《C++程序设计原理与实践》笔记 第11章 定制输入/输出

在本章中，我们重点关注如何使第10章中介绍的通用iostream框架适配特定的需求和偏好。

11.1 规则性和不规则性

C++标准库的输入/输出部分——iostream库为文本的输入和输出提供了一个统一的、可扩展的框架。

到目前为止，我们将所有输入源视为等价的，有时这是不够的。例如，文件与其他输入源（例如网络连接）的区别是可以按单个字节寻址（而网络连接的字节是流式到达的）（类似于向量和迭代器的区别）。另外，我们假设对象的类型完全决定了其输入和输出格式，但这并不完全正确。例如，我们通常希望在输出浮点数时指定数字个数（精度）。本章会提出一些可以按需求定制输入/输出的方法。

作为程序员，我们更喜欢规则性(regularity）：一致地处理所有对象、将所有输入源视为等价、对表示对象的方式强制一个单一的标准能够给出最干净、最简单、最可维护以及通常最高效的代码。然而，程序的存在是为了服务人类，而人类有很强的偏好性（不规则性，irregularity）。因此，作为程序员，我们必须争取在程序复杂性和满足用户偏好之间取得平衡。

11.2 输出格式化

11.2.1 整数输出

整数值可以输出为八进制(octal)、十进制(decimal)和十六进制(hexadecimal)。一个十六进制数恰好表示4个二进制位，2个十六进制数可用于表示一个字节。

可以指定（十进制）数1234以十进制、十六进制或八进制输出：

1

cout << dec << 1234 << " (decimal)\n"
        << hex << 1234 << "  (hexadecimal)\n"
        << oct << 1234 << " (octal)\n";

将输出

1

1234 (decimal)
4d2  (hexadecimal)
2322 (octal)

即十进制的1234 = 十六进制的4d2 = 八进制的2322。

其中 dec 、 hex 和 oct 并不输出值，而是告诉输出流任何后续整数值应该以十进制/十六进制/八进制输出，如果未指定则默认为 dec 。这三个操作是 持久的 (persist)/“有粘性的(sticky)”，即对每个整数值的输出都生效，直到指定其他进制。像 hex 和 oct 这种用于改变流的行为的术语称为 操纵符 (manipulator)。

使用不同进制输出整数

注：

• dec 、 hex 和 oct 相当于C标准库 printf 的 %d 、 %x 和 %o ，但C++的操纵符是持久的，而 printf 的格式说明符仅对一个参数生效。
• 这三个操纵符实际上是三个函数，分别设置了输出流对应的格式标志位。经常用到的 endl 也是这样的函数，其作用就是向输出流写入一个字符 '\n' 。另外，接受函数指针参数的重载运算符 << 就是以流本身为参数调用该函数。其定义大致等价于：

1

ostream& ostream::operator<<(ios_base& (*pf)(ios_base&)) {
    pf(*this);
    return *this;
ios_base& dec(ios_base& base) {
  base.setf(ios_base::dec, ios_base::basefield);
  return base;
ios_base& hex(ios_base& base) {
    base.setf(ios_base::hex, ios_base::basefield);
    return base;
ios_base& oct(ios_base& base) {
    base.setf(ios_base::oct, ios_base::basefield);
    return base;
ostream& endl(ostream& os) {
    os.put('\n');
    return os;

因此，以下语句是等价的：

1

cout << endl;
cout.operator<<(endl);
endl(cout);
cout.put('\n');

cout << hex << 1234;
cout.operator<<(hex).operator<<(1234);
hex(cout) << 1234;
    cout.setf(ios_base::hex, ios_base::basefield);
    cout << 1234;

• 输入/输出流使用位掩码类型 ios_base::fmtflags 来表示格式标志位，并通过 flags() 、 setf() 和 unsetf() 三个成员函数来设置或清除格式标志位。 hex 、 showbase 、 boolalpha 等操纵符就是通过调用 setf() 来设置对应标志位的辅助函数。

使用其他进制输出数值时默认不显示基底（例如1234的十六进制输出为 “4d2” 而不是 “0x4d2” ）。可以使用操纵符 showbase 显示基底：

1

cout << dec << 1234 << ' ' << hex << 1234 << ' ' << oct << 1234 << '\n';
cout << showbase;    // show bases
cout << dec << 1234 << ' ' << hex << 1234 << ' ' << oct << 1234 << '\n';

将输出

1

1234 4d2 2322
1234 0x4d2 02322

即十进制数没有前缀，八进制数带前缀 “0” ，十六进制数带前缀 “0x” 。这与C++源代码中整数字面值的表示方式是完全一致的（见 《C程序设计语言》笔记 第2章 类型、运算符与表达式 2.3节）。

showbase 也是持久的。操纵符 noshowbase 恢复默认行为，即不显示基底。

注： showbase 相当于 printf 格式说明符中的 # ，即 %#x 和 %#o ，区别在于 showbase 是持久的。

小结：整数输出操纵符

注：所有的位开关操纵符都定义在头文件<ios>中（包含<iostream>即可自动包含该头文件），完整列表见 ios - cplusplus.com 和 ios - cppreference.com ，参数化操纵符定义在头文件<iomanip>中（见11.2.4节）。

11.2.2 整数输入

默认情况下， >> 假设数值是十进制表示，也可以使用 hex 或 oct 指定按十六进制或八进制读取：

使用不同进制输入整数

如果输入

1

1234 4d2 2322 2322

将输出

1

1234 1234 1234 1234

在读取整数时， dec 不接受前缀， hex 接受可选的 “0x” 前缀， oct 接受可选的 “0” 前缀（三个操纵符都接受可选的前导0）。例如：

可以使用流的成员函数 unsetf() 将 dec 、 hex 和 oct 对应的标志位全部清除： cin.unsetf(ios_base::basefield) ，此时输入流处于同时接受三种进制的状态。现在，对于代码

1

cin >> a >> b >> c >> d;

如果输入

1

1234 0x4d2 02322 02322

将输出

1

1234 1234 1234 1234

如果不调用 unsetf() 函数，则 b 的输入将会失败，因为 “0x4d2” 不是一个合法的十进制数。

11.2.3 浮点数输出

浮点数输出格式操纵符如下：

注：这三个操纵符都是持久的，分别类似于 printf 的 %f 、 %e 和 %g 。

例如：

1

cout << 1234.56789 << "      (defaultfloat)\n"
        << fixed << 1234.56789 << "  (fixed)\n"
        << scientific << 1234.56789 << " (scientific)\n";

将输出

1

1234.57      (defaultfloat)
1234.567890  (fixed)
1.234568e+03 (scientific)

11.2.4 精度

默认情况下， defaultfloat 格式使用 6位有效数字 打印浮点值，选择最合适的格式，并按四舍五入规则进行舍入。例如，1234.5678打印为 “1234.57” ，1.2345678打印为 “1.23457” ，1234567.0打印为 “1.23457e+06” 。

使用不同格式输出浮点数

可以使用操纵符 setprecision(n) 来设置 精度 (precision)：对于 defaultfloat 是指有效数字位数，对于 fixed 和 scientific 是指小数点后的数字位数，默认为6。例如：

设置精度

将打印（注意舍入）

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1234.57	1234.567890	1.234568e+03
1234.6	1234.56789	1.23457e+03
1234.5679	1234.56789000	1.23456789e+03

注：

• setprecision() 是持久的。
• 对于 fixed 格式的浮点数， setprecision(n) 相当于 printf 格式说明符 %m.nf 中的 n ，对整数和字符串无效（ printf 格式说明符中的精度对整数和字符串有效，见 《C程序设计语言》笔记 第7章 输入与输出 7.2节）。
• setprecision() 和其他参数化操纵符定义在头文件<iomanip> (I/O manipulators)中，与 hex 、 showbase 等位开关操纵符的区别是这些操纵符需要指定一个参数。
• os << setprecision(n) 等价于 os.precision(n)

11.2.5 域

对于整数、浮点数和字符串，可以使用操纵符 setw(n) 精确指定一个值在输出中所占的宽度，这种机制称为 域 (field)。这对于打印表格很有用。例如：

设置域宽度

将打印

1

12345|12345|   12345|12345|
1234.5|1234.5|  1234.5|1234.5|
abcde|abcde|   abcde|abcde|

注意：

• setw() 不是持久的。
• setw(n) 相当于 printf 格式说明符 %nd 中的 n 。
• 当域宽度小于实际宽度时不会截断，域宽度无效；当域宽度大于实际宽度时填充空格，默认右对齐。可以使用操纵符 setfill(c) 指定填充字符， left 和 right 指定对齐方式。

打印联系方式表格

11.3 文件打开和定位

从C++的角度，文件是操作系统提供的一个抽象。如10.3节所述，文件就是一个从0开始编号的字节序列。流的属性决定了打开文件后可以执行什么操作，以及操作的含义。

11.3.1 文件打开模式

有多种文件打开模式。默认情况下， ifstream 打开的文件用于读， ofstream 打开的文件用于写，这满足的大多数常见需求。但是，也可以选择其他打开模式，使用位掩码类型 ios_base::openmode 表示：

可以在文件流构造函数的文件名参数之后指定打开模式：

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ofstream ofs(name1);  // defaults to ios_base::out
ifstream ifs(name2);  // defaults to ios_base::in
ofstream ofs2(name, ios_base::app);  // ofstreams by default include io_base::out
fstream fs(name, ios_base::in | ios_base::out);  // both in and out

其中 | 是按位或(bitwise OR)运算符，可用于组合多个模式。

打开文件的具体效果取决于操作系统。如果操作系统不能使用某种特定模式打开文件，结果将使流进入非 good() 状态。以读模式打开文件失败最常见的原因是文件不存在。

注意， 如果以写模式打开一个不存在的文件，操作系统会创建一个新文件；而以读模式打开一个不存在的文件则会失败 。

注：

• ifstream 和 ofstream 的默认打开模式分别是 in 和 out ，即使指定了其他模式，也会分别自动添加 in 和 out 。
• app 与 ate 的区别： app 在每次写操作前都定位到文件尾部，因此只能在文件尾部写数据； ate 在打开文件后立即定位到文件尾部，但之后可以定位到文件的其他位置（见11.3.3节）。
• C++文件流的打开模式与C标准库 fopen() 函数的打开模式对应关系如下：

来源： https://timsong-cpp.github.io/cppwp/n3337/input.output#tab:iostreams.file.open.modes

11.3.2 二进制文件

默认情况下，iostream以文本模式读写文件，即读写字符序列（将字节按照特定字符集的编码转换为字符）。但是，也可以让 istream 和 ostream 直接读写字节。这称为 二进制I/O (binary I/O)，通过以 binary 模式打开文件实现。

例如，下图是整数12345分别在文本文件和二进制文件中的表示方式：

在文本文件中，使用31 32 33 34 35五个字节来表示 “12345” 这个字符串（字符 ‘1’ 的ASCII码是49，等于十六进制的0x31，以此类推）；在二进制文件中，则使用四个字节39 30 00 00来表示4字节整数0x00003039（小端顺序），等于十进制的12345。

注：磁盘上只能保存由0和1组成的二进制数据，但通常用十六进制作为简便表示，与二进制的对应关系是： 每个十六进制数对应4个二进制位 ，如下表所示

因此，上图所示的两个文件在磁盘上保存的实际数据分别为

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31 32 33 34 35 = 00110001 00110010 00110011 00110100 00110101
   39 30 00 00 = 00111001 00110000 00000000 00000000

从这个角度看，文本文件和二进制文件本质上并没有区别，都是二进制字节数据，字节的含义完全是由文件格式人为定义的（如10.3节所述）。

下面是一个读写二进制整数文件的例子：

读写二进制整数文件

这里使用模式 ios_base::binary 打开二进制文件：

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ifstream ifs(iname, ios_base::binary);
ofstream ofs(oname, ios_base::binary);

当我们从面向字符的I/O转向二进制I/O时，不能使用 >> 和 << 运算符，因为这两个运算符按默认规则将值转换为字符序列（例如，字符串 "asdf" 转换为字符 ‘a’, ‘s’, ‘d’, ‘f’，整数 123 转换为字符 ‘1’, ‘2’, ‘3’）。而 binary 模式告诉流不要试图对字节做任何“聪明”的处理。

在这个例子中，对于 int 的“聪明”的处理是指用4个字节存储一个 int （就像在内存中的表示方式一样），并直接将这些字节写入文件。之后，可以用相同的方式读回这些字节并重组出 int ：

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ifs.read(as_bytes(x), sizeof(int));
ofs.write(as_bytes(x), sizeof(int));

istream 的 read() 和 ostream 的 write() 都接受一个地址（这里由 as_bytes() 函数提供）和字节（字符）数量（这里使用运算符 sizeof 获得），其中地址指向保存要读/写的值的内存区域的第一个字节。例如，有一个 int 变量 i ，其值为1234（用十六进制表示为0x000004d2）则将其写入二进制文件的过程如下图所示：

首先，通过 as_bytes(i) 获得指向 i 的第一个字节的地址 p （假设为0xfc40），之后调用 ofs.write(p, 4) 将从该地址开始的4个字节写入 ofs ，即 write() 所做的事仅仅是简单的字节拷贝， read() 同理。

注：

• 从上图中可以看出，内存在本质上与文件一样，都是编号的字节序列。这里的编号叫做 地址 (address)，通过取地址运算符 & 获得，例如 &i ；保存地址的变量叫做 指针 (pointer)，例如 p 。详见17.3节和 《C程序设计语言》笔记 第5章 指针与数组 。
• 由于 read() 和 write() 函数的第一个参数类型是 char* ，而 i 的地址 &i 的类型是 int* ，因此 as_bytes() 函数使用 reinterpret_cast 将其强制转换为 char* 类型（但指针的值不变），从而将一个 int 的4个字节视为4个 char ，见17.8节。

二进制I/O复杂、容易出错。然而，对于某些文件格式必须使用二进制I/O，典型的例子是图片或声音文件。iostream库默认提供的字符I/O可移植、人类可读，而且被类型系统所支持。如果可以选择，尽量使用字符I/O（文本格式）。

11.3.3 在文件中定位

只要可以， 最好使用从头到尾读写文件的方式 ，这是最简单、最不容易出错的方式。很多时候，当你需要修改一个文件，更好的方式是生成一个新的文件。

但是，如果必须“原地”修改文件，可以使用 定位 (positioning/seek)功能：在文件中选择一个特定的位置（字节编号）进行读写。每个以读模式打开的文件都有一个 读位置 (read/get position)，每个以写模式打开的文件都有一个 写位置 (write/put position)，如下如所示。

可以使用 istream 和 ostream 的以下函数定位读/写位置：

例如：

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fstream fs(name);  // open for input and output
if (!fs) error("can't open ", name);
fs.seekg(5);  // move reading position to 5 (the 6th character)
char ch;
fs >> ch;     // read and increment reading position
cout << "character[5] is " << ch << " (" << int(ch) << ")\n";
fs.seekp(1); // move writing position to 1
fs << 'y';   // write and increment writing position

假设文件test.txt的原始内容为 “abcdefgh”，如上图所示，则上面的程序执行后文件的读写位置如下图所示：

其中，运算符 >> 会使读位置增加读取的字符数，运算符 << 会使写位置增加写入的字符数。

注意，如果试图定位到文件结尾之后的位置，结果是未定义的，不同操作系统可能会表现出不同的行为。

11.4 字符串流

可以将一个 string 作为 istream 的源或 ostream 的目标。从字符串读取的 istream 叫做 istringstream ，向字符串写入的 ostream 叫做 ostringstream ，这两个类定义在头文件 <sstream> 中。例如， istringstream 可用于从字符串中提取数值：

字符串转浮点数

如果试图从 istringstream 的字符串结尾之后读取， istringstream 将进入 eof() 状态。这意味着可以将“标准输入循环”用于 istringstream 。

ostringstream 可用于生成格式化字符串（类似于Java的 StringBuilder ）：

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ostringstream os;  // stream for composing a message
os << setw(8) << label << ": "
        << fixed << setprecision(5) << temp << unit;
someobject.display(Point(100, 100), os.str());

ostringstream 的成员函数 str() 返回结果字符串。

ostringstream 的一个简单应用是拼接字符串：