Chapter 1. Библиотека iostream

§ 1.1. Начало

Для использования библиотеки iostream в программе необходимо включить заголовочный файл

#include <iostream>

Операции ввода/вывода выполняются с помощью классов std::istream (потоковый ввод) и std::ostream (потоковый вывод). Третий класс, iostream, является производным от них и поддерживает двунаправленный ввод/вывод. Для удобства в библиотеке определены такие стандартные объекты-потоки:

Вывод осуществляется, как правило, с помощью перегруженного оператора сдвига влево (<<), а ввод – с помощью оператора сдвига вправо (>>):

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
   string in_string;

   // вывести литерал на терминал пользователя
   std::cout << "Введите свое имя, пожалуйста: ";

   // прочитать ответ пользователя в in_string
   std::cin >> in_string;

   if (in_string.empty())
      // вывести сообщение об ошибке на терминал пользователя
      std::cerr << "ошибка: введенная строка пуста!\n";
   else std::cout << "Привет, " << in_string << "!\n";
}

Назначение операторов легче запомнить, если считать, что каждый "указывает" в сторону перемещения данных. Например,

>> x

перемещает данные в x, а

<< x

перемещает данные из x. (В разделе 20.1 мы покажем, как библиотека iostream поддерживает ввод данных, а в разделе 20.5 – как расширить ее для ввода данных новых типов. Аналогично раздел 20.2 посвящен поддержке вывода, а раздел 20.4 – расширению для вывода данных определенных пользователем типов.)

Помимо чтения с терминала и записи на него, библиотека iostream поддерживает чтение и запись в файлы. Для этого предназначены следующие классы:

• ifstream, производный от std::istream, связывает ввод программы с файлом;
• ofstream, производный от std::ostream, связывает вывод программы с файлом;
• fstream, производный от iostream, связывает как ввод, так и вывод программы с файлом.

Чтобы использовать часть библиотеки iostream, связанную с файловым вводом/выводом, необходимо включить в программу заголовочный файл

#include <fstream>

(Файл fstream уже включает iostream, так что включать оба файла необязательно.) Файловый ввод/вывод поддерживается теми же операторами:

#include <fstream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
int main()
{
   string ifile;

   std::cout <"Введите имя файла для сортировки: ";
   std::cin >> ifile;

   // сконструировать объект класса ifstream для ввода из файла
   ifstream infile(ifile.c_str());

   if (! infile) {
      std::cerr < "ошибка: не могу открыть входной файл: "
           < ifile < std::endl;
      return -1;
   }

   string ofile = ifile + ".sort";

   // сконструировать объект класса ofstream для вывода в файл
   ofstream outfile(ofile.c_str());
   if (! outfile) {
      std::cerr <<"ошибка: не могу открыть выходной файл: "
           << ofile <<std::endl;
      return -2;
   }

   string buffer;
   std::vector<std::string, allocator > text;

   int cnt = 1;
   while (infile >> buffer) {
         text.push_back(buffer);
         std::cout <<buffer << (cnt++ % 8 ? " " : "\n");
   }

   sort(text.begin(), text.end());

   // выводим отсортированное множество слов в файл
   std::vector<string >::iterator iter = text.begin();
   for (cnt = 1; iter != text.end(); ++iter, ++cnt)
       outfile << *iter
               << (cnt % 8 ? " " : "\n");

   return 0;
}

Вот пример сеанса работы с этой программой. Нас просят ввести файл для сортировки. Мы набираем alice_emma (набранные на клавиатуре символы напечатаны полужирным шрифтом). Затем программа направляет на стандартный вывод все, что прочитала из файла:

Введите имя файла для сортировки: alice_emma

Alice Emma has long flowing red hair. Her
Daddy says when the wind blows through her
hair, it looks almost alive, like a fiery
bird in flight. A beautiful fiery bird, he
tells her, magical but untamed. "Daddy, shush, there
is no such creature," she tells him, at
the same time wanting him to tell her
more. Shyly, she asks, "I mean, Daddy, is
there?"

Далее программа выводит в файл outfile отсортированную последовательность строк. Конечно, на порядок слов влияют знаки препинания; в следующем разделе мы это исправим:

"Daddy, "I A Alice Daddy Daddy, Emma Her
Shyly, a alive, almost asks, at beautiful bird
bird, blows but creature," fiery fiery flight. flowing
hair, hair. has he her her her, him
him, in is is it like long looks
magical mean, more. no red same says she
she shush, such tell tells tells the the
there there?" through time to untamed. wanting when
wind

(В разделе 20.6 мы познакомимся с файловым вводом/выводом более подробно.)

Библиотека iostream поддерживает также ввод/вывод в область памяти, при этом поток связывается со строкой в памяти программы. С помощью потоковых операторов ввода/вывода мы можем записывать данные в эту строку и читать их оттуда. Объект для строкового ввода/вывода определяется как экземпляр одного из следующих классов:

• istringstream, производный от std::istream, читает из строки;
• ostringstream, производный от std::ostream, пишет в строку;
• stringstream, производный от iostream, выполняет как чтение, так и запись.

Для использования любого из этих классов в программу нужно включить заголовочный файл

#include <sstream>

(Файл sstream уже включает iostream, так что включать оба файла необязательно.) В следующем фрагменте объект класса ostringstream используется для форматирования сообщения об ошибке, которое возвращается вызывающей программе.

#include <sstream>
string program_name("our_program");
string version(0.01);
// ...

string mumble(int *array, int size) {
   if (! array) {
      ostringstream out_message;

      out_message << "ошибка: "
                  << program_name << "--" << version
                  << ": " << __FILE__ << ": " << __LINE__
                  << " -- указатель равен 0; "
                  << " а должен адресовать массив.\n";

      // возвращаем строку, в которой находится сообщение
      return out_message.str();
   }
   // ...
}

(В разделе 20.8 мы познакомимся со строковым вводом/выводом более подробно.)

Потоки ввода/вывода поддерживают два предопределенных типа: char и wchar_t. В этой главе мы расскажем только о чтении и записи в потоки данных типа char. Помимо них, в библиотеке iostream имеется набор классов и объектов для работы с типом wchar_t. Они отличаются от соответствующих классов, использующих тип char, наличием префикса "w". Так, объект стандартного ввода называется wcin, стандартного вывода – wcout, стандартного вывода для ошибок – wcerr. Но набор заголовочных файлов для char и wchar_t один и тот же.

Классы для ввода/вывода данных типа wchar_t называются wostream, wistream, wiostream, для файлового ввода/вывода – wofstream, wifstream, wfstream, а для строкового – wostringstream, wistringstream, wstringstream.

§ 1.2. Оператор вывода

Оператор вывода обычно применяется для записи на стандартный вывод std::cout. Например, программа

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "сплетница Анна Ливия\n";
}

печатает на терминале строку:

сплетница Анна Ливия

Имеются операторы, принимающие аргументы любого встроенного типа данных, включая const char*, а также типов string и complex из стандартной библиотеки. Любое выражение, включая вызов функции, может быть аргументом оператора вывода при условии, что результатом его вычисления будет тип, принимаемый каким-либо вариантом этого оператора. Например, программа

#include <iostream>
#include <string.h>

int main() {
    std::cout << "Длина 'Улисс' равна:\t";
    std::cout << strlen("Улисс");
    std::cout << '\n';
    std::cout << "Размер 'Улисс' равен:\t";
    std::cout << sizeof("Улисс");
    std::cout << std::endl;
}

выводит на терминал следующее:

Длина 'Улисс' равна:7

Размер 'Улисс' равен:8

std::endl – это манипулятор вывода, который вставляет в выходной поток символ перехода на новую строку, а затем сбрасывает буфер объекта std::ostream. (С буферизацией мы познакомимся в разделе 20.9.)

Операторы вывода, как правило, удобнее сцеплять в одну инструкцию. Например, предыдущую программу можно записать таким образом:

#include <iostream>
#include <string.h>

int main() {
    // операторы вывода можно сцеплять

    std::cout << "Длина 'Улисс' равна:\t";
         << strlen("Улисс") <<'\n';

    std::cout << "Размер 'Улисс' равен:\t"
         << sizeof("Улисс") << std::endl;
}

Сцепление операторов вывода (и ввода тоже) возможно потому, что результатом выражения

std::cout << "некоторая строка";

служит левый операнд оператора вывода, т.е. сам объект std::cout. Затем этот же объект передается следующему оператору и далее по цепочке (мы говорим, что оператор << левоассоциативен).

Имеется также предопределенный оператор вывода для указательных типов, который печатает адрес объекта. По умолчанию адреса отображаются в шестнадцатеричном виде. Например, программа

#include <iostream>

int main() {
    int i = 1024;
    int *pi = &i;

    std::cout << "i:   " <<i
         << "\t&i:\t" << &i << '\n';

    std::cout << "*pi: "      <<*pi
         << "\tpi:\t"    <<pi  << std::endl
         << "\t\t&pi:\t"<< &#960; << std::endl;
}

выводит на терминал следующее:

i:   1024  &i: 0x7fff0b4
*pi: 1024  pi: 0x7fff0b4
          &pi: 0x7fff0b0

Позже мы покажем, как напечатать адреса в десятичном виде.

Следующая программа ведет себя странно. Мы хотим напечатать адрес, хранящийся в переменной pstr:

#include  <iostream >

const char *str = "vermeer";
int main()
{
   const char *pstr = str;
   std::cout  << "Адрес pstr равен: "
         <<pstr  <<std::endl;
}

Но после компиляции и запуска программа неожиданно выдает такую строку:

Адрес pstr равен: vermeer

Проблема в том, что тип const char* интерпретируется как C-строка. Чтобы все же напечатать адрес, хранящийся в pstr, необходимо подавить обработку типа const char* по умолчанию. Для этого мы сначала убираем спецификатор const, а затем приводим pstr к типу void*:

 << static_cast <void*>(const_cast <char*>(pstr))

Теперь программа выводит ожидаемый результат:

Адрес pstr равен: 0x116e8

А вот еще одна загадка. Нужно напечатать большее из двух чисел:

#include  <iostream>

inline void max_out(int val1, int val2) {
   std::cout  << (val1 > val2) ? val1 : val2;
}

int main() {
    int ix = 10, jx = 20;

    std::cout  << "Большее из "  << ix
          << ", "  << jx  << " равно ";

    max_out(ix, jx);

    std::cout  << std::endl;
}

Однако программа выдает неправильный результат:

Большее из 10, 20 равно 0

Проблема в том, что оператор вывода имеет более высокий приоритет, чем оператор условного выражения, поэтому печатается результат сравнения val1 и val2. Иными словами, выражение

std::cout  << (val1 > val2) ? val1 : val2;

вычисляется как

(std::cout  << (val1 > val2)) ? val1 : val2;

Поскольку val1 не больше val2, то результатом сравнения будет false, обозначаемый нулем. Чтобы изменить приоритет операций, весь оператор условного выражения следует заключить в скобки:

std::cout  << (val1 > val2  ? val1 : val2);

Теперь результат получается правильный:

Большее из 10, 20 равно 20

Такого рода ошибку было бы проще найти, если бы значения литералов true и false типа bool печатались как строки, а не как 1 и 0. Тогда мы увидели бы строку:

Большее из 10, 20 равно false

и все стало бы ясно. По умолчанию литерал false печатается как 0, а true – как 1. Это можно изменить, воспользовавшись манипулятором boolalpha(), что и сделано в следующей программе:

int main()
{
    std::cout << "печать значений типа bool по умолчанию: "
         <<true << " " <<false
         << "\nи в виде строк: "
         << boolalpha()
         << true <<" " << false
         << std::endl;
}

Вот результат:

печать значений типа bool по умолчанию: 1 0

и в виде строк: true false

Для вывода массива, а также вектора или отображения, необходимо обойти все элементы и напечатать каждый из них:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

string pooh_pals[] = {
    "Тигра", "Пятачок", "Иа-Иа", "Кролик"
};

int main() {
    std::vector<std::string> ppals(pooh_pals, pooh_pals+4);

     std::vector<std::string>::iterator iter = ppals.begin();
     std::vector<std::string>::iterator iter_end = ppals.end();

    std::cout << "Это друзья Пуха: ";
    for (; iter != iter_end; iter++)
            std::cout << *iter << " ";

    std::cout<< std::endl;
}

Вместо того чтобы явно обходить все элементы контейнера, выводя каждый по очереди, можно воспользоваться потоковым итератором ostream_iterator. Так выглядит эквивалентная программа, где используется эта техника:

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <string>

string pooh_pals[] = {
    "Тигра", "Пятачок", "Иа-Иа", "Кролик"
};

int main() {
    std::vector<std::string> ppals(pooh_pals, pooh_pals+4);

     std::vector<std::string>::iterator iter = ppals.begin();
     std::vector<std::string>::iterator iter_end = ppals.end();

    std::cout << "Это друзья Пуха: ";

     // копируем каждый элемент в std::cout ...
    ostream_iterator<string > output(std::cout, " ");
    copy(iter, iter_end, output);

    std::cout << std::endl;
}

Программа печатает такую строку:

Это друзья Пуха: Тигра Пятачок Иа-Иа Кролик

Упражнение 20.1

Даны следующие определения объектов:

string sa[4] = { "пух", "тигра", "пятачок", "иа-иа" };
std::vector<string > svec(sa, sa+4);
string robin("кристофер робин");
const char *pc = robin.c_str();
int ival = 1024;
char blank = ' ';
double dval = 3.14159;
complex purei(0, 7);
(a)    Направьте значение каждого объекта в стандартный вывод.
(b)    Напечатайте значение адреса pc.
(c)    Напечатайте наименьшее из двух значений ival и dval, пользуясь оператором условного выражения:
ival < dval ? ival : dval
]]
></div>

</section>

<section id="operator_input">
<title>Ввод</title>

<p>Основное средство реализации ввода – это оператор сдвига вправо
(&gt;&gt;). Например, в следующей программе из стандартного ввода
читается последовательность значений типа int и помещается в вектор:</p>

<div class="lang-cpp"><![CDATA[#include <iostream>
#include <vector>

int main()
{
   std::vector<int> ivec;
   int ival;

   while (std::cin >> ival)
           ivec.push_back(ival);
   // ...
}

Подвыражение

std::cin >> ival;

читает целое число из стандартного ввода и копирует его в переменную ival. Результатом является левый операнд – объект класса std::istream, в данном случае std::cin. (Как мы увидим, это позволяет сцеплять операторы ввода.)

Выражение

while (std::cin >> ival)

читает последовательность значений, пока std::cin не станет равно false. Значение std::istream может быть равно false в двух случаях: достигнут конец файла (т.е. все значения из файла прочитаны успешно) или встретилось неверное значение, скажем 3.14159 (десятичная точка недопустима в целом числе), 1e-1 (буква e недопустима) или любой строковый литерал. Если вводится неверное значение, объект std::istream переводится в состояние ошибки и чтение прекращается. (В разделе 20.7 мы подробнее расскажем о таких состояниях.)

Есть набор предопределенных операторов ввода, принимающих аргументы любого встроенного типа, включая C-строки, а также стандартных библиотечных типов string и complex:

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    int item_number;
    string item_name;
    double item_price;

    std::cout << "Пожалуйста, введите item_number, item_name и price: "
         << std::endl;

    std::cin >>item_number;
    std::cin >> item_name;
    std::cin >> item_price;

    std::cout << "Введены значения: item# "
     << item_number << " "
      << item_name << " @$"
      << item_price << std::endl;
}

Вот пример выполнения этой программы:

Пожалуйста, введите item_number, item_name и price:

10247 widget 19.99

Введены значения: item# 10247 widget @$19.99

Можно ввести каждый элемент на отдельной строке. По умолчанию оператор ввода отбрасывает все разделяющие пустые символы: пробел, символ табуляции, символ перехода на новую строку, символ перевода страницы и символ возврата каретки. (О том, как отменить это поведение, см. в разделе 20.9.)

Пожалуйста, введите item_number, item_name и price:

10247
widget
19.99

Введены значения: item# 10247 widget @$19.99

При чтении ошибка iostream более вероятна, чем при записи. Если мы вводим такую последовательность:

// ошибка: item_name должно быть вторым
BuzzLightyear 10009 8.99

то инструкция

std::cin >> item_number;

закончится ошибкой ввода, поскольку BuzzLightyear не принадлежит типу int. При проверке объекта std::istream будет возвращено false, поскольку возникло состояние ошибки. Более устойчивая к ошибкам реализация выглядит так:

std::cin >> item_number;
if (!std::cin)
   std::cerr << "ошибка: введено некорректное значение item_number!\n ";

Хотя сцепление операторов ввода поддерживается, проверить корректность каждой отдельной операции нельзя, поэтому пользоваться таким приемом следует лишь тогда, когда ошибка невозможна. Наша программа теперь выглядит так:

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    int item_number;
    string item_name;
    double item_price;

    std::cout << "Пожалуйста, введите item_number, item_name и price:" << std::endl;

    // хорошо, но легче допустить ошибку
    std::cin >> item_number >> item_name >> item_price;

    std::cout << "Введены значения: item#  "
        << item_number << " "
        << item_name <<" @$"
        << item_price << std::endl;
}

Последовательность

ab c
d     e

составлена из девяти символов: 'a', 'b', ' ' (пробел), 'c', '\n' (переход на новую строку), 'd', '\t' (табуляция), 'e' и '\n'. Однако приведенная программа читает лишь пять букв:

#include <iostream>

int main()
{
   char ch;

   // прочитать и вывести каждый символ
   while (std::cin >> ch)
           std::cout << ch;
   std::cout << std::endl;

   // ...
}

И печатает следующее:

abcde

По умолчанию все пустые символы отбрасываются. Если нам нужны и они, например для сохранения формата входного текста или обработки пустых символов (скажем, для подсчета количества символов перехода на новую строку), то можно воспользоваться функцией-членом get() класса std::istream (обычно в паре с ней употребляется функция-член put() класса std::ostream; они будут рассмотрены ниже). Например:

#include <iostream>

int main() {
   char ch;

   // читать все символы, в том числе пробельные
   while (std::cin.get(ch))
           std::cout.put(ch);
   // ...
}

Другая возможность сделать это – использовать манипулятор noskipws.

Каждая из двух данных последовательностей считается составленной из пяти строк, разделенных пробелами, если для чтения используются операторы ввода с типами const char* или string:

A fine and private place
"A fine and private place"

Наличие кавычек не делает пробелы внутри закавыченной строки ее частью. Просто открывающая кавычка становится начальным символом первого слова, а закрывающая – конечным символом последнего.

Вместо того чтобы читать из стандартного ввода по одному символу, можно воспользоваться потоковым итератором istream_iterator:

#include <algorithm>
#include <string>
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    istream_iterator<std::string> in(std::cin), eos ;
    std::vector<std::string> text ;
    // копировать прочитанные из стандартного ввода значения в вектор text
    std::copy(in, eos, back_inserter(text));

    std::sort(text.begin(), text.end());

    // удалить дубликаты
    std::vector<std::string>::iterator it;
    it = std::unique(text.begin(), text.end());
    text.erase(it, text.end());

    // вывести получившийся вектор
    int line_cnt = 1;
    for (std::vector<std::string>::iterator iter = text.begin(); iter != text.end(); ++iter, ++line_cnt)
        std::cout << *iter << (line_cnt % 9 ? " "  : " \n");

    std::cout << std::endl;
}

Пусть входом для этой программы будет файл istream_iter.cpp с исходным текстом. В системе UNIX мы можем перенаправить стандартный ввод на файл следующим образом (istream_iter – имя исполняемого файла программы):

istream_iter < istream_iter.cpp

(Для других систем необходимо изучить документацию.) В результате программа выводит:

!= "  "  " \n"  #include % () *iter ++iter
++line_cnt , 1 9 : ; <<  <  algorithm> <  iostream>
< string> <  std::vector> = > >::difference_type >::iterator ? allocator
back_inserter(
std::cin copy(std::cout diff_type eos for in in(int
istream_iterator<   it iter line_cnt main() sort(string test test.begin()
test.end() test.erase(typedef unique(std::vector<   { }

Помимо предопределенных операторов ввода, можно определить и собственные перегруженные экземпляры для считывания в пользовательские типы данных. (Подробнее мы расскажем об этом в разделе 20.5.)

§ 1.3. Строковый ввод

Считывание можно производить как в C-строки, так и в объекты класса string. Мы рекомендуем пользоваться последними. Их главное преимущество – автоматическое управление памятью для хранения символов. Чтобы прочитать данные в C-строку, т.е. массив символов, необходимо сначала задать его размер, достаточный для хранения строки. Обычно мы читаем символы в буфер, затем выделяем из хипа ровно столько памяти, сколько нужно для хранения прочитанной строки, и копируем данные из буфера в эту память:

#include <iostream>
#include <cstring>

char inBuf[1024];

try {
   while (std::cin >> inBuf) {
       char *str = new char[strlen(inBuf) + 1];
       strcpy(str, inBuf);
       // ... сделать что-то с массивом символов str
       delete [] str;
   }
}
catch(...) {
    delete [] str;
    throw;
}

Работать с типом string значительно проще:

#include <iostream>
#include <cstring>

string str;
while (std::cin > str)
        // ... сделать что-то со строкой

Рассмотрим операторы ввода в C-строки и в объекты класса string. В качестве входного текста по-прежнему будет использоваться рассказ об Алисе Эмме:

Alice Emma has long flowing red hair. Her Daddy says
when the wind blows through her hair, it looks almost
alive, like a fiery bird in flight. A beautiful fiery
bird, he tells her, magical but untamed. " Daddy, shush,
there is no such creature,"  she tells him, at the same time
wanting him to tell her more. Shyly, she asks, " I mean,
Daddy, is there?"

Поместим этот текст в файл alice_emma, а затем перенаправим на него стандартный вход программы. Позже, когда мы познакомимся с файловым вводом, мы откроем и прочтем этот файл непосредственно. Следующая программа помещает прочитанные со стандартного ввода слова в C-строку и находит самое длинное слово:

#include <iostream>
#include <cstring>

int main() {
    const int bufSize = 24;
    char buf[bufSize], largest[bufSize];

    // для хранения статистики
    int curLen, max = -1, cnt = 0;
    while (std::cin >> buf) {
        curLen = strlen(buf);
        ++cnt;

        // новое самое длинное слово? сохраним его
        if (curLen >  max) {
            max = curLen;
            strcpy(largest, buf);
        }
    }

    std::cout <<" Число прочитанных слов "
         << cnt << std::endl;

     std::cout << " Длина самого длинного слова "
         << max << std::endl;

    std::cout << " Самое длинное слово" 
         << largest << std::endl;
}

После компиляции и запуска программа выводит следующие сведения:

Число прочитанных слов 65

Длина самого длинного слова 10

Самое длинное слово creature,"

На самом деле этот результат неправилен: самое длинное слово beautiful, в нем девять букв. Однако выбрано creature, потому что программа сочла его частью запятую и кавычку. Следовательно, необходимо отфильтровать небуквенные символы.

Но прежде чем заняться этим, рассмотрим программу внимательнее. В ней каждое слово помещается в массив buf, длина которого равна 24. Если бы в тексте попалось слово длиной 24 символа (или более), то буфер переполнился бы и программа, вероятно, закончилась бы крахом. Чтобы предотвратить переполнение входного массива, можно воспользоваться манипулятором setw(). Модифицируем предыдущую программу:

while (std::cin >> std::setw(bufSize) >> buf)

Здесь bufSize – размер массива символов buf. setw() разбивает строку длиной bufSize или больше на несколько строк, каждая из которых не длиннее, чем bufSize - 1.

Завершается такая частичная строка двоичным нулем. Для использования setw() в программу необходимо включить заголовочный файл iomanip:

#include <iomanip>

Если в объявлении массива buf размер явно не указан:

char buf[] = "Нереалистичный пример";

то программист может применить оператор sizeof, но при условии, что идентификатор является именем массива и находится в области видимости выражения:

while (std::cin >> std::setw(sizeof(buf)) >> buf)

Применение оператора sizeof в следующем примере дает неожиданный результат:

#include <iostream>
#include <iomanip>

int main() {
    const int bufSize = 24;
    char buf[bufSize];
    char *pbuf = buf;

    // если строка длиннее, чем sizeof(char*),
    // она разбивается на несколько строк

    while (std::cin >> std::setw(sizeof(pbuf)) >> pbuf)
        std::cout << pbuf << std::endl;
}

Программа печатает:

$ a.out

The winter of our discontent
The
win
ter
of
our
dis
con
ten
t

Функции setw() вместо размера массива передается размер указателя, длина которого на нашей машине равна четырем байтам, поэтому вывод разбит на строки по три символа.

Попытка исправить ошибку приводит к еще более серьезной проблеме:

while (std::cin >> std::setw(sizeof(*pbuf)) >> pbuf)

Мы хотели передать setw() размер массива, адресуемого pbuf. Но выражение

*pbuf

дает только один символ, т.е. объект типа char. Поэтому setw() передается значение 1. На каждой итерации цикла while в массив, на который указывает pbuf, помещается только нулевой символ. До чтения из стандартного ввода дело так и не доходит, программа зацикливается.

При использовании класса string все проблемы управления памятью исчезают, об этом заботится сам string. Вот как выглядит наша программа в данном случае:

#include <iostream>
#include <string>
int main()
{
    string buf, largest;
    // для хранения статистики
    int curLen,   // длина текущего слова
        max = -1, // максимальная длина слова
        cnt = 0;  // счетчик прочитанных слов
    while (std::cin > >buf)
    {
         curLen = buf.size();
         ++cnt;

         // новое самое длинное слово? сохраним его
         if (curLen > max)
        {
              max = curLen;
              largest = buf;
         }
    }

    std::cout << "Число прочитанных слов " << cnt << std::endl;
     std::cout << "Длина самого длинного слова " << max << std::endl;
    std::cout << "Самое длинное слово " << largest << std::endl;
}

Однако запятая и кавычка по-прежнему считаются частью слова. Напишем функцию для удаления этих символов из слова:

#include <string>
void filter_string(string & str) {
     // элементы, подлежащие фильтрации
     string filt_elems("\",?.");
     string::size_type pos = 0;
     while ((pos = str.find_first_of(filt_elems, pos))
                != string::npos)
               str.erase(pos, 1);
}

Эта функция работает правильно, но множество символов, которые мы собираемся отбрасывать, "зашито" в код. Лучше дать пользователю возможность самому передать строку, содержащую такие символы. Если он согласен на множество по умолчанию, то может передать пустую строку.

#include <string>
void filter_string(string& str,
     string filt_elems = string("\",."))
{
     string::size_type pos = 0;
     while ((pos = str.find_first_of(filt_elems, pos))
                != string::npos)
               str.erase(pos, 1);
}

Более общая версия filter_string() принимает пару итераторов, обозначающих диапазон, где производится фильтрация:

template <class InputIterator>
void filter_string(InputIterator first, InputIterator last,
                    string filt_elems = string("\",."))
{
    for (; first != last; first++)
    {
        string::size_type pos = 0;
        while ((pos = (*first).find_first_of(filt_elems, pos))
                       != string::npos)
                       (*first).erase(pos, 1);
    }
}

С использованием этой функции программа будет выглядеть так:

#include string>
#include <algorithm>
#include <iterator>
#include <vector>
#include <iostream>

bool length_less(string s1, string s2)
    { return s1.size() < s2.size(); }

int main()
{
     istream_iterator<std::string> input(std::cin), eos;

    std::vector<std::string> text;
    // copy - это обобщенный алгоритм
    std::copy(input, eos, back_inserter(text));

    string filt_elems("\",.;:");
    std::filter_string(text.begin(), text.end(), filt_elems);

    int cnt = text.size();
    // max_element - это обобщенный алгоритм
    string *max = std::max_element(text.begin(), text.end(), length_less);
    int len = max->size();

    std::cout << "Число прочитанных слов " << cnt << std::endl;
    std::cout << "Длина самого длинного слова " << len << std::endl;
    std::cout << "Самое длинное слово " << *max << std::endl;
}

Когда мы применили в алгоритме max_element() стандартный оператор "меньше", определенный в классе string, то были удивлены полученным результатом:

Число прочитанных слов 65

Длина самого длинного слова 4

Самое длинное слово wind

Очевидно, что wind – это не самое длинное слово. Оказывается, оператор "меньше" в классе string сравнивает строки не по длине, а в лексикографическом порядке. И в этом смысле wind – действительно максимальный элемент. Для того чтобы найти слово максимальной длины, мы должны заменить оператор "меньше" предикатом length_less(). Тогда результат будет таким:

Число прочитанных слов 65

Длина самого длинного слова 9

Самое длинное слово beautiful

Упражнение 20.2: Прочитайте из стандартного ввода последовательность данных таких типов: string, double, string, int, string. Каждый раз проверяйте, не было ли ошибки чтения.

Упражнение 20.3: Прочитайте из стандартного ввода заранее неизвестное число строк. Поместите их в список. Найдите самую длинную и самую короткую строку.

§ 1.4. Дополнительные операторы ввода/вывода

Иногда необходимо прочитать из входного потока последовательность не интерпретируемых байтов, а типов данных, таких, как char, int, string и т.д. Функция-член get() класса std::istream читает по одному байту, а функция getline() читает строку, завершающуюся либо символом перехода на новую строку, либо каким-то иным символом, определяемым пользователем. У функции-члена get() есть три формы:

1. get(char& ch) читает из входного потока один символ (в том числе и пустой) и помещает его в ch. Она возвращает объект iostream, для которого была вызвана. Например, следующая программа собирает статистику о входном потоке, а затем копирует входной поток в выходной:

#include <iostream>

int main() {
   char ch;
   int  tab_cnt = 0, nl_cnt = 0, space_cnt = 0,
        period_cnt = 0, comma_cnt = 0;
   while (std::cin.get(ch)) {
           switch(ch) {
              case ' ':  space_cnt++;  break;
              case '\t': tab_cnt++;    break;
              case '\n': nl_cnt++;     break;
              case '.':  period_cnt++; break;
              case ',':  comma_cnt++;  break;
        }
        std::cout.put(ch);
   }

   std::cout << "\nнаша статистика:\n\t"
        << "пробелов: "    << space_cnt  << '\t'
        << "символов новой строки: " << nl_cnt    << '\t'
        << "табуляций: "      << tab_cnt    << "\n\t"
        << "точек: "   << period_cnt << '\t'
        << "запятых: "    << comma_cnt << std::endl;
}

Функция-член put() класса std::ostream дает альтернативный метод вывода символа в выходной поток: put() принимает аргумент типа char и возвращает объект класса std::ostream, для которого была вызвана.

После компиляции и запуска программа печатает следующий результат:

Alice Emma has long flowing red hair. Her Daddy says
when the wind blows through her hair, it looks almost alive,
like a fiery bird in flight. A beautiful fiery bird, he tells her,
magical but untamed. "Daddy, shush, there is no such creature,"
she tells him, at the same time wanting him to tell her more.
Shyly, she asks, "I mean, Daddy, is there?"

наша статистика:
       пробелов: 59      символов новой строки: 6     табуляций: 0
       точек: 4          запятых: 12

2. вторая форма get() также читает из входного потока по одному символу, но возвращает не поток std::istream, а значение прочитанного символа. Тип возвращаемого значения равен int, а не char, поскольку необходимо возвращать еще и признак конца файла, который обычно равен -1, чтобы отличаться от кодов реальных символов. Для проверки на конец файла мы сравниваем полученное значение с константой EOF, определенной в заголовочном файле iostream. Переменная, в которой сохраняется значение, возвращенное get(), должна быть объявлена как int, чтобы в ней можно было представить не только код любого символа, но и EOF:

#include <iostream>

int main() {
    int ch;

    // альтернатива:
     // while (ch = std::cin.get() && ch != EOF)
    while ((ch = std::cin.get()) != EOF)
              std::cout.put(ch);

    return 0;
}

При использовании любой из этих форм get() для чтения данной последовательности нужно семь итераций:

a b c
d

Читаются следующие символы: ('a', пробел, 'b', пробел, 'c', символ новой строки, 'd'). На восьмой итерации читается EOF. Оператор ввода (>>) по умолчанию пропускает пустые символы, поэтому на ту же последовательность потребуется четыре итерации, на которых возвращаются символы: 'a', 'b', 'c', 'd'. А вот следующая форма get() может прочесть всю последовательность всего за две итерации;

сигнатура третьей формы get() такова:

get(char *sink, streamsize size, char delimiter='\n')

sink – это массив, в который помещаются символы. size – это максимальное число символов, читаемых из потока std::istream. delimiter – это символ-ограничитель, при обнаружении которого чтение прекращается. Сам ограничитель не читается, а оставляется в потоке и будет прочитан следующим. Программисты часто забывают удалить его из потока перед вторым обращением к get(). Чтобы избежать этой ошибки, в показанной ниже программе мы воспользовались функцией-членом ignore() класса std::istream. По умолчанию ограничителем является символ новой строки.

Символы читаются из потока, пока одно из следующих условий не окажется истинным. Как только это случится, в очередную позицию массива помещается двоичный нуль.

• прочитано size-1 символов;
• встретился конец файла;
• встретился символ-ограничитель (еще раз напомним, что он остается в потоке и будет считан следующим).

Эта форма get() возвращает объект std::istream, для которого была вызвана (функция-член gcount() позволяет узнать количество прочитанных символов). Вот простой пример ее применения:

#include <iostream>

int main() {
    const int max_line = 1024;
    char line[max_line];

    while (std::cin.get(line, max_line)) {
        // читается не больше max_line - 1 символов,
        // чтобы оставить место для нуля
        int get_count = std::cin.gcount();
        std::cout << "фактически прочитано символов: "
             << get_count << std::endl;

        // что-то сделать со строкой

        // если встретился символ новой строки,
        // удалить его, прежде чем приступать к чтению следующей
        if (get_count < max_line-1)
              std::cin.ignore();
    }
}

Если на вход этой программы подать текст о юной Алисе Эмме, то результат будет выглядеть так:

Чтобы еще раз протестировать поведение программы, мы создали строку, содержащую больше max_line символов, и поместили ее в начало текста. Получили:

По умолчанию ignore() читает и удаляет один символ из потока, для которого вызвана, но можно и явно задать ограничитель и количество пропускаемых символов. В общем виде ее сигнатура такова:

ignore(streamsize length = 1, int delim = traits::eof)

ignore() читает и отбрасывает length символов из потока или все символы до ограничителя включительно или до конца файла и возвращает объект std::istream, для которого вызвана.

Мы рекомендуем пользоваться функцией getline(), а не get(), поскольку она автоматически удаляет ограничитель из потока. Сигнатура getline() такая же, как у get() с тремя аргументами (и возвращает она тоже объект std::istream, для которого вызвана):

getline(char *sink, streamsize size, char delimiter='\n')

Поскольку и getline(), и get() с тремя аргументами могут читать size символов или меньше, то часто нужно спросить у объекта std::istream, сколько символов было фактически прочитано. Это позволяет сделать функция-член gcount(): она возвращает число символов, прочитанных при последнем обращении к get() или getline().

Функция-член write() класса std::ostream дает альтернативный метод вывода массива символов. Вместо того чтобы выводить символы до завершающего нуля, она выводит указанное число символов, включая и внутренние нули, если таковые имеются. Вот ее сигнатура:

write(const char *sink, streamsize length)

Здесь length определяет, сколько символов выводить. write() возвращает объект класса std::ostream, для которого она вызвана.

Парной для функции write() из класса std::ostream является функция read() из класса std::istream с такой сигнатурой:

read(char* addr, streamsize size)

read() читает size соседних байт из входного потока и помещает их, начиная с адреса addr. Функция gcount() возвращает число байт, прочитанных при последнем обращении к read(). В свою очередь read() возвращает объект класса std::istream, для которого она вызвана. Вот пример использования getline(), gcount() и write():

#include <iostream>
int main()
{
    const int lineSize = 1024;
    int lcnt = 0; // сколько строк прочитано
    int max = -1; // длина самой длинной строки

    char inBuf[lineSize];

    // читается до конца строки, но не более 1024 символов
    while (std::cin.getline(inBuf, lineSize))
    {
        // сколько символов фактически прочитано
        int readin = std::cin.gcount();

        // статистика: счетчик строк, самая длинная строка
        ++lcnt;
        if (readin >max)
              max = readin;

        std::cout << "Строка #" << lcnt
             << "\tПрочитано символов: " << readin << std::endl;

        std::cout.write(inBuf, readin).put('\n').put('\n');
    }

    std::cout << "Всего прочитано строк: " << lcnt<< std::endl;
    std::cout << "Самая длинная строка: "<< max << std::endl;
}

Когда на вход было подано несколько фраз из романа Германа Мелвилла "Моби Дик", программа напечатала следующее:

Функция-член getline() класса std::istream поддерживает только ввод в массив символов. Однако в стандартной библиотеке есть обычная функция getline(), которая помещает символы в объект класса string:

getline(std::istream& is, string str, char delimiter);

Эта функция читает не более str::max_size()-1 символов. Если входная последовательность длиннее, то операция завершается неудачно и объект переводится в ошибочное состояние. В противном случае ввод прекращается, когда прочитан ограничитель (он удаляется из потока, но в строку не помещается) либо достигнут конец файла.

Вот еще три необходимые нам функции-члена класса std::istream:

// возвращает символ в поток
putback(char class);
// устанавливает "указатель на следующий символ потока
// std::istream на один символ назад
unget();
// возвращает следующий символ (или EOF),
// но не извлекает его из потока
peek();

Следующий фрагмент иллюстрирует использование некоторых из них:

char ch, next, lookahead;
while (std::cin.get(ch)) {
   switch (ch) {
   case '/':
      // это комментарий? посмотрим с помощью peek()
      // если да, пропустить остаток строки
      next = std::cin.peek();
      if (next == '/')
         std::cin.ignore(lineSize, '\n');
      break;
   case '>':
      // проверка на лексему >>=
      next = std::cin.peek();
      if (next == '>') {
         lookahead = std::cin.get();
         next = std::cin.peek();
         if (next != '=')
            std::cin.putback(lookahead);
      }
      // ...
}

Упражнение 20.4

Прочитайте из стандартного ввода следующую последовательность символов, включая все пустые, и скопируйте каждый символ на стандартный вывод (эхо-копирование):

a  b c d     e f

Упражнение 20.5: Прочитайте фразу "riverrun, from bend of bay to swerve of shore" сначала как последовательность из девяти строк, а затем как одну строку.

Упражнение 20.6: С помощью функций getline() и gcount() прочитайте последовательность строк из стандартного ввода и найдите самую длинную (не забудьте, что строку, прочитанную за несколько обращений к getline(), нужно считать одной).

§ 1.5. Перегрузка оператора вывода

Если мы хотим, чтобы наш тип класса поддерживал операции ввода/вывода, то необходимо перегрузить оба соответствующих оператора. В этом разделе мы рассмотрим, как перегружается оператор вывода. (Перегрузка оператора ввода – тема следующего раздела.) Например, для класса WordCount он выглядит так:

class WordCount {
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream&, const WordCount&);

public:
    WordCount(string word, int cnt=1);
    // ...
private:
    string word;
    int occurs;
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const WordCount& wd) {
     // формат: <счетчик> слово
     os << "< " << " >  " >  "
        << wd.word;
     return os;
}

Проектировщик должен решить, следует ли выводить завершающий символ новой строки. Лучше этого не делать: поскольку операторы вывода для встроенных типов такой символ не печатают, пользователь ожидает аналогичного поведения и от операторов в других классах. Определенный нами в классе WordCount оператор вывода можно использовать вместе с любыми другими операторами:

#include <iostream> 
#include "WordCount.h"

int main()
{
   WordCount wd(" sadness" , 12);
   std::cout << " wd:\n"  << wd << std::endl;
   return 0;
}

Программа печатает на терминале строки:

Оператор вывода – это бинарный оператор, который возвращает ссылку на объект класса std::ostream. В общем случае структура определения перегруженного оператора вывода выглядит так:

// структура перегруженного оператора вывода
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const ClassType& object) {
   // произвольный код для подготовки объекта

   // фактическое число членов
   os << // ...

   // возвращается объект std::ostream
   return os;
}

Первый его аргумент – это ссылка на объект std::ostream, а второй – ссылка (обычно константная) на объект некоторого класса. Возвращается ссылка на std::ostream. Значением всегда является объект std::ostream, для которого оператор вызывался.

Поскольку первым аргументом является ссылка на стандартный класс std::ostream, изменить который смы не можем, оператор вывода должен быть определен как обычная функция, а не член класса. Если оператору необходим доступ к неоткрытым членам, то следует объявить его другом класса.

Пусть Location – это класс, в котором хранятся номера строки и колонки вхождения слова. Вот его определение:

#include <iostream>

class Location {
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream&, const Location&);
private:
    short _line;
    short _col;
};
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Location& lc) {
    // объект Loc выводится в виде:  < 10,37 > 
    os << " <"  <<lc._line
       << " ,"  << lc._col << " >  " ;

    return os;
}

Изменим определение класса WordCount, включив в него вектор occurList объектов Location и объект word класса string:

#include <vector>
#include <string>
#include <iostream>
#include "Location.h"

class WordCount {
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream&, const WordCount&);

public:
    WordCount() {}
    WordCount(const string & word) : _word(word) {}
    WordCount(const string & word, int ln, int col)
        : _word(word){ insert_location(ln, col); }

    string word()   const { return _word; }
    int    occurs() const { return _occurList.size(); }
    void   found(int ln, int col)
        { insert_location(ln, col); }

private:
    void insert_location(int ln, int col)
        { _occurList.push_back(Location(ln, col)); }

    std::string           _word;
    std::vector<Location> _occurList;
};

В классах string и Location определен оператор вывода operator<<(). Так выглядит измененное определение оператора вывода в WordCount:

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const WordCount& wd) {
    os << "<" << wd._occurList.size() << "> "
       << wd._word << std::endl;

    int cnt = 0, onLine = 6;
    std::vector<Location>::const_iterator first = wd._occurList.begin();
    std::vector<Location>::const_iterator last  = wd._occurList.end();

    for (; first != last; ++first) {
        // os << Location
        os << *first << " ";
        // форматирование: по 6 в строке
        if (++cnt >= onLine)
            { os << "\n"; cnt = 0;  }
    }
    return os;
}

А вот небольшая программа для тестирования нового определения класса WordCount; позиции вхождений для простоты зашиты в код:

int main() {
    WordCount search("rosebud");

    // для простоты явно введем 8 вхождений
    search.found(11,3);  search.found(11,8);
    search.found(14,2);  search.found(34,6);
    search.found(49,7);  search.found(67,5);
    search.found(81,2);  search.found(82,3);
    search.found(91,4);  search.found(97,8);

    std::cout << "Вхождения: " << "\n"
         << search << std::endl;

    return 0;
}

После компиляции и запуска программа выводит следующее:

Вхождения:

Полученный результат сохранен в файле output. Далее мы определим оператор ввода, с помощью которого прочитаем данные из этого файла.

Упражнение 20.7

Дано определение класса Date:

class Date {
public:
   // ...
private:
   int month, day, year;
};

Напишите перегруженный оператор вывода даты в формате:

(a)
// полное название месяца
September 8th, 1997
(b)
9 / 8 / 97
(c) Какой формат лучше? Объясните.
(d) Должен ли оператор вывода Date быть функцией-другом? Почему?

Упражнение 20.8

Определите оператор вывода для следующего класса CheckoutRecord:

class CheckoutRecord {      // запись о выдаче
public:
   // ...
private:
   double book_id;          // идентификатор книги
   string title;            // название
   Date date_borrowed;      // дата выдачи
   Date date_due;           // дата возврата
   pair<string,string> borrower;  // кому выдана
   std::vector pair<string,string> wait_list;   // очередь на книгу
};

§ 1.6. Перегрузка оператора ввода

Перегрузка оператора ввода (>>) похожа на перегрузку оператора вывода, но, к сожалению, возможностей для ошибок гораздо больше. Вот, например, его реализация для класса WordCount:

#include <iostream>
#include "WordCount.h"

/* необходимо модифицировать определение класса WordCount, чтобы
   оператор ввода был другом
   class WordCount {
      friend std::ostream& operator<<(std::ostream&, const WordCount&);
      friend std::istream& operator>>(std::istream&, const WordCount&);
*/

std::istream& operator>>(std::istream& is, WordCount& wd) {
    /* формат хранения объекта WordCount:
     * <2>> строка
     * <7,3>> <12,36>
     */

    int ch;

    /* прочитать знак '<'. Если его нет,
     * перевести поток в ошибочное состояние и выйти
     */
    if ((ch = is.get()) != '<') {
        // is.setstate(ios_base::badbit);
        return is;
    }

    // прочитать длину
    int occurs;
    is >> occurs;

    // читать до обнаружения >; ошибки не контролируются
    while (is && (ch = is.get()) != '>') ;

    is >> wd._word;

    // прочитать позиции вхождений;
    // каждая позиция имеет формат: < строка, колонка >
    for (int ix = 0; ix < occurs; ++ix) {
        int line, col;
        // извлечь значения
        while (is && (ch = is.get())!= '<') ;
        is >> line;

        while (is && (ch = is.get())!= ',') ;
        is >> col;

        while (is && (ch = is.get())!= '>') ;

        wd._occurList.push_back(Location(line, col));
    }
    return is;
}

На этом примере показан целый ряд проблем, имеющих отношение к возможным ошибочным состояниям входного потока:

• поток, чтение из которого невозможно из-за неправильного формата, переводится в состояние fail:

  is.setstate(ios_base::failbit);

• операции вставки и извлечения из потока, находящегося в ошибочном состоянии, не работают:

  while ((ch = is.get()) != lbrace)

Инструкция зациклится, если объект std::istream будет находиться в ошибочном состоянии. Поэтому перед каждым обращением к get() проверяется отсутствие ошибки:

// проверить, находится ли поток "is" в "хорошем" состоянии
while (is && (ch = is.get()) != lbrace)

Если объект std::istream не в "хорошем" состоянии, то его значение будет равно false. (О состояниях потока мы расскажем в разделе 20.7.)

Данная программа считывает объект класса WordCount, сохраненный оператором вывода из предыдущего раздела:

#include <iostream>
#include "WordCount.h"

int main() {
    WordCount readIn;

    // operator>>(std::cin, readIn)
    std::cin >> readIn;

    if (!std::cin) {
        std::cerr << "Ошибка ввода WordCount" << std::endl;
        return -1;
    }

    // operator<< (std::cout, readIn)
    std::cout << readIn << std::endl;
}

Выводится следующее:

Упражнение 20.9: Оператор ввода класса WordCount сам читает объекты класса Location. Вынесите этот код в отдельный оператор ввода класса Location.

Упражнение 20.10: Реализуйте оператор ввода для класса Date из упражнения 20.7 в разделе 20.4.

Упражнение 20.11: Реализуйте оператор ввода для класса CheckoutRecord из упражнения 20.8 в разделе 20.4.

§ 1.7. Файловый ввод/вывод

Если программе необходимо работать с файлом, то следует включить в нее заголовочный файл fstream (который в свою очередь включает iostream):

#include <fstream>

Если файл будет использоваться только для вывода, мы определяем объект класса ofstream. Например:

ofstream outfile("copy.out", ios::base::out);

Передаваемые конструктору аргументы задают имя открываемого файла и режим открытия. Файл типа ofstream может быть открыт либо – по умолчанию – в режиме вывода (ios_base::out), либо в режиме дозаписи (ios_base::app). Такое определение файла outfile2 эквивалентно приведенному выше:

// по умолчанию открывается в режиме вывода
ofstream outfile2("copy.out");

Если в режиме вывода открывается существующий файл, то все хранившиеся в нем данные пропадают. Если же мы хотим не заменить, а добавить данные, то следует открывать файл в режиме дозаписи: тогда новые данные помещаются в конец. Если указанный файл не существует, то он создается в любом режиме.

Прежде чем пытаться прочитать из файла или записать в него, нужно проверить, что файл был успешно открыт:

if (! outfile) { // открыть файл не удалось
   std::cerr <<"не могу открыть "copy.out" для записи\n";
   exit(-1);
}

Класс ofstream является производным от std::ostream. Все определенные в std::ostream операции применимы и к ofstream. Например, инструкции

char ch = ' ';
outFile.put('1').put(')').put(ch);
outFile <<"1 + 1 = " << (1 + 1) << std::endl;

выводят в файл outFile последовательность символов:

Следующая программа читает из стандартного ввода символы и копирует их в стандартный вывод:

#include <fstream>

int main() {
    // открыть файл copy.out для вывода
    ofstream outFile("copy.out");

    if (! outFile) {
        std::cerr << "Не могу открыть 'copy.out' для вывода\n";
        return -1;
    }

    char ch;
    while (std::cin.get(ch))
        outFile.put(ch);
}

К объекту класса ofstream можно применять и определенные пользователем экземпляры оператора вывода. Данная программа вызывает оператор вывода класса WordCount из предыдущего раздела:

#include <fstream>
#include "WordCount.h"

int main() {
    // открыть файл word.out для вывода
    ofstream oFile("word.out");
    // здесь проверка успешности открытия ...

    // создать и вручную заполнить объект WordCount
    WordCount artist("Renoir");
    artist.found(7, 12); artist.found(34, 18);

    // вызывается оператор<<(std::ostream&, const WordCount&);
    oFile <<artist;
}

Чтобы открыть файл только для чтения, применяется объект класса ifstream, производного от std::istream. Следующая программа читает указанный пользователем файл и копирует его содержимое на стандартный вывод:

#include <fstream>
#include <string>

int main() {
    std::cout << "filename: ";
    string file_name;

    std::cin>> file_name;

    // открыть файл для ввода
    ifstream inFile(file_name.c_str());

    if (!inFile) {
         std::cerr << "не могу открыть входной файл: "
              << file_name << " -- аварийный останов!\n";
         return -1;
    }

    char ch;
    while (inFile.get(ch))
            std::cout.put(ch);
}

Программа, показанная ниже, читает наш текстовый файл alice_emma, фильтрует его с помощью функции filter_string() (см. раздел 20.2.1, где приведены текст этой функции и содержимое файла), сортирует строки, удаляет дубликаты и записывает результат на стандартный вывод:

#include <fstream>
#include <iterator>
#include <vector>
#include <algorithm>
template <class InputIterator>
void filter_string(InputIterator first, InputIterator last,
                    string filt_elems = string("\",?."))
{
    for (; first != last; first++) {
       string::size_type pos = 0;
       while ((pos = (*first).find_first_of(filt_elems, pos))
                   != string::npos)
             (*first).erase(pos, 1);
    }
}

int main() {
    ifstream infile("alice_emma");

    istream_iterator<string> ifile(infile);
    istream_iterator<string> eos;

    std::vector<std::string> text;
    copy(ifile, eos, inserter(text, text.begin()));

    string filt_elems("\",.?;:");
    filter_string(text.begin(), text.end(), filt_elems);

    std::vector<std::string>::iterator iter;

    sort(text.begin(), text.end());
    iter = unique(text.begin(), text.end());
    text.erase(iter, text.end());

    ofstream outfile("alice_emma_sort");

    iter = text.begin();
    for (int line_cnt = 1; iter != text.end(); ++iter, ++line_cnt) {
        outfile << *iter <<" ";
        if (! (line_cnt % 8))
           outfile << '\n';
    }
     outfile << std::endl;
}

После компиляции и запуска программа выводит следующее:

Объекты классов ofstream и ifstream разрешено определять и без указания имени файла. Позже к этому объекту можно присоединить файл с помощью функции-члена open():

#include <fstream>

ifstream curFile;
// ...
curFile.open(filename.c_str());
if (! curFile)  // открытие успешно?
   // ...
Чтобы закрыть файл (отключить от программы), вызываем функцию-член close():

const int fileCnt = 5;
string fileTabl[fileCnt] = {
    "Melville", "Joyce", "Musil", "Proust", "Kafka"
};
// ...
int main() {
    ifstream inFile; // не связан ни с каким файлом

    for (int ix = 0; ix < fileCnt; ++ix) {
        inFile.open(fileTabl[ix].c_str());
        // ... проверить успешность открытия
        // ... обработать файл
        inFile.close();
    }
}

бъект класса fstream (производного от iostream) может открывать файл для ввода или вывода. В следующем примере файл word.out сначала считывается, а затем записывается с помощью объекта типа fstream. Созданный ранее в этом разделе файл word.out содержит объект WordCount:

#include <fstream>
#include "WordCount.h"

int main() {
    WordCount wd;
    fstream file;

    file.open("word.out", ios::in);
    file >> wd;
    file.close();

    std::cout << "Прочитано: " << wd << std::endl;

    // операция ios_base::out стерла бы текущие данные
    file.open("word.out", ios::app);
    file << std::endl << wd << std::endl;
    file.close();
}

Объект класса fstream может также открывать файл одновременно для ввода и вывода. Например, приведенная инструкция открывает файл word.out для ввода и дозаписи:

fstream io("word.out", ios_base::in|ios_base::app);

Для задания нескольких режимов используется оператор побитового ИЛИ. Объект класса fstream можно позиционировать с помощью функций-членов seekg() или seekp(). Здесь буква g обозначает позиционирование для чтения (getting) символов (используется с объектом класса ofstream), а p – для записи (putting) символов (используется с объектом класса ifstream). Эти функции делают текущим тот байт в файле, который имеет указанное абсолютное или относительное смещение. У них есть два варианта:

// установить абсолютное смещение в файле
seekg(pos_type current_position)

// смещение от текущей позиции в том или ином направлении
seekg(off_type offset_position, ios_base::seekdir dir);

В первом варианте текущая позиция устанавливается в некоторое абсолютное значение, заданное аргументом current_position, причем значение 0 соответствует началу файла. Например, если файл содержит такую последовательность символов:

то вызов

io.seekg(6);

позиционирует io на шестой символ, т.е. на f. Второй вариант устанавливает указатель рабочей позиции файла на заданное расстояние от текущей, от начала файла или от его конца в зависимости от аргумента dir, который может принимать следующие значения:

• ios_base::beg – от начала файла;
• ios_base::cur – от текущей позиции;
• ios_base::end – от конца файла.

В следующем примере каждый вызов seekg() позиционирует файл на i-ую запись:

for (int i = 0; i < recordCnt; ++i)
    readFile.ssekg(i * sizeof(Record), ios_base::beg);

С помощью первого аргумента можно задавать отрицательное значение. Переместимся на 10 байтов назад от текущей позиции:

readFile.seekg(-10, ios_base::cur);

Текущая позиция чтения в файле типа fstream возвращается любой из двух функций-членов tellg() или tellp(). Здесь 'p' означает запись (putting) и используется с объектом ofstream, а 'g' говорит о чтении (getting) и обслуживает объект ifstream:

// сохранить текущую позицию
ios_base::pos_type mark = writeFile.tellp();
// ...
if (cancelEntry)
   // вернуться к сохраненной позиции
   writeFile.seekp(mark);

Если необходимо сместиться вперед от текущей позиции на одну запись типа Record, то можно воспользоваться любой из данных инструкций:

// эквивалентные вызовы seekg
readFile.seekg(readFile.tellg() + sizeof(Record));

// данный вызов считается более эффективным
readFile.seekg(sizeof(Record), ios_base::cur);

Разберем реальный пример. Дан текстовый файл, нужно вычислить его длину в байтах и сохранить ее в конце файла. Кроме того, каждый раз при встрече символа новой строки требуется сохранить текущее смещение в конце файла. Вот наш текстовый файл:

Программа должна создать файл, модифицированный следующим образом:

Так выглядит первая попытка реализации:

#include <iostream>
#include <fstream>

int main() {
    // открыть файл для ввода и дозаписи
    fstream inOut("copy.out", ios_base::in|ios_base::app);
    int cnt = 0;   // счетчик байтов
    char ch;

    while (inOut.get(ch)) {
        std::cout.put(ch); // скопировать на терминал
        ++cnt;
        if (ch == '\n') {
            inOut << cnt ;
            inOut.put(' '); // пробел
        }
    }

    // вывести окончательное значение счетчика байтов
    inOut << cnt << std::endl;
    std::cout << "[" << cnt << "]" << std::endl;
    return 0;
}

inOut – это объект класса fstream, связанный с файлом copy.out, открытым для ввода и дозаписи. Если файл открыт в режиме дозаписи, то все новые данные записываются в конец.

При чтении любого (включая пробельные) символа, кроме конца файла, мы увеличиваем переменную cnt на 1 и копируем прочитанный символ на терминал, чтобы вовремя заметить ошибки в работе программы.

Встретив символ новой строки, мы записываем текущее значение cnt в inOut. Как только будет достигнут конец файла, цикл прекращается. Окончательное значение cnt выводится в файл и на экран.

Программа компилируется без ошибок и кажется правильной. Но если подать на вход несколько фраз из романа "Моби Дик" Германа Мелвилла:

то получим такой результат:

[0]

Программа не вывела ни одного символа, видимо, полагая, что файл пуст. Проблема в том, что файл открыт для дозаписи и потому позиционирован на конец. При выполнении инструкции

inOut.get(ch);

мы читаем конец файла, цикл while завершается и выводится значение 0.

Хотя мы допустили серьезную ошибку, исправить ее совсем несложно, поскольку причина понятна. Надо лишь перед чтением переустановить файл на начало. Это делается с помощью обращения:

inOut.seekg(0);

Запустим программу заново. На этот раз она печатает:

Как видим, выводится лишь первая строка текста и счетчик для нее, а оставшиеся шесть строк проигнорированы. Ну что ж, исправление ошибок – неотъемлемая часть профессии программиста. А проблема опять в том, что файл открыт в режиме дозаписи. Как только мы в первый раз вывели cnt, файл оказался позиционирован на конец. При следующем обращении к get() читается конец файла, и цикл while снова завершается преждевременно.

Нам необходимо встать на ту позицию в файле, где мы были перед выводом cnt. Для этого понадобятся еще две инструкции:

// запомнить текущую позицию
ios_base::pos_type mark = inOut.tellg();
inOut << cnt << sp;
inOut.seekg(mark);   // восстановить позицию

После повторной компиляции программа выводит на экран ожидаемый результат. Но посмотрев на выходной файл, мы обнаружим, что она все еще не вполне правильна: окончательное значение счетчика есть на экране, но не в файле. Оператор вывода, следующий за циклом while, не был выполнен.

Дело в том, что inOut находится в состоянии "конец файла", в котором операции ввода и вывода не выполняются. Для решения проблемы необходимо сбросить это состояние с помощью функции-члена clear():

inOut.clear();   // обнулить флаги состояния

Окончательный вариант программы выглядит так:

#include <iostream>
#include <fstream>

int main() {
    fstream inOut("copy.out", ios_base::in|ios_base::app);
    int cnt=0;
    char ch;

    inOut.seekg(0);

    while (inOut.get(ch)) {
        std::cout.put(ch);
        cnt++;

        if (ch == '\n') {
            // запомнить текущую позицию
            ios_base::pos_type mark = inOut.tellg();
            inOut << cnt << ' ';
            inOut.seekg(mark); // восстановить позицию
        }
    }
    inOut.clear();
    inOut << cnt << std::endl;

    std::cout << "[ " << cnt << " ]\n";

    return 0;
}

Вот теперь – наконец-то! – все правильно. При реализации этой программы было необходимо явно сформулировать поведение, которое мы собирались поддержать. А каждое наше исправление было реакцией на выявившуюся ошибку вместо анализа проблемы в целом.

Упражнение 20.12: Пользуясь операторами вывода для класса Date, которые вы определили в упражнении 20.7, или для класса CheckoutRecord из упражнения 20.8 (см. раздел 20.4), напишите программу, позволяющую создать файл и писать в него.

Упражнение 20.13: Напишите программу для открытия и чтения файла, созданного в упражнении 20.12. Выведите содержимое файла на стандартный вывод.

Упражнение 20.14: Напишите программу для открытия файла, созданного в упражнении 20.12, для чтения и дозаписи. Выведите экземпляр класса Date или CheckoutRecord:

• в начало файла
• после второго из существующих объектов
• в конец файла

§ 1.8. Состояния потока

Пользователей библиотеки iostream, разумеется, интересует, находится ли поток в ошибочном состоянии. Например, если мы пишем

int ival;
std::cin >>ival;

и вводим слово "Borges", то std::cin переводится в состояние ошибки после неудачной попытки присвоить строковый литерал целому числу. Если бы мы ввели число 1024, то чтение прошло бы успешно и поток остался бы в нормальном состоянии.

Чтобы выяснить, в каком состоянии находится поток, достаточно проверить его значение на истину:

if (!std::cin)
   // операция чтения не прошла или встретился конец файла

Для чтения заранее неизвестного количества элементов мы обычно пишем цикл while:

while (std::cin >> word)
      // операция чтения завершилась успешно ...

Условие в цикле while будет равно false, если достигнут конец файла или произошла ошибка при чтении. В большинстве случаев такой проверки потокового объекта достаточно. Однако при реализации оператора ввода для класса WordCount из раздела 20.5 нам понадобился более точный анализ состояния.

У любого потока есть набор флагов, с помощью которых можно следить за состоянием потока. Имеются четыре предикатные функции-члена:

• eof() возвращает true, если достигнут конец файла:

  if (inOut.eof())
     // отлично: все прочитано ...

• bad() возвращает true при попытке выполнения некорректной операции, например при установке позиции за концом файла. Обычно это свидетельствует о том, что поток находится в состоянии ошибки;
• fail() возвращает true, если операция завершилась неудачно, например не удалось открыть файл или передан некорректный формат ввода:

  ifstream iFile(filename, ios_base::in);
  if (iFile.fail())    // не удалось открыть
     error_message(...);

• good() возвращает true, если все вышеперечисленные условия ложны:

  if (inOut.good())

Существует два способа явно изменить состояние потока iostream. С помощью функции-члена clear() ему явно присваивается указанное значение. Функция setstate() не сбрасывает состояние, а устанавливает один из флагов, не меняя значения остальных. Например, в коде оператора ввода для класса WordCount при обнаружении неверного формата мы используем setstate() для установки флага fail в состоянии объекта std::istream:

if ((ch = is.get()) != '<') {
   is.setstate(ios_base::failbit);
   return is;
}

Имеются следующие значения флагов состояния:

ios_base::badbit
ios_base::eofbit
ios_base::failbit
ios_base::goodbit

Для установки сразу нескольких флагов используется побитовый оператор ИЛИ:

is.setstate(ios_base::badbit | ios_base::failbit);

При тестировании оператора ввода в классе WordCount (см. раздел 20.5) мы писали:

if (!std::cin) {
   std::cerr << "Ошибка ввода WordCount" << std::endl;
   return -1;
}

Возможно, вместо этого мы предпочли бы продолжить выполнение программы, предупредив пользователя об ошибке и попросив повторить ввод. Но перед чтением нового значения из потока std::cin необходимо перевести его в нормальное состояние. Это можно сделать с помощью функции-члена clear():

std::cin.clear(); // сброс ошибок

В более общем случае clear() используется для сброса текущего состояния и установки одного или нескольких флагов нового. Например:

std::cin.clear(ios_base::goodbit);

восстанавливает нормальное состояние потока. (Оба вызова эквивалентны, поскольку goodbit является для clear() аргументом по умолчанию.)

Функция-член rdstate() позволяет получить текущее состояние объекта:

ios_base::iostate old_state = std::cin.rdstate();

std::cin.clear();
process_input();

// перевести поток std::cin в прежнее состояние
std::cin.clear(old_state);

Упражнение 20.15: Измените один (или оба) оператор ввода для класса Date из упражнения 20.7 и/или класса CheckoutRecord из упражнения 20.8 (см. раздел 20.4) так, чтобы они устанавливали состояние объекта std::istream. Модифицируйте программы, которыми вы пользовались для тестирования этих операторов, для проверки явно установленного состояния, вывода его на печать и сброса в нормальное. Протестируйте программы, подав на вход правильные и неправильные данные.

§ 1.9. Строковые потоки

Библиотека iostream поддерживает операции над строковыми объектами в памяти. Класс ostringstream вставляет символы в строку, istringstream читает символы из строкового объекта, а stringstream может использоваться как для чтения, так и для записи. Чтобы работать со строковым потоком, в программу необходимо включить заголовочный файл

#include <sstream>

Например, следующая функция читает весь файл alice_emma в объект buf класса ostringstream. Размер buf увеличивается по мере необходимости, чтобы вместить все символы:

#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>

string read_file_into_string() {
    ifstream ifile("alice_emma");
    ostringstream buf;
    char ch;
    while (buf && ifile.get(ch))
         buf.put(ch);
    return buf.str();
}

Функция-член str() возвращает строку – объект класса string, ассоциированный со строковым потоком ostringstream. Этой строкой можно манипулировать так же, как и обычным объектом класса string. Например, в следующей программе text почленно инициализируется строкой, ассоциированной с buf:

int main() {
    string text = read_file_into_string();

    // запомнить позиции каждого символа новой строки
    std::vector<std::string::size_type> lines_of_text;
    string::size_type pos = 0;

    while (pos != string::npos) {
        pos = text.find('\n' pos);
        lines_of_text.push_back(pos);
    }

    // ...
}

Объект класса ostringstream можно использовать для автоматического форматирования составной строки, т.е. строки, составленной из данных разных типов. Так, следующий оператор вывода автоматически преобразует любой арифметический тип в соответствующее строковое представление, поэтому заботиться о выделении нужного количества памяти нет необходимости:

#include <iostream>
#include <sstream>

int main() {
    int    ival  = 1024;     int   *pival = &ival;
    double  dval  = 3.14159; double *pdval = &dval;

    ostringstream format_message;

    // преобразование значений в строковое представление
    format_message << "ival: " << ival
                   <<" адрес ival: " << pival << 'n'
                   << "dval: " << dval
                   << " адрес dval: " << pdval << std::endl;

    string msg = format_message.str();
    std::cout << " размер строки сообщения: " << msg.size()
         <<" сообщение:"<<msg <<std::endl;
}

Иногда лучше собрать все диагностические сообщения об ошибках, а не выводить их по мере возникновения. Это легко сделать с помощью перегруженного множества функций форматирования:

string format(string msg, int expected, int received) {
   ostringstream message;
   message << msg << " ожидалось: " << expected
           << " принято: " << received << "\n";
   return message.str();
}

string format(string msg, std::vector<int> *values);
// ... и так далее

Приложение может сохранить такие строки для последующего отображения и даже рассортировать их по серьезности. Обобщить эту идею помогают классы Notify (извещение), Log (протокол) и Error (ошибка).

Поток istringstream читает из объекта класса string, с помощью которого был сконструирован. В частности, он применяется для преобразования строкового представления числа в его арифметическое значение:

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>

int main() {
    int    ival = 1024;    int *pival = &ival;
    double dval = 3.14159; double *pdval = &dval;

    // создает строку, в которой значения разделены пробелами
    ostringstream format_string;

    format_string << ival << " " << pival << " "
                   << dval <<" " << pdval << std::endl;

    // извлекает сохраненные значения в коде ASCII
    // и помещает их в четыре разных объекта
    istringstream input_istring(format_string.str());

    input_istring >> ival >> pival >> dval >> pdval;
}

Упражнение 20.16: В языке Си форматирование выходного сообщения производится с помощью функций семейства printf(). Например, следующий фрагмент

int    ival = 1024;
double dval = 3.14159;
char   cval = 'a';
char  *sval = "the end";

printf("ival: %d\tdval% %g\tcval: %c\tsval: %s",
         ival, dval, cval, sval);
печатает:

ival: 1024   dval: 3.14159  cval: a   sval: the end

Первым аргументом printf() является форматная строка. Каждый символ % показывает, что вместо него должно быть подставлено значение аргумента, а следующий за ним символ определяет тип этого аргумента. Вот некоторые из поддерживаемых типов (полное описание см. в [KERNIGHAN88]):

%d        целое число
%g        число с плавающей точкой
%c        char
%s        C-строка

Дополнительные аргументы printf() на позиционной основе сопоставляются со спецификаторами формата, начинающимися со знака %. Все остальные символы в форматной строке рассматриваются как литералы и выводятся буквально.

Основные недостатки семейства функций printf() таковы: во-первых, форматная строка не обобщается на определенные пользователем типы, и, во-вторых, если типы или число аргументов не соответствуют форматной строке, компилятор не заметит ошибки, а вывод будет отформатирован неверно. Однако у функций printf() есть и достоинство – компактность записи.

1. Получите так же отформатированный результат с помощью объекта класса ostringstream.
2. Сформулируйте достоинства и недостатки обоих подходов.

§ 1.10. Состояние формата

Каждый объект класса из библиотеки iostream поддерживает состояние формата, которое управляет выполнением операций форматирования, например основание системы счисления для целых значений или точность для значений с плавающей точкой. Для модификации состояния формата объекта в распоряжении программиста имеется предопределенный набор манипуляторов.1 Манипулятор применяется к потоковому объекту так же, как к данным. Однако вместо чтения или записи данных манипулятор модифицирует внутреннее состояние потока. Например, по умолчанию объект типа bool, имеющий значение true (а также литеральная константа true), выводится как целая "1":

#include <iostream>

int main() {
    bool illustrate = true;
    std::cout << "объект illustrate типа bool установлен в true: " << illustrate << '\n';
}

Чтобы поток std::cout выводил переменную illustrate в виде слова true, мы применяем манипулятор boolalpha:

#include <iostream>

int main() {
    bool illustrate = true;
    std::cout << "объект illustrate типа bool установлен в true: ";

    // изменяет состояние std::cout так, что булевские значения
    // печатаются в виде строк true и false
    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << illustrate <<'\n';
}

Поскольку манипулятор возвращает потоковый объект, к которому он применялся, то допустимо прицеплять его к выводимым данным и другим манипуляторам. Вот как можно перемежать данные и манипуляторы в нашей программе:

#include <iostream>

int main() {
    bool illustrate = true;
    std::cout << "объект illustrate типа bool: "
         << illustrate
         << "\nс использованием boolalpha: "
         << std::boolalpha << illustrate <<'\n';


    // ...
}

Вывод данных и манипуляторов вперемежку может сбить пользователя с толку. Применение манипулятора изменяет не только представление следующего за ним объекта, но и внутреннее состояние потока. В нашем примере все значения типа bool в оставшейся части программы также будут выводиться в виде строк.

Чтобы отменить сделанную модификацию потока std::cout, необходимо использовать манипулятор noboolalpha:

std::cout << std::boolalpha   // устанавливает внутреннее состояние std::cout
     << illustrate
     << std::noboolalpha  // сбрасывает внутреннее состояние std::cout

Как мы покажем, для многих манипуляторов имеются парные.

По умолчанию значения арифметических типов читаются и записываются в десятичной системе счисления. Программист может изменить ее на восьмеричную или шестнадцатеричную, а затем вернуться к десятичной (это распространяется только на целые типы, но не на типы с плавающей точкой), пользуясь манипуляторами hex, oct и dec:

#include <iostream>

int main() {
    int ival = 16;
    double dval = 16.0;

    std::cout << "ival: " << ival
         << " установлен oct: " << std::oct << ival << "\n";

    std::cout << "dval: " << dval
         << " установлен hex: " << std::hex << dval << "\n";

    std::cout << "ival: " << ival
         << " установлен dec: " << std::dec << ival << "\n";
}

Эта программа печатает следующее:

ival: 16 установлен oct: 20
dval: 16 установлен hex: 16
ival: 10 установлен dec: 16

Но, глядя на значение, мы не можем понять, в какой системе счисления оно записано. Например, 20 – это действительно 20 или восьмеричное представление 16? Манипулятор showbase выводит основание системы счисления вместе со значением с помощью следующих соглашений:

• 0x в начале обозначает шестнадцатеричную систему (если мы хотим, чтобы вместо строчной буквы 'x' печаталась заглавная, то можем применить манипулятор uppercase, а для отмены – манипулятор nouppercase);
• 0 в начале обозначает восьмеричную систему;
• отсутствие того и другого обозначает десятичную систему.

Вот та же программа, но и с использованием std::showbase:

#include <iostream>

int main() {
    int ival = 16;
    double dval = 16.0;

    std::cout << std::showbase;

    std::cout << "ival: " << ival
          << " установлен oct: " << std::oct << ival << "\n";

    std::cout << "dval: " <<dval
          << " установлен hex: " << std::hex << dval << "\n";

    std::cout << "ival: " << ival
          << " установлен dec: " << std::dec << ival << "\n";

     std::cout << std::noshowbase;
}

Результат:

Манипулятор noshowbase восстанавливает состояние std::cout, при котором основание системы счисления не выводится.

По умолчанию значения с плавающей точкой выводятся с точностью 6. Эту величину можно модифицировать с помощью функции-члена precision(int) или манипулятора setprecision(); для использования последнего необходимо включить заголовочный файл iomanip. precision() возвращает текущее значение точности. Например:

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <cmath>

int main() {
    std::cout << "Точность: "
         << std::cout.precision() << std::endl
         << sqrt(2.0) << std::endl;

    std::cout.precision(12);
    std::cout << "\nТочность: "
         << std::cout.precision() << std::endl
         << sqrt(2.0) << std::endl;

    std::cout << "\nТочность:"  << std::setprecision(3)
         << std::cout.precision() << std::endl
         << sqrt(2.0) << std::endl;

    return 0;
}