C++标准流操作符与流状态详解

### C++ 标准流操作符与流状态详解 #### 1. 标准流操作符 << 和 >> 在 C 和 C++ 中，操作符 `<<` 和 `>>` 原本用于整数的位左移和右移操作。不过，`basic_istream<>` 和 `basic_ostream<>` 类将 `>>` 和 `<<` 重载为标准的输入输出操作符，于是在 C++ 里，“移位操作符” 摇身一变成为了 “输入输出操作符”。 ##### 1.1 输出操作符 << `basic_ostream` 类（包括 `ostream` 和 `wostream`）把 `<<` 定义为输出操作符，并且为几乎所有基本类型（除了 `void` 和 `nullptr_t`）以及 `char*` 和 `void*` 进行了重载。 输出操作符的作用是将其第二个参数发送到对应的流中，数据传输方向与箭头方向一致。示例如下： ```cpp int i = 7; std::cout << i; // 输出: 7 float f = 4.5; std::cout << f; // 输出: 4.5 ``` `<<` 操作符还能进行重载，使得第二个参数可以是任意数据类型，这样就能将自定义数据类型集成到输入输出系统中。编译器会确保调用正确的函数来输出第二个参数，该函数需把第二个参数转换为字符序列并发送到流中。 C++ 标准库也利用这一机制为特定类型提供输出操作符，例如字符串、位集和复数： ```cpp std::string s("hello"); s += ", world"; std::cout << s; // 输出: hello, world std::bitset<10> flags(7); std::cout << flags; // 输出: 0000000111 std::complex<float> c(3.1,7.4); std::cout << c; // 输出: (3.1,7.4) ``` 与 C 语言使用 `printf()` 的输入输出机制相比，这种输出机制能扩展以包含自定义数据类型，无需指定要打印对象的类型，通过不同类型的重载能自动推断出正确的打印函数，且该机制不限于标准类型，对所有类型都适用。 `<<` 操作符还能在一条语句中打印多个对象。按照惯例，输出操作符会返回其第一个参数，也就是输出流，这使得可以链式调用输出操作符，示例如下： ```cpp std::cout << x << " times " << y << " is " << x * y << std::endl; ``` `<<` 操作符从左到右进行计算。需要注意的是，操作符的计算顺序并不意味着参数的计算有特定顺序，仅定义了操作符的执行顺序。 自 C++11 起，使用同一个流对象进行并发输出是可行的，但可能会导致字符交错。 ##### 1.2 输入操作符 >> `basic_istream` 类（包括 `istream` 和 `wistream`）将 `>>` 定义为输入操作符。和 `basic_ostream` 类似，该操作符为几乎所有基本类型（除了 `void` 和 `nullptr_t`）以及 `char*` 和 `void*` 进行了重载。 输入操作符的作用是将读取的值存储在其第二个参数中，数据传输方向同样与箭头方向一致。示例如下： ```cpp int i; std::cin >> i; // 从标准输入读取一个 int 并存储到 i 中 float f; std::cin >> f; // 从标准输入读取一个 float 并存储到 f 中 ``` 第二个参数会被修改，为实现这一点，第二个参数通过非常量引用传递。 和输出操作符 `<<` 一样，输入操作符也能为任意数据类型进行重载并链式调用： ```cpp float f; std::complex<double> c; std::cin >> f >> c; ``` 默认情况下，会跳过前导空白字符，但可以关闭这种自动跳过空白字符的功能。 自 C++11 起，使用同一个流对象进行并发输入是可行的，但可能会出现无法确定哪个线程读取哪个字符的情况。 ##### 1.3 特殊类型的输入输出 标准输入输出操作符适用于几乎所有基本类型（除了 `void` 和 `nullptr_t`）以及 `char*` 和 `void*`，不过部分类型和用户自定义类型有特殊规则。 | 类型 | 输入输出规则 | | ---- | ---- | | 数值类型 | 读取数值时，输入必须以至少一个数字开头，否则数值将被设为 0 并设置 `failbit`。若没有输入或 `failbit` 已设置，调用输入操作符不会修改变量。 | | `bool` 类型 | 默认情况下，布尔值以数值形式进行打印和读取，`false` 对应 0，`true` 对应 1。读取时，非 0 和 1 的值会被视为错误，会设置 `ios::failbit`，可能会抛出相应异常。也可设置流的格式化选项，使用字符串进行布尔值的输入输出。 | | `char` 和 `wchar_t` 类型 | 使用 `>>` 操作符读取时，默认会跳过前导空白字符。若要读取包括空白字符在内的任意字符，可清除 `skipws` 标志或使用 `get()` 成员函数。 | | `char*` 类型 | C 字符串（即 `char*`）按单词读取，默认跳过前导空白字符，直到遇到另一个空白字符或文件结束符。可通过 `skipws` 标志控制是否自动跳过前导空白字符。由于读取的字符串长度可能任意长，需设置要读取字符串的最大长度，示例如下： ```cpp char buffer[81]; // 80 个字符和 '\0' std::cin >> std::setw(81) >> buffer; ``` 建议使用 C++ 标准库的 `string` 类型，它能按需增长以容纳长字符串，还提供了方便的 `getline()` 函数用于逐行读取。 | | `void*` 类型 | `<<` 和 `>>` 操作符可用于打印指针并再次读取地址。将 `void*` 类型的参数传递给输出操作符时，地址会以实现相关的格式打印。虽然可以使用输入操作符再次读取地址，但地址通常是临时的，同一对象在新启动的程序中可能有不同的地址。打印和读取地址的应用场景可能包括交换对象标识地址的程序或共享内存的程序。 | | 流缓冲区 | 可使用 `>>` 和 `<<` 操作符直接从流缓冲区读取和写入数据，这可能是使用 C++ 输入输出流复制文件最快的方法。 | | 用户自定义类型 | 原则上，将此技术扩展到自定义类型并不难，但要考虑所有可能的格式化数据和错误条件则需要更多精力。 | | 货币和时间值 | 自 C++11 起，可使用操纵符直接读取或写入货币或时间值。示例如下： ```cpp // io/timemanipulator1.cpp #include <iostream> #include <iomanip> #include <chrono> #include <cstdlib> using namespace std; int main () { // 处理并打印当前日期和时间: auto now = chrono::system_clock::now(); time_t t = chrono::system_clock::to_time_t(now); tm* nowTM = localtime(&t); cout << put_time(nowTM,"date: %x\ntime: %X\n") << endl; // 读取日期: tm* date; cout << "new date: "; cin >> get_time(date,"%x"); // 读取日期 if (!cin) { cerr << "invalid format read" << endl; } } ``` #### 2. 流的状态 流会维护一个状态，该状态用于标识输入输出是否成功，若失败则说明失败原因。 ##### 2.1 流状态的常量 对于流的一般状态，定义了几个 `iostate` 类型的常量