C++:54---标准库特殊设施之（IO库再探：格式控制、未格式化IO、随机访问）

• 前一篇文章中我们接受了IO库的基本知识：​
• 本文我们将介绍三个更特殊的IO库特性：格式控制、未格式化IO、随机访问

一、格式化输入与输出

• 除了条件状态之外（，每个iostream对象还维护一个格式状态来控制IO如何格式化的细节。格式状态控制格式化的某些方面，如整型值是几进制、浮点值的精度、一个输出元素的宽度等
• 操纵符：

• 标准库定义了一组操纵符来改变流的格式状态
• 一个操纵符是一个函数或是一个对象，会影响流的状态，并能用作输入和输出运算符的运算对象

• 很多操纵符改变格式状态：

• 操纵符用于两大类的输出控制：控制数值的输出形式以及控制补白的数量和位置
• 大多数改变格式状态的操纵符都是设置/复原成对的：一个操纵符用来将格式状态设置为一个新的值，而另一个用来将其复原

控制布尔值的格式化（boolalpha、noboolalpha）

• boolalpha操纵符：

• 默认的情况下，bool类型的值会打印0或1。如果使用boolalpha操纵符，那么bool类型的值会被打印为true或false
• 一旦设置了boolalpha，那么后续的流都会保持这个状态

• noboolalpha操纵符：用来取消boolalpha操纵符所设置的状态
• 例如，下面boolalpha操纵符用来设置bool类型的值打印为true或false：

std::cout << "default bool values: " << true << " " << false << std::endl;

std::cout << "alpha bool values: " << boolalpha << true << " " << false << std::endl;

• 例如，下面boolalpha与noboolalpha配合使用，在单词打印中使用true或false

bool get_status()
{
    return 0;
}

int main()
{
    bool bool_value = get_status();
    std::cout << boolalpha << bool_value << noboolalpha << std::endl;
    
    return 0;
}

指定整型值的进制（hex、oct、dec）

• 默认情况下，整型值的输入输出使用十进制（dec操纵符）
• 可使用的操纵符如下：

• dex操纵符：将整型值改为十六进制打印
• oct操纵符：将整型值改为八进制打印
• dec操纵符：将整型值改为十进制打印（默认）

• 这些操纵符也会改变格式状态，后续的流都会保持这个状态

• 例如：

std::cout << "default: " << 20 << " " << 1024 << std::endl;
std::cout << "octal: " << oct << 20 << " " << 1024 << std::endl;
std::cout << "hex: " << hex << 20 << " " << 1024 << std::endl;
std::cout << "decimal: " << dec << 20 << " " << 1024 << std::endl;

在输出中指出进制（showbase、noshowbase、uppercase、nouppercase）

• 默认情况下，我们打印的数值不论是什么进制，都是为数字形式，不会有任何前导符
• showbase操纵符：

• 会在输出结果中显示进制
• 规则如下：

• 前导0x表示十六进制
• 前导0表示八进制
• 无前导符字符串表示十进制

• noshowbase操纵符：因为showbase会持久改变流的状态，因此noshowbase是用来恢复流的状态
• uppercase操纵符：在showbase的设置下，十六进制的0x中的x为小写的x，uppercase会将x改为大写的X；并且十六进制数字a-f以大写形式输出
• nouppercase操纵符：因为uppercase会持久改变流的状态，因此nouppercase是用来恢复流的状态
• 例如：

std::cout << showbase;

std::cout << "default: " << 20 << " " << 1024 << std::endl;
std::cout << "in octal: " << oct << 20 << " " << 1024 << std::endl;
std::cout << "in hex: " << hex << 20 << " " << 1024 << std::endl;
std::cout << "in decimal: " << dec << 20 << " " << 1024 << std::endl;

std::cout << noshowbase;

• 例如：

std::cout << showbase << uppercase << hex;

std::cout << "printed in hexadecimal: " << 20 << " " << 1024 << std::endl;

std::cout << noshowbase << nouppercase << dec;

控制浮点数格式

• 我们可以控制浮点数输出三种格式：

• ①以多高精度（多少个数字）打印浮点值
• ②数值是因为十六进制、定点十进制、还是科学记数法形式
• ③对于没有小数部分的浮点值是否打印小数点

• 默认情况下：

• 浮点值按六位数字精度打印
• 如果浮点值没有小数部分，则不打印小数点
• 根据浮点数的值选择打印成定点十进制或科学记数法形式

①指定打印精度（precision、setprecision）

• 默认情况下，精度会控制打印的数字的总数。当打印时，浮点值会按当前精度进行四舍五入的操作。例如，如果当前精度为4，则3.14159会打印为3.142
• precision函数：为IO对象的成员函数。是重载的：

• 一个版本接受一个int值，将精度设置为此值，并返回旧精度值
• 一个版本无参数，返回当前精度制

• serprecision操纵符：接受一个参数，用来设置精度

• 例如：

#include <iostream>
#include <iomanip>   //setprecision()
using namespace std;

int main()
{
    std::cout << "Precision: " << std::cout.precision() << ",Value: " << sqrt(2.0) << std::endl;
    
    std::cout.precision(12);
    std::cout << "Precision: " << std::cout.precision() << ",Value: " << sqrt(2.0) << std::endl;

    std::cout << setprecision(3);
    std::cout << "Precision: " << std::cout.precision() << ",Value: " << sqrt(2.0) << std::endl;

    return 0;
}

②指定浮点数记数法（scientific、fixed、hexfloat、defaultfloat）

• 相关操纵符如下：

• scientific操纵符：改变流的状态来使用科学记数法
• fixed操纵符：改变流的状态来使用定点十进制
• hexfloat操纵符：强制浮点数使用十六进制
• defaultfloat操纵符：恢复到默认状态——根据要打印的值选择记数法

• 这些操纵符会改变流的精度的默认函数含义：

• 在执行scientfic、fixed、hexfloat之后，精度值控制的是小数点后面的数字位数
• 而默认情况下精度值指定的是数字的总位数——即包括小数点前面的，也包括小数点后面的

• 使用fixed和scientific令我们可以按列打印数值，因为小数点距小数部分的距离是固定的
• 默认情况下，十六进制数字和科学记数法中的e都打印成小写形式。我们可以使用uppercase操纵符（见上）来打印这些字母的大写形式
• 例如：

std::cout << "default format: " << 100 * sqrt(2.0) << '\n' ;

std::cout << "scientific: " << scientific << 100 * sqrt(2.0) << '\n';
std::cout << "fixed decimal: " << fixed << 100 * sqrt(2.0) << '\n';
std::cout << "hexadecimal: " << hexfloat << 100 * sqrt(2.0) << '\n';
std::cout << "use defaults: " << defaultfloat << 100 * sqrt(2.0) << '\n';

③打印小数点（showpoint、noshowpoint）

• 默认情况下，当一个浮点值的小数部分为0时，不显示小数点
• showpoint操纵符：强制打印小数点
• noshowpoint操纵符：恢复默认行为
• 例如：

std::cout << 10.0 << std::endl;
std::cout << showpoint << 10.0 << noshowpoint << std::endl;

输出补白（setw、left、right、internal、setfil）

• 当按列打印数据时，我们常常需要非常精细地控制数据格式
• 标准库提供了下面的操纵符来完成所需的控制：

• setw操纵符：指定下一个数字或字符串值的最小空间
• left操纵符：表示左对齐输出
• right操纵符：表示右对齐输出，右对齐是默认格式
• internal操纵符：控制负数的符号的位置，它左对齐符号，右对齐值，用空格填满所有中间空间
• setfil操纵符：允许指定一个字符代替默认的空格来补白输出

• 例如：

int i = -16;
double d = 3.14159;

//补白第一列，使用输出中最小12个位置
std::cout << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n';
std::cout << "d: " << setw(12) << d << "next col" << "\n\n";

//补白第一列，左对齐所有列
std::cout << left << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n';
std::cout << "d: " << setw(12) << d << "next col" << "\n\n";
std::cout << right; //恢复正常对齐

//补白第一列，右对齐所有列
std::cout << right << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n';
std::cout << "d: " << setw(12) << d << "next col" << "\n\n";
  
//补白第一列，但补在域的内部
std::cout << internal << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n';
std::cout << "d: " << setw(12) << d << "next col" << "\n\n";

//补白第一列，用#作为补白字符
std::cout << setfill('#') << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n';
std::cout << "d: " << setw(12) << d << "next col" << "\n\n";
std::cout << setfill(' '); //恢复正常的补白字符

控制输入格式（skipws、noskipws）

• 默认情况下，输入运算符会忽略空白符（空格符、制表符、换行符、换纸符、回车符）
• skipws操纵符：输入运算符忽略空白符（默认采用）
• noskipws操纵符：令输入运算符读取空白符
• 例如：

//输入a b    c，那么while会循环3次，读取abc，跳过中间的空白字符

char ch;
while (std::cin >> ch)
    std::cout << ch;

//输入a b    c，那么while会循环8次，读取abc和中间的空白符

char ch;
std::cin >> noskipws;
while (std::cin >> ch)
    std::cout << ch;
std::cin >> skipws;

二、未格式化的输入/输出操作

• 上面介绍的都是格式化IO操作。标准库还提供了一些底层操作，支持未格式化IO操作，这些操作允许我们将一个流当作一个无解释的字节序列来处理

单字节操作

• 这几个操作每次一个字节地处理流
• 例如，我们使用get和put来读取和写入一个字符，下面的代码会保留输入中的空白符（与设置noskipws操纵符功能一样）

char ch;
while (std::cin.get(ch))
    std::cout.put(ch);

将字符放回输入流（peek、unget、putback）

• 有时我们需要读取一个字符才能知道还未准备处理它。在这种情况下我们希望将字符放回流中
• 标准库提供了三种方法退回字符，差别如下：

• peek：返回输入流中下一个字符的副本，但不会将它从流中删除，peek返回的值仍然保留在流中
• unget：使得输入流向后移动，从而最后读取的值又回到流中。即使我们不知道最后从流中读取什么值，仍然可以调用unget
• putback：更特殊版本的unget；它退回从流中读取的最后一个值，但它接受一个参数，此参数必须与最后读取的值相同

• 一般情况下，在读取下一个值之前，标准库保证我们可以退回最多一个值。即，标准库不保证在中间不进行读取操作的情况下能连续调用putback或unget

从输入操作返回的int值（peek、get()）

• 函数peek和无参的get版本都以int类型从输入流返回一个字符。这有些令人吃惊，可能这些函数返回一个char看起来会自然一些
• 这些函数返回int的原因：可以返回文件尾标记。我们使用char范围中的每个值来表示一个真实字符，因此，取值范围中没有额外的值可以用来表示文件尾
• 返回int的函数将它们要返回的字符先转换为unsigned char，然后再将结果提升到int：

• 因此，即使字符集中有字符映射到负值，这些操作返回的int也是正值。而标准库使用负值表示文件尾，这样就可以保证与任何合法字符的值都不同
• 头文件cstdio定义了一个名为ROF的const，我们可以用它检测从get返回的值是否到达文件尾。例如：

char ch;
//循环读取，到达文件尾之后结束循环
while ((ch = std::cin.get()) != EOF)
    std::cout.put(ch);

多字节操作

• 一些未格式化IO一次处理大块数据。如果速度是要考虑的问题，那么这些操作很重要，但类似其他底层操作，这些操作也很容易出错

• get()和getline()函数接受相同的参数，但是它们的行为却不相同。在两个函数中，sink参数都是一个char数组，用来保存数据，两个函数都一直读取数据，直至下面的条件之一发生：

• 已读取size-1个字符
• 遇到了文件尾
• 遇到了分隔符

• 两个函数的差别是处理分隔符的方式：

• get将分隔符留作istream中的下一个字符
• getline则读取并丢弃分隔符
• 无论哪个函数都不会将分隔符保存在sink中

确定读取了多少个字符（gcount）

• 某些操作从输入读取未知个数的字符。我们可以调用gcount来确定最后一个未格式化输入操作读取了多少个字符
• 应该在任何后续未格式化输入操作之前调用gcount。特别是，将字符退回流的单字符操作也属于未格式化输入操作
• 如果在调用gcount之前调用peek、unget或putback，则gcount的返回值为0

三、流随机访问

• 各种流类型通常都支持对流中数据的随机访问。标准库提供了一对函数，来定位（seek）到流中给定的位置，以及高度（tell）我们当前位置

• 虽然标准库为所有流类型都定义了seek和tell函数，但是它们是否会做有意义的事情依赖于流绑定到哪个设备（控制台、文件还是string）。在大多数系统中，绑定到cin、cout、cerr、clog的流不支持随机访问，在运行时对这些流调用seek和tell函数会出错，将流置于一个无效状态
• 因此，下面讨论的内容只适用于fstream和sstream类型

seek和tell函数

• 为了支持随机访问，IO类型维护一个标记来确定下一个读写操作要在哪里进行
• seek：将标记定位到给定位置
• tell：返回标记的当前位置
• 每个函数有两个版本：一对用于输入流（函数名以g结尾），一对用于输出流（函数名以p结尾）
• 因此：

• 因为ifstream和istringstream继承于istream，所以ifstream和istringstream只能使用g版本
• 因为ofstream和ostringstream继承于ostream，所以ofstream和ostringstream只能使用p版本
• 因为fstream和stirngstream继承于iostream，所以fstream和stirngstream既可以使用g版本也可以使用p版本

只有一个标记

• 标准库区分seek和tell函数的“放置”和“获得”这一特性可能会导致误解。即使标准库进行了区分，但它在一个流中值维护单一的标记——并不存在独立的读标记和写标记：

• 当我们处理一个只读或只写的流时，两种版本的区别不是很明显。因为它们只能单独使用p和g版本的函数
• fstream和stringstream类型既可以写也可以读，但是，在这两种类型中，标记也是唯一的

重定位标记（seek）

• seek函数有两个版本：

• 一个版本移动到文件中的“绝对”地址
• 另一个版本移动到一个给定位置的指定偏移量

• new_position参数和offset参数的数据类型分别为pos_type和off_type，这两个数据类型都是机器相关的，分别定义在头文件istream和ostream中

• pos_type：表示一个文件位置
• off_type：表示距当前位置的一个偏移量（既可以是正也可以是负值）

访问标记

• 函数tellg和tellp返回一个pos_type值，表示流的当前位置
• tell函数通常用来记住一个位置，以便稍后再定位回来：

std::ostringstream writeStr;
std::ostringstream::pos_type mark = writeStr.tellp();//记住当前写位置

//...一些列操作

//操作完成之后回到最初的位置
if (cancelEntry)
    writeStr.seekp(mark);

读写同一文件

• 下面是一个演示案例，我们读取一个文件，然后在文件末尾加上新的一行，这一行包含每行的相对起始位置
• 例如（其中包含换行符）：

• 下面是代码，程序逐行读取文件，对每一行，我们将递增技术器，将刚刚读取的一行长度加到计数器上：

#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <vector>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main()
{
    //打开一个文件
    fstream inOut("copyOut", fstream::ate | fstream::in | fstream::out);
    if (!inOut) {
        std::cerr << "Unable to open file!" << std::endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }

    auto end_mark = inOut.tellg(); //打开文件之后，光标位于文件末尾，此处记住文件尾位置
    inOut.seekg(0, fstream::beg);  //将光标的移动到文件最开始
    size_t cnt = 0;                //字节数累加器
    string line;                   //保存一行数据

    while ((inOut) && (inOut.tellg() != end_mark) && getline(inOut, line))
    {
        cnt += line.size() + 1;       //累加器数值，1代表换行符
        auto mark = inOut.tellg();    //重新记录当前光标位置
        inOut.seekp(0, fstream::end); //移动到文件尾部
        inOut << cnt;                 //将数值写入
        if (mark != end_mark)         //如果不是最后一行，打印一个分隔符
            inOut << " ";
        inOut.seekg(mark);            //恢复读位置
    }

    //定位到文件尾部，写入一个换行符
    inOut.seekp(0, fstream::end);
    inOut << "\n";
    return 0;
}

• 运行程序之前

• 运行程序之后