C++流

C++ 中的“流”（Stream）库主要由 输入/输出（I/O）流类 和 支持库 组成。它们的核心是 C++ 标准库中的 iostream，用于处理输入输出操作。以下是主要的“流”相关库及其关系：

C++ 流库的核心分类

1. 核心头文件

头文件 功能
<iostream> 提供标准输入/输出流（std::cin, std::cout, std::cerr, std::clog）。
<fstream> 提供文件输入输出流（std::ifstream, std::ofstream, std::fstream）。
<sstream> 提供基于字符串的流（std::istringstream, std::ostringstream, std::stringstream）。

2. 核心流类

流类 描述
std::istream 输入流基类，用于读取数据（如文件、控制台输入）。
std::ostream 输出流基类，用于写入数据（如文件、控制台输出）。
std::iostream 同时支持输入和输出的流基类，继承自 std::istream 和 std::ostream。
std::ifstream 文件输入流，用于从文件中读取数据，继承自 std::istream。
std::ofstream 文件输出流，用于向文件写入数据，继承自 std::ostream。
std::fstream 文件输入输出流，继承自 std::iostream，同时支持读写。
std::istringstream 字符串输入流，用于从字符串中读取数据，继承自 std::istream。
std::ostringstream 字符串输出流，用于向字符串写入数据，继承自 std::ostream。
std::stringstream 字符串输入输出流，继承自 std::iostream，同时支持从字符串读写数据。

C++ 流库的继承关系

流库的设计基于面向对象的继承，以下是主要类的继承关系：

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std::ios_base
    ├── std::ios
         ├── std::istream
         │      ├── std::ifstream
         │      ├── std::istringstream
         │
         ├── std::ostream
         │      ├── std::ofstream
         │      ├── std::ostringstream
         │
         ├── std::iostream
                ├── std::fstream
                ├── std::stringstream
  • std::ios_base 是最基础的类，提供流的状态和格式化操作。
  • std::ios 是所有输入输出流的公共基类，继承了 std::ios_base。
  • std::istream 和 std::ostream 分别是输入流和输出流的基类。
  • 具体流类（如 std::ifstream 和 std::ofstream）继承自 std::istream 或 std::ostream，并添加了文件操作功能。

流库的功能特点

1. 标准 I/O 流

  • std::cin: 标准输入流，用于从控制台读取数据。
  • std::cout: 标准输出流，用于向控制台输出数据。
  • std::cerr: 标准错误输出流，不会被缓冲，直接输出。
  • std::clog: 标准日志输出流，会被缓冲。

2. 文件流

  • 文件流提供了从文件读写的功能：

    • 只读文件：std::ifstream。
    • 只写文件：std::ofstream。
    • 读写文件：std::fstream。

  • 支持文本模式（默认）和二进制模式：

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    std::ifstream file("example.txt", std::ios::binary);

3. 字符串流

  • 字符串流提供了将字符串作为流数据源或目标的功能：

    • 从字符串读取：std::istringstream。
    • 写入到字符串：std::ostringstream。
    • 既读取又写入：std::stringstream。

  • 适合用于临时的数据格式化、解析或调试：

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    std::istringstream input("123 456");
    int a, b;
    input >> a >> b;  // 从字符串中解析数据

4. 通用流操作

  • 流的状态管理：

    通过流的状态标志（如 

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    std::ios::goodbit

    、

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    std::ios::eofbit

    ）判断流是否正常：

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    if (std::cin.good()) {
        std::cout << "Input is good!" << std::endl;
    }

  • 流的格式化操作：

    通过操纵器（如 

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    std::setw

    、

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    std::fixed

    ）控制输出格式：

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    std::cout << std::setw(10) << std::setprecision(2) << std::fixed << 123.456 << std::endl;

高级流功能

1. 用户自定义流缓冲

C++ 支持自定义流缓冲（std::streambuf），允许替换流的底层实现。例如：

  • 将流内容直接输出到内存。
  • 实现自定义的日志记录。

2. 多线程支持

从 C++11 开始，标准库的流是线程安全的（线程间流对象不能同时访问，但单个流对象本身是安全的）。

关系总结

C++ 的流库是一个层次化的设计：

  1. 基础类： std::ios_base 和 std::ios 提供了流的基础功能。
  2. 具体实现： std::istream 和 std::ostream 定义输入输出的通用接口。
  3. 派生类： 文件流和字符串流通过继承实现具体功能，分别操作文件和内存中的字符串。

扩展建议

如果需要更高级的序列化功能（如跨平台、性能优化或复杂对象支持），可以结合 C++ 流库使用第三方工具，如：

  • JSON 序列化： 使用 nlohmann/json 库。
  • 二进制序列化： 使用 Protocol Buffers、FlatBuffers 等库。