Манипуляторы и форматирование ввода-вывода

Часто бывает необходимо вывести строку или число в определенном формате. Для этого используются так называемые манипуляторы.

Манипуляторы – это объекты особых типов, которые управляют тем, как ostream или istream обрабатывают последующие аргументы. Некоторые манипуляторы могут также выводить или вводить специальные символы.

С одним манипулятором мы уже сталкивались, это endl. Он вызывает вывод символа новой строки. Другие манипуляторы позволяют задавать формат вывода чисел:

endl	при выводе перейти на новую строку;
ends	вывести нулевой байт (признак конца строки символов);
flush	немедленно вывести и опустошить все промежуточные буферы;
dec	выводить числа в десятичной системе (действует по умолчанию);
oct	выводить числа в восьмеричной системе;
hex	выводить числа в шестнадцатеричной системе счисления;
setw (int n)	установить ширину поля вывода в n символов (n – целое число);
setfill(int n)	установить символ-заполнитель; этим символом выводимое значение будет дополняться до необходимой ширины;
setprecision(int n)	установить количество цифр после запятой при выводе вещественных чисел;
setbase(int n)	установить систему счисления для вывода чисел; n может принимать значения 0, 2, 8, 10, 16, причем 0 означает систему счисления по умолчанию, т.е. 10.

Использовать манипуляторы просто – их надо вывести в выходной поток. Предположим, мы хотим вывести одно и то же число в разных системах счисления:

int x = 53;

cout << "Десятичный вид: " << dec

<< x << endl

<< "Восьмеричный вид: " << oct

<< x << endl

<< "Шестнадцатеричный вид: " << hex

<< x << endl

Аналогично используются манипуляторы с параметрами. Вывод числа с разным количеством цифр после запятой:

double x;

// вывести число в поле общей шириной

// 6 символов (3 цифры до запятой,

// десятичная точка и 2 цифры после запятой)

cout << setw(6) << setprecision(2)

<< x << endl;

Те же манипуляторы (за исключением endl и ends могут использоваться и при вводе. В этом случае они описывают представление вводимых чисел. Кроме того, имеется манипулятор, работающий только при вводе, это ws. Данный манипулятор переключает вводимый поток в такой режим, при котором все пробелы (включая табуляцию, переводы строки, переводы каретки и переводы страницы) будут вводиться. По умолчанию эти символы воспринимаются как разделители между атрибутами ввода.

int x;

// ввести шестнадцатеричное число

cin >> hex >> x;

Строковые потоки

Специальным случаем потоков являются строковые потоки, представленные классом strstream. Отличие этих потоков состоит в том, что все операции происходят в памяти. Фактически такие потоки формируют форматированную строку символов, заканчивающуюся нулевым байтом. Строковые потоки применяются, прежде всего, для того, чтобы облегчить форматирование данных в памяти.

Например, в приведенном в предыдущей главе классе Exception для исключительной ситуации можно добавить сообщение. Если мы хотим составить сообщение из нескольких частей, то может возникнуть необходимость форматирования этого сообщения:

// произошла ошибка

strstream ss;

ss << "Ошибка ввода-вывода, регистр: "

<< oct << reg1;

ss << "Системная ошибка номер: " << dec

<< errno << ends;

String msg(ss.str());

ss.rdbuf()->freeze(0);

Exception ex(Exception::INTERNAL_ERROR, msg);

throw ex;

Сначала создается объект типа strstream с именем ss. Затем в созданный строковый поток выводятся сформатированные нужным образом данные. Отметим, что в конце мы вывели манипулятор ends, который добавил необходимый для символьной строки байтов нулевой байт. Метод str() класса strstream предоставляет доступ к сформатированной строке (тип его возвращаемого значения – char*). Следующая строка освобождает память, занимаемую строковым потоком (подробнее об этом рассказано ниже). Последние две строки создают объект типа Exception с типом ошибки INTERNAL_ERROR и сформированным сообщением и вызывают исключительную ситуацию.

Важное свойство класса strstream состоит в том, что он автоматически выделяет нужное количество памяти для хранения строк. В следующем примере функция split_numbers выделяет числа из строки, состоящей из нескольких чисел, разделенных пробелом, и печатает их по одному на строке.

#include <strstream.h>

void

split_numbers(const char* s)

{

strstream iostr;

iostr << s << ends;

int x;

while (iostr >> x)

cout << x<< endl;

}

int

main()

{

split_numbers("123 34 56 932");

return 1;

}

Замечание. В среде Visual C++ файл заголовков называется strstream.h.

Как видно из этого примера, независимо от того, какова на самом деле длина входной строки, объект iostr автоматически выделяет память, и при выходе из функции split_numbers, когда объект уничтожается, память будет освобождена.

Однако из данного правила есть одно исключение. Если программа обращается непосредственно к хранимой в объекте строке с помощью метода str (), то объект перестает контролировать эту память, а это означает, что при уничтожении объекта память не будет освобождена. Для того чтобы память все-таки была освобождена, необходимо вызвать метод rdbuf()->freeze(0) (см. предыдущий пример).

Ввод-вывод файлов

Ввод-вывод файлов может выполняться как с помощью стандартных функций библиотеки Си, так и с помощью потоков ввода-вывода. Функции библиотеки Си являются функциями низкого уровня, без всякого контроля типов.

Прежде чем перейти к рассмотрению собственно классов, остановимся на том, как осуществляются операции ввода-вывода с файлами. Файл рассматривается как последовательность байтов. Чтение или запись выполняются последовательно. Например, при чтении мы начинаем с начала файла. Предположим, первая операция чтения ввела 4 байта, интерпретированные как целое число. Тогда следующая операция чтения начнет ввод с пятого байта, и так далее до конца файла.

Аналогично происходит запись в файл – по умолчанию первая запись производится в конец имеющегося файла, а все последующие операции записи последовательно пишут данные друг за другом. При операциях чтения-записи говорят, что существует текущая позиция, начиная с которой будет производиться следующая операция.

Большинство файлов обладают возможностью прямого доступа. Это означает, что можно производить операции ввода-вывода не последовательно, а в произвольном порядке: после чтения первых 4-х байтов прочесть с 20 по 30, затем два последних и т.п. При написании программ на языке Си++ возможность прямого доступа обеспечивается тем, что текущую позицию чтения или записи можно установить явно.

В библиотеке Си++ для ввода-вывода файлов существуют классы ofstream (вывод) и ifstream (ввод). Оба они выведены из класса fstream. Сами операции ввода-вывода выполняются так же, как и для других потоков – операции >> и << определены для класса fstream как "ввести" и "вывести" соответствующее значение. Различия заключаются в том, как создаются объекты и как они привязываются к нужным файлам.

При выводе информации в файл первым делом нужно определить, в какой файл будет производиться вывод. Для этого можно использовать конструктор класса ofstream в виде:

ofstream(const char* szName,

int nMode = ios::out,

int nProt = filebuf::openprot);

Первый аргумент – имя выходного файла, и это единственный обязательный аргумент. Второй аргумент задает режим, в котором открывается поток. Этот аргумент – битовое ИЛИ следующих величин:

ios::app	при записи данные добавляются в конец файла, даже если текущая позиция была перед этим перемещена;
ios::ate	при создании потока текущая позиция помещается в конец файла; однако, в отличие от режима app, запись ведется в текущую позицию;
ios::in	поток создается для ввода; если файл уже существует, он сохраняется;
ios::out	поток создается для вывода (режим по умолчанию);
ios::trunc	если файл уже существует, его прежнее содержимое уничтожается, и длина файла становится равной нулю; режим действует по умолчанию, если не заданы ios::ate, ios::app или ios::in;
ios::binary	ввод-вывод будет происходить в двоичном виде, по умолчанию используется текстовое представление данных.

Третий аргумент используется только в том случае, если создается новый файл; он определяет параметры создаваемого файла.

Можно создать поток вывода с помощью стандартного конструктора без аргументов, а позднее выполнить метод open с такими же аргументами, как у предыдущего конструктора:

void open(const char* szName,

int nMode = ios::out,

int nProt = filebuf::openprot);

Только после того, как поток создан и соединен с определенным файлом (либо с помощью конструктора с аргументами, либо с помощью метода open), можно выполнять вывод. Выводятся данные операцией <<. Кроме того, данные можно вывести с помощью методов write или put:

ostream& write(const char* pch,

int nCount);

ostream& put(char ch);

Метод write выводит указанное количество байтов (nCount), расположенных в памяти, начиная с адреса pch. Метод put выводит один байт.

Для того чтобы переместить текущую позицию, используется метод seekp:

ostream& seekp(streamoff off,

ios::seek_dir dir);

Первый аргумент – целое число, смещение позиции в байтах. Второй аргумент определяет, откуда отсчитывается смещение; он может принимать одно из трех значений:

ios::beg	смещение от начала файла
ios::cur	смещение от текущей позиции
ios::end	смещение от конца файла

Сместив текущую позицию, операции вывода продолжаются с нового места файла.

После завершения вывода можно выполнить метод close, который выводит внутренние буферы в файл и отсоединяет поток от файла. То же самое происходит и при уничтожении объекта.

Класс ifstream, осуществляющий ввод из файлов, работает аналогично. При создании объекта типа ifstream в качестве аргумента конструктора можно задать имя существующего файла:

ifstream(const char* szName, int nMode = ios::in,

int nProt = filebuf::openprot);

Можно воспользоваться стандартным конструктором, а подсоединиться к файлу с помощью метода open.

Чтение из файла производится операцией >> или методами read или get:

istream& read(char* pch, int nCount);

istream& get(char& rch);

Метод read вводит указанное количество байтов (nCount) в память, начиная с адреса pch. Метод get вводит один байт.

Так же, как и для вывода, текущую позицию ввода можно изменить с помощью метода seekp, а по завершении выполнения операций закрыть файл с помощью close или просто уничтожить объект.

 

Лекция 19 Шаблоны

Назначение шаблонов

Алгоритм выполнения какого-либо действия можно записывать независимо от того, какого типа данные обрабатываются. Простейшим примером служит определение минимума из двух величин.

if (a < b) x = a;else x = b;

Независимо от того, к какому именно типу принадлежат переменные a, b и x, если это один и тот же тип, для которого определена операция "меньше", запись будет одна и та же. Было бы естественно определить функцию min, возвращающую минимум из двух своих аргументов. Возникает вопрос, как описать аргументы этой функции? Конечно, можно определить min для всех известных типов, однако, во-первых, пришлось бы повторять одну и ту же запись многократно, а во-вторых, с добавлением новых классов добавлять новые функции.

Аналогичная ситуация встречается и в случае со многими сложными структурами данных. В классе, реализующем связанный список целых чисел, алгоритмы добавления нового атрибута списка, поиска нужного атрибута и так далее не зависят от того, что атрибуты списка – целые числа. Точно такие же алгоритмы нужно будет реализовать для списка вещественных чисел или указателей на класс Book.

Механизм шаблонов в языке Си++ позволяет эффективно решать многие подобные задачи.

Функции-шаблоны

Запишем алгоритм поиска минимума двух величин, где в качестве параметра используется тип этих величин.

template <class T>const T& min(const T& a, const T& b){ if (a < b) return a; else return b;}

Данная запись еще не создала ни одной функции, это лишь шаблон для определенной функции. Только тогда, когда происходит обращение к функции с аргументами конкретного типа, будет выполнена генерация конкретной функции.

int x, y, z;String s1, s2, s3;...// генерация функции min для класса Strings1 = min(s2, s3);...// генерация функции min для типа intx = min(y, z);

Первое обращение к функции min генерирует функцию

const String& min(const String& a, const String& b);

Второе обращение генерирует функцию

const int& min(const int& a, const int& b);

Объявление шаблона функции min говорит о том, что конкретная функция зависит от одного параметра – типа T. Первое обращение к min в программе использует аргументы типа String. В шаблон функции подставляется тип String вместо T. Получается функция:

const String& min(const String& a, const String& b){ if (a < b) return a; else return b;}

Эта функция компилируется и используется в программе. Аналогичные действия выполняются и при втором обращении, только теперь вместо параметра T подставляется тип int. Как видно из приведенных примеров, компилятор сам определяет, какую функцию надо использовать, и автоматически генерирует необходимое определение.

У функции-шаблона может быть несколько параметров. Так, например, функция find библиотеки STL (стандартной библиотеки шаблонов), которая ищет первый элемент, равный заданному, в интервале значений, имеет вид:

template <class InIterator, class T>InIteratorfind(InIterator first, InIterator last, const T& val);

Класс T – это тип элементов интервала. Тип InIterator – тип указателя на его начало и конец.

Шаблоны классов

Шаблон класса имеет вид:

template <список параметров>class объявление_класса

Список параметров класса-шаблона аналогичен списку параметров функции-шаблона: список классов и переменных, которые подставляются в объявление класса при генерации конкретного класса.

Очень часто шаблоны используются для создания коллекций, т.е. классов, которые представляют собой набор объектов одного и того же типа. Простейшим примером коллекции может служить массив. Массив, несомненно, очень удобная структура данных, однако у него имеется ряд существенных недостатков, к которым, например, относятся необходимость задавать размер массива при его определении и отсутствие контроля использования значений индексов при обращении к атрибутам массива.

Попробуем при помощи шаблонов устранить два отмеченных недостатка у одномерного массива. При этом по возможности попытаемся сохранить синтаксис обращения к атрибутам массива. Назовем новую структуру данных вектор vector.

template <class T>class vector{public: vector(): nItem(0), items(0) {}; ~vector() { delete items; }; void insert(const T& t) { T* tmp = items; items = new T[nItem + 1]; memcpy(items, tmp, sizeof(T)* nItem); items[++nItem] = t; delete tmp; } void remove(void) { T* tmp = items; items = new T[--nItem]; memcpy(items, tmp, sizeof(T) * nItem); delete tmp; } const T& operator[](int index) const { if ((index < 0) || (index >= nItem)) throw IndexOutOfRange; return items[index]; } T& operator[](int index) { if ((index < 0) || (index >= nItem)) throw IndexOutOfRange; return items[index]; }private: T* items; int nItem;};

Кроме конструктора и деструктора, у нашего вектора есть только три метода: метод insert добавляет в конец вектора новый элемент, увеличивая длину вектора на единицу, метод remove удаляет последний элемент вектора, уменьшая его длину на единицу, и операция [] обращается к n-ому элементу вектора.

vector<int> IntVector;IntVector.insert(2);IntVector.insert(3);IntVector.insert(25);// получили вектор из трех атрибутов: // 2, 3 и 25// переменная x получает значение 3int x = IntVector[1];// произойдет исключительная ситуацияint y = IntVector[4]; // изменить значение второго атрибута вектора.IntVector[1] = 5;

Обратите внимание, что операция [] определена в двух вариантах – как константный метод и как неконстантный. Если операция [] используется справа от операции присваивания (в первых двух присваиваниях), то используется ее константный вариант, если слева (в последнем присваивании) – неконстантный. Использование операции индексирования [] слева от операции присваивания означает, что значение объекта изменяется, соответственно, нужна неконстантная операция.

Параметр шаблона vector – любой тип, у которого определены операция присваивания и стандартный конструктор. (Стандартный конструктор необходим при операции new для массива.)

Так же, как и с функциями-шаблонами, при задании первого объекта типа vector<int> автоматически происходит генерация конкретного класса из шаблона. Если далее в программе будет использоваться вектор вещественных чисел или строк, значит, будут сгенерированы конкретные классы и для них. Генерация конкретного класса означает, что генерируются все его методы, соответственно, размер исходного кода растет. Поэтому из небольшого шаблона может получиться большая программа. Ниже мы рассмотрим одну возможность сокращения размера программы, использующей почти однотипные шаблоны.

Сгенерировать конкретный класс из шаблона можно явно, записав:

template vector<int>;

Этот оператор не создаст никаких объектов типа vector<int>, но, тем не менее, вызовет генерацию класса со всеми его методами.

19.3.1 "Интеллигентный указатель"

Рассмотрим еще один пример использования класса-шаблона. С его помощью мы попытаемся " усовершенствовать" указатели языка Си++. Если указатель указывает на объект, выделенный с помощью операции new, необходимо явно вызывать операцию delete тогда, когда объект становится не нужен. Однако далеко не всегда просто определить, нужен объект или нет, особенно если на него могут ссылаться несколько разных указателей. Разработаем класс, который ведет себя очень похоже на указатель, но автоматически уничтожает объект, когда уничтожается последняя ссылка на него. Назовем этот класс "интеллигентный указатель" (Smart Pointer). Идея заключается в том, что настоящий указатель мы окружим специальной оболочкой. Вместе со значением указателя мы будем хранить счетчик – сколько других объектов на него ссылается. Как только значение этого счетчика станет равным нулю, объект, на который указатель указывает, пора уничтожать.

Структура Ref хранит исходный указатель и счетчик ссылок.

template <class T>struct Ref{ T* realPtr; int counter;};

Теперь определим интерфейс "интеллигентного указателя":

template <class T>class SmartPtr{public: // конструктор из обычного указателя SmartPtr(T* ptr = 0); // копирующий конструктор SmartPtr(const SmartPtr& s); ~SmartPtr(); SmartPtr& operator=(const SmartPtr& s); SmartPtr& operator=(T* ptr); T* operator->() const; T& operator*() const; private: Ref<T>* refPtr;};

У класса SmartPtr определены операции обращения к элементу ->, взятия по адресу "*" и операции присваивания. С объектом класса SmartPtr можно обращаться практически так же, как с обычным указателем.

struct A{ int x; int y;};SmartPtr<A> aPtr(new A);int x1 = aPtr->x;(*aPtr).y = 3; // создать новый указатель // обратиться к элементу A // обратиться по адресу

Рассмотрим реализацию методов класса SmartPtr. Конструктор инициализирует объект указателем. Если указатель равен нулю, то refPtr устанавливается в ноль. Если же конструктору передается ненулевой указатель, то создается структура Ref, счетчик обращений в которой устанавливается в 1, а указатель – в переданный указатель:

template <class T>SmartPtr<T>::SmartPtr(T* ptr){ if (ptr == 0) refPtr = 0; else { refPtr = new Ref<T>; refPtr->realPtr = ptr; refPtr->counter = 1; }}

Деструктор уменьшает количество ссылок на 1 и, если оно достигло 0, уничтожает объект

template <class T>SmartPtr <T>::~SmartPtr(){ if (refPtr!= 0) { refPtr->counter--; if (refPtr->counter <= 0) { delete refPtr->realPtr; delete refPtr; } }}

Реализация операций -> и * довольно проста:

template <class T>T* SmartPtr<T>::operator->() const{ if (refPtr!= 0) return refPtr->realPtr; else return 0;}template <class T>T&SmartPtr<T>::operator*() const{ if (refPtr!= 0) return *refPtr->realPtr; else throw bad_pointer;}

Самые сложные для реализации – копирующий конструктор и операции присваивания. При создании объекта SmartPtr – копии имеющегося – мы не будем копировать сам исходный объект. Новый "интеллигентный указатель" будет ссылаться на тот же объект, мы лишь увеличим счетчик ссылок.

template <class T>SmartPtr<T>::SmartPtr(const SmartPtr& s):refPtr(s.refPtr){ if (refPtr!= 0) refPtr->counter++;}

При выполнении присваивания, прежде всего, нужно отсоединиться от имеющегося объекта, а затем присоединиться к новому, подобно тому, как это сделано в копирующем конструкторе.

template <class T>SmartPtr&SmartPtr<T>::operator=(const SmartPtr& s){ // отсоединиться от имеющегося указателя if (refPtr!= 0) { refPtr->counter--; if (refPtr->counter <= 0) { delete refPtr->realPtr; delete refPtr; } } // присоединиться к новому указателю refPtr = s.refPtr; if (refPtr!= 0) refPtr->counter++;}

В следующей функции при ее завершении объект класса Complex будет уничтожен:

void foo(void){ SmartPtr<Complex> complex(new Complex); SmartPtr<Complex> ptr = complex; return;}

Задание свойств класса

Одним из методов использования шаблонов является уточнение поведения с помощью дополнительных параметров шаблона. Предположим, мы пишем функцию сортировки вектора:

template <class T>void sort_vector(vector<T>& vec){ for (int i = 0; i < vec.size() -1; i++) for (int j = i; j < vec.size(); j++) { if (vec[i] < vec[j]) { T tmp = vec[i]; vec[i] = vec[j]; vec[j] = tmp; } }}

Эта функция будет хорошо работать с числами, но если мы захотим использовать ее для массива указателей на строки (char*), то результат будет несколько неожиданный. Сортировка будет выполняться не по значению строк, а по их адресам (операция "меньше" для двух указателей – это сравнение значений этих указателей, т.е. адресов величин, на которые они указывают, а не самих величин). Чтобы исправить данный недостаток, добавим к шаблону второй параметр:

template <class T, class Compare>void sort_vector(vector<T>& vec){ for (int i = 0; i < vec.size() -1; i++) for (int j = i; j < vec.size(); j++) { if (Compare::less(vec[i], vec[j])) { T tmp = vec[i]; vec[i] = vec[j]; vec[j] = tmp; } }}

Класс Compare должен реализовывать статическую функцию less, сравнивающую два значения типа T. Для целых чисел этот класс может выглядеть следующим образом:

class CompareInt{ static bool less(int a, int b) { return a < b; };};

Сортировка вектора будет выглядеть так:

vector<int> vec;sort<int, CompareInt>(vec);

Для указателей на байт (строк) можно создать класс

class CompareCharStr{ static bool less(char* a, char* b) { return strcmp(a,b) >= 0; }};

и, соответственно, сортировать с помощью вызова

vector<char*> svec;sort<char*, CompareCharStr>(svec);

Как легко заметить, для всех типов, для которых операция "меньше" имеет нужный нам смысл, можно написать шаблон класса сравнения:

template<class T> Compare{ static bool less(T a, T b) { return a < b; };};

и использовать его в сортировке (обратите внимание на пробел между закрывающимися угловыми скобками в параметрах шаблона; если его не поставить, компилятор спутает две скобки с операцией сдвига):

vector<double> dvec;sort<double, Compare<double> >(dvec);

Чтобы не загромождать запись, воспользуемся возможностью задать значение параметра по умолчанию. Так же, как и для аргументов функций и методов, для параметров шаблона можно определить значения по умолчанию. Окончательный вид функции сортировки будет следующий:

template <class T, class C = Compare<T> >void sort_vector(vector<T>& vec){ for (int i = 0; i < vec.size() -1; i++) for (int j = i; j < vec.size(); j++) { if (C::less(vec[i], vec[j])) { T tmp = vec[i]; vec[i] = vec[j]; vec[j] = tmp; } }}

Второй параметр шаблона иногда называют параметром-штрих, поскольку он лишь модифицирует поведение класса, который манипулирует типом, определяемым первым параметром.