重温C++——IO库

1. 概述

为了概览一下C++的IO库，先来张cplusplus.com网站的图片：

从这个图片我们基本上可以得到C++ IO库的所有基本信息：头文件、类、继承关系。为了更清楚的看出各个类的继承关系，我根据上面的图重新画了一个：

从上面两个图可以看出，C++的IO都是流式的，主要分为三大类：普通流、文件流、字符串(string)流。这三大类的流各有各的特点，但也有许多共性，我们先来看一些共性。

1.1 条件状态

其实所谓的条件状态很容易理解，就是标识流此刻的状态。条件状态（均为ios_base::iostate类型，实质是一种枚举类型，定义在ios_base.h头文件中）共有四种：

除了上面四个条件状态检测函数，还有几个操作条件状态的函数：

关于条件状态的使用，看下面几个代码片段：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <stdexcept>

using namespace std;

int main()
{
	int ival;
	while (cin >> ival, !cin.eof())
	{
		if (cin.bad())
			throw runtime_error("IO stream corrupted");
		if(cin.fail())
		{
			cerr << "bad data, try again" << endl;
			cin.clear(istream::failbit);
			continue;
		}
		cout << "ival:" << ival << endl;
	}

	return 0;
}

这段代码是《C++ Primer》第四版上面的一个例子，该段代码的作用是循环不断读入cin，直到到达文件结束符或者发生不可恢复的读取错误为止。但是这个例子是有问题的，具体见我之前的博客《关于<C++ Primer>中cin.fail可能造成死循环的问题分析》。

2.2 刷新缓冲区

缓冲区和IO就像孪生兄弟一样，有IO的地方，必然不能少了IO。说实话，我对C++的缓冲区还没有研究过，这里就拿C的缓冲区来说吧（我想应该差不了多少）。在标准C中，共有三种类型的缓冲：

（1）全缓冲（fully buffered）——只有填满缓冲区候才进行实际的I/O操作。这类缓冲通常用在文件操作中。

（2） 行缓冲（line-buffered）——当输入或输出中遇到换行符时才进行实际的I/O操作。键盘输入就是标准的行缓冲。

（3）无缓冲（non-buffered）——即没有缓冲。标准C的I/O库不对字符进行缓冲存储。

言归正传，这里我们的重点不是讲缓冲区的概念及类型，而是看在C++中，哪些情况可以刷新缓冲区（即数据真正的写到设备或文件）：

• 程序正常结束。当程序正常从main函数return时，所有的输出缓冲会被刷新。
• 缓冲区满了以后，缓冲区也会被刷新。
• 我们使用一些强制刷新缓冲区的操作。比如：（1）endl——插入换行符，然后刷新缓冲区。（2）ends——插入一个null，然后刷新缓冲区。（3）flush——什么也不加，直接刷新缓冲区。
• 使用unitbuf操作符。该操作符告诉流没进行一次连续的输出后，就刷新缓冲区。使用nounitbuf可以复原系统默认设置。
• 当我们把输出流和另外一个流绑定在一起的时候，后者的读或写之前都会刷新前者的缓冲区。比如标准输出流cout默认是和cin与cerr绑定在一起的，这样cin读或者cerr写都会刷新cout流。这个是很重要的，比如讲cout与cin绑定在一起就可以保证我们每次读之前输出缓冲区已经被刷新了——例如，一般我们的程序在获取输入前都会输出一段提示，如果此时不先刷新输出缓冲区的话，该缓冲区内的内容就可能被当成输入的一部分。当然，一个流一次最多只能另外绑定一个流。

最后，需要特别注意的是，当程序崩溃、异常终止时，缓冲区并不会被刷新。最常见的例子就是，我们的程序在一些异常场景下打了日志，但这些日志还处于缓冲区时程序突然异常终止了，那此时缓冲区里面的日志并不会打印出来。这是我们需要注意的。

2.3 其他

（1）所有的IO对象都是不能拷贝和赋值的：

ofstream out1, out2;
out1 = out2;				// 错误：不能给IO类型赋值
ofstream print(ofstream);	// 错误：不能拷贝
out2 = print(out2);			// 错误：不能拷贝

因为IO类型不能拷贝，所以函数的参数和返回值也不能是IO类型，只能使用引用类型。

（2）读写IO对象都会改变对象的状态，所以IO的引用也不能是const的。

2. 文件流

文件IO类型都定义在fstream头文件中，共有三类：ifstream（读文件）、ofstream（写文件）、fstream（读写文件）。fstream将ifstream和ofstream的功能合并在一起，所以这里直接介绍fstream。由上面的继承关系可以看出fstream继承自iostream，所以它拥有iostream的特性，同时它还有自己特有（其他IO类型没有）的一些操作：

C++中的文件模式有以下几种：

3. string流

sstream头文件中定义了三种用于操作“内存IO”的类型：istringstream（读string）、ostringstream（写string）、stringstream（读写string）。这里我们要注意一下，虽然这里我们把string流划分到IO去了，但其实它们的操作对象其实都是在内存中的string对象，并非平常说的那种IO。和文件流一样，string流继承自iostream，所以它也有iostream的特性，也有它自己特有的一些操作，这里以stringstream为例：

4. sstream和strstream

上面我们介绍了sstream头文件里面包含的string流，其实还有一个strstream流，在strstream头文件中定义。它和sstream特别像，但是sstream是基于string实现的，而strstream是基于char*实现的。而strstream已经逐渐被废弃了，我们最好也不要再使用了，因为它非常的不安全。gcc的strstream头文件中是这样说的（其实是它包含的backward_warning.h中说的）：

This file includes at least one deprecated or antiquated header which
may be removed without further notice at a future date. Please use a
non-deprecated interface with equivalent functionality instead. For a
listing of replacement headers and interfaces, consult the file
backward_warning.h. To disable this warning use -Wno-deprecated.

/*
A list of valid replacements is as follows:

Use:                                  Instead of:
<sstream>, basic_stringbuf            <strstream>, strstreambuf
<sstream>, basic_istringstream        <strstream>, istrstream
<sstream>, basic_ostringstream        <strstream>, ostrstream
<sstream>, basic_stringstream         <strstream>, strstream
<unordered_set>, unordered_set        <ext/hash_set>, hash_set
<unordered_set>, unordered_multiset   <ext/hash_set>, hash_multiset
<unordered_map>, unordered_map        <ext/hash_map>, hash_map
<unordered_map>, unordered_multimap   <ext/hash_map>, hash_multimap
<functional>, bind                    <functional>, binder1st
<functional>, bind                    <functional>, binder2nd
<functional>, bind                    <functional>, bind1st
<functional>, bind                    <functional>, bind2nd
<memory>, unique_ptr                  <memory>, auto_ptr
*/

这里列举出了旧的C++中存在的一些类型，后面会逐渐废弃的类型，后续我们也要避免使用。这里举一个例子：

/*
 * main.cpp
 *
 *  Created on: 2015年10月26日
 *      Author: Allan
 */

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>
#include <strstream>

using namespace std;

string int2string_v1(int i)
{
	ostringstream os;
	os << i;
	return os.str();
}

string int2string_v2(int i)
{
	ostrstream os;
	os << i;
	return os.str();
}

int main()
{
	cout << int2string_v1(10) << endl;
	cout << int2string_v2(10) << endl;

	return 0;
}

上面的这段代码分别使用sstream的string流和strstream流实现了同一个功能：将整数转为string。但是，程序运行后，我们会发现v1版本工作正常，但v2版本有些问题。这是因为sstream的str成员函数返回string，而strstream的str成员函数返回char*，但是返回的这个char*并没有包含字符串结束符’’，这就是为什么说strstream类型不安全。刚才我们介绍过ends，它会给缓冲后面加一个null，所以如果你一定要使用strstream，那ends对你就非常重要了。比如将上面的int2string_v2版本里os << i;改为os << i << ends;就可以正常工作了。但考虑到各方面因素，还是不推荐使用strstream。