C++中的標準輸入和輸出
時間：2018-09-26 來源：未知
一、 C++ 輸入輸出的含義
在C語言中我們的輸入和輸出都是以printf和scanf進行操作的。他們都是函數。在C++中的我們的輸入輸出都是以終端為對象的，即從鍵盤輸入數據，運行結果輸出到顯示器屏幕上。從操作系統(Linux)的角度看，每一個與主機相連的輸入輸出設備都被看作一個文件。程序的輸入指的是從輸入文件將數據傳送給程序，程序的輸出指的是從程序將數據傳送給輸出文件。C++的輸入與輸出包括以下3方面的內容：
1、對系統指定的標準設備的輸入和輸出。簡稱標準I/O。(設備)
2、以外存磁盤(或光盤)文件為對象進行輸入和輸出。簡稱文件I/0。(文件)
3、對內存中指定的空間進行輸入和輸出。簡稱串I/O。(內存)
C++采取不同的方法來實現以上3種輸人輸出。 為了實現數據的有效流動，C++系統提供了龐大的I/O類庫，調用不同的類去實現不同的功能。
二、 C++的I/O對C的發展—類型安全和可擴展性
C語言中I/O存在問題：
1、在C語言中，用printf和scanf進行輸入輸出，往往不能保證所輸入輸出的數據是可靠的、安全的。學過C語言的讀者可以分析下面的用法：想用格式符%d輸出一個整數，但不小心錯用了它輸出單精度變量和字符串，會出現什么情況?假定所用的系統int型占兩個字節。
printf("%d"，i); //i為整型變量，正確，輸出i的值
printf("%d"，f); //f為單精度變量，輸出變量中前兩個字節的內容
printf("%d","C++");//輸出字符串"C++”的起始地址
編譯系統認為以上語句都是合法的，而不對數據類型的合法性進行檢查，顯然所得到的結果不是人們所期望的。
2、在用scanf輸入時，有時出現的問題是很隱蔽的。如
scanf("%d"，&i); //正確，輸入一個整數，賦給整型變量i
scanf("%d",i); //漏寫&
假如已有聲明語句"int i=1"，定義i為整型變量，其初值為1。編譯系統不認為上面的scanf語句出錯，而是將輸入的值存放到地址為000001的內存單元中，這個錯誤可能產生嚴重的后果。
注意：C++為了與C兼容，保留了用printf和scanf進行輸出和輸入的方法，以便使過去所編寫的大量的C程序仍然可以在C++的環境下運行，但是希望讀者在編寫新的C++程序時不要用C的輸入輸出機制，而要用C++自己特有的輸入輸出方法。在C++的輸入輸出中，編譯系統對數據類型進行嚴格的檢查，凡是類型不正確的數據都不可能通過編譯。因此C++的I/0操作是類型安全(typesafe)的。
3、用printf和scanf可以輸出和輸入標準類型(如:int，float，double，char)的數據，但無法輸出用戶自己聲明的類型(如數組、結構體、類)的數據。在C++中，會經常遇到對類對象的輸入輸出，顯然無法使用printf和scanf來處理。C++的I/O操作是可擴展的，不僅可以用來輸入輸出標準類型的數據，也可以用于用戶自定義類型的數據。C++對標準類型的數據和對用戶聲明類型數據的輸入輸出，采用同樣的方法處理。顯然，在用戶聲明了一個新類后，是無法用printf和scanf函數直接輸出和輸入這個類的對象的。
解決辦法：
可擴展性是C++輸入輸出的重要特點之一，它能提高軟件的重用性，加快軟件的開發過程。
C++通過I/O類庫來實現豐富的I/0功能。這樣使C++的輸入輸出明顯地優于C語言中的pfintf和scanf，但是也為之付出了代價，C++的I/O系統變得比較復雜，要掌握許多細節。在本章中只能介紹其基本的概念和基本的操作，有些具體的細節可在日后實際深入應用時再進一步掌握。
三、 C++的輸入輸出流
輸入和輸出是數據傳送的過程，數據如流水一樣從一處流向另一處(單方向、一維)。C++形象地將此過程稱為流(stream)。C++的輸入輸出流是指由若干字節組成的字節序列，這些字節中的數據按順序從一個對象傳送到另一對象。流表示了信息從源到目的端的流動。在輸入操作時，字節流從輸入設備(如鍵盤、磁盤)流向內存，在輸出操作時，字節流從內存流向輸出設備(如屏幕、打印機、磁盤等)。流中的內容可以是ASCII字符、二進制形式的數據、圖形圖像、數字音頻視頻或其他形式的信息。
實際上，在內存中為每一個數據流開辟一個內存緩沖區，用來存放流中的數據。當用cout和插入運算符“<<”向顯示器輸出數據時，先將這些數據送到程序中的輸出緩沖區保存，直到緩沖區滿了或遇到endl，就將緩沖區中的全部數據送到顯示器顯示出來。在輸入時，從鍵盤輸入的數據先放在鍵盤緩沖區中，當按回車鍵時，鍵盤緩沖區中的數據輸入到程序中的輸入緩沖區，形成cin流，然后用提取運算符“>>”從輸入緩沖區中提取數據送給程序中的有關變量。總之，流是與內存緩沖區相對應的，或者說，緩沖區中的數據就是流。
在C++中，輸入輸出流被定義為類。C++的I/0庫中的類稱為流類(streamclass)。用流類定義的對象稱為流對象。
前面曾多次說明，cout和cin并不是C++語言中提供的語句，它們是iostream類的對象，在未學習類和對象時，在不致引起誤解的前提下，為敘述方便，把它們稱為cout語句和cin語句。正如C++并未提供賦值語句，只提供賦值表達式，在賦值表達式后面加分號就成了C++的語句，為方便起見，我們習慣稱之為賦值語句。又如，在C語言中常用printf和scanf進行輸出和輸入，printf和scanf是C語言庫函數中的輸入輸出函數，一般也習慣地將由printf和scanf函數構成的語句稱為printf語句和scanf語句。在使用它們時，對其本來的概念要有準確的理解。
1.iostream類庫中有關的類
C++編譯系統提供了用于輸人輸出的iostream類庫。iostream這個單詞是由3個部分組成的，即i-o-stream，意為輸入輸出流。在iostream類庫中包含許多用于輸入輸出的類。
ios是抽象基類，由它派生出istream類和ostream類，兩個類名中第1個字母i和。分 別代表輸入(mput)和輸出(output)。istream類支持輸入操作，ostream類支持輸出操作， iostream類支持輸入輸出操作。iostream類是從istream類和ostream類通過多重繼承而派生的類。
C++對文件的輸人輸出需要用ifstream和ofstream類，兩個類名中第1個字母i和o分別代表輸入和輸出，第2個字母f代表文件(file)。ifstream支持對文件的輸入操作，ofstream支持對文件的輸出操作。類ifstream繼承了類istream，類ofstream繼承了類ostream，類fstream繼承了類iostream。
由圖可以看到：由抽象基類ios直接派生出4個派生類，即istream，ostream，fstreambase和strstreambase。其中fstreambase是文件流類基類，由它再派生出ifstream，ofstream和fstream。strstreambase是字符串流類基類，由它再派生出lstrstream，ostrsCeam和swsWeam類。
I/0類庫中還有其他一些類，但是對于一般用戶來說，以上這些已能滿足需要了。如果想深入了解類庫的內容和使用，可參閱所用的C++系統的類庫手冊。在本章將陸續介紹有關的類。
2、與iostream類庫有關的頭文件
iostream類庫中不同的類的聲明被放在不同的頭文件中，用戶在自己的程序中用 #include命令包含了有關的頭文件就相當于在本程序中聲明了所需要用到的類。可以換一種說法：頭文件是程序與類庫的接口，iostream類庫的接口分別由不同的頭文件來實現。常用的有
●iostream 包含了對(標準)輸入輸出流進行操作所需的基本信息。
●fstream 用于用戶管理的文件的I/0操作。
●strstream 用于字符串流I/0。
●stdiostream 用于混合使用C和C++的I/0機制時，例如想將C程序轉變為C++程序。
●iomamp 在使用格式化I/0時應包含此頭文件。
3、在iostream頭文件中定義的流對象
在iostream頭文件中定義的類有:ios，istream，ostream，iostream，istream_withassign，ostream_withassign，iostream_withassign等。
iostream包含了對輸入輸出流進行操作所需的基本信息。因此大多數C++程序都包括iostream。在iostream頭文件中不僅定義了有關的類，還定義了4種流對象，
cin是istream的派生類istream_withassign的對象，它是從標準輸入設備(鍵盤)輸入到內存的數據流，稱為cin流或標準輸入流。cout是ostream的派生類ostream_withassign的對象，它是從內存輸入到標準輸出設備(顯示器)的數據流，稱為cout流或標準輸出流。cerr和clog作用相似，均為向輸出設備(顯示器)輸出出錯信息。因此用鍵盤輸入時用cin流，向顯示器輸出時用cout流。向顯示器輸出出錯信息時用cerr和clog流。
在iostream頭文件中定義以上4個流對象用以下的形式(以cout為例)：
ostream cout(stdout);
在定義cout為ostream流類對象時，把標準輸出設備stdout作為參數，這樣它就與標準輸出設備(顯示器)聯系起來，如果有
cout<<3;//就會在顯示器的屏幕上輸出3。
4.在iostream頭文件中重載運算符
“<<”和“>>”本來在C++中是被定義為左位移運算符和右位移運算符的，由于在iosreeam頭文件中對它們進行了重載，使它們能用作標準類型數據的輸入和輸出運算符。所以，在用它們的程序中必須用#include命令把iostream包含到程序中。
#include
在istream和ostream類(這兩個類都是在頭文件iostream中聲明的)中分別有一組成員函數對位移運算符“<<”和“>>”進行重載，以便能用它輸入或輸出各種標準數據類型的數據。對于不同的標準數據類型要分別進行重載，如
ostream operator<<(int); //用于向輸出流插入一個int數據
ostream operator<<(float);//用于向輸出流插入一個float數據
ostream operator<<(char); //用于向輸出流插入一個char數據
ostream operator<<(char *) //用于向輸出流插入一個字符串數據
等。如果在程序中有下面的表達式： cout<<"C++";
根據所介紹的知識，上面的表達式相當于 cout.operator<<("C++")
”C++”的值是其首字節地址，是字符型指針(char *)類型，因此選擇調用上面后一個運算符重載函數，通過重載函數的函數體，將字符串插入到cout流中，函數返回流對象cout。
在istream類中已將運算符“>>”重載為對以下標準類型的提取運算符：char，signed char，unsigned char，short，unsigned short，int，unsigned int，long，unsigned long，float， double，longdouble，char*，signedchar*，unsignedchar*等。
在ostream類中將“<<”重載為插入運算符，其適用類型除了以上的標準類型外，還增加了一個void。類型。
如果想將“<<”和“>>”用于自己聲明的類型的數據，就不能簡單地采用包含iostream頭文件來解決，必須自己用介紹的方法對“<<”和“>>”進行重載。
怎樣理解運算符“<<”和“>>”的作用呢?有一個簡單而形象的方法：它們指出了數據移動的方向，例如: >>a // 箭頭方向表示把數據放入a中。
而: <<a // 箭頭方向表示從a中拿出數據。
5、標準輸出流：標準輸出流是流向標準輸出設備(顯示器)的數據。
ostream類定義了3個輸出流對象，即cout，cerr，clog。分述如下。
cout是console output的縮寫，意為在控制臺(終端顯示器)的輸出。
2、用"cout<<”輸出基本類型的數據時，可以不必考慮數據是什么類型，系統會判斷數據的類型，并根據其類型選擇調用與之匹配的運算符重載函數。
這個過程都是自動的，用戶不必干預。如果在C語言中用printf函數輸出不同類型的數據，必須分別指定相應的輸出格式符，十分麻煩，而且容易出錯。C++的I/0機制對用戶來說，顯然是方便而安全的。
3、cout流在內存中對應開辟了一個緩沖區，用來存放流中的數據。當向cout流插人一個endl時，不論緩沖區是否已滿，都立即輸出流中所有數據，然后插入一個換行符，并刷新流(清空緩沖區)。注意如果插入一個換行符，'\n'(如coot<
例1 有一元二次方程ax2+bx+c=0,其一般解為 x、1、2= ……但若a=0，或b^2-4ac<0時，用此公式出錯。
編程序，從鍵盤輸入a，b，c的值，求x1和x2。如果a=0或b^2-4ac<0，輸出出錯信息。可寫出以下程序：
cerr<<"a is equal to zero,error!"<<endl;//將出錯信息插入cerr,屏幕輸出
cerr<<"disc=b*b-4*a*c<0"<<endl; //將出錯信息插入cerr流，屏幕輸出
{cout<<"x1="<<(-b+sqrt(disc))/(2*a)<<endl;
cout<<"x2="<<(-b-sqrt(disc))/(2*a)<<endl;}
③please input a，b，c; 1 2.5 1.5
應當注意:這些控制符是在頭文件iomanip中定義的，因而程序中應當包含頭文件iomanip。通過下面的例子可以了解使用它們的方法，
cout<<"dec:"<<dec<<a<<endl; //以上進制形式輸出整數
cout<<"hex:"<<hex<<a<<endl; //以十六進制形式輸出整數a
cout<<"oct:"<<setbase(8)<<a<<endl;//以八進制形式輸出整數a
char *pt="China"; //pt指向字符串”China” //pt指向字符串”China”
cout<<setw(10)<<pt<<endl; //指定域寬為10，輸出字符
cout<<setfill('*')<<setw(10)<<pt<<endl;//指定域寬10，輸出字符串，空白處以“*”填充
cout<<setiosflags(ios::scientific)<<setprecision(8);//按指數形式輸出，8位小數
cout<<"pi="<<pi<<endl; //輸出pi值
cout<<"pi="<<setprecision(4)<<pi<<endl;//改為4位小數
cout<<"pi="<<setiosflags(ios::fixed)<<pi<<endl;//改為小數形式輸出
pi=3.14285714e+00 (指數形式輸出，8位小數)
除了可以用控制符來控制輸出格式外，還可以通過調用流對象COUt中用于控制輸出格式的成員函數來控制輸出格式。用于控制輸出格式的常用的成員函數見表4。
cout.setf(ios::showbase); //設置輸出時的基數符號
cout<<"dec:"<<a<<endl; //默認以十進制形式輸出a
cout.unsetf(ios::dec); //終止十進制的格式設置
cout.setf(ios::hex); //設置以十六進制輸出的狀態
cout<<"hex:"<<a<<endl; //以十六進制形式輸出a
cout.unsetf(ios::hex); //終止十六進制的格式設置
cout.setf(ios::oct); //設置以八進制輸出的狀態
cout<<"oct:"<<a<<endl; //以八進制形式輸出a
cout.unsetf(ios::oct); //終止以八進制的輸出格式設置
char *pt="China"; //pt指向字符串”china”
cout.setf(ios::scientific);//指定用科學記數法輸出
cout.unsetf(ios::scientific); //終止科學記數法狀態
cout.setf(ios::fixed); //指定用定點形式輸出
cout.setf(ios::showpos); //在輸出正數時顯示“+”號
cout.setf(ios::internal); //數符出現在左側
cout<<pi<<endl; //輸出pi，注意數符“+”的位置
pi=**3.142857e+00 (指數形式輸出，域寬14，默認6位小數)
****3.142857 (小數形式輸㈩，精度為6，左側輸出數符“+”)
同理，程序倒數第8行的unsetf函數的調用也是不可缺少的。讀者不妨上機試一試。
3、用serf函數設置格式狀態時，可以包含兩個或多個格式標志，由于這些格式標志在lOS類中被定義為枚舉值，每一個格式標志以一個二進位代表，因此可以用“位或”運算符“I”組合多個格式標志
5、關于輸山格式的控制，在使用中還會遇到一些細節問題，不可能在這里全部涉及。在遇到問題時，請查閱專門手冊或上機試驗一下即可解決。
調用該函數的結果是在屏幕上顯示一個字符a。put函數的參數可以是字符或字符的ASCII代碼(也可以是一個整型表達式)。如： cout.put(65+32);
cout.put(71)，put(79).put(79).put(68).put('\n');
例4 有一個字符串"BASIC"，要求把它們按相反的順序輸出。
{ char *a="BASIC"; //字符指引指向'B'
cout.put(*(a+i)); //從后一個字符開始輸出
#include
運行結果與前相同，成員函數put不僅可以用COUT流對象來調用，而且也可以用ostream類的其他流對象調用。
在頭文件iostream.h中定義了cin，cout，cerr，clog4個流對象，cin輸人流，cout，cerr，clog是輸出流。關于coutl，cerr，clog的使用方法已在上一講中介紹。
cin>>a>>b; // 若從鍵盤上輸入 21 abc出錯
如: if(!cin) //流cin處于出錯狀態，無法正常提取數據
while(cin>>grade) //如果能從cin流讀取數據cin的值為真，執行循環體
{ if(grade>=85) cout<<grade<<" GOOD!"<<endl;
if(grade<60) cout<<grade<<" fail!"<<endl;
流提取符“>>”不斷地從輸人流中提取數據(每次提取一個浮點數)，如果成功，就賦給變量grade，此時cin為真，若不成功則cin為假。如果輸入文件結束符，表示數據已完。
在遇到文件結束符時，程序結束。如果某次輸入的數據為： enter grade：100/2 (回車)
流提取符“>>”提取100，賦給grade，進行if語句的處理。然后再遇到“/”，認為是無效字符，cin返回o。循環結束，輸出"Theend.”。
在不同的C++系統下運行此程序，在后的處理上有些不同。以上是在GCC環境下運行程序的結果，如果在VC++環境下運行此程序，在鍵人Ctrl+z時，程序運行馬上結束，不輸出”Theend.”。
除了可以用CIB輸入標準類型的數據外，還可以用istream類流對象的一些成員函數，實現字符的輸入。
流成員函數get有3種形式：無參數的，有一個參數的，有3個參數的。
其調用形式為： cin.get() //用來從指定的輸人流中提取一個字符(包括空白字符)函數的返回值就是讀入的字符。
1 study C++ very hard. (輸入一行字符)
2 study C++ very hard. (輸出該行字符)
C語言中的getchar函數與流成員函數cin.get()的功能相同，C++保留廠C的這種用法，可以用getchar(c)從鍵盤讀取一個字符賦給變量c。
cin.get(ch)// 其作用是從輸人流中讀取一個字符，賦給字符變量ch。
如果讀取成功則函數返回非。值(真)，如失敗(遇文件結束符)則函數返回。值(假)。例6可以改寫如下：
cout<<"enter a sentence："<<endl；
while(cin.get(c)) //讀取—個字符賦給字符變量c，如果讀取成功,cin.get(c)為真
cout<<"enter a sentence：”<<endl；
cin.get(ch，10，'\n'); //指定換行符為終止字符
getline函數的作用是從輸人流中讀取一行字符，其用法與帶3個參數的get函數類 似。
即: cin.getline(字符數組(或字符指針)，字符個數n，終止標志字符)
cout<<"enter a sentence:"<<endl;
cout<<"The string read with cin is:"<<ch<<endl;
cin.getline(ch,20,'/');//讀19個字符或遇'/'結束
cout<<"The second part is:"<<ch<<endl;
cin.getline(ch,20); //讀l9個字符或遇'/n'，結束
cout<<"The third part is:"<<ch<<endl;
enter a sentence：I like C++./I study C++./I am happy.(回車)
The third part is：I study C++./I am h
1、如果第2個cin.getline函數也寫成cin.getline(ch，20，'/')，輸出結果會如何?
2、如果在用cin.getline(ch，20，'/')從輸入流讀取數據時，遇到回車鍵('\n')，是否結束讀取?結論是此時'/n'不是結束標志。'/n'被作為一個字符被讀人。
因此用get函數時要特別注意，必要時用其他方法跳過該終止標志字符(如用下面介紹的ignore函數。但一般來說還是用getline函數更方便。
除了以上介紹的用于讀取數據的成員函數外，lstream類還有其他在輸入數據時用得著的一些成員函數。常用的有以下幾種：
eof是end of file的縮寫，表示“文件結束”。從輸人流讀取數據，如果到達文件末尾(遇文件結束符)，eof函數值為非零值(表示真)，否則為o(假)。這個函數是很有用的，經常會用到。
while(!cin.eof()) //eof()為假表示未遇到文件結束符
if((c=cin.get())!=' ')//檢查讀入的字符是否為空格字符
peek是“觀察”的意思，peek函數的作用是觀測下一個字符。其調用形式為
cin.peek函數的返回值是指針指向的當前字符，但它只是觀測，指針仍停留在當前位置，并不后移。如果要訪問的字符是文件結束符，則函數值是EOF(-1)。
其作用是將前面用get或getline函數從輸人流中讀取的字符ch返回到輸人流，插入到當前指針位置，以供后面讀取。
cout<<"please enter a sentence."<
cout<<"The next character(ASCII code) is:"<<ch<<endl;
cin.putback(c[0]);//將'I'插入到指針所指處
cout<<"The second part is:"<<c<<endl;
I am a boy./I am astudent./ (回車)
The next chamcter(ASCII code) is:32 (下一個字符是空格)
The second part is：I an a student
其調用形式為: cin.ignore(n，終止字符) // 函數作用是跳過輸人流中n個字符，或在遇到指定的終止字符時提前結束(此時跳過包括終止字符在內的若干字符)。
如:ighore(5，A，) //跳過輸入流中5個字符，遇A后就不再跳了
cout<<"The first part is:"<<ch<<endl;
cout<<"The second part is:"<<ch<<endl;
I like C++./I study C++./I am happy.
The second part is (字符數組ch中沒有從輸人流中讀取有效字符)
前面已對此作過說明。如果希望第二個tin.get函數能讀取”I study C++.”，就應該設法跳過輸人流中第一個'/'可以用ignore函數來實現此日的，將程序改為:
cout<<"The first part is:"<<ch<<endl;
cout<<"The second part is:"<<ch<<endl;
I like C++./I study C++./I am happy.
