对象现在基本没有区别,只是应用场景不同!

再来看operator bool , 这个保证了流输入输出可以转换为bool进行一个判断。在输出输入出错时可以进行一个判断。而operator bool 会去检查四个标志值,按照对应映射返回truefalse:

goodbit : 表示一切正常!eofbit:读取到结束,会设置这个比特位!failbit:发生一些基本的逻辑错误,会设置这个比特位!badbit:发生不可修复的错误,会设置这个比特位!一般不会遇到种错误
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我们来看一下这四个标志:
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可以看到,在输入到x的时候,循环退出了,这时可以看到fail被设置了,也就是出现了逻辑错误,因为一个字符不能被int读取。出错之后,可以通过clear接口进行清空,然后在通过getx读取走, 这样就可以恢复正常了!当然为了保证防止输入了一个字符串,就需要通过不断的进行判断,保证字符都被读走!

3.2 输出格式的设置

上面提及了:get() clear() good()...接口,下面我们来认识一下关于输出格式的接口:

width():这个接口可以获取或设置字符宽度

通过streamsize width (streamsize wide);可以设置下一次输出的字符宽度,也是下次最少输出多少个字符。可以通过streamsize width() const;获取当前的字符宽度!
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precision:这个接口可以获取或设置浮点精度

通过streamsize precision() const;可以设置下一次输出的浮点精度。可以通过streamsize precision (streamsize prec);获取当前的浮点精度!
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flags可以通过设置和获取对应标记位,来控制输出格式!可以通过这个接口来控制输出2进制,8进制,16进制,左右对齐,显式数字格式前缀,显式正负号等功能!十分强大!

C++风格的输出是比较繁琐的,我们遇到复杂的输出时,可以使用C风格的输出格式,更加简约,代码可读性也更高!

3.3 C++IO的性能

C++为了兼容C语言,会做出一些妥协优化。C语言的缓冲区只有遇到刷新标志时才会进行刷新,而如果printf缓冲区还没有刷新,我们使用cout会出现什么情况?会先把printf缓冲区刷新出来,再打印cout输出的内容,所以cout之前会先对缓冲区进行检查!所以C++风格IO需要和C风格IO进行缓冲区同步!

并且iostream库中的缓冲区通常是动态分配的,而stdio库中的缓冲区通常是静态分配的。动态分配和释放内存比静态分配内存要慢。

在上面的输出格式中我们看到iostream库支持丰富的格式化选项,C++风格IO需要再运行时进行解析处理,但是C风格IO在编译时就已经确认好输出格式了,这减少了运行时的开销。

对于有大量IO的场景,C++的IO效率会比C风格IO慢,可以使用下面三行代码来进行优化:

ios_base::sync_with_stdio(false);cin.tie(nullptr);cout.tie(nullptr);
ios_base::sync_with_stdio(false);
这行代码的作用是取消 C++ 的 iostream 库与 C 的 stdio 库的同步。通过将 sync_with_stdio 设置为 false,可以解除这种同步,从而提高 I/O 的性能。但是,这样做之后,就不能在同一个程序中混合使用 iostreamstdio 函数了,因为它们不再保持同步。cin.tie(nullptr);
在默认情况下,cincout 是绑定在一起的,这意味着每次读取 cin 或写入 cout 后,都会立即刷新 cout 的缓冲区。这确保了输入输出操作的顺序性,但可能会导致性能下降。通过将 cin 的绑定解除,可以防止在每次读取输入时自动刷新输出缓冲区,从而提高性能。cout.tie(nullptr);
类似于对 cin 的操作,这行代码将 cout 的绑定解除。默认情况下,coutcin 绑定,当 cin 被读取时,cout 的缓冲区会被刷新。将 cout 的.tie()设置为 nullptr,可以防止 coutcin 被读取时自动刷新,从而提高性能。

3.4 文件流的操作

对于文件的读取写入,可以使用ifstreamofstream,或者直接使用fsteam(继承了ifstreamofstream)。

open:打开文件,可以设置对应的打开方式和C语言很类似。

打开方式功能
inInput mode (输入模式)。打开文件用于输入操作
outOutput mode (输出模式)。打开文件用于输出操作
appAppend mode (追加模式)。在每次写入时,数据将被追加到文件的末尾,而不是覆盖现有内容
binaryBinary mode (二进制模式)。以二进制方式打开文件,不进行任何字符转换。这对于非文本文件(如图像或可执行文件)是必要的。
ateAt end mode (文件末尾模式)。打开文件时,文件指针定位到文件末尾。
truncTruncate mode (截断模式)。如果文件已经存在,则在打开时将其长度截断为0,即删除文件中的所有内容

打开文件之后就要进行写入或者读取了:

写入操作可以使用<<进行流写入,也可以通过write写入一个缓冲区字符串。读取操作可以通过>>来一个一个字符读取,也可以通过read直接读取到缓冲区中。
int main(){//写入ofstream ofs( "file.txt" , std::ios_base::out | std::ios_base::trunc);char buffer1[128];int cnt = 0;while (cnt < 100){snprintf(buffer1, 128, "cnt: %d \n", cnt);ofs.write(buffer1, strlen(buffer1));cnt++;}//关闭文件,不在进行写入ofs.close();//读取ifstream ifs("file.txt", ifstream::in);char ch = ifs.get();//读取到有效字符就进行打印while (ifs.good()){cout << ch;ch = ifs.get();}cout << endl;return 0;}

运行一下:
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很顺利的就进行写入和读取!

对于一些特殊的文件,比如音频和图片,就需要使用二进制读取和写入。如果不使用,就会可能会错误识别成无效字符直接就返回了!我们可以来尝试一下二进制读取图片,然后在写入到新的图片中,我们可以来试试可不可以进行成功拷贝:

#include<iostream>#include<fstream>using namespace std;int main(){//读取的图片ifstream ifs("图片.png", ifstream::in | ifstream::binary);//写入的图片ofstream ofs("copy.png", ofstream::out | ofstream::binary);int n = 0;char ch = ifs.get();while (ifs.good()){++n;ofs << ch;ch = ifs.get();}cout << n << endl;return 0;}

我们来看奥:
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可以看到二进制拷贝的一模一样奥!图片可以这样通过二进制拷贝,其他任何文件都可以通过二进制进行拷贝,毕竟万物皆为二进制嘛!

3.5 string类的IO

万物皆为二进制,但是如果两个文件/变量类型不一致时,进行读取写入肯定是会出错的!但是string进行二进制读写时就会崩溃!

因为string本质上是一个结构体,在内存中时以结构体储存的,而内部的字符串是一个指针,指向一个堆空间。如果将string以二进制写入,其实写入的是一个指针,等将其读取出来时,就会这个新指针指向原来的堆空间!这不就坏事了,两个string怎么能拥有同一片堆空间呢!

并且string写入并不会将字符串内容进行写入,只会写入指针!所以如果需要进行类对象的二进制读写时,在类内部就不要使用string,统一使用C风格的字符串!

如果进行文本读写,直接使用流插入,流读取很方便!这样就避免读写出内存中的那些数据!

C++中针对string提供了专门的IO流,针对string的读写,我们可以使用这个IO流。通过这个类,我们可以快速的对数据进行序列化和反序列化:

truct ChatInfo{string _name; // 名字int _id; // idstring _msg; // 聊天信息};int main(){// 结构信息序列化为字符串ChatInfo winfo = { "张三", 135246, "晚上一起看电影吧"};ostringstream oss;oss << winfo._name << " " << winfo._id << " "<< winfo._msg;string str = oss.str();cout << str << endl << endl;// 我们通过网络这个字符串发送给对象,实际开发中,信息相对更复杂,// 一般会选用Json、xml等方式进行更好的支持// 字符串解析成结构信息ChatInfo rInfo;istringstream iss(str);iss >> rInfo._name >> rInfo._id  >> rInfo._msg;cout << "-------------------------------------------------------"<< endl;cout << "姓名:" << rInfo._name << "(" << rInfo._id << ") ";cout << rInfo._name << ":>" << rInfo._msg << endl;cout << "-------------------------------------------------------"<< endl;return 0;}

这样就很顺利将复杂的数据统一成字符串进行发送!

stringstream实际是在其底层维护了一个string类型的对象用来保存结果。多次数据类型转化时,一定要用clear()来清空,才能正确转化,但clear()不会将stringstream底层的string对象清空。可以使用s. str("")方法将底层string对象设置为""空字符串。可以使用s.str()将让stringstream返回其底层的string对象。stringstream使用string类对象代替字符数组,可以避免缓冲区溢出的危险,而且其会对参数类型进行推演,不需要格式化控制,也不会出现格式化失败的风险,因此使用更方便,更安全。

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