VSTUP/VÝSTUP, FORMÁTOVÁNÍ, SOUBORY
PB161 PROGRAMOVÁNÍ V JAZYCE C++
Nikola Beneš
2. května 2023
VSTUP A VÝSTUP (IO)
VSTUP A VÝSTUP V C++
Nízkoúrovňový vstup / výstup (Céčková knihovna)
• std::FILE*, std::fopen, …
• formátování: std::printf, std::scanf apod.
• nepoužívá RAII
• verze pro wchar_t v hlavičce <cwchar>
Proudový vstup / výstup
• klasická součást standardní knihovny C++
• abstrakce nad různými druhy zařízení
• trochu těžkopádná
• používá RAII
(C++23: std::print)
1
MOTIVACE PRO PROUDOVÝ VSTUP / VÝSTUP
Vstup a výstup z různých druhů zařízení
• soubory
• klávesnice, obrazovka (terminál)
• tiskárna, skener, síťový socket, …
Abstrakce konkrétního zařízení
• proudy (streams)
• data „plynou“ proudem od zdroje k cíli
• podtypový polymorfismus (dědičnost)
2
HIERARCHIE I/O PROUDŮ VE STANDARDNÍ KNIHOVNĚ
zdroj: https://cplusplus.com/reference/
3
STANDARDNÍ VSTUP / VÝSTUP
Standardní instance
• std::cin – standardní vstup, typ std::istream
• stdin v C
• std::cout – standardní výstup, typ std::ostream
• stdout v C
• std::cerr – standardní chybový výstup, typ std::ostream
• stderr v C
• (implicitně) jediný nebufferovaný proud na tomto slajdu,
• std::clog – standardní logovací výstup, typ std::ostream
• stderr v C
• verze pro wchar_t – std::wcin, std::wcout, …
• (jiné verze opět nejsou…)
4
VZTAH MEZI STANDARDNÍMI VSTUPY / VÝSTUPY
Synchronizace s Céčkovými objekty stdin, stdout, stderr
• implicitně zapnutá
• I/O je (o něco) pomalejší, ale
• míchání C++ a C stylu I/O se řadí správně
• použití C++ proudů je bezpečné i vícevláknově
• dá se vypnout pomocí
std::ios_base::sync_with_stdio(false)
Provázaní proudů
• std::cin je svázaný s std::cout
• před jakýmkoli vstupem se zavolá std::cout.flush()
• std::cerr je svázaný s std::cout
• před jakýmkoli výstupem se zavolá std::cout.flush()
• std::clog není (implicitně) svázaný s ničím
• dá se zjistit / změnit metodou tie 5
OPERÁTORY (FORMÁTOVANÉHO) VSTUPU A VÝSTUPU
Operátor (formátovaného) vstupu >>
• u vestavěných typů a typů ze std ignoruje bílé místo na začátku
std::cin >> i >> d >> s;
Operátor (formátovaného) výstupu <<
std::cout << i << ' ' << d << ' ' << s << '\n';
std::cout << (i == d) << '\n';
• pozor na prioritu operátorů
• << a >> jsou původně operátory bitového posuvu
• operátory vrací referenci na proud
• umožňuje řetězení
6
basic_io.cpp
PŘETÍŽENÍ OPERÁTORŮ VSTUPU A VÝSTUPU
operator>>, operator<<
• musí to být volné funkce (ideálně friend)
• nemůžeme zasáhnout do tříd ze standardní knihovny
• vrací referenci na proud
• umožňuje řetězení
• >> by měl nastavit failbit v případě špatného formátu
• in.setstate(std::ios::failbit)
std::istream& operator>>(std::istream& in, X& x);
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const X& x);
7
op_stream.cpp
CHYBOVÉ STAVY VSTUPU A VÝSTUPU
Stav proudu
• příznaky naznačující chybový stav proudu
• eofbit, failbit, badbit
• metody pro testování stavu
• good(), fail(), eof()
• typová konverze na bool
• negace výsledku fail()
• užitečné pro načítání vstupu v cyklu
• vyčištění příznaků: clear()
while (std::cin >> num) {
std::cout << "Number: " << num << '\n';
}
https://en.cppreference.com/w/cpp/io/ios_base/iostate
8
io_states.cpp
CHYBOVÉ STAVY VSTUPU A VÝSTUPU
Výjimky
• knihovna proudů implicitně výjimky nepoužívá
• částečně historické důvody, ale
• ne vždy je to vhodné: „došel jsem na konec souboru“ může
a nemusí být výjimečná situace
• vynucení použití výjimek: metoda exceptions()
• specifikace, pro které příznaky se má výjimka vyhodit
• výjimka typu std::ios_base::failure
try {
std::cin.exceptions(std::ios_base::failbit);
// ...
} catch (std::ios_base::failure& ex) {
std::cerr << "I/O Error: " << ex.what() << '\n';
}
9
io_exc.cpp
SOUBOROVÉ PROUDY
Proudy pro vstup/výstup ze/do souborů
• typy std::ifstream, std::ofstream, std::fstream
• konstruktor se jménem souboru
• proud se automaticky zavře při ukončení existence objektu
(v destruktoru)
• explicitní metody open(), close() (většinou nejsou potřeba)
{
std::ofstream out("message.txt");
out << "ZHOFRPH WR JUDYLWB IDOOV!\n";
}
10
files.cpp
SOUBOROVÉ PROUDY
Mód otevření souboru (nepovinný parametr konstruktoru)
• binární příznaky (flags), kombinujeme pomocí |
• typ otevření
• std::ios::in (vstup, implicitní pro std::ifstream)
• std::ios::out (výstup, implicitní pro std::ofstream)
• std::ios::in | std::ios::out (obojí, implicitní pro
std::fstream)
• způsob otevření
• std::ios::binary (binární data, implicitní jsou textová data)
• std::ios::app (append, výstup na konec souboru)
• std::ios::trunc (vymaže obsah souboru, implicitní pro
std::ofstream)
https://en.cppreference.com/w/cpp/io/basic_filebuf/open
11
ŘETĚZCOVÉ PROUDY
Proudy v paměti
• typy std::istringstream, std::ostringstream,
std::stringstream
• konstruktor může brát řetězec – počáteční stav proudu
• metoda str() nastaví obsah proudu
• bez parametrů vrací aktuální obsah
std::ostringstream out;
out << "PI = " << 3.14 << '\n';
auto s = out.str();
std::cout << s << '\n';
std::istringstream in("X = 1");
in >> var >> dummy >> value;
std::cout << var << " = " << value << '\n';
12
sstream.cpp
VSTUPNÍ PROUDY (std::istream A POTOMCI)
Neformátovaný vstup
• read(buffer, length)
• přečte daný počet „znaků“
• (typicky pro binární soubory – čtení po bajtech)
• get(buffer, length), get(buffer, length, delim)
• jako read, ale zastaví se před znakem delim (implicitně '\n')
• getline
• jako get, ale přečte i znak delim (ale neuloží ho)
• get() bez parametrů – načte jeden znak
• vrací speciální hodnotu pro konec souboru
• peek() – náhled na další znak bez jeho přečtení
• gcount() – počet znaků načtených při posledním vstupu
• ignore(count, delim)
• ignoruje count znaků ze vstupu (až po znak delim)
• a další … (viz dokumentaci)
13
VSTUPNÍ PROUDY (std::istream A POTOMCI)
• načtení řádku do řetězce typu std::string
• volná funkce
std::getline(std::istream&, std::string&)
• vrací referenci na vstupní proud
std::string line;
while (std::getline(std::cin, line)) {
// ...
}
14
sstream.cpp
VÝSTUPNÍ PROUDY (std::ostream A POTOMCI)
Neformátovaný výstup
• metoda write(output, count)
• protiklad read
• metoda put()
• zapíše jeden „znak“
15
POZICE A POSUN V PROUDU
• odkud se čte, kam se zapisuje?
• „get“ ukazatel (std::istream a potomci)
• „put“ ukazatel (std::ostream a potomci)
• tellg(), tellp() – získání pozice ukazatelů
• seekg(), seekp() – nastavení pozice ukazatelů;
jeden parametr – pozice získaná tell*();
nebo dva parametry
• offset: o kolik se posunout
• std::ios::beg od začátku proudu
std::ios::cur od aktuální pozice
std::ios::end od konce proudu
• u některých proudů nedává smysl (std::cin apod.)
• pro soubory:
• počáteční pozice v souboru – závisí na módu otevření
• zápis na konci souboru soubor zvětšuje
• zápis uvnitř souboru soubor přepisuje 16
VYROVNÁVACÍ PAMĚŤ
Buffer
• data poslaná do proudu nemusí být ihned zapsána do cíle
• vyrovnávací paměť typu std::streambuf
• přenos z vyrovnávací paměti do cíle
• při uzavření souboru (close(), destruktor)
• při zaplnění bufferu
• explicitně – pomocí manipulátorů (uvidíme za chvíli)
• při jakékoli akci se svázaným proudem (pomocí metody tie())
17
PROUDOVÉ ITERÁTORY
std::istream_iterator<typ>
• jeden parametr – vstupní proud
• čtení z iterátoru je načítání hodnot ze vstupu
• bez parametru: iterátor na konec (jakéhokoli) proudu
• pohledová verze: std::views::istream<typ>
std::ostream_iterator<typ>
• parametry – výstupní proud, (nepovinný) oddělovač
• zapisování do iterátoru způsobí zápis na výstup
• oddělovač vypíše i za posledním prvkem
18
stream_iter.cpp
FORMÁTOVÁNÍ
FORMÁTOVÁNÍ
Nízkoúrovňové
• Céčková knihovna: std::printf, std::scanf apod.
• viděli jsme minule: std::to_chars, std::from_chars
Proudové
• tzv. I/O manipulátory
std::format apod.
• nová část knihovny
• formátovací řetězce ve stylu jazyka Python
• podpora v gcc až od verze 13 :-(
• (podpora v clangu nekompletní)
19
MANIPULÁTORY
• speciální hodnoty, které je možno předávat operátorům << a >>
• některé z nich jsou adresovatelné funkce
(proud << funkce pak má efekt jako funkce(proud))
• většina souvisí s formátováním
• některé mění stav permanentně, jiné jen pro příští výstup
• čtěte dokumentaci
Neformátovací manipulátory
• std::flush vyprázdní buffer
• std::endl vyprázdní buffer + zapíše konec řádku
• chcete-li jen zapsat konec řádku, použijte normálně '\n'
20
MANIPULÁTORY
Formátování vstupu / výstupu
• std::dec, std::hex, std::oct – reprezentace celých čísel
• std::boolalpha, std::noboolalpha – reprentace bool
• std::quoted(řetězec) – řetězec v uvozovkách
Formátování výstupu
• std::left, std::right – zarovnání
• std::setw, std::setfill, std::setprecision
• šířka, výplňový znak, přesnost
https://en.cppreference.com/w/cpp/io/manip
21
MANIPULÁTORY
Použití uvnitř vlastních operátorů <<, >>
• pokud měníte způsob formátování apod., vraťte po skončení
proud do původního stavu
• ideálně to zabalte do RAII objektu
• původní hodnoty možno získat / nastavit metodami
• width() – šířka výstupu
• precision() – přesnost floating-point čísel
• fill() – výplňový znak
• flags() – formátovací příznaky (všechno ostatní)
22
restore.cpp
NOVÁ FORMÁTOVACÍ KNIHOVNA
std::format(formátovací řetězec, argumenty)
• formátovací řetězec musí být literál
• formátování ve stylu Pythonovského str.format
• výskyty {} ve formátovacím řetězci nahrazeny argumenty
• specifikace:
https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/format/formatter
• vrací std::string nebo std::wstring podle literálu
• podpora pro vlastní typy pomocí specializace šablony
(mimo záběr předmětu)
Podpora
• gcc: až od verze 13
• clang: nekompletní, příklad můžete vyzkoušet s přepínači
-stdlib=libc++ -fexperimental-library
23
format.cpp
PRO ZAJÍMAVOST: LOKALIZACE
std::locale (umístění, locale)
• sada parametrů, které definují různé varianty chování
uživatelských rozhraní, mimo jiné i formátování
• std::locale::classic()
• minimální POSIXové locale "C", implicitní na začátku programu
• std::locale(jméno)
• konstruktor dle zadaného jména
• prázdný řetězec znamená „to, co má nastaveno uživatel“
• std::locale::global(locale)
• nastaví globální locale, vrací předchozí hodnotu
• používá je např. std::to_string
• každý I/O proud má vlastní locale, nastavení pomocí metody
imbue (vrací původní locale)
24
locale.cpp