Организация С#-системы ввода-вывода

С#-программы выполняют операции ввода-вывода посредством потоков, которые построены на иерархии классов. Поток (stream) — это абстракция, которая генерирует и принимает данные. С помощью потока можно читать данные из различных источников (клавиатура, файл) и записывать в различные источники (принтер, экран, файл). Несмотря на то, что потоки связываются с различными физическими устройствами, характер поведения всех потоков одинаков. Поэтому классы и методы ввода-вывода можно применить ко многим типам устройств.

На самом низком уровне иерархии потоков ввода-вывода находятся потоки, оперирующие байтами. Это объясняется тем, что многие устройства при выполнении операций ввода-вывода ориентированы на байты. Однако для человека привычнее оперировать символами, поэтому разработаны символьные потоки, которые фактически представляют собой оболочки, выполняющие преобразование байтовых потоков в символьные и наоборот. Кроме этого, реализованы потоки для работы с int-, double-, short- значениями, которые также представляют оболочку для байтовых потоков, но работают не с самими значениями, а с их внутренним представлением в виде двоичных кодов.

Центральную часть потоковой С#-системы занимает класс Stream пространства имен System.IO. Класс Stream представляет байтовый поток и является базовым для всех остальных потоковых классов. Из класса Stream выведены такие байтовые классы потоков как:

6) FileStream - байтовый поток, разработанный для файлового ввода-вывода

7) BufferedStream - заключает в оболочку байтовый поток и добавляет буферизацию, которая во многих случаях увеличивает производительность программы;

8) MemoryStream - байтовый поток, который использует память для хранения данных.

Программист может вывести собственные потоковые классы. Однако для подавляющего большинства приложений достаточно встроенных потоков.

Подробно мы рассмотрим класс FileStream, классы StreamWriter и StreamReader, представляющие собой оболочки для класса FileStream и позволяющие преобразовывать байтовые потоки в символьные, а также классы BinaryWriter и BinaryReader, представляющие собой оболочки для класса FileStream и позволяющие преобразовывать байтовые потоки в двоичные для работы с int-, double-, short- и т.д. значениями.

Байтовый поток

Чтобы создать байтовый поток, связанный с файлом, создается объект класса FileStream. При этом в классе определено несколько конструкторов. Чаще всего используется конструктор, который открывает поток для чтения и/или записи:

FileStream(string filename, FileMode mode)

где:

9) параметр filename определяет имя файла, с которым будет связан поток ввода-вывода данных; при этом filename определяет либо полный путь к файлу, либо имя файла, который находится в папке bin/debug вашего проекта.

10) параметр mode определяет режим открытия файла, который может принимать одно из возможных значений, определенных перечислением FileMode:

· FileMode.Append - предназначен для добавления данных в конец файла;

· FileMode.Create – предназначен для создания нового файла, при этом если существует файл с таким же именем, то он будет предварительно удален;

· FileMode.CreateNew - предназначен для создания нового файла, при этом файл с таким же именем не должен существовать;

· FileMоde.Open - предназначен для открытия существующего файла;

· FileMode.ОpenOrCreate - если файл существует, то открывает его, в противном случае создает новый

· FileMode.Truncate - открывает существующий файл, но усекает его длину до нуля

Если попытка открыть файл оказалась неуспешной, то генерируется одно из исключений: FileNotFoundException - файл невозможно открыть по причине его отсутствия, IOException - файл невозможно открыть из-за ошибки ввода-вывода, ArgumentNullException - имя файла представляет собой null-значение, ArgumentException - некорректен параметр mode, SecurityException - пользователь не обладает правами доступа, DirectoryNotFoundException - некорректно задан каталог.

Другая версия конструктора позволяет ограничить доступ только чтением или только записью:

FileStream(string filename, FileMode mode, FileAccess how)

где:

8. параметры filename и mode имеют то же назначение, что и в предыдущей версии конструктора;

9. параметр how, определяет способ доступа к файлу и может принимать одно из значений, определенных перечислением FileAccess:

5) FileAccess.Read – только чтение;

6) FileAccess.Write – только запись;

7) FileAccess.ReadWrite - и чтение, и запись.

После установления связи байтового потока с физическим файлом внутренний указатель потока устанавливается на начальный байт файла.

Для чтения очередного байта из потока, связанного с физическим файлом, используется метод ReadByte(). После прочтения очередного байта внутренний указатель перемещается на следующий байт файла. Если достинут конец файла, то метод ReadByte() возвращает значение -1.

Для побайтовой записи данных в поток используется метод WriteByte().

По завершении работы с файлом его необходимо закрыть. Для этого достаточно вызвать метод Close (). При закрытии файла освобождаются системные ресурсы, ранее выделенные для этого файла, что дает возможность использовать их для работы с другими файлами.

Рассмотрим пример использования класса FileStream, для копирования одного файла в другой. Но вначале создадим текстовый файл text.txt в папке bin/debug текущего проекта. И внесем в него произвольную информацию, например:

12 456

Hello!

23,67 4: Message

using System;

using System.Text;

using System.IO; //для работы с потоками

namespace MyProgram

{

class Program

{

static void Main()

{

try

{

FileStream fileIn = new FileStream("text.txt", FileMode.Open, FileAccess.Read);

FileStream fileOut = new FileStream("newText.txt", FileMode.Create, FileAccess.Write);

int i;

while ((i = fileIn.ReadByte())!=-1)

{

//запись очередного файла в поток, связанный с файлом fIleOut

fileOut.WriteByte((byte)i);

}

fileIn.Close();

fileOut.Close();

}

catch (Exception EX)

{

Console.WriteLine(EX.Message);

}

Задание. Подумайте, почему для переменной i указан тип int. Можно было бы указать тип byte?

Символьный поток

Чтобы создать символьный поток нужно поместить объект класса Stream (например, FileStream) «внутрь» объекта класса StreamWriter или объекта класса StreamReader. В этом случае байтовый поток будет автоматически преобразовываться в символьный.

Классе StreamWriter предназначен для организации выходного символьного потока. В нем определено несколько конструкторов. Один из них записывается следующим образом:

StreamWriter(Stream stream);

где параметр stream определяет имя уже открытого байтового потока.

Например, создать экземпляр класса StreamWriter можно следующим образом:

StreamWriter fileOut=new StreamWriter(new FileStream("text.txt", FileMode.Create, FileAccess.Write));

Этот конструктор генерирует исключение типа ArgumentException, если поток stream не открыт для вывода, и исключение типа ArgumentNullException, если он (поток) имеет null-значение.

Другой вид конструктора позволяет открыть поток сразу через обращения к файлу:

StreamWriter(string name);

где параметр name определяет имя открываемого файла.

Например, обратиться к данному конструктору можно следующим образом:

StreamWriter fileOut=new StreamWriter("c:\temp\t.txt");

И еще один вариант конструктора StreamWriter:

StreamWriter(string name, bool appendFlag);

где параметр name определяет имя открываемого файла;

параметр appendFlag может принимать значение true – если нужно добавлять данные в конец файла, или false – если файл необходимо перезаписать.

Например:

StreamWriter fileOut=new StreamWriter("t.txt", true);

Теперь для записи данных в поток fileOut можно обратиться к методу WriteLine. Это можно сделать следующим образом:

fileOut.WriteLine("test");

В данном случае в конец файла t.txt будет дописано слово test.

Класс StreamReader предназначен для организации входного символьного потока. Один из его конструкторов выглядит следующим образом:

StreamReader(Stream stream);

где параметр stream определяет имя уже открытого байтового потока.

Этот конструктор генерирует исключение типа ArgumentException, если поток stream не открыт для ввода.

Например, создать экземпляр класса StreamWriter можно следующим образом:

StreamReader fileIn = new StreamReader(new FileStream("text.txt", FileMode.Open, FileAccess.Read));

Как и в случае с классом StreamWriter у класса StreamReader есть и другой вид конструктора, который позволяет открыть файл напрямую:

StreamReader (string name);

где параметр name определяет имя открываемого файла.

Обратиться к данному конструктору можно следующим образом:

StreamReader fileIn=new StreamReader ("c:\temp\t.txt");

В C# символы реализуются кодировкой Unicode. Для того, чтобы можно было обрабатывать текстовые файлы, содержащие русский символы, созданные, например, в Блокноте, рекомендуется вызывать следующий вид конструктора StreamReader:

StreamReader fileIn=new StreamReader ("c:\temp\t.txt", Encoding.GetEncoding(1251));

Параметр Encoding.GetEncoding(1251) говорит о том, что будет выполняться преобразование из кода Windows-1251 (одна из модификаций кода ASCII, содержащая русские символы) в Unicode. Encoding.GetEncoding(1251) реализован в пространстве имен System.Text.

Теперь для чтения данных из потока fileIn можно воспользоваться методом ReadLine. При этом если будет достигнут конец файла, то метод ReadLine вернет значение null.

Рассмотрим пример, в котором данные из одного файла копируются в другой, но уже с использованием классов StreamWriter и StreamReader.

static void Main()

{

StreamReader fileIn = new StreamReader("text.txt", Encoding.GetEncoding(1251));

StreamWriter fileOut=new StreamWriter("newText.txt", false);

string line;

while ((line=fileIn.ReadLine())!=null) //пока поток не пуст

{

fileOut.WriteLine(line);

}

fileIn.Close();

fileOut.Close();

}

Задание. Выясните, для чего предназначен метод ReadToEnd() и когда имеется смысл его применять.

Таким образом, данный способ копирования одного файла в другой, даст нам тот же результат, что и при использовании байтовых потоков. Однако, его работа будет менее эффективной, т.к. будет тратиться дополнительное время на преобразование байтов в символы. Но у символьных потоков есть свои преимущества. Например, мы можем использовать регулярные выражения для поиска заданных фрагментов текста в файле.

static void Main()

{

StreamReader fileIn = new StreamReader("text.txt");

StreamWriter fileOut=new StreamWriter("newText.txt", false);

string text=fileIn.ReadToEnd();

Regex r= new Regex(@"[-+]?\d+");

Match integer = r.Match(text);

while (integer.Success)

{

fileOut.WriteLine(integer);

integer = integer.NextMatch();

}

fileIn.Close();

fileOut.Close();

}

Двоичные потоки

Двоичные файлы хранят данные в том же виде, в котором они представлены в оперативной памяти, то есть во внутреннем представлении. Двоичные файлы не применяются для просмотра человеком, они используются только для программной обработки.

Выходной поток BinaryWriter поддерживает произвольный доступ, т.е. имеется возможность выполнять запись в произвольную позицию двоичного файла. Наиболее важные методы потока BinaryWriter:

Член класса	Описание
BaseStream	Определяет базовый поток, с которым работает объект BinaryWriter
Close	Закрывает поток
Flush	Очищает буфер
Seek	Устанавливает позицию в текущем потоке
Write	Записывает значение в текущий поток

Наиболее важные методы выходного потока BinaryReader:

Член класса	Описание
BaseStream	Определяет базовый поток, с которым работает объект BinaryReader
Close	Закрывает поток
PeekChar	Возвращает следующий символ потока без перемещения внутреннего указателя в потоке
Read	Считывает очередной поток байтов или символов и сохраняет в массиве, передаваемом во входном параметре
ReadBoolean, ReadByte, ReadInt32 и т.д	Считывает из потока данные определенного типа

Двоичный поток открывается на основе базового протока (например, FileStream), при этом двоичный поток будет преобразовывать байтовый поток в значения int-, double-, short- и т.д.

Рассмотрим пример формирования двоичного файла:

static void Main()

{

//открываем двоичный поток

BinaryWriter fOut=new BinaryWriter(new FileStream("t.dat",FileMode.Create));

//записываем данные в двоичный поток

for (int i=0; i<=100; i+=2)

{

fOut.Write(i);

}

fOut.Close(); //закрываем двоичный поток

}

Попытка просмотреть двоичный файл через текстовый редактор неинформативна. Двоичный файл просматривается программным путем, например следующим образом:

static void Main()

{

FileStream f=new FileStream("t.dat",FileMode.Open);

BinaryReader fIn=new BinaryReader(f);

long n=f.Length/4; //определяем количество чисел в двоичном потоке

int a;

for (int i=0; i<n; i++)

{

a=fIn.ReadInt32();

Console.Write(a+" ");

}

fIn.Close();

f.Close();

}

Двоичные файлы являются файлами с произвольным доступом, при этом нумерация элементов в двоичном файле ведется с нуля. Произвольный доступ обеспечивает метод Seek. Рассмотрим его синтаксис:

Seek(long newPos, SeekOrigin pos)

где параметр newPos определяет новую позицию внутреннего указателя файла в байтах относительно исходной позиции указателя, которая определяется параметром pos. В свою очередь параметр pos должен быть задан одним из значений перечисления SeekOrigin:

Значение	Описание
SeekOrigin.Begin	Поиск от начала файла
SeekOrigin.Current	Поиск от текущей позиции указателя
SeekOrigin.End	Поиск от конца файла

После вызова метода Seek следующие операции чтения или записи будут выполняться с новой позиции внутреннего указателя файла.

Рассмотрим пример организации произвольного доступа к двоичному файлу (на примере файла t.dat):

static void Main()

{

//изменение данных в двоичном потоке

FileStream f=new FileStream("t.dat",FileMode.Open);

BinaryWriter fOut=new BinaryWriter(f);

long n=f.Length; //определяем количество байт в байтовом потоке

int a;

for (int i=0; i<n; i+=8) //сдвиг на две позиции, т.к. тип int занимает 4 байта

{

fOut.Seek(i,SeekOrigin.Begin);

fOut.Write(0);

}

fOut.Close();

//чтение данных из двоичного потока

f=new FileStream("t.dat",FileMode.Open);

BinaryReader fIn=new BinaryReader(f);

n=f.Length/4; //определяем количество чисел в двоичном потоке

for (int i=0; i<n; i++)

{

a=fIn.ReadInt32();

Console.Write(a+" ");

}

fIn.Close();

f.Close();

}

Поток BinaryReader не имеет метода Seek, однако используя возможности потока FileStream можно организовать произвольный доступ при чтении двоичных файлов. Рассмотрим следующий пример:

static void Main()

{

//Записываем в файл t.dat целые числа от 0 до 100

FileStream f=new FileStream("t.dat",FileMode.Open);

BinaryWriter fOut=new BinaryWriter(f);

for (int i=0; i<100; ++i)

{

fOut.Write(i);;

}

fOut.Close();

//Объекты f и fIn связаны с одним и тем же файлом

f=new FileStream("t.dat",FileMode.Open);