Computing

[C++] C++ Standard Library part2. File I/O streams / Strings / Containers

ysk1m 2025. 3. 19. 23:42

File I/O Streams

<fstream> 헤더 파일의 ifstream(input file stream) class와 ofstream(output file stream) class를 이용하여 File input과 output을 관리한다.

File I/O는 standard I/O와 유사한 점이 많다.

File I/O Streams-Reading

data.txt를 읽기 위해 ifstream file객체를 지정한다.

std::ifstream file("data.txt");

file이 정상적으로 열렸나 판단한다.

file.is_open()

파일을 line단위로 읽기 위해 getline을 사용한다.

std::string line;
while (std::getline(file, line)) {
std::cout << line << std::endl;
}

string인 line를 지정하고, getline에 file에는 ifstream을 입력하고 line에는 앞서 지정한 line을 입력한다.

이후 cout을 통해 출력한다.

file.close();
return 0;

모든 작업을 마치면 파일을 닫는다.

여기서 return 값을 0으로 반환하는 이유는 C++에서는 main 함수는 정수형(int)을 반환해야 하는데, 이 반환 값을 보고 정상적으로 작동했는지 아닌지 판단한다.

0을 반환할 경우: 성공적으로 읽고 file을 닫은 경우

1을 반환할 경우: file을 읽는 것을 실패한 경우

 

초반에 ifstream은 iostream과 비슷한 부분이 많다고 했다.

std::ifstream file("data.txt");
int number;
while (file >> number) {
    std::cout << number << std::endl;
}
file.close();
/*
Output:
1
2
3
*/

iostream처럼 입력 버퍼에서 공백(space, tab, \n)을 만나기 전까지 데이터를 읽는다.

따라서 먼저 1을 읽고 공백을 만나 number=1이 돼서 출력된다.

그다음 2를 읽고 개행(\n)을 만나 number=2가 출력되고 마지막으로 3을 읽는다.

 

File I/O Streams-Writing

파일에 쓰기 위해 다음과 같이 연다.

std::ofstream file("output.txt");

file이 제대로 열렸는지 판단한다.

file.is_open();

cout에서 썼던 것처럼 동일하게 입력하고자 하는 것을 write 한다.

file << "Hello, Data Science!" <<std::endl;

file.close()를 통해 잘 닫혔는지 판단한다.

file.close();

 

Strings

C언어에서는 하나의 char로 구성된 array로 표현했다.

예를 들어 abc인 경우 {'a', 'b', 'c', \0}이다.

 

반면 C++에서는 string class을 통해 dynamic array을 사용하여 sequence of characters을 다룰 수 있다.

String은 내부적으로 다음과 같은 정보를 관리한다.(주로 stack이 아닌 heap에 저장함)

  • Data: 문자열을 저장하는 char array(contiguous memory block)을 가리키는 Pointer
  • Size: 현재 문자열의 길이
  • Capacity: 문자열이 저장될 수 있는 총 공간 크기

String에 새로운 문자를 추가할 때, capacity를 초과하면 내부 배열이 더 큰 메모리 블록으로 reallocation을 한다.

이러한 String을 사용하기 위해서는 #include <string>을 추가한다.

Strings-Initialization

문자열을 초기화하는 방법은 다음과 같이 두 가지 방법이 있다.

#include <string>

int main(){
	std::string str1; //Empty
    std::string str2("String2");
    std::string str3="String3";
    
    return 0;
    }
  • Direct initialization

생성자를 호출할 때 괄호를 이용한다.

생성자를 직접 호출하기 때문에, explicit 생성자라도 호출이 가능하다.

  • Copy initialization

등호를 이용하여 객체를 초기화한다.

등호를 이용할 경우 compiler가 implicit 하게 적절한 생성자를 호출한다.

단, explicit 생성자일 경우 copy initialization을 할 수없다.

 

따라서, Direct initialization가 가독성 및 안정성 측면에서 더 좋아 보인다.

Strings-Concatenation

Srings은 + Operator를 이용하여 concatenation을 할 수 있다.

string firstName="Data";
string lastName="Scientist";
string fullName=firstName + " " + lastName;
cout << fullName << endl; //Output: Data Scientist

또한, String은 += Operator를 이용하여 append을 할 수 있다.

string name "Data";
name+=" Scientist";(또는 name.append(" Scientist"))
cout << name << endl;

Strings-Comparison

String은 ==,!=,<,> 연산 또는 compare 메서드를 통해 비교할 수 있다.

순서는 lexicographical(사전식 가나다 순, 알파벳 순)으로 정해진다. 

a가 b보다 작은 것이다.

추가로, 대/소문자를 구분해야 한다.

string str1="Apple"
string str2="Banana"

if(str1==str2){...}  
elif(str1>str2){...}
elif(str1<str2){...}

cout << str1.compare(str2);// str1이 str2보다 작으니깐 -1
cout << str2.compare(str1);// str2이 str1보다 크니깐 +1
cout << str1.compare(str1);// str1과 str1이 같으니깐 0

 

compare 메서드는 compare 앞을 기준으로 크기를 비교한다.

Strings-Finding Substrings

find 메서드를 이용하여 string에서 substring의 위치를 찾는다.

위치는 첫 character의 index정보다.

C++도 python과 마찬가지로 indexing이 0부터 시작한다.

find 메서드

string fullName="Data Science";
size_t pos= fullName.find("Science");
if (pos != string::npos){
	cout << "Found 'Science' at position:"<<pos<<endl;
    }

size_t는 새로운 data type으로 unsigned integer이다.

주로 size나 count를 표현한다.

npos는 상수 값으로 size_t의 최댓값이다. 

이 값은 문자열을 끝까지 확인할 때 substring이 존재하는지 판단하기 위해서이다.(fine 메서드는 찾는 것을 실패하면 string::nps를 반환)

pos가 size_t의 최댓값인 npos와 같은 경우가 없으면 찾으려는 게 없는 것이다.

substr(position, length) 메서드

index position에서 시작해서 length만큼 출력한다.

string str="Data Science";
cout << str.substr(5,3);

output으로 index가 5인 S로부터 S를 포함하여 3개만큼 출력하면 "Sci"가 출력된다.

 

Strings-Replacing Substrings

replace(start, length, replacement) 메서드

string str="Data Science";
string replacedString=str.replace(0,4,"Bio");
cout << replacedString << endl;

output으로 index가 0인 D로부터 D를 포함하여 4개만큼 "Data"를 "Bio"로 replace 한다.

 

Strings-Conversion

각각 string을 정수로 실수형으로 변형한다.

std::string number="42";
int intNum=std::stoi(number);
double doubleNum=std::stod(number);

 

반대로 숫자를 string으로 변경할 경우이다.

double doubleValue=123.456;
std::string doubleStr=std::to_string(doubleValue);

Strings-Memory

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string myString = "Hello, World!";
    cout << "Initial Size: " << myString.size() << endl; // 13
    cout << "Initial Capacity: " << myString.capacity() << endl; // 예: 22
    cout << "Initial Memory Address: " << (void*)myString.c_str() << endl;
    //0x7ff7b33eb241

    // 작은 문자열 추가 (용량 내 추가)
    myString += "!";
    cout << "\nAfter small append:" << endl;
    cout << "Size: " << myString.size() << endl; // 14
    cout << "Capacity: " << myString.capacity() << endl; // 여전히 22
    cout << "Memory Address: " << (void*)myString.c_str() << endl; // 0x7ff7b33eb241

    // 큰 문자열 추가 (용량 초과로 재할당 발생)
    myString += " A large string";
    cout << "\nAfter large append:" << endl;
    cout << "Size: " << myString.size() << endl; // 증가된 값 (예: 29)
    cout << "Capacity: " << myString.capacity() << endl; // 증가된 값 (예: 47)
    cout << "Memory Address: " << (void*)myString.c_str() << endl; // 0x7ff2b6f05e30
    return 0;
}
  • myString에 "!"만 추가했을 때: capacity가 변하지 않는다. > 실제 데이터를 담고 있는 내부 배열의 시작 주소:0x7ff7b33eb241
  • myString에 "A large string"을 추가했을 때: capacity 변함> 실제 데이터를 담고 있는 내부 배열의 시작 주소:0x7ff2b6f05e30

이처럼 새로운 문자를 추가할 때, capacity를 초과하면 더 큰 memory로 reallocation을 한다.

c_str() 메서드

(void*)myString.c_str()

이 코드에 대해 더 자세하게 살펴보면

(void*)로 캐스팅하여, 문자열로 해석하지 않고(값이 integer든 double이든 상관없이) 메모리 주소를 출력한다.

.c_str()을 통해 실제 데이터를 담고 있는 내부 배열의 시작주소를 반환한다.

Stringstreams

String을 stream처럼 취급하여, file I/O나 console I/O와 유사하게 읽고 쓸 수 있는 것이다.

<sstream> header를 이용한다.

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>

int main(){
	std::stringstream parser("42,3.14,Hello World");
    int intValue;
    double doubleValue;
    std::string strValue;
    char ignoreChar;
    
    parser >> intValue >> ignoreChar >> doubleValue >> ignoreChar;
    std::getline(parser,strValue);
    std::cout<<"Integer: "<< intValue <<",Double: "<< doubleValue <<", String: "<<strValue << std::endl;
    
    return 0;
    
    }

특히 여기서 "Hello World"는 line이기 때문에 문장 전체를 읽을 수 있게 getline을 이용한다.

string을 stream처럼 공백 또는 comma를 만났을 때, 다음으로 넘어간다.

intValue와 doubleValue에 각 type에 따라 저장되게 하고 ignoreChar에는 comma가 저장되게 한다.

#include <iostream>
#include <sstream>

int main(){
	std::stringstream ss; //stringstream을 초기화
    ss << 100;
    ss << 3.14;
    ss << "Hello";
    
    cout >> ss.str() >> std::endl;
    
    return 0;
    }

<< 연산자를 통해 데이터를 추가한 후, str() 메서드로 stream 내의 전체 string을 출력한다.

주의할 점은 stringstream 객체에서 읽기와 쓰기를 혼합하면 안 된다. 

 

Containers

Vector

Python의 List와 비슷한 것으로 dynamic-size arrays를 encapsulate 한 sequence container다.

  • contiguous storage
  • random access: position index를 통해 element에 바로 접근할 수 있다.(list처럼) 따라서, 끝에 있는 원소에 대해서 insertion과 deletion이 몹시 효율적이다.
  • resize automatically

Vector는 대략 이렇게 생겼다.

Vector-Initialization

Vector를 사용하기 위해서는 #include <Vector> 헤더를 포함해야 한다.

Vector는 하나의 type만 element로 가질 수 있다.

std::vector<int>
std::vector<std::string>

이런 식으로 int인지 string인지 정해야 한다.

#include <iostream>
#include <vector>

int main(){
	std::vector<int> vec1={1,2,3,4,5}; //1번
    
    int arr[]={6,7,8,9,10};
    std::vector<int> vec2(std::begin(arr), std::end(arr));//2번
    
    std::vector<int> vec3(5,100);//3번
    
    return 0;
    }
  • 1번: 직접적으로 할당한다.
  • 2번: 정수형 배열 arr을 선언하고 5개의 요소를 초기값으로 정한다. begin(arr)와 end(arr)로 첫 번째 요소를 가리키는 포인터와 마지막 요소를 가리키는 포인터를 반환한다. vec2에 begin pointer부터 end pointer까지의 element들을 복사한다.
  • 3번: 직접 명시하는 것으로 크기가 5이고 element가 100으로 vector를 초기화한다.

여기서 엄밀히 말하면 pointer가 아니라 iterator이다.

유사하게 작동하고 좀 더 익숙한 언어여서 사용했다. 정확히는 iterator다.

Vector-insertion

다음과 같이 헤더파일을 불러오고 vec라는 vector를 초기화한 다.

#include <iosream>
#include <vector>
using namespace std;

int main(){
	vector<int> vec={1, 2, 3, 4, 5};

6을 뒤에 넣는다.

vec.push_back(6); //{1,2,3,4,5,6}

index를 이용하여 값을 replace 한다.

여기서 인덱스 2(value는 3)인 곳을 100으로 교체한다.

vec[2]=100;//{1,2,100,4,5,6}

insert() 메서드를 이용해서 값을 넣으면

insert(주소값(pointer, iterator), 넣을 값)

vec.begin()을 통해 가장 첫 번째 element에 접근하고 거기에 1을 더하므로 2번째 위치가 된다.

2번째 위치에 20을 넣으면 된다.

vec.insert(vec.begin()+1,20);//{1,20,2,100,4,5,6}

vector의 size를 벗어나는 index에 집어넣으려 하면 undefined behavior를 야기한다.

이는 어떤 동작도 보장하지 않는 것으로 컴파일러나 실행 환경에 따라 예측할 수 없는 결과가 발생한다는 것이다.

cout << vec.at(1) << endl;
cout << vec[1] <<endl;

두 코드 모두 인덱스 1인 위치에 있는 데이터(두 번째)를 출력한다.

단, vec.at()은 element에 접근할 때 범위검사를 수행해 인덱스가 유효하지 않는다면, out of range 예외처리하여 안전하게 오류를 처리할 수 있다.

그러나 vec []은 단순히 지정한 element에 접근하는데, 잘못 접근할 경우 undefined behavior가 발생할 수 있다.

Vector-Deletion

Vector insertion과 비슷한 부분이 많다.

가장 마지막 element를 제거할 수 있다.

vector<int> vec={10, 20, 30, 40, 50};

vec.pop_back();// vec={10, 20, 30, 40}

vec.erase(vec.begin()+2);

vec insertion과 마찬가지로 vec.begin()으로 3번째 원소에 접근할 수 있다.

여기서 Vector만 +operator를 통해 iterator를 이동시킬 수 있는 것이다.

container에 따라 달라질 수 있다.

 

vec.begin()을 pointer 또는 iterator라 말하는데 원래는 iterator가 맞다.

 

중간에 있는 element를 지우면 당연히 앞으로 한 칸씩 shift 한다.

capacity는 그대로이고 size는 감소한다.

 

Vector의 기능에 대해 요약하면

Iteration

Range-Based For Loops

Python의 for... in.. 구문과 기본적으로 비슷하다고 생각하면 된다.

for (declaration : range)
statement;

주로 auto keyword를 이용하여 declaration을 한다.

auto기능은 element의 type을 자동으로 추론하는 것이다.

단, 주의해야 할 점은 data type을 자명하게 추론할 수 있을 때 사용해야 한다.

int main(){
	vector<int> vec={1,2,3};
    for(int val : vec){		// vec이 range이고 int val로 declaration을 함
    	cout << cal <<endl;
        }
    for(auto val : vec){       //auto기능을 사용한 경우
    	cout << val <<endl;
        )
        return 0;
   }

 

Iterators

iterators는 container의 요소(std::vector, std::list, std::map)들을 순차적으로 접근할 수 있도록 해주는 객체이다.

pointer와 기능적으로 비슷하게 작동한다.

하지만 모든 iterator가 pointer는 아니다.

 

vec.begin()과 vec.end()에 대해 살펴보겠다.

begin은 첫 번째 element을 가리키는 iterator를 반환하고, end는 마지막 element의 바로 뒤를 가리키는 iterator를 반환한다.

C++에서는 반복 구간을 [begin, end)으로 half-open range로 설정한다.

따라서 end를 element 바로 뒤를 가리키게 하면 vec의 마지막 원소까지 단순한 구간처리로 출력할 수 있다.

vector<int> vec={1, 2, 3, 4, 5};

for(auto it=vec.begin(); it !=vec.end(); ++it){
	cout << *it << endl;
    }

여기서도 it을 auto로 설정하여 type을 자동으로 추론한다.

처음 element부터 마지막 element까지 방문하고 ++i를 통해 다음 요소로 이동한다.

pointer와 마찬가지로 *을 통해 it가 가리키는 element를 참조한다.

Finding Elements

container에서 element를 찾는다.

std::find는 만약 target element가 있으면 target element를 가리키는 iterator를 반환한다.

발견하지 못한다면, 마지막 element의 바로 뒤를 가리키는 iterator를 반환한다.

 

예시를 보면서 더 알아보자.

먼저, find를 쓸 수 있게 <algorithm> 헤더를 include 한다.

vec를 initialization을 하고 세팅을 마친다.

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm> //std ::find를 위해서

int main(){ 
	std::vector<int> vec={1, 2, 3, 4, 5};

 

다음은 find에 대해 구현한 것이다.

auto를 통해 type을 자동으로 설정하고 vec.begin()부터 vec.end()까지 접근하여 3일 때의 iterator를 it에 반환한다.

만약 3이 없으면 마지막 element의 뒤를 가리키는 iterator를 it에 반환한다.

auto it =std::find(vec.begin(),vec.end(),3);

it을 찾았다면 std::distance 함수를 이용하여 val(찾고자 하는)의 iterator가 가리키는 곳과  begin()의 iterator가 가리키는 첫 번째의 거리를 구할 수 있다.

이 값이 index이다.

if(it !=vec.end()){
	std::cout <<"Found 3 at index: " << std::distance(vec.begin(), it) << std::endl;}
    else{std::cout <<"Element 3 not found." << std::endl;}
            return 0;
            }

 

Accumulating Elements

container의 element의 합을 구하기 위해 std::accumulate 함수를 사용한다.

이 함수는 총합을 return 한다.

#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric>

int main(){
	std::vector<int> vec={1, 2, 3, 4, 5};
    
    int sum=std::accumulate(vec.begin(),vec.end(),0);
    
    std::cout << "Sum: " <<sum<<std::endl;
    
    return 0;
    
    }

accumulate 함수를 쓰기 위해 <numeric> 헤더를 include 해야 한다.

accumulate 함수는 초깃값을 정해주고 iterator를 방문하면서 덧셈을 진행한다.