【C++标准库】＜ios＞详解基于流的 I/O

C++ 包含两个输入/输出库：

• C 风格 I/O 函数的标准集合。<stdio.h> 详解
• 现代的、基于流的 I/O 库

基于流的 I/O

在 C++ 中，基于流（Stream-based）的输入/输出机制是标准库中最核心、最灵活的 I/O 模型之一。它通过 抽象设备 和 分层类设计，实现了统一接口处理文件、内存、字符串甚至自定义设备（如压缩流、网络流等）的能力。

流式 I/O 的核心思想

C++ 的流式 I/O 库围绕“抽象 I/O 设备”组织，其核心思想是：

相同的高层代码可以操作不同的底层设备，例如：

• 文件（File）
• 内存缓冲区（Memory Buffer）
• 字符串（String）
• 自定义适配器（如压缩、加密、同步输出等）

这种灵活性得益于 类模板化设计 和 多层继承结构，使得用户无需关心底层细节，只需使用统一的 << 和 >> 操作符即可完成读写。

此外，所有核心类都以模板形式定义，支持任意字符类型（如 char、wchar_t、char8_t 等），并通过 typedef 为常用类型提供便捷别名（如 std::string 对应 std::basic_string<char>）

流库的类层次结构（Class Hierarchy）

以下是 C++ I/O 流库的主要类继承与组合关系（参考典型类图）：

<ios> ：基础控制类，定义抽象基类

• ios_base类

  非模板类，管理格式化标志（如进制、填充字符）、异常掩码、事件回调等全局状态。

• std::basic_ios<CharT, Traits>

  类模板： 管理任意流缓冲。继承自 ios_base，绑定到具体的字符类型和特征类（Traits），负责管理一个 std::basic_streambuf<...> 对象，提供状态查询（good(), fail() 等）和格式化控制接口。

<streambuf>：底层设备抽象

• std::basic_streambuf<CharT, Traits>

  抽象类模板，代表“原生 I/O 设备”的接口。它定义了底层字节流的读写缓冲机制（如 underflow(), overflow()），是所有具体设备实现的基础。

所有高层流类（如 ifstream, stringstream）都通过 basic_streambuf 与实际设备通信。

<istream> 和 <ostream>：高层输入/输出接口

• std::basic_istream<CharT, Traits>

  提供高层输入操作（>>, getline() 等），内部持有 basic_streambuf 指针。

• std::basic_ostream<CharT, Traits>

  提供高层输出操作（<<, put(), flush() 等）。

• std::basic_iostream<CharT, Traits>

  同时继承自 basic_istream 和 basic_ostream，支持双向 I/O（输入+输出）。

具体流实现

<fstream> ：文件流（File Streams）

std::ifstream  = std::basic_ifstream<char>;
std::ofstream  = std::basic_ofstream<char>;
std::fstream   = std::basic_fstream<char>;

• basic_filebuf类模板：basic_filebuf<CharT, Traits>

  实现 basic_streambuf 接口，封装操作系统文件句柄，提供文件的底层读写缓冲。

• basic_ifstream类模板：basic_ifstream<CharT, Traits>

  输入文件流，实现高层文件流输入操作，继承自 basic_istream，使用 basic_filebuf 操作文件。

• basic_ofstream类模板：basic_ofstream<CharT, Traits>

  输出文件流，实现高层文件流输出操作，继承自 basic_ostream。

• basic_fstream类模板：basic_fstream<CharT, Traits>

  双向文件流，实现高层文件流输入/输出操作，继承自 basic_iostream。

<sstream>字符串 I/O 实现

std::istringstream = std::basic_istringstream<char>;
std::ostringstream = std::basic_ostringstream<char>;
std::stringstream  = std::basic_stringstream<char>;

• basic_stringbuf类模板：basic_stringbuf<CharT, Traits, Allocator>

  实现原生字符串设备，实现 basic_streambuf，以内存中的字符串作为存储介质。

• basic_istringstream类模板：basic_istringstream<CharT, Traits, Allocator>

  实现高层字符串流输入操作，从字符串读取数据，常用于解析字符串。

• basic_ostringstream类模板：basic_ostringstream<CharT, Traits, Allocator>

  实现高层字符串流输出操作，向字符串写入数据，替代 sprintf 更安全。

• basic_stringstream类模板：basic_stringstream<CharT, Traits, Allocator>

  实现高层字符串流输入/输出操作，支持双向操作的字符串流。

<strstream> 数组 I/O 实现 （已弃用）

提供基于 C 风格字符数组的流操作（istrstream, ostrstream）。
存在内存管理问题（需手动释放），已被 <sstream> 取代。

<syncstream> 同步输出流 C++20

多线程环境下，多个线程同时写 std::cout 会导致输出交错。为此 C++20 引入：

• std::basic_syncbuf<CharT, Traits, Allocator>

  同步输出设备的包装。包装一个 basic_streambuf，确保每次写入是原子的。

• std::basic_osyncstream<CharT, Traits, Allocator>

  同步输出流的包装。高层同步输出流，内部使用 syncbuf。

示例：

#include <syncstream>
#include <thread>

void worker() {
    std::osyncstream sync_out(std::cout);
    sync_out << "Hello from thread " << std::this_thread::get_id() << '\n';
}

优势：避免输出混乱，无需手动加锁。

总结：流库的设计哲学