6. Потоковые классы

6.1. Библиотека потоковых классов

Потоковые классы представляют объектно-ориентированный вариант библиотечных функций ввода-вывода C. Поток данных между источником и приемником при этом обладает следующими свойствами:

Источник или приемник данных определяется объектом потокового класса.
Потоки используются для ввода-вывода высокого уровня.
Общепринятые стандартные С-функции ввода/вывода разработаны как методы потоковых классов, чтобы облегчить переход от С-функций к С++ классам.
Потоковые классы опредены как шаблоны и делятся на три группы :

basic_istream, basic_ostream – общие потоковые классы, которые могут быть связаны с любым буферным объектом;
basic_ifstream, basic_iostream – потоковые классы для считывания и записи файлов;
basic_istringstream, basic_ostringstream – потоковые классы для объектов-строк.

Каждый потоковый класс поддерживает буферный объект, который предоставляет память для передаваемых данных, а также важнейшие функции ввода/вывода низкого уровня для их обработки.
Базовым шаблоном классов basic-ios (для потоковых классов) и basic-streambuf (для буферных классов) передаются по два параметра шаблона:

первый параметр (charT) определяет символьный тип;
второй параметр (traits) – объект типа ios-traits (шаблон класса), в котором заданы тип и функции, специфичные для используемого символьного типа;
для типов char и wchar_t образованы соответствующие объекты типа ios_traits и потоковые классы.

Например, шаблон класса для потокового ввода определен следующим образом:

template <class charT, class traits = ios_traits <charT>> class basic_istream: virtual public basic_ios <charT, traits>;

6.2. Ввод-вывод в языке С++

Ввод-вывод – одна из самых сложных областей любого языка. Она тесно связана и с операционной системой, и с оборудованием.

Система ввода-вывода, принятая в ANSI, хороша, но не идеальна. Она не учитывает огромной разницы между устройствами с точки зрения программиста. Все устройства можно разделить на блочные и символьные. Например, диски и ленты – это блочные устройства, тогда как терминалы – символьные. Блочные устройства для эффективного чтения-записи требуют буферизации , а символьные в ней не нуждаются. Устройства ввода-вывода имеют и много других различий. В библиотеку С (stdio.h) были введены некоторые исключения для обработки специальных устройств. В конце 60-х годов обращение к устройствам как к файлам было новинкой. Однако в большинстве случаев программист не работает с устройствами как с файлами. Это приводит к добавлению в С новых функций, поскольку иногда программист должен знать, работает он с дисковым файлом или с устройством.

Существует множество примеров того, что функции, применяемые к устройствам, а не к нормальным файлам, ведут себя по-разному, а иногда и некорректно.

С++ не первый язык, работающий с потоками. ANSI C использует так называемые потоки для указания на некоторый абстрактный порт, через который могут передаваться неструктурированные данные. В ANSI С поток рассматривается как конструкция ввода-вывода низкого уровня, на которую наслаивается более структурированная файловая система.

В С++ потоки реализованы через целую иерархию классов, которая является единственной основной иерархией, поставляемой со всеми компиляторами языка С++.

В С++ потоки составляют некую оболочку, которая придает операциям ввода-вывода полиморфные и объектно-ориентированные свойства. Несмотря на то, что потоки часто ассоциируются с вводом-выводом, реально они являются абстракцией передачи данных от одного объекта к другому с помощью механизма буферизации. Это означает, что любая функция, используемая для передачи данных из одного места в памяти в другое (с изменением данных или без такового), может рассматриваться как потоковая операция.

Библиотека потоковых классов С++ построена на основе двух базовых классов: ios и streambuf .

Класс streambuf и его потомки обеспечивают организацию и взаимосвязь буферов ввода-вывода, размещаемых в памяти, с физическими устройствами ввода-вывода. Методы и данные класса streambuf программист явно обычно не использует. Этот класс нужен другим классам библиотеки ввода-вывода. Он доступен и программисту для создания новых классов на основе уже существующих.

streambuf

filebuf

conbuf

strstreambuf