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專欄C++學習筆記

《C++ Primer》學習筆記/習題答案 總目錄

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• 《C++ Primer》習題參考答案：第8章 - 標準 IO 庫

?? Cpp-Prime5 + Cpp-Primer-Plus6 原始碼和課後題

標準 IO 庫

部分IO庫設施：

• istream：輸入流型別，提供輸入操作。
• ostream：輸出流型別，提供輸出操作。
• cin：istream 物件，從標準輸入讀取資料。
• cout：ostream 物件，向標準輸出寫入資料。
• cerr：ostream 物件，向標準錯誤寫入資料。
• >> 運算子：從 istream 物件讀取輸入資料。
• << 運算子：向 ostream 物件寫入輸出資料。
• getline 函式：從 istream 物件讀取一行資料，寫入 string 物件。

1、IO類

標頭檔案 iostream 定義了用於讀寫流的基本型別，fstream 定義了讀寫命名檔案的型別，sstream 定義了讀寫記憶體中 string 物件的型別。

寬字元版本的IO型別和函式的名字以 w 開始，如 wcin、wcout 和 wcerr 分別對應 cin、cout 和cerr。它們與其對應的普通 char 版本都定義在同一個標頭檔案中，如標頭檔案 fstream 定義了 ifstream 和 wifstream 型別。

通常可以將一個派生類（繼承類）物件當作其基類（所繼承的類）物件來使用，這是通過 繼承機制（inheritance） 實現的。

1）IO象無拷貝或賦值

不能拷貝或對IO物件賦值。

ofstream out1, out2;
out1 = out2;    			// 錯誤：不能對流物件賦值
ofstream print(ofstream);   // 錯誤：不能初始化ofstream引數
out2 = print(out2);     	// 錯誤：不能拷貝流物件

由於IO物件不能拷貝，因此不能將函式形參或返回型別定義為流型別。進行IO操作的函式通常以引用方式傳遞和返回流。讀寫一個IO物件會改變其狀態，因此傳遞和返回的引用不能是 const 的。

2）條件狀態

IO操作一個與生俱來的問題是可能發生錯誤。一些錯誤是可恢復的，而其他錯誤則發生在系統深處，已經超出了應用程式可以修正的範圍。

IO庫條件狀態：

while (cin >> word)
    // ok: 讀操作成功....

badbit 表示系統級錯誤，如不可恢復的讀寫錯誤。通常情況下，一旦 badbit 被置位，流就無法繼續使用了。在發生可恢復錯誤後，failbit 會被置位，如期望讀取數值卻讀出一個字元。如果到達檔案結束位置，eofbit 和 failbit 都會被置位。如果流未發生錯誤，則 goodbit 的值為0。如果 badbit、failbit 和 eofbit 任何一個被置位，檢測流狀態的條件都會失敗。

good 函式在所有錯誤均未置位時返回 true。而 bad、fail 和 eof 函式在對應錯誤位被置位時返回 true。此外，在 badbit 被置位時，fail 函式也會返回 true。因此應該使用 good 或 fail 函式確定流的總體狀態，eof 和 bad 只能檢測特定錯誤。

流物件的 rdstate 成員返回一個 iostate 值，表示流的當前狀態。setstate 成員用於將指定條件置位（疊加原始流狀態）。clear 成員的無參版本清除所有錯誤標誌；含參版本接受一個 iostate 值，用於設定流的新狀態（覆蓋原始流狀態）。

// 記住cin的當前狀態
auto old_state = cin.rdstate();     // 記住cin的當前狀態
cin.clear();    			// 使cin有效
process_input(cin);     	// 使用cin
cin.setstate(old_state);    // 將cin置為原有狀態

3）管理輸出緩衝

每個輸出流都管理一個緩衝區，用於儲存程式讀寫的資料。

導致緩衝重新整理（即資料真正寫入輸出裝置或檔案）的原因有很多：

• 程式正常結束。
• 緩衝區已滿。
• 使用操縱符（如 endl）顯式重新整理緩衝區。
• 在每個輸出操作之後，可以用 unitbuf 操縱符設定流的內部狀態，從而清空緩衝區。預設情況下，對 cerr 是設定 unitbuf 的，因此寫到 cerr 的內容都是立即重新整理的。
• 一個輸出流可以被關聯到另一個流。這種情況下，當讀寫被關聯的流時，關聯到的流的緩衝區會被重新整理。預設情況下，cin 和 cerr 都關聯到 cout，因此，讀 cin 或寫 cerr 都會重新整理 cout 的緩衝區。

flush 操縱符重新整理緩衝區，但不輸出任何額外字元。ends 向緩衝區插入一個空字元，然後重新整理緩衝區。

cout << "hi!" << endl;   // 輸出hi和一個換行，然後重新整理緩衝區
cout << "hi!" << flush;  // 輸出hi，然後重新整理緩衝區，不附加任何額外字元
cout << "hi!" << ends;   // 輸出hi和一個空字元，然後重新整理緩衝區

如果想在每次輸出操作後都重新整理緩衝區，可以使用 unitbuf 操縱符。它令流在接下來的每次寫操作後都進行一次 flush 操作。而 nounitbuf 操縱符則使流恢復使用正常的緩衝區重新整理機制。

cout << unitbuf;    // 所有輸出操作後都會立即重新整理緩衝區
// 任何輸出都立即重新整理，無緩衝
cout << nounitbuf;  // 回到正常的緩衝方式

如果程式異常終止，輸出緩衝區是不會被重新整理的。當一個程式崩潰後， 它所輸出的資料很可能停留在輸出緩衝區中等待列印。
 
當除錯一個已經崩潰的程式時，需要確認那些你認為已經輸出的資料確實已經重新整理了。否則， 可能將大量時間浪費在追蹤程式碼為什麼沒有執行上，而實際上程式碼已經執行了，只是程式崩潰後緩衝區沒有被重新整理，輸出資料被掛起沒有列印而已。

當一個輸入流被關聯到一個輸出流時，任何試圖從輸入流讀取資料的操作都會先重新整理關聯的輸出流。標準庫將cout和cin關聯在一起，因此下面的語句會導致cout的緩衝區被重新整理：

cin >> ival;

互動式系統通常應該關聯輸入流和輸出流。這意味著包括使用者提示資訊在內的所有輸出，都會在讀操作之前被列印出來。

使用 tie 函式可以關聯兩個流。它有兩個過載版本：無參版本返回指向輸出流的指標。如果本物件已關聯到一個輸出流，則返回的就是指向這個流的指標，否則返回空指標。tie 的第二個版本接受一個指向 ostream 的指標，將本物件關聯到此 ostream。

cin.tie(&cout);     // 僅僅是用來展示：標準庫將cin和cout關聯在一起
// old tie指向當前關聯到cin的流（如果有的話）
ostream *old_tie = cin.tie(nullptr); // cin不再與其他流關聯
// 將cin與cerr關聯；這不是一個好主意，因為cin應該關聯到cout
cin.tie(&cerr);     // 讀取cin會重新整理 cerr而不是cout
cin.tie(old_tie);   // 重建cin和cout間的正常關聯

每個流同時最多關聯一個流，但多個流可以同時關聯同一個 ostream。向 tie 傳遞空指標可以解開流的關聯。

2、檔案輸入輸出

標頭檔案 fstream 定義了三個型別來支援檔案IO：ifstream 從給定檔案讀取資料，ofstream 向指定檔案寫入資料，fstream 可以同時讀寫指定檔案。

1）使用檔案流物件

每個檔案流型別都定義了open函式，它完成一些系統操作，定位指定檔案，並視情況開啟為讀或寫模式。

建立檔案流物件時，如果提供了檔名（可選），open 會被自動呼叫。

ifstream in(ifile);   	// 構造一個ifstream並開啟給定檔案
ofstream out;   		// 輸出檔案流未關聯到任何檔案

在C++11中，檔案流物件的檔名可以是 string 物件或C風格字元陣列。舊版本的標準庫只支援C風格字元陣列。

在要求使用基類物件的地方，可以用繼承型別的物件代替。因此一個接受 iostream 型別引用或指標引數的函式，可以用對應的 fstream 型別來呼叫。

可以先定義空檔案流物件，再呼叫 open 函式將其與指定檔案關聯。如果 open 呼叫失敗，failbit 會被置位。

一旦一個檔案流已經開啟，它就保持與對應檔案的關聯。對一個已經開啟的檔案流呼叫 open 會失敗，並導致 failbit 被置位。隨後試圖使用檔案流的操作都會失敗。如果想將檔案流關聯到另一個檔案，必須先呼叫 close 關閉當前檔案，再呼叫 clear 重置流的條件狀態（close 不會重置流的條件狀態）。

當 fstream 物件被銷燬時，close 會自動被呼叫。

2）檔案模式

每個流都有一個關聯的檔案模式，用來指出如何使用檔案。

指定檔案模式有如下限制：

• 只能對 ofstream 或 fstream 物件設定 out 模式。
• 只能對 ifstream 或 fstream 物件設定 in 模式。
• 只有當 out 被設定時才能設定 trunc 模式。
• 只要 trunc 沒被設定，就能設定 app 模式。在 app 模式下，即使沒有設定 out 模式，檔案也是以輸出方式開啟。
• 預設情況下，即使沒有設定 trunc，以 out 模式開啟的檔案也會被截斷。如果想保留以 out 模式開啟的檔案內容，就必須同時設定 app 模式，這會將資料追加寫到檔案末尾；或者同時設定 in 模式，即同時進行讀寫操作。
• ate 和 binary 模式可用於任何型別的檔案流物件，並可以和其他任何模式組合使用。
• 與 ifstream 物件關聯的檔案預設以 in 模式開啟，與 ofstream 物件關聯的檔案預設以 out 模式開啟，與 fstream 物件關聯的檔案預設以 in 和 out 模式開啟。

每個檔案流型別都定義了一個預設的檔案模式，當我們未指定檔案模式時，就使用此預設模式。與 ifstream 關聯的檔案預設以 in 模式開啟；與 ofstream 關聯的檔案預設以 out 模式開啟；與 fstream 關聯的檔案預設以 in 和 out 模式開啟。

預設情況下，開啟 ofstream 物件時，檔案內容會被丟棄，阻止一個 ofstream 清空給定檔案內容的方法是同時指定 app 模式：

流物件每次開啟檔案時都可以改變其檔案模式。

ofstream out;   			// 未指定檔案開啟模式
out.open("scratchpad");    	// 模式隱含設定為輸出和截斷
out.close();    			// 關閉out，以便我們將其用於其他檔案
out.open("precious", ofstream::app);   // 模式為out和app
out.close();

保留被 ofstream 開啟的檔案中已有資料的唯一方法是顯式指定 app 或 in 模式。

3、string流

標頭檔案 sstream 定義了三個型別來支援記憶體IO：istringstream 從 string 讀取資料，ostringstream 向 string 寫入資料，stringstream 可以同時讀寫 string 的資料。

1）使用istringstream

當某些工作是對整行文字進行處理， 而其他一些工作是處理行內的單個單詞時，通常可以使用 istringstream。

// 成員預設為公有
struct PersonInfo
{
    string name;
    vector<string> phones;
};

string line, word;   // 分別儲存來自輸入的一行和單詞
vector<PersonInfo> people;    // 儲存來自輸入的所有記錄
// 逐行從輸入讀取資料，直至cin遇到檔案尾（或其他錯誤）
while (getline(cin, line))
{
    PersonInfo info;    			// 建立一個儲存此記錄資料的物件
    istringstream record(line);    	// 將記錄繫結到剛讀入的行
    record >> info.name;    		// 讀取名字
    while (record >> word)  		// 讀取電話號碼
        info.phones.push_back(word);   // 保持它們
    people.push_back(info);    		// 將此記錄追加到people末尾
}

2）使用ostringstream

當逐步構造輸出， 希望最後一起列印時， ostringstream 是很有用的。

for (const auto &entry : people)
{ 
	// 對people中每一項
    ostringstream formatted, badNums;   	// 每個迴圈步建立的物件
    for (const auto &nums : entry.phones)
    { 
    	// 對每個數
        if (!valid(nums))
        {
            badNums << " " << nums;  		// 將數的字串形式存入badNums
        }
        else
            // 將格式化的字串"寫入"
            formatted << " " << format(nums);
    }
    if (badNums.str().empty())   			// 沒有錯誤的數
        os << entry.name << " "  			// 列印名字
            << formatted.str() << endl;   	// 和格式化的數
    else  // 否則，列印名字和錯誤的數
        cerr << "input error: " << entry.name
            << " invalid number(s) " << badNums.str() << endl;
}

參考文章

• 《C++ Primer》