【c++】 C语言的输入与输出C++的IO流STL空间配置器

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目录

1.C语言的输入与输出

2.流是什么

3.C++IO流

3.1 C++标准IO流

 3.2 C++文件IO流

 4.stringstream的简单介绍

5.什么是空间配置器 

6.为什么需要空间配置器

7.SGI-STL空间配置器实现原理

7.1 一级空间配置器

7.2 二级空间配置器

7.2.1 内存池

7.2.2 SGI-STL中二级空间配置器设计

7.2.3 SGI-STL二级空间配置器之空间申请

7.2.3.1 前期的准备

7.2.3.2 申请空间

7.2.3.3 填充内存块

7.2.3.4 向内存池中索要空间

7.2.4 SGI-STL二级空间配置器之空间回收

7.3 空间配置器的默认选择

7.4 空间配置器的再次封装

7.5 对象的构造与释放

8.与容器结合

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1.C语言的输入与输出

C语言中我们用到的最频繁的输入输出方式就是scanf ()与printf()

• scanf(): 从标准输入设备(键盘)读取数据，并将值存放在变量中
• printf(): 将指定的文字/字符串输出到标准输出设备(屏幕)

注意宽度输出和精度输出控制

C语言借助了相应的缓冲区来进行输入与输出。如下图所示：

对输入输出缓冲区的理解：

1. 可以屏蔽掉低级I/O的实现，低级I/O的实现依赖操作系统本身内核的实现，所以如果能够屏蔽这部分的差异，可以很容易写出可移植的程序
2. 可以使用这部分的内容实现“行”读取的行为，对于计算机而言是没有“行”这个概念，有了这部分，就可以定义“行”的概念，然后解析缓冲区的内容，返回一个“行”

2.流是什么

“流”即是流动的意思，是物质从一处向另一处流动的过程，是对一种有序连续且具有方向性的数据（ 其单位可以是bit,byte,packet ）的抽象描述

C++流是指信息从外部输入设备（如键盘）向计算机内部（如内存）输入和从内存向外部输出设备（显示器）输出的过程。这种输入输出的过程被形象的比喻为“流”

它的特性是：有序连续、具有方向性

为了实现这种流动，C++定义了I/O标准类库，这些每个类都称为流/流类，用以完成某方面的功能

3.C++IO流

C++系统实现了一个庞大的类库，其中ios为基类，其他类都是直接或间接派生自ios

3.1 C++标准IO流

C++标准库提供了4个全局流对象cin、cout、cerr、clog，使用cout进行标准输出，即数据从内存流向控制台(显示器)。使用cin进行标准输入即数据通过键盘输入到程序中，同时C++标准库还提供了cerr用来进行标准错误的输出，以及clog进行日志的输出，从上图可以看出，cout、cerr、clog是ostream类的三个不同的对象，因此这三个对象现在基本没有区别，只是应用场景不同

在使用时候必须要包含文件并引入std标准命名空间

注意：

1. cin为缓冲流。键盘输入的数据保存在缓冲区中，当要提取时，是从缓冲区中拿。如果一次输入过多，会留在那儿慢慢用，如果输入错了，必须在回车之前修改，如果回车键按下就无法挽回了。只有把输入缓冲区中的数据取完后，才要求输入新的数据
2. 输入的数据类型必须与要提取的数据类型一致，否则出错。出错只是在流的状态字state中对应位置位（置1），程序继续
3. 空格和回车都可以作为数据之间的分格符，所以多个数据可以在一行输入，也可以分行输入。但如果是字符型和字符串，则空格（ASCII码为32）无法用cin输入，字符串中也不能有空格。回车符也无法读入
4. cin和cout可以直接输入和输出内置类型数据，原因：标准库已经将所有内置类型的输入和输出全部重载了
   
5. 对于自定义类型，如果要支持cin和cout的标准输入输出，需要对<<和>>进行重载
6. 在线OJ中的输入和输出：

   ·对于IO类型的算法，一般都需要循环输入

   ·输出：严格按照题目的要求进行，多一个少一个空格都不行

   ·连续输入时，vs系列编译器下在输入ctrl+Z时结束

   // 单个元素循环输入
   while (cin >> a)
   {// ...
   }
   // 多个元素循环输入
   while (c >> a >> b >> c)
   {// ...
   }
   // 整行接收
   while (cin >> str)
   {// ...
   }

istream类型对象转换为逻辑条件判断值

istream& operator>> (int& val);
explicit operator bool() const;

https://cplusplus.com/reference/istream/istream/operator%3E%3E/

https://cplusplus.com/reference/ios/ios/operator_bool/

实际上我们看到使用while(cin>>i)去流中提取对象数据时，调用的是operator>>，返回值是istream类型的对象，那么这里可以做逻辑条件值，源自于istream的对象又调用了operatorbool，operator bool调用时如果接收流失败，或者有结束标志，则返回false

class Date
{friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}operator bool(){// 这里是随意写的，假设输入_year为0，则结束if (_year == 0)return false;elsereturn true;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
istream& operator >> (istream & in, Date & d)
{in >> d._year >> d._month >> d._day;return in;
}
ostream& operator << (ostream & out, const Date & d)
{out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;return out;
}
// C++ IO流，使用面向对象+运算符重载的方式
// 能更好的兼容自定义类型，流插入和流提取
int main()
{// 自动识别类型的本质--函数重载// 内置类型可以直接使用--因为库里面ostream类型已经实现了int i = 1;double j = 2.2;cout << i << endl;cout << j << endl;// 自定义类型则需要我们自己重载<< 和 >>Date d(2022, 4, 10);cout << d;while (d){cin >> d;cout << d;}return 0;
}

 3.2 C++文件IO流

C++根据文件内容的数据格式分为二进制文件和文本文件。采用文件流对象操作文件的一般步骤：

1. 定义一个文件流对象
   · ifstream ifile(只输入用)
   · ofstream ofile(只输出用)
   · fstream iofile(既输入又输出用)
2. 使用文件流对象的成员函数打开一个磁盘文件，使得文件流对象和磁盘文件之间建立联系
3. 使用提取和插入运算符对文件进行读写操作，或使用成员函数进行读写
4. 关闭文件

   struct ServerInfo
   {char _address[32];int _port;Date _date;
   };
   struct ConfigManager
   {
   public:ConfigManager(const char* filename):_filename(filename){}void WriteBin(const ServerInfo& info){ofstream ofs(_filename, ios_base::out | ios_base::binary);ofs.write((const char*)&info, sizeof(info));}void ReadBin(ServerInfo& info){ifstream ifs(_filename, ios_base::in | ios_base::binary);ifs.read((char*)&info, sizeof(info));}// C++文件流的优势就是可以对内置类型和自定义类型，都使用// 一样的方式，去流插入和流提取数据// 当然这里自定义类型Date需要重载>> 和 <<// istream& operator >> (istream& in, Date& d)// ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)void WriteText(const ServerInfo& info){ofstream ofs(_filename);ofs << info._address << " " << info._port << " " << info._date;}void ReadText(ServerInfo& info){ifstream ifs(_filename);ifs >> info._address >> info._port >> info._date;}
   private:string _filename; // 配置文件
   };
   int main()
   {ServerInfo winfo = { "192.0.0.1", 80, { 2022, 4, 10 } };// 二进制读写ConfigManager cf_bin("test.bin");cf_bin.WriteBin(winfo);ServerInfo rbinfo;cf_bin.ReadBin(rbinfo);cout << rbinfo._address << " " << rbinfo._port << " "<< rbinfo._date << endl;// 文本读写ConfigManager cf_text("test.text");cf_text.WriteText(winfo);ServerInfo rtinfo;cf_text.ReadText(rtinfo);cout << rtinfo._address << " " << rtinfo._port << " " <<rtinfo._date << endl;return 0;
   }

 4.stringstream的简单介绍

在C语言中，如果想要将一个整形变量的数据转化为字符串格式，如何去做？

1. 使用itoa()函数
2. 使用sprintf()函数

但是两个函数在转化时，都得需要先给出保存结果的空间，那空间要给多大呢，就不太好界定，而且转化格式不匹配时，可能还会得到错误的结果甚至程序崩溃

int main()
{int n = 123456789;char s1[32];_itoa(n, s1, 10);char s2[32];sprintf(s2, "%d", n);char s3[32];sprintf(s3, "%f", n);return 0;
}

在C++中，可以使用stringstream类对象来避开此问题

在程序中如果想要使用stringstream，必须要包含头文件。在该头文件下，标准库三个类：istringstream、ostringstream 和 stringstream，分别用来进行流的输入、输出和输入输出操作，本文主要介绍stringstream

stringstream主要可以用来：

1. 将数值类型数据格式化为字符串

   #include<sstream>
   int main()
   {int a = 12345678;string sa;// 将一个整形变量转化为字符串，存储到string类对象中stringstream s;s << a;s >> sa;// clear()// 注意多次转换时，必须使用clear将上次转换状态清空掉// stringstreams在转换结尾时(即最后一个转换后),会将其内部状态设置为badbit// 因此下一次转换是必须调用clear()将状态重置为goodbit才可以转换// 但是clear()不会将stringstreams底层字符串清空掉// s.str("");// 将stringstream底层管理string对象设置成"", // 否则多次转换时，会将结果全部累积在底层string对象中s.str("");s.clear();   // 清空s, 不清空会转化失败double d = 12.34;s << d;s >> sa;string sValue;sValue = s.str();   // str()方法：返回stringsteam中管理的string类型cout << sValue << endl;return 0;
   }

2. 字符串拼接

   int main()
   {stringstream sstream;// 将多个字符串放入 sstream 中sstream << "first" << " " << "string,";sstream << " second string";cout << "strResult is: " << sstream.str() << endl;// 清空 sstreamsstream.str("");sstream << "third string";cout << "After clear, strResult is: " << sstream.str() << endl;return 0;
   }

注意：

1. stringstream实际是在其底层维护了一个string类型的对象用来保存结果。
2. 多次数据类型转化时，一定要用clear()来清空，才能正确转化，但clear()不会将stringstream底层的string对象清空。
3. 可以使用s. str("")方法将底层string对象设置为""空字符串。
4. 可以使用s.str()将让stringstream返回其底层的string对象。
5. stringstream使用string类对象代替字符数组，可以避免缓冲区溢出的危险，而且其会对参数类型进行推演，不需要格式化控制，也不会出现格式化失败的风险，因此使用更方便，更安全

5.什么是空间配置器 

空间配置器，顾名思义就是为各个容器高效的管理空间(空间的申请与回收)的，在默默地工作。虽然在常规使用STL时，可能用不到它，但站在学习研究的角度，学习它的实现原理对我们有很大的帮助

6.为什么需要空间配置器

前面在模拟实现vector、list、map、unordered_map等容器时，所有需要空间的地方都是通过new申请的，虽然代码可以正常运行，但是有以下不足之处

• 空间申请与释放需要用户自己管理，容易造成内存泄漏
• 频繁向系统申请小块内存块，容易造成内存碎片
• 频繁向系统申请小块内存，影响程序运行效率
• 直接使用malloc与new进行申请，每块空间前有额外空间浪费
• 申请空间失败怎么应对
• 代码结构比较混乱，代码复用率不高
• 未考虑线程安全问题

因此需要设计一块高效的内存管理机制 

7.SGI-STL空间配置器实现原理

以上提到的几点不足之处，最主要还是：频繁向系统申请小块内存造成的。那什么才算是小块内存？SGI-STL以128作为小块内存与大块内存的分界线，将空间配置器其分为两级结构，一级空间配置器处理大块内存，二级空间配置器处理小块内存

7.1 一级空间配置器

一级空间配置器原理非常简单，直接对malloc与free进行了封装，并增加了C++中set_new_handle思想

template <int inst>
class __malloc_alloc_template
{
private:static void* oom_malloc(size_t);
public:// 对malloc的封装static void* allocate(size_t n){// 申请空间成功，直接返回，失败交由oom_malloc处理void* result = malloc(n);if (0 == result)result = oom_malloc(n);return result;}// 对free的封装static void deallocate(void* p, size_t /* n */){free(p);}// 模拟set_new_handle// 该函数的参数为函数指针，返回值类型也为函数指针// void (*   set_malloc_handler( void (*f)() ) )()static void (*set_malloc_handler(void (*f)()))(){void (*old)() = __malloc_alloc_oom_handler;__malloc_alloc_oom_handler = f;return(old);}
};
// malloc申请空间失败时代用该函数
template <int inst>
void* __malloc_alloc_template<inst>::oom_malloc(size_t n)
{void (*my_malloc_handler)();void* result;for (;;){// 检测用户是否设置空间不足应对措施，如果没有设置，抛异常，模式new的方式my_malloc_handler = __malloc_alloc_oom_handler;if (0 == my_malloc_handler){__THROW_BAD_ALLOC;}// 如果设置，执行用户提供的空间不足应对措施(*my_malloc_handler)();// 继续申请空间，可能就会申请成功result = malloc(n);if (result)return(result);}
}
typedef __malloc_alloc_template<0> malloc_alloc;

7.2 二级空间配置器

二级空间配置器专门负责处理小于128字节的小块内存。如何才能提升小块内存的申请与释放的方式呢？SGI-STL采用了内存池的技术来提高申请空间的速度以及减少额外空间的浪费，采用哈希桶的方式来提高用户获取空间的速度与高效管理

7.2.1 内存池

内存池就是：先申请一块比较大的内存块已做备用，当需要内存时，直接到内存池中去去，当池中空间不够时，再向内存中去取，当用户不用时，直接还回内存池即可。避免了频繁向系统申请小块内存所造成的效率低、内存碎片以及额外浪费的问题

思考一下几个问题：

1. 当用户需要空间时，能否直接从内存池中大块空间中直接截取？为什么？
2. 对用户归还的空间能否直接拼接在大块内存前？
3. 对用户归还的空间如何进行管理？
4. 不断切割会有什么后果？

7.2.2 SGI-STL中二级空间配置器设计

SGI-STL中的二级空间配置器使用了内存池技术，但没有采用链表的方式对用户已经归还的空间进行管理(因为用户申请空间时在查找合适的小块内存时效率比较低)，而是采用了哈希桶的方式进行管理。那是否需要128桶个空间来管理用户已经归还的内存块呢？答案是不需要，因为用户申请的空间基本都是4的整数倍，其他大小的空间几乎很少用到。因此：SGI-STL将用户申请的内存块向上对齐到了8的整数倍(同学们请思考为什么是8的整数倍，而不是4)

7.2.3 SGI-STL二级空间配置器之空间申请

7.2.3.1 前期的准备

// 去掉代码中繁琐的部分
template <int inst>
class __default_alloc_template
{
private:enum { __ALIGN = 8 };     // 如果用户所需内存不是8的整数倍，向上对齐到8的整数倍enum { __MAX_BYTES = 128 };   // 大小内存块的分界线enum { __NFREELISTS = __MAX_BYTES / __ALIGN };  // 采用哈希桶保存小块内存时所需桶的个数// 如果用户所需内存块不是8的整数倍，向上对齐到8的整数倍static size_t ROUND_UP(size_t bytes){return (((bytes)+__ALIGN - 1) & ~(__ALIGN - 1));}private:// 用联合体来维护链表结构----同学们可以思考下此处为什么没有使用结构体union obj{union obj* free_list_link;char client_data[1];    /* The client sees this.       */};private:static obj* free_list[__NFREELISTS];// 哈希函数，根据用户提供字节数找到对应的桶号static  size_t FREELIST_INDEX(size_t bytes){return (((bytes)+__ALIGN - 1) / __ALIGN - 1);}// start_free与end_free用来标记内存池中大块内存的起始与末尾位置static char* start_free;static char* end_free;// 用来记录该空间配置器已经想系统索要了多少的内存块static size_t heap_size;// ...
};

7.2.3.2 申请空间

 

// 函数功能：向空间配置器索要空间
// 参数n: 用户所需空间字节数
// 返回值：返回空间的首地址
static void* allocate(size_t n)
{obj* __VOLATILE* my_free_list;obj* __RESTRICT result;// 检测用户所需空间释放超过128(即是否为小块内存)if (n > (size_t)__MAX_BYTES){// 不是小块内存交由一级空间配置器处理return (malloc_alloc::allocate(n));}// 根据用户所需字节找到对应的桶号my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);result = *my_free_list;// 如果该桶中没有内存块时，向该桶中补充空间if (result == 0){// 将n向上对齐到8的整数被，保证向桶中补充内存块时，内存块一定是8的整数倍void* r = refill(ROUND_UP(n));return r;}// 维护桶中剩余内存块的链式关系*my_free_list = result->free_list_link;return (result);
};

7.2.3.3 填充内存块

// 函数功能：向哈希桶中补充空间
// 参数n：小块内存字节数
// 返回值：首个小块内存的首地址
template <int inst>
void* __default_alloc_template<inst>::refill(size_t n)
{// 一次性向内存池索要20个n字节的小块内存int nobjs = 20;char* chunk = chunk_alloc(n, nobjs);obj** my_free_list;obj* result;obj* current_obj, * next_obj;int i;// 如果只要了一块，直接返回给用户使用if (1 == nobjs)return(chunk);// 找到对应的桶号my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);// 将第一块返回值用户，其他块连接在对应的桶中// 注：此处代码逻辑比较简单，但标准库实现稍微有点复杂，同学们可以自己实现result = (obj*)chunk;*my_free_list = next_obj = (obj*)(chunk + n);for (i = 1; ; i++){current_obj = next_obj;next_obj = (obj*)((char*)next_obj + n);if (nobjs - 1 == i){current_obj->free_list_link = 0;break;}else{current_obj->free_list_link = next_obj;}}return(result);
}

7.2.3.4 向内存池中索要空间

template <int inst>
char* __default_alloc_template<inst>::chunk_alloc(size_t size, int&nobjs)
{// 计算nobjs个size字节内存块的总大小以及内存池中剩余空间总大小char* result;size_t total_bytes = size * nobjs;size_t bytes_left = end_free - start_free;// 如果内存池可以提供total_bytes字节，返回if (bytes_left >= total_bytes){result = start_free;start_free += total_bytes;return(result);}else if (bytes_left >= size){// nobjs块无法提供，但是至少可以提供1块size字节内存块，提供后返回nobjs = bytes_left / size;total_bytes = size * nobjs;result = start_free;start_free += total_bytes;return(result);}else{// 内存池空间不足，连一块小块村内都不能提供// 向系统堆求助，往内存池中补充空间// 计算向内存中补充空间大小：本次空间总大小两倍 + 向系统申请总大小/16size_t bytes_to_get = 2 * total_bytes + ROUND_UP(heap_size >>4);// 如果内存池有剩余空间(该空间一定是8的整数倍)，将该空间挂到对应哈希桶中if (bytes_left > 0){// 找对用哈希桶，将剩余空间挂在其上obj** my_free_list = free_list +FREELIST_INDEX(bytes_left);((obj*)start_free)->free_list_link = *my_free_list;*my_ree_list = (obj*)start_free;}// 通过系统堆向内存池补充空间，如果补充成功，递归继续分配start_free = (char*)malloc(bytes_to_get);if (0 == start_free){// 通过系统堆补充空间失败，在哈希桶中找是否有没有使用的较大的内存块int i;obj** my_free_list, * p;for (i = size; i <= __MAX_BYTES; i += __ALIGN){my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(i);p = *my_free_list;// 如果有，将该内存块补充进内存池，递归继续分配if (0 != p){*my_free_list = p->free_list_link;start_free = (char*)p;end_free = start_free + i;return(chunk_alloc(size, nobjs));}}// 山穷水尽，只能向一级空间配置器求助// 注意：此处一定要将end_free置空，因为一级空间配置器一旦抛异常就会出问题end_free = 0;start_free = (char*)malloc_alloc::allocate(bytes_to_get);}// 通过系统堆向内存池补充空间成功，更新信息并继续分配heap_size += bytes_to_get;end_free = start_free + bytes_to_get;return(chunk_alloc(size, nobjs));}
}

7.2.4 SGI-STL二级空间配置器之空间回收

// 函数功能：用户将空间归还给空间配置器
// 参数：p空间首地址   n空间总大小
static void deallocate(void* p, size_t n)
{obj* q = (obj*)p;obj** my_free_list;// 如果空间不是小块内存，交给一级空间配置器回收if (n > (size_t)__MAX_BYTES){malloc_alloc::deallocate(p, n);return;}// 找到对应的哈希桶，将内存挂在哈希桶中my_free_list = free_list + FREELIST_INDEX(n);q->free_list_link = *my_free_list;*my_free_list = q;
}

7.3 空间配置器的默认选择

SGI-STL默认使用一级还是二级空间配置器，通过USE_MALLOC宏进行控制：

#ifdef __USE_MALLOC
typedef malloc_alloc alloc;
typedef malloc_alloc single_client_alloc;
#else
// 二级空间配置器定义
#endif

在SGI_STL中该宏没有定义，因此：默认情况下SGI_STL使用二级空间配置器

7.4 空间配置器的再次封装

在C++中，用户所需空间可能是任意类型的，有单个对象空间，有连续空间，每次让用户自己计算所需空间总大小不是很友好，因此SGI-STL将空间配置器重新再封装了一层：

#ifdef __USE_MALLOC
typedef malloc_alloc alloc;
typedef malloc_alloc single_client_alloc;
#else
// 二级空间配置器定义
#endif// T: 元素类型
// Alloc: 空间配置器
// 注意：该类只负责申请与归还对象的空间，不否则空间中对象的构造与析构
template<class T, class Alloc>
class simple_alloc
{
public:// 申请n个T类型对象大小的空间static T* allocate(size_t n){return 0 == n ? 0 : (T*)Alloc::allocate(n * sizeof(T));}// 申请一个T类型对象大小的空间static T* allocate(void){return (T*)Alloc::allocate(sizeof(T));}// 释放n个T类型对象大小的空间static void deallocate(T* p, size_t n){if (0 != n)Alloc::deallocate(p, n * sizeof(T));}// 释放一个T类型对象大小的空间static void deallocate(T* p){Alloc::deallocate(p, sizeof(T));}
};

7.5 对象的构造与释放

一切为了效率考虑，SGI-STL决定将空间申请释放和对象的构造析构两个过程分离开，因为有些对象的构造不需要调用析构函数，销毁时不需要调用析构函数，将该过程分离开可以提高程序的性能：

// 归还空间时，先先调用该函数将对象中资源清理掉
template <class T>
inline void destroy(T* pointer)
{pointer->~T();
}
// 空间申请好后调用该函数：利用placement-new完成对象的构造
template <class T1, class T2>
inline void construct(T1* p, const T2& value)
{new (p) T1(value);
}

注意：

1. 在释放对象时，需要根据对象的类型确定是否调用析构函数(类型萃取)
2. 对象的类型可以通过迭代器获萃取到

8.与容器结合

// 归还空间时，先先调用该函数将对象中资源清理掉
template <class T>
inline void destroy(T* pointer)
{pointer->~T();
}
// 空间申请好后调用该函数：利用placement-new完成对象的构造
template <class T1, class T2>
inline void construct(T1* p, const T2& value)
{new (p) T1(value);
}template <class T, class Alloc = alloc>
class list
{// ...// 实例化空间配置器typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator;// ...
protected:link_type get_node(){// 调用空间配置器接口先申请节点的空间return list_node_allocator::allocate();}// 将节点归还给空间配置器void put_node(link_type p){list_node_allocator::deallocate(p);}// 创建节点：1. 申请空间 2. 完成节点构造link_type create_node(const T& x){link_type p = get_node();construct(&p->data, x);return p;}// 销毁节点： 1. 调用析构函数清理节点中资源 2. 将节点空间归还给空间配置器void destroy_node(link_type p){destroy(&p->data);put_node(p);}// ...iterator insert(iterator position, const T& x){link_type tmp = create_node(x);tmp->next = position.node;tmp->prev = position.node->prev;(link_type(position.node->prev))->next = tmp;position.node->prev = tmp;return tmp;}iterator erase(iterator position){link_type next_node = link_type(position.node->next);link_type prev_node = link_type(position.node->prev);prev_node->next = next_node;next_node->prev = prev_node;destroy_node(position.node);return iterator(next_node);}// ...
};