IO流（C++）

1. IO流的基本概念

1）什么是流（Stream）？

流是一种数据传输的抽象概念，表示数据从一个地方流向另一个地方的过程。可以将流比作一条管道，数据就像水一样通过它流动。

输入流（Input Stream）：数据从外部设备（如键盘、文件）流入到程序。
输出流（Output Stream）：数据从程序流出到外部设备（如屏幕、文件）。

2）IO流的作用

简化数据的输入输出操作。抽象化底层设备操作，提供一致的编程接口。通过多态和继承实现灵活扩展，比如文件流、自定义流等。

3）IO流的分类

标准IO流：负责与控制台交互的数据流，如cin, cout, cerr。
文件IO流：用于处理文件的输入输出，如ifstream, ofstream, fstream。
字符串流：处理内存中的字符串数据，如istringstream, ostringstream, stringstream（位于<sstream>中）。

4）流的特点

类型安全：通过流操作符和函数模板，避免了直接操作设备带来的风险。
支持链式操作：如cout << "Hello" << " World" << endl;。
可扩展性：通过继承和多态，可以自定义流类型以满足特殊需求。
状态管理：流提供了一组状态标志（如eof, fail），方便检测操作是否成功。

2. 标准输入

在使用C++标准输入流（std::cin）时，需要注意以下几点：
*以下的代码中均包含<iostream>的头文件，展开std的命名空间

a. 流的状态管理

std::cin 在读取数据时可能会遇到错误，这时需要检查和处理流的状态：

常见状态标志：

eof()：是否到达输入结束标志（End of File）。
fail()：是否发生了格式化错误。更广泛的错误状态，包括“bad”错误和其他非严重错误。
bad()：是否发生了不可恢复的输入输出错误。
good()：流是否处于正常状态。

示例：

int main() {
    int num;
    cout << "Enter a number: ";
    cin >> num;

    if (cin.fail()) 
        cout << "Invalid input! Please enter a valid number." << endl;
    else 
        cout << "You entered: " << num << endl;
    return 0;
}

b. 输入缓冲区的处理

std::cin 会从输入缓冲区读取数据。如果缓冲区中有多余的数据，可能会导致意外行为：

如果输入了错误的类型（如输入字母而不是数字），缓冲区会保留错误数据，导致后续输入失败。
std::cin.ignore() 可以丢弃缓冲区中的多余数据。

示例：

int main() {
    int num;
    cout << "Enter a number: ";
    cin >> num;

    if (cin.fail()) {
        cin.clear();              // 清除错误状态
        cin.ignore(100, '\n');    // 丢弃缓冲区中多余的数据
        cout << "Invalid input. Try again." << endl;
    } else {
        cout << "You entered: " << num << endl;
    }
    return 0;
}

如果输入数据的类型与预期不符，std::cin 会进入失败状态，导致后续读取失败。

使用显式类型转换或验证输入类型可以避免这类问题。

示例：

int main() {
    int num;
    cout << "Enter a number: ";
    while (!(cin >> num)) {    // 输入非数字时失败
        cin.clear();           // 清除错误状态
        cin.ignore(100, '\n'); // 丢弃缓冲区内容
        cout << "Invalid input. Please enter a number: ";
    }
    cout << "You entered: " << num << endl;
    return 0;
}

c. 读取整行输入

使用 std::cin 读取字符串时会遇到问题，因为它只读取空格前的部分，遇到空格就停止读入。如果需要读取整行，可以使用 std::getline()。

在混合使用 std::cin 和 std::getline() 时，需要注意缓冲区中可能残留换行符。

示例：

#include <string>

int main() {
    string name;
    int age;

    cout << "Enter your age: ";
    cin >> age;                 // 读取年龄

    cin.ignore();               // 清除换行符
    cout << "Enter your name: ";
    getline(cin, name);         // 读取整行

    cout << "Hello, " << name << ". You are " << age << " years old." << endl;
    return 0;
}

d. 输入流同步问题

默认情况下，std::cin 和 C 风格的输入（如 scanf）是同步的，可能会影响性能。

如果只使用 C++ 风格的流操作，可以通过 std::ios::sync_with_stdio(false) 关闭同步以提高速度。 std::ios::sync_with_stdio(false) 被调用来关闭同步，然后程序分别使用C++的IO流和C语言的IO函数输出信息。由于关闭了同步，两个输出的顺序可能不确定。

示例：

int main() {
    ios::sync_with_stdio(false); // 关闭同步
    cin.tie(nullptr);            // 解绑 `cin` 和 `cout`
    
    int num;
    cout << "Enter a number: ";
    cin >> num;
    cout << "You entered: " << num << endl;
    return 0;
}

e. 特殊输入情况

Ctrl+D（Linux/macOS）或 Ctrl+Z（Windows）：表示输入结束（EOF）。
空输入：需要额外处理，例如在读取整行时判断空行。

3. 标准输出

在使用 C++ 标准输出流（std::cout）时，有一些重要的注意点和技巧，可以帮助更高效地进行输出操作，同时避免潜在问题。
*以下的代码中均包含<iostream>的头文件，展开std的命名空间。

a. 输出格式控制

使用 流操纵符（Manipulators）可以调整输出格式：

std::endl：换行并刷新缓冲区。
std::setw(n)：设置字段宽度（需要引入 <iomanip>）。
std::setprecision(n)：设置浮点数精度。
std::fixed 和 std::scientific：控制浮点数的输出格式。

示例：

#include <iomanip>

int main() {
    double num = 3.14159265358979;

    cout << "Default: " << num << endl;
    cout << "Fixed: " << fixed << setprecision(2) << num << endl;
    cout << "Scientific: " << scientific << num << endl;

    cout << setw(10) << 42 << endl; // 设置字段宽度
    return 0;
}

b. 缓冲区与刷新

自动刷新：std::endl 除了换行，还会刷新缓冲区（flush 操作）。
- 刷新操作可能会降低性能，因此如果仅需换行，建议使用 \n。

手动刷新：可以用 std::cout.flush() 手动刷新缓冲区。

示例：

int main() {
    cout << "Processing..." << flush; // 不换行，立刻输出
    // 模拟延迟
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        cout << "." << flush;
    }
    cout << "\nDone!" << endl;
    return 0;
}

c. 标准错误输出

使用 std::cerr 进行错误消息输出：
- 不带缓冲区，因此输出效率较高，适合实时错误提示。

使用 std::clog 进行日志记录：

带缓冲区，适合输出非关键的日志信息。

示例：

int main() {
    cerr << "Error: Something went wrong!" << endl;
    clog << "Log: Program started." << endl;
    return 0;
}

d. 国际化支持

C++ 支持基于本地化的输出，例如数字和货币格式。

使用 std::locale 可以改变流的本地化行为。

示例：

#include <locale>

int main() {
    cout.imbue(locale("en_US.UTF-8")); // 使用美国英语本地化
    cout << 1234567.89 << endl;
    return 0;
}

常见问题总结

缓冲区刷新：避免过度使用 std::endl 影响性能，尽量使用 \n 或显式刷新。
混用 printf 和 std::cout：如无必要，建议避免混用，或关闭同步确保性能。
格式控制：注意浮点数精度与字段宽度设置，避免输出不符合预期。

通过正确管理 std::cout，可以确保输出高效且美观，同时避免常见的输出问题。

以下是对 C++ 文件 IO 流 的详细介绍：

4. 文件IO流

a. 文件 IO 流的基本概念

文件流是 C++ 提供的用于对文件进行输入输出操作的机制，主要包含以下三种流类：
- std::ifstream：输入文件流，用于从文件中读取数据。
- std::ofstream：输出文件流，用于向文件中写入数据。
- std::fstream：文件流，可以同时支持文件的输入和输出操作。
文件流通过继承自标准流（如 std::istream 和 std::ostream）来复用流操作功能。

b. 文件流状态检查

文件流提供状态检查方法以确保文件操作的正确性：

is_open()：检查文件是否成功打开。
eof()：是否到达文件末尾。
fail()：是否发生格式化错误。
bad()：是否发生严重错误。
good()：是否一切正常。

示例：

std::ifstream inputFile("example.txt");
if (!inputFile.is_open()) {
    std::cerr << "Failed to open the file." << std::endl;
}

c. 文件操作的基本步骤

文件操作通常包括以下步骤：

c.1 打开文件

使用构造函数打开文件：

std::ifstream inputFile("example.txt");   // 打开文件进行读取
std::ofstream outputFile("output.txt");  // 打开文件进行写入
std::fstream file("data.txt", std::ios::in | std::ios::out); // 读写模式

使用 open() 方法打开文件：

std::ifstream inputFile;
inputFile.open("example.txt");

std::ofstream outputFile;
outputFile.open("output.txt");

打开模式（std::ios 标志）：
- std::ios::in：读模式（默认用于 std::ifstream）。
- std::ios::out：写模式（默认用于 std::ofstream）。
- std::ios::app：追加模式。
- std::ios::ate：打开文件并将文件指针移到末尾。
- std::ios::binary：二进制模式。
- std::ios::trunc：如果文件存在，则清空文件内容。

c.2 读写文件

写文件（std::ofstream 或 std::fstream）：

std::ofstream outputFile("output.txt");
if (outputFile.is_open()) {
    outputFile << "Hello, World!" << std::endl;
    outputFile.close();
}

读文件（std::ifstream 或 std::fstream）：

std::ifstream inputFile("example.txt");
if (inputFile.is_open()) {
    std::string line;
    while (std::getline(inputFile, line)) {
        std::cout << line << std::endl;  // 打印每一行
    }
    inputFile.close();
}

c.3 关闭文件

文件操作完成后需要关闭文件以释放资源：
```
inputFile.close();
outputFile.close();
```

d. 二进制文件操作

对于二进制文件，使用 read() 和 write() 方法。

示例：

#include <fstream>
using namespace std;

struct Data {
    int id;
    char name[50];
};

int main() {
    Data d = {1, "Alice"};

    // 写入二进制文件
    ofstream outFile("data.bin", ios::binary);
    if (outFile.is_open()) {
        outFile.write(reinterpret_cast<char*>(&d), sizeof(d));
        outFile.close();
    }

    // 从二进制文件读取
    Data readData;
    ifstream inFile("data.bin", ios::binary);
    if (inFile.is_open()) {
        inFile.read(reinterpret_cast<char*>(&readData), sizeof(readData));
        inFile.close();
    }

    cout << "ID: " << readData.id << ", Name: " << readData.name << endl;
    return 0;
}

e. 文件流中的高级功能

e.1 文件指针的操作

文件流支持文件指针的移动：
- seekg(offset, dir)：移动输入指针。
- seekp(offset, dir)：移动输出指针。
- tellg()：获取输入指针的位置。
- tellp()：获取输出指针的位置。
示例：
```
file.seekg(0, std::ios::end);  // 移动到文件末尾
auto fileSize = file.tellg(); // 获取文件大小
file.seekg(0, std::ios::beg); // 移回文件开头
```

e.2 自定义缓冲区

文件流允许使用自定义缓冲区来优化性能（较为高级）。

f. 常见问题与注意事项

未能打开文件：确保文件路径正确，必要时添加错误检查。
文件操作权限：在某些操作系统上需要检查文件的读写权限。
覆盖文件内容：std::ofstream 默认会覆盖文件内容，如需追加，使用 std::ios::app 模式。
二进制与文本模式的区别：文本模式可能会对换行符进行转换，而二进制模式不会。

g. 综合示例

以下是一个综合的文件读写示例：

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

int main() {
    // 写文件
    ofstream outFile("example.txt");
    if (outFile.is_open()) {
        outFile << "Hello, World!" << endl;
        outFile << "This is a test file." << endl;
        outFile.close();
    } else {
        cerr << "Failed to open file for writing." << endl;
    }

    // 读文件
    ifstream inFile("example.txt");
    if (inFile.is_open()) {
        string line;
        while (getline(inFile, line)) {
            cout << line << endl; // 输出每一行
        }
        inFile.close();
    } else {
        cerr << "Failed to open file for reading." << endl;
    }

    return 0;
}

【总结】文件 IO 流是 C++ IO 系统的重要组成部分，提供了对文件的高效操作支持。在实际应用中，合理利用文件流可以极大提高程序的功能和鲁棒性。

如果记不住的话，可以在需要用的时候再回来查，记得收藏一波不迷路哦~