第十四章输入输出

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关键考点总览

文件IO的三步骤：定义文件流对象 → 打开文件 → 访问文件 → 关闭文件
文件流类型：ifstream（读）、ofstream（写）、fstream（读写）
文件打开方式与失败检测（if (!file)）
文件顺序访问：>>/<< 运算符、eof() 判断文件结束
文件定位指针：seekg/seekp、tellg/tellp
二进制读写：read/write 与 reinterpret_cast 类型转换
格式化输出：进制转换（hex/oct/dec）、精度（setprecision）、域宽（setw）
控制台输入：cin.get() 与 >> 的区别（是否跳过空白字符）
控制台输出：字符指针输出地址需强制转换为 void*

详细知识点

14.1 基本概念

定义/语法

输入输出定义：程序与外部设备交换信息的过程，信息以数据流的形式存在。 [来源：第14章 p5，输入输出]
C++ IO特点：输入输出不是语言定义的部分，而是由标准库提供。 [来源：第14章 p5，输入输出]
三种IO方式：
1. 基于控制台的I/O（键盘输入、命令行显示）
2. 基于文件的I/O（本章重点）
3. 基于字符串的I/O [来源：第14章 p5，Notes]

规则/规范

IO库对应关系：

库用途
<iostream> 控制台IO
<fstream> 文件IO
<sstream> 字符串IO
[来源：第14章 p6，Notes]
IO类继承关系：ios → istream/ostream → iostream；各自派生出文件流和字符串流。 [来源：第14章 p7，Notes]
高级IO vs 低级IO：
- 低级IO：直接操作数据流中的字节（OS控制）
- 高级IO：操作数据单元（整数、浮点数、字符串等） [来源：第14章 p8]
格式化IO vs 无格式IO：
- 无格式IO：数据视为二进制序列，传输速度快
- 格式化IO：按类型处理数据，需额外处理时间，不适合大容量数据传输 [来源：第14章 p8]

库	用途
`<iostream>`	控制台IO
`<fstream>`	文件IO
`<sstream>`	字符串IO
[来源：第14章 p6，Notes]

执行逻辑

输入输出缓冲机制：
1. 每个IO对象对应一个外围设备，都有缓存区
2. 程序与缓存之间交互
3. 缓存与外设之间交互（操作系统完成） [来源：第14章 p11]
输出缓冲区刷新的四种情况：
1. 程序正常结束（main返回时清空所有输出缓冲区）
2. 缓冲区已满
3. 使用操纵符（如endl）显式刷新
4. 关联的输入输出流切换（cin操作会刷新cout缓冲区） [来源：第14章 p12]

14.2 控制台IO

定义/语法

四个标准IO对象（<iostream>）：
对象连接设备
cin 标准输入（键盘）
cout 标准输出（显示器）
cerr 标准错误输出
clog 标准日志输出
[来源：第14章 p14]

对象	连接设备
`cin`	标准输入（键盘）
`cout`	标准输出（显示器）
`cerr`	标准错误输出
`clog`	标准日志输出
[来源：第14章 p14]

输入流操作

规则/规范

流读取运算符 >>：会跳过输入流中的空格、tab、换行符等空白字符。 [来源：第14章 p15]
EOF标识：
- Windows系统：Ctrl+Z
- 类Unix系统：Ctrl+D [来源：第14章 p15]
cin 作为循环条件：while(cin >> x){} 每轮循环读入一个数据，遇EOF停止。 [来源：第14章 p15，Notes]

代码模式

get() 函数的三种形式：

// 1. 无参数：读入一个字符（包括空白字符和EOF），返回读入的字符
char a = cin.get();

// 2. 带一个字符引用参数：将下一字符存入参数，返回流对象引用
cin.get(ch);

// 3. 带三个参数：buffer地址、buffer大小、结束字符（默认'\n'）
cin.get(ch, 80, '\n');  // 读取最多79个字符或遇'\n'停止

[来源：第14章 p16-17]

read() 无格式输入：

char buffer[80];
cin.read(buffer, 10);  // 读入10个字符到buffer
cout << cin.gcount();  // 用gcount()统计实际读入字符个数

[来源：第14章 p18]

易错点与辨析

⚠️ get() vs >> 的区别：

get()：读取包括空白字符在内的所有字符
>>：跳过空白字符

char a, b, c;
// 输入 "1 2 3↙"
a = cin.get(); b = cin.get(); c = cin.get();  // a='1', b=' ', c='2'
cin >> a >> b >> c;                            // a='1', b='2', c='3'

[来源：第14章 p16，Notes]

⚠️ get vs getline 对结束字符的处理：
- get：结束字符保留在输入流缓冲区
- getline：结束字符从输入流中删除 [来源：第14章 p17]

输出流操作

规则/规范

<< 运算符特性：
- 二元左结合运算符
- 第一操作数为输出流对象，第二操作数为要输出的数据
- 返回第一操作数的引用（支持链式调用）
- 自动判别数据类型并转换为字符显示 [来源：第14章 p20]

字符指针输出规则：

默认输出指针指向的字符串内容
若要输出地址值，需强制转换为 void*

char *ptr = "abcdef";
cout << ptr;            // 输出：abcdef
cout << (void*)ptr;     // 输出：0046C04C（地址）

[来源：第14章 p20]

代码模式

put() 输出字符：

cout.put('A');              // 输出字符'A'
cout.put('A').put('\n');    // 连续调用
cout.put(65);               // 用ASCII码输出'A'

[来源：第14章 p21]

write() 无格式输出：

char buffer[] = "HAPPY BIRTHDAY";
cout.write(buffer, 10);   // 输出：HAPPY BIRT

[来源：第14章 p22]

格式化输入/输出

定义/语法

进制转换操纵符：

操纵符作用
hex 设为十六进制
oct 设为八进制
dec 设为十进制
setbase(n) 设为n进制（n=8/10/16）

注意：使用 setbase 需包含 <iomanip> 头文件。 [来源：第14章 p23]

操纵符	作用
`hex`	设为十六进制
`oct`	设为八进制
`dec`	设为十进制
`setbase(n)`	设为n进制（n=8/10/16）

精度设置：

cout.precision(5);      // 成员函数方式
cout << setprecision(5); // 操纵符方式（需<iomanip>）

设置后影响之后所有浮点数输出，直到下次设置。 [来源：第14章 p25]

域宽设置：
```
cout << setw(5) << x;   // x占5个字符宽度，不足用空格填充
```
注意：域宽设置仅对下一次输入/输出有效，之后恢复默认值。 [来源：第14章 p27]

规则/规范

进制设置的持久性：流的基数值只有被显式更改时才会变化，否则一直沿用。 [来源：第14章 p23]
精度超出时的处理：当数据位数超过设置精度时，自动改为科学计数法。 [来源：第14章 p25]
域宽不足时的处理：
- 输出：如果输出值宽度比域宽大，则忽略域宽，按实际值输出
- 输入：如果输入字符数大于域宽，只读入域宽指定的字符数 [来源：第14章 p27，Notes]

例题结论

【执行结果分析】 进制转换示例：

int n;
cin >> oct >> n;  // 输入八进制30
cout << hex << n; // 输出十六进制18
cout << dec << n; // 输出十进制24

输入八进制30 = 十进制24 = 十六进制18 [来源：第14章 p24，示例代码]

代码模式

自定义流操纵符：

ostream &操纵符名(ostream &os) {
    // 需要执行的操作
    return os;
}

// 示例：定义tab操纵符
ostream &tab(ostream &os) { return os << '\t'; }

// 使用
cout << a << tab << b << endl;

[来源：第14章 p29]

14.3 文件IO（重点）

定义/语法

文件概念：C++把每个文件看成一个有序的字节流（二进制序列），每个文件以**文件结束符(EOF)**结束。 [来源：第14章 p31]
文件流类型（<fstream>）：

类型用途
ifstream 输入文件流（只读）
ofstream 输出文件流（只写）
fstream 输入输出文件流（读写）
[来源：第14章 p32]
文件流对象存在的意义：
1. 抽象硬件差异：统一接口操作不同存储设备
2. 缓冲机制：提高读写效率
3. 安全控制：通过打开模式限制操作权限 [来源：第14章 p32]

类型	用途
`ifstream`	输入文件流（只读）
`ofstream`	输出文件流（只写）
`fstream`	输入输出文件流（读写）
[来源：第14章 p32]

文件打开

代码模式

两种打开方式：

// 方式1：构造函数打开
ofstream outfile("file1.txt", fstream::out);

// 方式2：成员函数open打开
ifstream infile;
infile.open("file2.txt", fstream::in);

[来源：第14章 p33]

文件打开模式：

模式含义
ios::in 读方式打开
ios::out 写方式打开
ios::app 追加方式打开
ios::ate 打开后定位到文件尾
ios::trunc 若文件存在则清空
ios::binary 二进制方式打开

注意：ate、trunc 不能单独使用，需与其他模式组合，如 ios::trunc | ios::out | ios::in [来源：第14章 p33，Notes]

模式	含义
`ios::in`	读方式打开
`ios::out`	写方式打开
`ios::app`	追加方式打开
`ios::ate`	打开后定位到文件尾
`ios::trunc`	若文件存在则清空
`ios::binary`	二进制方式打开

规则/规范

打开失败检测：如果文件打开失败，流对象会得到一个0值（false）。
```
if (!infile) {
    cout << "open file error\n";
    return 1;
}
```
[来源：第14章 p33-34]

文件顺序访问

代码模式

读写操作：使用 >> 和 << 运算符，与控制台IO相同。

ifstream in("file");
int i;
while (in >> i) cout << i << ' ';  // 方式1：检查读取操作

// 方式2：使用eof()
while (!in.eof()) {
    in >> i;
    cout << i << ' ';
}

[来源：第14章 p34]

规则/规范

文件结束检测：
- eof() 成员函数：遇到文件结束返回1，否则返回0
- 直接检查 >> 操作结果：成功返回true [来源：第14章 p34]

文件定位指针

定义/语法

文件定位指针：long类型数据，指出当前读写在文件中的位置。 [来源：第14章 p35]
指针初始位置：
- 输入方式打开：读指针指向文件第一个字节
- 输出方式打开：写指针指向文件第一个字节
- 追加方式打开：写指针指向文件尾 [来源：第14章 p35]

代码模式

获取指针位置：

ifstream对象.tellg();  // 获取读指针位置
ofstream对象.tellp();  // 获取写指针位置

[来源：第14章 p35]

设置指针位置：

// seekg用于ifstream，seekp用于ofstream
file.seekg(偏移量, 起始位置);
file.seekp(偏移量, 起始位置);

// 起始位置选项：
// ios::beg - 文件开头
// ios::cur - 当前位置
// ios::end - 文件结尾

// 示例
file.seekg(0);           // 移到文件开头
file.seekg(5, ios::cur); // 从当前位置向后移5字节

[来源：第14章 p35，Notes]

易错点与辨析

⚠️ fstream中读写指针是同一个：seekp 和 seekg 移动的是同一个指针。 [来源：第14章 p35，Notes]
⚠️ 指针到达EOF后无法重置：如果指针已经指到了文件结尾(EOF)，指针无法重置。 [来源：第14章 p35]

例题结论

【执行结果分析】 文件指针操作：

// 文件内容：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
fstream io_file("file");
io_file.seekp(10);      // 移动写指针到第10字节
io_file << 20;          // 在该位置写入20
io_file.seekg(0);       // 读指针回到开头
while (io_file >> i) cout << i << ' ';
// 输出：1 2 3 4 5 207 8 9 10
// 注意：20覆盖了6，与7连成207

[来源：第14章 p36]

二进制读写（记录操作）

定义/语法

用途：立即访问文件中指定的记录，要求记录长度固定。 [来源：第14章 p37]

代码模式

write写入：
```
outFile.write(reinterpret_cast<const char *>(&number), sizeof(number));
```
将number内容写入文件的sizeof(number)个字节空间，写完后指针后移。 [来源：第14章 p37]
read读出：
```
inFile.read(reinterpret_cast<char *>(&number), sizeof(number));
```
将文件中sizeof(number)个字节内容读入number，读完后指针后移。 [来源：第14章 p37]

规则/规范

reinterpret_cast<char*> 的必要性：文件只能存储二进制序列或字符序列，不能定义丰富数据类型。需要强制将内存中的二进制内容以字符形式读写。 [来源：第14章 p37，Notes]

定位到指定记录：

// 定位到第n条记录（记录从0开始编号）
file.seekg(n * sizeof(记录类型));

[来源：第14章 p48，borrowBook函数]

文件关闭

代码模式

outfile.close();
infile.close();

[来源：第14章 p38]

规则/规范

自动关闭：main函数执行结束时，会关闭所有打开的文件。
良好习惯：文件访问结束时，应显式关闭文件。 [来源：第14章 p38]

习题结论

【填空题答案】 读取文本文件中的字符串：

void FR(char* fname) {
    ifstream fin(fname);          // 定义并打开文件
    char a[20];
    int cnt = 0;
    if (!fin) {                   // 检查打开是否成功
        cout << "Can't open file";
        return;
    }
    while (fin >> a) {            // 循环读取字符串
        cout << a << endl;
        cnt++;                    // 计数
    }
    fin.close();                  // 关闭文件
    cout << "The number of strings is " << cnt << endl;
}

[来源：第14章 p39，习题答案（Notes）]

【填空题答案】 读取并输出账户信息：

fstream fin("clients.txt");                     // 打开文件
while (fin >> account >> name >> balance)       // 读取三个字段
    outputLine(account, name, balance);
fin.close();                                    // 关闭文件

[来源：第14章 p40，习题答案（Notes）]

14.4 字符串IO（了解）

定义/语法

sstream库：支持内存中的输入输出，将流与string对象捆绑。 [来源：第14章 p51]
三种字符串流类型（<sstream>）：

类型派生自功能
istringstream istream 读string
ostringstream ostream 写string
stringstream iostream 读写string
[来源：第14章 p51]

类型	派生自	功能
`istringstream`	`istream`	读string
`ostringstream`	`ostream`	写string
`stringstream`	`iostream`	读写string
[来源：第14章 p51]

代码模式

#include <sstream>
#include <string>

ostringstream os;           // 创建输出字符串流
for (int i = 0; i <= 20; ++i)
    os << i << ' ';         // 向字符串流写入
cout << os.str();           // 用str()获取字符串内容

istringstream is(os.str()); // 用字符串初始化输入字符串流
int i;
while (is >> i) cout << i << '\t';  // 从字符串流读取

[来源：第14章 p52]

14.5 图书馆系统实例（综合应用）

设计要点

文件记录设计：每个记录保存一本书的信息，按馆藏号顺序存放。 [来源：第14章 p42]
记录定位公式：file.seekg((bookNo - 1) * sizeof(book)) [来源：第14章 p48]

代码模式

系统初始化：

void initialize() {
    ofstream outfile("library.bin");  // 创建空文件
    book::resetTotal();                // 静态成员复位
    outfile.close();
}

[来源：第14章 p47]

添加记录（追加模式）：

void addBook() {
    ofstream outfile("library.bin", ofstream::app);  // 追加模式
    book::addTotal();
    // ... 创建book对象bp ...
    outfile.write(reinterpret_cast<const char *>(bp), sizeof(*bp));
    outfile.close();
}

[来源：第14章 p47]

修改记录（读写模式）：

void borrowBook() {
    fstream iofile("library.bin");
    book bk;
    // 定位到指定记录
    iofile.seekg((bookNo - 1) * sizeof(book));
    // 读取记录
    iofile.read(reinterpret_cast<char *>(&bk), sizeof(book));
    // 修改
    bk.borrow(readerNo);
    // 写回原位置
    iofile.seekp((bookNo - 1) * sizeof(book));
    iofile.write(reinterpret_cast<const char *>(&bk), sizeof(book));
    iofile.close();
}

[来源：第14章 p48]

遍历所有记录：

void displayBook() {
    ifstream infile("library.bin");
    book bk;
    infile.read(reinterpret_cast<char *>(&bk), sizeof(book));
    while (!infile.eof()) {
        bk.display();
        infile.read(reinterpret_cast<char *>(&bk), sizeof(book));
    }
    infile.close();
}

[来源：第14章 p49]

本章总结

利用iostream库进行格式化的输入输出
利用文件永久保存信息
实现文件的随机读写（以图书馆系统为例） [来源：第14章 p53，总结]

附录：码制（补充知识）

定义/语法

三种编码方式：原码、反码、补码
符号位：0表示正数，1表示负数 [来源：第14章 p54]
原码：符号位 + 数值的二进制表示
```
[62]原  = 0 0111110
[-62]原 = 1 0111110
```
[来源：第14章 p55]
反码：
- 正数：与原码相同
- 负数：绝对值的原码取反
```
[62]反  = 0 0111110
[-62]反 = 1 1000001
```
[来源：第14章 p56]
补码：
- 正数：与原码相同
- 负数：反码加1
```
[62]补  = 0 0111110
[-62]补 = 1 1000010
```
[来源：第14章 p57]

【整理自 PPT】计算机中负数用补码表示，可参考：https://blog.csdn.net/leonliu06/article/details/78685197 [来源：第14章 p57]

第十四章 输入输出

关键考点总览

详细知识点

14.1 基本概念

定义/语法

规则/规范

执行逻辑

14.2 控制台IO

定义/语法

输入流操作

规则/规范

代码模式

易错点与辨析

输出流操作

规则/规范

代码模式

格式化输入/输出

定义/语法

规则/规范

例题结论

代码模式

14.3 文件IO（重点）

定义/语法

文件打开

代码模式

规则/规范

文件顺序访问

代码模式

规则/规范

文件定位指针

定义/语法

代码模式

易错点与辨析

例题结论

二进制读写（记录操作）

定义/语法

代码模式

规则/规范

文件关闭

代码模式

规则/规范

习题结论

14.4 字符串IO（了解）

定义/语法

代码模式

14.5 图书馆系统实例（综合应用）

设计要点

代码模式

本章总结

附录：码制（补充知识）

定义/语法

第十四章输入输出