C++大學教程(第11章 C++輸入/輸出流-01)  
 
教學目標
    ●了解怎樣使用C++面向對象的輸入/輸出流
    ●能夠格式化輸入和輸出
    ●了解I/O流類的層次結構
    ●了解怎樣輸入/輸出用戶自定義類型的對象
    ●能夠建立用戶自定義的流操縱算子
    ●能夠確定/輸出操作的成功與失敗
    ●能夠把輸入輸出流連到輸人流上

11．1  簡介
    C++標準庫提供了—組擴展的輸入/輸出(I/O)功能。本章將詳細介紹C++中最常用的一些I/O 操作，并對其余的輸入/輸出功能做一簡要的概述。本章的有些內容已經在前面提到，這里對輸入/輸出功能做一個更全面的介紹。
    本章討論的許多輸入/輸出功能都是面向對象的，讀者會發現C++的I/O操作能夠實現許多功能。C++式的I/O中還大量利用了C++的其他許多特點，如引用、函數重載和運算符重載等等。
    C++使用的是類型安全(typesafe)的I/O操作，各種I/O操作都是以對數據類型敏感的方式來執行的。假定某個函數被專門定義好用來處理某一特定的數據類型，那么當需要的時候，該函數會被自動調用以處理所對應的數據類型。如果實際的數據類型和函數之間不匹配，就會產生編譯錯誤。
  因此，錯誤數據是不可能通過系統檢測的(C語言則不然。這是C語言的漏洞，會導致某些相當微妙而又奇怪的錯誤)。
    用戶既可以指定自定義類型的I/O，也可以指定標準類型的I/O。這種可擴展性是C++最有價值的特點之一。

    編程技巧11．1
    盡管C語言式的I/O在C++中是可以使用的，但還是應該盡量使用C++特有的I/O格式。

    軟件工程視點11．1
    C++式的I/O是類型安全的。

    軟件工程視點11. 2
    C++允許對預定義類型和自定義類型的I/O用同樣的方法處理．從而可加快軟件的開發過程，特別是能夠提高軟件的復用性。

11．2  流
    C++的I/O是以字節流的形式實現的，流實際上就是一個字節序列。在輸入操作中，字節從輸入設備(如鍵盤、磁盤、網絡連接等)流向內存；在輸出操作中，字節從內存流向輸出設備(如顯示器、打印機、磁盤、網絡連接等)。
    應用程序把字節的含義與字節關聯起來。字節可以是ASCII字符、內部格式的原始數據、圖形圖像、數字音頻、數字視頻或其他任何應用程序所需要的信息。
    輸人/輸出系統的任務實際上就是以一種穩定、可靠的方式在設備與內存之間傳輸數據。傳輸過程中通常包括一些機械運動，如磁盤和磁帶的旋轉、在鍵盤上擊鍵等等，這個過程所花費的時間要比處理器處理數據的時間長得多，因此要使性能發揮到最大程度就需要周密地安排I/O操作。一些介紹操作系統的書籍(見參考文獻Dc9O)深入地討論了這類問題。
    C++提供了低級和高級I/O功能。低級I/O功能(即無格式I/O)通常只在設備和內存之間傳輸一些字節。這種傳輸過程以單個字節為單位．它確實能夠提供高速度并且可以大容量的傳輸，但是使用起來不太方便。
    人們通常更愿意使用高級I/O功能(即格式化I/O)。高級I/O把若干個字節組合成有意義的單位，如整數、浮點數、字符、字符串以及用戶自定義類型的數據。這種面向類型的I/O功能適合于大多數情況下的輸入輸出，但在處理大容量的I/O時不是很好。

    性能提示11．1
    處理大容量文件最好使用無格式I/O。

11．2.1  iostream類庫的頭文件
    C++的iostream類庫提供了數百種I/O功能，iostream類庫的接口部分包含在幾個頭文件中。
    頭文件iostream.h包含了操作所有輸入/輸出流所需的基本信息，因此大多數C++程序都應該包含這個頭文件。頭文件iostream．h中含有cin、cout、cerr、clog 4個對象，對應于標準輸入流、標準輸出流、非緩沖和經緩沖的標準錯誤流。該頭文件提供了無格式I/O功能和格式化I/O功能。
    在執行格式化I/O時，如果流中帶有含參數的流操縱算子，頭文件iomanip.h所包含的信息是有用的。
    頭文件fstream.h所包含的信息對由用戶控制的文件處理操作比較重要。第13章將在文件處理程序中使用這個頭文件。
    每一種C++版本通常還包括其他一些與I/O相關的庫，這些庫提供了特定系統的某些功能，如控制專門用途的音頻和視頻設備。

11．2.2  輸入/輸出流類和對象
    iostream類庫包含了許多用于處理大量I/O操作的類。其中，類istream支持流輸入操作．類ostream支持流輸出操作，類iostream同時支持流輸入和輸出操作。
    類istream和類ostream是通過單一繼承從基類ios派生而來的。類iostream是通過多重繼承從類istream和ostream派生而來的。繼承的層次結構見圖11.1。
    運算符重載為完成輸入/輸出提供了一種方便的途徑。重載的左移位運算符(<<)表示流的輸出，稱為流插入運算符；重載的右移位運算符(>>)表示流的輸入，稱為流讀取運算符。這兩個運算符可以和標準流對象cin、cout、cerr、clog以及用戶自定義的流對象—起使用。




    cin是類istream的對象，它與標準輸入設備(通常指鍵盤)連在一起。下面的語句用流讀取運算符把整數變量grade(假設grade為int類型)的值從cin輸入到內存中。
    cin >> grade;
  注意，流讀取運算符完全能夠識別所處理數據的類型。假設已經正確地聲明了grade的類型，那么沒有必要為指明數據類型而給流讀取運算符添加類型信息。
    cout是類ostream的對象，它與標準輸出設備(通常指顯示設備)連在一起。下面的語句用流插入運算符cout把整型變量grade的值從內存輸出到標準輸出設備上。
    cout << grade；
  注意，流插入運算符完全能夠識別變量grade的數據類型，假定已經正確地聲明了該變量，那么沒有必要再為指明數據類型而給流插入運算符添加類型信息。
    cerr是類osteam的對象，它與標準錯誤輸出設備連在一起。到對象cerr的輸出是非緩沖輸出，也就是說插入到cerr中的輸出會被立即顯示出來，非緩沖輸出可迅速把出錯信息告訴用戶。
    clog是類ostream的對象，它與標準錯誤輸出設備連在一起。到對象clog的輸出是緩沖翰出。即每次插入clog可能使其輸出保持在緩沖區，要等緩沖區刷新時才輸出。
    C++中的文件處理用類ifstream執行文件的輸入操作，用類ofstream執行文件的輸出操作，用類fstream執行文件的輸入/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。與I/O相關的類的繼承關系見圖11．2。雖然多數系統所支持的完整的輸入／輸出流類層次結構中還有很多類，但這里列出的類能夠實現多數程序員所需要的絕大部分功能。如果想更多地了解有關文件處理的內容，可參看C++系統中的類庫指南。







11．3  輸出流
    C++的類ostream提供了格式化輸出和無格式輸出的功能。輸出功能包括：用流插入運算符輸出標準類型的數據；用成員函數put輸出字符；成員函數write的無格式化輸出(11．5節)；輸出十
進制、八進制、十六進制格式的整數(11.6.1節)；輸出各種精度的浮點數(11.6.2節)、輸出強制帶有小數點的浮點數(11．7．2節)以及用科學計數法和定點計數法表示的浮點數(11．7．6節)；輸出在指定域寬內對齊的數據(11．7．3節)；輸出在域寬內用指定字符填充空位的數據(11．7．4節)；輸出科學計數法和十六進制計數法中的大寫字母(11．7．7節)。

11．3．1  流插入運算符
    流插入運算符(即重載的運算符<<)可實現流的輸出。重載運算符<<是為了輸出內部類型的數據項、字符中和指針值。11．9節要詳細介紹如何用重載運算符<<輸出用戶自定義類型的數據項。
圖11．3中的范例程序用一條流插入語句顯示了輸出的字符串。圖11．4中的范例程序用多條流插入語句顯示輸出的字符串，該程序的運行結果與圖11．3中程序的運行結果相同。

1 // Fig. 11.3: figll 03.cpp
2 // Outputting a string using stream insertion.
3 #include <iostream.h>
4
56 int main()
7   cout << "Welcome to C++!\n";
8
9   return O;
10 }

輸出結果：
Welcome to C++!

                                圖 11.3 用一條流插入語句輸出字符串

1 // Fig. 11.4: figllO4.cpp
2 // Outputting a string using two stream insertions.
3 #include <iostream.h>
4
5 int main()
6{
7   cout << "Welcome to ";
8   cout << "C++!\n";
9
10   return 0;
11 }

輸出結果：
Welcome to C++!

                                   圖 11.4 用兩條流插入語句輸出字符串

    也可以用流操縱算子endl(行結束)實現轉義序列\n(換行符)的功能(見圖11．5)。流操縱算子endl發送一個換行符并刷新輸出緩沖區(不管輸出緩沖區是否已滿都把輸出緩沖區中的內容立即輸出)。也可以用下面的語句刷新輸出緩沖區：
    cout << flush；
11．6節要詳細討論流操縱算子。

1 // Fig. 11.5: fig11_05.cpp
2 // Using the endl stream manipulator.
3 #include <iostream.h>
4
5 int main{)
6 {
7   cout << "Welcome to ";
8   cout << "c++!';
9   cout << endl;  // end line stream manipulator
10
11   return 0;
12 }

輸出結果：
Welcome to C++!

                                         圖 11.5 使用流操縱算子endl

流插入運算符還可以輸出表達式的值(見圖11.6)

1 // Fig. 11.6: fig11_O6.cpp
2 // Outputting expression values.
3 #include <iostream.h>
4
5 int main()
6 {
7   cout << "47 plus 53 is ";
8
9   // parentheses not needed; used for clarity
10   cout << ( 47 + 53 );     // expression
11   cout << endt;
12
13   return O;
14 }

輸出結果：
47 plus 53 is 100
  
                            圖 11.6 輸出一個表達式的值

    編程技巧11．2
    當輸出表達式時，為防止表達式中的運算符與運算符<<之間存在運算符化先級問題，用括號將表達式括起來。

11．3．2  連續使用流插入/流讀取運算符
    重載的運算符<<和>>都可以在一條浯句中連續使用(見圖11．7)。
  1  file://  Fig．11.7: fig11_07.cpp
  2  file://  Cascadlng the overlOadGd << OPeratOr．
  3  #includc<iostream.h>
  4
  5  int  main()
  6  {
  7    cout << "47 plus 53 is " << ( 47 + 53 ) << endl;
  8
  9    return  O;
 10  }

輸出結果：
47 plus 53 is 100

                        圖 11.7 連續使用重載運算符<<

    圖中多次使用流插入運算符的語句等同于下面的語句：
    ((( cout << " 47 plus 53 is " ) << 47 + 53 ) << endl);
之所以可以使用這種寫法，是因為重載的運算符<<返回了對其左操作數對象(即cout)的引用，因此最左邊括號內的表達式：
    ( cout << " 47 plus 53 is " )
它輸出一個指定的字符串，并返回對cout的引用，因而使中間括號內的表達式解釋為：
    ( cout << ( 47 + 53 ) )
它輸出整數值100，并返回對cout的引用。于是最右邊括號內的表達式解釋為：
    cout << endl;
它輸出一個換行符，刷新cout并返回對cout的引用。最后的返回結果未被使用。

11.3.3 輸出char*類型的變量
    C語言式的I/O必須要提供數據類型信息。C++對此作了改進，能夠自動判別數據類型。但是，C++中有時還得使用類型信息。例如，我們知道字符串是char*類型，假定需要輸出其指針的值，即字符串中第一個字符的地址，但是重載運算符<<輸出的只是以空(null)字符結尾的char*類型的字符串，因此使用void*類型來完成上述需求(需要輸出指針變量的地址時都可以使用void*類型)。圖11．8中的程序演示了如何輸出char*類型的字符串及其地址，輔出的地址是用十六進制格式表示。在C++中，十六進制數以0x或0X打頭，11.6.1節、11.7.4節、11.7.5節和11.7.7節要詳細介紹控制數值基數的方法。
1 // Fig. 11.8: fig11_08.cpp
2 // Printing the address stored in a char* variable
3 #include <iostream.h>
4
5 int main()
6{
7   char *string = "test";
8
9   cout << "Value of string is: "<< string
10       << "\nValue of static cast< void *>( string ) is:"
11       << static_cast< void*>( string )<<endl;
12  return 0;
13}

輸出結果：
Value of string is:test
Value of staticcast <void*>( string )is:Ox00416D50

                             圖 11.8 輸出char*類型變量的地址

11.3.4  用成員函數put輸出字符和put函數的連續調
    用put成員函數用于輸出一個字符，例如語句：
    cout.put('A')；
  將字符A顯示在屏幕上。
    也可以像下面那樣在一條語句中連續調用put函數：
    cout.put('A').put('\n')；
  該語句在輸出字符A后輸出一個換行符。和<<一樣，上述語句中圓點運算符(.)從左向右結合，put
  成員函數返回調用put的對象的引用。還可以用ASCII碼值表達式調用put函數，語句cout.put(65)也
  輸出字符A。

11. 4  輸入流
    下面我們要討論流的輸入，這是用流讀取運算符(即重載的運算符>>)實現的。流讀取運算符通常會跳過輸人流中的空格、tab鍵、換行符等等的空白字符，稍后將介紹如何改變這種行為。當遇到輸入流中的文件結束符時，流讀取運算符返回0(false);否則，流讀取運算符返回對調用該運算符的對象的引用。每個輸入流都包含一組用于控制流狀態(即格式化、出錯狀態設置等)的狀態位。當輸入類型有錯時，流讀取運算符就會設置輸人流的failbit狀態位；如果操作失敗則設置badbit狀態位，后面會介紹如何在I/O操作后測試這些狀態位。11．7節和11．8節詳細討論了流的狀態位。

11．4．1  流讀取運算符
    圖11．9中的范例程序用cin對象和重載的流讀取運算符>>讀取了兩個整數。注意流讀運算符可以連續使用。
1 // Fig. 11.9: figll_09.cpp
2 // Calculating the sum of two integers input from the keyboard
3 // with the cin oct and the stream-extraction operator.
4 #include <iostream.h>
5
6 int main()
7{
8   int x, y;
9
10  cout << "Enter two integers: ";