展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows macOS软件 IOS软件 Android AI PDF教程 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > C++的IO流与STL的空间配置器详解

C++的IO流与STL的空间配置器详解

C++的IO流 聊到C++的输入输出,cin和cout这对黄金搭档肯定是绕不开的。它们的运作机制,其实可以想象成数据和设备之间的“流动”:cin >>,就像数据从输入设备(比如键盘)流进变量里;而cout x和cout >()和operator x; cin.operator>>(x);// 跟上面

C++的IO流

聊到C++的输入输出,cincout这对黄金搭档肯定是绕不开的。它们的运作机制,其实可以想象成数据和设备之间的“流动”:cin >>,就像数据从输入设备(比如键盘)流进变量里;而cout <<,则是变量里的数据反向流到输出设备(比如屏幕)。这个“流”的比喻,是不是很形象?

istream/ostream

说白了,cin是标准库里一个istream类型的全局对象,cout则是一个ostream类型的全局对象。有意思的是,iostream这个类同时继承了istreamostream,所以用它实例化的对象,天生就能输入又能输出。

C++的IO流与STL的空间配置器详解

我们写的cin >> xcout << x,本质上就是在调用它们各自的operator>>()operator<<()方法。就像这样:

int x;
cin >> x;
cin.operator>>(x);// 跟上面这行完全等价
cout << x;
cout.operator<<(x);// 也完全等价

为什么用cincout不用像C语言里的scanfprintf那样手动指定类型?秘密就在这里:cin>>cout<<,对C++里的每一种内置类型都做好了重载,编译器会自动匹配,省心不少。

int x;
while(cin >> x)
{
    //
}

像上面这段代码,能保证有数据输入时就一直在循环里处理,直到你输入Ctrl + Z(EOF标志)才跳出。这背后的功臣,是istream类重载了一个叫operator bool的方法。它允许流对象在布尔上下文中自动转换为bool值,cin >> x这个表达式返回的本该是istream&类型,但因为有了这个转换,才能被while当作判断条件。

C++的IO流与STL的空间配置器详解

ifstream/ofstream

想把数据存到文件里,或者从文件里读出来,就得靠ifstreamofstream这对兄弟了。ifstream只管读,ofstream只管写。如果你需要读写兼顾,直接用fstream就行。

// 默认模式是 out,即以输出模式打开文件
ofstream ofs("text.log"/*,ios::out*/);// 相当于 C 的 fopen("text.log","w");
ofs << "eee";// 写入字符串
ofs.close();// 别忘了关闭文件

// 默认模式是 in,即以输入模式打开文件
string str;
ifstream ifs("text.log"/*,ios::in*/);// 相当于 C 的 fopen("text.log","r");
ifs >> str;// 从文件读取到 str
cout << str;

如果不想在构造函数里就指定文件,也可以等一等,后面再用open()方法来打开:

ofs.open("text.log"/*,ios::out*/);
ifs.open("text.log"/*,ios::in*/);

这里有个关键点:ofstream<<写进去的是文本。比如你写ofs << 123,文件里存的是字符'1'、'2'、'3'的ASCII码。而ofstreamwrite()方法则是写入二进制数据,比如ofs.write(123),写入的就是整型123在内存里的4字节二进制值(小端序,即 0x7B 0x00 0x00 0x00)。

反过来也一样,ifstream>>只能读文本。要是当初用二进制写入,读取时也得用二进制,这时就得用read()方法,而且在打开文件时必须指定模式ios::binary,明确告诉系统“我是以二进制方式打开”。

ifstream/ofstream>>/<<用法有一个很实在的好处:当你想把数字型数据转成字符串格式写进文件时,不用再费事去调用tostring()之类的函数了,它直接帮你搞定。

info student("张三",20);
ofstream ofs("text.log");
ofs << student._name << endl;
ofs << student._age << endl;// 数字直接写进去,不用再转成字符串
ofs.close();

info s;
ifstream ifs("text.log");
ifs >> s._name;
ifs >> s._age;
cout << s._name << ' ' << s._age << endl;

再补充一点:fstream继承自iostream,而iostream又继承了ifstreamofstream。所以用fstream创建的对象,天然就可读可写。

istringstream/ostringstream

这两个类专门用来在字符串和数据之间做转换。istringstream可以从字符串中读取数据,是输入流,适合做字符串解析和类型转换;ostringstream则向字符串里写入数据,是输出流,适合做格式化拼接和类型转换。

想把不同类型的数据都拼成一个字符串?用ostringstream。想把一个字符串拆回不同的基本类型?用istringstream

// 序列化(把数据变成字符串)
info student("张三",20);
ostringstream ost;
ost << student._name << endl;
ost << student._age << endl;

// 反序列化(从字符串恢复数据)
info st;
istringstream ist;
ist.str(ost.str());// 把序列化后的字符串喂给 istringstream
ist >> st._name >> st._age;
cout << st._name << ' ' << st._age << endl;

stringstream继承自iostream,而iostream又继承了istringstreamostringstream,所以stringstream是个双向流,既能解析又能拼接,在网络通信中常用于字符串的拼接与解析,非常方便。

空间配置器

STL的空间配置器,简单理解就是一个内存池。它的任务是为各种容器分配内存,核心目标是避免频繁向系统申请内存带来巨大的效率开销。这本质上是一种典型的空间换时间策略——池化技术最大的代价就是不用的时候也占着资源。空间配置器分为一级和二级两种。

一级空间配置器

一级空间配置器说白了就是对malloc和free的一层封装,并加上了分配失败时抛异常的机制。当malloc失败时,它会先检查使用者有没有设置失败处理函数(一个函数指针),有的话就执行;没有的话,就抛异常。默认情况下,这个函数指针是空的,所以跟operator new的行为基本一致:失败就抛异常。

一个重要的分界线:要申请超过128字节的内存块时,会优先使用一级空间配置器。如果内存需求在128字节以内,则交给二级空间配置器处理。

二级空间配置器

二级空间配置器,就是那个真正的内存池了。

C++的IO流与STL的空间配置器详解

当容器需要内存时,内存池直接划出一块给它。但问题来了:容器用完归还的时候,不能零散地释放这一小块,必须整块归还,能申请多大就得还多大。为了管理这些已归还的空闲小块内存,二级空间配置器引入了哈希桶(开散列)结构。

哈希桶的索引以8字节为间隔,从8字节一直排到128字节。当容器归还内存时,会根据内存块的大小,把它挂在对应索引的桶下面。之后如果有新容器来申请内存,会先在哈希桶里找找看有没有现成的、大小匹配的空闲内存块。

C++的IO流与STL的空间配置器详解

如果哈希桶里没有现成的,需要从内存池里新申请内存时,它也不会只抠出用户要的那个字节数,而是直接切出20个该对象的所需内存,把1个返回给容器,剩下的19个全部挂到哈希桶下面,以备后用。

因为容器常申请的都是小块内存,二级空间配置器正是为解决这个痛点而生的。通过这种批量预分配的策略,它显著减少了向系统申请内存(系统调用)的频率,从而在频繁申请小块内存的场景下大幅提升性能。

一个进程里只有一个空间配置器实例,进程中所有容器需要内存时,都得找它申请。

内存碎片问题

内碎片

在二级空间配置器里,如果你申请的不是8字节的整数倍,它会自动向上对齐到8字节的整数倍。这样一来,用来对齐的那几个字节就白白浪费了,这就是内碎片问题。

外碎片

在堆上反复申请和释放多个小块内存后,即便归还了一些空间,它们也可能不是连续的。

C++的IO流与STL的空间配置器详解

图上紫色的区域表示已释放。假设现在需要申请48字节,即使之前释放的两块内存加起来有48字节,但因为是不连续的,所以不能用它们来分配。这就是外碎片问题。正是为了解决这个问题,才专门为STL容器(它们总是申请小块内存)设计了空间配置器来统一管理内存。

话说回来,操作系统内核里也有一个叫做slab分配器的机制来应对小块内存的碎片化问题,它的结构跟二级空间配置器很相似。那为什么STL不直接用它,还要自己搞一套?

  • 内核的分配器是为系统中所有程序服务的,每个程序都去内核申请内存,开销非常大。
  • STL容器的需求非常集中,全部是小块内存,且大小规整。自己量身定做一个分配器,效率反而更高,顺便也把外碎片问题解决了(当然,内碎片问题依然存在)。
本文内容来源于互联网,如有侵权请联系删除。
作者最新文章
编程开发
相关文章 更多
精品专题 更多
本月促销

正软商城本月促销专区,汇集办公、设计、安全、影音、系统工具及AI软件等正版软件优惠活动,提供限时折扣、特价授权和优惠购买信息,活动库存及价格以页面实时展示为准。

装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

IOS软件

正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

AI

正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

PDF教程

正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

Mac软件 更多
灵活计算器
灵活计算器

灵活计算器是一款笔记式算数应用,支持实时计算、动态关联和云端同步功能。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

赤友清理大师
赤友清理大师

赤友清理大师是一款为 Mac 设计的智能清理优化工具,可精准扫描垃圾、大文件、重复文件等,释放磁盘空间。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

极度公式
极度公式

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

图几
图几

图几是一款适用于 macOS 的截图、标注与美化工具,支持离线操作保障隐私。界面整理和高频系统操作被放到一起考虑,桌面或窗口内容一多时,管理起来会更省心。

密码键盘
密码键盘

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

思源笔记
思源笔记

思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

Office 365 简体中文
Office 365 简体中文

一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

WALTR PRO
WALTR PRO

WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

CodeExpander
CodeExpander

CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。

Mountain Duck
Mountain Duck

Mountain Duck 是一款能将多个网盘挂载到本地的工具,像本地磁盘一样使用网盘。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

Menuist
Menuist

Menuist 是一款面向 macOS 的 Finder 右键菜单增强工具,主要用来补充新建文件、快捷导航等常用操作,让日常文件管理和访问路径时更高效、更顺手。

Mole
Mole

Mole 是一款专为 Mac 设计的深度清理优化工具,涵盖缓存清理、应用管理及实时状态监控等功能。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

WINDOWS 更多
Windows 10
Windows 10

Windows 10 是一款微软推出的经典操作系统,拥有硬件兼容性与多任务处理能力。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

极度公式
极度公式

极度公式是一款跨平台专业LaTeX公式识别编辑软件,支持OCR公式识别和多平台编辑。和使用说明,避免使用,享受完整功能与稳定支持。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

密码键盘
密码键盘

密码键盘是一款兼具安全性与便捷性的高效密码管理器。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

思源笔记
思源笔记

思源笔记是一款本地笔记软件,提供所见即所得的编辑方式,为长文写作带来顺滑的体验。记录、整理和输出之间的过渡会更自然,适合长期写作、做笔记或持续沉淀个人内容。

傲梅轻松备份
傲梅轻松备份

傲梅轻松备份是一款专业易用的数据备份软件,为重要数据提供安全保障。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

Office 365 简体中文
Office 365 简体中文

一款文字处理软件,一种订阅式的跨平台办公软件,基于云平台提供多种服务,通过将 Excel 和 Outlook 等应用与 OneDrive 和 Microsoft Teams 等强大的云服务相结合,Office 365 可让任何人使用任何设备随时随地创建和共享内容。

Wise Folder Hider Pro
Wise Folder Hider Pro

Wise Folder Hider Pro 是一款专业级文件和文件夹隐藏加密软件,为私密数据添加多重保护。高频操作更强调就近处理,浏览、整理和跨目录移动文件时,来回切换和重复点击都会少很多。

WALTR PRO
WALTR PRO

WALTR是一款电脑至iOS文件传输转换工具,操作简单,快速实现文件识别与传送。做扫描整理、文字提取和表格转换时,它能把识别后的处理步骤接得更顺,资料录入这类场景会省下不少时间。

CodeExpander
CodeExpander

CodeExpander 是一款快捷短语输入增强工具,通过键入缩写自动展开为自定义文段,提升工作效率。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。

PinStack
PinStack

PinStack是一款轻量级的Windows平台剪贴板管理工具,优化您的剪贴板使用体验。它更偏向把系统状态查看和常用调节动作放在一起,适合需要持续观察和微调设备状态的场景。

Mountain Duck
Mountain Duck

Mountain Duck 是一款能将多个网盘挂载到本地的工具,像本地磁盘一样使用网盘。清理链路的完整性会更好一些,做应用卸载、残留处理和空间整理时,通常能少走很多手动排查步骤。

Seer
Seer

Seer是一款在Win平台下的空格键功能增强效率工具,只需轻敲空格键,就能预览几乎任何格式的文件。它更适合把零散的小功能集中起来使用,处理高频琐碎任务时会更省事。