第八章 IO库

前言

C++语言并不会直接处理输入输出，而是通过一族定义在标准库中的类型来处理IO。这些类型支持从设备中读取数据、向设备写入数据IO操作。设备可以是文件、控制台窗口等，还有一些类型允许内存IO。

IO库定义了读写内置类型值的操作。

8.1 IO类

在之前我们使用的IO类型和对象都是操作char数据且这些对象都是关联到用户的控制台窗口。但在实际开发中还不够，所以在C++的IO操作中还包括一下类型供开发者使用。

在头文件iostream定义了读写流的基本类型、fstream定义了读写命名文件的类型、sstream定义了读写内存string对象的类型。

为了支持宽字符的语言，标准库定义了一组类型与对象来操作wchar_t类型的数据。宽字符版本的类型和函数的名字以一个w开始。

从概念上讲，IO操作并不会因为设备类型和字符大小而受到影响。例如，我希望通过某个文件读取宽字符数据，其与在终端窗口读取普通字符数据其操作都是一致的，都是通过输入运算符>>
。那么这样就存在一个好处，我们可以忽略不同类型的流之间的差异（但并不是不存在差异），使得开发效率得到提高。

这种忽略流差异的技术通过继承机制（inheritance）实现，利用模板，通过使用具有继承关系的类使得我们忽略工作细节。

IO对象无拷贝或赋值

如标题，IO对象不存在拷贝或者赋值初始化的操作：

ofstream of_1,of_2;
of_1=of_2; /* 错误：无法对流对象进行赋值 */
ofstream print(ofstream); /* 错误：无法初始化ofstream参数 */
of_2=print(of_2); /* 错误：无法拷贝流对象 */

由此引申出，无法将返回类型或者形参设置为流类型，同时由于读写一个IO对象会改变其状态，所以常常使用引用方式传递和返回流且此引用不能为const。

状态条件

IO操作并不是万无一失的，其潜在可能发生的错误，有一些错误能够较为容易修复，但是有一些错误其可能在系统层面，其修复的范围远远超过应用层面，这时就需要一些IO操作上的函数或者标志来帮助程序确定IO操作状态，其称为访问和操作流的
条件状态（condition state)。

strm是一种IO类型，s为流

当一个流发生错误，那么后续的IO操作都会失败，为了程序的健壮性，通常需要使用流之前判断其是否处于良好状态。最简单的方式：

 while(cin>>word)
    /* ok,next */

当流出现问题，我们肯定希望查询到错误原因，这个时候就需要依赖条件状态，IO库定义了一个与机器相关的iostate类型，其提供表达流状态的完整功能，作为一个位集合使用。通过位运算符进行一次性检测或者设置多个标志位。

具体来讲：

• badbit，系统级错误，例如：不可恢复的读写错误。当badbit被置位，流就无法再使用
• failbit，发生可恢复错误，例如：期望读取数值结果读取字符，当错误被修复，流还可以使用。
• 当读取文件结束，eofbit和failbit都会被置位，goodbit值为0,表示流未发生错误。
• 如果badbit、failbit和eofbit任意一个被置位，则检测状态的条件会失败。

在上述描写到，IO库定义的一系列查询标志位的函数，当错误位被置位时其对应的函数就会返回true，注意一点，无论是badbit还是eofbit还是其本身failbit被置位，都会同时触发fail()
函数，所以在上述判断流状态的条件代码实际等价于!fail()。

管理条件状态

在上述列表上介绍了四种管理条件状态的函数，我们可以使用clear()清除所有错误标志位，也可以使用clear(flags)清除指定的错误标志位，例如：

/* 假设cin出现所有的错位状态位 */
/* 希望复位单一状态位 */
cin.clear(cin.rdstate()&~cin.failbit&~cin.badbit);

我们可以通过读取当前状态，例如上述代码，我们就可以复位failbit和badbit，但是eofbit保持不变。

管理输出缓冲

每个输出流都管理一个缓冲区，用来保存程序读写的数据。

缓冲机制的存在可以带来很大的性能提升，操作系统可以将（多个）程序的（多个）输出操作组合成为单一的系统级别写操作。

例如：

cout<<"hello";
cout<<"world";
cout<<endl;
cout<<"!";

在前两行表达式就是将输出操作组合在一起，都存放在缓冲区。第三行则进行缓冲区的刷新，那么第四行表达式中数据就和前两行数据不存放在一起（前两行数据已经被刷新掉了）。

导致缓冲刷新的原因有很多，例如：

• 程序正常结束，作为main函数的return操作的一部分，缓冲刷新将会被执行
• 缓冲区已满，后入的数据只有在刷新缓冲区后才能继续写入缓冲区
• 使用操作符endl显式刷新缓冲区
• 在每个输出操作之后，使用操作符unitbuf设置流的内部状态，借此清空缓冲区
  • 默认情况下，对cerr是设置unitbuf的，因此写到cerr的内容都是立即刷新的
• 一个输出流可能被关联到另一个流
  • 当读写被关联的流时，关联到的流的缓冲区会被刷新。例如，默认情况下，cin和cerr都关联到cout。因此，读cin或者写cerr都会导致cout的缓冲区被刷新。

刷新输出缓冲区

在此之前，我们使用操作符endl来进行换行和刷新缓冲区（当时我们可能还没注意到endl具有刷新缓冲区的功能）。类似的，IO库中还存在flush和ends两种操作符也可以执行刷新操作。

flush刷新缓冲区，但是不输出任何额外的字符（类似endl但不换行）；ends向缓冲区插入一个空字符，然后刷新缓冲区。

如果想要在每次输出操作后都执行刷新缓冲区的操作，那么我们可以使用unitbuf操作符。它告诉流在接下来的每次写操作之后都会进行一次flush操作。nounitbuf操作符则是重置流，使其恢复使用正常的系统管理的缓冲区刷新机制。

cout<<unitbuf; /* 下面所有的输出操作均会立即刷新缓冲区 */
/* .... */
cout<<nounitbuf; /* 回到正常的缓冲方式 */

注意

如果程序崩溃，输出缓冲区是不会被刷新的

如果程序异常终止，其缓冲区不会被刷新。其所输出的数据很可能停留在输出缓冲区中等待打印

注意这个细节，如果我们调试一个已经崩溃的程序，需要检查认为已经输出的数据确实已经被刷新了，否则追踪一个没有价值的代码是毫无意义的。

关联输入和输出流

当一个输入流被关联到一个输出流时，任何试图从输入流读取数据的操作都会先刷新关联的输出流。

在IO库中，cin默认已经和cout关联在一起，也就是说当执行cin语句时，在此之前的cout的缓冲区
将会被刷新。

开发

交互式系统通常应该关联输入流和输出流。这意味着所有的输出，包括用户提示信息，都会在读操作之前被打印出来。

我们可以通过tie函数关联流。

cin.tie(&cout); /* 将cin和cout关联 */
cin.tie(nullptr); /* cin不再和其他流关联 */
cin.tie(&cerr); /* cin与cerr关联 */

8.2 文件输入输出

在IO库中，头文件fstream定义了三个类型来支持文件IO操作。

• ifstream，从给定文件读取数据
• ofstream，向给定文件写入数据
• fstream，向给定文件读写数据

ifstream继承于iostream，所以常规操作与cin和cout对象操作类似，同样可以使用IO运算符（<<和>>)来读写文件，也可以使用getline从一个ifstream读取数据。

除此之外，fstream还具有一些自己独特的操作：

使用文件流对象

当打算读取某个文件时，我们需要定义一个文件流对象，并将其与文件关联起来。每个文件流对象都定义了一个open成员函数，其完成一些系统相关的操作（定位给定文件，视情况打开读或写模式）

创建文件流对象，我们可以选择提供文件名（当然，也可以后续提供）。如果提供一个文件名，那么open将会自动调用。

ifstream input(ifile); /* 构造一个ifstream并打开给定文件 */
ofstream output; /* 构造一个ofstream对象，并未关联文件 */

文件名可以是string对象，也可以是C风格字符数组。在C++11版本之前仅允许C风格字符数组。

用fstream代替iostream&

在前文提到，在要求使用基类型对象的地方，我们可以用继承类型的对象来代替。也就是说，在一个接受iostream类型引用（指针）参数的函数，可以使用一个对应的fstream（或者sstream）类型来调用。

成员函数open和close

在前文提到，我们可以定义一个文件流对象，但不将其与文件关联起来。

关联文件使用文件流对象的成员函数open，

ifstream input(ifile); /* 构造一个ifstream并给定文件 */
ofstream output; /* 构造一个ofstream对象，但不关联文件 */
output.open(ifile); /* 关联指定文件 */

但一个文件流已经被打开了，那么其就保持与对应文件的关联。这个时候，希望再次调用成员函数open将会失败且failbit会被置位。如果希望文件流关联另一个文件，需要关闭已经关联的文件。这个时候就需要用到成员函数close。

input.close(); /* 关闭文件 */
input.open(ifile_1); /* 关联另一个文件 */

如果open成功，那么open将会设置流的状态，这个时候IO库条件状态good()将会为true。

当一个fstream对象离开其作用域，与之关联的文件会自动关闭。当一个fstream对象被销毁时，close会自动调用。

开发

由于调用open可能会失败，所以在进行open时应该习惯于进行是否成功的检测。

文件模式

每个文件流都有一个关联的文件模式（file mode），用来指出如何使用文件

每个文件流类型都定义了一个默认的文件模式。ifstream默认以in模式打开，ofstream默认以out模式打开，fstream默认以in和out模式打开。

无论那种方式打开文件，我们都可以指定文件模式。当然指定是有限制的：

• 只可以对ofstream或者fstream对象设定out模式
• 只可以对ifstream或者fstream对象设定in模式
• trunc模式的设定前提是out模式被设定
• app模式设定前提是trunc模式没有被设定。在app模式下，即便没有显式指定out模式，文件也总是以输出方式被打开
• 默认情况下，out模式打开的文件是会被截断的（即便没有设定trunc），如果想要保留则需要指定app模式，或者同时指定in模式，使打开文件同时进行读写操作
• ate和binary模式可用用于任何类型的文件流对象，且可以与其他任何文件模式组合使用

在上文我们提到out模式默认会截断，即清空文件已有数据。所以如果希望保留则需要显式指定app或者in模式。

8.3 string流

sstream头文件定义了三种类型来支持内存IO。

和fstream和iostream类似，sstream的三种类型分别对string读取数据、写入数据和读取写入数据：istringstream、ostringstream、stringstream。

当然，除了继承iostream的操作，sstream也具有对内存IO类型的特殊操作：

当我们的某些工作是对整行文本进行处理，而其他工作是处理行内的单个单词时，通常考虑使用istringstream。

当我们逐步构造输出，希望最后一起打印时，ostringstream通常是我们的一般解。

总结

fstream和sstream都继承于iostream，所以在操作上三者具有很多相同点。

对于声明在语句外的流，可以通过在语句块内部使用clear函数解决EOF问题。

条件状态的特性需要记牢！

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