Потоки

10.1 Введение

"Доступно только то, что видимо"

Б. Керниган

Широко известна трудность задачи проектирования и реализации стандартных средств ввода-вывода для языков программирования. Традиционно средства ввода-вывода были рассчитаны исключительно на небольшое число встроенных типов данных. Однако, в нетривиальных программах на С++ есть много пользовательских типов данных, поэтому необходимо предоставить возможность ввода-вывода значений таких типов. Очевидно, что средства ввода-вывода должны быть простыми, удобными, надежными в использовании и, что важнее всего, адекватными. Пока никто не нашел решения, которое удовлетворило бы всех; поэтому необходимо дать возможность пользователю создавать иные средства ввода-вывода, а также расширять стандартные средства ввода-вывода в расчете на определенное применение.

Цель создания С++ была в том, чтобы пользователь мог определить новые типы данных, работа с которыми была бы столь же удобна и эффективна как и со встроенными типами. Таким образом, кажется разумным потребовать, чтобы средства ввода-вывода для С++ программировались с использованием возможностей С++, доступных каждому. Представленные здесь потоковые средства ввода-вывода появились в результате попытки удовлетворить этим требованиям.

Основная задача потоковых средств ввода-вывода - это процесс преобразования объектов определенного типа в последовательность символов и наоборот. Существуют и другие схемы ввода-вывода, но указанная является основной, и если считать символ просто набором битов, игнорируя его естественную связь с алфавитом, то многие схемы двоичного ввода-вывода можно свести к ней. Поэтому программистская суть задачи сводится к описанию связи между объектом определенного типа и бестиповой (что существенно) строкой.

Последующие разделы описывают основные части потоковой библиотеки С++:

10.2 Вывод: То, что для прикладной программы представляется выводом, на самом деле является преобразованием таких объектов как int, char *, complex или Employee_record в последовательность символов. Описываются средства для записи объектов встроенных и пользовательских типов данных.

10.3 Ввод: Описаны функции для ввода символов, строк и значений встроенных и пользовательских типов данных.

10.4 Форматирование: Часто существуют определенные требования к виду вывода, например, int должно печататься десятичными цифрами, указатели в шестнадцатеричной записи, а вещественные числа должны быть с явно заданной точностью фиксированного размера. Обсуждаются функции форматирования и определенные программистские приемы их создания, в частности, манипуляторы.

10.5 Файлы и потоки: Каждая программа на С++ может использовать по умолчанию три потока - стандартный вывод (cout), стандартный ввод (cin) и стандартный поток ошибок (cerr). Чтобы работать с какими- либо устройствами или файлами надо создать потоки и привязать их к этим устройствам или файлам. Описывается механизм открытия и закрытия файлов и связывания файлов с потоками.

10.6 Ввод-вывод для С: обсуждается функция printf из файла <stdio.h> для С а также связь между библиотекой для С и <iostream.h> для С++.

Укажем, что существует много независимых реализаций потоковой библиотеки ввода-вывода и набор средств, описанных здесь, будет только подмножеством средств, имеющихся в вашей библиотеке. Говорят, что внутри любой большой программы есть маленькая программа, которая стремится вырваться наружу. В этой лекции предпринята попытка описать как раз маленькую потоковую библиотеку ввода-вывода, которая позволит оценить основные концепции потокового ввода-вывода и познакомить с наиболее полезными средствами. Используя только средства, описанные здесь, можно написать много программ; если возникнет необходимость в более сложных средствах, обратитесь за деталями к вашему руководству по С++. Заголовочный файл <iostream.h> определяет интерфейс потоковой библиотеки. В ранних версиях потоковой библиотеки использовался файл <stream.h>. Если существуют оба файла, <iostream.h> определяет полный набор средств, а <stream.h> определяет подмножество, которое совместимо с ранними, менее богатыми потоковыми библиотеками.

Естественно, для пользования потоковой библиотекой вовсе не нужно знание техники ее реализации, тем более, что техника может быть различной для различных реализаций. Однако, реализация ввода-вывода является задачей, диктующей определенные условия, значит приемы, найденные в процессе ее решения, можно применить и для других задач, а само это решение достойно изучения.

10.2 Вывод

Строгую типовую и единообразную работу как со встроенными, так и с пользовательскими типами можно обеспечить, если использовать единственное перегруженное имя функции для различных операций вывода.

Например:

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

Тип аргумента определяет какую функцию надо вызывать в каждом случае. Такой подход применяется в нескольких языках, однако, это слишком длинная запись. За счет перегрузки операции << , чтобы она означала "вывести" ("put to"), можно получить более простую запись и разрешить программисту выводить в одном операторе последовательность объектов, например так:

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

Здесь cerr обозначает стандартный поток ошибок. Так, если х типа int со значением 123, то приведенный оператор выдаст

x = 123

и еще символ конца строки в стандартный поток ошибок. Аналогично, если х имеет пользовательский тип complex со значением (1,2.4), то указанный оператор выдаст

x = (1,2.4)

в поток cerr. Такой подход легко использовать пока x такого типа, для которого определена операция <<, а пользователь может просто доопределить << для новых типов.

Мы использовали операцию вывода, чтобы избежать многословности, неизбежной, если применять функцию вывода. Но почему именно символ <<? Невозможно изобрести новую лексему ( "лекцию 7" ). Кандидатом для ввода и вывода была операция присваивания, но большинство людей предпочитает, чтобы операции ввода и вывода были различны. Более того, порядок выполнения операции = неподходящий, так cout=a=b означает cout=(a=b). Пробовали использовать операции < и >, но к ним так крепко привязано понятие "меньше чем" и "больше чем", что операции ввода-вывода с ними во всех практически случаях не поддавались прочтению.

Операции << и >> похоже не создают таких проблем. Они асиметричны, что позволяет приписывать им смысл "в" и "из". Они не относятся к числу наиболее часто используемых операций над встроенными типами, а приоритет << достаточно низкий, чтобы писать арифметические выражения в качестве операнда без скобок:

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

Скобки нужны, если выражение содержит операции с более низким приоритетом:

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

Операцию сдвига влево можно использовать в операции вывода, но, конечно, она должна быть в скобках:

cout << "a<<b=" << (a<<b) << '\n';

10.2.1 Вывод встроенных типов

Для управления выводом встроенных типов определяется класс ostream с операцией << (вывести):

class ostream : public virtual ios {
    // ...
public:
   ostream& operator<<(const char*);    //строки
   ostream& operator<<(char);
   ostream& operator<<(short i)
     { return *this << int(i); }
   ostream& operator<<(int);
   ostream& operator<<(long);
   ostream& operator<<(double);
   ostream& operator<<(const void*);    // указатели
    // ...
             };

Естественно, в классе ostream должен быть набор функций operator<<() для работы с беззнаковыми типами.

Функция operator<< возвращает ссылку на класс ostream, из которого она вызывалась, чтобы к ней можно было применить еще раз operator<<. Так, если х типа int, то

cerr << "x = " << x;

понимается как

(cerr.operator<<("x = ")).operator<<(x);

В частности, это означает, что если несколько объектов выводятся с помощью одного оператора вывода, то они будут выдаваться в естественном порядке: слева - направо.

Функция ostream::operator<<(int) выводит целые значения, а функция ostream::operator<<(char) - символьные. Поэтому функция

void val(char c)
{
  cout << "int('"<< c <<"') = " << int(c) << '\n';
}

печатает целые значения символов и с помощью программы

main()
{
  val('A');
  val('Z');
}

будет напечатано

int('A') = 65
int('Z') = 90

Здесь предполагается кодировка символов ASCII, на вашей машине может быть иной результат. Обратите внимание, что символьная константа имеет тип char, поэтому cout<<'Z' напечатает букву Z, а вовсе не целое 90.

Функция ostream::operator<<(const void*) напечатает значение указателя в такой записи, которая более подходит для используемой системы адресации.

Программа

main()
{
 int i = 0;
 int* p = new int(1);
 cout << "local " << &i
      << ", free store " << p << '\n';
}

выдаст на машине, используемой автором,

local 0x7fffead0, free store 0x500c

Для других систем адресации могут быть иные соглашения об изображении значений указателей.

Обсуждение базового класса ios отложим до 10.4.1.

10.2.2 Вывод пользовательских типов

Рассмотрим пользовательский тип данных:

class complex {
   double re, im;
public:
   complex(double r = 0, double i = 0) { re=r; im=i; }

   friend double real(complex& a) { return a.re; }
   friend double imag(complex& a) { return a.im; }

   friend complex operator+(complex, complex);
   friend complex operator-(complex, complex);
   friend complex operator*(complex, complex);
   friend complex operator/(complex, complex);
   //...
};

Для нового типа complex операцию << можно определить так:

ostream& operator<<(ostream&s, complex z)
{
 return s << '(' << real(z) << ',' << imag(z) << ')';
};

и использовать как operator<< для встроенных типов. Например,

main()
{
    complex x(1,2);
    cout << "x = " << x << '\n';
}

выдаст

x = (1,2)

Для определения операции вывода над пользовательскими типами данных не нужно модифицировать описание класса ostream, не требуется и доступ к структурам данных, скрытым в описании класса. Последнее очень кстати, поскольку описание класса ostream находится среди стандартных заголовочных файлов, доступ по записи к которым закрыт для большинства пользователей, и изменять которые они вряд ли захотят, даже если бы могли. Это важно и по той причине, что дает защиту от случайной порчи этих структур данных. Кроме того имеется возможность изменить реализацию ostream, не затрагивая пользовательских программ.