陳碩 (giantchen_AT_gmail)
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本文主要考慮 x86 Linux 平臺(tái)，不考慮跨平臺(tái)的可移植性，也不考慮國(guó)際化(i18n)，但是要考慮 32-bit 和 64-bit 的兼容性。本文以 stdio 指代 C 語言的 scanf/printf 系列格式化輸入輸出函數(shù)。本文注意區(qū)分“編程初學(xué)者”和“C++初學(xué)者”，二者含義不同。
摘要：C++ iostream 的主要作用是讓初學(xué)者有一個(gè)方便的命令行輸入輸出試驗(yàn)環(huán)境，在真實(shí)的項(xiàng)目中很少用到 iostream，因此不必把精力花在深究 iostream 的格式化與 manipulator。iostream 的設(shè)計(jì)初衷是提供一個(gè)可擴(kuò)展的類型安全的 IO 機(jī)制，但是后來莫名其妙地加入了 locale 和 facet 等累贅。其整個(gè)設(shè)計(jì)復(fù)雜不堪，多重+虛擬繼承的結(jié)構(gòu)也很巴洛克，性能方面幾無亮點(diǎn)。iostream 在實(shí)際項(xiàng)目中的用處非常有限，為此投入過多學(xué)習(xí)精力實(shí)在不值。
stdio 格式化輸入輸出的缺點(diǎn)
1. 對(duì)編程初學(xué)者不友好
看看下面這段簡(jiǎn)單的輸入輸出代碼。
#include <stdio.h>
int main()
{
int i;
short s;
float f;
double d;
char name[80];
scanf("%d %hd %f %lf %s", &i, &s, &f, &d, name);
printf("%d %d %f %f %s", i, s, f, d, name);
}
注意到其中
- 輸入和輸出用的格式字符串不一樣。輸入 short 要用 %hd，輸出用 %d；輸入 double 要用 %lf，輸出用 %f。
- 輸入的參數(shù)不統(tǒng)一。對(duì)于 i、s、f、d 等變量，在傳入 scanf() 的時(shí)候要取地址(&)，而對(duì)于 name，則不用取地址。
讀者可以試一試如何用幾句話向剛開始學(xué)編程的初學(xué)者解釋上面兩條背后原因（涉及到傳遞函數(shù)不定參數(shù)時(shí)的類型轉(zhuǎn)換，函數(shù)調(diào)用棧的內(nèi)存布局，指針的意義，字符數(shù)組退化為字符指針等等），如果一開始解釋不清，只好告訴學(xué)生“這是規(guī)定”。
- 緩沖區(qū)溢出的危險(xiǎn)。上面的例子在讀入 name 的時(shí)候沒有指定大小，這是用 C 語言編程的安全漏洞的主要來源。應(yīng)該在一開始就強(qiáng)調(diào)正確的做法，避免養(yǎng)成錯(cuò)誤的習(xí)慣。正確而安全的做法如 Bjarne Stroustrup 在《Learning Standard C++ as a New Language》所示：
#include <stdio.h>
int main()
{
const int max = 80;
char name[max];
char fmt[10];
sprintf(fmt, "%%%ds", max - 1);
scanf(fmt, name);
printf("%s\n", name);
}
這個(gè)動(dòng)態(tài)構(gòu)造格式化字符串的做法恐怕更難向初學(xué)者解釋。
2. 安全性(security)
C 語言的安全性問題近十幾年來引起了廣泛的注意，C99 增加了 snprintf() 等能夠指定輸出緩沖區(qū)大小的函數(shù)，輸出方面的安全性問題已經(jīng)得到解決；輸入方面似乎沒有太大進(jìn)展，還要靠程序員自己動(dòng)手。
考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的編程任務(wù)：從文件或標(biāo)準(zhǔn)輸入讀入一行字符串，行的長(zhǎng)度不確定。我發(fā)現(xiàn)沒有哪個(gè) C 語言標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)能完成這個(gè)任務(wù)，除非 roll your own。
首先，gets() 是錯(cuò)誤的，因?yàn)椴荒苤付ň彌_區(qū)的長(zhǎng)度。
其次，fgets() 也有問題。它能指定緩沖區(qū)的長(zhǎng)度，所以是安全的。但是程序必須預(yù)設(shè)一個(gè)長(zhǎng)度的最大值，這不滿足題目要求“行的長(zhǎng)度不確定”。另外，程序無法判斷 fgets() 到底讀了多少個(gè)字節(jié)。為什么？考慮一個(gè)文件的內(nèi)容是 9 個(gè)字節(jié)的字符串 "Chen\000Shuo"，注意中間出現(xiàn)了 '\0' 字符，如果用 fgets() 來讀取，客戶端如何知道 "\000Shuo" 也是輸入的一部分？畢竟 strlen() 只返回 4，而且整個(gè)字符串里沒有 '\n' 字符。
最后，可以用 glibc 定義的 getline(3) 函數(shù)來讀取不定長(zhǎng)的“行”。這個(gè)函數(shù)能正確處理各種情況，不過它返回的是 malloc() 分配的內(nèi)存，要求調(diào)用端自己 free()。
3. 類型安全(type-safe)
如果 printf() 的整數(shù)參數(shù)類型是 int、long 等標(biāo)準(zhǔn)類型， 那么 printf() 的格式化字符串很容易寫。但是如果參數(shù)類型是 typedef 的類型呢？
如果你想在程序中用 printf 來打印日志，你能一眼看出下面這些類型該用 "%d" "%ld" "%lld" 中的哪一個(gè)來輸出？你的選擇是否同時(shí)兼容 32-bit 和 64-bit 平臺(tái)？
- clock_t。這是 clock(3) 的返回類型
- dev_t。這是 mknod(3) 的參數(shù)類型
- in_addr_t、in_port_t。這是 struct sockaddr_in 的成員類型
- nfds_t。這是 poll(2) 的參數(shù)類型
- off_t。這是 lseek(2) 的參數(shù)類型，麻煩的是，這個(gè)類型與宏定義 _FILE_OFFSET_BITS 有關(guān)。
- pid_t、uid_t、gid_t。這是 getpid(2) getuid(2) getgid(2) 的返回類型
- ptrdiff_t。printf() 專門定義了 "t" 前綴來支持這一類型（即使用 "%td" 來打印）。
- size_t、ssize_t。這兩個(gè)類型到處都在用。printf() 為此專門定義了 "z" 前綴來支持這兩個(gè)類型（即使用 "%zu" 或 "%zd" 來打印）。
- socklen_t。這是 bind(2) 和 connect(2) 的參數(shù)類型
- time_t。這是 time(2) 的返回類型，也是 gettimeofday(2) 和 clock_gettime(2) 的輸出結(jié)構(gòu)體的成員類型
如果在 C 程序里要正確打印以上類型的整數(shù)，恐怕要費(fèi)一番腦筋。《The Linux Programming Interface》的作者建議（3.6.2節(jié)）先統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為 long 類型再用 "%ld" 來打印；對(duì)于某些類型仍然需要特殊處理，比如 off_t 的類型可能是 long long。
還有，int64_t 在 32-bit 和 64-bit 平臺(tái)上是不同的類型，為此，如果程序要打印 int64_t 變量，需要包含 <inttypes.h> 頭文件，并且使用 PRId64 宏：
#include <stdio.h>
#define __STDC_FORMAT_MACROS
#include <inttypes.h>
int main()
{
int64_t x = 100;
printf("%" PRId64 "\n", x);
printf("%06" PRId64 "\n", x);
}
muduo 的 Timestamp 使用了 PRId64 http://code.google.com/p/muduo/source/browse/trunk/muduo/base/Timestamp.cc#25
Google C++ 編碼規(guī)范也提到了 64-bit 兼容性： http://google-styleguide.googlecode.com/svn/trunk/cppguide.xml#64-bit_Portability
這些問題在 C++ 里都不存在，在這方面 iostream 是個(gè)進(jìn)步。
C stdio 在類型安全方面原本還有一個(gè)缺點(diǎn)，即格式化字符串與參數(shù)類型不匹配會(huì)造成難以發(fā)現(xiàn)的 bug，不過現(xiàn)在的編譯器已經(jīng)能夠檢測(cè)很多這種錯(cuò)誤：
int main()
{
double d = 100.0;
// warning: format '%d' expects type 'int', but argument 2 has type 'double'
printf("%d\n", d);
short s;
// warning: format '%d' expects type 'int*', but argument 2 has type 'short int*'
scanf("%d", &s);
size_t sz = 1;
// no warning
printf("%zd\n", sz);
}
4. 不可擴(kuò)展？
C stdio 的另外一個(gè)缺點(diǎn)是無法支持自定義的類型，比如我寫了一個(gè) Date class，我無法像打印 int 那樣用 printf 來直接打印 Date 對(duì)象。
struct Date
{
int year, month, day;
};
Date date;
printf("%D", &date); // WRONG
Glibc 放寬了這個(gè)限制，允許用戶調(diào)用 register_printf_function(3) 注冊(cè)自己的類型，當(dāng)然，前提是與現(xiàn)有的格式字符不沖突（這其實(shí)大大限制了這個(gè)功能的用處，現(xiàn)實(shí)中也幾乎沒有人真的去用它）。http://www.gnu.org/s/hello/manual/libc/Printf-Extension-Example.html http://en.wikipedia.org/wiki/Printf#Custom_format_placeholders
5. 性能
C stdio 的性能方面有兩個(gè)弱點(diǎn)。
- 使用一種 little language （現(xiàn)在流行叫 DSL）來配置格式。固然有利于緊湊性和靈活性，但損失了一點(diǎn)點(diǎn)效率。每次打印一個(gè)整數(shù)都要先解析 "%d" 字符串，大多數(shù)情況下不是問題，某些場(chǎng)合需要自己寫整數(shù)到字符串的轉(zhuǎn)換。
- C locale 的負(fù)擔(dān)。locale 指的是不同語種對(duì)“什么是空白”、“什么是字母”，“什么是小數(shù)點(diǎn)”有不同的定義（德語里邊小數(shù)點(diǎn)是逗號(hào)，不是句點(diǎn)）。C 語言的 printf()、scanf()、isspace()、isalpha()、ispunct()、strtod() 等等函數(shù)都和 locale 有關(guān)，而且可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)更改。就算是程序只使用默認(rèn)的 "C" locale，任然要為這個(gè)靈活性付出代價(jià)。
iostream 的設(shè)計(jì)初衷
iostream 的設(shè)計(jì)初衷包括克服 C stdio 的缺點(diǎn)，提供一個(gè)高效的可擴(kuò)展的類型安全的 IO 機(jī)制。“可擴(kuò)展”有兩層意思，一是可以擴(kuò)展到用戶自定義類型，而是通過繼承 iostream 來定義自己的 stream，本文把前一種稱為“類型可擴(kuò)展”后一種稱為“功能可擴(kuò)展”。
“類型可擴(kuò)展”和“類型安全”都是通過函數(shù)重載來實(shí)現(xiàn)的。
iostream 對(duì)初學(xué)者很友好，用 iostream 重寫與前面同樣功能的代碼：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
int i;
short s;
float f;
double d;
string name;
cin >> i >> s >> f >> d >> name;
cout << i << " " << s << " " << f << " " << d << " " << name << endl;
}
這段代碼恐怕比 scanf/printf 版本容易解釋得多，而且沒有安全性(security)方面的問題。
我們自己的類型也可以融入 iostream，使用起來與 built-in 類型沒有區(qū)別。這主要得力于 C++ 可以定義 non-member functions/operators。
#include <ostream> // 是不是太重量級(jí)了？
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
: year_(year), month_(month), day_(day)
{
}
void writeTo(std::ostream& os) const
{
os << year_ << '-' << month_ << '-' << day_;
}
private:
int year_, month_, day_;
};
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Date& date)
{
date.writeTo(os);
return os;
}
int main()
{
Date date(2011, 4, 3);
std::cout << date << std::endl;
// 輸出 2011-4-3
}
iostream 憑借這兩點(diǎn)（類型安全和類型可擴(kuò)展），基本克服了 stdio 在使用上的不便與不安全。如果 iostream 止步于此，那它將是一個(gè)非常便利的庫，可惜它前進(jìn)了另外一步。
iostream 與標(biāo)準(zhǔn)庫其他組件的交互
不同于標(biāo)準(zhǔn)庫其他 class 的“值語意”，iostream 是“對(duì)象語意”，即 iostream 是 non-copyable。這是正確的，因?yàn)槿绻?fstream 代表一個(gè)文件的話，拷貝一個(gè) fstream 對(duì)象意味著什么呢？表示打開了兩個(gè)文件嗎？如果銷毀一個(gè) fstream 對(duì)象，它會(huì)關(guān)閉文件句柄，那么另一個(gè) fstream copy 對(duì)象會(huì)因此受影響嗎？
C++ 同時(shí)支持“數(shù)據(jù)抽象”和“面向?qū)ο缶幊?#8221;，其實(shí)主要就是“值語意”與“對(duì)象語意”的區(qū)別，我發(fā)現(xiàn)不是每個(gè)人都清楚這一點(diǎn)，這里多說幾句。標(biāo)準(zhǔn)庫里的 complex<> 、pair<>、vector<>、 string 等等都是值語意，拷貝之后就與原對(duì)象脫離關(guān)系，就跟拷貝一個(gè) int 一樣。而我們自己寫的 Employee class、TcpConnection class 通常是對(duì)象語意，拷貝一個(gè) Employee 對(duì)象是沒有意義的，一個(gè)雇員不會(huì)變成兩個(gè)雇員，他也不會(huì)領(lǐng)兩份薪水。拷貝 TcpConnection 對(duì)象也沒有意義，系統(tǒng)里邊只有一個(gè) TCP 連接，拷貝 TcpConnection 對(duì)象不會(huì)讓我們擁有兩個(gè)連接。因此如果在 C++ 里做面向?qū)ο缶幊蹋瑢懙?class 通常應(yīng)該禁用 copy constructor 和 assignment operator，比如可以繼承 boost::noncopyable。對(duì)象語意的類型不能直接作為標(biāo)準(zhǔn)容器庫的成員。另一方面，如果要寫一個(gè)圖形程序，其中用到三維空間的向量，那么我們可以寫 Vector3D class，它應(yīng)該是值語意的，允許拷貝，并且可以用作標(biāo)準(zhǔn)容器庫的成員，例如 vector<Vector3D> 表示一條三維的折線。
C stdio 的另外一個(gè)缺點(diǎn)是 FILE* 可以隨意拷貝，但是只要關(guān)閉其中一個(gè) copy，其他 copies 也都失效了，跟空懸指針一般。這其實(shí)不光是 C stdio 的缺點(diǎn)，整個(gè) C 語言對(duì)待資源（malloc 得到的內(nèi)存，open() 打開的文件，socket() 打開的連接）都是這樣，用整數(shù)或指針來代表（即“句柄”）。而整數(shù)和指針類型的“句柄”是可以隨意拷貝的，很容易就造成重復(fù)釋放、遺漏釋放、使用已經(jīng)釋放的資源等等常見錯(cuò)誤。這是因?yàn)?C 語言錯(cuò)誤地讓“對(duì)象語言”的東西變成了值語意。
iostream 禁止拷貝，利用對(duì)象的生命期來明確管理資源（如文件），很自然地就避免了 C 語言易犯的錯(cuò)誤。這就是 RAII，一種重要且獨(dú)特的 C++ 編程手法。
std::string
iostream 可以與 string 配合得很好。但是有一個(gè)問題：誰依賴誰？
std::string 的 operator << 和 operator >> 是如何聲明的？"string" 頭文件在聲明這兩個(gè) operators 的時(shí)候要不要 include "iostream" ？
iostream 和 string 都可以單獨(dú) include 來使用，顯然 iostream 頭文件里不會(huì)定義 string 的 << 和 >> 操作。但是，如果"string"要include "iostream"，豈不是讓 string 的用戶被迫也用了 iostream？編譯 iostream 頭文件可是相當(dāng)?shù)穆。ㄒ驗(yàn)?iostream 是 template，其實(shí)現(xiàn)代碼都放到了頭文件中）。
標(biāo)準(zhǔn)庫的解決辦法是定義 iosfwd 頭文件，其中包含 istream 和 ostream 等的前向聲明 (forward declarations)，這樣 "string" 頭文件在定義輸入輸出操作符時(shí)就可以不必包含 "iostream"，只需要包含簡(jiǎn)短得多的 "iosfwd"。我們自己寫程序也可借此學(xué)習(xí)如何支持可選的功能。
值得注意的是，istream::getline() 成員函數(shù)的參數(shù)類型是 char*，因?yàn)?"istream" 沒有包含 "string"，而我們常用的 std::getline() 函數(shù)是個(gè) non-member function，定義在 "string" 里邊。
std::complex
標(biāo)準(zhǔn)庫的復(fù)數(shù)類 complex 的情況比較復(fù)雜。使用 complex 會(huì)自動(dòng)包含 sstream，后者會(huì)包含 istream 和 ostream，這是個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。問題是，為什么？
它的 operator >> 操作比 string 復(fù)雜得多，如何應(yīng)對(duì)格式不正確的情況？輸入字符串不會(huì)遇到格式不正確，但是輸入一個(gè)復(fù)數(shù)可能遇到各種問題，比如數(shù)字的格式不對(duì)等。我懷疑有誰會(huì)真的在產(chǎn)品項(xiàng)目里用 operator >> 來讀入字符方式表示的復(fù)數(shù)，這樣的代碼的健壯性如何保證。基于同樣的理由，我認(rèn)為產(chǎn)品代碼中應(yīng)該避免用 istream 來讀取帶格式的內(nèi)容，后面也不再談 istream 的缺點(diǎn)，它已經(jīng)被秒殺。
它的 operator << 也很奇怪，它不是直接使用參數(shù) ostream& os 對(duì)象來輸出，而是先構(gòu)造 ostringstream，輸出到該 string stream，再把結(jié)果字符串輸出到 ostream。簡(jiǎn)化后的代碼如下：
template<typename T>
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const std::complex<T>& x)
{
std::ostringstream s;
s << '(' << x.real() << ',' << x.imag() << ')';
return os << s.str();
}
注意到 ostringstream 會(huì)用到動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，也就是說，每輸出一個(gè) complex 對(duì)象就會(huì)分配釋放一次內(nèi)存，效率堪憂。
根據(jù)以上分析，我認(rèn)為 iostream 和 complex 配合得不好，但是它們耦合得更緊密（與 string/iostream 相比），這可能是個(gè)不得已的技術(shù)限制吧（complex 是 template，其 operator<< 必須在頭文件中定義，而這個(gè)定義又用到了 ostringstream，不得已包含了 iostream 的實(shí)現(xiàn)）。
如果程序要對(duì) complex 做 IO，從效率和健壯性方面考慮，建議不要使用 iostream。
iostream 在使用方面的缺點(diǎn)
在簡(jiǎn)單使用 iostream 的時(shí)候，它確實(shí)比 stdio 方便，但是深入一點(diǎn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，二者可說各擅勝場(chǎng)。下面談一談 iostream 在使用方面的缺點(diǎn)。
1. 格式化輸出很繁瑣
iostream 采用 manipulator 來格式化，如果我想按照 2010-04-03 的格式輸出前面定義的 Date class，那么代碼要改成：
--- 02-02.cc 2011-07-16 16:40:05.000000000 +0800
+++ 04-01.cc 2011-07-16 17:10:27.000000000 +0800
@@ -1,4 +1,5 @@
#include <iostream>
+#include <iomanip>
class Date
{
@@ -10,7 +11,9 @@
void writeTo(std::ostream& os) const
{
- os << year_ << '-' << month_ << '-' << day_;
+ os << year_ << '-'
+ << std::setw(2) << std::setfill('0') << month_ << '-'
+ << std::setw(2) << std::setfill('0') << day_;
}
private:
假如用 stdio，會(huì)簡(jiǎn)短得多，因?yàn)?printf 采用了一種表達(dá)能力較強(qiáng)的小語言來描述輸出格式。
--- 04-01.cc 2011-07-16 17:03:22.000000000 +0800
+++ 04-02.cc 2011-07-16 17:04:21.000000000 +0800
@@ -1,5 +1,5 @@
#include <iostream>
-#include <iomanip>
+#include <stdio.h>
class Date
{
@@ -11,9 +11,9 @@
void writeTo(std::ostream& os) const
{
- os << year_ << '-' << month_ << '-' << day_;
+ char buf[32];
+ snprintf(buf, sizeof buf, "%d-%02d-%02d", year_, month_, day_);
+ os << buf;
}
private:
使用小語言來描述格式還帶來另外一個(gè)好處：外部可配置。
2. 外部可配置性
比方說，我想用一個(gè)外部的配置文件來定義日期的格式。C stdio 很好辦，把格式字符串 "%d-%02d-%02d" 保存到配置里就行。但是 iostream 呢？它的格式是寫死在代碼里的，靈活性大打折扣。
再舉一個(gè)例子，程序的 message 的多語言化。
const char* name = "Shuo Chen";
int age = 29;
printf("My name is %1$s, I am %2$d years old.\n", name, age);
cout << "My name is " << name << ", I am " << age << " years old." << endl;
對(duì)于 stdio，要讓這段程序支持中文的話，把代碼中的"My name is %1$s, I am %2$d years old.\n",
替換為 "我叫%1$s，今年%2$d歲。\n" 即可。也可以把這段提示語做成資源文件，在運(yùn)行時(shí)讀入。而對(duì)于 iostream，恐怕沒有這么方便，因?yàn)榇a是支離破碎的。
C stdio 的格式化字符串體現(xiàn)了重要的“數(shù)據(jù)就是代碼”的思想，這種“數(shù)據(jù)”與“代碼”之間的相互轉(zhuǎn)換是程序靈活性的根源，遠(yuǎn)比 OO 更為靈活。
3. stream 的狀態(tài)
如果我想用 16 進(jìn)制方式輸出一個(gè)整數(shù) x，那么可以用 hex 操控符，但是這會(huì)改變 ostream 的狀態(tài)。比如說
int x = 8888;
cout << hex << showbase << x << endl; // forgot to reset state
cout << 123 << endl;
這這段代碼會(huì)把 123 也按照 16 進(jìn)制方式輸出，這恐怕不是我們想要的。
再舉一個(gè)例子，setprecision() 也會(huì)造成持續(xù)影響：
double d = 123.45;
printf("%8.3f\n", d);
cout << d << endl;
cout << setw(8) << fixed << setprecision(3) << d << endl;
cout << d << endl;
輸出是：
$ ./a.out
123.450
123.45 # default cout format
123.450 # our format
123.450 # side effects
可見代碼中的 setprecision() 影響了后續(xù)輸出的精度。注意 setw() 不會(huì)造成影響，它只對(duì)下一個(gè)輸出有效。
這說明，如果使用 manipulator 來控制格式，需要時(shí)刻小心防止影響了后續(xù)代碼。而使用 C stdio 就沒有這個(gè)問題，它是“上下文無關(guān)的”。
4. 知識(shí)的通用性
在 C 語言之外，有其他很多語言也支持 printf() 風(fēng)格的格式化，例如 Java、Perl、Ruby 等等 (http://en.wikipedia.org/wiki/Printf#Programming_languages_with_printf)。學(xué)會(huì) printf() 的格式化方法，這個(gè)知識(shí)還可以用到其他語言中。但是 C++ iostream 只此一家別無分店，反正都是格式化輸出，stdio 的投資回報(bào)率更高。
基于這點(diǎn)考慮，我認(rèn)為不必深究 iostream 的格式化方法，只需要用好它最基本的類型安全輸出即可。在真的需要格式化的場(chǎng)合，可以考慮 snprintf() 打印到棧上緩沖，再用 ostream 輸出。
5. 線程安全與原子性
iostream 的另外一個(gè)問題是線程安全性。stdio 的函數(shù)是線程安全的，而且 C 語言還提供了 flockfile(3)/funlockfile(3) 之類的函數(shù)來明確控制 FILE* 的加鎖與解鎖。
iostream 在線程安全方面沒有保證，就算單個(gè) operator<< 是線程安全的，也不能保證原子性。因?yàn)?cout << a << b; 是兩次函數(shù)調(diào)用，相當(dāng)于 cout.operator<<(a).operator<<(b)。兩次調(diào)用中間可能會(huì)被打斷進(jìn)行上下文切換，造成輸出內(nèi)容不連續(xù)，插入了其他線程打印的字符。
而 fprintf(stdout, "%s %d", a, b); 是一次函數(shù)調(diào)用，而且是線程安全的，打印的內(nèi)容不會(huì)受其他線程影響。
因此，iostream 并不適合在多線程程序中做 logging。
iostream 的局限
根據(jù)以上分析，我們可以歸納 iostream 的局限：
- 輸入方面，istream 不適合輸入帶格式的數(shù)據(jù)，因?yàn)?#8220;糾錯(cuò)”能力不強(qiáng)，進(jìn)一步的分析請(qǐng)見孟巖寫的《契約思想的一個(gè)反面案例》，孟巖說“復(fù)雜的設(shè)計(jì)必然帶來復(fù)雜的使用規(guī)則，而面對(duì)復(fù)雜的使用規(guī)則，用戶是可以投票的，那就是你做你的，我不用！”可謂鞭辟入里。如果要用 istream，我推薦的做法是用 getline() 讀入一行數(shù)據(jù)，然后用正則表達(dá)式來判斷內(nèi)容正誤，并做分組，然后用 strtod/strtol 之類的函數(shù)做類型轉(zhuǎn)換。這樣似乎更容易寫出健壯的程序。
- 輸出方面，ostream 的格式化輸出非常繁瑣，而且寫死在代碼里，不如 stdio 的小語言那么靈活通用。建議只用作簡(jiǎn)單的無格式輸出。
- log 方面，由于 ostream 沒有辦法在多線程程序中保證一行輸出的完整性，建議不要直接用它來寫 log。如果是簡(jiǎn)單的單線程程序，輸出數(shù)據(jù)量較少的情況下可以酌情使用。當(dāng)然，產(chǎn)品代碼應(yīng)該用成熟的 logging 庫，而不要用其它東西來湊合。
- in-memory 格式化方面，由于 ostringstream 會(huì)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，它不適合性能要求較高的場(chǎng)合。
- 文件 IO 方面，如果用作文本文件的輸入或輸出，(i|o)fstream 有上述的缺點(diǎn)；如果用作二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入輸出，那么自己簡(jiǎn)單封裝一個(gè) File class 似乎更好用，也不必為用不到的功能付出代價(jià)（后文還有具體例子）。ifstream 的一個(gè)用處是在程序啟動(dòng)時(shí)讀入簡(jiǎn)單的文本配置文件。如果配置文件是其他文本格式（XML 或 JSON），那么用相應(yīng)的庫來讀，也用不到 ifstream。
- 性能方面，iostream 沒有兌現(xiàn)“高效性”諾言。iostream 在某些場(chǎng)合比 stdio 快，在某些場(chǎng)合比 stdio 慢，對(duì)于性能要求較高的場(chǎng)合，我們應(yīng)該自己實(shí)現(xiàn)字符串轉(zhuǎn)換（見后文的代碼與測(cè)試）。iostream 性能方面的一個(gè)注腳：在線 ACM/ICPC 判題網(wǎng)站上，如果一個(gè)簡(jiǎn)單的題目發(fā)生超時(shí)錯(cuò)誤，那么把其中 iostream 的輸入輸出換成 stdio，有時(shí)就能過關(guān)。
既然有這么多局限，iostream 在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用就大為受限了，在這上面投入太多的精力實(shí)在不值得。說實(shí)話，我沒有見過哪個(gè) C++ 產(chǎn)品代碼使用 iostream 來作為輸入輸出設(shè)施。 http://google-styleguide.googlecode.com/svn/trunk/cppguide.xml#Streams
iostream 在設(shè)計(jì)方面的缺點(diǎn)
iostream 的設(shè)計(jì)有相當(dāng)多的 WTFs，stackoverflow 有人吐槽說“If you had to judge by today's software engineering standards, would C++'s IOStreams still be considered well-designed?” http://stackoverflow.com/questions/2753060/who-architected-designed-cs-iostreams-and-would-it-still-be-considered-well 。
面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)
iostream 是個(gè)面向?qū)ο蟮?IO 類庫，本節(jié)簡(jiǎn)單介紹它的繼承體系。
對(duì) iostream 略有了解的人會(huì)知道它用了多重繼承和虛擬繼承，簡(jiǎn)單地畫個(gè)類圖如下，是典型的菱形繼承：
如果加深一點(diǎn)了解，會(huì)發(fā)現(xiàn) iostream 現(xiàn)在是模板化的，同時(shí)支持窄字符和寬字符。下圖是現(xiàn)在的繼承體系，同時(shí)畫出了 fstreams 和 stringstreams。圖中方框的第二行是模板的具現(xiàn)化類型，也就是我們代碼里常用的具體類型（通過 typedef 定義）。
這個(gè)繼承體系糅合了面向?qū)ο笈c泛型編程，但可惜它兩方面都不討好。
再進(jìn)一步加深了解，發(fā)現(xiàn)還有一個(gè)平行的 streambuf 繼承體系，fstream 和 stringstream 的不同之處主要就在于它們使用了不同的 streambuf 具體類型。
再把這兩個(gè)繼承體系畫到一幅圖里：
注意到 basic_ios 持有了 streambuf 的指針；而 fstreams 和 stringstreams 則分別包含 filebuf 和 stringbuf 的對(duì)象。看上去有點(diǎn)像 Bridge 模式。
看了這樣巴洛克的設(shè)計(jì)，有沒有人還打算在自己的項(xiàng)目中想通過繼承 iostream 來實(shí)現(xiàn)自己的 stream，以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展么？
面向?qū)ο蠓矫娴脑O(shè)計(jì)缺陷
本節(jié)我們分析一下 iostream 的設(shè)計(jì)違反了哪些 OO 準(zhǔn)則。
我們知道，面向?qū)ο笾械?public 繼承需要滿足 Liskov 替換原則。（見《Effective C++ 第3版》條款32：確保你的 public 繼承模塑出 is-a 關(guān)系。《C++ 編程規(guī)范》條款 37：public 繼承意味可替換性。繼承非為復(fù)用，乃為被復(fù)用。）
在程序里需要用到 ostream 的地方（例如 operator<< ），我傳入 ofstream 或 ostringstream 都應(yīng)該能按預(yù)期工作，這就是 OO 繼承強(qiáng)調(diào)的“可替換性”，派生類的對(duì)象可以替換基類對(duì)象，從而被 operator<< 復(fù)用。
iostream 的繼承體系多次違反了 Liskov 原則，這些地方繼承的目的是為了復(fù)用基類的代碼，下圖中我把違規(guī)的繼承關(guān)系用紅線標(biāo)出。
在現(xiàn)有的繼承體系中，合理的有：
- ifstream is-a istream
- istringstream is-a istream
- ofstream is-a ostream
- ostringstream is-a ostream
- fstream is-a iostream
- stringstream is-a iostream
我認(rèn)為不怎么合理的有：
- ios 繼承 ios_base，有沒有哪種情況下程序代碼期待 ios_base 對(duì)象，但是客戶可以傳入一個(gè) ios 對(duì)象替代之？如果沒有，這里用 public 繼承是不是違反 OO 原則？
- istream 繼承 ios，有沒有哪種情況下程序代碼期待 ios 對(duì)象，但是客戶可以傳入一個(gè) istream 對(duì)象替代之？如果沒有，這里用 public 繼承是不是違反 OO 原則？
- ostream 繼承 ios，有沒有哪種情況下程序代碼期待 ios 對(duì)象，但是客戶可以傳入一個(gè) ostream 對(duì)象替代之？如果沒有，這里用 public 繼承是不是違反 OO 原則？
- iostream 多重繼承 istream 和 ostream。為什么 iostream 要同時(shí)繼承兩個(gè) non-interface class？這是接口繼承還是實(shí)現(xiàn)繼承？是不是可以用組合(composition)來替代？（見《Effective C++ 第3版》條款38：通過組合模塑出 has-a 或“以某物實(shí)現(xiàn)”。《C++ 編程規(guī)范》條款 34：盡可能以組合代替繼承。）
用組合替換繼承之后的體系：
注意到在新的設(shè)計(jì)中，只有真正的 is-a 關(guān)系采用了 public 繼承，其他均以組合來代替，組合關(guān)系以紅線表示。新的設(shè)計(jì)沒有用的虛擬繼承或多重繼承。
其中 iostream 的新實(shí)現(xiàn)值得一提，代碼結(jié)構(gòu)如下：
class istream;
class ostream;
class iostream
{
public:
istream& get_istream();
ostream& get_ostream();
virtual ~iostream();
};
這樣一來，在需要 iostream 對(duì)象表現(xiàn)得像 istream 的地方，調(diào)用 get_istream() 函數(shù)返回一個(gè) istream 的引用；在需要 iostream 對(duì)象表現(xiàn)得像 ostream 的地方，調(diào)用 get_ostream() 函數(shù)返回一個(gè) ostream 的引用。功能不受影響，而且代碼更清晰。（雖然我非常懷疑 iostream 的真正價(jià)值，一個(gè)東西既可讀又可寫，說明是個(gè) sophisticated IO 對(duì)象，為什么還用這么厚的 OO 封裝？）
陽春的 locale
iostream 的故事還不止這些，它還包含一套陽春的 locale/facet 實(shí)現(xiàn)，這套實(shí)踐中沒人用的東西進(jìn)一步增加了 iostream 的復(fù)雜度，而且不可避免地影響其性能。Nathan Myers 正是始作俑者 http://www.cantrip.org/locale.html 。
ostream 自身定義的針對(duì)整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的 operator<< 成員函數(shù)的函數(shù)體是：
bool failed =
use_facet<num_put>(getloc()).put(
ostreambuf_iterator(*this), *this, fill(), val).failed();
它會(huì)轉(zhuǎn)而調(diào)用 num_put::put()，后者會(huì)調(diào)用 num_put::do_put()，而 do_put() 是個(gè)虛函數(shù)，沒辦法 inline。iostream 在性能方面的不足恐怕部分來自于此。這個(gè)虛函數(shù)白白浪費(fèi)了把 template 的實(shí)現(xiàn)放到頭文件應(yīng)得的好處，編譯和運(yùn)行速度都快不起來。
我沒有深入挖掘其中的細(xì)節(jié)，感興趣的同學(xué)可以移步觀看 facet 的繼承體系：http://gcc.gnu.org/onlinedocs/libstdc++/libstdc++-html-USERS-4.4/a00431.html
據(jù)此分析，我不認(rèn)為以 iostream 為基礎(chǔ)的上層程序庫（比方說那些克服 iostream 格式化方面的缺點(diǎn)的庫）有多大的實(shí)用價(jià)值。
臆造抽象
孟巖評(píng)價(jià) “ iostream 最大的缺點(diǎn)是臆造抽象”，我非常贊同他老人家的觀點(diǎn)。
這個(gè)評(píng)價(jià)同樣適用于 Java 那一套疊床架屋的 InputStream/OutputStream/Reader/Writer 繼承體系，.NET 也搞了這么一套繁文縟節(jié)。
乍看之下，用 input stream 表示一個(gè)可以“讀”的數(shù)據(jù)流，用 output stream 表示一個(gè)可以“寫”的數(shù)據(jù)流，屏蔽底層細(xì)節(jié)，面向接口編程，“符合面向?qū)ο笤瓌t”，似乎是一件美妙的事情。但是，真實(shí)的世界要?dú)埧岬枚唷?/p>
IO 是個(gè)極度復(fù)雜的東西，就拿最常見的 memory stream、file stream、socket stream 來說，它們之間的差異極大：
- 是單向 IO 還是雙向 IO。只讀或者只寫？還是既可讀又可寫？
- 順序訪問還是隨機(jī)訪問。可不可以 seek？可不可以退回 n 字節(jié)？
- 文本數(shù)據(jù)還是二進(jìn)制數(shù)據(jù)。格式有誤怎么辦？如何編寫健壯的處理輸入的代碼？
- 有無緩沖。write 500 字節(jié)是否能保證完全寫入？有沒有可能只寫入了 300 字節(jié)？余下 200 字節(jié)怎么辦？
- 是否阻塞。會(huì)不會(huì)返回 EWOULDBLOCK 錯(cuò)誤？
- 有哪些出錯(cuò)的情況。這是最難的，memory stream 幾乎不可能出錯(cuò)，file stream 和 socket stream 的出錯(cuò)情況完全不同。socket stream 可能遇到對(duì)方斷開連接，file stream 可能遇到超出磁盤配額。
根據(jù)以上列舉的初步分析，我不認(rèn)為有辦法設(shè)計(jì)一個(gè)公共的基類把各方面的情況都考慮周全。各種 IO 設(shè)施之間共性太小，差異太大，例外太多。如果硬要用面向?qū)ο髞斫＃愐刺荩ㄖ环殴残裕@個(gè)基類包含的 interface functions 沒多大用），要么太肥（把各種 IO 設(shè)施的特性都包含進(jìn)來，這個(gè)基類包含的 interface functions 很多，但是不是每一個(gè)都能調(diào)用）。
C 語言對(duì)此的解決辦法是用一個(gè) int 表示 IO 對(duì)象（file 或 PIPE 或 socket），然后配以 read()/write()/lseek()/fcntl() 等一系列全局函數(shù)，程序員自己搭配組合。這個(gè)做法我認(rèn)為比面向?qū)ο蟮姆桨敢?jiǎn)潔高效。
iostream 在性能方面沒有比 stdio 高多少，在健壯性方面多半不如 stdio，在靈活性方面受制于本身的復(fù)雜設(shè)計(jì)而難以讓使用者自行擴(kuò)展。目前看起來只適合一些簡(jiǎn)單的要求不高的應(yīng)用，但是又不得不為它的復(fù)雜設(shè)計(jì)付出運(yùn)行時(shí)代價(jià)，總之其定位有點(diǎn)不上不下。
在實(shí)際的項(xiàng)目中，我們可以提煉出一些簡(jiǎn)單高效的 strip-down 版本，在獲得便利性的同時(shí)避免付出不必要的代價(jià)。
一個(gè) 300 行的 memory buffer output stream
我認(rèn)為以 operator<< 來輸出數(shù)據(jù)非常適合 logging，因此寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的 LogStream。代碼不到 300行，完全獨(dú)立于 iostream。
這個(gè) LogStream 做到了類型安全和類型可擴(kuò)展。它不支持定制格式化、不支持 locale/facet、沒有繼承、buffer 也沒有繼承與虛函數(shù)、沒有動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存、buffer 大小固定。簡(jiǎn)單地說，適合 logging 以及簡(jiǎn)單的字符串轉(zhuǎn)換。
LogStream 的接口定義是
class LogStream : boost::noncopyable
{
typedef LogStream self;
public:
typedef detail::FixedBuffer Buffer;
LogStream();
self& operator<<(bool);
self& operator<<(short);
self& operator<<(unsigned short);
self& operator<<(int);
self& operator<<(unsigned int);
self& operator<<(long);
self& operator<<(unsigned long);
self& operator<<(long long);
self& operator<<(unsigned long long);
self& operator<<(const void*);
self& operator<<(float);
self& operator<<(double);
// self& operator<<(long double);
self& operator<<(char);
// self& operator<<(signed char);
// self& operator<<(unsigned char);
self& operator<<(const char*);
self& operator<<(const string&);
const Buffer& buffer() const { return buffer_; }
void resetBuffer() { buffer_.reset(); }
private:
Buffer buffer_;
};
LogStream 本身不是線程安全的，它不適合做全局對(duì)象。正確的使用方式是每條 log 消息構(gòu)造一個(gè) LogStream，用完就扔。LogStream 的成本極低，這么做不會(huì)有什么性能損失。
目前這個(gè) logging 庫還在開發(fā)之中，只完成了 LogStream 這一部分。將來可能改用動(dòng)態(tài)分配的 buffer，這樣方便在線程之間傳遞數(shù)據(jù)。
整數(shù)到字符串的高效轉(zhuǎn)換
muduo::LogStream 的整數(shù)轉(zhuǎn)換是自己寫的，用的是 Matthew Wilson 的算法，見 http://blog.csdn.net/solstice/article/details/5139302 。這個(gè)算法比 stdio 和 iostream 都要快。
浮點(diǎn)數(shù)到字符串的高效轉(zhuǎn)換
目前 muduo::LogStream 的浮點(diǎn)數(shù)格式化采用的是 snprintf() 所以從性能上與 stdio 持平，比 ostream 快一些。
浮點(diǎn)數(shù)到字符串的轉(zhuǎn)換是個(gè)復(fù)雜的話題，這個(gè)領(lǐng)域 20 年以來沒有什么進(jìn)展（目前的實(shí)現(xiàn)大都基于 David M. Gay 在 1990 年的工作《Correctly Rounded Binary-Decimal and Decimal-Binary Conversions》，代碼 http://netlib.org/fp/），直到 2010 年才有突破。
Florian Loitsch 發(fā)明了新的更快的算法 Grisu3，他的論文《Printing floating-point numbers quickly and accurately with integers》發(fā)表在 PLDI 2010，代碼見 Google V8 引擎，還有這里 http://code.google.com/p/double-conversion/ 。有興趣的同學(xué)可以閱讀這篇博客 http://www.serpentine.com/blog/2011/06/29/here-be-dragons-advances-in-problems-you-didnt-even-know-you-had/ 。
將來 muduo::LogStream 可能會(huì)改用 Grisu3 算法實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換。
性能對(duì)比
由于 muduo::LogStream 拋掉了很多負(fù)擔(dān)，可以預(yù)見它的性能好于 ostringstream 和 stdio。我做了一個(gè)簡(jiǎn)單的性能測(cè)試，結(jié)果如下。
從上表看出，ostreamstream 有時(shí)候比 snprintf 快，有時(shí)候比它慢，muduo::LogStream 比它們兩個(gè)都快得多（double 類型除外）。
泛型編程
其他程序庫如何使用 LogStream 作為輸出呢？辦法很簡(jiǎn)單，用模板。
前面我們定義了 Date class 針對(duì) std::ostream 的 operator<<，只要稍作修改就能同時(shí)適用于 std::ostream 和 LogStream。而且 Date 的頭文件不再需要 include <ostream>，降低了耦合。
class Date
{
public:
Date(int year, int month, int day)
: year_(year), month_(month), day_(day)
{
}
- void writeTo(std::ostream& os) const
+ template<typename OStream>
+ void writeTo(OStream& os) const
{
char buf[32];
snprintf(buf, sizeof buf, "%d-%02d-%02d", year_, month_, day_);
os << buf;
}
private:
int year_, month_, day_;
};
-std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Date& date)
+template<typename OStream>
+OStream& operator<<(OStream& os, const Date& date)
{
date.writeTo(os);
return os;
}
現(xiàn)實(shí)的 C++ 程序如何做文件 IO
舉兩個(gè)例子， Kyoto Cabinet 和 Google leveldb。
Google leveldb
Google leveldb 是一個(gè)高效的持久化 key-value db。
它定義了三個(gè)精簡(jiǎn)的 interface：
接口函數(shù)如下
struct Slice {
const char* data_;
size_t size_;
};
// A file abstraction for reading sequentially through a file
class SequentialFile {
public:
SequentialFile() { }
virtual ~SequentialFile();
virtual Status Read(size_t n, Slice* result, char* scratch) = 0;
virtual Status Skip(uint64_t n) = 0;
};
// A file abstraction for randomly reading the contents of a file.
class RandomAccessFile {
public:
RandomAccessFile() { }
virtual ~RandomAccessFile();
virtual Status Read(uint64_t offset, size_t n, Slice* result,
char* scratch) const = 0;
};
// A file abstraction for sequential writing. The implementation
// must provide buffering since callers may append small fragments
// at a time to the file.
class WritableFile {
public:
WritableFile() { }
virtual ~WritableFile();
virtual Status Append(const Slice& data) = 0;
virtual Status Close() = 0;
virtual Status Flush() = 0;
virtual Status Sync() = 0;
};
leveldb 明確區(qū)分 input 和 output，進(jìn)一步它又把 input 分為 sequential 和 random access，然后提煉出了三個(gè)簡(jiǎn)單的接口，每個(gè)接口只有屈指可數(shù)的幾個(gè)函數(shù)。這幾個(gè)接口在各個(gè)平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)也非常簡(jiǎn)單明了（http://code.google.com/p/leveldb/source/browse/trunk/util/env_posix.cc#35 http://code.google.com/p/leveldb/source/browse/trunk/util/env_chromium.cc#176），一看就懂。
注意這三個(gè)接口使用了虛函數(shù)，我認(rèn)為這是正當(dāng)?shù)模驗(yàn)橐淮?IO 往往伴隨著 context switch，虛函數(shù)的開銷比起 context switch 來可以忽略不計(jì)。相反，iostream 每次 operator<<() 就調(diào)用虛函數(shù)，我認(rèn)為不太明智。
Kyoto Cabinet
Kyoto Cabinet 也是一個(gè) key-value db，是前幾年流行的 Tokyo Cabinet 的升級(jí)版。它采用了與 leveldb 不同的文件抽象。
KC 定義了一個(gè) File class，同時(shí)包含了讀寫操作，這是個(gè) fat interface。http://fallabs.com/kyotocabinet/api/classkyotocabinet_1_1File.html
在具體實(shí)現(xiàn)方面，它沒有使用虛函數(shù)，而是采用 #ifdef 來區(qū)分不同的平臺(tái)（見 http://code.google.com/p/read-taobao-code/source/browse/trunk/tair/src/storage/kdb/kyotocabinet/kcfile.cc），等于把兩份獨(dú)立的代碼寫到了同一個(gè)文件里邊。
相比之下，Google leveldb 的做法更高明一些。
小結(jié)
在 C++ 項(xiàng)目里邊自己寫個(gè) File class，把項(xiàng)目用到的文件 IO 功能簡(jiǎn)單封裝一下（以 RAII 手法封裝 FILE* 或者 file descriptor 都可以，視情況而定），通常就能滿足需要。記得把拷貝構(gòu)造和賦值操作符禁用，在析構(gòu)函數(shù)里釋放資源，避免泄露內(nèi)部的 handle，這樣就能自動(dòng)避免很多 C 語言文件操作的常見錯(cuò)誤。
如果要用 stream 方式做 logging，可以拋開繁重的 iostream 自己寫一個(gè)簡(jiǎn)單的 LogStream，重載幾個(gè) operator<<，用起來一樣方便；而且可以用 stack buffer，輕松做到線程安全。