Course: 斯坦福大学: C++标准库编程 | C++ Standard Library Programming

🎮 CS106L Lecture 2 — Streams

🏛 课程：Stanford CS106L — Standard C++ Programming Language

📍 主题：C++ 流（Streams）与输入输出系统

🎯 目标：理解 C++ 的 I/O 抽象模型、字符串流与状态位机制

🧭 课程定位

C++ 中的 流（Stream） 是所有输入输出的统一抽象层。

它隐藏了设备差异，让我们以一致的方式与文件、键盘、网络交互。

“在 C++ 眼中，一切输入输出都是流。”

这堂课教你：

1️⃣ 流的核心概念与层次结构

2️⃣ 如何使用 ostringstream 与 istringstream

3️⃣ 如何检查流状态与避免输入错误

4️⃣ 如何使用 manipulators 控制输出格式

🏷 关键词速记

Stream｜流抽象

ostringstream｜输出字符串流

istringstream｜输入字符串流

good / fail / eof / bad｜状态位

flush / endl｜缓冲刷新

manipulators｜操纵符

🎮 30 秒课程摘要

流是数据的“河流”。

你写入输出流（out），数据顺流而下；

你从输入流（in）读取，数据逆流而上。

一切 I/O 都是流动的概念。

📚 核心内容讲解

🧩 1️⃣ 什么是 Stream？

流（std::istream, std::ostream）是 C++ I/O 的根本抽象。

它屏蔽设备类型：无论来自键盘、文件或字符串，都能以相同方式操作。

📦 输出示例：

std::cout << "Hello, CS106L!" << std::endl;

📦 输入示例：

int x;
std::cin >> x;

« 与 » 是 流操作符（overloaded operators），

在不同类型上表现不同。

🧠 C++ 的流体系结构：

iostream
 ├── istream      → std::cin, ifstream, istringstream
 ├── ostream      → std::cout, ofstream, ostringstream
 └── iostream     → 双向流（文件/网络）

🧩 2️⃣ 字符串与流：C-string vs std::string

在现代 C++ 中，不再直接操作 char*。

std::string 可以无缝与流协作。

📦 示例：

std::string name;
std::cout << "Enter your name: ";
std::cin >> name;
std::cout << "Hello, " << name << "!" << std::endl;

std::string 自动管理内存与长度，不需手动释放。

🧩 3️⃣ 输出字符串流（ostringstream）

std::ostringstream 将数据写入内存中的字符串缓冲区，而非屏幕。

📦 示例：

std::ostringstream oss;
oss << "Pi is approximately " << 3.14159;
std::string s = oss.str(); // 将流内容取出为 string
std::cout << s;  // 输出: Pi is approximately 3.14159

🧩 用途：

• 动态拼接字符串
• 生成日志、格式化输出
• 替代 sprintf()，更安全

🧩 4️⃣ 输入字符串流（istringstream）

std::istringstream 从字符串中读取数据，就像从文件或键盘读一样。

📦 示例：

std::string data = "42 3.14 hello";
std::istringstream iss(data);

int x; double y; std::string word;
iss >> x >> y >> word;

std::cout << x << " | " << y << " | " << word << std::endl;
// 输出: 42 | 3.14 | hello

🧩 用途：

• 从字符串中解析多种类型
• 简化输入格式处理
• 替代手写的字符串切割与转换逻辑

🧩 5️⃣ 状态位（Stream State Flags）

每个输入流都维护一组状态位，表示读取状态：

📦 示例：

std::istringstream iss("abc");
int x;
iss >> x;
if (iss.fail()) std::cout << "Type mismatch!" << std::endl;

🧩 使用场景：

• 检查输入是否合法
• 判断是否读完文件
• 清除错误状态 .clear()

🧩 6️⃣ 缓冲与刷新

C++ 的输出流是缓冲的。

std::cout 不一定立即显示输出内容。

📦 性能对比示例：

for (int i=0; i<100000; ++i)
    std::cout << i << '\n';      // ✅ 快
// vs
for (int i=0; i<100000; ++i)
    std::cout << i << std::endl; // ⚠️ 慢，频繁刷新

🧩 建议：

平时用 ‘\n’，除非你真的需要立刻看到输出结果。

🧩 7️⃣ 操纵符（Manipulators）

C++ 提供大量操纵符来控制流格式。

📦 示例：

std::cout << std::setw(8) << std::setprecision(3)
          << std::fixed << 3.1415926 << std::endl;
// 输出:    3.142

manipulators 是流的“修饰器”，它们链式修改输出行为。

🧠 记忆口诀

“流如水，入出皆通；

写入缓冲，读出如风；

fail 不慌，clear 复用；

endl 慢，\n 才雄。”

🧪 实践练习

✅ 练习 1：字符串拼接日志系统

使用 std::ostringstream 拼接输出：

std::ostringstream log;
log << "[INFO] Frame time = " << 16.7 << " ms";
std::cout << log.str();

✅ 练习 2：命令行解析器

从字符串 "move 12 8" 中提取指令与数字参数。

std::istringstream iss("move 12 8");
std::string cmd; int x, y;
iss >> cmd >> x >> y;

✅ 练习 3：状态检查

输入错误数据 "abc" 并检测 .fail()。

🪄 创作与工程建议

• 写工具或引擎日志时，优先使用 ostringstream 而非字符串拼接。
• 对用户输入要始终检查 .fail() 状态。
• 读取配置文件（如 .ini, .cfg）可用 istringstream 分析每一行。
• 使用 '\n' 替代 std::endl 提升性能。

✅ 小结

“掌握流，就掌握了 C++ 世界的输入与输出之门。”

是否希望我继续为你整理 第 3 讲《Containers》（vector、map、unordered_map）

并保持相同 Notion 风格输出？