Бьярн Страуструп - Язык программирования C++

1.234568e+03

1234.567890

После точки печатается n цифр, как задается в обращении

cout.precision(n)

По умолчанию n равно 6. Вызов функции precision влияет на все операции ввода-вывода с вещественными до следующего обращения к precision, поэтому

cout.precision(8);

cout << 1234.56789 << '\n'; cout << 1234.56789 << '\n'; cout.precision(4);

cout << 1234.56789 << '\n'; cout << 1234.56789 << '\n';

выдаст

1234.5679

1234.5679

1235

1235

Заметьте, что происходит округление, а не отбрасывание дробной части.

Стандартные манипуляторы, введенные в $$10.4.2.1, предлагают более элегантный способ задания формата вывода вещественных.

10.4.2 Манипуляторы

К ним относятся разнообразные операции, которые приходится применять сразу перед или сразу после операции ввода-вывода. Например:

cout << x; cout.flush(); cout << y; cin.eatwhite(); cin >> x;

Если писать отдельные операторы как выше, то логическая связь между операторами неочевидна, а если утеряна логическая связь, программу труднее понять.

Идея манипуляторов позволяет такие операции как flush() или eatwhite() прямо вставлять в список операций ввода-вывода. Рассмотрим операцию flush(). Можно определить класс с операцией operator<<(), в котором вызывается flush():

class Flushtype { };

ostream& operator<<(ostream& os, Flushtype)

{

return flush(os);

}

определить объект такого типа

Flushtype FLUSH;

и добиться выдачи буфера, включив FLUSH в список объектов, подлежащих выводу:

cout << x << FLUSH << y << FLUSH ;

Теперь установлена явная связь между операциями вывода и сбрасывания буфера. Однако, довольно быстро надоест определять класс и объект для каждой операции, которую мы хотим применить к поточной операции вывода. К счастью, можно поступить лучше. Рассмотрим такую функцию:

typedef ostream& (*Omanip) (ostream&);

271

ostream& operator<<(ostream& os, Omanip f)

{

return f(os);

}

Здесь операция вывода использует параметры типа "указатель на функцию, имеющую аргумент ostream& и возвращающую ostream&". Отметив, что flush() есть функция типа "функция с аргументом ostream& и возвращающая ostream&", мы можем писать

cout << x << flush << y << flush;

получив вызов функции flush(). На самом деле в файле <iostream.h> функция flush() описана как

ostream& flush(ostream&);

а в классе есть операция operator<<, которая использует указатель на функцию, как указано выше:

class ostream : public virtual ios { // ...

public:

ostream& operator<<(ostream& ostream& (*)(ostream&)); // ...

};

В приведенной ниже строке буфер выталкивается в поток cout дважды в подходящее время:

cout << x << flush << y << flush;

Похожие определения существуют и для класса istream:

istream& ws(istream& is ) { return is.eatwhite(); }

class istream : public virtual ios { // ...

public:

istream& operator>>(istream&, istream& (*) (istream&));

// ...

};

поэтому в строке

cin >> ws >> x;

действительно обобщенные пробелы будут убраны до попытки чтения в x. Однако, поскольку по умолчанию для операции >> пробелы "съедаются" и так, данное применение ws() избыточно.

Находят применение и манипуляторы с параметрами. Например, может появиться желание с помощью

cout << setprecision(4) << angle;

напечатать значение вещественной переменной angle с точностью до четырех знаков после точки.

Для этого нужно уметь вызывать функцию, которая установит значение переменной, управляющей в потоке точностью вещественных. Это достигается, если определить setprecision(4) как объект, который можно "выводить" с помощью operator<<():

class Omanip_int { int i;

ostream& (*f) (ostream&,int); public:

Omanip_int(ostream& (*ff) (ostream&,int), int ii) : f(ff), i(ii) { }

friend ostream& operator<<(ostream& os, Omanip& m)

{ return m.f(os,m.i); }

};

272

Конструктор Omanip_int хранит свои аргументы в i и f, а с помощью operator<< вызывается f() с параметром i. Часто объекты таких классов называют объект-функция. Чтобы результат строки

cout << setprecision(4) << angle

был таким, как мы хотели, необходимо чтобы обращение setprecision(4) создавало безымянный объект класса Omanip_int, содержащий значение 4 и указатель на функцию, которая устанавливает в потоке ostream значение переменной, задающей точность вещественных:

ostream& _set_precision(ostream&,int);

Omanip_int setprecision(int i)

{

return Omanip_int(&_set_precision,i);

}

Учитывая сделанные определения, operator<<() приведет к вызову precision(i).

Утомительно определять классы наподобие Omanip_int для всех типов аргументов, поэтому определим шаблон типа:

template<class T> class OMANIP { T i;

ostream& (*f) (ostream&,T); public:

OMANIP(ostream (*ff) (ostream&,T), T ii) : f(ff), i(ii) { }

friend ostream& operator<<(ostream& os, OMANIP& m) { return m.f(os,m.i) }

};

С помощью OMANIP пример с установкой точности можно сократить так:

ostream& precision(ostream& os,int)

{

os.precision(i); return os;

}

OMANIP<int> setprecision(int i)

{

return OMANIP<int>(&precision,i);

}

В файле <iomanip.h> можно найти шаблон типа OMANIP, его двойник для istream - шаблон типа SMANIP, а SMANIP - двойник для ioss. Некоторые из стандартных манипуляторов, предлагаемых поточной библиотекой, описаны ниже. Отметим,что программист может определить новые необходимые ему манипуляторы, не затрагивая определений istream, ostream, OMANIP или SMANIP.

Идею манипуляторов предложил А. Кениг. Его вдохновили процедуры разметки (layout ) системы вводавывода Алгола68. Такая техника имеет много интересных приложений помимо ввода-вывода. Суть ее в том, что создается объект, который можно передавать куда угодно и который используется как функция. Передача объекта является более гибким решением, поскольку детали выполнения частично определяются создателем объекта, а частично тем, кто к нему обращается.

10.4.2.1 Стандартные манипуляторы ввода-вывода

Это следующие манипуляторы:

// Simple manipulators:

ostream& endl(ostream&); // добавить '\n' и вывести

273

// Манипуляторы имеют параметры:

SMANIP<int> setbase(int b);

SMANIP<int> setfill(int f);

SMANIP<int> setprecision(int p);

SMANIP<int> setw(int w);

SMANIP<long> resetiosflags(long b);

SMANIP<long> setiosflags(long b);

Например,

cout << 1234 << ' '

<<hex << 1234 << ' '

<<oct << 1234 << endl;

напечатает

1234 4d2 2322

и

cout << setw(4) << setfill('#') << '(' << 12 << ")\n"; cout << '(' << 12 << ")\n";

напечатает

(##12)

(12)

Не забудьте включить файл <iomanip.h>, если используете манипуляторы с параметрами.

10.4.3 Члены ostream

В классе ostream есть лишь несколько функций для управления выводом, большая часть таких функций находится в классе ios.

class ostream : public virtual ios { //...

public:

ostream& flush();

ostream& seekp(streampos);

ostream& seekp(streamoff, seek_dir); streampos tellp();

//...

};

Как мы уже говорили, функция flush() опустошает буфер в выходной поток. Остальные функции используются для позиционирования в ostream при записи. Окончание на букву p указывает, что именно позиция используется при выдаче символов в заданный поток. Конечно эти функции имеют смысл, только если поток присоединен к чему-либо, что допускает позиционирование, например файл. Тип streampos представляет позицию символа в файле, а тип streamoff представляет смещение относительно позиции, заданной seek_dir. Все они определены в классе ios:

274

//...

};

Позиции в потоке отсчитываются от 0, как если бы файл был массивом из n символов:

char file[n-1];

и если fout присоединено к file, то

fout.seek(10);

fout<<'#';

поместит # в file[10].

10.4.4 Члены istream

Как и для ostream, большинство функций форматирования и управления вводом находится не в классе iostream, а в базовом классе ios.

class istream : public virtual ios {

Функции позиционирования работают как и их двойники из ostream. Окончание на букву g показывает, что именно позиция используется при вводе символов из заданного потока. Буквы p и g нужны, поскольку мы можем создать производный класс iostreams из классов ostream и istream, и в нем необходимо следить за позициями ввода и вывода.

С помощью функции peek() программа может узнать следующий символ, подлежащий вводу, не затрагивая результата последующего чтения. С помощью функции putback(), как показано в $$10.3.3, можно вернуть ненужный символ назад в поток, чтобы он был прочитан в другое время.

10.5 Файлы и потоки

Ниже приведена программа копирования одного файла в другой. Имена файлов берутся из командной строки программы:

#include <fstream.h>

#include <libc.h>

void error(char* s, char* s2 ="")

{

cerr << s << ' ' << s2 << '\n'; exit(1);

}

int main(int argc, char* argv[])

{

if (argc != 3) error("wrong number of arguments"); ifstream from(argv[1]);

if (!from) error("cannot open input file",argv[1]); ostream to(argv[2]);

if (!to) error("cannot open output file",argv[2]); char ch;

while (from.get(ch)) to.put(ch);

275

if (!from.eof() || to.bad()) error("something strange happened");

return 0;

}

Для открытия выходного файла создается объект класса ofstream - выходной поток файла, использующий в качестве аргумента имя файла. Аналогично, для открытия входного файла создается объект класса ifstream - входной файловый поток, также использующий в качестве аргумента имя файла. В обоих случаях следует проверить состояние созданного объекта, чтобы убедиться в успешном открытии файла, а если это не так, операции завершатся не успешно, но корректно.

По умолчанию ifstream всегда открывается на чтение, а ofstream открывается на запись. В ostream и в istream можно использовать необязательный второй аргумент, указывающий иные режимы открытия:

Настоящие значения для open_mode и их смысл вероятно будут зависеть от реализации. Будьте добры, за деталями обратитесь к руководству по вашей библиотеке или экспериментируйте. Приведенные комментарии могут прояснить их назначение. Например, можно открыть файл с условием, что операция открытия не выполнится, если файл уже не существует:

void f()

{

ofstream mystream(name,ios::out|ios::nocreate); if (ofstream.bad()) {

//...

}

//...

}

Также можно открыть файл сразу на чтение и запись:

fstream dictionary("concordance", ios::in|ios::out);

Все операции, допустимые для ostream и ostream, можно применять к fstream. На самом деле, класс fstream является производным от iostream, который является, в свою очередь, производным от istream и ostream. Причина, по которой информация по буферизации и форматированию для ostream и istream находится в виртуальном базовом классе ios, в том, чтобы заставить действовать всю эту последовательность производных классов. По этой же причине операции позиционирования в istream и ostream имеют разные имена - seekp() и seekg(). В iostream есть отдельные позиции для чтения и записи.

10.5.1 Закрытие потоков

Файл может быть закрыт явно, если вызвать close() для его потока:

mystream.close();

Но это неявно делает деструктор потока, так что явный вызов close() может понадобиться, если только файл нужно закрыть до достижения конца области определенности потока.

276

Здесь возникает вопрос, как реализация может обеспечить создание предопределенных потоков cout, cin и cerr до их первого использования и закрытие их только после последнего использования. Конечно, разные реализации библиотеки потоков из <iostream.h> могут по-разному решать эту задачу. В конце концов, решение – это прерогатива реализации, и оно должно быть скрыто от пользователя. Здесь приводится только один способ, примененный только в одной реализации, но он достаточно общий, чтобы гарантировать правильный порядок создания и уничтожения глобальных объектов различных типов.

Основная идея в том, чтобы определить вспомогательный класс, который по сути служит счетчиком, следящим за тем, сколько раз <iostream.h> был включен в раздельно компилировавшиеся программные файлы:

class Io_init { static int count; //...

public:

Io_init(); ^Io_init();

};

static Io_init io_init ;

Для каждого программного файла определен свой объект с именем io_init. Конструктор для объектов io_init использует Io_init::count как первый признак того, что действительная инициализация глобальных объектов потоковой библиотеки ввода-вывода сделана в точности один раз:

Io_init::Io_init()

{

if (count++ == 0) {

//инициализировать cout

//инициализировать cerr

//инициализировать cin

//и т.д.

}

}

Обратно, деструктор для объектов io_init использует Io_count, как последнее указание на то, что все потоки закрыты:

Io_init::^Io_init()

{

if (--count == 0) {

//очистить cout (сброс, и т.д.)

//очистить cerr (сброс, и т.д.)

//очистить cin

//и т.д.

}

}

Это общий прием работы с библиотеками, требующими инициализации и удаления глобальных объектов. Впервые в С++ его применил Д. Шварц. В системах, где при выполнении все программы размещаются в основной памяти, для этого приема нет помех. Если это не так, то накладные расходы, связанные с вызовом в память каждого программного файла для выполнения функций инициализации, будут заметны. Как всегда, лучше, по возможности, избегать глобальных объектов. Для классов, в которых каждая операция значительна по объему выполняемой работы, чтобы гарантировать инициализацию, было бы разумно проверять такие первые признаки (наподобие Io_init::count) при каждой операции. Однако, для потоков такой подход был бы излишне расточительным.

10.5.2 Строковые потоки

Как было показано, поток может быть привязан к файлу, т.е. массиву символов, хранящемуся не в основной памяти, а, например, на диске. Точно так же поток можно привязать к массиву символов в

277

основной памяти. Например, можно воспользоваться выходным строковым потоком ostrstream для форматирования сообщений, не подлежащих немедленной печати:

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

С помощью стандартных операций вывода функция do_something может писать в поток ost, передавать ost подчиняющимся ей функциям и т.п. Контроль переполнения не нужен, поскольку ost знает свой размер и при заполнении перейдет в состояние, определяемое fail(). Затем функция display может послать сообщение в "настоящий" выходной поток. Такой прием наиболее подходит в тех случаях, когда окончательная операция вывода предназначена для записи на более сложное устройство, чем традиционное, ориентированное на последовательность строк, выводное устройство. Например, текст из ost может быть помещен в фиксированную область на экране.

Аналогично, istrstream является вводным строковым потоком, читающим из последовательности символов, заканчивающейся нулем:

void word_per_line(char v[], int sz)

/*

печатать "v" размером "sz" по одному слову в строке

*/

{

}

Завершающий нуль считается концом файла. Строковые потоки описаны в файле <strstream.h>.

10.5.3 Буферизация

Все операции ввода-вывода были определены без всякой связи с типом файла, но нельзя одинаково работать со всеми устройствами без учета алгоритма буферизации. Очевидно, что потоку ostream, привязанному к строке символов, нужен не такой буфер, как ostream, привязанному к файлу. Такие вопросы решаются созданием во время инициализации разных буферов для потоков разных типов. Но существует только один набор операций над этими типами буферов, поэтому в ostream нет функций, код которых учитывает различие буферов. Однако, функции, следящие за переполнением и обращением к пустому буферу, являются виртуальными. Это хороший пример применения виртуальных функций для единообразной работы с эквивалентными логически, но различно реализованными структурами, и они вполне справляются с требуемыми алгоритмами буферизации. Описание буфера потока в файле <iostream.h> может выглядеть следующим образом:

//...

//Опустошить буфер:

//Вернуть EOF при ошибке, 0 - удача

virtual int overflow(int c = EOF);

//Заполнить буфер:

//Вернуть EOF в случае ошибки или конца входного потока,

//иначе вернуть очередной символ

virtual int underflow();

//...

278

Бьерн Страуструп. Язык программирования С++

public:

streambuf(); streambuf(char* p, int l); virtual ~streambuf();

//...

};

Подробности реализации класса streambuf приведены здесь только для полноты представления. Не предполагается, что есть общедоступные реализации, использующие именно эти имена. Обратите внимание на определенные здесь указатели, управляющие буфером; с их помощью простые посимвольные операции с потоком можно определить максимально эффективно (и причем однократно) как функции-подстановки. Только функции overflow() и underflow() требует своей реализации для каждого алгоритма буферизации, например:

class filebuf : public streambuf {

public:

filebuf() { opened = 0; } filebuf(int nfd, char* p, int l)

: streambuf(p,l) { /* ... */ } ~filebuf() { close(); }

int overflow(int c=EOF); int underflow();

filebuf* open(char *name, ios::open_mode om); int close() { /* ... */ }

//...

if (!opened || allocate()==EOF) return EOF; int count = read(fd, base, eptr-base);

if (count < 1) return EOF; gptr = base;

pptr = base + count;

return *gptr & 0377; // &0377 предотвращает размножение знака

}

За дальнейшими подробностями обратитесь к руководству по реализации класса streambuf.

10.6 Ввод-вывод в С

Поскольку текст программ на С и на С++ часто путают, то путают иногда и потоковый ввод-вывод С++ и функции ввода-вывода семейства printf для языка С. Далее, т.к. С-функции можно вызывать из программы на С++, то многие предпочитают использовать более знакомые функции ввода-вывода С.

По этой причине здесь будет дана основа функций ввода-вывода С. Обычно операции ввода-вывода на С и на С++ могут идти по очереди на уровне строк. Перемешивание их на уровне посимвольного вводавывода возможно для некоторых реализаций, но такая программа может быть непереносимой. Некоторые реализации потоковой библиотеки С++ при допущении ввода-вывода на С требуют вызова статической функции-члена ios::sync_with_stdio().

В общем, потоковые функции вывода имеют перед стандартной функцией С printf() то преимущество, что потоковые функции обладают определенной типовой надежностью и единообразно определяют

279

вывод объектов предопределенного и пользовательского типов. Основная функция вывода С есть

int printf(const char* format, ...)

и она выводит произвольную последовательность параметров в формате, задаваемом строкой форматирования format. Строка форматирования состоит из объектов двух типов: простые символы, которые просто копируются в выходной поток, и спецификации преобразований, каждая из которых преобразует и печатает очередной параметр. Каждая спецификация преобразования начинается с символа %, например

printf("there were %d members present.",no_of_members);

Здесь %d указывает, что no_of_members следует считать целым и печатать как соответствующую последовательность десятичных цифр. Если no_of_members==127, то будет напечатано

there were 127 members present.

Набор спецификаций преобразований достаточно большой и обеспечивает большую гибкость печати. За символом % может следовать:

-необязательный знак минус, задающий выравнивание влево в указанном поле для преобразованного значения;

dнеобязательная строка цифр, задающая ширину поля; если в преобразованном значении меньше символов, чем ширина строки, то оно дополнится до ширины поля пробелами слева (или справа, если дана спецификация выравнивания влево); если строка ширины поля начинается с нуля, то дополнение будет проводится нулями, а не пробелами;

. необязательный символ точка служит для отделения ширины поля от последующей строки цифр;

dнеобязательная строка цифр, задающая точность, которая определяет число цифр после десятичной точки для значений в спецификациях e или f, или же задает максимальное число печатаемых символов строки;

*для задания ширины поля или точности может использоваться * вместо строки цифр. В этом случае должен быть параметр целого типа, который содержит значение ширины поля или точности;

hнеобязательный символ h указывает, что последующая спецификация d, o, x или u относится к параметру типа короткое целое;

lнеобязательный символ l указывает, что последующая спецификация d, o, x или u относится к параметру типа длинное целое;

280