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在文字和數字間轉換：boost::lexical_cast

2010/12/01
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給個評價吧～

 

這一篇是來大概介紹一下 Boost C++ Libraries 裡的 lexical_cast 這個函式庫（官網）；他的功能相當簡單，主要就是提供了一個 template 函式的介面，來做到任一型別和文字間的轉換。

很多時候，在寫程式的時候，我們會需要把字串文字（例如 std::string）的資料轉成數值（例如：double），或是反過來，把數值資料轉成文字；尤其是當要從檔案讀取資料，或是要求使用者輸入時，基本上這都是會常常要用到的功能。

雖然在標準的 C 或 C++ 裡的確有提供部分的函式、例如 atoi()（參考），可以快速地做到部分的轉換，但是其實都有相當的限制。例如基本上他們只針對內建的部分型別有提供對應的函式（應該是只有 int、long、double），而且也沒有反向的轉換（itoa() 並非標準函式，要用標準的寫法要用 sprintf()，參考）；而另外由於不同的型別就是不同的函示、也很難寫出統一個方法，來針對轉換的型別做擴充。

 

使用 C++ IO Stream

而在標準 C++ 的函式庫裡，實際上他有透過 IO Stream 的概念（參考），提供了 stringstream 這個類別（參考），來進行可自訂的、和文字間的轉換。像下面就是一個簡單的例子：

#include <stdlib.h>
#include <string>
#include <sstream>
#include <iostream>
 
using namespace std;
 
int main( int  argc, char** argv )
{
  // string to float
  string sTmp = "123.456";
  stringstream mSS( sTmp );
  float fTmp;
  mSS >> fTmp;
  cout << "Convert from string to float: " << fTmp << endl;

  // float to string
  fTmp = 1234.567f;
  stringstream mSS2;
  mSS2 << fTmp;
  sTmp = mSS2.str();
  cout << "Convert from float to string: " << sTmp << endl;
}

第一段的程式碼，基本上就是將 sTmp 這個字串，透過 stringstream 的 operator>> 來轉換為浮點數 fTmp；而第二段程式碼，則是反過來，把 fTmp 這個浮點數，轉換成字串、儲存到 sTmp 這個字串裡。基本上，這邊主要就是透過 stringstream 這個「字串流」來做；而他基本的用法，其實和標準輸入、輸出的 cout / cin 是一樣的～差別只在於，他的資料來源和輸出結果，都是字串而已。

而這邊用的範例是比較簡單，直接用內建的 float、string 這兩種型別來作範例；而如果是要擴充到其他的自訂型別的話，只要去定義各種型別的 operator<< 和 operator>> 就可以了～下面是一個簡單的範例：

class CVector2
{
public:
  float x;
  float y;
};

istream& operator>>( istream& iS, CVector2& v )
{
  iS >> v.x >> v.y;
  return iS;
}

ostream& operator<<( ostream& oS, const CVector2& v )
{
  oS << v.x << "/" << v.y;
  return oS;
}

這個範例裡定義了一個 2D 的向量 CVector2、裡面有 x、y 兩個 float 的成員變數；另外，也定義了 operator<< 和 operator>> 這兩個全域函式，可以用來處理 CVector2 這個自訂型別與 STL stream 間的運作。例如下面就是簡單的範例：

string sTmp = "12 34";
stringstream mSS( sTmp );
CVector2 v;
mSS >> v;
cout << v << endl;

也就是在針對 CVector2 寫好 operator<< 和 operator>> 後，他就擁有標準的 C++ IO stream 的處理能力了！這點算是相當方便的～

boost::lexical_cast

不過，如果要直接使用 stringstream 來做的話，其實在操作上會比較繁瑣，所以 Boost C++ Libraries 就提供了所謂的「lexical_cast」，專門來處理這些各種型別和字串間的轉換。

在使用 lexical_cast 時，必須要先加入「#include <boost/lexical_cast.hpp>」；而它的使用基本上非常簡單，就是一個 template 函式，他的形式是：

template<typename Target, typename Source>
Target lexical_cast(const Source &arg);

而使用上，如果直接修改這篇文章第一個使用 stringstream 的程式的話，就會變成下面的形式。

// string to float
string sTmp = "123.456";
float fTmp = boost::lexical_cast<float>( sTmp );
cout << "Convert from string to float: " << fTmp << endl;

// float to string
fTmp = 1234.567f;
sTmp = boost::lexical_cast<string>( fTmp );
cout << "Convert from float to string: " << sTmp << endl;

基本上，只要把要轉換的資料當參數傳進去，在指定要轉換的目標型別，就可以了！他省去了所有對於 stringstream 的操作，而直接用一個統一的函式來做，在許多時候會是相當方便的～

而如果要讓自訂的型別也可以適用於 lexical_cast 的話，來源的型別（Source）和目標的型別（Target）分別需要符合一些條件：

• 來源型別必須要是「OutputStreamable」，也就是有定義 std::ostream 或 std::wostream 的 operator<<。
• 目標型別必須要是「InputStreamable」，也就是要有針對 std::istream 或 std::wistream 定義 operator>>。
• 目標型別必須要有 default constructor 和 copy constructor。

所以基本上，只要有針對自己定義的型別，也定義出 IO Stream 的 operator<< 和 operator>>，應該就可以用了！

一些小細節

不過實際上 Heresy 在用的時候，還是有遇到一些問題。像以前面 CVector2 的例子來說，雖然已經有定義了 operator<< 和 operator>>，但是還是會有問題的！像下面的例子，想直接使用 lexical_cast 把字串 sTmp 轉換成為 CVector2 的話，語法雖然沒問題，但是在執行時是會出錯的！

string sTmp = "12 34";
CVector2 v = boost::lexical_cast< CVector2 >( sTmp );

主要的原因呢，應該是由於 Boost 的 lexical_cast 會去設定使用的 istream 為 noskipws、不忽略空白（參考）；而也因此，才會造成 istream& operator>>( istream& iS, CVector2& v ) 這個函式在直接使用 stringstream 的時候因為預設會略調空白的資料、而可以正常運作，但是使用 lexical_cast 時卻因為特別把空白也抓出來做處理了，反而造成轉換的錯誤。

而解決方法呢？其實也滿簡單的，只要在進行處理前，先強制設定回 skipws 應該就可以了～修正後的函式，也就變成了：

istream& operator>>( istream& iS, CVector2& v )
{
  iS >> std::skipws >> v.x >> v.y;
  return iS;
}

理論上，這樣應該就不會有問題、可以直接用 lexical_cast 來處理自訂的 CVector2 了～

不過另外要注意的是，實際上 Boost 的 lexical_cast 在做處理的時候，做了很多例外狀況的判斷、處理，算是相當嚴謹的；而也因此，他的效能並不會特別好！有興趣的話，可以參考看看《Very poor boost::lexical_cast performance》這串討論。不過基本上，由於它的效率真的比較差一些，所以如果是轉換的效能很重要的話，建議還是換比較快的方法來寫會比較合適。