Кирютенко Ю.А., Савельев В.А. Объектно-ориентированное программирование. Язык Smalltalk

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 8

ПОТОКИ И ФАЙЛЫ

C потоками мы уже встречались, когда обращались к файлам на диске и

использовали экземпляры класса FileStream. Система Смолток поддержива-

ет много различных потоков, которые используются для доступа к файлам,

внешним устройствам и внутренним объектам как к последовательности

объектов. Причем поток позволяет нам как использовать последователь-

ность, так и создавать ее. В отличие от наборов, поток не поддержива-

ет ни непосредственное обращение к конкретному элементу с некоторой

характеристикой (at:, last, first), ни работу сразу со всем набором. Поток

предоставляет доступ одновременно только к одному (текущему) элемен-

ту последовательности, следующее обращение к потоку сделает текущим

уже другой элемент последовательности. Поток некоторым образом сам

«помнит», какой элемент был использован по следним. Это запоминаемое

потоком положение называется указателем позиции (или просто указате-

лем). Мы будем использовать выражение «поток над набором», понимая

под этим доступность элементов набора через указатель позиции, произ-

водя при этом чтение или запись элемента (одного за одно обращение), и,

возможно, смешивая эти операции. Создавая несколько потоков над одним

и тем же набором, можно поддерживать несколько указателей.

Основные потоки представлены в системе Smalltalk Express экземпля-

рами классов из иерархии класса Stream.

Stream Поток

ReadStream ПотокЧтения

WriteStream ПотокЗаписи

ReadWriteStream ПотокЧтенияЗаписи

FileStream ФайловыйПоток

Есть разные способы поддержки указателя. Наиболее распространен-

ный подход использует в качестве указателя целочисленный индекс, кото-

рый увеличивается каждый раз, когда поток обращается к элементу. Такой

подход может применяться и для любого индексированного набора, и для

внешних файловых потоков.

Второй способ получить доступ к последовательности однородных эле-

ментов состоит в том, чтобы использовать для образования новых объек-

тов некий итератор (или генератор), который будет находить (или, соот-

ветственно, создавать) следующий элемент набора. Таким образом, мож-

но, например, создавать потоки над наборами, не являющимися после-

8.1. Протокол класса Stream 141

довательностями (например, графами). Примером такого потока является

класс Random, генерирующий последовательность псевдослучайных чисел,

который мы рассмотрим в конце главы.

8.1. Протокол класса Stream

Класс Stream является абстрактным классом и определяет общий про-

токол потока. Экземпляры классов из потоковой иерархии создаются при

посылке классу сообщения on: aCollection, в котором аргумент aCollecti-

on определяет набор доступных создаваемому потоку элементов. Обрати-

те внимание, что поток не может создаваться по сылкой классу сообщения

new, потому что поток должен быть проинформирован о том, какой набор

ему доступен и каков начальный указатель позиции.

Класс Stream — первый встретившийся нам класс, в котором определен

общий пул, в данном случае это пул с именем CharacterConstants, содержа-

щий часто используемые символьные константы, такие как Space — пробел,

Lf — перевод строки, Tab — табуляция и т.д.

Протокол класса Stream включает общие сообщения для чтения элемен-

тов из потока, записи элементов в поток, а также сообщения для работы

с указателем позиции. Но не все потоки поддерживают операции чтения

и записи одновременно. Класс ReadStream определяет потоки только для

чтения и сообщение next, а класс WriteStream — только для записи и сооб-

щение nextPut: anObject. Поэтому сообщения для чтения нельзя посылать

экземплярам класса WriteStream (но можно посылать экземплярам тех его

подклассов, которые его определяют сами), а сообщения для записи нельзя

посылать экземплярам класс а ReadStream. Укажем здесь только основные

сообщения для чтения и записи.

Класс Stream Протокол экземпляра

next Читает следующий доступный элемент из получателя, т.е. возвращает следу-

ющий доступный элемент и продвигает указатель позиции вперед на один

элемент; сообщает об ошибке, если указатель стоит в конце получателя.

next: anInteger Читает следующие anInteger доступных элементов из получателя и

возвращает их в наборе (обычно это набор того же самого класса, что и тот,

над которым определен поток).

nextMatchFor: anObject Читает следующий доступный элемент из потока и возвра-

щает результат сравнения его с anObject (true или false).

peek Возвращает следующий доступный элемент потока (как и сообщение next),

но не продвигает указатель позиции («подсматривает» следующий элемент);

возвращает nil, если указатель в конце потока.

142 Глава 8. Потоки и файлы

peekFor: anObject «Подсматривает» следующий элемент потока (как сообщение

peek), при этом, если этот элемент равен anObject, то продвигает указатель на

следующую позицию и возвращает true, иначе возвращает false и не меняет

указатель.

upTo: anObject Возвращает набор элементов, доступных получателю, начиная от

следующего доступного элемента и до элемента anObject, не включая его

(если anObject отсутствует в наборе, то — до конца набора); устанавливает

указатель позиции за элемент anObject.

nextPut: anObject Сохраняет аргумент anObject, как следующий элемент получа-

теля, и продвигает указатель за anObject; возвращает anObject.

nextPutAll: aCollection Сохраняет элементы из аргумента aCollection, как следую-

щие элементы получателя; возвращает aCollection.

next: anInteger put: anObject Сохраняет аргумент anObject, как следующий эле-

мент получателя anInteger раз; возвращает anObject.

Чтобы определить, возможен ли доступ к потоку, каково состояние по-

тока и его переменных, протокол класса Stream определяет сообщения до-

ступа и проверки состояния.

Класс Stream Протокол экземпляра

atEnd Сообщает, имеет ли получатель доступ к какому-либо элементу.

isEmpty Возвращает true, если набор, доступный получателю, не имеет элементов,

иначе возвращает false.

contents Возвращает все элементы из набора, доступного получателю, в виде на-

бора, аналогичного тому, над которым струится поток.

do: aBlock Вычисляет блок aBlock для каждого доступного элемента получателя от

текущей позиции и до конца потока.

Реализация сообщения do: основывается на сообщениях atEnd и next.

do: aBlock

[self atEnd] whileFalse: [aBlock value: self next].

Поэтому do: нельзя посылать экземплярам класса WriteStream.

Так как экземпляру класса Stream «изве стно», как хранится указатель

позиции, класс поддерживает сообщения для работы с ним. Но все сообще-

ния из этого протокола, кроме первого, возвращают не значение перемен-

ной position, а сам поток.

Класс Stream Протокол экземпляра

position Возвращает текущий указатель позиции потока.

position: anInteger Устанавливает указатель на позицию, равную anInteger; если ар-

гумент выходит за допустимые границы, сообщает об ошибке.

reset Устанавливает указатель в начало потока.

8.1. Протокол класса Stream 143

setToEnd Устанавливает указатель в конец потока.

skip: anInteger Устанавливает указатель позиции потока в позицию, равную сумме

текущей позиции и аргумента anInteger, но так, чтобы оставаться в допусти-

мых границах.

skipTo: anObject Устанавливает указатель позиции потока на следующий за anOb-

ject элемент и возвращает true; если такого элемента нет, возвращает false и

устанавливает указатель в конец потока.

Рассмотрим пример, в котором проиллюстрируем позиционирование и

протокол чтения, используя экземпляр класса ReadStream, определение ко-

торого не добавляет в структуру экземпляра ничего нового по сравнению с

суперклассом, но впервые определяет сообщение next, нереализованное в

классе Stream, а также некоторые другие частные сообщения, необходимые

для корректного создания нового экземпляра.

Colors := ReadStream on:

#(red blue green yellow pink cyan magenta brown).

Тогда

Colors position → 0

Colors next → red

Colors next: 3 → (blue green yellow)

Colors peek → pink

Colors peekFor: #blue → false

Colors upTo: #magenta → (pink cyan)

Colors skip: -4 → aReadStream

Colors position → 3

Colors skipTo: #pink → true

Colors upTo: #red → (cyan magenta brown)

Colors atEnd → true

8.1.1. Особенности класса WriteStream

Подкласс WriteStream, как следует из его имени, предоставляет доступ

к потоку только для записи.

Именно в этом классе переопределяется основное сообщение для запи-

си nextPut:, используемое системой Смолток в методах печати и сохране-

ния любого объекта. Напомним, что каждый объект в системе может от-

вечать на сообщения printString, printOn: aStream и storeString, storeOn:

aStream из протокола класса Object. Методы, реализующие эти сообщения,

состоят из по следовательности сообщений к аргументу, который является

экземпляром класса WriteStream.

144 Глава 8. Потоки и файлы

Следующие сообщения поддерживаются классом WriteStream для то-

го, чтобы позволить использовать краткие выражения для разделителей в

потоках над строками.

Класс WriteStream Протокол экземпляра

cr Сохраняет символы Cr — возврат каретки (carriage return) и Lf — перевод строки

(line feed) как следующие два элемента потока.

space Сохраняет символ пробела как следующий элемент потока.

tab Сохраняет символ табуляции как следующий элемент потока.

Класс ReadWriteStream — подкласс WriteStream, экземпляры которого

поддерживают протоколы и класса ReadStream, и класса WriteStream, по-

этому в доступный такому потоку набор можно как записывать, так и чи-

тать информацию. Все методы для записи информации в поток этот класс

наследует из класса WriteStream, а все методы чтения приходится опре-

делять заново. Это недостаток одиночного наследования, используемого в

смолтоковских системах.

8.2. Особенности класса FileStream

Класс FileStream — подкласс класса ReadWriteStream — обеспечивает

интерфейс высокого уровня с файловой системой

. Все обращения к внеш-

ним файлам выполняются через экземпляр класса FileStream, используя

объект класса File (Файл). Класс Directory (Каталог) обеспечивает доступ к

дискам и каталогам.

Файловые потоки допускают использование всех ранее описанных со-

общений из протокола потоков. Наиболее эффективный способ считывания

информации из файлового потока — посылка ему сообщения next; а записи

в файловый поток — посылка сообщения nextPutAll:, которые, как и неко-

торые другие сообщения, переопределяются классом FileStream. Большая

часть обращений к файлам происходит на уровне, обеспеченном протоко-

лом потоков.

Файловые потоки создаются путем посылки сообщения pathName: клас-

су File, в котором частично или полностью задается путь доступа к файлу:

В других реализациях иерархия потоковых классов для работы с внешними

объектами будет другой. Другими будут и классы для работы с файлами. Причина

отличий в том, что система Smalltalk Express предназначена для работы только в

очень похожих Windows и OS/2.

8.2. Особенности класса FileStream 145

File pathName: ’c:\smalltalk\chapter.1’

File pathName: ’chapter.1’

В первом выражении задано полное имя файла. Во втором выражении

имя определено не полностью. В таких случаях недостающие части пути

к файлу извлекаются из глобальной переменной Disk, хранящей экземпляр

класса Directory. Эта переменная представляет тот каталог, из которого был

запущен Смолток (в данном случае предполагается, что переменная Disk

содержит каталог ’c:\smalltalk\’). Посылка классу File сообщения pathNa-

me: всегда открывает файл для записи и чтения. Чтобы открывать файл

только для чтения, используется сообщение pathNameReadOnly:.

Другим способом создания файлового потока является посылка суще-

ствующему экземпляру класса Directory сообщения, задающего имя кон-

кретного файла в каталоге. В следующих примерах файловый поток созда-

ется сообщением, посылаемым объекту Disk:

Disk file: ’chapter.1’. Disk newFile: ’jink.fil’

В таких выражениях аргументом может быть только имя файла. Путь к

файлу не указывается, поскольку сообщение посылается каталогу, в кото-

ром и будет располагаться файл. Оба сообщения создают файл в каталоге,

если он не существовал ранее. Различие между сообщениями file: и newFile:

заключается в том, что при использовании второго сообщения всегда созда-

ется новый файл, удаляя, если необходимо, ранее существовавший файл с

тем же именем.

При изменении содержимого файлового потока немедленного обновле-

ния информации в файле на диске не происходит. Для принудительного

сохранения информации существуют два сообщения, посылаемые файло-

вым потокам: close и flush. Различие между этими сообщениями заклю-

чается в том, что сообщение close после записи на диск всех изменений,

сделанных в потоке, закрывает файл, делая невозможным дальнейший до-

ступ к нему. Сообщение flush заставляет систему действительно выполнить

все операции записи, обновляя файл на диске, но файловый поток остается

доступным для дальнейшей работы.

8.2.1. Краткий обзор классов поддержки

Приведем краткий обзор классов, используемых для работы с файлами.

Класс Directory

Класс Directory представляет каталоги файловой системы. C глобальной

переменной системы Disk, содержащей тот каталог, из которого запускается

система Smalltalk Express, мы уже познакомились. С помощью выражений,

146 Глава 8. Потоки и файлы

подобных приведенным ниже, можно создавать произвольные объекты-

каталоги: SampleDir := Directory new drive: $a; pathName: ’\dirname’.

Необходимо отметить, что создание объекта, представляющего каталог,

не означает создания каталога на диске. Для создания реального каталога

на диске такому объекту необходимо послать сообщение create. Например,

SampleDir create. Экземплярам класса Directory можно посылать сообще-

ния, возвращающие все подкаталоги данного каталога (subdirectories), все

файлы в каталоге (filesNamed: ’*.*’), а также сообщения, создающие новый

файл в ката логе, новый подкаталог и т.д.

Класс File

Класс File представляет в Смолтоке дисковые файлы (то есть именован-

ные наборы данных на диске) и обеспечивает работу с ними.

Следующие методы класса позволяют управлять файловой системой.

Класс File Протокол класса

copy: oldFile to: newFile Копирует файл с именем oldFile в файл с именем newFile.

open: aString in: aDirectory Возвращает экземпляр класса File, открытый на файле

с именем aString в каталоге aDirectory.

pathName: aString Возвращает файловый поток, связанный с файлом, задаваемым

аргументом aString.

pathName: aString in: aDirectory Возвращает файловый поток, связанный с фай-

лом, задаваемым аргументами сообщения.

remove: aString Удаляет (стирает) файл с именем aString.

rename: oldString to: newString Файл с именем oldString переименовывает в new-

String.

Много полезных сообщений класса File содержит протокол экземпляра.

Вот только некоторые из них.

Класс File Протокол экземпляра

close Закрывает файл.

directory Возвращает ст року с именем каталога, содержащего файл.

name Возвращает ст року, содержащую имя файла.

open Открывает файл.

getDate Возвращает массив, содержащий время и дату файла.

size Возвращает размер файла в байтах.

8.3. Потоки генерируемых элементов 147

Класс ObjectFiler

Для сохранения объекта и последующего восстановления сохраненно-

го объекта система Smalltalk Express предоставляет специальный механизм,

связанный с классом ObjectFiler (ХранительОбъекта). Этот класс, в част-

ности, позволяет:

• создать или переписать конкретный файл с именем aPathName, храня-

щий объект anObject, выполняя выражение вида

ObjectFiler dump: anObject newFile: aPathName.

• открыть в интерактивном режиме диалоговое окно для определения

имени загружаемого в образ файла, выполняя выражение вида

ObjectFiler load.

• загрузить в образ конкретный файл, хранящий нужный объект, выпол-

няя выражение вида

ObjectFiler loadFromPathName: aPathName.

Если во время загрузки произойдет фатальная ошибка, класс ObjectFiler

возвратит nil и отобразит информацию о возникшей проблеме.

8.3. Потоки генерируемых элементов

Создадим в системе Smalltalk Express класс Random (подкласс клас-

са Stream), экземпляр которого — генератор псевдослучайных чис ел. Есть

несколько алгоритмов создания такого генератора. Мы используем тот, ко-

торый о снован на конгруэнтном методе Лемера

. Датчик Лемера псевдо-

случайных чисел строится по правилу X

n+1

= (a·X

+ c) mod m и опреде-

ляет свои элементы, отправляясь от некоторого начального значения X

(в

нашем классе — seed). Теория, которая описывает поведение такой после-

довательности чисел, изложена в [32, § 3.2.1]. Выбор конкретных значений

для коэффициентов a,c,m в методе next обусловлен этой теорией.

Так как поток является генерируемым и можно вычислить сколь угод-

но много элементов, экземпляры класса Random не должны отвечать на

сообщение contents, а сообщение atEnd всегда должно возвращать false.

Хотя класс Random и поддерживает сообщение do:, наследуемое из класса

Stream, но соответствующий метод, однажды начавшись, никогда не закон-

чится без целенаправленного вмешательства программиста. Можно посы-

лать экземпляру класс а Random и сообщение next: anInteger, чтобы полу-

чить упорядоченный набор из anInteger случайных чисел.

В других реализациях языка Смолток класс Random может входить в постав-

ляемую библиотеку классов, и в его основе могут лежать другие алгоритмы.

148 Глава 8. Потоки и файлы

Приводимую ниже реализацию класса Random читатель должен встро-

ить в свою систему Smalltalk Express, поскольку этот класс нам потребуется

в примерах. Напомним, что для введения в систему нового класса надо вос-

пользоваться окном просмотра иерархии классов (см. раздел 3.2.2).

Перед выходом из системы Смолток следует сохранить образ системы,

который теперь содержит класс Random. Всегда следует сохранять и сам

новый класс в текстовом файле; для этого надо выбрать его в панели клас-

сов и воспользоваться пунктом File Out. . . из меню Classes. Из тексто-

вого файла класс можно установить в систему, воспользовавшись пунктом

Install. . . из меню File. В текстовом файле определение класс а Random бу-

дет таким:

Stream subclass: #Random

instanceVariableNames:

’seed ’

classVariableNames: ’’

poolDictionaries: ’’ !

!Random class methods !

new

^self basicNew initialize!

!Random methods !

initialize

self setSeed.

collection := Array new.

position := readLimit := 0.

^self!

atEnd

"Генерируемый поток бесконечен."

^false!

contents

"Генерируемый поток бесконечен."

^self invalidMessage!

position: anInteger

"Перемещение позиции чтения в генерируемом

бесконечном потоке бессмысленно."

^self invalidMessage!

8.3. Потоки генерируемых элементов 149

"Линейный конгруэнтный метод Лемера. Возвращает

псевдослучайное число из интервала (0, 1)."

| temp |

[ seed := 13849 + (27181*seed) bitAnd: 8r177777.

temp := seed/65536.0 .

temp = 0 ] whileTrue: [~].

^temp!

setSeed

"Частный. Для определения псевдослучайного начального

значения взять время системных часов компьютера.

Это большое положительное целое число, поэтому нужны

только младшие 16 битов."

seed := Time millisecondClockValue bitAnd: 8r177777! !

Мы записали только содержательную часть определения класса. Сле-

дует также переопределить все недопустимые наследуемые методы, ис-

пользуя выражение ^ self invalidMessage (как это сделано выше в методах

contents и position:). Таких методов достаточно много.

Вернемся к экземпляру класса Random. Генератор с именем rand, каж-

дый раз порождающий равномерно распределенные случайные числа из

интервала (0,1), можно теперь создать с помощью выражения

rand := Random new.

Теперь, когда потребуется случайное число, объекту rand надо послать со-

общение next.