1 流和緩沖區(qū)

C++中，流（ stream ）和緩沖區(qū)（ buffer ）是兩個緊密相關(guān)的概念，它們在處理輸入和輸出時起著重要的作用。
流（ Stream ）
流是一種抽象的概念，用于表示數(shù)據(jù)的流動。在 C++ 中，流是一個類對象，它封裝了與輸入/輸出設(shè)備（如鍵盤、顯示器、文件等）的交互。C++標(biāo)準(zhǔn)庫提供了多種流類，如 std::cin （標(biāo)準(zhǔn)輸入流，通常用于從鍵盤讀取數(shù)據(jù)）、 std::cout （標(biāo)準(zhǔn)輸出流，通常用于向顯示器輸出數(shù)據(jù)）以及 std::fstream （文件流，用于文件的讀寫）。
緩沖區(qū)（ Buffer ）
緩沖區(qū)是一個用于臨時存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域。當(dāng)使用流進(jìn)行輸入或輸出時，數(shù)據(jù)通常不會直接發(fā)送到設(shè)備或從設(shè)備讀取，而是首先存儲在緩沖區(qū)中。緩沖區(qū)的使用可以提高輸入/輸出的效率，因為它允許程序以塊的形式處理數(shù)據(jù)，而不是一個字符一個字符地處理。
對于輸出流，程序首先將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后當(dāng)緩沖區(qū)滿或程序顯式地刷新緩沖區(qū)時，數(shù)據(jù)才會被發(fā)送到輸出設(shè)備。對于輸入流，程序從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)緩沖區(qū)為空時，流會從輸入設(shè)備讀取更多的數(shù)據(jù)填充緩沖區(qū)。
緩沖區(qū)的類型
C++中的流緩沖區(qū)主要有三種類型：
（1）全緩沖：當(dāng)緩沖區(qū)滿時，緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)才會被發(fā)送。這種方式適用于大量數(shù)據(jù)的輸入/輸出。
（2）行緩沖：當(dāng)遇到換行符時，緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)才會被發(fā)送。這種方式通常用于終端設(shè)備，如鍵盤和顯示器。
（3）不帶緩沖：數(shù)據(jù)立即被發(fā)送，不經(jīng)過緩沖區(qū)。這種方式通常用于錯誤報告和緊急情況。
iostream 文件
C++ 中的 iostream 文件中包含了一些用來實現(xiàn)管理流和緩沖區(qū)的類。iostream 中的 io 是 “input/output” 的縮寫，而 stream 表示流，即數(shù)據(jù)流動的通道。
在 iostream 庫中，主要包含了以下幾個組件：
（1）緩沖區(qū)（ streambuf 類）： streambuf 類為流提供了一個緩沖區(qū)，這個緩沖區(qū)用于暫存輸入/輸出的數(shù)據(jù)，從而允許更高效的I/O操作。streambuf 是一個抽象基類，不能直接實例化。它的實現(xiàn)（如 filebuf 、 stringbuf 等）會作為其他流類（如 ifstream 、 ofstream 、 istringstream 、 ostringstream 等）的成員被使用。
（2）輸入流（ istream 類）：用于從輸入設(shè)備（如鍵盤）讀取數(shù)據(jù)。
（3）輸出流（ ostream 類）：用于向輸出設(shè)備（如顯示器）寫入數(shù)據(jù)。
（4）輸入輸出流 （ iostream 類）：從 istream 和 ostream 繼承了輸入和輸出的方法（多重繼承），既可以讀取數(shù)據(jù)也可以寫入數(shù)據(jù)。
（5）流對象：如 std::cin（標(biāo)準(zhǔn)輸入流，通常用于從鍵盤讀取數(shù)據(jù)）、std::cout（標(biāo)準(zhǔn)輸出流，通常用于向顯示器輸出數(shù)據(jù)）、std::cerr（用于輸出錯誤消息）和 std::clog（用于輸出日志消息）。
（6）操縱器（ manipulators）：這些是用來控制流的狀態(tài)或格式的函數(shù)，例如 std::endl、std::flush、std::setprecision 等。
（7）流提取運算符（ >> ）：用于從輸入流中讀取數(shù)據(jù)。
（8）流插入運算符（ << ）：用于向輸出流中寫入數(shù)據(jù)。
重定向
可以使用 C 標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù) freopen 函數(shù)來重定向標(biāo)準(zhǔn)輸入流 std::cin 或標(biāo)準(zhǔn)輸出流 std::cout 到文件或其他流。當(dāng)重定向一個流時，實際上是改變了流與底層設(shè)備（如文件或控制臺）的關(guān)聯(lián)。例如，可以將 std::cin 重定向到一個文件，這樣當(dāng)從 std::cin 讀取時，實際上是從文件中讀取數(shù)據(jù)。如下為樣例代碼：

#include <iostream>  
#include <fstream>  using namespace std;int main() {// 重定向 std::cin 到一個輸入文件：在這個文件中輸入 1 ，并保存freopen("input.txt", "r", stdin);// 重定向 std::cout 到一個輸出文件  freopen("output.txt", "w", stdout);int val;cout << "get a number from input.txt : "; // cout 寫入到 output.txt cin >> val; // 實際上從 input.txt 讀取  cout << val << endl; // cout 寫入到 output.txt  // 關(guān)閉重定向  //freopen(NULL, "r", stdin);  // 重置 std::cin 到標(biāo)準(zhǔn)輸入  //freopen(NULL, "w", stdout); // 重置 std::cout 到標(biāo)準(zhǔn)輸出  return 0;
}

執(zhí)行完這段代碼后，output.txt 被存入字符串：“get a number from input.txt : 1” 。
在上面代碼中，freopen 函數(shù)將 std::cin 重定向到名為 input.txt 的文件用于讀取，將 std::cout 重定向到名為 output.txt 的文件用于寫入。因此，當(dāng)從 std::cin 讀取時，實際上是在讀取 input.txt 文件的內(nèi)容，而當(dāng)向 std::cout 寫入時，數(shù)據(jù)會被寫入到 output.txt 文件中。
注意，重定向流可能會影響程序的其他部分，因為它改變了流的默認(rèn)行為。因此，在重定向流之后，務(wù)必小心處理輸入和輸出，以避免意外的行為或錯誤。
另外，如果想要在執(zhí)行完一些重定向操作之后恢復(fù)流的原始狀態(tài)，可以使用 freopen 函數(shù)將流重新關(guān)聯(lián)到其原始設(shè)備（比如將第一個參數(shù)設(shè)置為 NULL 即可將輸入與輸出定向為標(biāo)準(zhǔn)輸入與輸出）。

2 輸出

輸出流（ output stream ）是 I/O 流庫中的一個關(guān)鍵概念，它允許程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到特定的目的地，如控制臺、文件或其他類型的設(shè)備。C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫中的 ostream 類是輸出流的基礎(chǔ)。

2.1 std::cout 的基本使用

std::cout 是 C++ 中最常用的輸出流對象，它通常與控制臺（或終端）相關(guān)聯(lián)，用于向用戶顯示信息?？梢允褂貌迦脒\算符 << 向 std::cout 發(fā)送數(shù)據(jù)，該運算符將數(shù)據(jù)發(fā)送到輸出流中。
。如下為樣例代碼：

#include <iostream>  
#include <string>  using namespace std;int main() {int val1 = 1;double val2 = 1.21;char val3 = 'a';string val4 = "hello";std::cout << "int val1 = " << val1 << std::endl;std::cout << "double val2 = " << val2 << std::endl;std::cout << "char val3 = " << val3 << std::endl;std::cout << "string val4 = " << val4 << std::endl;return 0;
}

上面代碼的輸出為：

int val1 = 1
double val2 = 1.21
char val3 = a
string val4 = hello

除了 std::cout ，C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫還提供了其他一些輸出流對象，例如：
std::cerr：用于輸出錯誤消息。與 std::cout 不同的是，std::cerr 通常不會被緩沖，因此它用于需要立即顯示的錯誤或診斷信息。
std::clog：用于輸出日志消息。與 std::cerr 類似，但它通常會被緩沖。
std::wcout：與 std::cout 類似，但用于輸出寬字符（wchar_t 類型）。
std::wcerr 和 std::wclog：與 std::cerr 和 std::clog 類似，但用于輸出寬字符。
此外，還可以創(chuàng)建自定義的輸出流，通過繼承 std::ostream 類并重載插入運算符來實現(xiàn)。這允許控制數(shù)據(jù)如何被發(fā)送到特定的目的地，例如寫入到特定的文件或進(jìn)行特定的格式化處理。
在處理輸出流時，還可以使用操縱器（ manipulators ）來更改流的狀態(tài)或格式。例如，std::endl 操縱器不僅插入一個新行，還刷新輸出緩沖區(qū)，確保所有數(shù)據(jù)都被發(fā)送到其目標(biāo)。 std::flush 操縱器也可以用來刷新輸出緩沖區(qū)。

2.2 std::cout 的格式化

std::cout 可以使用各種格式化標(biāo)志和操縱器（manipulators）來控制輸出的格式。以下是一些常見的格式化選項：
（1）整數(shù)輸出
（1.1）十進(jìn)制

int val = 12;
std::cout << val << std::endl;// 輸出 12

（1.2）十六進(jìn)制

int val = 12;
std::cout << std::hex << val << std::endl;// 輸出 c

（1.3）八進(jìn)制

int val = 12;
std::cout << std::oct << val << std::endl;// 輸出 14

（1.4）二進(jìn)制
std::cout 默認(rèn)不直接支持二進(jìn)制數(shù)據(jù)的輸出。如果想要輸出一個整數(shù)的二進(jìn)制表示，則要手動將整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制字符串，然后再使用 std::cout 輸出這個字符串。

#include <iostream>  
#include <bitset>  void printBinary(int val) {// std::bitset 可以將整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制字符串  std::bitset<32> binaryVal(val); // 4 個字節(jié)，共 32 位  // 輸出二進(jìn)制字符串  std::cout << binaryVal << std::endl;
}int main() {int val = 12;printBinary(val); // 輸出 num 的二進(jìn)制表示  return 0;
}

上面代碼輸出為：

00000000000000000000000000001100

（2）浮點數(shù)輸出
（2.1）固定點表示法
默認(rèn)情況下，std::cout 使用科學(xué)記數(shù)法來輸出非常大或非常小的浮點數(shù)。使用 std::fixed 使浮點數(shù)總是以固定的小數(shù)位數(shù)顯示。

double pi = 3.141592653589793;// 不使用 std::fixed，默認(rèn)輸出可能使用科學(xué)記數(shù)法  
std::cout << "default output: " << pi << std::endl;// 使用 std::fixed 以小數(shù)位數(shù)顯示  
std::cout << std::fixed << "fixed output: " << pi << std::endl;

（2.2）固定點表示法
默認(rèn)情況下，std::cout 使用科學(xué)記數(shù)法來輸出非常大或非常小的浮點數(shù)。使用 std::fixed 使浮點數(shù)總是以固定的小數(shù)位數(shù)顯示。

double pi = 3.141592653589793;
std::cout << std::scientific << pi << std::endl;// 輸出 3.141593e+00

（2.2）設(shè)置精度
設(shè)置精度使用接口 std::setprecision ，注意該接口需要引用頭文件： #include

double pi = 3.141592653589793;
std::cout << std::setprecision(3) << pi << std::endl;// 輸出 3.14

（3）字符串輸出

std::cout << "Hello, World!" << std::endl;// 輸出 Hello, World!std::string str = "Hello, World!";  
std::cout << str << std::endl;// 輸出 Hello, World!

（4）布爾值輸出
布爾值默認(rèn)以整數(shù)形式顯示（ true為 1 ， false 為 0 ）?？梢酝ㄟ^ std::boolalpha 來改變這一點，使 true 和 false 以文字形式顯示。

bool flag = true;  
std::cout << flag << std::endl; // 輸出 1std::cout << std::boolalpha << flag << std::endl;// 輸出 true

（5）設(shè)置填充和寬度
使用 std::setw 操縱器可以設(shè)置下一個輸出字段的寬度。如果輸出數(shù)據(jù)小于這個寬度，std::cout 會在數(shù)據(jù)前面或后面填充空格，直到達(dá)到指定的寬度。此外還可以使用 std::setfill 操縱器來設(shè)置填充字符。

int val = 123;
std::cout << std::setw(5) << std::setfill('0') << val << std::endl;  // 輸出 00123

（6）設(shè)置左對齊和右對齊
使用std::left或std::right來控制輸出的對齊方式。

#include <iostream>  
#include <iomanip>int main() {std::cout << std::left << std::setw(10) << "Hello" << std::endl; // 左對齊  std::cout << std::right << std::setw(10) << "Hello" << std::endl; // 右對齊return 0;
} 

上面代碼輸出為：

HelloHello

2.3 多線程中應(yīng)用 std::cout

C++ 中，std::cout 并不是線程安全的。這意味著如果從多個線程同時寫入 std::cout，可能會遇到數(shù)據(jù)競爭（data race）的問題，這會導(dǎo)致未定義的行為（程序可能會崩潰或者無響應(yīng)）。
可以使用互斥鎖（如 std::mutex ）來保護(hù)對 std::cout 的訪問。每個線程在寫入 std::cout 之前必須獲取鎖，并在寫入完成后釋放鎖。這樣可以確保每次只有一個線程可以訪問 std::cout。如下為樣例代碼：

#include <iostream>  
#include <thread>  
#include <mutex>  std::mutex g_coutMutex;  // 全局互斥鎖  void safePrint(const std::string& message) {std::lock_guard<std::mutex> lock(g_coutMutex);	// std::lock_guard是一個方便的RAII包裝器，它會在構(gòu)造時鎖定互斥鎖，并在析構(gòu)時解鎖。這使得代碼更加簡潔，并減少了出錯的可能性。std::cout << message << std::endl;
}int main() {std::thread t1(safePrint, "Hello from thread 1");std::thread t2(safePrint, "Hello from thread 2");t1.join();t2.join();return 0;
}

2.4 printf

printf 是 C 語言標(biāo)準(zhǔn)庫中的一個函數(shù)，用于格式化輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出流（通常是終端或控制臺窗口）。它接受一個格式字符串和與之對應(yīng)的值作為參數(shù)，然后根據(jù)格式字符串中的說明符將值打印出來。 printf 函數(shù)是線程安全的，所以在 C++ 的多線程開發(fā)中，比 std::cout 用的更方便一些。
** printf 常用的格式說明符及其含義：**
%d 或 %i：帶符號十進(jìn)制整數(shù)。
%u：無符號十進(jìn)制整數(shù)。
%f：浮點數(shù)（默認(rèn)保留小數(shù)點后六位）。
%c：字符。
%s：字符串。
%p：指針地址。
%x 或 %X：無符號十六進(jìn)制整數(shù)（小寫或大寫）。
%o：無符號八進(jìn)制整數(shù)。
%%：輸出一個 % 字符。
除了轉(zhuǎn)換說明符，格式字符串還可以包含以下可選的標(biāo)志、寬度、精度和長度修飾符：
標(biāo)志：
-：左對齊輸出。
+：在正數(shù)前面顯示符號。
（空格）：在正數(shù)前面顯示空格。
#：對于 f、e、E、g、G，輸出小數(shù)點；對于 o，輸出前導(dǎo)零；對于 x 或 X，輸出 0x 或 0X 前綴。
0：用零填充空白處。
精度：
對于整數(shù)（d、i、o、u、x、X），指定最小數(shù)字個數(shù)。
對于浮點數(shù)（e、E、f、g、G），指定小數(shù)點后的數(shù)字個數(shù)。
對于字符串（s），指定最大字符數(shù)。
長度修飾符：
h：指定短整型（short）或單字符（char）。
l：指定長整型（long）。
ll：指定長長整型（long long）。
L：指定寬字符或?qū)捵址?br /> j：指定 intmax_t 類型。
z：指定 size_t 類型。
t：指定 ptrdiff_t 類型。

3 輸入

C++ 的輸入流（Input Stream）通常指的是從某個數(shù)據(jù)源（如鍵盤、文件等）讀取數(shù)據(jù)的流。C++標(biāo)準(zhǔn)庫中的 頭文件提供了基本的輸入流功能，主要通過 std::istream 類及其派生類 std::cin 來實現(xiàn)。
std::cin是預(yù)定義的對象，代表從標(biāo)準(zhǔn)輸入（通常是鍵盤）接收數(shù)據(jù)的輸入流?？梢允褂?>> 運算符從std::cin讀取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會被存儲在相應(yīng)的變量中。
如下為樣例代碼（使用 std::cin 從鍵盤讀取數(shù)據(jù)）：

#include <iostream>  int main() {  int val;  std::cout << "input an integer : ";  std::cin >> val; 	// 從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取整數(shù)并存儲在變量 val 中  std::cout << "the input integer is: " << val << std::endl;  return 0;  
}

4 文件操作

C++ 的文件操作主要涉及文件的打開、關(guān)閉、讀取和寫入。C++標(biāo)準(zhǔn)庫中的 頭文件提供了用于文件操作的類，其中 std::ifstream 用于讀取文件， std::ofstream 用于寫入文件，而 std::fstream 則既可以讀取也可以寫入文件。
打開文件
在讀取或?qū)懭胛募?#xff0c;需要使用相應(yīng)的文件流對象打開一個文件?？梢酝ㄟ^提供文件名來構(gòu)造一個文件流對象，該對象會在構(gòu)造時嘗試打開文件。如下為樣例代碼：

#include <fstream>  
#include <iostream>  int main() {// 創(chuàng)建一個用于寫入的文件流對象  std::ofstream outfile("test.txt");// 檢查文件是否成功打開  if (!outfile) {std::cerr << "failed to open the file" << std::endl;return 1;}// 寫入一些數(shù)據(jù)到文件  outfile << "hello" << std::endl;// 關(guān)閉文件  outfile.close();return 0;
}

讀取文件
使用 std::ifstream 可以讀取文件的內(nèi)容?？梢允褂昧魈崛∵\算符 >> 或 getline 函數(shù)來讀取數(shù)據(jù)。如下為樣例代碼：

#include <fstream>  
#include <iostream>  
#include <string> int main() {// 創(chuàng)建一個用于讀取的文件流對象  std::ifstream infile("test.txt");// 檢查文件是否成功打開  if (!infile) {std::cerr << "failed to open the file" << std::endl;return 1;}// 讀取文件內(nèi)容  std::string line;while (std::getline(infile, line)) {std::cout << line << std::endl;}// 關(guān)閉文件  infile.close();return 0;
}

快速讀取大文件
如果需要快速讀取一個大文件，則要避免逐行讀取或者逐字符讀取帶來的額外開銷。一種快速讀取文件的方法是使用文件流的 read 成員函數(shù)，它可以一次讀取多個字符，這樣可以減少系統(tǒng)調(diào)用的次數(shù)，從而提高讀取效率。如下為樣例代碼：

#include <fstream>  
#include <iostream>  
#include <vector>  int main() {// 打開文件  std::ifstream file("large_file.bin", std::ios::binary);// 檢查文件是否成功打開  if (!file){std::cerr << "failed to open the file" << std::endl;return 1;}// 獲取文件大小  file.seekg(0, std::ios::end);std::streamsize fileSize = file.tellg();file.seekg(0, std::ios::beg);// 分配足夠的內(nèi)存來存儲文件內(nèi)容  std::vector<char> buffer(fileSize);// 讀取文件內(nèi)容到buffer  if (!file.read(buffer.data(), fileSize)) {std::cerr << "讀取文件失敗" << std::endl;return 1;}// 在這里處理文件內(nèi)容，例如可以將其輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出  std::cout.write(buffer.data(), fileSize);// 關(guān)閉文件  file.close();return 0;
}

讀寫文件
下面是一個同時包含讀取和寫入操作的示例：

#include <fstream>  
#include <iostream>  
#include <string>  int main() {// 寫入文件  std::ofstream outfile("test.txt");if (!outfile){std::cerr << "failed to open the file" << std::endl;return 1;}outfile << "first line" << std::endl;   //寫入第一行outfile << "second line" << std::endl;  //寫入第二行outfile.close();// 讀取文件  std::ifstream infile("test.txt");if (!infile) {std::cerr << "failed to open the file" << std::endl;return 1;}std::string line;while (std::getline(infile, line)){std::cout << line << std::endl;}infile.close();return 0;
}

文件流的狀態(tài)
可以使用文件流對象的 is_open() 成員函數(shù)來檢查文件是否已成功打開。此外，還可以使用 fail() , eof() , 和 bad() 等成員函數(shù)來檢查流的狀態(tài)。
文件流的其他操作
clear(): 重置流的狀態(tài)標(biāo)志。
seekg() 和 seekp(): 移動文件的讀寫指針。
tellg() 和 tellp(): 返回文件的讀寫指針當(dāng)前位置。
flush(): 清空輸出緩沖區(qū)，確保所有數(shù)據(jù)都被寫入文件。