标准输入输出流

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标准输入输出流

C++ 标准输入输出流（I/O 流）通过 <iostream> 等头文件封装为面向对象的流对象，是程序与外部设备（键盘、终端、文件）交互的核心机制。相较于 C 语言，C++ 流对象兼具安全性与易用性，支持类型安全的输入输出、灵活的格式控制及动态内存管理。本文聚焦 C++ 标准 I/O 流的核心概念、常用接口及实践示例，帮助开发者快速掌握并正确使用 C++ 标准 I/O 功能。

标准输入流

C++ 标准输入以 std::cin 为核心（istream 类的实例），默认与 C 语言 stdin 同步（可混用 C 风格输入），采用 “行缓冲” 机制 —— 仅当输入换行符 \n 时，键盘输入的字符才会同步到 cin 的内存缓冲区。

核心概念

• 缓冲区与同步：cin 有独立内存缓冲区，默认通过 std::cin.sync_with_stdio(true) 与 stdin 同步；取消同步（设为 false）可提升输入效率，但禁止混用 C 风格输入（如 scanf）。

• 缓冲流程：键盘输入→硬件缓存→（遇 \n）→cin 内存缓冲区→输入方法读取。

• 空白字符处理：默认跳过开头空白字符（空格、Tab、\n），但可通过流控制符调整（如 noskipws 不跳过空白字符）。

常用输入方式

cin >>

格式化输入

• 核心用途：按变量类型（整数、浮点数、字符串）读取数据，支持链式调用。
• 关键特点：默认跳过开头空白字符，遇到空白字符停止读取，残留 \n 在缓冲区；类型安全（无需手动指定格式符）。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // cin >> 读取整数与字符串
    cout << "Please input two integer and a string(cin): ";
    int a, b;
    cin >> a >> b; // 输入示例：10 20 hello
    cout << "a = " << a << ", b = " << b << endl;

    // 读取字符串（不包含空格）
    cout << "Please input a string: ";
    char str[20];
    cin >> str; // 若输入"hello world"，仅读取"hello"
    cout << "str = " << str << endl;

    // 清理 cin >> 残留的换行符（避免影响后续输入）
    getchar();

    // 流控制符：noskipws（不跳过空白字符）、skipws（恢复跳过空白字符，默认）
    cout << "Please input a character（no skip white space）: ";
    char c, d;
    cin >> noskipws >> c; // 会读取空格、\n 等空白字符（如输入" "，则c为空格）
    cout << "c = " << c << endl;

    cout << "Please input a character: ";
    cin >> skipws >> d; // 恢复默认，跳过开头空白字符
    cout << "d = " << d << endl;

    return 0;
}

• 注意事项：cin >> 无法读取含空格的完整字符串；若输入类型不匹配（如输入字母给整数），cin 会进入 fail 状态，需用 cin.clear() 恢复并清理缓冲区。

cin.get()

单字符 / 指定长度读取

• 核心用途：读取单个字符或指定长度的字符串，支持保留空白字符，提供三种重载形式。
• 关键特点：不跳过空白字符；读取指定长度时丢弃终止符（默认 \n），不残留缓冲区；输入超长度时，剩余字符残留缓冲区（cin 状态正常）。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 清理前序操作残留的换行符
    getchar();

    // 1. 重载1：cin.get() -> 读取单个字符，返回int（含EOF）
    cout << "Please input a character(cin.get()): ";
    char e;
    e = cin.get(); // 读取单个字符（含空格、\n）
    cout << "e = " << e << endl;
    getchar(); // 清理残留换行符

    // 2. 重载2：cin.get(char& ch) -> 读取单个字符存入ch，返回cin对象
    cout << "Please input a character(cin.get()): ";
    char f;
    cin.get(f); // 读取结果存入f
    cout << "f = " << f << endl;
    getchar(); // 清理残留换行符

    // 3. 重载3：cin.get(char* buf, int n, char delim='\n') -> 读取指定长度字符串
    cout << "Please input a string(cin.get()): ";
    char str1[20];
    // 最多读取19个字符（预留'\0'），遇'\n'停止，丢弃'\n'
    cin.get(str1, sizeof(str1), '\n'); 
    cout << "str1 = " << str1 << endl;
    getchar(); // 清理残留换行符

    return 0;
}

cin.get() 读取字符串时，若输入长度超过 n-1（n 为缓冲区大小），剩余字符会残留缓冲区，等待下次读取。

cin.getline()

指定长度行读取（字符数组）

• 核心用途：读取一整行字符串（含空格）到字符数组，自动处理终止符（默认 \n）。
• 关键特点：丢弃终止符 \n（不残留缓冲区）；若输入长度超过 n-1，cin 会进入 fail 状态（需手动恢复），与 cin.get(char* buf, int n)差异显著。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // cin.getline() 读取字符数组
    cout << "Please input a string(cin.getline()): ";
    char str2[20];
    cin.getline(str2, sizeof(str2)); // 输入示例：hello c++ world
    cout << "str2 = " << str2 << endl;

    // 结合字符串输入的完整示例
    const int n = 10;
    char str[n];
    cout << "Please input a string(cin >> 后接 cin.getline()): ";
    cin >> str; // 先读取不含空格的字符串
    cout << str << endl;
    getchar(); // 清理 cin >> 残留的'\n'
    
    cout << "Please input a string(cin.getline()): ";
    cin.getline(str, sizeof(str)); // 再读取含空格的整行
    cout << str << endl;

    return 0;
}

std::getline()

动态字符串行读取

• 核心用途：读取一整行字符串（含空格）到 std::string 对象，需包含<string>头文件，支持动态内存分配（无溢出风险）。
• 关键特点：丢弃终止符 \n（不残留缓冲区）；一次性读完缓冲区数据，无长度限制；与 cin >> 混用时需清理残留 \n。

#include <iostream>
#include <string> // 必须包含，否则无法使用std::string
using namespace std;

int main() {
    // 清理前序操作残留的'\n'
    getchar();

    cout << "Please input a string(getline()): ";
    string str3; // 动态字符串，无需指定长度
    getline(cin, str3); // 输入示例：I love C++ programming
    cout << "str3 = " << str3 << endl;

    // 特殊场景：缓冲区开头有'\n'的处理
    cout << "Please input a string(after residual '\\n'): ";
    getchar(); // 模拟前序操作残留'\n'，先清理
    getline(cin, str3);
    cout << "str3 = " << str3 << endl;

    return 0;
}

若 cin >> 后直接调用 std::getline()，cin >> 残留的 \n 会被std::getline()读取为空白行，需用getchar()或 cin.ignore() 清理缓冲区。

标准输出流

C++ 标准输出通过<iostream>提供三个核心流对象：std::cout（正常输出）、std::cerr（错误输出）、std::clog（日志输出），均为 ostream 类实例，缓冲特性与用途差异显著。

核心流对象对比

流对象	缓冲特性	核心用途	输出时机
cout	行缓冲	正常程序结果输出（如计算结果）	遇 \n、endl 或 fflush 时
cerr	无缓冲	错误信息输出（如文件打开失败）	数据写入后立即输出
clog	行缓冲	日志信息输出（如调试日志）	遇 \n 或 fflush 时

常用输出方式

cout <<:格式化输出

• 核心用途：按变量类型输出数据，支持链式调用与精细格式控制（需 <iomanip> 头文件）。
• 关键特点：默认行缓冲，endl 等价于 “换行 + 强制刷新缓冲区”（效率低于 \n）；支持通过 fixed、setprecision 等控制浮点数格式。

#include <iostream>
#include <iomanip> // 用于格式控制（fixed、setprecision）
using namespace std;

int main() {
    int a = 123;
    float b = 3.14159;
    char s[] = "Hello, C plusplus!";

    // 基本类型输出
    cout << "Number a = " << a << endl; // 输出整数：Number a = 123
    // 浮点数格式化（保留2位小数）
    cout << "Number b = " << fixed << setprecision(2) << b << endl; // 输出：Number b = 3.14
    // 字符串输出
    cout << "String s = " << s << endl; // 输出：String s = Hello, C plusplus!
    // 直接输出字符串常量
    cout << "Hello, C plusplus!" << endl; // 输出：Hello, C plusplus!

    // 循环输出示例
    int i = 10;
    while (i > 0) {
        cout << "i = " << i << endl; // 逐行输出i的值（10~1）
        i--;
    }
    cout << "END" << endl;

    return 0;
}

cerr:错误信息输出

• 核心用途：输出程序运行中的错误信息（如文件打开失败、参数非法），无缓冲特性确保错误信息优先显示（即使程序崩溃）。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 模拟文件打开失败场景
    char errorMsg[] = "File open FAILED!";
    cerr << "[Error] " << errorMsg << endl; // 立即输出错误信息：[Error] File open FAILED!

    // 即使后续进入循环，错误信息已提前输出
    int i = 3;
    while (i > 0) {
        i--;
    }

    return 0;
}

clog:日志信息输出

• 核心用途：输出程序运行日志（如调试信息、状态记录），行缓冲特性减少 I/O 开销（适合批量输出）。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 批量输出日志信息
    clog << "Log: Program started." << endl; // 日志1：程序启动
    clog << "Log: Reading configuration..." << endl; // 日志2：读取配置
    clog << "Log: Configuration loaded successfully." << endl; // 日志3：配置加载成功

    // 循环日志示例
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        clog << "Log: Processing task " << i + 1 << endl; // 逐任务输出日志
    }

    clog << "Log: Program ended." << endl; // 日志4：程序结束
    return 0;
}

C++ 字符串输入

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    const int n = 10;
    char charStr[n];
    string str;

    // 1. cin >> 读取无空格字符串
    cout << "1. Please input a string(no space, cin >>): ";
    cin >> charStr;
    cout << "Result: " << charStr << endl;
    getchar(); // 清理残留'\n'

    // 2. cin.getline() 读取含空格字符串（字符数组）
    cout << "2. Please input a string(with space, cin.getline()): ";
    cin.getline(charStr, sizeof(charStr));
    cout << "Result: " << charStr << endl;

    // 3. cin.get() 读取指定终止符字符串
    cout << "3. Please input a string(ends with '@', cin.get()): ";
    cin.get(charStr, n, '@'); // 遇'@'停止，最多读9个字符
    cout << "Result: " << charStr << endl;
    getchar(); // 清理残留的'@'和'\n'

    // 4. std::getline() 读取动态字符串
    cout << "4. Please input a string(dynamic, std::getline()): ";
    getline(cin, str);
    cout << "Result: " << str << endl;

    return 0;
}

其他

const编译策略

在C++中,定义const int a = 10后，经过一系列指针操作，在监视器中得到的结果如下图所示

但输出却是

a = 10, *p = 100, b = 10

这是因为C++会将我们定义的常变量在编译阶段替换为他们的值如下

const int a = 10;
int* p = (int*)&a;
int b = 0;
*p = 100;
b = 10;
printf("a = %d, *p = %d, b = %d\n", 10,*p, b);
return 0;

虽然a的值可以替换为100,但在编译阶段已经被替换

当我们将文件后缀替换为.c后,得到输出如下

a = 100, *p = 100, b = 100

预定义宏

C++ 编译器内置一组预定义宏，可通过 cout 直接输出，用于获取源文件信息、编译时间、代码位置及 C++ 标准版本，是调试定位与版本管理的实用工具。

代码行	预定义宏	功能说明
cout << __FILE__ << endl;	__FILE__	输出当前源文件的完整路径或文件名（如 D:\code\test.cpp，取决于编译器）
cout << __DATE__ << endl;	__DATE__	输出代码的编译日期（格式：Mmm dd yyyy，如 Oct 16 2025）
cout << __TIME__ << endl;	__TIME__	输出代码的编译时间（非运行时间，格式：hh:mm:ss，如 09:45:30）
cout << __LINE__ << endl;	__LINE__	输出当前 LINE 所在的代码行号（如代码中该宏在第 6 行，则输出 6）
cout <<__func__<< endl;	__func__	输出当前所在函数的名称（此处为 main，C++11 及以后标准支持）
cout << __cplusplus << endl;	__cplusplus	输出编译器支持的 C++ 标准版本号（如 201703L 对应 C++17，202002L 对应 C++20）

int main() {
	cout << __FILE__ << endl;
	cout << __DATE__ << endl;
	cout << __TIME__ << endl; //记录编译时间
	cout << __LINE__ << endl;
	cout << __func__ << endl;
	cout << __cplusplus << endl;
}

输出

D:\Code\C++code\CPP-Learninng\io.cpp
Oct 14 2025
15:52:28
411
main
199711