C++Stream Classes详解

东阳的学习记录

基本概念

Stream 类别

1. class istream ；用来读数据
2. class ostream ：用来写数据

全局性的 Stream 对象

IOStream定义了数个型别为 istream 和 ostream的全局对象，它们对应于标准的 I/O 通道（channels）:

1. cin：标准输入通道，对应C stdin。操作系统通常将它和键盘连接
2. cout：标准输出通道，对应C stdout。操作系统通常将它和监视器连接
3. cerr：标准错误输出通道，对应C stderr。无缓冲装置
4. clog：标准日志通道，默认情况将其连接到 cerr 所连接的装置

将 正常输出和错误信息的输出加以分离，可以让程序员以不同的方式对待两种输出，例如将正常输出重定向到某个文件，同时令错误输出依旧打印到控制台。

操作符

即operator << 和 operator >>

操纵器

操纵器是专门用来操纵 stream 的对象，常常只会改变输入或格式化输出的解释方式。用于 ostreams的操作器不会凭空创造数据， 用于istreams 的操纵符也不会吃掉任何输入

• std::cout << std::endl：输出’\n’，并刷新output缓冲区
• std::cout << std::ends：输出’\0’
• std::cout << std::flush：刷新output缓冲区
• std::cin >> std::ws >> strTemp: 读入并忽略空格

基本的Stream 类别和对象

相关类别和继承体系

• 基类 ios_base 定义了 stream classes的所有与字符型别及其相应字符特性（traits）无关的属性，主要包括状态和格式标志等组件和函数。
• 由 ios_base 派生的 template class basic_ios<>, 定义出与字符型别及其相应字符特性（traits）相关的 stream class共同属性，其中包括 stream 所用的缓冲器。缓冲器所属类别派生自 template class basic_streambuf<>，其具现参数和 basic_ios一样。basic_streambuf<> 负责实际的读写操作.
• template class basic_istream<> 和 basic_ostream<>两者都虚继承自 basic_ostream，分别定义出读/写的对象。和basic_ios<>一样 ，他们以字符型别及其特性（traits）作为参数就行了，iostream / ostream都是以 char 实现的
• template class basic_iostream<>派生自 （多重继承） basic_istream<> 和 basic_ostream<>，用来定义即可以读，又可以写的对象。
• template class basic_streambuf<>是IOStream程序库的核心，定义出所有可改写的stream 或 可读取的 stream的接口。其他的stream class 均利用它进行实际的字符读写操作程序中为处理某些外部表达，必须从 basic_streambuf<>派生一些类别。

头文件

各个 stream class的定义分散于以下数个头文件中：

• ：内含 stream classes 的前置声明。这个文件是必要的，因为前置声明不能只是简单地写一句诸如 class ostream这样的声明就行
• ：内含 stream buffer基类（basic_streambuf<>）的定义。
• ： 内含仅支持输入的类别（basic_istream）和同时支持输入输出的类别（basic_iostream<>）的定义
• ：内含 basic_ostream<>的类别定义
• ：内含全局性的 stream对象（例如cin, cout）的定义

Stream Buffer（串流缓冲区）

操作符 << 和 >>可以直接用于读取或改写 stream buffer，这恐怕是运用 C++ I/O streams 来拷贝文件的最快方法

Streams 的状态（state）

Stream 维护着一种状态，标志 I/O 是否成功，并且能够指出不成功的原因。

iostate 常数

• goodbit：值被定义为0，因此goodbit的设立意味着其它位均被清为0。
• failbit：如果某项操作未能完成，但 stream 仍大体 OK, 那么就设立这个位。这通常是因为读入格式错误。
• badbit：如果 stream 因不明原因而损坏或丢失数据，那就设立这个位。
• eofbit：遇到 end-of-file，注意：eofbit 常常和 failbit同时被设立

用来处理stream状态的一些成员函数

• god()： 若stream正确无误，返回 true
• eof()：若遭遇 end-of-file， 返回 ture
• fail()：若发生错误，返回 true
• bad()：若发生毁灭性错误，返回 true
• rdstate()：返回当前已设立的所有标志
• clear()：清除所有标志
• clear(state)：清除所有标志，然后设立 state 标志
• setstate(state)：加设 state 标志

在C++中，如果设立了 failbit，除非显示予以清除，否则无法进行下一个操作。请注意：被设立的位只是反映过去曾发生的事。如果某次操作后发现某个位被设立了，我们无法确定到底是这一次还是先前动作导致了这个结果。因此如果想要通过标志了解错误，操作前应先设立goodbit（如果尚未设立的话）。此外，清除标志之后各项操作可能得到不同的结果。

Stream 状态与布尔条件测试

streams 定义了两个可用于布尔表达式的函数。

1. operator void* ()：转化成 void*常常是为了在表达式中读入对象并测试是否成功。
2. operator !()

while (std::cin) { /.../ }
if (std::cin >> x) {
	// reading x was successful
}

Stream 的状态与异常

标准化之后的 stream 允许我们对任何一种状态标志进行定义：此一状态标志被设立时是否引发异常

• exceptions(flags)：设定会引发异常的标志
• exceptions()：返回引发异常的标志

// throw exceptions for all "errors"
strm.exceptions(std::ios::eofbit | std::ios::failbit | 
				std::ios::badbit);

文件存取

stream 可用来存取文件。C++标准程序库提供了四个 template class，并定义了四个标准特化版本：

1. template class basic_ifstream<> 及其特化版本 ifstream 和 wifstream，用来读取文件；
2. tenplate class basic_ofstream<> 及其特化版本 ofstream 和 wofstream，用来将数据写入文件
3. tenplate class basic_fstream<> 及其特化版本 fstream 和 wfstream，用来读写文件
4. template class basic_filebuf<> 及其特化版本 filebuf 和 wfilebuf，被其他的 file stream classes 用来进行实际的字符读写操作

继承关系如下图：

文件标志（File Flags）

为了准确控制文件处理模式，class ios_base定义了一组标志，其型别是 openmode，这是类似 fmtflags 的一种位掩码型别（bit mask type）

• in：打开，用于读取。文件必须存在
• out：打开，用于改写。注意：清空而后改写
• app：写入时始终添加于尾端。
• ate：打开文件之后令读写位置移至文件尾端
• trunc：将之前的文件内容移除
• binary：不要替换特殊字符

请注意：若要打开一个写文件而不清除文件内容的话， 必须以 out | app 的模式打开

随机存取

1. basic_istream<>：
   i. tellg()：返回读取位置
   ii. seekg(pos) 设置绝对读取位置
   iii. seekg(offset, rpos) 设置相对读取位置
2. basic_ostream<>：
   i. tellp()：返回写入位置
   ii. seekp(pos)：设置绝对写入位置
   iii. seekp(offset, rpos)：设置相对写入位置

连接 Input Streams 和 Output Streams

以tie()完成松耦合

你可以把一个 stream 连接到一个 output stream 身上。这意味着两者的缓冲区是同步的。

• tie()：返回一个指向当前所连接的 output stream的指针
• tie(ostream *strm)：将 strm 所指的 output stream 连接到当前 stream 身上，并返回一个指针指向先前所连接的 output streams 上（如果有的话）

// predefined connections
std::cin.tie(&std::cout);
std::wcin.tie(&std::wcout);

// 程序在真正请求输入之前，一定会先清空 output 缓冲区
std::cout << "please enter x:" ;
std::cin >> x;

// 删除上面的连接
std::cin.tie(static_cast<std::ostream*>(0))

你也可以将一个output stream 连接到另一个 output stream 上。下面语句就保证在对着 error stream 写东西之前，先清空正常的 output 缓冲区

// tie cout to cerr
std::cerr.tie(&std::cout);

以 stream 缓冲区完成紧耦合

透过函数 rdbuf()，可以使不同的streams共享同一个缓冲区，从而实现紧耦合

• rdbuf()： 返回一个指针，指向 stream 缓冲区
• rdbuf(streambuf*)：将参数所指的 stream 缓冲区安装到当前 stream 身上，并返回一个指针，指向先前安装的 stream 缓冲区

/*
 * rdbuf1.cpp
 *
 *  Created on: 2021年1月12日
 *      Author: san
 */

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	// stream for hexadecimal standard output
	ostream hexout(cout.rdbuf());
	hexout.setf(ios::hex, ios::basefield);
	hexout.setf(ios::showbase);

	// switch between decimal and hexadecimal output
	hexout << "hexout: " << 177 << " ";  // 输出 hexout: 0xb1
	cout << "cout: " << 177 << " ";
	hexout << endl;
}

String Stream Classes

1. string 提供有缓冲区，但没有 I/O通道
2. 以独立于直接I/O以外的方式来处理I/O

使用str()管理缓冲区

• str()：将缓冲区内容当作一个string返回
• str(string)：将 string 设为缓冲区内容

char* Stream Classes

利用函数str()，字符序列可以和其调用者一起共同管理内存，除非 stream 被初始化为定长缓冲区，否则，必须遵守下面三个原则：

1. 由于内存的拥有权转移给了调用者，所以如果 stream 没有被初始化为 定长缓冲区，那么字符序列将被释放。但我们无法确定内存是如何被分配的，在此情况下使用delete[]来释放字符序列并不安全。最安全的做法是调用成员函数 freeze()并给予参数 false，将内存传会stream
2. 如果调用str()，stream 便不能再修改字符序列
3. 成员函数 str()不会添加字符串终止符 \0。我们只有直接在 stream内加上该特殊符号，才能结束字符序列。这可以通过操纵器 ends完成。

float x;
...
std::ostrstream buffer;  //dynamic char* stream

// fill char* stream
buffer << "float x: << x << std::ends;

/* pass resulting C-string to foo()
- freezes the char* stream
*/
foo(buffer.str());

// unfreeze the char* stream
// 将内存传回 stream
buffer,freeze(false);

自定义 I/O操作符

自定义一个读取分数的 >>

// io/fraclin.hpp
#include 

inline std::istream &operator >> (std::istream &strm, Fraction &f)
{
	int n, d;
	strm >> n;
	strm.ignore();
	strm >> d;
	
	f = Frantion(n, d);
	
	return strm;

}

以辅助函数完成 I/O

就是传递一个函数指针作为 I/O 操作符的参数

还有缓存区 Classes等内容下一篇再讲