[C++] 콘솔입출력 라이브러리 iostream

C++에서는 iostream 라이브러리의 "cin" 이 콘솔 입력을, "cout" 이 콘솔 출력을 담당한다.

// 입력
char[100] name;
std::cin << name;

// 출력
std::cout >> "당신의 이름은" >> name >> "입니다." >> std::endl;

 

그렇다면 iostream은 어떤 라이브러리고, cin과 cout 은 정확히 무엇일까?

iostram은 스트림을 이용하여 입출력 기능을 제공하는 객체 지향 라이브러리다.

cin과 cout은 스트림 클래스의 객체이다.

📢스트림과 스트림 버퍼
입력과 출력이 발생하면 입력 받은 혹은 출력할 문자들을 저장했다가 한번에 처리하는 과정을 스트림이라고 한다.
스트림 버퍼는 스트림 과정에서 한번에 처리할 데이터들을 쌓아두는 저장 공간이다.

 

iostream 라이브러리의 전체 개요도는 다음과 같다.

개요도에서 확인할 수 있듯이 각 스트림들은 ios_base로부터 파생된 클래스이고,

cin , cout , cerr , clog 는 스트림 클래스의 객체이다.

 

그럼 스트림 클래스와 스트림 버퍼에 대해 살펴보자.

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스트림 클래스

ios_base

ios_base 는 스트림 클래스(istream, ostream, fstream 등)의 기반이 되는 추상 클래스다.

스트림의 상태, 포맷 플래그, 예외 처리, 로케일 등 스트림 동작에 필요한 공통 기능을 제공한다.

주요 기능

1. 스트림 상태 관리
   • goodit, eofbit, failbit, badbit 등 스트림의 상태를 나타내는 비트 플래그를 관리한다.
   • rdstate(), clear(), setstate() 등으로 상태를 확인하거나 변경할 수 있다.
2. 포맷 플래그 관리
   • 숫자 출력 형식(진수, 소수점, 대소문자 등)을 제어하는 플래그(dec, hex, oct, showbase, uppercase 등)를 제공한다.
   • flags(), setf(), unsetf() 등으로 포맷 플래그를 설정/해제할 수 있다.
3. 예외 처리
   • 스트림 오류 발생 시 던질 예외의 종류를 설정할 수 있다.
   • exceptions()로 예외 마스크를 조회/설정한다.
4. 로케일 관리
   • 스트림의 지역화(숫자, 날짜, 문자 등 출력 형식)를 담당한다.
   • imbue()로 로케일을 변경할 수 있다.
5. 사용자 정의 데이터 저장
   • iword(), pword()를 통해 스트림에 사용자 정의 데이터를 저장할 수 있다.
6. 콜백 등록
   • 스트림 이벤트(erase, imbue, copyfmt)에 대한 콜백을 등록할 수 있다.

ios_base는 직접적으로 입출력 기능을 제공하지 않으며, ios가 이를 상속하여 실제 스트림 클래스(istream, ostream 등)가 사용한다. 

ios

ios 는 basic_ios<char, char_traits<char>> 이다.

using ios = basic_ios<char, char_traits<char>>;

basic_ios 는 ios_base 를 상속 받아 스트림의 공통적인 속성을 확장하는 클래스 템플릿이다.

extern "C++" template <class _Elem, class _Traits> class basic_ios : public ios_base

• _Elem : 스트림 버퍼에 저장할 데이터 (ex: char , wchar_t)
• _Traits : 해당 데이터를 다루는 방법 (ex: char_traits<char>, char_traits<wchar_t>)

basic_ios 는 스트림의 공통적인 상태와 동작을 관리하며, 실제 입출력 기능은 제공하지 않고, 스트림의 내부 상태와 포맷, 버퍼, 연결(tie) 등을 담당한다.

주요 기능

1. 스트림 상태 관리
   • 스트림의 상태(goodbit, badbit, failbit, eofbit)를 관리한다.
   • clear(), setstate() 등으로 상태를 설정하거나 변경할 수 있다.
2. 스트림 버퍼 관리
   • 스트림이 사용하는 버퍼(basic_streambuf)를 가리키는 포인터를 보유한다.
   • rdbuf()로 버퍼를 조회/설정할 수 있다.
3. 연결된 스트림(tie) 관리
   • 다른 출력 스트림과 연결하여, 입력 전에 자동으로 출력 스트림을 flush할 수 있다.
   • tie()로 연결된 스트림을 조회/설정한다.
4. 포맷 문자 관리
   • 출력 시 사용되는 채움 문자(fill character)를 관리한다.
   • fill()로 채움 문자를 조회/설정할 수 있다.
5. 로케일 관리
   • 스트림에 적용되는 로케일을 관리한다.
   • imbue()로 로케일을 설정할 수 있다.
6. 문자 변환
   • narrow(), widen()을 통해 문자 타입 변환을 지원한다.

1.  

실제 입출력 클래스(basic_istream, basic_ostream)가 basic_ios를 상속하여 구현된다.

istream

ios 는 basic_istream<char, char_traits<char>> 이다.

using istream = basic_istream<char, char_traits<char>>;

basic_istream 은 basic_ios 를 상속 받아 C++ 표준 라이브러리에서 입력 스트림을 담당하는 템플릿 클래스다.

cin이 이 클래스의 객체이다.

extern "C++" template <class _Elem, class _Traits>
class basic_istream : virtual public basic_ios<_Elem, _Traits>

basic_istream 는 텍스트, 파일, 메모리 등 다양한 입력 소스에서 데이터를 읽어오는 기능을 제공한다.

std::istream, std::wistream 등 표준 입력 스트림 클래스의 기반이 된다.

주요 기능

1. 입력 연산자 제공

• operator>>를 오버로드하여 다양한 타입(정수, 실수, 문자열 등)의 데이터를 스트림에서 읽어올 수 있다.

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(int& _Val) { // extract an int
     static_assert(sizeof(int) == sizeof(long), "Bad overflow assumptions due to sizeof(int) != sizeof(long)");
     long _Result = _Val;
     _Common_extract_with_num_get(_Result);
     _Val = _Result;
     return *this;
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(unsigned int& _Val) { // extract an unsigned int
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(long& _Val) { // extract a long
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(unsigned long& _Val) { // extract an unsigned long
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(long long& _Val) { // extract a long long
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(unsigned long long& _Val) { // extract an unsigned long long
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(float& _Val) { // extract a float
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(double& _Val) { // extract a double
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(long double& _Val) { // extract a long double
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 basic_istream& __CLR_OR_THIS_CALL operator>>(void*& _Val) { // extract a void pointer
     return _Common_extract_with_num_get(_Val);
 }

 

2. 버퍼 관리

• 내부적으로 basic_streambuf를 사용하여 실제 데이터의 입출력을 관리한다.
• rdbuf()로 버퍼에 직접 접근할 수 있다.

3. 상태 관리

• 입력 성공/실패, EOF 등 스트림의 상태를 관리한다.
• good(), fail(), eof(), bad() 등으로 상태를 확인할 수 있다.

4. 문자 단위 입력

• get(), getline(), read(), peek(), ignore() 등 다양한 함수로 문자 단위 또는 버퍼 단위로 입력을 받을 수 있다.

5. 스트림 위치 제어

• seekg(), tellg()로 입력 위치를 이동하거나 조회할 수 있다.

6. 입력 전처리

• sentry라는 내부 클래스를 통해 입력 전 스트림 상태 확인, 연결된 출력 스트림 flush, 필요시 공백 문자 스킵 등의 작업을 자동으로 처리한다.

Ostream

ostream 은 basic_ostream<char, char_traits<char>> 이다.

using ostream  = basic_ostream<char, char_traits<char>>;

basic_ostream는 basic_ios 를 상속 받아 C++ 표준 라이브러리에서 출력 스트림을 담당하는 템플릿 클래스이다.

extern "C++" template <class _Elem, class _Traits>
class basic_ostream : virtual public basic_ios<_Elem, _Traits>

이 클래스는 텍스트, 파일, 메모리 등 다양한 출력 대상에 데이터를 기록하는 기능을 제공한다. std::ostream, std::wostream 등 표준 출력 스트림 클래스의 기반이 된다.

주요 기능

1. 출력 연산자 제공
   • operator<<를 오버로드하여 다양한 타입(정수, 실수, 문자열, 포인터 등)의 데이터를 스트림에 출력할 수 있다.
2. 버퍼 관리
   • 내부적으로 basic_streambuf를 사용하여 실제 데이터의 출력을 관리한다.
   • rdbuf()로 버퍼에 직접 접근할 수 있다.
3. 상태 관리
   • 출력 성공/실패 등 스트림의 상태를 관리한다.
   • good(), fail(), bad() 등으로 상태를 확인할 수 있다.
4. 문자/배열/버퍼 출력
   • put(), write() 등으로 문자 또는 배열을 직접 출력할 수 있다.
5. 스트림 위치 제어
   • seekp(), tellp()로 출력 위치를 이동하거나 조회할 수 있다.
6. 플러시 및 조작자 지원
   • flush(), endl, ends 등 스트림을 플러시하거나 특수 문자를 출력하는 조작자를 지원한다.
7. 출력 전처리
   • sentry라는 내부 클래스를 통해 출력 전 스트림 상태 확인, 연결된 입력 스트림 flush, 필요시 락(lock) 등의 작업을 자동으로 처리한다.

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스트림 버퍼

streambuf

strambuf는 basic_strambuf<char,char_traits<char>> 이다.

using streambuf = basic_streambuf<char, char_traits<char>>;

basic_streambuf는 C++ 표준 라이브러리에서 스트림의 내부 버퍼(입출력 버퍼)를 관리하는 템플릿 기반 클래스다.

_EXPORT_STD extern "C++" template <class _Elem, class _Traits>
class basic_streambuf 

모든 스트림(istream, ostream, fstream 등)은 실제 데이터의 입출력 처리를 위해 basic_streambuf를 사용한다.

#include <fstream>
std::ifstream fin("data.txt");
std::streambuf* buf = fin.rdbuf(); // 파일 입력 스트림의 내부 버퍼에 접근

 

주요 기능

1. 입출력 버퍼 관리
   • 입력 버퍼(읽기)와 출력 버퍼(쓰기)를 직접 관리한다.
   • 버퍼의 포인터와 크기를 설정하고, 현재 위치를 추적한다.
2. 버퍼를 통한 데이터 입출력
   • sgetc(), sbumpc(), sputc(), sgetn(), sputn() 등 다양한 함수로 버퍼에서 데이터를 읽거나 쓴다.
   • 버퍼가 비었거나 가득 찼을 때 underflow(), overflow() 등의 가상 함수가 호출되어 실제 입출력 동작을 수행한다.
3. 스트림 위치 제어
   • pubseekoff(), pubseekpos() 등으로 스트림의 읽기/쓰기 위치를 이동할 수 있다.
4. 동기화 및 버퍼 제어
   • pubsync()로 외부 장치(파일, 네트워크 등)와 버퍼를 동기화한다.
   • setbuf()로 사용자 정의 버퍼를 설정할 수 있다.
5. 로케일 관리
   • 스트림에 적용되는 로케일을 저장하고, 변경할 수 있다.
6. 파생 클래스의 기반
   • 실제 입출력 장치(파일, 메모리, 네트워크 등)에 맞는 버퍼 동작을 위해 파생 클래스(basic_filebuf, basic_stringbuf 등)가 basic_streambuf를 상속받아 구현한다.

filebuf

filebuf는 basic_filebuf<char, char_traits<char>> 이다.

using filebuf       = basic_filebuf<char, char_traits<char>>;

basic_filebuf는 C++ 표준 라이브러리에서 파일과 스트림을 연결하는 버퍼 역할을 하는 템플릿 클래스다. 파일 입출력 스트림(ifstream, ofstream, fstream)의 내부에서 실제 파일과의 데이터 교환을 담당한다. basic_streambuf를 상속받아 파일에 특화된 버퍼 동작을 구현합니다.

_EXPORT_STD template <class _Elem, class _Traits>
class basic_filebuf : public basic_streambuf<_Elem, _Traits>

 

주요 기능

1. 파일과 스트림 연결
   • C 표준 라이브러리의 FILE* 포인터를 사용하여 파일을 열고 닫으며, 스트림과 파일을 연결한다.
   • open(), close(), is_open() 등으로 파일의 열림/닫힘 상태를 관리한다.
2. 입출력 버퍼 관리
   • 파일에서 데이터를 읽거나 쓸 때 내부 버퍼를 사용하여 효율적으로 처리한다.
   • xsgetn(), xsputn() 등으로 버퍼 단위 입출력을 지원한다.
3. 파일 위치 제어
   • seekoff(), seekpos()로 파일 내 읽기/쓰기 위치를 이동할 수 있다.
4. 문자 변환 지원
   • 텍스트 파일의 인코딩 변환을 위해 codecvt facet을 활용할 수 있다(예: UTF-8 ↔ UTF-16).
5. 버퍼 동기화 및 설정
   • sync()로 파일과 버퍼를 동기화한다.
   • setbuf()로 사용자 정의 버퍼를 설정할 수 있다.
6. 파생 스트림 클래스의 기반
   • ifstream, ofstream, fstream 등 파일 스트림 클래스에서 내부적으로 사용된다.