C++中cin对象输入失败时为何可判定为false且能调用成员函数

以下代码片段摘自C++ Iostreams Handbook by Steve Teale，其思路是通过死循环调用cin，持续提示用户输入正确内容，仅当输入合法时才退出循环。
该代码运行正常，但我对if(cin){...}语句存在疑惑，原本认为此处应该写为if(!cin.fail()){...}。

#include <limits.h>
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
  int n;
  cin.unsetf(ios::skipws);
  // 关闭空白字符跳过功能
  
  cout << "Enter a value for n, followed by [Enter]: " << flush;
  
  for(;;) {
    cin >> n;
    if(cin) { // cin处于良好状态，输入合法
      cin.ignore(INT_MAX, '\n');
                // 清除多余的换行符
      break;
    }

    // 提问者注释（非原作者内容）
    // 此代码段中cin判定结果为false
    //
    cin.clear(); // 清除错误状态
    cin.ignore(INT_MAX, '\n');
                 // 清除非法输入的垃圾字符
    cout << "That was no good, try again: " << flush;
  }

  return 0;
}

问题 #

cin是流对象，不是可被设置为null的指针，为什么输入失败时cin会被判定为false（即等效于0或空值）？而且在cin判定为false的代码段中，我们仍然可以调用clear、ignore这类成员函数，这是如何实现的？

解答 #

这两个问题本质都和C++标准库对流类的设计逻辑有关：

• 首先解释if(cin)能直接判定真假的原因：C的所有标准流类（包括std::istream、std::ostream等）都自定义了显式布尔类型转换函数explicit operator bool() const。当你把流对象放在if、while这类需要布尔值的语境里时，编译器会自动调用这个转换函数，返回流的状态是否正常：只要流的failbit（输入输出操作失败，比如类型不匹配）和badbit（流发生不可逆损坏）都没有被置位，就返回true，否则返回false。这个设计本身就是为了简化流状态判断的代码，if(cin)和你认为的if(!cin.fail())效果完全一致，属于标准提供的语法糖。
  补充说明：在C11标准之前，流类实现的是转换到void*的运算符，判定逻辑和现在的布尔转换完全一致，这也是为什么有些旧代码里会出现if(cin != NULL)这种写法的原因，本质都是判断状态位，和对象本身是否为指针、是否为空没有任何关系。
• 第二个问题，判定为false还能调用成员函数的原因：operator bool()返回false仅仅代表流的内部状态标志位被设置为错误状态，完全不影响cin对象本身的有效性。cin是程序启动时就初始化的全局istream类实例，整个程序运行周期内都合法存在，当然可以正常调用它的成员函数。clear()方法的作用就是重置流的内部状态标志位为正常状态，之后流就可以继续执行读写操作了。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Sandeep