Параллельное и распределенное программирование на С++ - Хьюз Камерон

Обратите внимание на то, что пять из семи выше перечисленных базовых компонентов являются общими лля многих основных структур данных и типов контейнеров, которые обычно используются для операций ввода-вывода. В большинстве случаев UNDC/Linux-средства работы с файлами поддерживают:

• буферы;

• операции вставки данных в буфер;

• операции извлечения данных из буфера;

• операции создания буфера;

• операции удаления буфера.

Для инкапсуляции функций, предоставляемых системными UNIX/Linux-службами, мы используем понятие интерфейсных С++-классов и создаем объектно-ориентированные версии сервисных функций ввода-вывода. Если в случае с классом pvm_stream для библиотеки PVM нам приходилось начинать «с нуля», то здесь мы можем воспользоваться преимуществами существующей стандартной библиотеки С++ и библиотеки классов iostreams. Вспомните, что библиотека классов iostreams поддерживает объектно-ориентированную модель потоков ввода и вывода. Более того, эта объектно-ориентированнал библиотека оснащена поддержкой буферизации данных и всех операций, связанных с использованием буфера. На рис. 11.7 показана простая диаграмма класса basic_iostream.

Рис. 11.7. Диаграмма классов, отображающая основные компоненты класса basic_iostream

Основные компоненты класса basic_iostream можно описать тремя видами классов: компонент буфера, компонент преобразования и компонент состояния [23]. Компонент буфера используется в качестве области промежуточного хранения байтов информации. Компонент преобразования отвечает за перевод анонимных последовательностей байтов в значения и структуры данных соответствующих типов, а также за перевод структур данных и отдельных значений в анонимные последовательности байтов. Компонент преобразования отвечает за обеспечение программиста потоковым представлением байтов, в котором все операции ввода-вывода независимо от источника и приемника обрабатываются как поток байтов. Компонент состояния инкапсулирует состояние объектно-ориентированного потока и позволяет определить, какой тип форматирования применим к байтам данных, которые содержатся в компоненте буфера. Компонент состояния также содержит информацию отом, в каком режиме был открыт поток: дозаписи, создания, монопольного чтения, монопольной записи, а также о том, будут ли числа интерпретироваться как шестна-дцатеричные, восьмеричные или двоичные. Компонент состояния также можно использовать для определения состояния ошибки операций ввода-вывода, выполняемых над компонентом буфера. Опросив этот компонент, программист может определить, в каком состоянии находится буфер, условно говоря, в хорошем или плохом. Эти три компонента представляют собой объекты, которые можно использовать совместно (для формирования полнофункционального объектноориентированного потока) или в отдельности (в качестве вспомогательных объектов в других задачах).

Пять из семи базовых компонентов нашего потока уже реализованы в библиотеке классов iostreams. Поэтому нам остается лишь дополнить их компонентами портов ввода и вывода. Для этого мы можем рассмотреть системные средства поддержки потоков. В среде UNIX/Linux создать канал можно с помощью вызовов системных функций (листинг 11.19).

// Листинг 11.19. Использование системного вызова для

// создания канала

int main(int argc, char *argv[]) {

//.. .

int Fd[2];

pipe(Fd);

//.. .

}

Функция pipe () предназначена для создания структуры данных канала, которую можно использовать для взаимодействия между родительским и сыновним процессами. При успешном обращении к функции pipe () она возвращает два дескриптора файла. (Дескрипторы файлов представляют собой целые значения, которые используются для идентификации успешно открытых файлов.) В этом случае дескрипторы сохраняются в массиве Fd. Элемент Fd[0] используется при открытии файла для чтения, а элемент Fd[1] — при открытии файла для записи. После создания эти два дескриптора файлов можно использовать при вызове функций read() и write(). Функция write() обеспечивает вставку данных в канал посредством дескриптора Fd[1], а функция read() — извлечение данных из канала посредством дескриптора Fd[0]. Поскольку функция pipe () возвращает дескрипторы файлов, доступ к каналу можно получить с помощью системных средств работы с файлами. Для определения максимально возможного количества доступных дескрипторов файлов, открытых одним процессом, можно использовать системную функцию sysconf(_SC_OPEN_MAX), адля определения размера канала — функцию pathconf(_PC_PIPE_BUF).

Эти два файловых дескриптора представляют наши логические порты ввода и вывода соответственно. Мы также используем их для связи с библиотекой классов iostreams. В частности, они обеспечивают связь с классом буфера. Ко м понент буфера iostreams-классов имеет три семейства классов. Эти три типа буферных классов перечислены в табл. 11.3.

Таблица 11.3. Три типа буферных классов

basic_streambuf Описывает поведение различных потоковых буферов с целью управления входными и выходными последовательностями символов

basic_stringbuf Связывает входные и выходные последовательности с последовательностью произвольных символов, которая может быть использо-ванадля инициализации или доступна в качестве строкового объекта

basic_filebuf Связывает входные и выходные последовательности символов с файлом

Рассмотрим подробнее класс basic_filebuf. Тогда как класс basic_streambuf используется в качестве объектно-ориентированного буфера в операциях ввода-вывода с применением стандартного потока, а класс basic_stringbuf — в качестве объектно-ориентированного буфера для памяти, класс basic_filebuf применяется в качестве объектно-ориентированного буфера для файлов. Рассмотрев интерфейс для класса basic_filebuf и интерфейс для классов преобразования (basic_ifstream, basic_ofstream и basic_fstream), можно найти способ связать дескрипторы файлов, возвращаемые системной функцией pipe (), с объектами класса basic_iostream. На рис. 11.8 показаны диаграммы классов для семейства fstream-классов.

Рис. 11.8. Диаграммы классов для семейства fstream-классов

Обратите вни м ание на то, что все классы basic_ifstream, basic_ofstream и basic_fstream содержат класс basic_filebuf. Следовательно, чтобы упростить создание объектно-ориентированного канала, мы можем использовать любой класс из семейства fstream-классов. Мы можем связать дескрипторы файлов, возвращаемые системной функцией pipe() , либо с помощью конструкторов, либо с помощью функции-члена attach() .

Синопсис

#include <fstream>

// UNIX-системы

ifstream(int fd)

fstream(int fd)

ofstream(int fd)

// gnu C++

void attach(int fd) ;

Связь каналов c iostream-объектами с помощью дескрипторов файлов

Существует три iostream-класса (ifstream, ofstream и fstream), которые мы можем использовать для подключения к каналу. Объект класса ifstream используется для ввода данных, объект класса ofstream — для их вывода, а объект класса fstream можно применять и в том и в другом случае. Несмотря на то что непосредственная поддержка дескрипторов файлов и потоков ввода-вывода не является частью стандарта ISO, в большинстве UNIX- и Linux-сред поддерживается С++-ориентированный iostream-доступ к дескрипторам файлов. В библиотеке GNU С++ iostreams предусмотрена поддержка дескриптора файла в одном из конструкторов классов ifstream, ofstream и fstream и в методе attach( ) , определенном в классах ifstream и ofstream. UNIX-компилятор языка С++ ко м пании Sun также поддерживает дескрипторы файлов с помощью одного из конструкторов классов ifstream, ofstream и fstream. Поэтому при выполнении следующего фрагмента кода