C++ 第一阶段 基本语法 - 第三节：输入输出流

目录

一、C++ 输入输出流的核心概念

1.1 标准输入输出流对象

1.2 流操作符

二、cin/cout 与 scanf/printf 的对比

2.1 语法简洁性

2.2 类型安全性

2.3 性能差异

2.4 格式化输出

2.5 错误处理

三、cin/cout 的高级用法

3.1 读取整行输入

3.2 处理非法输入

3.3 文件流操作

四、cin/cout 与 scanf/printf 的性能对比实验

4.1 实验场景

五、选择建议

六、总结

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一、C++ 输入输出流的核心概念

1.1 标准输入输出流对象

C++ 提供了以下预定义的流对象，用于标准输入输出：

• std::cin：标准输入流（从键盘读取数据）。
• std::cout：标准输出流（向屏幕写入数据）。
• std::cerr：标准错误流（不带缓冲的错误输出）。
• std::clog：标准日志流（带缓冲的错误输出）。

1.2 流操作符

• 插入运算符 <<：用于向输出流中插入数据。

  std::cout << "Hello, World!" << std::endl;

• 提取运算符 >>：用于从输入流中提取数据。

  int age;
  std::cin >> age;

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二、cin/cout 与 scanf/printf 的对比

2.1 语法简洁性

• C 风格 (scanf/printf)：

  int a;
  scanf("%d", &a); // 需要指定格式符和取地址符
  printf("Value: %d\n", a);

• C++ 风格 (cin/cout)：

  int a;
  std::cin >> a; // 自动识别变量类型
  std::cout << "Value: " << a << std::endl;

  • 优点：cin/cout 更简洁，无需手动管理格式符和地址。
  • 缺点：cin/cout 在格式化输出时不如 printf 灵活。

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2.2 类型安全性

• scanf/printf：
  • 风险：若格式符与变量类型不匹配，会导致未定义行为。

    int a;
    scanf("%d", &a); // 若输入非整数，程序可能崩溃。

• cin/cout：
  • 优势：通过操作符重载自动处理类型，避免格式符错误。

    int a;
    std::cin >> a; // 若输入非整数，流进入错误状态。

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2.3 性能差异

• scanf/printf：
  • 优势：直接调用底层 C 库函数，性能较高。
  • 适用场景：大规模数据输入输出（如竞赛编程）。
• cin/cout：
  • 劣势：默认与 C 库同步（std::ios_base::sync_with_stdio(true)），性能较低。
  • 优化方式：关闭同步以提升性能。

    std::ios_base::sync_with_stdio(false); // 关闭同步
    std::cin.tie(nullptr); // 解绑 cin 和 cout

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2.4 格式化输出

• printf：
  • 灵活性：支持丰富的格式化选项（如 %d, %f, %x）。

    printf("Integer: %d, Float: %.2f\n", 123, 45.67);

• cout：
  • 需要配合 iomanip：通过流操纵符实现格式化。

    #include 
    std::cout << std::fixed << std::setprecision(2) << 45.67 << std::endl;
    std::cout << std::setw(10) << "Hello" << std::endl; // 设置字段宽度

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2.5 错误处理

• scanf：
  • 返回值检查：需手动检查返回值判断输入是否成功。

    if (scanf("%d", &a) != 1) {
        // 处理输入错误
    }

• cin：
  • 流状态检查：通过 cin.fail() 判断输入是否失败。

    if (!std::cin) {
        std::cin.clear(); // 清除错误状态
        std::cin.ignore(std::numeric_limits::max(), '\n'); // 忽略无效输入
    }

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三、cin/cout 的高级用法

3.1 读取整行输入

• std::getline：

  std::string line;
  std::getline(std::cin, line); // 读取一行（包括空格）

3.2 处理非法输入

• 示例：防止用户输入非数字时程序崩溃。

  int a;
  while (!(std::cin >> a)) {
      std::cin.clear(); // 清除错误标志
      std::cin.ignore(std::numeric_limits::max(), '\n'); // 跳过无效输入
      std::cout << "Invalid input. Please try again: ";
  }

3.3 文件流操作

• ifstream 和 ofstream：用于文件读写。

  std::ofstream outFile("output.txt");
  outFile << "Writing to file..." << std::endl;
  outFile.close();
  
  std::ifstream inFile("input.txt");
  std::string line;
  while (std::getline(inFile, line)) {
      std::cout << line << std::endl;
  }
  inFile.close();

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四、cin/cout 与 scanf/printf 的性能对比实验

4.1 实验场景

• 目标：比较两者在大规模数据输入输出时的性能。
• 代码示例：

  // C++ 版本（关闭同步）
  std::ios_base::sync_with_stdio(false);
  std::cin.tie(nullptr);
  for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
      std::cout << i << ' ';
  }
  
  // C 版本
  for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
      printf("%d ", i);
  }

• 结果：
  • C 版本：通常比 C++ 版本快 2-5 倍。
  • C++ 版本：通过关闭同步后性能接近 C 版本。

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五、选择建议

场景	推荐方法	理由
竞赛编程	scanf/printf	性能更高，适合大规模数据处理。
日常开发	cin/cout	类型安全、语法简洁，适合快速开发。
混合使用	慎用	避免 cin/cout 与 scanf/printf 混用导致同步问题。

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六、总结

• cin/cout 是 C++ 的推荐输入输出方式，具有类型安全、可扩展性强的优点。
• scanf/printf 在性能上仍有优势，适合对效率要求极高的场景。
• 实际开发中：根据需求选择合适的方法，或通过关闭同步优化 cin/cout 性能。