C语言, C++ IO 总结. 一篇文章帮你透析缓冲区存在的意义, C, C++ IO的常见用法

目录

一. IO缓冲区存在的意义    (屏蔽低级IO)​

二. C标准IO + C++标准IO  刨析及其解决字符串输入空格结束问题刨析   (以及常用IO函数刨析)​

三. C 文件IO (从常用函数刨析到具体案例实现)

四. C++ 文件IO (从常见方法刨析到 案例实现)

五. 从C语言的 fprintf 进化到 sstream  实现序列化和反序列化

六. 总结本章

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一. IO缓冲区存在的意义    (屏蔽低级IO)

•   缓冲区一般是行设计....   也就是缓冲区大小一般就叫做一行, 一般就是1024字节 char buff[1024]
• 有了缓冲区, 我们就可以按照缓冲区大小进行读写操作, 基于行, 缓冲区 进一步向上封装成了C语言的  scanf 和 printf 这样的 可以跨平台使用的函数

缓冲区好处 :

• 可以屏蔽掉低级I/O的实现  (  低级IO就是基于操作系统内核实现的系统调用), 可以减少系统调用次数 (用户空间向内核空间切换次数) 提高效率   方便写出可移植的程序。
• 有了行的概念, 可以实现行读取, 解析整个缓冲区中的内容返回一个行

二. C标准IO + C++标准IO  刨析及其解决字符串输入空格结束问题刨析   (以及常用IO函数刨析)

• FILE 的本质就是一个句柄  :   句柄思想, 使用简单的一个FILE* 就可以操作背后对应的文件, 做个比喻就是有点像是使用 遥控器 控制一个机器人, 通过对一个把手开关的简单操作, 将对应操作落实到一个比较复杂的东西上去,   操作 FILE就是操作文件 。。。 底层落实到 内核上的files_struct结构体上面去了
•  fflush :    将缓冲区中的内容实时刷新写入到文件中去.     (文件不一定是 stdout 其他也可)
• 
•  其实可以简单做一个小小的测试....    如下使用sleep + printf()  +  fflush(stdout)  测试 fflush功能      stdin  + stdout    + stderr 是在一开始就打开的三个文件流...  操作系统给我们打开的            在  Linux 环境下测试才可获取结果:   windows环境下好像不行应该是做了优化

  [tangyujie@VM - 4 - 9 - centos ~]$ cat test.c
  #include <stdio.h>
  int main() {
  	printf("haha");
  	//fflush(stdout);
  	while (1);
  	return 0;
  }

• 希望读者自行测试,  上述存在 fflush 和 屏蔽fflush 效果是完全不一样的, 屏蔽掉发现显示器上没有输出, 说明  缓冲区中的数据没有刷新到显示器上 (没有写入标准输出设备文件中去)  解除屏蔽则可以瞬间刷新
• 然后接下来针对scanf提出一个小小要求 ： 很多时候初学C语言的时候都在烦恼的问题. 想要输入一个完成的以行结束的字符串, 可以经常遇到  空格  就被截断的尴尬情况????? 咋办

此处给出格式化输入的办法:    专门应对 C语言想要输入字符串 但是不想被中间空格截断情况

#include <stdio.h>
int main() {
	char buff[256] = { 0 };
	scanf("%[^\n]%*c", buff);
	printf("buff: %s\n", buff);
	return 0;
}

 

• C++ 中 为了充分体现面向对象编程的思想, 其中的  输入输出都是定义的类 然后重载 operator <<运算符 和  operator >> 运算符来实现的.  
• 而且将  ios 类叫做流类的基类:          为了实现这种流动，C++定义了I/O标准类库，这些每个类都称为流/流类，用以完成某方面的功能.....
• C++ 将其形象的比作数据流, 使得  C++中对于数据的输入输出操作更加直观  。。。。  
• C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog，使用cout进行标准输出，即数据从内存流向控制台(显示器)。使用cin进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中，同时C++标准库还提供了cerr用来进行标 准错误的输出，以及clog进行日志的输出，从上图可以看出，cout、cerr、clog是ostream类的三个不同的 对象，因此这三个对象现在基本没有区别，只是应用场景不同。 在使用时候必须要包含文件并引入std标准命名空间。

注意点  :

• 空格和回车都可以作为数据之间的分格符   :  如何解决空格不能输入问题？？？?
• cin和cout可以直接输入和输出内置类型数据， 但是自定义类型必须自己重载operator << 和 operator >>才可以为什么???

  使用  getline 全局函数 解决 cin  空格结束问题

int main() {
	string s;
	//cin >> s;				//空格就结束了, 达不到输入一行的效果
	getline(cin, s);		//成功读取一行，以回车键结束
	cout << s << endl;
	return 0;
}

内置类型, 标准内库已经帮助我们做好了重载了, 所以自定义类型可以直接进行输入

最后再解决一个C++ 中循环输入的疑惑问题， 为何C++可以支持 while (cin >> 对象 ) {操作;}    这样的奇葩操作???   cin  的返回值 就是 istream流对象

• 这个操作的意思是什么???  意思就是说 返回值 istream 对象可以做判断, 对象如何做判断???
• 其实是因为 C++在  ios 类中重载了  operator bool   

三. C 文件IO (从常用函数刨析到具体案例实现)

• 先是文本文件读写操作函数分析, 以及实际案例实操

• 上述注意点,   以及所有文件读取操作的时候一定注意的就是 是不是文件末尾我们只有读取之后才知道, 所以一般为了避免对于文件末尾的多余操作, 很多时候会先读取后操作, 还有很多是在循环外面先读取一次文件, 其实都是这个道理

 

 

 代码写起来, 学以致用

int main() {
	FILE* fp;
	if ((fp = fopen("./test.txt", "r+")) == NULL) {
		perror("Error open file");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	char ch;			//一定先读取之后才判断是否是结尾
	/*
		或者这样写
		ch = fgetc();
		while (ch != EOF) {
			操作;
			ch = fgetc(fp);
		}	
	*/	
	//又或者是这样写
	/*
		ch = fgetc(fp);
		while (!feof(fp)) {
			fputc(ch, stdout);//操作
			ch = fgetc(fp);
		}
	*/
	/*
	while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {
		fputc(ch, stdout);	  //操作
	}
    */
    fclose(fp);                //最后一定关闭文件, 养成好习惯
	return 0;
}

继续文本文件操作:    接下来介绍格式化输入输出函数....

测试使用:     

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
	srand((unsigned int)time(NULL));
	FILE* fp;
	if ((fp = fopen("./test.txt", "r+")) == NULL) {
		perror("Error open file");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	int a, b;
	for (int i = 0; i < 3; ++i) {	
		fprintf(fp, "%d\t%d\n", a = rand() % 1024, b = rand() % 1024);
		printf("a: %d, b: %d\n", a, b);
	}
	/*				//先写入后读取
	int aa, bb;
	for (int i = 0; i < 3; ++i) {
		fscanf(fp, "%d\t%d\n", &aa, &bb);
		printf("aa: %d, bb: %d\n", aa, bb);
	}
	*/
	fclose(fp);
	return 0;
}

• 然后进行二进制读写操作， 同时这个也叫块读写操作, 每一次都是读取连续的内存块....
• 二进制读写操作缺陷 :  会产生乱码 (对于非字符串会乱码)
• 先函数图解刨析:   

 学以致用, 常规用法：   一般来说二进制内存块文件读写操作都是针对数组 这种连续内存比较合适, 不论什么数组， 或者是结构体也是可以的......      核心关键 : 内存连续  多个内存小块(一个内存大块)      

typedef struct student {
	int age;
	char name[20];
}STU;
int main() {
//针对结构体数组其实用二进制块读写操作简直不要太爽   (小缺陷: 乱码)
	STU s[3] = { { 18, "张三" }, { 20, "李四" }, { 24, "王五" } };
	FILE* fp;
	if ((fp = fopen("myfile.bin", "rb+")) == NULL) {
		perror("Error open file");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}	
	//fwrite(s, sizeof(STU), 3, fp);
	/*
		//先写入之后屏蔽写入放开读取测试
		int n = fread(s, sizeof(STU), 3, fp);//从里面读取
		//n : 成功读取的小块数目
		for (int i = 0; i < n; ++i) {
			printf("name: %s, age: %d\n", s[i].name, s[i].age);
		}
	*/
	fclose(fp);
	return 0;
}

• 定位函数 常用图解刨析    (定的什么位, 文件指针所指位)

•  活学活用, 上述 其实 rewind 完全是鸡肋了, 因为  fseek 完全可以代替其功能, 位异设置为0 直接起点文件指针设置为  SEEK_SET  可以达到一致效果:    如下代码端可以验证:

  int main() {
  	FILE* fp;
  	if ((fp = fopen("test.txt", "r+")) == NULL) {
  		perror("Error open file");
  		exit(EXIT_FAILURE);
  	}
  	//首先是演示常用功能1：fseek + ftell 可获取文件大小
  	{
  		fseek(fp, 0, SEEK_END);//定位文件末尾
  		int file_size = ftell(fp);//获取文件开头到当前位置字节数
  		printf("file_size: %d\n", file_size);
  	}
  	//演示功能 2: fseek 如何达到和rewind一致效果
  	{
  		//rewind(fp);
  		fseek(fp, 0, SEEK_SET);
  		printf("cur position is %d\n", ftell(fp));
  	}
  	return 0;
  }

四. C++ 文件IO (从常见方法刨析到 案例实现)

基本面向对象式的实现文件读写操作,  核心 C++  相对于C   函数式 -----> 过度到 面向对象实现文件IO操作..     (fstream 基类 ： 既可以完成文件读也可以完成文件写操作, ifstream 仅文件读操作， ofstream, 仅文件写操作,  C++文件读写操作 都是基于上面三个类的实例化对象完成的......)     

图解刨析一下上述类的构造函数:

 C++文件操作流程

• 定义一个  fstream\ifstream\ofstream 对象，调用默认构造函数
• 调用open 成员函数 （打开文件, 建立 对象和磁盘文件的关联）
• 其实上述两个步骤可以合二为一(合成调用有参构造，在构造函数中传入文件参数)
• 调用成员函数进行文件读写操作  或者是  使用C++专属的  流式  操作, 其实就是对于 operator << 和  operator >> 运算符的重载, 利用 << 和  >> 运算符 进行直观的文件读写操作
• ( 其实底层的 << 和 >>  本质 还是在重载函数中   进行的调用成员函数处理方式，只不过不需要我们写了. 直接用<< 和 >> 非常便捷)   

文本读写操作

• 第一个文本读get方法:     

 代码测试：

int main() {
	{
		ifstream ifs("test.txt");	//mode默认 ios::in
		if (!ifs) {
			cerr << "destruct ifs error" << endl;
			exit(EXIT_FAILURE);
		}
		char ch;
		/*方式1:
		while ((ch = ifs.get()) != EOF) {
			cout << ch;
		}
		*/
		/*方式2:
		while (ifs.get(ch)) {
			cout << ch;
		}
		*/
		//方式3:
		while (ifs) {
			cout << (char)ifs.get();
		}
	}
	ifs.close();		//也可以不写, 析构中会清理
	return 0;
}

• 文本写put方法....

 实例测试:

int main() {
	//文件写  默认是 ios::out, 不存在会create a file
	ofstream ofs("writefile.txt");
	char ch;
	//提示一个 \n回车换行键 作为结束
	cout << "Type some text (type a \\n to finish):" << endl;	
	do {
		ch = cin.get();
		ofs.put(ch);
	} while (ch != '\n');
	return 0;
}

二进制文件读写操作 + << >> 文件读写操作:   (     使用  << 和 >> 替代了  C 中的格式化文件读写操作    )      <<  和   >> 插入提取运算符 重载 代替了  C 语言中的格式化输入输出方式

• 首先 文件打开方式需要重新设置, 需要加入  ios::binary 进去,  然后是介绍两个函数, 几乎和C用法差不多, 只不过变成了类的方法,  read() 和 write() 方法   (缺陷, 还是乱码)

//基础案例:
int main() {
	//先写点东西进去, 然后才能够读取
	/*
	ofstream ofs("test.txt", ios::out | ios::binary);
	ofs.write("Hello write\n", strlen("Hello write\n"));
    ofs.close();
	*/
	ifstream ifs("test.txt", ios::in | ios::binary);
	if (!ifs) {
		cerr << "Error open file" << endl;
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//第一步先获取文件大小, 开缓冲区.....
	ifs.seekg(0, ifs.end);
	int length = ifs.tellg();
	ifs.seekg(0, ifs.beg);
	char *buff = new char[length];
	ifs.read(buff, length);
	//此处体现的C++ 判断读取的方式是直接 判断 ifs(对于bool的重载)
	//C语言则是通过返回值判断
	if (ifs) {
		cout << "Read all bytes success and read " << length << " bytes" << endl;
		buff[length] = 0;
		cout << buff << endl;
	}
	else {
		cerr << "Read error" << endl;
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	ifs.close();	//有始有终, 虽然最后ifstream的析构中会处理
	return 0;
}

流式用法, 替换C语言的格式化, 简易测试一下:

int main() { 
	int age = 10;
	char name[20] = "张三";
	//先向文件中流入数据
	/*
	ofstream ofs("test.txt");
	ofs << age << "\t" << name;		//直接进行数据流入 
    ofs.close();                    //好习惯
	//(类比 cout << 向标准输出设备文件显示器上输出)
	*/
	ifstream ifs("test.txt");
	if (!ifs) {
		cerr << "Error open file" << endl;
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	ifs >> age >> name;				//数据流出操作
	//(类比 cin >> 从标准输入设备文件键盘上读取数据存储到内存)
	cout << "age: " << age << ", name: " << name << endl;
    ifs.close();                    //好习惯
	return 0;
}

来一个总的类 测试案例 （这个是比较常用的, ip + port管理类）:

• 两个(常用)函数刨析：string <-----> int   (C++的)

 char* <-----> int  C语言版本函数刨析   :

struct ServerInfo
{
	char _ip[20];
	int  _port;
};

struct ConfigManager
{
public:
	ConfigManager(const char* filename)
		:_filename(filename)
	{}

	void ReadBin(ServerInfo& info)
	{
		ifstream ifs(_filename);
		ifs.read(char*)&info, sizeof(info));
	}

	void WriteBin(const ServerInfo& info)
	{
		ofstream ofs(_filename);
		ofs.write((char*)&info, sizeof(info));
	}

	void WriteTxt(const ServerInfo& info)
	{
		/*ofstream ofs(_filename);
		ofs.write(info._ip, strlen(info._ip));
		ofs.put('\n');
		string portstr = to_string(info._port);
		ofs.write(portstr.c_str(), portstr.size());*/

		// C++流多提供的，其他的c一样都可以实现
		ofstream ofs(_filename);
		ofs << info._ip <<"\n"<< info._port;
	}

	void ReadTxt(ServerInfo& info)
	{
		//ifstream ifs(_filename);
		//ifs.getline(info._ip, 20);
		 
		//char portbuff[20];
		//ifs.getline(portbuff, 20);
		//info._port = stoi(portbuff);

		// C++流多提供的，其他的c一样都可以实现
		ifstream ifs(_filename);
		ifs >> info._ip >> info._port;
	}

private:
	string _filename;
};

//int main()
//{
//	ServerInfo rinfo;
//	ServerInfo winfo = {"192.0.0.1", 8000};
//	// 读写 -- 二进制  -- 读写简单、高效快捷。 缺点：除了字符和字符串，内存中写到文件，是乱码
//	/*ConfigManager cfbin("config.bin");
//	cfbin.WriteBin(winfo);*/
//	//ConfigManager cfbin("config.bin");
//	//cfbin.ReadBin(rinfo);
//
//	// 读写 -- 文本
//	//ConfigManager cftxt("config.txt");
//	//cftxt.WriteTxt(winfo);
//
//	ConfigManager cftxt("config.txt");
//	cftxt.ReadTxt(rinfo);
//
//
//	return 0;
//}

文件定位操作

• 函数刨析:   

 测试代码:

int main() {
	ifstream ifs("test.txt");
	if (!ifs) {
		cerr << "Destruct ifstream obj error" << endl;
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	int length; 
	ifs.seekg(0, ifs.end);
	length = ifs.tellg();
	ifs.seekg(0, ifs.beg);			//回到开头了
	cout << "file_size: " << length << endl;
	ifs.close();
	while (1);
	return 0;
}
int main() {
	ifstream ifs("test.txt");
	if (!ifs) {
		cerr << "Destruct ifstream obj error" << endl;
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	int length; 
	ifs.seekg(0, ifs.end);
	length = ifs.tellg();
	ifs.seekg(0, ifs.beg);			//回到开头了
	cout << "file_size: " << length << endl;
	ifs.close();
	return 0;
}

五. 从C语言的 fprintf 进化到 sstream  实现序列化和反序列化

• 首先刨析一下  sprintf  +  sscanf

 代码测试:      

//案例1
int main() {
	int a = 10;
	char s[5] = "abc";
	char buff[20] = { 0 };
	sprintf(buff, "%d %s", a, s);	//序列化
	a = 100;
	s[0] = 'c';
	sscanf(buff, "%d %s", &a, s);   //反序列化还原
	cout << a << " " << s << endl;
	while (1);
	return 0;
}
//案例2:
/*
int main ()
{
  char sentence []="Rudolph is 12 years old";
  char str [20];
  int i;

  sscanf (sentence,"%s %*s %d",str,&i);
  printf ("%s -> %d\n",str,i);
  
  return 0;
}
*/

•  C++ 中的 序列化  和  反序列化 (针对这个：专门设置了一个字符串流类)  string streams 字符串流

 既然是流所以还是支持流式的数据流入和流出的.....     测试代码如下:

int main() {
	stringstream ss;
	int age = 20;
	char name[20] = "张三";
	ss << age <<"\t"<< name;//先流入到 ss 中去
	age = 100;
	strcpy(name, "12345");	//先改一下 这样后面才知道是不是流出了数据的
	ss >> age >> name;
	cout << "age: " << age << " " << "name: " << name << endl;
	return 0;
}

从一道实例题目上手:  序列化和反序列化二叉树

剑指 Offer II 048. 序列化与反序列化二叉树

class Codec {
public:

    // Encodes a tree to a single string.
    string serialize(TreeNode* root) {
        string ans = "";          
        if (root == NULL) return ans;             //直接返回就是了
        stringstream in_out;
        in_out << root->val;                      //流入根部
        in_out >> ans;                            //每次将ss流入到ans中
        /*
            1.后面只要右孩子 就需要加上  ()
            2.如果有右孩子加上 ,
            3. 先 ( + 左孩子序列 + , + 右孩子序列 + )
        */
        if (root->left || root->right) {                  
            ans += "(";                           //只要有一个孩子加上(
        }
        ans += serialize(root->left);              // + 左孩子
        if (root->right) ans += ",";               //存在右孩子 + ,
        ans += serialize(root->right);
        if (root->left || root->right) {
            ans +=")";
        }
        return ans;
    }
    int toi(const string& s, int& i) {
        int val = 0;
        bool flag = 0;          //标记负数
        if (s[i] == '-') {
            flag = 1;
            i += 1;             //跳过负号
        }
        for (; s[i] >= '0' && s[i] <= '9'; ++i) {
            val = val * 10 + (s[i] - '0');
        }
        if (flag) val *= -1;
        return val;
    }
    // Decodes your encoded data to tree.
    TreeNode* deserialize(string data) {
        //广义表转二叉树
        TreeNode* root = NULL, *pTemp = NULL;     //保存 根部 + 临时节点
        stack<TreeNode*> st;
        bool flag = 0; //标记是否存在右孩子
        for (int i = 0; i < data.size(); ++i) {
            switch(data[i]) {
                case '(' : {
                    st.push(pTemp);// ( : 节点入栈 
                    flag = 0;      // 重置 flag
                } break;
                case ',' : {
                    flag = 1;//说明存在右孩子
                } break;
                case ')' : {
                    root = st.top();//记录可能的根部
                    st.pop();       //) pop节点
                } break;
                default : {         //说明是一个实际节点
                    int val = toi(data, i); //提取数据
                    pTemp = new TreeNode(val);
                    if (!st.empty() && flag == 0) {
                        st.top()->left = pTemp; //栈顶节点的左孩子
                    } else if (!st.empty() && flag == 1) {
                        st.top()->right = pTemp;//栈顶节点的右孩子
                    }
                    i -= 1; //(需要体会) i -= 1(因为在 toi中 i走到哪里去了?)
                } break;
            }
        }
        if (root == NULL && pTemp) root = pTemp;    //仅有一个孩子
        return root;
    }
};

• 解决上述题目 首先需要运用序列化 利用 stringstream 将 所有的 int数据转换为 string 并且实现字符串的广义表形式表示
• 解码 就是广义表转二叉树的过程, 如下博客可以解决这个问题:https://blog.csdn.net/weixin_53695360/article/details/122895869

六. 总结本章

• 首先我们从为何需要缓冲区 入手解析 C  和  C++ 这些对系统调用进一步封装实现的  更高层的IO方法的好处  (减少系统调用次数)  提高效率      便利写出可移植性更好的代码
• 然后解析 C 语言 IO  和 C++  IO 的 基本 函数 和 C++流式IO的引入, C++流式IO  核心关键在于operator << 和 operator >> 运算符的重载实现.  以及 C 语言 利用  %[^\n]%*c 实现输入字符串仅仅以回车结束,  getline(cin, s); 实现 C++的字符串输入仅回车结束
• C语言常见的文件IO    文本  + 二进制   +   格式化  + 定位  
• C++ 常见的文件IO      文本   +   二进制    + 流式(代替格式化) + 定位
• sscanf + sprintf 的字符串序列化 +  反序列化 实现    +  整形转字符串   +   字符串拼接   转换为    C++中的   利用 stringstream实现的  序列化和反序列化

上述仅个人的学习C和 C++的一个笔记小结, 很多是个人看法和用法, 如有不足或者错误之处欢迎大家改正, 祝看本文的人一切顺利，共同进步   (内容简单, 但书写不易, 如果觉得有帮助, 希望点赞支持, 三连缘分)