C++ iostream 輸入輸出流

C++ 輸入輸出流：簡單地介紹了【輸入輸出流】、【檔案輸入輸出流】和【字元串輸入輸出流】。

目錄

• STL 輸入輸出流：整體架構
• A) 輸入、輸出流
  • 1. 簡介
  • 2. 格式化輸出
  • 3. 流操縱算子
  • 4.

    cout

    對象的唯一性
• B) 檔案輸入、輸出流
  • 1. 基本使用方法
  • 2. 讀入常用操作
• C) 字元串輸入、輸出流
  • 1. 簡介
  • 2. 對象内的 buffer
  • 3. 實作類型轉換

STL 輸入輸出流：整體架構

頭檔案	定義在頭檔案裡的類 / 對象	補充說明
<istream>	istream 類、 iostream 類	istream 類是所有輸入流的基類
<ostream>	ostream 類	ostream 類是所有輸出流的基類
<iostream>	cin 對象、 cout 對象	cin 是 istream 類的對象； cout 是 ostream 類的對象
<fstream>	ifsream 類、 ofstream 類、 fstream 類
<sstream>	istringstream 類、 ostringstream 類、 stringstream 類

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A) 輸入、輸出流

***

istream

和

ostream

類似，以下以

ostream

展開說明。

1. 簡介

• ostream

  = output stream
  • 是所有輸出流的基類
  • 類内重載了不同基礎資料類型的輸出流運算符，如：

    int

    、

    char

    、

    bool

    ...
  • 優勢：統一了輸出接口，避免輸出混亂
• STL 中定義了一個

  ostream

  類的對象：

  cout

  ，将資料送到标準輸出流

  以下是自定義實作

  ostream

  的方法：

  class ostream {
  public:
      ostream& operator<< (int num) {
          printf("%d", num);
          return *this;
      }
      ostream& operator<< (const char* str) {
          printf("%s", str);
          return *this;
      }
      ...... // 重載需要輸出的類型
      
  } cout; // 定義 ostream 類的對象
  
  int main() {
      cout << 21 << "happy" ; // 根據輸出資料類型，調用不同的輸出函數
      return 0;
  }
             

  以下是在自定義類中重載流運算符的方法：

  class MyClass {
  public:
      friend ostream& operator<< (ostream&, MyClass&);
      ......
  }
  
  ostream& operator<< (ostream& output, MyClass& x) {
      output << ... ;
      return outpur;
  }
             

  注意：第二個參數可以是不同形式，不一定是引用，如：

  T

  、

  T&

  、

  const T

  、

  const T&

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2. 格式化輸出

• 常用的格式化輸出方式有：

  #include <iomanip>
  
  cout << fixed << 3 << " " << 3.14 << " " << 3.14159265;  
  /* 将小數的小數點固定為 6 位
     輸出結果：3  3.140000  3.141593  */
  
  
  cout << setprecision(3) << 3.1415926 << 0.1054;   
  /* 設定有效數字
     輸出結果：3.14  0.105  */
  
  
  cout << fixed << setprecision(2) << 3.1415;
  /* fixed 和 setprecision 合用，可以設定小數點數位
     輸出結果：3.14  */
  
  
  cout << setw(5) << 921;
  /* 設定輸出的寬度，一次隻對一個輸出有效
     預設向右對齊  */
  
  
  for(int i = 8; i <= 12; ++i) {
      cout << setw(5) << setfill('*') << i;
  }
  /* 設定輸出的寬度 + 空白處填滿指定字元
     輸出結果：****8****9***10***11***12  */
  
  
  cout << scientific << 2018.0 << " " << 0.0001;
  /* 以科學計數形式輸出
     輸出結果：2.018000e+03   1.000000e-04  */
  
             

• 以上的

  fixed

  、

  setprecision()

  等，包括實作換行的

  endl

  ，都是流操縱算子

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3. 流操縱算子

• 借助輔助類，設定成員變量的類
• 一些實作方式有在标準中定義，一些沒有，不同編譯器的實作不同

• setprecision

  實作的示例：

  class setprecision {
  private:
      int precision;
  public:
      setprecision(int p): precision(p) {}
      friend class ostream;
  }
  
  class ostream {
  private:
      int precision;
  public:
      ostream& operator<< (const setprecision &m) {
          precision = m.precision;
          return *this;
      }
  } cout;
  
  cout << setprecision(2);
  // setprecision(2) 會構造一個 setprecision 類的對象，作為參數傳入輸出流的函數
             

• endl

  實作的示例：

  class ostream {
      ......
      ostream& endl(ostream& os) {
          os.put('\n');     // 輸出換行符
          os.flush();       // 清空緩沖區
          return os;
      }
      ostream& operator<< (ostream& (*fn)(ostream&)) {
          return (*fn)(*this);
      }
  }
  
  // 換行方法1：調用輸出流+流操縱算子
  cout << endl;
  
  // 換行方法2：直接使用endl函數
  endl(cout);
             

  清空緩沖區的好處：減少外部讀寫次數、保證内容正确讀寫到檔案

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4.

cout

對象的唯一性

• 定義重載流運算符 / 使用

  cout

  的方式：

  1. 所有重載流運算符都會傳回引用

     ostream&

  2. ostream

     類的拷貝構造函數會手動進行删除

     ostream(const ostream& x) = delete;
     ostream(ostream&& x);
                

• 原因：

  1. 減少複制開銷
  2. 隻移動不複制，隻使用一個全局對象

     cout

     進行輸出
  3. 多個對象無法同步輸出狀态

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B) 檔案輸入、輸出流

類	名	功能	補充說明
ifstream	檔案輸入流	從檔案中讀取資料	是 istream 的子類 在編譯期間已經解析完畢 性能較好，取代了 scanf （ scanf 是有寫入非法記憶體的風險）
ofstream	檔案輸出流	将資料寫入檔案中	是 ostream 的子類

***

ifstream

和

ofstream

類似，以下以

ifstream

進行說明：

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1. 基本使用方法

#include <fstream>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 打開普通文本檔案
    ifsream input("filename.txt");
    
    // 以二進制形式打開檔案
    ifstream input("filename.bin", ifstream::binary);
    
    // 確定檔案正确打開才進行操作
    if(input) { 
        ...
    }
    
    // 操作完畢，關閉檔案
    input.close();
    
    return 0;
}
           

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2. 讀入常用操作

• 判斷是否到了文末

  while(input) {
      ...
  }
             

• 去除前導空格

  input >> ws;
             

• 檢查下一個字元，如果到了文末就停止

  int c = input.peek();
  if(c == EOF) break;
             

• 讀取

  int n;
  input >> n;
  
  string str;
  input >> str;
  getline(cin, str);
  
  ...
  
  char sentence[1000];    
  input.getline(sentence, 1000);
             

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C) 字元串輸入、輸出流

1. 簡介

• stringstream

  • 是

    iostream

    的子類
  • 在對象内維護一個 buffer，可以實作輸入和輸出
  • 流輸出函數：将資料寫入 buffer
  • 流輸入函數：從 buffer 讀入資料
• 基本使用方法

  #include <sstream>
  using namespace std;
  
  int main() {
      stringstream ss;
   
      ss << "10";       // 将資料寫進 ss 的 buffer
      ss << "0 200";    // 會自動連接配接字元串
      
      int a, b;
      ss >> a >> b;     // 從 buffer 讀取資料，轉換成 int
      
      return 0;
  }
             

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2. 對象内的 buffer

• 暫存資料的空間，包含已讀取和未讀取的内容
• 可以用

  ss.str()

  來傳回 buffer 内的内容（傳回類型：string）

  stringstream ss;
  ss << "10";      // buffer内有【10】
  ss << "0 200";   // buffer内有【100 200】
  
  int a, b;
  ss >> a;         // a = 100，buffer内有【100 200】
  ss >> b;         // b = 200，buffer内有【100 200】
  
  ss.str("");      // 清空 buffer
             

• 從以上代碼可見，buffer 内的内容不會因為被讀取而減少
  • 有兩個指針在維護着：head 和 tail
  • head：指向最後一個内容（下一個位置就是寫入新内容的位置）
  • tail：指向待讀取的第一個元素
  • 所有 head 在 tail 的後面，head 和 tail 之間是未讀取的元素

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3. 實作類型轉換

template<class outtype, class intype>
outtype convert(intype val) {
    static stringstream ss;  // 避免重複初始化
    ss.str("");              // 清空 buffer
    ss.clear();              // 清空狀态位
    ss << val;
    outtype result;          // 定義要轉換的類型的變量
    ss >> result;
    return result;           // 傳回轉換後的内容
}

// 使用
string str = convert<string>(921);
int num = convert<int>("122");
           

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