1.5 — iostream 简介：cout、cin 和 endl

在本课程中，我们将更详细地讨论 std::cout，它曾在我们的“Hello world!”程序中用于向控制台输出文本“Hello world!”。我们还将探讨如何从用户那里获取输入，这将使我们的程序更具交互性。

输入/输出库

输入/输出库（io 库）是 C++ 标准库的一部分，用于处理基本的输入和输出。我们将使用此库中的功能从键盘获取输入并将数据输出到控制台。iostream 中的“io”部分代表“输入/输出”。

要使用 iostream 库中定义的功能，我们需要在任何使用 iostream 中定义的内容的代码文件顶部包含 iostream 头文件，如下所示

#include <iostream>

// rest of code that uses iostream functionality here

std::cout

iostream 库包含一些预定义变量供我们使用。其中最有用的是 std::cout，它允许我们将数据发送到控制台以文本形式打印。cout 代表“字符输出”。

提醒一下，这是我们的 Hello world 程序

#include <iostream> // for std::cout

int main()
{
    std::cout << "Hello world!"; // print Hello world! to console

    return 0;
}

在此程序中，我们包含了 iostream，以便我们可以访问 std::cout。在我们的 main 函数中，我们使用 std::cout 以及插入运算符 (<<)，将文本“Hello world!”发送到控制台进行打印。

std::cout 不仅可以打印文本，还可以打印数字

#include <iostream> // for std::cout

int main()
{
    std::cout << 4; // print 4 to console

    return 0;
}

这会产生结果

4

它还可以用于打印变量的值

#include <iostream> // for std::cout

int main()
{
    int x{ 5 }; // define integer variable x, initialized with value 5
    std::cout << x; // print value of x (5) to console
    return 0;
}

这会产生结果

5

要在同一行打印多个内容，插入运算符 (<<) 可以在单个语句中多次使用，以连接（链接）多个输出片段。例如

#include <iostream> // for std::cout

int main()
{
    std::cout << "Hello" << " world!";
    return 0;
}

这使用了两次 << 运算符，首先输出 Hello，然后输出 world。

因此，此程序打印

Hello world!

这里是另一个示例，我们在同一语句中打印文本和变量值

#include <iostream> // for std::cout

int main()
{
    int x{ 5 };
    std::cout << "x is equal to: " << x;
    return 0;
}

这个程序打印

x is equal to: 5

使用 std::endl 输出换行符

您希望这个程序打印什么？

#include <iostream> // for std::cout

int main()
{
    std::cout << "Hi!";
    std::cout << "My name is Alex.";
    return 0;
}

您可能会对结果感到惊讶

Hi!My name is Alex.

单独的输出语句不会导致控制台上的输出分行。

如果我们要向控制台输出独立的行，我们需要告诉控制台将光标移动到下一行。我们可以通过输出换行符来做到这一点。换行符是 OS 特定的字符或字符序列，它将光标移动到下一行的开头。

输出换行符的一种方法是输出 std::endl（代表“end line”）

#include <iostream> // for std::cout and std::endl

int main()
{
    std::cout << "Hi!" << std::endl; // std::endl will cause the cursor to move to the next line
    std::cout << "My name is Alex." << std::endl;

    return 0;
}

这会打印

Hi!
My name is Alex.

std::cout 是缓冲的

想象一下您最喜欢的游乐园里的过山车。乘客们（以不同的速度）排队。定期地，一辆列车到达并搭载乘客（最多可达列车最大容量）。当列车满员，或者当足够的时间过去时，列车带着一批乘客出发，游乐设施开始。任何未能搭乘当前列车的乘客都将等待下一辆。

这个类比与 C++ 中通常处理发送到 std::cout 的输出的方式相似。程序中的语句请求将输出发送到控制台。但是，该输出通常不会立即发送到控制台。相反，请求的输出“排队”，并存储在一块专门用于收集此类请求的内存区域中（称为缓冲区）。定期地，缓冲区会刷新，这意味着缓冲区中收集的所有数据都会传输到其目的地（在本例中为控制台）。

这也意味着，如果您的程序在缓冲区刷新之前崩溃、中止或暂停（例如，为了调试目的），任何仍在缓冲区中等待的输出都不会显示。

std::endl 与 \n

使用 std::endl 通常效率低下，因为它实际上做了两件事：它输出一个换行符（将光标移动到控制台的下一行），并且它会刷新缓冲区（这很慢）。如果我们输出多行以 std::endl 结尾的文本，我们将得到多次刷新，这很慢并且可能不必要。

将文本输出到控制台时，我们通常不需要自己显式刷新缓冲区。C++ 的输出系统设计为定期自刷新，让它自行刷新既简单又高效。

要在不刷新输出缓冲区的情况下输出换行符，我们使用 \n（在单引号或双引号内），它是一个特殊符号，编译器将其解释为换行符。\n 将光标移动到控制台的下一行，而不会导致刷新，因此它通常会表现得更好。\n 也更简洁，并且可以嵌入到现有的双引号文本中。

这是一个以几种不同方式使用 \n 的示例

#include <iostream> // for std::cout

int main()
{
    int x{ 5 };
    std::cout << "x is equal to: " << x << '\n'; // single quoted (by itself) (conventional)
    std::cout << "Yep." << "\n";                 // double quoted (by itself) (unconventional but okay)
    std::cout << "And that's all, folks!\n";     // between double quotes in existing text (conventional)
    return 0;
}

这会打印

x is equal to: 5
Yep.
And that's all, folks!

当 \n 未嵌入到现有双引号文本行中时（例如 "hello\n"），通常使用单引号（'\n'）。

我们将在字符的课程中更详细地介绍 '\n' 是什么 (4.11 -- 字符)。

std::cin

std::cin 是 iostream 库中的另一个预定义变量。std::cout 将数据打印到控制台（使用插入运算符 << 提供数据），而 std::cin（代表“字符输入”）从键盘读取输入。我们通常使用提取运算符 >> 将输入数据放入变量中（然后可以在后续语句中使用）。

#include <iostream>  // for std::cout and std::cin

int main()
{
    std::cout << "Enter a number: "; // ask user for a number

    int x{};       // define variable x to hold user input (and value-initialize it)
    std::cin >> x; // get number from keyboard and store it in variable x

    std::cout << "You entered " << x << '\n';
    return 0;
}

尝试编译此程序并自行运行。当您运行程序时，第 5 行将打印“输入一个数字: ”。当代码到达第 8 行时，您的程序将等待您输入。一旦您输入一个数字（并按回车），您输入的数字将被赋值给变量 x。最后，在第 10 行，程序将打印“您输入了 ”，后跟您刚刚输入的数字。

例如（输入值 4 作为输入）

Enter a number: 4
You entered 4

这是一种从用户获取键盘输入简便方式，我们将在后续许多示例中使用它。

就像可以在一行中输出多个文本一样，也可以在一行中输入多个值

#include <iostream>  // for std::cout and std::cin

int main()
{
    std::cout << "Enter two numbers separated by a space: ";

    int x{}; // define variable x to hold user input (and value-initialize it)
    int y{}; // define variable y to hold user input (and value-initialize it)
    std::cin >> x >> y; // get two numbers and store in variable x and y respectively

    std::cout << "You entered " << x << " and " << y << '\n';

    return 0;
}

这会产生输出

Enter two numbers separated by a space: 5 6
You entered 5 and 6

输入的值应由空白字符（空格、制表符或换行符）分隔。

std::cin 是缓冲的

在上一节中，我们指出输出数据实际上是一个两阶段过程

• 每个输出请求的数据都被添加到输出缓冲区（末尾）。
• 稍后，输出缓冲区（开头）中的数据被刷新到输出设备（控制台）。

同样，输入数据也是一个两阶段过程

• 您输入的单个字符会添加到输入缓冲区（在 std::cin 内部）的末尾。回车键（按下以提交数据）也存储为 '\n' 字符。
• 提取运算符“>>”从输入缓冲区的开头移除字符，并将其转换为一个值，该值通过复制赋值分配给关联的变量。然后可以在后续语句中使用此变量。

我们将使用以下程序来演示这一点

#include <iostream>  // for std::cout and std::cin

int main()
{
    std::cout << "Enter two numbers: ";

    int x{};
    std::cin >> x;

    int y{};
    std::cin >> y;

    std::cout << "You entered " << x << " and " << y << '\n';

    return 0;
}

此程序将输入到两个变量（这次是单独的语句）。我们将运行此程序两次。

运行 #1：当遇到 std::cin >> x; 时，程序将等待输入。输入值 4。输入 4\n 进入输入缓冲区，值 4 被提取到变量 x 中。

当遇到 std::cin >> y; 时，程序将再次等待输入。输入值 5。输入 5\n 进入输入缓冲区，值 5 被提取到变量 y 中。最后，程序将打印 您输入了 4 和 5。

这次运行应该没有什么令人惊讶的。

运行 #2：当遇到 std::cin >> x 时，程序将等待输入。输入 4 5。输入 4 5\n 进入输入缓冲区，但只有 4 被提取到变量 x 中（提取在空格处停止）。

当遇到 std::cin >> y 时，程序不会等待输入。相反，仍在输入缓冲区中的 5 被提取到变量 y 中。然后程序打印 您输入了 4 和 5。

请注意，在运行 2 中，当提取到变量 y 时，程序没有等待用户输入额外的输入，因为输入缓冲区中已经有可用的先前输入。

基本提取过程

以下是操作符 >> 用于输入的简化视图。

1. 如果 std::cin 处于不正常状态（例如，之前的提取失败且 std::cin 尚未清除），则不会尝试提取，提取过程立即中止。
2. 前导空白字符（缓冲区前面的空格、制表符和换行符）将从输入缓冲区中丢弃。这将丢弃前一行输入中剩余的未提取换行符。
3. 如果输入缓冲区现在为空，操作符 >> 将等待用户输入更多数据。输入的任何前导空白字符都将被丢弃。
4. 操作符 >> 然后提取尽可能多的连续字符，直到遇到换行符（表示输入行的结束）或对要提取的变量无效的字符。

提取过程的结果如下

• 如果在步骤 1 中提取中止，则未发生提取尝试。没有其他事情发生。
• 如果在上面步骤 4 中提取了任何字符，则提取成功。提取的字符将转换为一个值，然后通过复制赋值分配给变量。
• 如果在上面步骤 4 中没有提取到任何字符，则提取失败。被提取的对象被复制赋值为值 0（C++11 起），并且任何未来的提取都将立即失败（直到 std::cin 被清除）。

任何未提取的字符（包括换行符）都可用于下一次提取尝试。

例如，给定以下代码片段

int x{};
std::cin >> x;

以下是三种不同输入情况的发生情况

• 如果用户输入 5a 并回车，5a\n 将被添加到缓冲区。5 将被提取，转换为整数，并赋值给变量 x。a\n 将留在输入缓冲区中，供下次提取。
• 如果用户输入 'b' 并回车，b\n 将被添加到缓冲区。由于 b 不是有效的整数，无法提取任何字符，因此这是提取失败。变量 x 将被设置为 0，并且未来的提取将失败，直到输入流被清除。
• 如果 std::cin 由于之前的提取失败而处于不正常状态，则此处不发生任何事情。变量 x 的值不会被更改。

我们将在下面的测验中探索更多情况。

operator<< vs operator>>

新程序员经常混淆 std::cin、std::cout、插入运算符 (<<) 和提取运算符 (>>)。这里有一个简单的记忆方法

• std::cin 和 std::cout 始终位于运算符的左侧。
• std::cout 用于输出值（cout = 字符输出）。
• std::cin 用于获取输入值（cin = 字符输入）。
• << 与 std::cout 一起使用，并显示数据移动的方向。std::cout << 4 将值 4 移动到控制台。
• >> 与 std::cin 一起使用，并显示数据移动的方向。std::cin >> x 将用户从键盘输入的值移动到变量 x 中。

我们将在第 1.9 课 -- 字面量和运算符简介中讨论更多运算符。

小测验时间

问题 #1

考虑我们上面使用的以下程序

#include <iostream>  // for std::cout and std::cin

int main()
{
    std::cout << "Enter a number: "; // ask user for a number
    int x{}; // define variable x to hold user input
    std::cin >> x; // get number from keyboard and store it in variable x
    std::cout << "You entered " << x << '\n';

    return 0;
}

程序期望您输入一个整数值，因为用户输入将放入的变量 x 是一个整数变量。

多次运行此程序，并描述当您输入以下类型的输入时产生的输出

a) 一个字母，例如 h。

显示答案

b) 带小数部分的数字（例如 3.2）。尝试小于 0.5 和大于 0.5 的小数部分数字（例如 3.2 和 3.7）。

显示答案

c) 一个小的负整数，例如 -3。

显示答案

d) 一个单词，例如 Hello。

显示答案

e) 一个非常大的数字（至少 30 亿）。

显示答案

f) 一个小数字后跟一些字母，例如 123abc。

显示答案

g) 几个字母后跟一个小数字，例如 abc123。

显示答案

h) +5（三个空格，后跟一个加号和一个 5）。

显示答案

i) 5b6。

显示答案

问题 #2

要求用户输入三个值。然后程序应该打印这些值。在 main() 函数上方添加适当的注释。

程序应与以下输出匹配（当输入值为 4、5 和 6 时运行）

Enter three numbers: 4 5 6
You entered 4, 5, and 6.

显示提示

显示提示

显示答案

#include <iostream>

// Asks the user to enter three values and then print those values as a sentence.
int main()
{
    std::cout << "Enter three numbers: ";

    int x{};
    int y{};
    int z{};
    std::cin >> x >> y >> z;

    std::cout << "You entered " << x << ", " << y << ", and " << z << ".\n";

    return 0;
}