详解C++编程中的输入输出相关的类和对象

C++输入和输出的概念
我们经常用到的输入和输出，都是以终端为对象的，即从键盘输入数据，运行结果输出到显示器屏幕上。从操作系统的角度看，每一个与主机相连的输入输出设备都被看作一个文件。除了以终端为对象进行输入和输出外，还经常用磁盘(光盘)作为输入输出对象，磁盘文件既可以作为输入文件，也可以作为输出文件。

程序的输入指的是从输入文件将数据传送给程序，程序的输出指的是从程序将数据传送给输出文件。

C++输入输出包含以下三个方面的内容：
对系统指定的标准设备的输入和输出。即从键盘输入数据，输出到显示器屏幕。这种输入输出称为标准的输入输出，简称标准I/O。
以外存磁盘文件为对象进行输入和输出，即从磁盘文件输入数据，数据输出到磁盘文件。以外存文件为对象的输入输出称为文件的输入输出，简称文件I/O。
对内存中指定的空间进行输入和输出。通常指定一个字符数组作为存储空间(实际上可以利用该空间存储任何信息)。这种输入和输出称为字符串输入输出，简称串I/O。

C++采取不同的方法来实现以上种输入输出。为了实现数据的有效流动，C++系统提供了庞大的I/O类库，调用不同的类去实现不同的功能。

在C语言中，用printf和scanf进行输入输出，往往不能保证所输入输出的数据是可靠的安全的。在C++的输入输出中，编译系统对数据类型进行严格的检查，凡是类型不正确的数据都不可能通过编译。因此C++的I/O操作是类型安全(type safe)的。C++的I/O操作是可扩展的，不仅可以用来输入输出标准类型的数据，也可以用于用户自定义类型的数据。C++对标准类型的数据和对用户声明类型数据的输入输出，采用同样的方法处理。C++通过I/O类库来实现丰富的I/O功能。C++的输入输出优于C语言中的printf和scanf，但是比较复杂，要掌握许多细节。
C++的I/O对C的发展--类型安全和可扩展性

在C语言中，用primf和scanf进行输人输出，往往不能保证所输入输出的数据是可靠的、安全的。学过C语言的读者可以分析下面的用法，想用格式符%d输出一个整数， 但不小心用它输出了单精度变量和字符串，会出现什么情况？假定所用的系统int型占两个字节。

printf("%d", i); // i为整型变量，正确，输出i的值
printf("%d", f); // f为单精度变量，输出f变量中前两个字节的内容
printf("%d", "C++"); //输出宇符串"C++"的地址

编译系统认为以上语句都是合法的，而不对数据类型的合法性进行检查，显然所得到的结果不是人们所期望的，在用scanf 输入时，有时出现的问题是很隐蔽的。如：

scanf("%d", &i); //正确，输入一个整数，赋给整型变量i
scanf("%d", i); //漏写&

假如已有声明语句“int i = 1; ”，定义i为整型变量，其初值为1。编译系统不认为上面的scanf语句出错，而是将输人的值存放到地址为000001的内存单元中，这个错误可能产生严重的后果。

C++为了与C兼容，保留了用printf和scanf进行输出和输人的方法，以便使过去所编写的大量的C程序仍然可以在C ++的环境下运行，但是希望读者在编写新的C ++程 序时不要用C的输入输出机制，而要用C++自己特有的输人输出方法。在C++的输入输出中，编译系统对数据类型进行严格的检查，凡是类型不正确的数据都不可能通过编译。因此C++的I/O操作是类型安全(type safe)的。

此外，用printf和scanf可以输出和输入标准类型的数据(如int、float、double、char)， 但无法输出用户自己声明的类型（如数组、结构体、类）的数据。在C++中，会经常遇到对类对象的输人输出，显然无法使用printf和scanf来处理。C++的I/O操作是可扩展 的，不仅可以用来输人输出标准类型的数据，也可以用于用户自定义类型的数据。C++对标准类型的数据和对用户声明类型数据的输人输出，采用同样的方法处理。显然，在用户声明了一个新类后，是无法用printf和scanf 函数直接输出和输人这个类的对象的。

可扩展性是C++输人输出的重要特点之一，它能提高软件的重用性，加快软件的开 发过程。

C++通过I/O类库来实现丰富的I/O功能。这样使C++的输人输出明显地优于C 语言中的printf和scanf，但是也为之付出了代价，C++的I/O系统变得比较复杂，要掌握许多细节。在本章中只能介绍其基本的概念和基本的操作，有些具体的细节可在日后实际深入应用时再进一步掌握。

与C++输入输出有关的类和对象
输入和输出是数据传送的过程，数据如流水一样从一处流向另一处。C++形象地将此过程称为流(Stream)。C++的输入输出流是指由若干字节组成的宇节序列，这些宇节中的数据按顺序从一个对象传送到另一对象。流表示了信息从源到目的端的流动。在输入操作时，字节流从输入设备（如键盘、磁盘）流向内存，在输出操作时，字节流从内存流向输出设备(如屏幕、打印机、磁盘等)。流中的内容可以是ASCII字符、二进制形式的数据、图形图像、数字音频视频或其他形式的信息。

实际上，在内存中为每一个数据流开辟一个内存缓冲区，用来存放流中的数据。当用cout和插入运算符“<<”向显示器输出数据时，先将这些数据送到程序中的输出缓冲区保存，直到缓冲区满了或遇到endl，就将缓冲区中的全部数据送到显示器显示出来。在输入时，从键盘输入的数据先放在键盘的缓冲区中，当按回车键时，键盘缓冲区中的数据输入到程序中的输入缓冲区，形成cin流，然后用提取运算符“ >>”从输入缓冲区中提取数据送给程序中的有关变量。总之，流是与内存缓冲区相对应的，或者说，缓冲区中的数据就是流。

在C++中，输入输出流被定义为类。C++的I/O库中的类称为流类(stream class)。 用流类定义的对象称为流对象。

其实，cout和cin并不是C++语言中提供的语句，它们是iostream类的对象，在不了解类和对象时，在不致引起误解的前提下，为叙述方便，把它们称为cout语句和cin语句。正如C++并未提供赋值语句，只提供赋值表达式，在赋值表达式后面加分号就成了C++的语句，为方便起见，我们习惯称之为赋值语句。又如，在C语言中常用 printf和scanf进行输出和输入，printf和scanf是C语言库函数中的输入输出函数，一般也习惯地将由printf和scanf函数构成的语句称为printf语句和scanf语句。在使用它们时，对其本来的概念应该有准确的理解。

了解了类和对象后，我们对C++的输入输出应当有更深刻的认识。

C++编译系统提供了用于输入输出的iostream类库。iostream这个单词是由3个部 分组成的，即i-o-stream，意为输入输出流。在iostream类库中包含许多用于输入输出的 类。常用的见表


ios是抽象基类，由它派生出istream类和ostream类，两个类名中第1个字母i和o分别代表输入(input)和输出(output)。istream类支持输入操作，ostream类支持输出操作， iostream类支持输入输出操作。iostream类是从istream类和ostream类通过多重继承而派生的类。

C++对文件的输入输出需要用ifstrcam和ofstream类，两个类名中第1个字母i和o分别代表输入和输出，第2个字母f代表文件(file)。ifstream支持对文件的输入操作， ofstream支持对文件的输出操作。类ifstream继承了类istream，类ofstream继承了类ostream，类fstream继承了类iostream。见图

I/O类库中还有其他一些类，但是对于一般用户来说，以上这些已能满足需要了。如果想深入了解类库的内容和使用，可参阅所用的C++系统的类库手册。
与iostream类库有关的头文件

iostream类库中不同的类的声明被放在不同的头文件中，用户在自己的程序中用#include命令包含了有关的头文件就相当于在本程序中声明了所需要用到的类。可以换 —种说法：头文件是程序与类库的接口，iostream类库的接口分别由不同的头文件来实现。常用的有
iostream  包含了对输入输出流进行操作所需的基本信息。
fstream  用于用户管理的文件的I/O操作。
strstream  用于字符串流I/O。
stdiostream  用于混合使用C和C + +的I/O机制时，例如想将C程序转变为C++程序。
iomanip  在使用格式化I/O时应包含此头文件。
在iostream头文件中定义的流对象

在 iostream 头文件中定义的类有 ios，istream，ostream，iostream，istream _withassign， ostream_withassign，iostream_withassign 等。

iostream.h包含了对输入输出流进行操作所需的基本信息。因此大多数C++程序都包括iostream.h。在iostream.h头文件中不仅定义了有关的类，还定义了4种流对象， 见表

在iostream头文件中定义以上4个流对象用以下的形式（以cout为例）：

ostream cout ( stdout);

在定义cout为ostream流类对象时，把标准输出设备stdout作为参数，这样它就与标准输出设备(显示器)联系起来，如果有

cout <<3;

就会在显示器的屏幕上输出3。
在iostream头文件中重载运算符

“<<”和“>>”本来在C++中是被定义为左位移运算符和右位移运算符的，由于在iostream头文件中对它们进行了重载，使它们能用作标准类型数据的输入和输出运算符。所以，在用它们的程序中必须用#include命令把iostream包含到程序中。

#include <iostream>

在istream和ostream类（这两个类都是在iostream中声明的）中分别有一组成员函数对位移运算符“<<”和“>>”进行重载，以便能用它输入或输出各种标准数据类型的数据。对于不同的标准数据类型要分别进行重载，如：

ostream operator << (im ); //用于向输出流插入一个int数据
ostream operator << (float ); //用于向输出流插入一个float数据
ostream operator << (char); //用于向输出流插入一个char数据
ostream operator << (char * ); //用于向输出流插入一个字符串数据

等。如果在程序中有下面的表达式：

cout<<"C++";

实际上相当于：

cout.operator <<("C++")

"C ++"的值是其首字节地址，是字符型指针(char * )类型，因此选择调用上面最后一个运算符重载函数，通过重载函数的函数体，将字符串插入到cout流中，函数返回流对象cout。

在istream类中已将运算符“>> ”重载为对以下标准类型的提取运算符：char, signed char, unsigned char, short, unsigned short, int, unsigned int，long, unsigned long, float, double, long double, char * , signed char *, unsigned char * 等。

在ostream类中将“<<”重载为插入运算符，其适用类型除了以上的标准类型外，还增加了一个 void * 类型。

如果想将“<<”和“>>”用于自己声明的类型的数据，就不能简单地采用包含 iostream头文件来解决，必须自己对“<<”和“>>”进行重载。

怎样理解运算符“<<”和“>>”的作用呢？有一个简单而形象的方法：它们指出了数据移动的方向，例如

>>a

箭头方向表示把数据放人a中。而

<<a

箭头方向表示从a中拿出数据。