C++输入输出函数和底层原理详解

C++：带类的C

也就是说，C语言中的解决方案放到C++中仍然可以使用

一，C语言的输入输出方式：

C语言的标准输入输出函数，需要包含头文件<stdio.h>

在C++中，只需要包含头文件<iostream>，就可以使用C中的输入输出函数

0.stdin和stdout

0.1.stdin输入流

stdin输入流，是一个文件描述符(Linux)或者文件句柄(Windows)。其对应着输入区域，通常指键盘设备的输入。在绝大多数时候stdin可以被直接认为是键盘缓冲区。由于Unix的I/O重定向，可以将文件流重定向到任意文件和设备中，所以这里把stdin视为一个对应输入的文件。

stdin是行缓冲I/O。在使用键盘键入字符的时候，键入的字符会被放到键盘自身的缓存中(键盘硬件设备中的一部分)。在遇到换行符后，操作系统才会进行同步，将键盘缓存中的字符读入到stdin对应的内存中，叫做输入缓存区。所有从stdin读取数据的函数，都是从电脑内存中的输入缓存区读入数据。

0.2. stdout输出流

stdout输出流。对应输出区域，通常指屏幕设备的输出，被认为是屏幕缓冲区。stdout也是行缓冲I/O。用户打印数据时，数据首先从用户程度到stdout所对应的输出缓冲区中。而只有缓存遇到了换行符\n、缓存满了、缓存被刷新了、stdout关闭等情况，数据才会从stdout输出缓冲区到终端显示

0.3. stderr错误输出流

stderr是标准错误流，是无缓冲的，会立即输出到文件或输出设备上。

1. 以键盘键入的输入输出函数

1.1. 输入函数

(1)scanf()函数

语法：int scanf(const char *format, ...);

• 成功，返回成功匹配和赋值的个数。如果到达文件末尾或发生错误，则返回EOF

**目的：**从标准输入流stdin中读取输入，并按照提供的format来浏览输入

**操作：**打印引号内字符串 ，将格式说明符替换成对应变量

(2)gets()函数

语法：char *gets(char *s);

作用：

• 从stdin读取一行到s所指向的缓冲区，直到一个终止符\n或EOF

• 以enter结束，也就是以\n结束

  gets()函数读取到换行符\n停止读取，但并不会将\n读取到字符中，而会在字符串末尾添加\0字符

• 可以用空格分割字符串

  • 也就是说可以接受空格并输出

存在问题：

`gets()`没有绑定检查，字符数组在声明时，已经设定长度为nums，但，`gets()`函数会一直获得字符，存入字符数组，一直到enter结束，而不是nums次，会照成缓冲区溢出错误

解决方法：

• 使用fgets()函数避免这种情况——推荐使用这个函数，而不是gets()

  语法：char s[nums];

  fgets(s,nums,stdin)

  • s：数组首地址
  • nums：数组长度
  • stdin：输入流，表示从键盘输入数据

(3)getchar()函数

语法：int getchar(void);

**作用：**从屏幕上读取下一个可用字符，并将其返回为一个整数

**注意：**单次只会读取一个单一的字符

1.2. 输出函数

输出操作一般没有针对空格、制表符的特殊行为，只有换行符\n需要特殊对待。

(1)printf()函数

语法：int scanf(const char *format, ...);

**目的：**把输出写入到标准输出流stdout中，根据提供的format产生输出

**操作：**获取变量名所在的地址，将从标准输入获得的字符串存储在对应该地址中

补充：printf，意思是print formatted，也就是格式化打印。但如目的中所说，printf()的功能其实是把字符串写入到stdout文件缓存，而只有缓存遇到了换行符\n、缓存满了、缓存被刷新了、stdout关闭等情况，才会触发真正的打印输出。

• 缓存遇到了换行符\n

• 缓存满了

  缓存满了会自动清空，所以本质上也是缓存被刷新

• 缓存被刷新了

  • 程序结束时，会自动清空缓冲区
  • 使用fflush()函数，一般这个函数是用来刷新输出(stdout)缓存的

• stdout被关闭

所以，平常使用的printf()函数，之所以不加\n数据也会被打印的原因是，程序结束时缓冲区刷新，从而输出缓冲区中的数据会发送到显示设备上被打印。

(2)puts()函数——自动增加换行符

语法：int puts(const char *s)

作用：把字符串s和一个尾随换行符写入到stdout，并返回打印的字符数

注意：

• puts()函数总会在最后追加一个换行符\n
• puts()函数会将一个字符串写入到stdout中，一直到遇到空字符才结束，但不会将空字符写入。
• 如果成功，会返回打印的字符数，所以等于打印的字符串长度加一，那个加一就是最后追加的换行符\n

(3)putchar()函数

语法：int putchar(int a);

**作用：**把字符输出到屏幕上，并返回相同的字符

注意：单词只会输出一个单一字符

补充函数：fflush()函数

语法：int fflush(FILE *stream)

• 成功，返回零值
• 失败，返回EOF，且设置错误标识符feof

**作用：**强制刷新缓冲区，将缓冲区中的数据立即写到stream指向的文件（或设备）。

• 其参数可以为stdout，也可以为文件指针，但不可以是stdin，可能会发生未知错误

• 调用该函数，刷新缓冲区，输出缓冲区中的数据会被传输到设备上打印输出

2. 文件相关的输入输出函数

2.0. 文件操作前言

两种文件类型：

• 文本文件.txt：纯文本格式存储，最小维护工作，易于阅读，最小安全性，占用更大存储空间
• 二进制文件.bin：容纳更多数据，不易读取，更高安全性

文件操作：

1. 声明文件

   File *fp;

2. 打开/创建——fopen()函数

   作用：创建一个新的文件或者打开一个已有的文件

   语法：FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

   fopen_s

   mode:

   • r：只读，打开一个存在的文本文件，如果文件不存在，fopen()函数返回NULL
   • w：只写文件，如果文件存在，则将文件截断为0 ，从头写，如果文件不存在则创建一个新文件
   • a：追加写文件，如果文件不存在则创建一个新文件
   • r+：读写文件，先读后写，从起始位置上开始写入文件，如果文件不存在，fopen()函数返回NULL
   • w+：读写文件，先写后读，如果文件存在，则将文件截断为0 ，从头写。如果文件不存在则创建一个新文件
   • a+：读写文件。从头开始读，追加的模式写入。如果文件不存在则创建一个新文件
   • 二进制文件：rb, wb, ab, rb+, wb+, ab+

   注意：

   • w模式新建文件，只有路径正确且存在，而文件不存在，才会新建文件夹，也就是说

     1. 路径存在，文件存在：文件截断为零，重新写入
     2. 路径存在，文件不存在：创建一个新文件
     3. 路径不存在，不会新建文件，而是返回NULL

   • r+模式，是读取文件后，从文件指针处开始写入文件

     w，w+模式，是直接将文件截断为零，重新写入文件

     a，a+模式，则只会从文件末尾开始追加，无论文件指针在什么位置

     也就是说，如果想在文件中插入内容，只有r+模式能够实现，需要使用fseek()函数将文件指针偏移到需要插入的位置

   • rb+和r+b是等价的

3. 关闭文件

   作用：清空缓存区数据，关闭文件，并释放该文件的所有内存

   语法：int fclose(FILE *fp);

   • 成功关闭文件，返回零
   • 关闭文件发生错误，返回EOF

4. 读取

5. 写入

2.1. 输入函数

(1)fscanf()函数

**作用：**从文件中读取字符串，遇到第一个空格或者换行符时停止读取

语法：int fscanf(FILE *fp, const char * format, 变量地址)

同scanf()函数相比，参数中多了一个fp文件指针，但其余都一样

(2)fgets()函数——推荐使用的输入函数

作用：从fp指向的输入流中读取n-1个字符。把读入的字符串复制到缓冲区buf，并在最后追加一个**NULL**字符来终止字符串。

语法：char *fgets(char *buf, int n, FILE *fp);

如果在读取最后一个字符(第n-1个字符)前，就已经遇到\n或者是文件末尾EOF，则只会返回读取到的字符，包括换行符

结束的三个条件：

• 读取n-1个字符，返回n-1个字符和一个NULL字符
• 读取到换行符\n，返回所有读取的字符，包括换行符
• 读取到文章末位EOF，返回所有读取的字符

(3)fgetc()函数

**作用：**从fp指向的输入文件中读取一个字符，

语法：int fgetc(FILE *fp);

• 成功，返回读取的字符
• 失败，返回EOF

(4)fread()函数

**作用：**从给定流stream读取数据到ptr所指向的数组中

语法：

size_t fread(void *ptr, size_t size_of_elements, size_t number_of_elements, FILE *stream);

• ptr：指向一块大小为size_of_elements*number_of_elements的内存空间，将要读入的数据存放在这块空间中
• size_of_elements：要读取的每个元素的大小，以字节为单位
• number_of_elements：元素的个数，每个元素的大小为size_of_element字节
• stream：指向FILE对象的指针，指定了一个输入流

2.2. 输出函数

(1)fprintf()函数

**作用：**把字符串写入到文件中

语法：int fprintf(FILE *fp, const char * format, ...)

或者，int fprintf(FILE *fp, string str)

(2)fputs()函数

**作用：**把字符串s写入到fp所指向的输入流中

语法：int fputs(const char *s, FILE *fp);

• 成功，返回一个非负值
• 失败，返回EOF

这个输入流，可以是文件流，也可以是stdout、stderr等。

(3)fputc()函数

**作用：**把参数c写入到fp指向的输入流中

语法：int fputc(int c, FILE *fp);

• 成功，返回写入字符
• 失败，返回EOF

(4)fwrite()函数

**作用：**将ptr所指向的数组中的数据写入到给定流stream中

语法：

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size_of_elements, size_t number_of_elements, FILE *stream);

• ptr：指向要被写入的元素数组的指针
• size_of_elements：要被写入的每个元素的大小，单位为字节
• number_of_elements：要被写入的元素的个数，每个元素的大小为size_of_elements字节
• stream：指向FILE对象的指针，指定了一个输出流

二，C++的输入输出

1.<iostream>标准库

定义了cin、cout、cerr、clog对象

1.1. 标准输入流cin

**描述：**是isotream的一个实例，附属到标准输入设备，通常是键盘。全称为std::cin。

基础语法：cin >> 变量名 >>[变量2 [>> ...]];

• >>：流提取运算符

对cin和cout效率优化代码：

std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(0);

另一种使用方法：接收一个字符串，遇到空格、Tab、回车都结束

#include<iostream>
using namespace std;
int main(){
    char a[20];
    cin >> a;
    cout << a << '\n';
}

1.1.1cin.get()函数

• cin.get(字符变量名)用来接收字符

  #include<iostream>
  using namespace std;
  int main(){
      char ch;
      cin.get(ch)//只能获取一个字符
      //ch = cin.get(); //或者这个
      cout<<ch<<endl;
  }

• cin.get(字符数组名, 接收字符数)用来接收一行字符串，包括空格

  #include<iostream>
  using namespace std;
  int main(){
      char a[20];
      cin.get(a,20); // 类似于getline。可以输入多个单词，中间空格隔开
      cout << a << endl;
  }

• cin.get()用于舍弃输入流中的不需要的字符，或者舍弃回车，用来弥补cin.get(字符组名, 接收字符数)的不足

  #include<iostream>
  using namespace std;
  int main(){
      char a[20];
      cin.get(a,20);
      cin.get();
      cout << a << endl;
      cin.get(a,10);
      cout << a << endl;
      system("pause");
      return 0;
  }

1.1.2cin.getline()函数

语法：cin.getline(接收字符数组, 接收个数, 结束字符)

作用：接收一个字符串，包括空格

#include<iostream>
using namespace std;
int main(){
    char m[20];
    cin.getline(m, 5);
    cout << m << endl;
}

最后一位为\0，所以只能看到4个字符输出

2.2. 标准输出流cout

**描述：**是iostream类的一个实例，是行缓冲I/O，连接到标准输出设备，通常是显示屏。全称为std::cout。

语法：cout << 变量1 [<< 变量2 [<< endl]];

• <<：流插入运算符
• endl：end line，输出时插入换行符并刷新流

通常认为使用cout对象进行输出要比printf进行输出慢的多，但事实却不一定如此，参考博客C++的cin/cout为什么比C语言的scanf/printf慢，在经过上述2.1.的优化后，将stdin和cin解绑后，其实二者速度已经差不多。
其次，根据网上一些网友的实验，endl也是拖累cout速度的一大元凶，因为endl会在添加换行符的同时刷新输出缓冲区，不断地刷新是cout效率低下的一个重要原因。(未验证)

2.3. 标准错误流cerr

描述：也叫非缓冲标准错误流，是iostream类的一个实例，附属到标准输出设备，通常是显示屏。顾名思义，cerr对象是非缓冲的，也就是说，每个流插入到cerr都会立刻发送到标准输出设备输出。

语法：cerr << 变量1 [<< 变量2 [<< endl]];

2.4. 标准日志流clog

描述：也叫缓冲标准错误流，是iostream类的一个实例，附属到标准输出设备，通常是显示屏。

语法：clog << 变量1 [<< 变量2 [<< endl]];

2.<string>标准库

1.1getline()函数

作用：接受一个字符串，可以接受空格并输出

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
int main(){
    string str;
    getline(cin, str);
    cout << str << endl;
}

类似于cin.getline()

1.2gets()

继承C的gets()

1.3getchar()

继承C的getchar()

3.<fstream>标准库

文件操作：

三个数据类型：

数据类型	描述
ofstream	该数据类型表示输出文件流，用于创建文件并向文件写入信息。
ifstream	该数据类型表示输入文件流，用于从文件读取信息。
fstream	该数据类型通常表示文件流，且同时具有ofstream和ifstream两种功能，这意味着它可以创建文件，向文件写入信息，从文件读取信息。

1. 打开文件——open()

   语法：void open(const char *filename, ios::openmode mode);

   • filename：指定要打开的文件的位置和名称
   • mode：定义文件被打开的模式

   mode：

   • ios::app：追加模式
   • ios::ate：文件打开后定位到文件末尾
   • ios::in：打开文件用于读取
   • ios::out：打开文件用于写入
   • ios::trunc：如果该文件已经存在，则将文件截断为0

2. 关闭文件

   语法：void close();

   作用：关闭打开的文件流

   在C++程序结束时，会自动关闭刷新所有流，释放所有分配的内存，并关闭所有打开的文件

3. 写入文件——输出操作

   同cout一样，使用流插入运算符<<向文件写入信息，只不过这里使用的对象是ofstream对象和fstream对象

4. 读取文件——输入操作

   同cin一样，使用流提取运算符>>从文件读取信息，只不过这里使用的对象是ifstream对象和fstream对象

5. 文件位置指针

   seekg：seek get，istream的成员函数

   seekp：seek put，ostream的成员函数

   作用：重新定位文件位置指针

   语法：(以"get"为例)

   seekg(long int n, voctor)

   • n：表示偏移字节量
   • voctor：查找方向
     • ios::beg：流的开头
     • ios::cur：文件指针的当前位置
     • ios::end：流的末尾

   比如：

   fileObject.seekg( n, ios::cur );

   把文件指针从指针所在位置向后偏移n个字节

4.<iomanip>库

控制符	作用
setbase(n)	以n进制方式输出(n=8,10,16)
setfill(ch)	设置字符填充，ch可以是字符常量或字符变量
setprecision(n)	设置输出有效位数为n位
setw(n)	设置字符宽度为n位，只对后一个有影响
setiosflags(ios::uppercase)	以大写字母显示
setiosflags(ios::fixed)	实现对小数点后的数字的控制
setiosflags(ios::scientific)	以科学计数法显示
setiosflags(ios::showpoint)	强制显示小数点
setiosflags(ios::showpos)	强制显示正号
setiosflags(ios::left)	设置输出左对齐
setiosflags(ios::right)	设置输出右对齐
resetiosflags(…)	终止括号中的输出格式

补充，这篇文章是广泛阅读了网上关于输入输出流、C语言输入输出、C++输入输出函数各种详解后自己写的笔记，忘了记录学习的网页网址了…只能说十分抱歉，以后会注意的

三 附录

常用的格式说明符号

转换说明	输出
%d	有符号 十进制 整数 int
%f	十进制 浮点数 float
%lf	十进制 浮点数 double
%c	字符 char
%s	字符串 char*

• %d：int
• %hd：short int
• %li：long int
• %lli：long long int
• %u：unsigned int
• %lu：unsigned long int
• %llu：unsigned long long int
• %f：float，十进制记数法
• %lf：double
• %Lf：long double
• %c：char
• %s：string
• %o：unsigned int 八进制
• %[x|X]：unsigned int 十六进制整数 0[f|F]
• %[a|A]：浮点数、十六进制、[p|P]-记数法
• %[e|E]：浮点数、[e|E]-记数法
• %[g|G]：根据数字自动选择%f或%[e|E]
  • 指数小于-4，或大于等于精度时：选择%[e|E]

如果获取字符时使用的格式说明符为%c，而打印字符时使用的格式说明符为%d，则会打印获取字符的ASCII码

printf()的常用修饰符

位置：在%与字母之间的位置，比如%-f

• digit(s)：字段宽度的最小值

• .digit(s)：精度

  • 对于%f, %e, %E，表示小数点右边打印的数字的位数
  • 对于%g, %G，表示有效数字的最大位数
  • 对于%s，打印字符的最大位数
  • 对于d，要打印数字的最小位数
  • 一般使用前导零填充字段宽度
  • .等价于.0

• -：左对齐

• +：显示正负号

• ：如果有符号的值为正，则会显示前导空格；为负则显示负号

• #

• 0：对于所有数字格式，用前导零填充字段宽度

  • 优先级低于-和指定精度

概念词汇

EOF：End Of File缩写，文件结束的标志，通常值为-1

在fgetc()和fputc()函数中，如果操作失败则返回EOF，则，这个时候的EOF代表Error Of File

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