20. Библиотека iostream

Частью стандартной библиотеки C++ является библиотека iostream – объектно-ориентированная иерархия классов, где используется и множественное, и виртуальное наследование. В ней реализована поддержка для файлового ввода/вывода данных встроенных типов. Кроме того, разработчики классов могут расширять эту библиотеку для чтения и записи новых типов данных.

Для использования библиотеки iostream в программе необходимо включить заголовочный файл

#include <iostream>

Операции ввода/вывода выполняются с помощью классов istream (потоковый ввод) и ostream (потоковый вывод). Третий класс, iostream, является производным от них и поддерживает двунаправленный ввод/вывод. Для удобства в библиотеке определены три стандартных объекта-потока:

• cin – объект класса istream, соответствующий стандартному вводу. В общем случае он позволяет читать данные с терминала пользователя;

• cout – объект класса ostream, соответствующий стандартному выводу. В общем случае он позволяет выводить данные на терминал пользователя;

• cerr – объект класса ostream, соответствующий стандартному выводу для ошибок. В этот поток мы направляем сообщения об ошибках программы.

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

cout << "Введите свое имя, пожалуйста: ";

// прочитать ответ пользователя в in_string

cin >> in_string;

if ( in_string.empty() )

// вывести сообщение об ошибке на терминал пользователя

cerr << "ошибка: введенная строка пуста!\n";

else 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 istream, связывает ввод программы с файлом;

• ofstream, производный от 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;

cout << "Введите имя файла для сортировки: ";

cin >> ifile;

// сконструировать объект класса ifstream для ввода из файла

ifstream infile( ifile.c_str() );

if ( ! infile ) {

cerr << "ошибка: не могу открыть входной файл: "

<< ifile << endl;

return -1;

}

string ofile = ifile + ".sort";

// сконструировать объект класса ofstream для вывода в файл

ofstream outfile( ofile.c_str() );

if ( ! outfile) {

cerr << "ошибка: не могу открыть выходной файл: "

<< ofile << endl;

return -2;

}

string buffer;

vector< string, allocator > text;

int cnt = 1;

while ( infile >> buffer ) {

text.push_back( buffer );

cout << buffer << (cnt++ % 8 ? " " : "\n" );

}

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

// выводим отсортированное множество слов в файл

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 istream, читает из строки;

• ostringstream, производный от 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.

20.1. Оператор вывода <<

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

#include <iostream>

int main()

{

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()

{

cout << "Длина 'Улисс' равна:\t";

cout << strlen( "Улисс" );

cout << '\n';

cout << "Размер 'Улисс' равен:\t";

cout << sizeof( "Улисс" );

cout << endl;

}

выводит на терминал следующее:

Длина 'Улисс' равна:7

Размер 'Улисс' равен:8

endl – это манипулятор вывода, который вставляет в выходной поток символ перехода на новую строку, а затем сбрасывает буфер объекта 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

cout << "Длина 'Улисс' равна:\t";

<< strlen( "Улисс" ) << '\n';

cout << "Размер 'Улисс' равен:\t"

<< sizeof( "Улисс" ) << endl;

}

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

cout << "некоторая строка";

служит левый операнд оператора вывода, т.е. сам объект 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;

cout << "i: " << i

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

cout << "*pi: " << *pi

<< "\tpi:\t" << pi << endl

<< "\t\t&pi:\t" << &pi << 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;

cout << "Адрес pstr равен: "

<< pstr << 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 )

{

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

}

int main()

{

int ix = 10, jx = 20;

cout << "Большее из " << ix

<< ", " << jx << " равно ";

max_out( ix, jx );

cout << 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

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

вычисляется как

(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:

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()

{

cout << "печать значений типа bool по умолчанию: "

<< true << " " << false

<< "\nи в виде строк: "

<< boolalpha()

<< true << " " << false

<< 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()

{

vector<string> ppals( pooh_pals, pooh_pals+4 );

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

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

cout << "Это друзья Пуха: ";

for ( ; iter != iter_end; iter++ )

cout << *iter << " ";

cout << 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 (подробное обсуждение итератора ostream_iterator см. в разделе 12.4):

#include <iostream>

#include <algorithm>

#include <vector>

#include <string>

string pooh_pals[] = {

"Тигра", "Пятачок", "Иа-Иа", "Кролик"

};

int main()

{

vector<string> ppals( pooh_pals, pooh_pals+4 );

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

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

cout << "Это друзья Пуха: ";

// копируем каждый элемент в cout ...

ostream_iterator< string > output( cout, " " );

copy( iter, iter_end, output );

cout << 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" };

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 );

1. Направьте значение каждого объекта в стандартный вывод.

2. Напечатайте значение адреса pc.

3. Напечатайте наименьшее из двух значений ival и dval, пользуясь оператором условного выражения:

ival < dval ? ival : dval