入门C++编程：从基础开始 - 学习输入、输出及文件操作，理解流与缓冲区讲解（第一部分）

C++中，流（ stream ）和缓冲区（ buffer ）是两个紧密相关的概念，它们在处理输入和输出时起着重要的作用。
流（ Stream ）
流是一种抽象的概念，用于表示数据的流动。在 C++ 中，流是一个类对象，它封装了与输入/输出设备（如键盘、显示器、文件等）的交互。C++标准库提供了多种流类，如 std::cin （标准输入流，通常用于从键盘读取数据）、 std::cout （标准输出流，通常用于向显示器输出数据）以及 std::fstream （文件流，用于文件的读写）。
缓冲区（ Buffer ）
缓冲区是一个用于临时存储数据的内存区域。当使用流进行输入或输出时，数据通常不会直接发送到设备或从设备读取，而是首先存储在缓冲区中。缓冲区的使用可以提高输入/输出的效率，因为它允许程序以块的形式处理数据，而不是一个字符一个字符地处理。
对于输出流，程序首先将数据写入缓冲区，然后当缓冲区满或程序显式地刷新缓冲区时，数据才会被发送到输出设备。对于输入流，程序从缓冲区读取数据，当缓冲区为空时，流会从输入设备读取更多的数据填充缓冲区。
缓冲区的类型
C++中的流缓冲区主要有三种类型：
（1）全缓冲：当缓冲区满时，缓冲区的数据才会被发送。这种方式适用于大量数据的输入/输出。
（2）行缓冲：当遇到换行符时，缓冲区的数据才会被发送。这种方式通常用于终端设备，如键盘和显示器。
（3）不带缓冲：数据立即被发送，不经过缓冲区。这种方式通常用于错误报告和紧急情况。
iostream 文件
C++ 中的 iostream 文件中包含了一些用来实现管理流和缓冲区的类。iostream 中的 io 是 “input/output” 的缩写，而 stream 表示流，即数据流动的通道。
在 iostream 库中，主要包含了以下几个组件：
（1）缓冲区（ streambuf 类）： streambuf 类为流提供了一个缓冲区，这个缓冲区用于暂存输入/输出的数据，从而允许更高效的I/O操作。streambuf 是一个抽象基类，不能直接实例化。它的实现（如 filebuf 、 stringbuf 等）会作为其他流类（如 ifstream 、 ofstream 、 istringstream 、 ostringstream 等）的成员被使用。
（2）输入流（ istream 类）：用于从输入设备（如键盘）读取数据。
（3）输出流（ ostream 类）：用于向输出设备（如显示器）写入数据。
（4）输入输出流 （ iostream 类）：从 istream 和 ostream 继承了输入和输出的方法（多重继承），既可以读取数据也可以写入数据。
（5）流对象：如 std::cin（标准输入流，通常用于从键盘读取数据）、std::cout（标准输出流，通常用于向显示器输出数据）、std::cerr（用于输出错误消息）和 std::clog（用于输出日志消息）。
（6）操纵器（ manipulators）：这些是用来控制流的状态或格式的函数，例如 std::endl、std::flush、std::setprecision 等。
（7）流提取运算符（ >> ）：用于从输入流中读取数据。
（8）流插入运算符（ << ）：用于向输出流中写入数据。
重定向
可以使用 C 标准库函数 freopen 函数来重定向标准输入流 std::cin 或标准输出流 std::cout 到文件或其他流。当重定向一个流时，实际上是改变了流与底层设备（如文件或控制台）的关联。例如，可以将 std::cin 重定向到一个文件，这样当从 std::cin 读取时，实际上是从文件中读取数据。如下为样例代码：

#include <iostream>  
#include <fstream>  

using namespace std;

int main() {
	// 重定向 std::cin 到一个输入文件：在这个文件中输入 1 ，并保存
	freopen("input.txt", "r", stdin);

	// 重定向 std::cout 到一个输出文件  
	freopen("output.txt", "w", stdout);

	int val;
	cout << "get a number from input.txt : "; // cout 写入到 output.txt 
	cin >> val; // 实际上从 input.txt 读取  

	cout << val << endl; // cout 写入到 output.txt  

	// 关闭重定向  
	//freopen(NULL, "r", stdin);  // 重置 std::cin 到标准输入  
	//freopen(NULL, "w", stdout); // 重置 std::cout 到标准输出  

	return 0;
}

执行完这段代码后，output.txt 被存入字符串：“get a number from input.txt : 1” 。
在上面代码中，freopen 函数将 std::cin 重定向到名为 input.txt 的文件用于读取，将 std::cout 重定向到名为 output.txt 的文件用于写入。因此，当从 std::cin 读取时，实际上是在读取 input.txt 文件的内容，而当向 std::cout 写入时，数据会被写入到 output.txt 文件中。
注意，重定向流可能会影响程序的其他部分，因为它改变了流的默认行为。因此，在重定向流之后，务必小心处理输入和输出，以避免意外的行为或错误。
另外，如果想要在执行完一些重定向操作之后恢复流的原始状态，可以使用 freopen 函数将流重新关联到其原始设备（比如将第一个参数设置为 NULL 即可将输入与输出定向为标准输入与输出）。