第 9 章 I/O 流类库

1. 第9章 I/O流类库 主要内容 • 基本概念 • C++的基本流类结构 • Istream类和ostream类 • 格式控制 • 文件的读/写 • 可流类

2. 输出 输入 9.1 基本概念 • 设备间的数据传送 • 内存 显示屏 • 内存 文件 • 键盘 内存 • 文件 内存 • 键盘 文件 • 流 • 面向对象技术中，任何设备都可以表示为相应类的对象，设备之间的数据传送即对象之间的数据传送。 • 数据从源对象到目的对象的传送可以抽象看做一个“流”。 • 当键入字符时，就可认为字符从键盘流入程序的数据结构中；

3. 当写入磁盘文件时，也可认为程序流到磁盘上。当写入磁盘文件时，也可认为程序流到磁盘上。 例如： cout<<“数据”; cin>>变量名； • 流类 • 把实现设备之间信息交换的类称作流类。 • 流库 • 若干流类的集合称做流类库。 • C++流类库是用继承方法建立起来的一个输入/输出类库，它具有两个平行的基类即streambuf类和ios类，所有其它的流类都是从它们直接或间接地派生出来的。

4. 9.2 C++的基本流库结构 • C++为何建立自己的输入输出系统 • C语言的输入/输出库函数不支持用户自定义的数据类型（如结构、类） ，用户也不能通过重载这些库函数来实现用户自定义数据类型的输入/输出。例如： struct my_struct{ int i; float f; char *str; }s; 如果：printf(“%my_struct”, s); //错误 因为printf只能识别系统预定义的类型。

5. C++流库结构 • 每个流都是一种与设备相联系的既有状态，又有操作的对象，即流对象。对流对象进行抽象就得到流类，流类形成的层次结构就构成流类库（或流库）。 • C++流库主要由两个流类层次组成： • 以streambuf类为父类的类层次 • 主要完成信息通过缓冲区的交换。 • 以ios类为父类的类层次 • 在streambuf类实现功能的基础上，增加了各种格式化的输入/输出控制方法。

6. streambuf filebuf strstreambuf stdiobuf streambuf类的派生层次 • C++流类库示意图： • streambuf类层次结构 • 缓冲区：是一个队列数据结构，由一字符序列和两个指针组成，这两个指针分别指向字符要被插入或被取出的位置。 • streambuf类为所有的streambuf类层次对象设置了一个固定的内存缓冲区，动态划分为两部分： • 用做输入的取区，用取指针指示当前取字符位置。 • 用做输出的存区，用存指针指示当前存字符位置。

7. filebuf类 • 是在fstream.h中定义的streambuf类的一个派生类，它使用文件来保存缓冲区中的字符序列。 • 将filebuf同某个文件的描述字相联系就称打开这个文件。 • 当写文件时，是将缓冲区的字符写到指定的文件中，之后刷新缓冲区； • 当读文件时，是将指定文件中的内容读到缓冲区中来。

8. strstreambuf类 • 扩展了streambuf类的功能，增加了动态内存管理功能，提供了在内存中进行提取和插入操作的缓冲区管理。 • stdiobuf类 • 主要用作C++语言的流类层次方法和C语言的标准输入/输出方法混合使用时系统的缓冲区管理。 在通过情况下，均使用这三个派生类，很少直接使用streambuf 类。

9. ios类层次结构 • ios类及其派生类是在streambuf类实现的通过缓冲区的信息交换的基础上，进一步增加了各种格式化的输入/输出控制方法。它们为用户提供使用流类的接口，它们均有一个指向streambuf的指针。 • ios类有四个直接派生类： istream ostream fstreambase strstreambase 这四种流作为流库中的基本流类。

10. istrstream istream_withassign istream ifstream strstream ios iostream stdiostream fstream ostream ofstream ostream_withassign ostrstream • ios类层次： ios类的派生层次

11. 从上图可看出各个类的继承关系，如： class ios; class istream : virtual public ios; class ostream : virtual public ios; class iostream : public istream, public ostream; 在istream类、ostream类和iostream类的基础上，分别重载赋值运算符“=”，就派生出istream_withassign、 ostream_withassign和ipstream_withassign类，即： class istream_withasssign : public istream; class ostream_withasssign : public ostream; class iostream_withasssign : public iostream;

12. ios虚基类 主要完成流的状态设置、状态报告、显示精度、域宽、填充字符的设置，文件流的操作模式定义等。 • istream类和ostream类 对运算符>>和<<进行重载。 • iostream类 以istream类和ostream类为基类，多重继承派生。可同时进行输入输出操作。

13. 9.3 istream类和ostream类 • 在编写C++程序时，使用标准的输入/输出流cin和cout进行输入/输出，是因为开始执行C++程序时，C++会自动打开几个预定义流： • 标准输入流cin（缺省为键盘） • 标准输出流cout（显示终端） • 非缓冲型的标准出错流cerr（显示终端） • 缓冲型的标准出错流clog（显示终端） 它们在iostream.h中说明为_withassign类的对象： extrean iostream_withassign cin; extrean iostream_withassign cout; extrean iostream_withassign cerr; extrean iostream_withassign clog;

14. istream类 • 在流库中提供主要的输入操作，默认对象是cin； • istream类是在include目录下的文件istream.h中，istream类中定义的运算符和成员函数包括输入运算符>>、get函数、getline函数、read函数等。 • istream类的定义：

15. class istream : virtual public ios{ public: istream(streambuf *); istream & operator>>(char *); istream & operator>>(int &); inline istream & operator>>(unsigned char *); int get(); istream & get(signed char *, int, char = ‘\n’); istream & get(streambuf &, char = ‘\n’); istream & get(unsigned char &); istream & getline(signed char *, int, char = ‘\n’); int peek(); //表示不输入并返回下一个字符 int gcount(); //用来返回上次输入的字符数 istream & read(signed char *, int); … };

16. >>叫做输入运算符，将数据从左边的流中读出。>>叫做输入运算符，将数据从左边的流中读出。 int i; cin>>i; //cin.operator>>(i); • 重载的输入运算符“>>”均返回流类istream的引用，因此输入运算符可连用。例如： int x; char y; cin>>x>>y; • 在读入一个字符串时，空格将作为一个串的终止。如： char ch[20]; cin>>ch; 键盘输入 great wall ch中仅存放great.

17. 缺省情况下，输入运算符在读取数据时，跳过空白字符，如： 12345 //读入时跳过前面的空格 • 不同类型的变量一起输入时，系统除检查是否有空白外，还检查输入数据与匹配情况。例如： int i; foat x; cin>> i >> x; 若输入： 56.79 32.85 实际结果：i = 56, x = 0.79

18. 系统用数据类型分隔输入数据，如果读取的数据类型与输入运算符的参数类型不符，它将返回零值，并终止输入，如：系统用数据类型分隔输入数据，如果读取的数据类型与输入运算符的参数类型不符，它将返回零值，并终止输入，如： int v[3]; for(int i=0; i<3; i++) { if(cin>>v[i]) { cout<<"v["<<i<<"]= " <<v[i]<<endl; continue; } cout<<i<<endl; } 键盘输入：11gh55 程序运行结果： v[0]=11 1 2

19. 例9.1 设计一个从键盘输入中提取若干个字符或字符串的例子。 #include<iostream.h> void main(void) { int length = 6; char a, b[6], c[6]; cin.get(a); cin.get(); //跳过输入流中1个字符 cin.getline(b, length); cin.get(); cin.getline(c, length); cout<<a<<“”<<b<<“”<<c<<endl; }

20. 为什么可直接使用“cin>>”进行输入？ • 当开始执行Ｃ＋＋程序时，系统自动为其建立一个istream_withassign类的对象cin。 • 而istream_withassign是istream的派生类，它继承了基类的所有公有成员，在istream类中重载了几乎所有系统预定义类型的输入运算符“>>”。 • 对象cin可调用这些“>>”，因此用户可直接使用“cin>>”输入系统预定义类型的变量。

21. ostream类 • ostream类在流库中提供主要的输出操作，默认对象是cout。 • ostream类是在include目录下的文件ostream.h中，ostream类中定义的运算符和成员函数包括输出运算符<<、put函数、write函数等。 • ostream类定义：

22. class ostream : virtual public ios{ public: ostream(streambuf * ); ostream & operator<<(const char *); ostream & operator<<(int); inline ostream & put(char); ostream & write(const char *, int); //… };

23. <<叫做输出运算符，将运算符右边的数据存储到左边的流中。<<叫做输出运算符，将运算符右边的数据存储到左边的流中。 cout<<“string”; cout.operator<<(“string”); • 所有重载的输出运算符均返回ostream的引用，利用该引用可继续调用下一个输出运算符函数，因而在一条语句中可以显示多个数据，如： int x; cout<<“x=“<<x; 系统执行如下：输出运算符按自左至右的顺序 cout.operator<<(“x=“).operator<<(x)

24. 输出运算符重载之后，没有改变其优先级，如果输出的数据含有表达式，应注意运算顺序，如：输出运算符重载之后，没有改变其优先级，如果输出的数据含有表达式，应注意运算顺序，如： cout<<x+y<<‘\n’;//正确，+的优先级高 cout<<x&y<<endl;//y是非法流，&的优先级低 结合顺序实际为： （cout<<x)&(y<<‘\n’) //error 应该用括号改变顺序： cout<<(x&y)<<‘\n’;

25. struct mytype{ int i; float f; char c; }; mytype mt; cin>>mt; cout<<mt; 对于用户自定义结构体类型或类类型的输入或输出，在C++中可以通过重载运算符“<<”和“>>”来实现。 例9.2 设计一个包含几种典型情况的屏幕输出的例子。 P197

26. 重载输出运算符“<<” • 通过重载输出运算符“<<”来实现用户自定义类型的输出，定义格式为： ostream & operator<<(ostream &os, user_type &d) { os<<d.item1; os<<d.item2; os<<d.item3; //… return os; } 下面举一个具体的例子：

27. #include<iostream.h> class three_d{ int x, y, z; public: three_d(int x1, int y1, int z1) : x(x1), y(y1), z(z1){} //… friend ostream & operator<<(ostream &, three_d & obj); }; ostream & operator<<(ostream &output, three_d & obj) { output<<“x=“<<obj.x<<endl; output<<“y=“<<obj.y<<endl; output<<“z=“<<obj.z<<endl; return output; } void main(void) { three_d obj1(10, 20, 30); cout<<obj1; }

28. 说明： • 重载的operator<<函数必须返回一个输出流类ostream对象的引用，这样，重载的输出运算符“<<”可连用。 • 输出运算符“<<”是双目运算符，使用时必须是输出流对象为第一操作数，输出数据为第二操作数，次序不能改变。 • 一般情况下，重载输出运算符函数不能是类的成员函数。（因为如果一个运算符函数是类的成员，则其左运算数就应当是调用运算符函数的类的对象。但重载运算符时，其左边参数是流，而右边的参数是类的对象。）

29. 重载输入运算符“>>” • 通过重载输入运算符“>>”来实现用户自定义类型的输入，定义格式为： istream & operator>>(istream &is, user_type &d) { is>>d.item1; is>>d.item2; is>>d.item3; //… return is; } 下面举一个具体的例子：

30. #include<iostream.h> class three_d{ int x, y, z; public: three_d(int x1, int y1, int z1) : x(x1), y(y1), z(z1){ } void print(){cout<<x<<" "<<y<<" "<<z<<endl;} //… friend istream & operator>>(istream &, three_d & obj); }; istream & operator>>(istream &input, three_d & obj) { input>>obj.x; input>>obj.y; input>>obj.z; return input; } void main(void) { three_d obj1(10, 20, 30); obj1.print(); cin>>obj1; obj1.print(); }

31. 说明： • 重载的operator>>函数必须返回一个输入流类istream对象的引用，这样，重载的输入运算符“>>”可连用。 • 与重载输出运算符函数一样，重载输入运算符函数也不能是所操作类的成员函数，但可以是该类的友元函数或独立函数。

32. 9.4 格式控制 • C++语言提供了两种格式控制方法 • 利用ios类中的格式控制成员函数 • 利用操作符

33. 格式控制成员函数 • 状态设置和状态报告 • ios类中定义的long类型的保护数据成员x_flag用于存入控制输入输出格式的状态标志。 • 状态标志位共15个，各占一个二进制位，称为格式状态位。 • 若设置了某个状态标志位，则x_flags中的某一位为“1”，否则为“0”。 例如：若在状态标志中设定了skipws和dec，其它均未设定，则x_flags的值应为0000000000010001， 即为十六进制的0x0011。 这些状态值之间是或的关系，可以几个并存。

34. 设置状态标志 long ios::setf(long flags) { x_flags = x_flags | flags; //(按位或） return x_flag; } 功能：把指定位的状态标志设置为1。 调用如：ut<<setf(ios::hex||ios::scientific); • 清除状态标志 long ios::unsetf(long flags) { x_flags = (x_flags) & (~flags); return x_flags; } 功能：把指定位的状态标志设置为0。

35. 取状态标志 long ios::flags() const { return x_flags; } 功能：返回当前流的状态标志位数值。 long ios::flags(long flags) { long x = x_flags; x_flags = flag; return x; } 功能：设置指定位的状态标志，并返回设置前的状态标志位数值。 • 与setf()的差别：setf()是在原有的基础上追加设定，而flags(long flags)是用新设定覆盖以前的状态标志。

36. 显示精度设置 在ios类中用x_precision来存放浮点数的输出显示精度。 int ios::precision() { return x_precision; } 功能：返回当前的显示精度 int ios::precision(int n) { int x = x_precison; x_precison = n; return x; } 功能：设置显示精度为n位, 并返回设置前的显示精度。

37. 域宽设置 用于用户控制输出格式，在ios类中用x_width存放。 int ios::width() { return x_width; } 功能：返回当前的域宽值 int ios::width(int n) { int i = x_width; x_width = n; return i; } 功能：设置域宽为n位

38. 填充字符设置 在ios类中用x_fill来存放填充字符，填充字符的作用是当输出值不满域宽时用填充字符来填充，缺省情况下填充字符为空格。与width()函数配合使用。 char ios::fill() { return x_fill; } 功能：返回当前的填充字符值 char ios::fill(char c) { char x = x_fill; x_fill = c; return x; } 功能：设置填充字符为c

39. x_width=0 123 x_precision=6 123 123.79 345.787 11 10 x_width=0 12 12 x_width=12 int i = 10; cout<<i<<' ' <<i++<<endl; cout<<i<<' '<<++i<<endl; cout<<"x_width="<<cout.width()<<endl; cout<<"x_width="<<cout.width(10)<<endl; cout.width(12); cout<<"x_width="<<cout.width()<<endl; cout<<123<<endl; cout<<"x_precision="<<cout.precision()<<endl; cout<<123<<' '<<123.78985<<' '<<345.787<<endl;

40. 说明： • 未设置域宽时，x_width取值为0，当用width(n)设置域宽后，它只对最近跟着它的第一个输出有影响，第一个输出完成后，x_width 马上被自动置为0。 • x_precision与实际输出数值的精度不一致时，最终输出结果为： • 若实际输出数值的精度大于x_precision，则以x_precision作为精度四舍五入后输出； • 若实际输出数值的精度小于x_precision，则按实际精度输出。

41. 操作符 • 使用ios类的成员函数来控制输入/输出格式时，必须缀上使用它的流对象（见例11.3），而且不能将它们直接嵌入到输入/输出语句中去。为此，C++还提供了操作符方法。 • 操作符是一个函数，它以一个流引用作为参数，并返回同一流的引用。因此它可以嵌入到输入/输出操作的链中。例如，hex操作符的函数体定义： ios & hex(ios & o) { o.setf(ios::hex); return o; }

42. C++提供的预定义的标准操作符。（见表11.1） • 无参数操作符 （P200表9.1） 例9.4 • 有参数操作符 （P201表9.2） 例9.5

43. 9.5 文件的读/写 • 基本概念 • C++把文件看作字符/序列，即所谓流式文件。 • 根据数据的组织形式，文件可分为文本文件和二进制文件。 • 文本文件又称ASCII文件，它的每个字节存放一个ASCII代码，代表一个字符。这样便于对字符进行处理，也便于输出，但占用存储空间较多。 • 二进制文件是把内存中的数据，按其在内存中的存储形式原样写到磁盘上。用二进制形式输出数据，可节省存储空间和转换时间，但一个字节并不对应一个字符。一般情况下，中间结果常用二进制文件保存。 • 按操作方法，文件可分为输入文件和输出文件。

44. 打开的文件 其它设备(变量) 文件流的写 • 文件流是文件与内存等设备之间的信息交换过程。 注意： • 文件流的读对应内存变量的输入 • 文件流的写对应内存变量的输出 文件流的读

45. C++中文件输入/输出的基本过程 • 在程序中要包含头文件fstream.h。 • 创建一个流。 • 将这个流与文件相关联，即打开文件。 • 进行文件的读写操作。 • 关闭文件。

46. 9.5.1 文件的打开和关闭 • 文件的打开 • C++有三种类型的文件流： • 输入文件流ifstream • 输出文件流ofstream • 输入/输出文件流fstream 这些文件流类都定义在fstream.h文件中。各有4个重载的构造函数。 • 在C++中，打开一个文件，就是将这个文件与一个流建立关联；

47. 打开文件的两种方式 • 在打开文件时要定义流类的对象，三个类的常用构造函数分别为： ifstream(const char *, int =ios::in, int =filebuf::openprot); ofstream(const char *, int =ios::out, int =filebuf::openprot); fstream(const char *, int, int =filebuf::openprot); 参数含义： 字符串形式的文件名、文件流的操作模式、打开文件的共享/保护模式。

48. 一旦定义了一个对象，就建立了一个外存介质上的文件和内存的交换通道，并指定了数据交换的方向。一旦定义了一个对象，就建立了一个外存介质上的文件和内存的交换通道，并指定了数据交换的方向。 例如： ifstream ifs(“Data1.dat”); ofstream ofs(“Data2.dat”); fstream iofs(“Data3.data”, ios::in|ios::out); • ifstream类、ofstream类和fstream类中提供了专门的打开成员函数。 void ifstream::open(const char *, int =ios::in, int =filebuf::openprot); void ofstream::open(const char *, int =ios::out, int =filebuf::openprot); void fstream::open(const char *, int, int =filebuf::openprot);

49. 例如： ifstream ifs; ofstream ofs; fstream iofs; ifs.open(“Data1.dat”); ofs.open(“Data2.dat”); iofs.open(“Data3.dat”, ios::in|ios::out); • 打开当前工作目录下的指定的文件； • 如果当前工作目录下不存在指定文件，则在当前工作目录下创建一个新的指定文件。 • 可指定文件目录，如： ifstream ifs(“e:\mytest\Data1.dat”);

50. 文件的关闭 • 关闭文件即是使打开的文件与流“脱钩”。使用流类的成员函数close()完成，它不带参数，无返回值。 例如： out.close(); 将关闭与流out相连接的文件。 • 关闭文件的作用 • 把要写入文件的数据从缓冲区中完全写回磁盘。（内存和文件的数据交换是通过缓冲区完成的。） • 保证文件安全。