序 流和缓冲区

流(stream)的概念

流是一种抽象，它负责在数据的生产者和数据消费者之间建立联系，并管理数据流动。
对于程序而言，文件对象有的特征流对象也有。所以程序将流对象看作文件对象的化身。

• 提取和插入：

一般意义的读操作在流数据抽象中被称为(从流中)提取，写操作被称为(向流中)插入。

缓冲区(Buffer)

• 缓冲区用途：

通常，使用缓冲区可以更高效地处理输入和输出。缓冲区是用作中介的内存块，它是信息从设备传输到程序或者从程序传输到设备的临时存储工具。

CRE：主要是因为设备和程序的读写速度、读写方式不匹配。例如磁盘如果要逐字节读取是不现实的。

• 缓冲区刷新(Flush)：

输出时，程序首先填满缓冲区，然后再把整块数据传输给硬盘，并清空缓冲区，以备下一批输出使用。这被称为Flush缓冲区。

对于键盘输入，C++程序通常在用户按下回车键时Flush缓冲区。
对于屏幕输出，C++程序通常在用户发送换行符时Flush缓冲区。

iostream管理流和缓冲区

相关类定义：

iostream(以前为iostream.h)文件中包含一些专门设计用来管理流和缓冲区的类。

• streambuf类：为缓冲区提供了内存，并提供了用于填充缓冲区、访问缓冲区内容、flush缓冲区和管理缓冲区内存的方法。

• ios_base类：表示流的一般特征，如可否读写、二进制流还是文本流。

• ios类：基于ios_base，包括了一个指向streambuf对象的指针成员。

• ostream类：派生自ios，提供了输出方法。

• istream类：派生自ios，提供了输入方法。

• iostream类：基于istream和ostream，因此继承了输入方法和输出方法。

对象代表流：

当iostream文件为程序声明cout或者cin对象时，该对象将包含存储了与输入输出相关的信息的数据成员，还有缓冲区streambuf的指针。

• cin对象：对应标准输入流。默认情况下关联到标准输入设备（通常为键盘）。处理wchar_t类型的为wcin对象。
• cout对象：对应标准输出流。默认情况下关联到标准输出设备（通常为显示器）。wchar_t对应的是wout对象。
• cerr对象：标准错误流。没有被缓冲，直接发送给屏幕不会等待缓冲区填满或者换行符。clog对象：这个流被缓冲。

第一节 输出流

重要的三个输出流

ostream:(包含文件ostream)（基类） 预定义的ostream类对象cout\cerr\clog用来向标准设备的输出。（默认输出到屏幕）

ofstream:(包含文件fstream) ofstream支持磁盘文件输出。可以接受二进制或者文本模式数据。（基类ios和ostream的所有功能可以用于ofstream类对象）

ostringstream:(包含文件sstream) 字符串流类。

使用插入运算符«和操纵符

操作符<<默认含义是左移位运算符，但是ostream重定义了这个运算符，方法是将其重载为输出（即插入运算符）。很多操纵符都定义在ios_base类中，以及ismanip头文件中。

插入运算符被重载，使之能识别C++中的所有基本类型：unsigned char、signed char、char、short、unsigned short 、int、unsigned int、long、unsigned long、long long、float、double、long double等。

输出字符串和指针：

C++用指向字符串位置的指针来表示字符串，所以下面所有cout语句都会显示字符串。

char name1[10] = "ABC...";
char * name2 = "BCD..";
cout << "CDE...";
cout << name1;  
cout << name2;  

要显示字符串地址，必须转换为其他指针类型。

cout << (void*)str << endl;  

拼接输出：

插入运算符的返回是ostream&，所以可以实现拼接输出。

其他ostream方法：

其他显示方法：out.put(char)和cout.write(const char*, streamsize)。

Flush缓冲区：

1. 换行符endl会flush缓冲区。
2. 控制符flush会flush缓冲区。(cout << x << flush;)
3. 多数C++实现都会在输入即将发生时候flush缓冲区。
4. 可以调用flush(cout)来flush缓冲区。

格式：

• 显示时使用的：

使用例如hex(cout)或者cout << hex。
（控制符实际上是函数，但是通常使用方式为cout<<hex）

ios_base::dec十进制格式化数值 ios_base::oct八进制格式化数值 ios_base::hex十六进制格式化数值

• 输出宽度：

为了调整输出宽度，可以通过在流中放入setw操纵符或调用width成员函数为每个项指定输出宽度。例如：cout.width(10); 或者 cout << setw(10) << value;。

• 填充：

填充：cout.fill("*");。

• 浮点数：

浮点数默认精度为6。precision()成员函数使得能够选择其他值。
使用setprecision()也可以。

格式标志值位掩码：
ios_base::scientific科学记数格式
ios_base::fixed非科学记数格式

显示末尾的0和小数点：
cout.setf(ios_base::showpoint);

二、输入流

概述

标准输入流使用：
cin >> valueholder;

其中valueholder为存储输入的内存单元，可以是变量、引用、被解引用的指针，或者类成员。cin解释输入的方式取决于valueholder的数据类型。

istream重载的抽取运算符（示例）：
istream& operator>>(int &);

可以识别的一些基本类型：
例如char&、int&、float&、double&等。

cin检查输入

C++PrimerPlus: 它读取从非空白字符开始，到与目标类型不匹配的第一个字符之间的全部内容。

流状态

cin和cout对象包含一个描述流状态(stream state)的数据成员。流状态由三个ios_base元素组成：eofbit、badbit、failbit，其中每个元素都是一位，可以是0（设置）或1（清除）。

当cin操作到文件末尾时，它将设置eofbit。当IO失败或者未能读取到预期字符它将设置failbit。在一些无法诊断的失败破坏流时，badbit将被设置。当全部三个状态位都设置0时，说明一切顺利。

• 一些报告或改变流状态的ios_base方法：

good(); //流可以使用
eof();//eofbit是否设置  
bad();//badbit是否设置  
fail();//fail是否设置  
rdstate();//返回流状态
clear(iostate s);//将流状态设置为s  
setstate(iostate s);//设置指定的流状态位，其他位不变。（等同clear(rdstate() | s)）  

• 异常处理：

//示例：
exception(badbit);
exception(badbit | eofbit);

其他istream方法

单字符输入：

cin.get(char&);(输入字符赋予参数)
cin.get(void)(将输入字符转换为整型返回)(通常为int，可以是其他，取决于字符集)

• 单字符输入方式的选择：

1. 希望跳过空白 – 使用抽>>取运算符。
2. 希望检查每个字符 – 使用get(char&)方法。
3. 希望方便地替换C程序的getchar() – 使用get(void)方法。

字符串输入

//第一个参数是放置输入字符串的内存单元地址。  
//第二个参数比要读取的最大字符数大1(额外一个字符存储空字符)
//第三个参数指定用作分界符的字符（2个参数版本默认换行符为分界符）
istream& get(char *, int, char);
istream& get(char *, int);
istream& getline(char *, int, char);
istream& getline(char *, int);  

//ignore:  
//示例cin.ignore(255, '\n')
//（读取并丢弃接下来的255个字符或直到到达第一个换行符）  
istream& igore(int = 1, int = EOF);//

get函数在到达第<第二个参数-1>或者遇到换行符后，将停止输入，即使还未读取最大数目的字符。 get函数和getline主要区别是，get函数将换行符留在输入流中。而getline读取并丢弃换行符。

意外字符串输入

getline(char*, int)
如果没有读取除换行符外的任何字符，设置failbit。
如果读取了最大数目的字符，且行中还有其他字符，设置failbit。

get(char*, int)
如果没有读取任何字符，设置failbit。

getline读取并丢弃换行符。读取空行不会设置failbit。

其他的istream方法

read();//读取指定数目的字节。
//和get和getline不同的是，read不会在输入后面加入空值字符，因此不能将输入转换为字符串。  
//read不是专为键盘输入设计的。通常是用于文件输入输出的，配合write。    
peek();
//peek查看输入中的下一个字符而不抽取。    
gcount();
//gcount返回最后一个非格式化抽取方法读取的字符数。  
//这意味着字符是用get、getline、ignore、read读取的而不是>>读取的。  
putback();
//将一个字符插入到输入字符串中，它将是下一条输入语句读取的第一个字符。  

三、文件输入输出

文件是存储在外部设备上的一系列字节。

C++处理文件输入和输出的方式与处理标准输入输出方式非常相似。要写入一个文件，需要创建一个ofstream对象，然后使用ofstream的方法。要读取文件，需要创建一个ifstream对象，并使用ifstream的方法。

与标准输入输出相比更加复杂。例如必须将新打开的文件和流关联起来。可以只读模式、只写模式、读写模式打开文件。写文件时，可能想创建新文件、取代旧文件、添加到旧文件中，还可能在文件中来回移动。

为帮助处理这些任务，C++在fstream(以前为fstream.h)中定义了多个新类，其中包含用于文件输入输出的ifstream类和ofstream类。C++还定义了一个新类fstream，用于同步文件I/O。它们都派生自头文件iostream中的类，可以用前文所述的基类方法。

简单的文件I/O

ofstream ofs;//声明流对象
ofs.open("test.txt");//关联文件
//或者合并为一句：ofsteam ofs("test.txt");
ofs << "TEST";//输出  
ofs.close();//关闭文件连接

关闭文件连接并不会删除流，而只是断开流到文件的连接。可以将流连接到一个文件。
流对象过期时，文件连接将自动关闭。
CRE：文件流也可以调用flush()。

流状态检查和is_open()

文件流也从ios_base基类继承了一个流状态成员。

文件不存在会设置failbit位。

较新的C++实现提供了一个更好的检查文件是否打开的方法-is_open()方法。

打开多个文件

打开多个文件的策略取决于它们将被如何使用。如果需要同时打开两个文件，则必须为每个文件创建一个流。
如果是依次处理一组文件，可以打开一个流，并将它依次关联到各个文件。

命令行处理技术

命令行参数:
<程序名> <file1> <file2> <file3>

C++有一种在命令行环境中运行的程序能够访问命令行参数的机制，方法是使用下面的main函数：
int main(int argc, char* argv);
argc是命令行参数个数，其中包含命令本身。argv是一个指针数组，argv[0]是第一个指针，即命令行中第一个字符串。

文件模式

文件模式描述文件如何被读、写、追加。ios_base类定义了一个openmode类型，用于表示模式。

//文件模式：  
ios_base::in		//打开文件，以便读取
ios_base::out		//打开文件，以便写入
ios_base::ate		//打开文件，并移到文件尾  
ios_base::app		//只允许追加到文件尾  
ios_base::trunc		//如果文件存在,则截短文件
ios_base::binary	//二进制文件

fstream()构造函数和open()方法都接受两个参数，第二个参数有默认参数值，例如ifstream默认参数为ios_base::in，而ofstream的默认参数为ios_base::out | ios_base::trunc。

C++模式对应的C模式：
|C++|C| |-|-| |ios_base::in|"r"| |ios_base::out|"w"| |ios_base::out \| ios_base::trunc|"w"| |ios_base::out \| ios_base::app|"a"| |ios_base::in \| ios_base::out|"r+"| |ios_base::in \| ios_base::out \| ios_base::trunc|"w+"| |<c++mode> \| ios_base::binary|"<cmode>b"|

• 二进制文件：

二进制格式保存数据更快，因为不需要转换，并可以大块地存储数据。二进制格式通常占用空间更小，但是不方便传输给另一种计算机系统。

文本格式便于读取，并且方便传输给另一种计算机系统。

⭐最初设计流的目的是用于文本文件，因此默认输出模式是文本方式。

二进制存储结构或者对象：

struct Object
{
	char name[10];
	double value;
}
//C++PrimerPlus：不能使用string对象来替代字符数组来表示name成员字段。
//因为string对象实际并没有包含字符串，而是包含一个指向存储字符串的内存单元的指针。再次运行该程序时该地址毫无意义。    

//CRE：应该只适合POD类型，如果含有vector这类变量读取载入后会出错。    

int main()
{
	Object obj;
	ofstream ofs("test.object", ios_base::out | 	ios_base::binary);
	ofs.write((char*)&obj, sizeof(Object));
	//与文本相比，信息的保存更加紧凑精确。  

	ifstream ifs("test.object", ios_base::in | 	ios_base::binary);
	ifs.read((char*)&obj, sizeof(Object));
	//使用write()和read()，而不是get()和插入运算符。  
}

随机存取

随机存取常被用于数据库文件，程序维护一个独立的索引文件，该文件指出数据在主数据文件的位置。这样程序就能直接跳转到这个位置读写数据。
如果文件由长度相等的记录组成，这种方法实现起来最简单。每条记录表示一组相关数据。

要采用的文件模式：
ios_base::in | ios_base::out | ios_base::binary

在文件中移动的方式：
seekg()将输入指针移到指定的文件位置。seekp()将输出指针移到指定的文件位置。

要检查文件指针的当前位置：
对于输入流可以使用tellg()，对于输出流可以使用tellp()。它们都返回一个表示当前位置的streampos值。

四、内核格式化

iostream族支持程序和终端之间I/O。
fstream族使用相同的接口提供程序和文件之间的I/O。

C++库还提供了sstream族，使用相同的接口提供程序与string对象之间的I/O。

头文件sstream定义了一个从ostream派生的ostringstream类以及一个基于wostream的wostringstream类。如果创建了一个ostringstream对象，则可以将信息写入其中，它将存储这些信息。可以将cout的方法用于ostringstream对象。

格式化文本进入缓冲区，在需要时可以动态内存分配来增大缓冲区。

ostringstream有一个名为str()的成员函数，返回一个被初始化为缓冲区内容的字符串对象。使用str()可以冻结该对象，这样就不能将信息写入该对象。

（END）