Глава 8

Потоки

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

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

8.3 Файлы и Потоки

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
  };

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

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