Stream

C vs. C++

C

在 C 语言中，I/O 使用 scanf() 和 printf()。

在运行时解析格式字符串，和给定的地址交互。

通常处于更底层、更快。

最底层的函数 fread() 和 read()，需要手写快速输入时使用。

缺点：几乎没有类型检查，没有面向对象的重载方法

C++

相比之下，C++ 的 stream 有更好的类型检查、可拓展性和面向对象风格。

缺点：通常更慢

C + C++

当一个 C++ 程序中使用了 C 风格的输入输出时，请不要再使用 C++ 风格的输入输出。

原因：若两种风格的输入输出不共用缓冲区，混用会导致输出的顺序和得到的结果的顺序不同。

声明

位置

交互的对象	头文件	输入类名	输出类名
通用（控制台）	`<iostream>`	`istream`	`ostream`
文件	`<fstream>`	`ifstream`	`ofstream`
字符串 `string`	`<sstream>`	`istringstream`	`ostringstream`

种类

输入类
- 从交互处读取数据，通过输入类传递给对象
- 重载了 >> 运算符
输出类
- 从需要输出的对象读取数据，传递给交互处
- 重载了 << 运算符
控制符
- 声明在 <iomanip> 中
- 用于控制输入输出的格式

文本流与二进制流

文本流指的是 ASCII、Unicode 或其他文本编码构成的字符数据流，文本流是特殊的二进制流。

以二进制方式读写文本流是允许的，反过来则不行。

文本流和二进制流的区别：

文本流的内容均为可读字符
文本流以行为单位
读取文本流的时候，内容可能被自动识别并修改（\n 可能是 0D MacOS、0A Unix 或 0D0A Windows）

使用

预定义的 stream

cin：标准输入，绑定到 stdin
cout：标准输出，绑定到 stdout
cerr：无缓冲的调试区输出，绑定到 stderr
clog：有缓冲的调试区输出，绑定到 stderr

#include <iostream>
#include <string>
int main(){
    int i;
    float f;
    char c;
    std::string str;
    std::cin >> str;
    std::cin >> i >> f;
    std::cout << str << ": " << i << " + " << f << '\n';
    std::cerr << "Byebye\n"; 
    return 0;
}

>>> Hello 4 3
<<< Hello: 4 + 3
<<< Byebye

如果在 Linux 下启动，还可以重定向：

./test 1>output 2>err

那么你可以分别在 output 和 err 文件中看见输出。

上文的 1 可以省略，它表示 stdout；2 表示 stderr；0 表示 stdin，且使用 < 而非 >。

预定义流的函数

`cin`

int get()：返回下一个字节，或者 EOF。
istream& get(char& ch)：读取下一个字节 cin >> get(ch);。
istream& getline(istream& is, string& str, char delim = '\n')：读取一行。
- 是自由函数
- 遇到 delimiter 停止
istream& getline(char* str, int size)：读取接下来 size 个字符。
- 是 istream 的成员
- 不推荐使用
void ignore(int limit = 1, int delim = EOF)：忽略接下来 limit 个字符。
- 是 istream 的成员
- 如果遇到 delimiter，将其忽略，然后停止
int gcount()：返回上一个操作读取字符的数量。
void putback(char ch)：将一个字符放回流中。
char peek()：返回下一个字符，但不读取它。

`cout`

void put(char ch)：将一个字符放入缓冲区。
void flush()：刷新缓冲区，将缓冲区中的字符全部打印。

对类重载

istream& operator>>(istream& is, T& obj){
    // code to read obj's members
    return is;
}

运算符的返回值一定是 istream&，这样才能允许连续读入。

格式化

使用控制符来格式化，代替格式字符串的格式控制功能。

std::cin >> std::hex >> n;

那么 n 输入的值应当被视为 16 进制，例如输入 12 会被视为 16 + 2 = 18。

通常控制符的效果是持续的，持续到下一次同类控制符生效。

预定义的控制符

控制符	控制流的类型	效果
`ws`	I	跳过空格
`setw(int)`	I/O	指定字段所占的宽度
`setfill(char)`	I/O	指定占位符
`hex`，`dec`，`oct`	I/O	指定输出的进制
`setbase(int)`	O	指定输出的进制
`setprecision(int)`	O	指定浮点数的输出精度
`endl`	O	换行，并刷新缓冲区
`flush`	O	刷新缓冲区

自定义控制符

ostream& tab(ostream& os){
    // ... any code
    os << '\t';
    return os;
}

这样就可以通过 os << tab 来使用控制符了。

格式标志

在 std::ios 空间下有一些格式标志，用于设置流的格式。

例如当设置了 std::ios::showpos 后，非负数在输出时会带上 +。

设置方法：

setf(flags)，unsetf(flags)：stream 的成员函数
setiosflags(flags)，resetiosflags(flags)：控制符

标志	意义
`skipws`	跳过前导空格
`left`，`right`	左右对齐
`scientific`	使用科学计数法表示浮点数
`fixed`	使用正常的计数方法表示浮点数
`hex`，`dec`，`oct`	数值的进制
`showbase`	显示数值的进制
`showpoint`	总是显示小数点
`showpos`	在非负数前显示 +
`uppercase`	大写显示科学计数法的 E 和 16 进制的 X
`internal`	在符号和数值之间插入字符

实际上，流内部的状态用一个 32 位二进制表示，每一个标志对应 32 位二进制上的一位，该位为 1 表示标志有效，0 表示无效。

所以 setf() 时可以将不同的标志或起来。

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
int main(){
    cout.setf(ios::showpos | ios::scientific);
    cout << 123 << " " << 456.78 << endl;
    cout << resetiosflags(ios::showpos) << 123 << endl;
    return 0;
}

状态机

cin 的四个状态：

good：正常工作
bad：读取内容时出错，可能是网络断开、文件无法打开、文件损坏等
fail：操作错误，想读取一个整数，结果下一段内容是字符串
eof：End of File，表示文件内容读取完毕

cin.clear()：将 cin 重置为 good。

注意重置之后并不改变流内的内容。如果需要重新输入，请配合 ignore() 使用。

cin.good() cin.bad() cin.fail() cin.eof()：返回一个布尔值，表示 cin 是否为该状态。

cin 重载了operator int() 为 cin.good()，所以 if(cin) 等价于 if(cin.good())。

fstream

打开模式

在 C 风格的文件 I/O 中，我们使用字符串 w+、rb 等来指定文件打开的模式；

对于 ifstream 和 ofstream，我们使用标志来完成这个任务。

和前面的标志类似，这些标志声明在 std::ios 中，可以或运算。

模式	意义
`app`	每次输出都在文件末尾追加
`ate`	在文件末尾打开
`binary`	二进制输入输出
`in`	读取文件
`out`	写入文件
`trunc`	打开前丢弃流的内容
`noreplace` (C++23)	如果已经存在文件，抛出异常

使用

简单情况下，我们可以直接使用构造函数：

ifstream fin1("id.txt"); // default ios::in
ifstream fin2("key.txt", ios::binary | ios::in);
ofstream fout("name.txt", ios::app | ios::out); // default ios::out

当然我们可以使用两步构造。第二步，打开文件的成员是 open(const char*, int flags)：

ifstream fin;
fin.open("key.txt", ios::binary | ios::in);
ofstream fout;
fout.open("name.txt", ios::app | ios::out);

关闭文件流使用 close() 即可：

fout.close();