第8章 IO库

8.1、IO类

为了支持这些不同种类的IO处理操作，在istream和ostream之外，标准库还定义了其他一些IO类型。

• 如下图分别定义在三个独立的头文件中: iostream定义了用于读写流的基本类型，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。
• 为了支持使用宽字符的语言，标准库定义了一组类型和对象来操纵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，例如：wcin、wcout和 wcerr是分别对应cin、cout和 cerr的宽字符版对象。
• 宽字符版本的类型和对象与其对应的普通char版本的类型定义在同一个头文件中。

类型ifstream和 istringstream都继承自istream。因此，我们可以像使用istream对象一样来使用ifstream和istringstream对象。
也就是说，我们是如何使用cin 的，就可以同样地使用这些类型的对象。例如，可以对一个 ifstream或istringstream对象调用getline ，也可以使用>>从一个 ifstream或istringstream对象中读取数据。

1. IO对象无拷贝或赋值

ofstream out1, out2;
out1 = out2;					//错误:不能对流对象赋值
ofstream print(ofstream);		//错误:不能初始化ofstream参数
out2 = print(out2);				//错误:不能烤贝流对象

2. 条件状态

我们可以这样使用这些成员:

//记住cin的当前状态
auto old_state = cin.rdstate(); 		//记住cin的当前状态
cin.clear();							//使cin有效
process_input(cin);						//使用cin
cin.setstate(old_state);				//将cin置为原有状态

//复位failbit和badbit，保持其他标志位不变
cin.clear(cin.rdstate() & ~cin.failbit & ~cin.badbit);

3. 管理输出缓冲

导致缓冲刷新（即，数据真正写到输出设备或文件）的原因有很多:

• 程序正常结束，作为main函数的return操作的一部分，缓冲刷新被执行。
• 缓冲区满时，需要刷新缓冲，而后新的数据才能继续写入缓冲区。
• 我们可以使用操纵符如 endl来显式刷新缓冲区。
• 在每个输出操作之后，我们可以用操纵符unitbuf设置流的内部状态，来清空缓冲区。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。在这种情况下，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或写cerr都会导致cout的缓冲区被刷新。

刷新输出缓冲区

除了 endl，它完成换行并刷新缓冲区的工作。IO库中还有两个类似的操纵符: flush 和 ends。 flush 刷新缓冲区，但不输出任何额外的字符; ends向缓冲区插入一个空字符,然后刷新缓冲区:

cout << "hi! " << endl;			//输出hi和一个换行，然后刷新缓冲区
cout << "hi! " << flush;		// 输出hi，然后刷新缓冲区，不附加任何额外字符
cout << "hi! " << ends;			//输出hi和一个空字符，然后刷新缓冲区

unitbuf操纵符

如果想在每次输出操作后都刷新缓冲区，我们可以使用 unitbuf 操纵符。

• 它告诉流在接下来的每次写操作之后都进行一次flush 操作。
• 而nounitbuf操纵符则重置流，使其恢复使用正常的系统管理的缓冲区刷新机制:

cout << unitbuf;              //所有输出操作后都会立即刷新缓冲区
//任何输出都立即刷新，无缓冲
cout << nounitbuf;            //回到正常的缓冲方式

警告:如果程序崩溃，输出缓冲区不会被刷新
如果程序异常终止，输出缓冲区是不会被刷新的。当一个程序崩溃后，它所输出的数据很可能停留在输出缓冲区中等待打印。
当调试一个已经崩溃的程序时,需要确认那些你认为已经输出的数据确实已经刷新了。否则，可能将大量时间浪费在追踪代码为什么没有执行上，而实际上代码已经执行了，只是程序崩溃后缓冲区没有被刷新，输出数据被挂起没有打印而已。

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 。标准库将cout和 cin关联在一起，因此下面语句

cin >> ival;

导致cout的缓冲区被刷新。

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

tie有两个重载的版本:

• 一个版本不带参数，返回指向输出流的指针。如果本对象当前关联到一个输出流，则返回的就是指向这个流的指针，如果对象未关联到流，则返回空指针。
• tie的第二个版本接受一个指向ostream 的指针，将自己关联到此ostream。即，x.tie( &o) 将流 x 关联到输出流o。

我们既可以将一个istream对象关联到另一个 ostream，也可以将一个ostream关联到另一个ostream:

cin.tie(&cout);       //仅仅是用来展示:标准库将cin和cout关联在一起

// old_tie指向当前关联到cin的流（如果有的话)
ostream* old_tie = cin.tie (nullptr); // cin不再与其他流关联
//将cin与 cerr关联;这不是一个好主意，因为cin应该关联到cout
cin.tie(&cerr);     //读取cin会刷新cerr而不是cout
cin.tie(old_tie);   //重建cin和cout间的正常关联

8.2、文件输入输出

头文件 fstream 定义了三个类型来支持文件 IO:ifstream从一个给定文件读取数据，ofstream向一个给定文件写入数据，以及fstream可以读写给定文件。

• 我们可以用IO运算符（<<和>>）来读写文件，可以用 getline从一个ifstream 读取数据

当我们想要读写一个文件时，可以定义一个文件流对象，并将对象与文件关联起来。

• 每个文件流类都定义了一个名为open的成员函数，它完成一些系统相关的操作，来定位给定的文件，并视情况打开为读或写模式。
• 创建文件流对象时，我们可以提供文件名(可选的)。如果提供了一个文件名,则open会自动被调用:
• 文件名既可以是库类型string对象，也可以是C风格字符数组

ifstream in(ifile);       //构造一个ifstream并打开给定文件
ofstream out;             //输出文件流未关联到任何文件

用fstream代替iostream&

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替代。这意味着，接受一个 iostream类型引用（或指针）参数的函数，可以用一个对应的fstream（或sstream）类型来调用。

• 虽然read 和 print 的调用,定义时指定的形参分别是 istream&和ostream&，但我们可以向它们传递fstream对象。

ifstream input(argv[1]);				//打开销售记录文件
ofstream output(argv[2]);				//打开输出文件
Sales_data total;						//保存销售总额的变量
if(read(input, total)){					//读取第一条销售记录
	Sales_data trans;					//保存下一条销售记录的变量
	while(read(input, trans)) {							//读取剩余记录
		if (total.isbn() == trans.isbn())				//检查isbn
			total.combine(trans);						//更新销售总额
		else {
			print(output, total) << endl;				//打印结果
			total = trans; 								//处理下一本书
		}
	}
	print(output, total) << endl;		//打印最后一本书的销售额
}else									//文件中无输入数据
	cerr << "No data? !" << endl;

成员函数open和close

如果我们定义了一个空文件流对象，可以随后调用open来将它与文件关联起来:

ifstream in (ifile); 				//构筑一个ifstream并打开给定文件
ofstream out;						//输出文件流未与任何文件相关联
out.open(ifile + ".copy");			//打开指定文件

if (out)		//检查open是否成功
				//open成功，我们可以使用文件了

//为了将文件流关联到另外一个文件，必须首先关闭已经关联的文件。
in.close();						//关闭文件
in.open(ifile + "2");			//打开另一个文件

如果open成功，则open会设置流的状态，使得good()为true，如果调用open失败,failbit会被置位。

自动构造和析构

考虑这样一个程序，它的main函数接受一个要处理的文件列表。这种程序可能会有如下的循环:

//对每个传递给程序的文件执行循环操作
for (auto p = argv + l; p != argv + argc; ++p){
	ifstream input(*p);			//创建输出流并打开文件
	if (input) {				//如果文件打开成功，“处理”此文件
		process (input);
	}else
		cerr << "couldn't open : " + string(*p);
}//每个循环步input都会离开作用域，因此会被销毁

当一个fstream对象离开其作用域时，与之关联的文件会自动关闭。在下一步循环中，input会再次被创建。

当一个fstream对象被销毁时，close会自动被调用。

文件模式

每个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，当我们未指定文件模式时，就使用此默认模式。
与ifstream关联的文件默认以in模式打开;
与ofstream关联的文件默认以out模式打开;
与fstream 关联的文件默认以in和 out模式打开。

• 只可以对ofstream或fstream对象设定out模式。
• 只可以对ifstream或fstream对象设定in 模式。
• 只有当out也被设定时才可设定trunc模式。
• 只要trunc没被设定，就可以设定 app 模式。在 app 模式下，即使没有显式指定out模式，文件也总是以输出方式被打开。
• 默认情况下，即使我们没有指定trunc，以out模式打开的文件也会被截断。为了保留以out模式打开的文件的内容，我们必须同时指定app模式，这样只会将数据追加写到文件末尾;或者同时指定in模式,即打开文件同时进行读写操作。
• ate和 binary模式可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。

以out模式打开文件会丢弃已有数据

• 默认情况下，当我们打开一个 ofstream 时，文件的内容会被丢弃。阻止一个ofstream清空给定文件内容的方法是同时指定app模式:

//在这几条语句中，file1都被截断
ofstream out ("file1"); // 隐含以输出模式打开文件并截断文件
ofstream out2 ("filel", ofstream::out);// 隐含地截断文件
ofstream out3("file1", ofstream::out | ofstream::trunc);

//为了保留文件内容,我们必须显式指定app模式
ofstream app("file2", ofstream::app);// 隐含为输出模式
ofstream app2("file2", ofstream::out | ofstream::app);

保留被ofstream打开的文件中已有数据的唯一方法是显式指定 app或in模式。

每次调用open时都会确定文件模式

• 对于一个给定流，每当打开文件时，都可以改变其文件模式。

ofstream out; //未指定文件打开模式
out.open("scratchpad");//模式隐含设置为输出和截断
out.close (); //关闭 out，以便我们将其用于其他文件
out.open("precious", ofstream::app);//模式为输出和追加
out.close();

在每次打开文件时，都要设置文件模式，可能是显式地设置，也可能是隐式地设置。当程序未指定模式时，就使用默认值。

8.3、string流

sstream头文件定义了三个类型来支持内存IO,这些类型可以向string写入数据，从string读取数据，就像string是一个IO流一样。

• istringstream 从 string读取数据，ostringstream向 string 写入数据，而头文件 stringstream既可从string 读数据也可向string写数据。
• 与fstream类型类似，头文件sstream中定义的类型都继承自我们已经使用过的iostream头文件中定义的类型。
• 除了继承得来的操作，sstream 中定义的类型还增加了一些成员来管理与流相关联的 string。下表列出了这些操作，可以对·stringstream·对象调用这些操作，但不能对其他IO类型调用这些操作。

使用istringstream

• 当我们的某些工作是对整行文本进行处理，而其他一些工作是处理行内的单个单词时，通常可以使用istringstream。

考虑这样一个例子，假定有一个文件，列出了一些人和他们的电话号码。某些人只有一个号码，而另一些人则有多个——家庭电话、工作电话、移动电话等。我们的输入文件看起来可能是这样的:

//成员默认为公有
struct PersonInfo {
	string name ;
	vector<string> phones;
};

string line, word;					//分别保存来自输入的一行和单词
vector<PersonInfo>people;			//保存来自输入的所有记录

//逐行从输入读取数据，直至cin遇到文件尾（或其他错误)
while (getline(cin, line)) {
	PersonInfo info;				//创建一个保存此记录数据的对象
	istringstream record(line);		//将记录绑定到刚读入的行
	record >> info.name;			//读取名字
	while(record >> word)			//读取电话号码
		info.phones.push_back(word); //保持它们
	people.push_back(info);		//将此记录追加到people末尾
}

使用ostringstream

• 当我们逐步构造输出，希望最后一起打印时，ostringstream是很有用的。

例如，对上一节的例子,我们可能想逐个验证电话号码并改变其格式。如果所有号码都是有效的，我们希望输出一个新的文件，包含改变格式后的号码。对于那些无效的号码，我们不会将它们输出到新文件中，而是打印一条包含人名和无效号码的错误信息。

由于我们不希望输出有无效电话号码的人，因此对每个人，直到验证完所有电话号码后才可以进行输出操作。但是，我们可以先将输出内容“写入”到一个内存ostringstream 中:

for (const auto &entry : people){			//对people中每一项
	ostringstream formatted, badNums; 		//每个循环步创建的对象
	for(const auto &nums : entry.phones){	//对每个数
		if(!valid(nums)){
			badNums << " " << nums;//将数的字符串形式存入badNums
		} else
			//将格式化的字符串“写入”formatted
			formatted << " " << format(nums);
	}
	if (badNums.str().empty())				//没有错误的数
		os << entry.name <<	" "				//打印名字
			<< formatted.str() << endl;		//和格式化的数
	else //否则，打印名字和错误的数
		cerr << "input error: " << entry.name
			<< " invalid number(s) " << badNums.str() << endl;
}

在此程序中，我们假定已有两个函数，valid和 format，分别完成电话号码验证和改变格式的功能。

程序最有趣的部分是对字符串流formatted和 badNums 的使用。

我们使用标准的输出运算符(<<)向这些对象写入数据,但这些“写入”操作实际上转换为string操作，分别向formatted和 badNums 中的string对象添加字符。

总结：

C++使用标准库类来处理面向流的输入和输出:

• iostream处理 控制台 IO
• fstream处理 命名文件 IO
• stringstream完成 内存 string 的 IO

类fstream 和 stringstream都是继承自类 iostream的。输入类都继承自istream，输出类都继承自 ostream。
因此，可以在istream对象上执行的操作，也可在ifstream或istringstream对象上执行。继承自ostream 的输出类也有类似情况。

1、每个IO对象都维护一组条件状态，用来指出此对象上是否可以进行IO操作。
2、如果遇到了错误——例如在输入流上遇到了文件末尾，则对象的状态变为失效，所有后续输入操作都不能执行，直至错误被纠正。
3、标准库提供了一组函数，用来设置和检测这些状态。

注：如有不足，欢迎指正！