Обзор средств ввода-вывода в C++

Приложение, написанное на любом языке программирования, должно взаимодействовать с окружающим миром. Иначе пользы от него не будет. Как правило, такое взаимодействие осуществляется посредством ввода-вывода информации на монитор или в файл. Правда, есть некоторое множество программ, которые не используют файловый или консольный ввод-вывод: это программы, осуществляющие низкоуровневое взаимодействие с аппаратной частью компьютера и периферией (ядро ОС, драйверы и пр.), но это уже экзотика.

В стандартном C++ существует два основных пути ввода-вывода информации: с помощью потоков, реализованных в STL (Standard Template Library) и посредством традиционной системы ввода-вывода, унаследованной от C. Если копнуть немного глубже, то окажется, что и потоки, и традиционная система ввода-вывода для осуществления необходимых действий используют вызовы операционной системы. И это правильно.

Дальнейшее изложение не претендует на полноту, но описывает основные принципы использования библиотек. Подробности использования можно посмотреть в многочисленной литературе по C++ и STL, в MSDN и пр.

Традиционный ввод-вывод

Для использования традиционного ввода-вывода в духе C, в программу необходимо включить заголовочный файл <cstdio>. (Разумеется, компилятор должен иметь доступ к соответствующей объектной библиотеке для правильной сборки исполняемого файла.)

Библиотека stdio предоставляет необходимый набор функций для ввода и вывода информации как в текстовом, так и в двоичном представлении. Следует отметить, что в отличие от классической C‑библиотеки, в современных библиотеках имеются более безопасные аналоги «классических» функций. Как правило, они имеют такое же имя, к которому добавлен суффикс _s. Рекомендуется использовать именно эти, безопасные функции.

Самая Первая Программа с использованием библиотеки stdio выглядит так:

#include <cstdio>

int main()
{
    printf("Hello, world!\n");
}

При запуске консольного приложения неявно открываются три потока: stdin — для ввода с клавиатуры, stdout — для буферизованного вывода на монитор и stderr — для небуферизованного вывода на монитор сообщений об ошибках. Эти три символа определены посредством <cstdio>.

В stdio для консольного ввода-вывода предусмотрена отдельная группа функций. Однако эти функции, как правило, являются обёртками для аналогичных функций файлового ввода-вывода, для которых аргумент типа FILE задан по умолчанию.

Самая Первая Программа с использование файлового вывода из библиотеки stdio выглядит так:

#include <cstdio>

int main()
{
    fprintf(stdout, "Hello, world!\n");
}

Некоторые популярные функции из stdio:

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode)     // открытие файла
int fclose(FILE *stream)     // закрытие файла

int printf(const char *format, ...)     // фоматированный консольный вывод
int fprintf(FILE *stream, const char *formatб, ...)     // форматированный ввод из файла
int sprintf(char *s, const char *format, ...)     // форматированный вывод в буфер (строку)

int scanf(const char *format, ...)     // фоматированный консольный ввод
int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...)     // фоматированный ввод
int sscanf (const char *s, const char *format, ...)     // фоматированный ввод из буфера (строки)

int fgetc(FILE *stream)     // читает символ из файла
char *fgets(char *s, int n, FILE *stream)     // читает строку из файла
int fputc(int с, FILE *stream)     // записывает символ в файл
int fputs(const char *s, FILE *stream)     // записывает строку в файл
int getchar(void)     // читает символ из stdin
char *gets(char *s)     // читает строку из stdin
int putchar(int с)     // записывает символ в stdout
int puts(const char *s)     // записывает строку в stdout
int ungetc(int с, FILE *stream)     // возвращает символ обратно в файл для последующего чтения

Сущность FILE представляет собой структуру, в которой хранится вся информация для управления потоком ввода-вывода.

Файл открывается функцией fopen(), которой передаются два параметра. Первый параметр определяет имя файла. Второй — определяет режим открытия файла: чтение, запись, произвольный доступ и т.п., а также указание на то, как работать с данными: в текстовом или двоичном режиме. Подробности — см. в документации.

Пример использования stdio

#include <cstdio>
#include <errno.h>

const char *filename = "testfile.txt";

int main()
{
    FILE *fin, *fout;
    int ecode;

    // открытие файла для записи в текстовом режиме,
    // запись данных и закрытие файла.
    if((fout = fopen(filename, "w")) != NULL) {
        for (int i = 0; i < 16; i++) {
            if ((ecode = fprintf(fout, "%d\n", i*i)) <= 0) {
                fprintf(stderr, "Write error in file \"%s\", code %d\n", filename, ecode);
                fclose(fout);
                return 1;
            }
        }
        fclose(fout);
    }
    else {
        fprintf(stderr, "Output file open error \"%s\", code %d\n", filename, errno);
        return 1;
    }

    // открытие файла для чтения в текстовом режиме,
    // чтение данных, форматированный вывод на консоль, закрытие файла.
    int data;
    int counter = 0;
    if((fin = fopen(filename, "r")) != NULL) {
        while ((ecode = fscanf(fin, "%d", &data)) != EOF) {
            printf("%8d", data);
            if (++counter % 4 == 0) {
                putchar('\n');
            }
        }
        if ((ecode = ferror(fin)) != 0) {
            fprintf(stderr, "Read error in file \"%s\", code %d\n", filename, ecode);
            fclose(fin);
            return 2;
        }
        fclose(fin);
    }
    else {
        fprintf(stderr, "Input file open error \"%s\", code %d\n", filename, errno);
        return 2;
    }
    return 0;
}

Следует отметить, что существует еще одна библиотека, ориентированная исключительно на консольный ввод-вывод — <conio.h>.

Ввод-вывод с помощью потоков STL

Для использования объектно-ориентированного консольного ввода-вывода с помощью потоков (stream) STL в программу необходимо включить заголовочный файл <iostream>, а для файлового ещё и <fstream>. (Разумеется, компилятор должен иметь доступ к соответствующей объектной библиотеке для правильной сборки исполняемого файла.)

Самая Первая Программа с использованием потоков STL выглядит так:

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {
    cout << "Hello, world!\n";
}

При запуске консольного приложения неявно открываются четыре потока: сin — для ввода с клавиатуры, сout — для буферизованного вывода на монитор, сerr — для небуферизованного вывода на монитор сообщений об ошибках и clog — буферизованный аналог cerr. Эти четыре символа определены посредством <iostream>.

Потоки cin, cout и cerr соответствуют потокам stdin, stdout и stderr соответственно.

Иерархия классов ввода-вывода STL достаточно сложна. Любители тонких ощущений могут найти её описание в литературе. Впрочем, остальных также не минует чаша сия, но только позже, когда потребуются знания чуть повыше того базового уровня, который описывается здесь.

Для ввода-вывода сначала необходимо создать поток — экземпляр соответствующего класса STL, а затем связать его с файлом. Для потока вывода используется класс ofstream, для потока ввода — ifstream, для потока ввода-вывода — fstream. В каждом из этих классов есть метод open(), который связывает поток с файлом. Проще говоря, открывает файл. Методу передаются два параметра: имя файла и режим открытия файла. Второй параметр представляет собой набор битовых флагов, определяющих режим открытия файла (чтение, запись и пр.) и способ работы с данными (текстовый или двоичный режим). Второй параметр опционален, т.е. имеет значение по умолчанию, соответствующее классу.

ifstream::open(const char *filename, ios::openmode mode = ios::in);
ofstream::open(const char *filename, ios::openmode mode = ios::out | ios::trunc);
fstream::open(const char *filename, ios::openmode mode = ios::in | ios::out);

Вышеупомянутые классы имеют также конструкторы, позволяющие открыть файл сразу при создании потока. Параметры этих конструкторов полностью совпадают с параметрами метода open().

При ошибке открытия файла (в контексте логического выражения) поток получает значение false.

Файл закрывается методом close(). Этот метод также вызывается при разрушении экземпляров классов потоков.

Операции чтения и записи в поток, связанный с файлом, осуществляются либо с помощью операторов << и >>, перегруженных для классов потоков ввода-вывода, либо с помощью любых других методов классов потоков ввода-вывода.

Некоторые наиболее употребляемые методы:

// чтение данных:
getline()     // читает строку из входного потока.
get()     // читает символ из входного потока.
ignore()     // пропускает указанное число элементов от текущей позиции чтения.
read()     // читает указанное количество символов из входного потока и сохраняет их в буфере (неформатированный ввод).

// запись данных:
flush()     // вывод содержимого буфера в файл (при буферизованном вводе-выводе)
put()     // выводит символ в поток.
write()     // выводит в поток указанное количество символов из буфера (неформатированный вывод)

Пример использования потоков STL

#include <iostream>
#include <fstream>

using namespace std;

const char *filename = "testfile2.txt";


int main() {

    // создание потока, открытие файла для записи в текстовом режиме,
    // запись данных и закрытие файла.
    ofstream ostr;
    ostr.open(filename);
    if (ostr) {
        for (int i = 0; i < 16; i++) {
            ostr << i*i << endl;
            if (ostr.bad()) {
                cerr << "Unrecoverable write error" << endl;
                return 1;
            }
        }
        ostr.close();
    }
    else {
        cerr << "Output file open error \"" << filename << "\"" << endl;
        return 1;
    }

    // открытие файла (в конструкторе) для чтения в текстовом режиме,
    // чтение данных, форматированный вывод на консоль, закрытие файла.
    int data;
    int counter = 0;
    ifstream istr(filename);
    if (istr) {
        while (!(istr >> data).eof()) {
            if (istr.bad()) {
                cerr << "Unrecoverable read error" << endl;
                return 2;
            }
            cout.width(8);
            cout << data;
            if (++counter % 4 == 0) {
                cout << endl;
            }
        }
        istr.close();
    }
    else {
        cerr << "Input file open error \"" << filename << "\"" << endl;
        return 2;
    }

    return 0;
}

Взаимодействие потокового и традиционного ввода-вывода

Апологеты C++ рекомендуют использовать для ввода-вывода только потоки STL и отказаться от использования традиционного ввода-вывода в духе C. Однако, ничто не мешает, по крайней мере пока, использовать традиционную систему ввода-вывода. Более того, предусмотрена специальная функция для синхронизации ввода-вывода, выполненного посредством потоков и посредством старых функций.

#include <iostream>
bool sync_with_stdio(bool sync = true);

Заключение

Какой механизм использовать — вопрос предпочтений программиста, если работодателем явно не предписано использование конкретного механизма. В любом случае для физического ввода-вывода используются вызовы операционной системы. Всё остальное — обёртка, набор более или менее удобных функций или классов для взаимодействия с ОС.

Использование механизма потоков считается более безопасным. Но, как известно, плохую программу можно написать на любом языке программирования. Это также относится и к использованию библиотек.