【C++】一文掌握C++中的IO流
CSDN 2024-08-23 08:35:02 阅读 89
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<code>scanf ()与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:
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<code>fprintf和fscanf
。对于字符串的输入输出提供了sprintf sscanf 等
接口:
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<code>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流。
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:
<code>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istream
和ostream
。这两个类分别都有一个实例对象cin
和cout
!此外ostream
还要标准错误cout
和日志输出clog
。除了标准IO外,istream
和ostream
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true
或false
:
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
我们来看一下这四个标志:
可以看到,在输入到<code>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get
将x
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!
<code>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!
<code>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 iostream
和 stdio
函数了,因为它们不再保持同步。cin.tie(nullptr);
在默认情况下,cin
和 cout
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,cout
与 cin
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 cout
在 cin
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ifstream
和ofstream
,或者直接使用fsteam
(继承了ifstream
和ofstream
)。
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 |
---|---|
in | Input mode (输入模式)。打开文件用于输入操作 |
out | Output mode (输出模式)。打开文件用于输出操作 |
app | Append 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 |
binary | Binary 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。 |
ate | At end mode (文件末尾模式)。打开文件时,文件指针定位到文件末尾。 |
trunc | Truncate 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:
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:
<code>
#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:
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<code>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; // id
string _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。
声明
本文内容仅代表作者观点,或转载于其他网站,本站不以此文作为商业用途
如有涉及侵权,请联系本站进行删除
转载本站原创文章,请注明来源及作者。