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cs:programming:cpp:courses:cpp_basic_deep:chpt_7 [2024/11/11 06:52] – 创建 - 外部编辑 127.0.0.1cs:programming:cpp:courses:cpp_basic_deep:chpt_7 [2024/12/10 15:16] (当前版本) – [基于绑定的同步] codinghare
行 1: 行 1:
 +======深入IO======
 +//第 7 章笔记//
 +----
 +====IOStream 概述====
 +  * IOstream 把输入输出视作字节流（流式IO）
 +  * 可以在其基础上构建记录 IO
 +<WRAP center round box 100%>
 +  * 流式 IO
 +  * 记录 IO
 +</WRAP>
 +===需要处理的问题===
 +  * 表示形式的变化：使用格式化 / 解析将数据内部的表示（二级制）转化为字符序列（或反向转换，比如 ''std::cin''）
 +  * 与外部设备的通信：对于不同的外部设备（''IOstream'' 指定的外部设备：比如终端，文件，内存）等会有不同的处理逻辑
 +<code cpp>
 +int x = 100;
 +// 通过格式化的方式，将二进制的形式转换成了相应的字符序列的表示
 +std::cout << x << std::endl;
 +</code>
 +<code cpp>
 +// 使用一块内存
 +// 用于保存 x 或者 y
 +union 
 +{
 +   int x;
 +   float y;
 +};
 +x = 100;
  
 +// 使用不同的方式去解析同一内存中的内容
 +// float 与 int 的解析方式不同
 +std::cout << x << std::endl;
 +
 +std::cout << y << std::endl;
 +</code>
 +===涉及的操作===
 +  * 格式化 / 解析：将内容转化为字节序列 / 将字节序列转化为内容
 +  * 缓存：将要输出的内容置于缓存中，在缓存将满的时候一次性输出
 +  * 编码转换：比如 UTF8 到 GB（转换字符所占内存的表示）
 +  * 传输：从缓存中逐一进行读取
 +==采用的技术==
 +  * ''std::basic_stream''：
 +    * 封装设备特性：通过不断的继承，在每一步的继承中实现不同设备的输出
 +    * 封装字符特性：使用类模板中的参数，通过替换该参数实现不同的流（比如使用 ''std::basic_ifstream<char>'' 处理 ''char'' 类型字符）
 +    * 实际上是类模板实例化的结果
 +====输入和输出====
 +  * 输入输出分为格式化和非格式化两类
 +===非格式化 I/O===
 +  * 输入：''get'' / ''read''/ ''getline'' / ''gcount''
 +  * 输出： ''put'' / ''write''
 +  * 特点：对计算机（性能）友好，不会通过格式化来改变内容的长度（比如输出 ''float'' 就只会最多输出 4个字节的内容）
 +<code cpp>
 +int x;
 +//对指定地址的内容的字符进行读取
 +//不解析，直接放入 x
 +//一共读取 4个字符 100加上回车，对应的就是每个字符的 ascii 值
 +//注意：read 要求 4个字符，在没有满足条件之前，系统会一直等待用户输入
 +std::cin.read(reinterpret_cast<char*>(&x), sizeof(x));
 +</code>
 +===格式化 I/O===
 +  * 使用移位操作符 ''>>'' 和 ''<<'' 的重载来输入输出
 +  * 特点：对人友好，根据不同的类型（内建，自定义）进行**重载**，输出不同的格式：
 +<code cpp>
 +char c = '0';
 +// 针对 char 输出字符 0
 +std::cout << c << std::endl;
 +
 +// 针对 Int 输出 ascii 48
 +int ci = static_cast<int>(c);
 +std::cout << ci << std::endl;
 +</code>
 +==格式控制==
 +  * 位掩码类型：''showpos''，改变的是格式化的行为
 +<code cpp>
 +char c = '0';
 +// 显示正负，输出 +48
 +// 只对数值产生影响
 +std::cout.setf(std::ios_base::showpos);
 +</code>
 +  * 取值随意的格式化参数：''width()''
 +<code cpp>
 +// 让输出占10个字符，默认往左边加空格
 +// 默认只生效一次，读取后会被 reset 为 0
 +std::cout.width(10);
 +</code>
 +  * 填充字符 ''fill''
 +<code cpp>
 +// 使用 * 占位
 +std::cout.fill('*');
 +</code>
 +===操纵符===
 +  * manipulator：允许直接在输入输出流中使用格式控制：
 +<code cpp>
 +// 等同与之前的 showpos 用法，输出 +48
 +// witdh 的替换，需要使用 iomanip 头文件，使用 setw()
 +// fill 的替换，使用 setfill()
 +std::cout << std::showpos << std::setw(10) << std::setfill('*') << ci << std::endl;
 +</code>
 +==其他操纵符==
 +  * ''std::endl''
 +===输入相关===
 +  * 具有提取操作：
 +    * 会放松对提取的类型限制：比如使用 ''std::cin'' 时，空格+10，+10，+010 都会被提取为 ''10''
 +    * 提取操作有限制（某些信息不能智能进行提取）
 +==C风格字符串的内存越界==
 +<code cpp>
 +char y[5];
 +// 输入长度超过 4字节 (4+\0) 均会导致内存越界
 +// std::string 存在缓存机制，不受限制
 +std::cin >> y;
 +
 +// 使用 setw() 控制输入的长度，提取前 4 个字符
 +std::cin >> std::setw(5) >> y;
 +</code>
 +====文件与内存操作====
 +===文件流===
 +  * ''basic_ifstream'' / ''basic_ofstream'' / ''basic_fstream''：别名 ''i/f stream''，类模板，流中单位为 ''char''
 +  * 输入 / 输出 / 同时打开输入输出
 +==简单示例==
 +<code cpp>
 +// 传入参数为文件名
 +// 输出流
 +std::ofstream outFile("test_file");
 +// 输出到文件 test_file
 +outFile << "hello";
 +
 +// 输入流
 +std::ifstream inFile("test_file");
 +std::string x;
 +inFile >> x;
 +std::cout << x << std::endl;
 +</code>
 +==文件流状态==
 +  * 检测状态 ''std::basic_ostream::isopen()''
 +  * 打开文件，关联流：''outFile.open("test_file");''
 +  * 关闭文件，关闭流：''outFIle.close();''
 +<WRAP center round box 100%>
 +文件流会处于打开 / 关闭状态：
 +  * 当与文件关联时，才会处于打开状态
 +  * 关联文件之后，无法关联另外一个文件。必须要先关闭流才能与其他文件绑定（再次打开）
 +  * 缺省定义下（无文件参数），文件流默认关闭。
 +</WRAP>
 +==系统会使用缓存优化文件流==
 +  * 每次读取写入都会非常消耗资源
 +  * 系统会将缓存内的东西积累起来，在关闭流时写入文件
 +  * 未显示关闭文件流时，''ostream'' 的析构函数会在析构其对象时自动销毁
 +  * 可以使用域控制 ''ostream'' 对象的生存周期，使用其析构函数自动关闭文件流
 +<code cpp>
 +{
 +    // outFile 会在大括号之后自动关闭流
 +    std::ostream outFile.open("test_file");
 +}
 +</code>
 +===打开方式===
 +^ 标记名       ^ 作用                           ^
 +| ''in''       | 打开供读取                     |
 +| ''out''      | 打开供写入                     |
 +| ''ate''      | 起始位置位于文件末尾           |
 +| ''app''      | 附加文件，总是向文件末尾写入   |
 +| ''trunc''    | 截断文件，删除文件中内容       |
 +| ''binary''   | 二进制模式                     |
 +==组合使用的原理==
 +上述的打开方式都是以二进制的形态设计的，其中每一种打开方式占一位。如果组合使用，则是以两种方式的**按位或**运算进行：
 +<code cpp>
 +// in & ate
 +// 按位 或进行组合
 +std::ios_base::in;   // 0010
 +std::ios_base::ate; // 0001
 +// 得到 0011，在文件末尾进行读写
 +</code>
 +==ate 的使用==
 +  * 用于控制文件读取 / 写入的起始位置
 +  * ''in'' / ''out'' 默认起始为文件开始的位置
 +<WRAP center round box 100%>
 +  * ''ate'' 表示起始读写位置处于文件末尾，但该位置可以移动
 +  * ''app'' 表示起始读写位置处于文件末尾，但该位置**不可**移动
 +</WRAP>
 +==trunc 的使用==
 +  * 写入，并删除之前文件内的内容
 +<code cpp>
 +// 将文件中的 hello 替代为 word
 +std::ofstream outFile("test_file", std::ios_base::out | std::ios_base::trunc);
 +outFile << "word";
 +</code>
 +==binary==
 +  * 可以禁止系统内定的转换
 +==常用组合==
 +^打开方式^效果^加结尾标记^加二进制标记^
 +|''in''|只读打开（读）|初始位置位于末尾|禁止系统转换|
 +|''out|trunc / out''|文件存在则覆盖之前内容，否则建立文件（写）|初始位置位于末尾|禁止系统转换|
 +|''out|app''|在文件末尾写入（写）|初始位置位于末尾|禁止系统转换|
 +|''in|out''|打开文件供更新使用（读写）|初始位置位于末尾|禁止系统转换|
 +|''in|out | trunc''|打开文件，删除已存在内容，并建立文件更新使用（读写）|初始位置位于末尾|禁止系统转换|
 +
 +<WRAP center round box 100%>
 +''out|trunc'' 和 ''out'' 行为一致。
 +</WRAP>
 +===内存流===
 +都定义于 ''<sstream>'' 中：
 +  * ''basic_istringstream''：读
 +  * ''basic_ostringstream''：写
 +  * ''basic_stringstream''：读写
 +  * 处理类型单位默认为 ''char''，也受打开模式的影响(''in''/''out''/''ate''/''app'')
 +==基础用法示例==
 +  * 注意格式化输出会将输入转化为字符串：
 +<code cpp>
 +int main(int argc, char const *argv[])
 +{
 +    std::ostringstream myObj;
 +    // 写入内容到流 (整数)
 +    // 转换整数到字符串（格式化）
 +    myObj << 1234;
 +    // 获取 myObj 所对应内存，使用配套的 str() 返回内容（字符串）
 +    std::string ret = myObj.str();
 +
 +    std::cout << ret << std::endl;
 +    //读取字符串，并格式化（转换字符串为 int）
 +    std::istringstream myObj2(ret);   
 +    int x;  
 +    //将 int 赋值给 x 并打印
 +    myObj2 >> x;
 +    std::cout << x << std::endl;
 +    return 0;
 +}
 +</code>
 +==配合模式使用==
 +<code cpp>
 +// 默认的模式是从起始位置开始替换
 +
 +// 默认输出流中的内容是 test
 +// 所有输出都会基于 test 输出
 +std::ostringstream myObj3("test", std::ios_base::ate);
 +myObj3 << '1';
 +
 +// 打印结果为 test1
 +// stringstream 会自动管理内存
 +std::cout << myObj3.str();
 +</code>
 +==str() 的使用注意==
 +  * 返回 ''std::string''
 +  * 不要**间接**使用 ''str().c_str()'' 将字符串转换为 C 风格的字符串：该行为未定义
 +    * ''str()'' 返回的是右值
 +    * ''c_str()'' 指向了返回右值的内部的首地址，由于返回的是临时值，所以该访问未定义
 +==使用内存流进行拼接优化==
 +<code cpp>
 +// 类似 vector 的空间申请
 +// 可能每次都会进行 allocate
 +std::string s;
 +s += "hello";
 +s += "world";
 +s += "hello";
 +
 +// 改良
 +// 利用 ostringstream 的大缓存进行拼接
 +// 不会频繁的 allocate
 +std::ostringstream word;
 +word << "hello";
 +word << "world";
 +word << "hello";
 +
 +// 结果相同
 +std::cout << s;
 +std::cout << word.str();
 +</code>
 +====流的状态====
 +  * 提供额外的信息，使使用者针对状态进行对应的操作
 +  * 使用 ''std::io_base::iostate'' 维护状态
 +  * 非正常的状态的值都不是 ''0''，几种错误可以同时出现（通过 bit 之间的按位或, //BitMaskType//）
 +===三种异常状态===
 +  * ''badbit''：不可恢复的流错误（比如读写未关联的流）
 +  * ''failbit''：可恢复的流错误：读 / 写类型不匹配且无法转换（格式化错误），双重关闭一个流
 +  * ''eofbit''：输入序列达到了文件尾部
 +==检测异常状态的方法==
 +[[https://en.cppreference.com/w/cpp/io/ios_base/iostate|bit 的组合与返回结果的关系]]
 +<code cpp>
 +// 使用 cin 的成员检测
 +std::cout << std::cin.good() 
 +          << std::cin.fail()
 +          << std::cin.bad()
 +          << std::cin.eof();
 +// 转换为 bool 值检测
 +          <<static_cast<bool>(std::cin) << std::endl;
 +</code>
 +  * ''fail'' 和 ''eof'' 可能会被同时设置，但意义不同
 +  * 转换为 bool 值时不会考虑 ''eof''
 +==利用状态==
 +<code cpp>
 +// 判断之前的输入提取是否成功
 +if(std::cin >> x) { //}
 +</code>
 +==复位流的状态==
 +  * ''clear()'' ：设置当前流的指定状态（默认为 ''goodbit''）
 +  * ''setstate()''：将某个状态**附加**到指定流上，
 +<code cpp>
 +std::cin.clear();
 +</code>
 +==捕获流的异常==
 +  * 可以通过 ''exception()'' 捕获流的异常
 +====流的定位====
 +提取写入时，需要考虑提取写入的位置（定位）。C++ 为此引入了流的定位：
 +  * 获取流
 +  * 设置流
 +===获取流位置===
 +  * ''tellg()''：获取输入流中，接下来要读取的字符的位置
 +  * ''tellp()''：获取输出流中，当前可以写入的位置（读的是 white space）
 +  * 两者返回一个为整数的 ''pos_type'' 类型。获取失败时，返回 ''pos_type(-1)''
 +    * ''fail() == true'' 时
 +===设置流位置===
 +  * ''seekg()'' / ''seep()''：用于设置输入 / 输出流（覆盖输出）
 +==两个重载版本==
 +  * 设置绝对位置：接收 ''pos_type'' 的版本
 +  * 设置相对位置：接收基本位置（''beg'',''end'',''cur''）+ 位移
 +====流的同步====
 +系统默认的 “缓冲区满再输入到设备的” 行为很可能带来一些问题：
 +<code cpp>
 +// 如果 some test 所在流没有满，导致没有被输出到终端
 +std::cout << "some test";
 +std::string name;
 +// 导致输入时没有提示
 +std::cin >> name;
 +</code>
 +这种情况下需要**刷新缓冲区**，也就是强制输出缓冲区内容送到设备上。
 +===基于方法的同步===
 +  * ''flush()''：**输出**流同步，刷新缓冲区
 +<code cpp>
 +// 成员调用
 +std::cout.flush();
 +// 操纵符
 +std::cout << x << std::flush;
 +</code>
 +  * ''sync()''：**输入**流同步，实现由编译器定义
 +    * 同文件同时关联了输入输出流，要对输入流刷新，得到输出流的信息
 +    * 具体行为与编译器实现有关系
 +  * ''std::unitbuf''：
 +    * 行为：大于一个字符的流必须被清除出缓存区
 +    * 结果：自动立即刷新（影响性能）
 +    * 通常与 ''std::cerr'' （标准错误输出）联用，因为错误信息必须及时更新
 +===基于绑定的同步===
 +C++ 中，任意流都可以绑定到一个**输出流**上。当绑定时，绑定流会记录被绑定流中的信息。当绑定时：
 +  * 绑定流在每次输入（输出）时，都会刷新**被绑定流**的缓冲区
 +  * 绑定流可以同时与多个输出流绑定
 +这种方法实际上从另外的角度解决了之前提到过的问题：
 +<code cpp>
 +// 如果 some test 所在流没有满，导致没有被输出到终端
 +std::cout << "some test";
 +std::string name;
 +// 导致输入时没有提示
 +std::cin >> name;
 +</code>
 +此时如果 ''std::cin'' 绑定了 ''std::cout''，那么当 ''std::cin'' 输入时，就会直接情况输出流的缓存，将我们需要的 //some test// 
 +文本输入终端。
 +===与 C 标准 I/O 的同步===
 +  * 缺省情况下会与 C 同步
 +  * 可以通过 ''sync_with_stdio'' 关闭同步