C++学习笔记（十）输入与输出流（下）

1、输入输出类的层次

在C++中，输入输出数据的传送过程我们称之为流，一个流就是一个字节序列，对流可以进行读或写操作。

输入输出类层次可以分为输入输出流类层次和缓冲类层次，我们先来看一下C++的输入输出流类层次，见下图。

在C++中，输入输出流层次是从ios_basic类开始的，该类作为所有类的基类，之后它派生出了basic_ios类，这两个类是整个输入输出流类层次的基类，但是它们在功能上有些区别：ios_basic和basic_ios都在一定程度上描述了流的基本性质，但是ios_basic并没有考虑流的字符集，而basic_ios在描述流的基本性质时考虑了此点。

之后则从basic_ios类中派生出了basic_istream和basic_ostream类，其中basic_istream类用于描述输入流而basic_ostream用于描述输出流。 basic_istream和basic_ostream类分别继承了ios_base和basic_ios类中的成员函数，并且增添了自己的成员函数，例如分别对左移操作符和右移操作符的重载函数。

basic_iostream类则是同时继承了basic_istream类和basic_ostream类，该类并没有新增成员变量，在成员函数方面，它也只是增添了构造函数和析构函数。而basic_ifstream和basic_ofstream类，这两个类分别继承自basic_istream类和basic_ostream类，basic_ifstream和basic_ofstream类主要是对文件进行读写操作。

在C++中输入和输出并不是直接地进行读和写操作的，通常读和写操作是通过一个缓冲区来进行的。当计算机收到写字符的请求时，计算机并不会将等待写入的字符直接写入到输出流中，而是将其先写到缓冲区中，然后定期地将缓冲区中的字符写入到输出流中，此过程我们称之为清扫缓冲区，通常缓冲区满或者换行符会带动一次将缓冲区中的字符写到输出流中。读入操作也同样会经过缓冲区，也有类似的过程。

在缓冲类层次中，所有缓冲类都从公共基类basic_streambuf类派生而来，见下图。字符流缓冲类basic_stringbuf和文件缓冲类basic_filebuf，这两个类为输入输出类提供输入输出服务，它们从basic_streambuf类中继承了对缓冲区读写操作的函数。

在程序中声明头文件，就相当于在程序中声明了相关的类，可以说头文件是程序与类库的接口，在大致了解了输入输出类层次之后，我们来看一下头文件的用途。

在这些头文件中我们常用头文件有：iostream、fstream、strstream、iomanip。Iostream头文件中包含了对输入输出流进行操作所需要的基本信息，fstream则用于对文件的读写操作，strstream头文件可以用于输入输出字符串，而iomanip则主要是用于格式化输入输出。

2、标准输出流对象

在程序设计过程中不可避免地要进行输入与输出操作，在前面章节列举示例程序时我们通常都会加上一个包含iostream头文件，我们之所以包含该文件，那是因为在该头文件中，系统声明了输入输出类的对象，包含了该头文件后，我们就可以直接使用这些对象了。这些对象中包含标准的输出流对象cout、cerr和clog以及标准输入流对象cin等。我们这一节先来了解一下标准输出流的三个对象：cout、cerr和clog。

所谓标准输出其实就是向标准输出设备进行输出，通常来讲我们可以将标准输出设备理解为显示器。系统声明的三个标准输出流对象cout、cerr和clog中，cerr和clog对象都是标准错误流，不同的是cerr是直接将错误信息输出到显示器，而clog则不同，clog是将错误信息先写入到缓冲区，待清扫缓冲区时，再将错误内容输出到显示器中。与cerr和clog对象不同，cout对象则非错误流，而只是普通的输出流，该对象在进行输出时，也会经过先缓冲区，然后再输出到显示器。

例1：

在该程序中我们同时使用到了cout、cerr和clog对象，cout对象我们早已经不陌生，在前面几乎所有的例程中输出都是用的它，cerr和clog用于错误信息输出，它的使用方式其实和cout时一样的，在本例中我们将其用于输出异常信息。当访问数组出现下标越界时，程序就抛出异常，然后会被catch程序块捕获并在程序块中输出异常信息。在本例中我们如果将程序中的所有cerr全都替换为clog或者将所有clog全都替换为cerr，程序的输出结果是不会变化的，从这点看这两者似乎是没什么差别，其实差别在是否经过缓冲区，不过本例是无法体现出差别的，因为在输出异常信息的同时，endl会带来一次清扫缓冲区动作，因此经不经过缓冲区是无法得以体现的。cerr和clog之间的细微差别，我们只要做到心中有数就可以了。

3、格式标识和操纵器

在我们设计程序时，我们通常需要将输出数据以某种格式显示出来，例如我们希望将时间显示为“dd:dd:dd”的形式，如此一来我们就需要借助格式标识符来控制cout对象的输出格式。在ios_base类中，系统已经定义了很多格式标识符，通过这些标识符，我们可以很好地进行格式化控制，具体见下表。除此之外，ios_base类中还定义有width和precision等函数，这些函数同样可以辅助我们进行格式化控制。

有了表中所列标识符我们确实可以进行格式控制，但是除了能够直接调用这些格式标识符之外，我们可以借助类中提供的成员函数，具体成员函数见下表。

这些函数都是ios_base类的成员函数，可以通过对象直接调用，而cout是basic_ostream的一个对象，basic_ostream继承自ios_base，因此cout可以调用这些函数。

例1：

本例中我们先调用flags函数设置输出格式，格式设置为左对齐和大写的十六进制，之后我们将100~149的数字全部输出，输出完之后我们将刚才设置的格式全部取消，然后重新设置为原始的格式old_val，再将数字100~149的数字重新输出一遍。之后我们演示的是将170按照十六进制、八进制和十进制的形式输出。

在整个程序中由于我们一开始设置了ios_base::showbase，即显示基数，基数的意思就是说在十六进制前加上0x，在八进制前加上0，十进制则不作处理。我们一开始设置了ios_base::showbase后，一直没有取消设置，因此在整个程序输出过程中一直都是加上了基数。出现这种情况也是我们要注意的，一旦格式设置完成，则会一直保持格式，除非取消格式，因此在设置新格式前最好将原有设置的格式都取消。

例2：

在本例中我们调用成员函数width控制输出的宽度为6个字符的位置，之后我们分别设置左对齐和右对齐，然后输出-100。从上面程序中我们可以看出默认是采用右对齐的方式输出的。

当然，这些格式化控制除了可以使用格式标识来控制外，我们还可以使用操纵器来控制，下面我们来简单了解一下操纵器。操作器其本质是函数，它可以直接改变流的格式。

例3：

本例中hex、oct、dec和uppercase都是操纵器，它可以与输入或输出操作符一起使用。

C++标准库中预定义了一些操纵器，使用其中带参数的操纵器则需要包含头文件iomanip，下标中列出了一些带参数的操纵器。

表中列出的最后两个函数，其参数值为标识，即为格式标识符的组合。

4、标准输入流

所谓标准输入是指从标准输入设备中输入设备，通常来讲我们可以将标准输入设备理解为键盘。cin是标准输入类对象，它一般与输入操作符“>>”一起使用。输入的过程是这样的：键盘输入完数据后按下回车键，该行数据就被写入输入缓冲区中，之后输入操作符从缓冲区中提取数据，在提取的过程中会忽略空格、tab键以及换行符等空白字符。

如果输入流处于正常状态，则cin的返回值为true，否则返回的是false。当cin遇到错误的字符或文件结束符时，输入就会处于非正常状态，此时返回值为0，终止所有数据输入操作。

例1：

在本例中，我们采用循环输入的方式，将输入数据然后直接输出。因为cin返回的也是bool类型，因此可以作为条件判断表达式。在cin后面我们使用了不带参数的操纵器hex，用此操纵器表明我们输入的是16进制数据，在输出的时候我们并没有设置为16进制输出，因此系统通过内部函数将其由输入的16进制转换为10进制，然后输出。当我们输入的字符不在0-9、a-f以及A-F范围内时，cin就会处于非正常状态，返回值为false，退出while循环，之后我们输出The end结束程序。