第11.12章: C++ iostream

概述

C++ 的标准 I/O 库提供 std::fstream、std::ifstream 和 std::ofstream。这些流类建立在 std::basic_filebuf 之上，那是 C++ 运行时的带缓冲文件抽象。

fast_io 提供包装，让你能把 std::basic_filebuf 接入 fast_io 的 I/O 系统，从而对它们使用 print、println 和 scan。

标准 C++ I/O：<iostream>、<fstream>、<sstream>

在讨论 fast_io 如何包装 C++ I/O 之前，先回顾一下标准 C++ I/O 库。C++ 为 I/O 提供三个主要头文件：

• <iostream> — 标准流（std::cin、std::cout、std::cerr、std::clog）
• <fstream> — 文件流（std::ifstream、std::ofstream、std::fstream）
• <sstream> — 字符串流（std::istringstream、std::ostringstream、std::stringstream）

标准流

C++ 提供四个预定义流：

• std::cin — 标准输入（通常是键盘）
• std::cout — 标准输出（通常是终端）
• std::cerr — 标准错误（不带缓冲，通常是终端）
• std::clog — 标准错误（带缓冲，通常是终端）

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    int x;
    std::string name;

    // Read from stdin
    std::cout << "Enter your name: ";
    std::cin >> name;

    std::cout << "Enter a number: ";
    std::cin >> x;

    // Write to stdout
    std::cout << "Hello, " << name << "!\n";
    std::cout << "You entered: " << x << "\n";

    // Write to stderr
    if (x < 0) {
        std::cerr << "Warning: negative number\n";
    }
}

文件流

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

int main() {
    // Write to a file
    std::ofstream fout("output.txt");
    if (!fout) {
        std::cerr << "Failed to open file\n";
        return 1;
    }

    fout << "Hello, World!\n";
    fout << "The answer is: " << 42 << "\n";
    fout.close();

    // Read from a file
    std::ifstream fin("output.txt");
    if (!fin) {
        std::cerr << "Failed to open file\n";
        return 1;
    }

    std::string line;
    while (std::getline(fin, line)) {
        std::cout << "Read: " << line << "\n";
    }
    fin.close();

    // Read and write (bidirectional)
    std::fstream fio("data.txt", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::trunc);
    fio << "Initial data\n";
    fio.seekg(0);  // Go back to beginning
    std::getline(fio, line);
    std::cout << "Read back: " << line << "\n";
}

常见的文件打开模式：

• std::ios::in — 以读方式打开
• std::ios::out — 以写方式打开
• std::ios::app — 追加到末尾
• std::ios::ate — 打开后定位到末尾
• std::ios::trunc — 文件存在时截断
• std::ios::binary — 二进制模式（不做文本转换）

字符串流

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

int main() {
    // Write to a string
    std::ostringstream oss;
    oss << "x = " << 42 << ", pi = " << 3.14159;
    std::string result = oss.str();
    std::cout << "Built string: " << result << "\n";

    // Read from a string
    std::istringstream iss("42 3.14 hello");
    int x;
    double y;
    std::string word;
    iss >> x >> y >> word;
    std::cout << "Parsed: " << x << ", " << y << ", " << word << "\n";

    // Bidirectional string stream
    std::stringstream ss;
    ss << "100 200";
    int a, b;
    ss >> a >> b;
    std::cout << "Sum: " << (a + b) << "\n";
}

流的操纵器

#include <iostream>
#include <iomanip>

int main() {
    // Formatting
    std::cout << std::hex << 255 << "\n";           // ff
    std::cout << std::oct << 255 << "\n";           // 377
    std::cout << std::dec << 255 << "\n";           // 255

    // Floating-point precision
    std::cout << std::fixed << std::setprecision(2) << 3.14159 << "\n";  // 3.14
    std::cout << std::scientific << 3.14159 << "\n";  // 3.14e+00

    // Width and alignment
    std::cout << "[" << std::setw(10) << std::left << "left" << "]\n";
    std::cout << "[" << std::setw(10) << std::right << "right" << "]\n";

    // Boolean
    std::cout << std::boolalpha << true << "\n";    // true
    std::cout << std::noboolalpha << true << "\n";  // 1
}

附录

完整的 C++ iostream 与 iomanip 参考见：

• 第11.12.1章: 完整的 C++ I/O 参考
• 第11.12.2章: 完整的 <iomanip> 参考

要点

• ::fast_io::filebuf_file 以 RAII 语义拥有一个 std::basic_filebuf*。
• ::fast_io::filebuf_io_observer 是对已有 std::basic_filebuf* 的非拥有视图，非常适合包裹 fstream 的 rdbuf()。
• 只存在窄字符（filebuf_file）和宽字符（wfilebuf_file）两个变体，因为 C++ 标准库没有为其他字符类型提供 basic_filebuf。
• socket 就是文件。在 POSIX 系统上，你可以把 socket 包进 filebuf_file，用 fstream 读写它。C++ 人为地把文件与 socket 分开（例如 Boost.Asio 与 fstream 的对立）违背了 POSIX 的哲学。
• C++ iostream 有根本性的设计缺陷：指针混淆（带来安全问题）、非线程安全、非异常安全、会破坏流状态的有状态操纵器、依赖 locale 的输出，以及糟糕的性能。fast_io 把这些全部修正了。
• fast_io 的操纵器是无状态的。与会改变流状态的 std::hex 不同，::fast_io::mnp::hex(value) 只作用于那个值。没有状态需要恢复，也就没有相应的 bug。
• 在 fstream 的实现内部改用 fast_io。如果你需要与 fstream 保持兼容，就在内部使用 ::fast_io::filebuf_io_observer。性能代价极小，而你能得到 fast_io 高效系统调用层的好处。