Потоки

Язык C++ не обеспечивает средств для ввода/вывода. Ему это и не нужно; такие средства легко и элегантно можно создать с помощью самого языка. Описанная здесь стандартная библиотека потокового ввода/вывода обеспечивает гибкий и эффективный с гарантией типа метод обработки символьного ввода целых чисел, чисел с плавающей точкой и символьных строк, а также простую модель ее расширения для обработки типов, определяемых пользователем. Ее пользовательский интерфейс находится в . В этой главе описывается сама библиотека, некоторые способы ее применения и методы, которые использовались при ее реализации.

8.1 Введение

Разработка и реализация стандартных средств ввода/вывода для языка программирования зарекомендовала себя как заведомо трудная работа. Традиционно средства ввода/вывода разрабатывались исключительно для небольшого числа встроенных типов данных. Однако в C++ программах обычно используется много типов, определенных пользователем, и нужно обрабатывать ввод и вывод также и значений этих типов. Очевидно, средство ввода/вывода должно быть простым, удобным, надежным в употреблении, эффективным и гибким, и ко всему прочему полным. Ничье решение еще не смогло угодить всем, поэтому у пользователя должна быть возможность задавать альтернативные средства ввода/вывода и расширять стандартные средства ввода/вывода применительно к требованиям приложения.
C++ разработан так, чтобы у пользователя была возможность определять новые типы столь же эффективные и удобные, сколь и встроенные типы. Поэтому обоснованным является требование того, что средства ввода/вывода для C++ должны обеспечиваться в C++ с применением только тех средств, которые доступны каждому программисту. Описываемые здесь средства ввода/вывода представляют собой попытку ответить на этот вызов.
Средства ввода/вывода связаны исключительно с обработкой преобразования типизированных объектов в последовательности символов и обратно. Есть и другие схемы ввода/вывода, но эта является основополагающей в системе UNIX, и большая часть видов бинарного ввода/вывода обрабатывается через рассмотрение символа просто как набор бит, при этом его общепринятая связь с алфавитом игнорируется. Тогда для программиста ключевая проблема заключается в задании соответствия между типизированным объектом и принципиально не типизированной строкой.
Обработка и встроенных и определенных пользователем типов однородным образом и с гарантией типа достигается с помощью одного перегруженного имени функции для набора функций вывода. Например:

  put(cerr,"x = "); // cerr - поток вывода ошибок
  put(cerr,x);
  put(cerr,"\n");

  cerr << "x = " << x << "\n";

  x = 123

  x = 1,2.4)

8.2 Вывод

В этом разделе сначала обсуждаются средства форматного и бесформатного вывода встроенных типов, потом приводится стандартный способ спецификации действий вывода для определяемых пользователем типов.

8.2.1 Вывод Встроенных Типов

Класс ostream определяется вместе с операцией << ("поместить в") для обработки вывода встроенных типов:

  class ostream {
      // ...
  public:
      ostream& operator<<(char*);
      ostream& operator<<(int i) { return *this<

8.2.2 Некоторые Подробности Разработки

Операция вывода используется, чтобы избежать той многословности, которую дало бы использование функции вывода. Но почему <<?
Возможности изобрести новый лексический символ нет (#6.2). Операция присваивания была кандидатом одновременно и на ввод, и на вывод, но оказывается, большинство людей предпочитают, чтобы операция ввода отличалась от операции вывода. Кроме того, = не в ту сторону связывается (ассоциируется), то есть cout=a=b означает cout=(a=b).
Делались попытки использовать операции < и >, но значения "меньше" и "больше" настолько прочно вросли в сознание людей, что новые операции ввода/вывода во всех реальных случаях оказались нечитаемыми. Помимо этого, "<" находится на большинстве клавиатур как раз на ",", и у людей получаются операторы вроде такого:

  cout < x , y , z;

  cout << "a*b+c=" << a*b+c << "\n";

  cout << "a^b|c=" << (a^b|c) << "\n";

  cout << "a<

8.2.3 Форматированный Вывод

Пока << применялась только для неформатированного вывода, и на самом деле в реальных программах она именно для этого главным образом и применяется. Помимо этого существует также несколько форматирующих функций, создающих представление своего параметра в виде строки, которая используется для вывода. Их второй (необязательный) параметр указывает, сколько символьных позиций должно использоваться.

  char* oct(long, int =0);    // восьмеричное представление
  char* dec(long, int =0);    // десятичное представление
  char* hex(long, int =0);    // шестнадцатиричное представление
  char* chr(int, int =0);     // символ
  char* str(char*, int =0);   // строка

  cout << "dec(" << x
       << ") = oct(" << oct(x,6)
       << ") = hex(" << hex(x,4)
       << ")";

  dec(15) = oct(    17) = hex(   f);

  char* form(char* format ...);
  cout<

8.2.4 Виртуальная Функция Вывода

Иногда функция вывода должна быть virtual. Рассмотрим пример класса shape, который дает понятие фигуры (#1.18):

  class shape {
      // ...
  public:
      // ...
      virtual void draw(ostream& s); // рисует "this" на "s"
  };
  class circle : public shape {
      int radius;
  public:
      // ...
      void draw(ostream&);
  };

  ostream& operator<<(ostream& s, shape* p)
  {
      p->draw(s);
      return s;
  }

  while ( p = next() ) cout << p;

8.3 Файлы и Потоки

Потоки обычно связаны с файлами. Библиотека потоков создает стандартный поток ввода cin, стандартный поток вывода cout и стандартный поток ошибок cerr. Программист может открывать другие файлы и создавать для них потоки.

8.3.1 Инициализация Потоков Вывода

ostream имеет конструкторы:

  class ostream {
      // ...
      ostream(streambuf* s);      // связывает с буфером потока
      ostream(int fd);            // связывание для файла
      ostream(int size, char* p); // связывет с вектором
  };

      // описать подходящее пространство буфера
  char cout_buf[BUFSIZE]
      // сделать "filebuf" для управления этим пространством
      // связать его с UNIX'овским потоком вывода 1 (уже открытым)
  filebuf cout_file(1,cout_buf,BUFSIZE);
      // сделать ostream, обеспечивая пользовательский интерфейс
  ostream cout(&cout_file);
  char cerr_buf[1];
      // длина 0, то есть, небуферизованный
      // UNIX'овский поток вывода 2 (уже открытый)
  filebuf cerr_file()2,cerr_buf,0;
  ostream cerr(&cerr_file);

8.3.2 Закрытие Потоков Вывода

Деструктор для ostream сбрасывает буфер с помощью открытого члена функции ostream::flush():

  ostream::~ostream()
  {
      flush();       // сброс
  }

  cout.flush();

8.3.3 Открытие Файлов

Точные детали того, как открываются и закрываются файлы, различаются в разных операционных системах и здесь подробно не описываются. Поскольку после включения становятся доступны cin, cout и cerr, во многих (если не во всех) программах не нужно держать код для открытия файлов. Вот, однако, программа, которая открывает два файла, заданные как параметры командной строки, и копирует первый во второй:

  #include
  void error(char* s, char* s2)
  {
      cerr << s << " " << s2 << "\n";
      exit(1);
  }
  main(int argc, char* argv[])
  {
      if (argc != 3) error("неверное число параметров","");
      filebuf f1;
      if (f1.open(argv[1],input) == 0)
          error("не могу открыть входной файл",argv[1]);
      istream from(&f1);
      filebuf f2;
      if (f2.open(argv[2],output) == 0)
          error("не могу создать выходной файл",argv[2]);
      ostream to(&f2);
      char ch;
      while (from.get(ch)) to.put(ch);
      if (!from.eof() !! to.bad())
          error("случилось нечто странное","");
  }

  enum open_mode { input, output };

8.3.4 Копирование Потоков

Есть возможность копировать потоки. Например:

  cout = cerr;

8.4 Ввод

Ввод аналогичен выводу. Имеется класс istream, который предоставляет операцию >> ("взять из") для небольшого множества стандартных типов. Функция operator>> может определяться для типа, определяемого пользователем.

8.4.1 Ввод Встроенных Типов

Класс istream определяется так:

class istream {
      // ...
  public:
      istream& operator>>(char*);      // строка
      istream& operator>>(char&);      // символ
      istream& operator>>(short&);
      istream& operator>>(int&);
      istream& operator>>(long&);
      istream& operator>>(float&);
      istream& operator>>(double&);
      // ...
  };

  istream& istream::operator>>(char& c);
  {
          // пропускает пропуски
      int a;
          // неким образом читает символ в "a"
      c = a;
  }

  class istream {
      // ...
      istream& get(char& c);                    // char
      istream& get(char* p, int n, int ='\n');  // строка
  };

  cin.get(buf,256,'\t');

  int isalpha(char)    // 'a'..'z' 'A'..'Z'
  int isupper(char)    // 'A'..'Z'
  int islower(char)    // 'a'..'z'
  int isdigit(char)    // '0'..'9'
  int isxdigit(char)   // '0'..'9' 'a'..'f' 'A'..'F'
  int isspase(char)    // ' ' '\t' возврат новая строка
                       // перевод формата
  int iscntrl(char)    // управляющий символ
                       // (ASCII 0..31 и 127)
  int ispunct(char)    // пунктуация: ниодин из вышеперечисленных
  int isalnum(char)    // isalpha() | isdigit()
  int isprint(char)    // печатаемый: ascii ' '..'-'
  int isgraph(char)    // isalpha() | isdigit() | ispunct()
  int isascii(char c)  { return 0<=c &&c<=127; }

  (('a'<=c && c<='z') || ('A'<=c && c<='Z')) // алфавитный

  isalpha(c)

8.4.2 Состояния Потока

Каждый поток (istream или ostream) имеет ассоциированное с ним состояние, и обработка ошибок и нестандартных условий осуществляется с помощью соответствующей установки и проверки этого состояния.
Поток может находиться в одном из следующих состояний:

  enum stream_state { _good, _eof, _fail, _bad };

switch (cin.rdstate()) {
  case _good:
      // последняя операция над cin прошла успешно
      break;
  case _eof:
      // конец файла
      break;
  case _fail:
      // некоего рода ошибка форматирования
      // возможно, не слишком плохая
      break;
  case _bad:
      // возможно, символы cin потеряны
      break;
  }

  while (cin>>z) cout << z << "\n";

8.4.3 Ввод Типов, Определяемых Пользователем

Ввод для пользовательского типа может определяться точно так же, как вывод, за тем исключением, что для операции ввода важно, чтобы второй параметр был ссылочного типа. Например:

  istream& operator>>(istream& s, complex& a)
  /*
      форматы ввода для complex; "f" обозначает float:
      f
      ( f )
      ( f , f )
  */
  {
      double re = 0, im = 0;
      char c = 0;
      s >> c;
      if (c == '(') {
          s >> re >> c;
          if (c == ',') s >> im >> c;
          if (c != ')') s.clear(_bad);    // установить state
      }
      else {
          s.putback(c);
          s >> re;
      }
      if (s) a = complex(re,im);
      return s;
  }

8.4.4 Инициализация Потоков Ввода

Естественно, тип istream, так же как и ostream, снабжен конструктором:

  class istream {
      // ...
      istream(streambuf* s, int sk =1, ostream* t =0);
      istream(int size, char* p, int sk =1);
      istream(int fd, int sk =1, ostream* t =0);
  };

  cout.flush(); // пишет буфер вывода

  int y_or_n(ostream& to, istream& from)
  /*
       "to", получает отклик из "from"
  */
  {
      ostream* old = from.tie(&to);
      for (;;) {
          cout << "наберите Y или N: ";
          char ch = 0;
          if (!cin.get(ch)) return 0;
          if (ch != '\n') { // пропускает остаток строки
              char ch2 = 0;
              while (cin.get(ch2) && ch2 != '\n') ;
          }
          switch (ch) {
          case 'Y':
          case 'y':
          case '\n':
              from.tie(old);        // восстанавливает старый tie
              return 1;
          case 'N':
          case 'n':
              from.tie(old);        // восстанавливает старый tie
              return 0;
          default:
              cout << "извините, попробуйте еще раз: ";
          }
      }
  }

8.5 Работа со Строками

Можно осуществлять действия, подобные вводу/выводу, над символьным вектором, прикрепляя к нему istream или ostream. Например, если вектор содержит обычную строку, завершающуюся нулем, для печати слов из этого вектора можно использовать приведенный выше копирующий цикл:

  void word_per_line(char v[], int sz)
  /*
      печатет "v" размера "sz" по одному слову на строке
  */
  {
      istream ist(sz,v); // сделать istream для v
      char b2[MAX];      // больше наибольшего слова
      while (ist>>b2) cout << b2 << "\n";
  }

  char* p = new char[message_size];
  ostream ost(message_size,p);
  do_something(arguments,ost);
  display(p);

8.6 Буферизация

При задании операций ввода/вывода мы никак не касались типов файлов, но ведь не все устройства можно рассматривать одинаково с точки зрения стратегии буферизации. Например, для ostream, подключенного к символьной строке, требуется буферизация другого вида, нежели для ostream, подключенного к файлу. С этими проблемами можно справиться, задавая различные буферные типы для разных потоков в момент инициализации (обратите внимание на три конструктора класса ostream). Есть только один набор операций над этими буферными типами, поэтому в функциях ostream нет кода, их различающего. Однако функции, которые обрабатывают переполнение сверху и снизу, виртуальные. Этого достаточно, чтобы справляться с необходимой в данное время стратегией буферизации. Это также служит хорошим примером применения виртуальных функций для того, чтобы сделать возможной однородную обработку логически эквивалентных средств с различной реализацией. Описание буфера потока в выглядит так:

  struct streambuf {      // управление буфером потока
      char* base;         // начало буфера
      char* pptr;         // следующий свободный char
      char* qptr;         // следующий заполненный char
      char* eptr;         // один из концов буфера
      char  alloc;        // буфер, выделенный с помощью new
          // Опустошает буфер:
          // Возвращает EOF при ошибке и 0 в случае успеха
      virtual int overflow(int c =EOF);
          // Заполняет буфер
          // Возвращет EOF при ошибке или конце ввода,
          // иначе следующий char
      virtual int underflow();
      int snextc()        // берет следующий char
      {
          return (++qptr==pptr) ? underflow() : *qptr&0377;
      }
      // ...
      int allocate()      // выделяет некоторое пространство буфера
      streambuf() { /* ... */}
      streambuf(char* p, int l) { /* ... */}
      ~streambuf() { /* ... */}
  };

  struct filebuf : public streambuf {
      int fd;              // дескриптор файла
      char opened;         // файл открыт
      int overflow(int c =EOF);
      int underflow();
      // ...
          // Открывает файл:
          // если не срабатывает, то возвращает 0,
          // в случае успеха возвращает "this"
      filebuf* open(char *name, open_mode om);
      int close() { /* ... */ }
      filebuf() { opened = 0; }
      filebuf(int nfd) { /* ... */ }
      filebuf(int nfd, char* p, int l) : (p,l) { /* ... */ }
      ~filebuf() { close(); }
  };
  int filebuf::underflow()         // заполняет буфер из fd
  {
      if (!opened || allocate()==EOF) return EOF;
      int count = read(fd, base, eptr-base);
      if (count < 1) return EOF;
      qptr = base;
      pptr = base + count;
      return *qptr & 0377;
  }

8.7 Эффективность

Можно было бы ожидать, что раз ввод/вывод определен с помощью общедоступных средств языка, он будет менее эффективен, чем встроенное средство. На самом деле это не так. Для действий вроде "поместить символ в поток" используются inline-функции, единственные необходимые на этом уровне вызовы функций возникают из-за переполнения сверху и снизу. Для простых объектов (целое, строка и т.п.) требуется по одному вызову на каждый. Как выясняется, это не отличается от прочих средств ввода/вывода, работающих с объектами на этом уровне.

8.8 Упражнения

1. (*1.5) Считайте файл чисел с плавающей точкой, составьте из пар считанных чисел комплексные числа и выведите комплексные числа.
2. (*1.5) Определите тип name_and_address (имя_и_адрес). Определите для него << и >>. Скопируйте поток объектов name_and_address.
3. (*2) Постройте несколько функций для запроса и чтения различного вида информации. Простейший пример - функция y_or_n() в #8.4.4. Идеи: целое, число с плавающей точкой, имя файла, почтовый адрес, дата, личные данные и т.д. Постарайтесь сделать их защищенными от дурака.
4. (*1.5) Напишите программу, которая печатает (1) все буквы в нижнем регистре, (2) все буквы, (3) все буквы и цифры, (4) все символы, которые могут встречаться в идентификаторах C++ на вашей системе, (5) все символы пунктуации, (6) целые значения всех управляющих символов, (7) все символы пропуска, (8) целые значения всех символов пропуска, и (9) все печатаемые символы.
5. (*4) Реализуйте стандартную библиотеку ввода/вывода C () с помощью стандартной библиотеки ввода/вывода C++ ().
6. (*4) Реализуйте стандартную библиотеку ввода/вывода C++ () с помощью стандартной библиотеки ввода/вывода C ().
7. (*4) Реализуйте стандартные библиотеки C и C++ так, чтобы они могли использоваться одновременно.
8. (*2) Реализуйте класс, для которого [] перегружено для реализации случайного чтения символов из файла.
9. (*3) Как Упражнение 8, только сделайте, чтобы [] работало и для чтения, и для записи. Подсказка: сделайте, чтобы [] возвращало объект "дескрипторного типа", для которого присваивание означало бы присвоить файлу через дескриптор, а неявное преобразование в char означало бы чтение из файла через дескриптор.
10. (*2) Как Упражнение 9, только разрешите [] индексировать записи некоторого вида, а не символы.
11. (*3) Сделайте обобщенный вариант класса, определенного в Упражнении 10.
12. (*3.5) Разработайте и реализуйте операцию ввода по сопоставлению с образцом. Для спецификации образца используйте строки формата в духе printf. Должна быть возможность попробовать сопоставить со вводом несколько образцов для нахождения фактического формата. Можно было бы вывести класс ввода по образцу из istream.
13. (*4) Придумайте (и реализуйте) вид образцов, которые намного лучше.

[Назад] [Содержание] [Вперед]

к оглавлению   к C-Builder

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА Рыцари теории эфира

10.11.2021 - 12:37: ПЕРСОНАЛИИ - Personalias -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:36: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от д.м.н. Александра Алексеевича Редько - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:35: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 12:34: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вадима Глогера, США - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> Волновая генетика Петра Гаряева, 5G-контроль и управление - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:18: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:16: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМЫ МЕДИЦИНЫ - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:15: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Екатерины Коваленко - Карим_Хайдаров. 10.11.2021 - 09:13: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вильгельма Варкентина - Карим_Хайдаров.