9 Streams. 9.1 Einführung und Architektur

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1 9.1 9 Streams 9.1 Einführung und Architektur Die C++ Standardbibliothek stellt eine Klassehierarchie zum Umgang mit Streams zur Verfügung, welche im wesentlichen folgende Gebiete abdeckt: Umgang mit Inhalten von Dateien. Verwendung von Strings als Stream-Quelle und Ziel (ähnlich wie beispielsweise ByteArrayInputStream). Formatierung von Ein- und Ausgabe. Klassenhierarchie der Stream-Bibliothek (auszugsweise): cin istream ios ostream cout cerr clog Technisch gesehen ist die hier abgebildete Hierarchie eine <char>-instanz einer generischen Stream-Hierarchie. Die ursprüngliche Hierarchie aus Templates (siehe auch: Stamm, 8.5) kann mit beliebigen Typen umgehen, während die hier auf 8Bit- Zeichen beschränkt ist. ifstream ofstream istringstream ostringstream iostream Dies gilt übrigens auch für die string- Klasse: Sie ist eine Template-Instanz von basic_string (basic_string<char>). Die Stream-Templates beginnen auch alle mit basic_ fstream stringstream Im weiteren gibt es noch die Buffer-Klassen streambuf, filebuf und stringbuf. Die Basisklasse ios repräsentiert die unterste Schicht des Ein- und Ausgabesystems und wird üblicherweise nicht direkt verwendet. Sie nimmt folgende Aufgaben wahr: Formatierungen, Locales und Datenbufferung. istringstream und ostream enthalten Operationen für Ein- und Ausgaben, die in der Klasse iostream zu einem bequemen Paket zusammengeschnürt sind. Für den Datentransfer mit Dateien und mit Strings existiert ebenfalls eine Hierarchie von Klassen, die in fstream münden. Aus Programmierersicht sind vor allem folgende Klassen interessant: iostream fstream stringstream Funktionen zur Arbeit mit geschlossenen Dateien, wie sie die Java-Klasse File anbietet (Dateien umbenennen oder löschen), sind in der C-Bibliothek CSTDLIB zu finden (konsultieren Sie zu diesem Zweck die MSDN-Library).

2 Ausgabe formatieren Die Operatoren << und >> haben wir bisher für unformatierte Ein- und Ausgabe im Zusammenhang mit den Standard-Streams cin und cout verwendet. Häufig möchte man die Ausgabe genauer zu spezifizieren, was mit Formatanweisungen erreicht wird. Für parameterlose Format-Manipulatoren reicht es, iostream einzubinden. Wollen Sie die erweiterten Manipulatoren verwenden, müssen Sie die Library iomanip zusätzlich einfügen. Basiskonversion (Ganze Zahlen) Die Manipulatoren dec, oct und hex dienen dazu, eine ganze Zahl in der entsprechenden Basis darzustellen. Eine solch Einstellung ist im Programm dauerhaft und ändert sich erst, wenn man ein neues Format angegibt. int i = 2047; cout << hex << i; // 7FF cout << oct << i; // 3777 cout << dec << i; // wieder 2047 Gleitkommazahlen Für die Ausgabe von Zahlen der Typen float, double usw. sind zwei Parameter von Belang: Stil (Exponentialdarstellung oder Festkomma) Anzahl der dargestellten Nachkommastellen Die Wahl des Anzeigestils wird mit folgenden Manipulatoren bewerkstelligt: float f = ; cout << scientific << f; cout << fixed << f; Die Anzahl der angezeigten Stellen kann ebenfalls eingestellt werden. Zum Beispiel: cout << setprecision(5) << scientific << f; // Ausgabe hier: 3.142e+00 Auch diese Einstellungen bleiben erhalten und müssen nicht für jede Ausgabe neu eingestellt werden. Die Exponentenschreibweise (gross, klein) wird durch die Manipulatoren uppercase und nouppercase gesteuert. Mit ihnen kann auch die Ausgabe der Ziffern A..F bei der hex-ausgabe ganzer Zahlen festgelegt werden. Mit showpos zeigen Sie positive Vorzeichen an (noshowpos macht dies rückgängig). setprecision(n) zeigt unterschiedliche Wirkung, je nachdem, ob die Zahl in Normal- oder Exponentialschreibweise ausgegeben wird: fixed: n = totale Anzahl Stellen scientific: n = Anzahl Nachkommastellen Boolesche Werte Werte vom Typ bool werden normalerweise numerisch (z.b. 0 und 1) ausgegeben. Ist eine symbolische Ausgabe (also true und false) erwünscht, so ist dies mit einem Manipulator zu spezifizieren: cout << boolalpha << b; cout << noboolalpha << b; // abschalten Feldbreite und -ausrichtung Wirklich Sinn bekommen die Formatierwerkzeuge erst durch die Möglichkeit, Ausgaben in einem Feld beliebiger Grösse auszurichten. Dazu sind drei Angaben möglich: Feldbreite: setw(int w) Ausrichtung: left, right oder internal Füllzeichen: setfill(char c) cout << setw(15) << setfill( _ ) << right << i; Defaults Text: linksbündig; bool: numerisch, linksbündig; Zahlen: linksbündig, 6 Stellen, fixed, nouppercase, dec

3 String-Streams Entsprechend den beiden Java-Klassen ByteArrayInputStream und ByteArrayOutputStream bietet die C++ Standardbibliothek Streams an, die mit Strings verbunden werden können (zur Erinnerung: Die Klasse string definiert in C++ änderbare Objekte): Einzubindender Header: <sstream> Eingabe Anstatt eine Eingabe per Tastatur vorzunehmen, erzeugen Sie einen String-Stream und verbinden ihn mit einem char-array (leider ist es nicht möglich, ein C++ String-Objekt zu verwenden). Ein Beispiel: #include <iostream> #include <iomanip> #include <sstream> using namespace std; const int ZSIZE = 256; // Grösse des Lesebuffers const int dread = 6; // Portionengrösse beim Einlesen (5 Zeichen + Terminierung) char quelle[] = "Das ist ein Beispiel"; char ziel[zsize]; int anzahl; istringstream in(quelle,0); // Stream mit Quelle verbinden, null-terminierte Quelle do{ in.get(ziel,dread, \x00 ); // aus Quelle einlesen: siehe Kommentar anzahl = in.gcount(); // Anzahl der gelesenen Zeichen ermitteln cout << setw(6) << anzahl << ; cout << ziel << endl; while (anzahl!=0); Kommentar: Die Methode get() benötigt drei Parameter: (1) Ziel-Array, (2) maximale Portionengrösse+1, (3) Trennzeichen Im Prinzip hätte auch der Eingabe-Operator >> verwendet werden können, er hat aber den manchmal unerwünschten Nachteil, dass er das Leerzeichen als Trennzeichen auffasst damit den Lesevorgang beendet. Von get() existiert auch eine parameterlose Überladung, sie liest genau ein Zeichen. Ausgabe Mit der Klasse ostrstream werden Daten anstatt auf den Bildschirm in einen String ausgegeben. Es können alle in Kapitel 9.2 beschriebenen Formatierungswerkzeuge benutzt werden. Beispiel: #include <iostream> #include <iomanip> #include <stringstream> #include <string> using namespace std; const float f = ; ostringstream out; out << "Eine Zahl: "; out << fixed; out << setprecision(3) << f << endl; out << "In Exponentialschreibweise: "; out << scientific;

4 9.4 out << setprecision(2) << f; cout << string(out.str(), out.pcount()); cout << endl << endl; Wie bei der Java-Klasse ByteArrayOutputStream wird bei der Erzeugung eines ostringstream-objekts kein Ziel angegeben. Es wird vom Objekt intern abgelegt und kann mit der Methode str() abgerufen werden. Der mit str() erhaltene char-array ist nicht terminiert, so dass er nicht wie ein gewöhnlicher C-String benutzt werden kann: Man muss zu dessen Umwandlung in ein string-objekt entweder die gewünschte Zeichenmenge angeben (wie im Beispiel) oder vorher die Terminierung explizit schreiben (out << \x00 ). 9.4 File-Streams Von weit grösserem Interesse sind Streams, die mit einer externen Datei verbunden werden. Dazu werden drei Klassen angeboten (Header: <fstream>): ifstream : von einer Datei lesen ofstream : in eine Datei schreiben fstream : beides Dateien öffnen/erzeugen/schliessen Als erstes müssen die benötigten Streams angelegt werden (Mit Objekten aus den Klassen ifstream und ofstream werden üblicherweise die gewünschten Dateien direkt beim Konstruktor-Aufruf verbunden): fstream datei; Eine Datei wird mit den Methoden open() bzw. close() geöffnet bzw. geschlossen. Beim Öffnen muss der Dateiname in Form eines C-Strings angegeben werden. Des weiteren ist ein Zugriffsmodus zu spezifizieren (Im Gegensatz zu Java existiert keine File-Klasse, welche Dateinamen repräsentieren): datei.open("a:/beispiel.txt", ios::out); Wird eine Datei zum Schreiben geöffnet, wird sie geleert, sofern man nicht den Append-Modus spezifiziert hat (ios::app). Der Erfolg der Verbindungsherstellung kann einfach geprüft werden (auch mit fail() möglich): if (!datei) { // Stream konnte nicht ordnungsgemäss geöffnet werden Modi für das Öffnen von Dateien: Modus ios::app ios::ate ios::in ios::out ios::binary ios::trunc ios::nocreate ios::noreplace Kurzbeschreibung Daten am Ende anhängen (zusammen mit ios::out. Datei wird nicht geleert) Zeiger nach dem Öffnen auf das Dateiende stellen Daten lesen Daten schreiben (Datei wird automatisch vor dem ersten Schreiben geleert) Binärmodus Beim Öffnen Daten löschen Keine Datei erzeugen (falls noch keine existiert) Schreiben verhindern Es können mehrere Flags auf einmal gesetzt werden (durch bitweise Oder-Verknüpfung: Hinter den Modus- Konstanten verbergen sich Zahlenwerte mit genau einem gesetzten Bit).

5 9.5 Einige Kommentare zu den Modi Bidirektionaler Datenverkehr: Öffnen Sie eine Datei zu diesem Zweck mit ios::in ios::out. Binäre Dateien: Normalerweise wird eine Datei im Textmodus geöffnet. Dies bewirkt, dass Zeilentrennzeichen in plattformabhängiger Weise geschrieben werden (z.b. Windows: als \x0d \x0a). Benutzen Sie den Binärmodus, wenn Sie dies verhindern möchten. ios::trunc: Dateiinhalt wird gelöscht, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: Datei existiert bereits, Modus ios::out ausgewählt, weder ios::app noch ios::ate sind ausgewählt. ios::nocreate: Existiert die Datei nicht, wird der Stream in den Fehlerzustand versetzt. Einfaches Lesen und Schreiben Wie aus dem vereinfachten Klassendiagramm (Kapitel 9.1) ersichtlich wird, ist fstream unter anderem von iostream und somit von istream abgeleitet, erbt also deren Eigenschaften. Mit anderen Worten: Für die Einund Ausgabe verwenden Sie genau die gleichen Methoden, wie für das Streaming mit den Standard-Streams cin und cout sowie mit den String-Streams. Sie können also auch formatierte Ausgabe benutzen. Verwenden Sie get() oder getline() anstelle des Operators >>, wenn Sie Leerzeichen nicht als Trennzeichen interpretiert haben möchten! Beispiele: // Einfache Ein- und Ausgabe char s[bsize]; char t[bsize]; fstream datei; datei.open("f:/test/file0.txt", ios::out); if (!datei) cout << "Fehler beim Öffnen" << endl; else{ cout << "Datei geöffnet" << endl; cin.getline(s,bsize); // Leerzeichen mit einlesen datei << s; datei.close(); datei.open("f:/test/file0.txt", ios::in); datei.getline(t,bsize); // Leerzeichen mit einlesen cout << s << endl; cout << t << endl; datei.close(); // Datei kopieren char ch; ifstream f1("datei.in"); ofstream f2("datei.out"); while (f2 && f1.get(ch)){ // falls Stream f2 OK und Lesen von f1 OK... f2.put(ch);

6 Random Access Files Die Standard-Bibliothek bietet nicht wie in Java eine gesonderte Klasse (RandomAccessFle) für den nichtsequentiellen Dateizugriff an, sondern erlaubt entsprechende Operationen auf gewöhnlichen Streams. Folgende Methoden werden benutzt, um den Dateizeiger zu bearbeiten, den Zustand des Streams abzufragen oder zurückzusetzen: int eof() // gibt 0 (false) zurück, falls das Ende der Datei noch nicht erreicht wurde. int fail() // gibt einen Wert ungleich 0 zurück, falls eine Operation fehlgeschlagen ist. void clear() // Stream zurücksetzen, setzt Stati eof und fail zurück. pos_type tellg() // Dateizeiger abfragen. void seekg(pos_type) // Dateizeiger setzen (absolut) void seekg(pos_type pos, seek_dir mode) // Dateizeiger setzen (verschiedene Modi möglich) Verhalten am Dateiende Eine Leseoperation, die nicht zum Ende der Datei führt, hinterlässt normalerweise folgenden Zustand: eof() == false fail() == false Erreicht der Dateizeiger während einer Leseoperation das Dateiende, sieht der Status des Streams so aus: eof() == true fail() == false Der Stream behält den eof-status auch bei, wenn der Dateizeiger anschliessend wieder zurückversetzt wird. Versucht man, aus einer Datei zu lesen, deren Ende vorher einmal erreicht wurde (also eof==true), wird die Leseoperation mit einem Fehler abgebrochen und der Stream auf folgenden Status gesetzt: eof() == true fail() == true Dieser Status kann nur mit der Methode clear() wieder verlassen werden. Relative Positionierung des Dateizeigers ios::beg (pos wird ab Dateibeginn (0) gemessen. Entspricht der einfacheren Signatur von seekg()) 0 EOF seekg(17,ios::beg) 0 EOF ios::cur (pos wird zur aktuellen Dateizeiger- Position addiert (relative Positionierung)) ios::end (pos wird zum Positionswert des EOF- Zeichens addiert. Macht nur Sinn für Werte 0) seekg(3,ios::cur) 0 EOF seekg(-5,ios::end) Lesen und Schreiben von primitiven Datentypen als Binärdaten Die Stream-Bibliothek bietet keine Schnittstellen zum Verarbeiten primitiver Datentypen an. Der einfachste Weg, um binäre Daten in einen Stream zu übertragen, besteht darin, Zeiger auf beliebige primitive Variablen mit reinterpret_cast in char* umzuwandeln und die Daten als Folge von Zeichen an den Stream zu übertragen (vergessen Sie nicht, den Stream im Binärmodus zu betreiben!). double d = 34.5e-12; char* c = reinterpret_cast<char*>(&d); for (int i=0; i<sizeof(double); ++i) file.put(c[i]);