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什么是流?C++流类和流对象

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程序中常用的 cin 和 cout,分别用于从键盘输入数据和向屏幕输出数据(简称为标准 I/O)。除此之外,程序还可以从文件中读入数据,以及向文件中写入数据(简称为文件 I/O)。

数据输入和输出的过程也是数据传输的过程。数据像水一样从一个地方流动到另一个地方,因此,在 C++ 中将此过程称为 “流(stream)”。

在 C++ 的标准类库中,将用于进行数据输入输出的类统称为“流类”。cin 是流类 istream 的对象,cout 是流类 ostream 的对象。要使用流类,需要在程序中包含 iostream 头文件。

C++ 中常用的几个流类及其相互关系如图1所示。


图1:C++类库中的流类

图1中的箭头代表派生关系。例如,ios 是抽象的基类,它派生出 istream 和 ostream。 istream 和 ostream 又共同派生了 iostream 类。

为了避免多继承的二义性,从 ios 派生出 istream 和 ostream 时,均使用了 virtual 关键字(虚继承)。
  • istream 是用于输入的流类,cin 就是该类的对象。
  • ostream 是用于输出的流类,cout 就是该类的对象。
  • ifstream 是用于从文件读取数据的类。
  • ofstream 是用于向文件写入数据的类。
  • iostream 是既能用于输入,又能用于输出的类。
  • fstream 是既能从文件读取数据,又能向文件写入数据的类。

标准流对象

iostream 头文件中定义了四个标准流对象,它们是 cin、cout、cerr 和 clog。
  • cin 对应于标准输入流,用于从键盘读取数据,也可以被重定向为从文件中读取数据。
  • cout 对应于标准输出流,用于向屏幕输出数据,也可以被重定向为向文件写入数据。
  • cerr 对应于标准错误输出流,用于向屏幕输出出错信息,不能被重定向。
  • clog 对应于标准错误输出流,用于向屏幕输出出错信息,不能被重定向。

cerr 和 clog的区别在于:cerr 不使用缓冲区,直接向显示器输出信息;而输出到 clog 中的信息会先被存放到缓冲区,缓冲区满或者刷新时才输出到屏幕。

cout 是 ostream 类的对象。在 Visual Studio 2010 安装文件夹中有vc\crt\src\cout.cpp文件,该文件中 cout 的定义如下:
_PURE_APPDOMAIN_GLOBAL static filebuf fout(_cpp_stdout);
_PURE_APPDOMAIN_GLOBAL extern _CRTDATA2 ostream cout (&fout);
简单地看,就是:
ostream cout(&fout);
ostream 类的无参构造函数和复制构造函数都是私有的,因此在程序中一般无法定义 ostream 类的对象,唯一能用的 ostream 类的对象就是 cout。

当然,上面关于 cout 对象的定义语句说明 ostream 类是有一个公有构造函数的,如果知道这个构造函数是什么样的,那么也能自己定义 ostream 类的对象——但这么做并无必要。

cout 可以被重定向,而 cerr 不能。所谓重定向,就是将输入的源或输出的目的地改变。例如,cout 本来是输出到屏幕上的,但是经过重定向,本该输出到屏幕上的东西就可以被输出到文件中。

例如下面的程序:
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int x,y;
    cin >> x >> y;
    freopen("test.txt", "w", stdout);  //将标准输出重定向到 test.txt文件
    if( y == 0 )  //除数为0则输出错误信息
        cerr << "error." << endl;
    else
        cout << x /y ;
    return 0;
}
第 7 行的 freopen 是一个标准库函数,第二个参数 w 代表写模式,第三个参数代表标准输出。该语句的作用是将标准输出重定向为 test.txt 文件。

重定向之后,所有对 cout 的输出都不再出现在屏幕上,而是出现在 test.txt 文件中。

test.txt 文件会和本程序的可执行文件出现在同一个文件夹中。重定向仅对本程序有效,不影响其他程序。

运行本程序,输入
6 2↙
程序没有输出,但是打开 test.txt文件,可以看到文件中有
3

如果输入
4 0↙
则程序在屏幕上输出
error.

说明 cerr 不会被重定向。

cin 也是可以被重定向的。如果在程序中加入
freopen("input.dat", "r", stdin);
第二个参数 r 代表读入方式,第三个参数 stdin 代表标准输入。执行此语句后,cin 就不再从键盘读入数据,而是从 input.dat 文件中读人数据,input.dat 文件中有什么,就相当于从键盘输入了什么。
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