[C++]将标准IO库应用于套接字

最近在写一个网络程序，需要将字符串一行一行地写入套接字，再一行一行地从套接字读取出来。由于没有现成的函数来以行的方式来操作套接字，只能自己编写这样的函数了。忽然想到C++ 标准的IO库可以非常方便地操作输入输出流，不知道能不能将其扩展，应用到套接字上呢？回答是肯定的，标准库本身就是一个可方便扩展的库，在《C++标准程序库》一书中详细地讲解了如何对其进行扩展。下面的内容就是根据这本书的指导写出的，主要是我自己对其中的一些理解，所以跟书上的很相似。

首先来看一下标准库中有关IO的类体系结构：

除了ios_base之外，其它类都定义为模板，这是因为C++中有两种字符类型：char和wchar_t。ios_base定义了同字符类型无关的属性和操作，basic_ios则定义了同字符类型相关的属性和操作，basic_istream和basic_ostream分别定义了同输入和输出相关的操作，basic_iostream同时支持输入和输出。

在整个类体系结构中，最重要的的是basic_streambuf，它提供了缓冲功能以及真正地操作外部设备，其它类则只负责字符串的格式化操作。这体现了“职责分离”的设计原则，basic_streambuf和其它类之间是松耦合关系，对其中一方进行修改不会影响到另一方，因此，我们只需要继承basic_streambuf，定义出一个使用套接字进行IO操作的类即可。

basic_streambuf是一个模板，IO库根据它分别定义了两个类（真正的定义语句并不是这样的，模板参数不仅仅是一个，这里只是为了方便说明）：

typedef basic_streambuf<char> streambuf; 
typedef basic_streambuf<wchar_t> wstreambuf; 

我们可以根据字符的实际类型选择继承streambuf或wstreambuf。当然，也可以将自己的类定义为模板，继承basic_streambuf，不过这样的话需要多写一些代码，具体操作可以参考《C++标准程序库》，本文的例子直接继承streambuf。

basic_streambuf既定义了输出相关操作，也定义了输入相关操作，这意味它同时支持输入和输出。我们也可以只实现输出或者输入，让它只支持某种操作。首先来看下如何实现输出。

用于输出的streambuf

basic_streambuf中输出相关的操作主要有sputc和sputn，前者输出一个字符，后者输出多个字符。如果提供了缓冲区，那么sputc将字符复制到缓冲区内，如果缓冲区已经满了或者没有提供缓冲区，sputc会调用overflow，将数据写入外部设备并清空缓冲区。sputn会调用xsputn，而xsputn的默认操作是对每个字符调用sputc。由此可见，实现输出要做的事情很简单，只要重写overflow方法即可。另外也可以重写xsputn方法，以优化多个字符的输出。

无缓冲方式

下面是不使用缓冲区的实现方式：

#include <streambuf>
#include <WinSock2.h>

class SocketOutStreamBuf : public std::streambuf {
public:
	SocketOutStreamBuf(SOCKET socket) : m_socket(socket) { 
	}
	
protected:
	int_type overflow(int_type c) {

		if (c != EOF) {

			if (send(m_socket, (char*)&c, 1, 0) <= 0) {
				return EOF;
			}
		}

		return c;
	}

private:
	SOCKET m_socket;
};

可以看到，无缓冲方式的实现非常简单，只要将参数直接写入到套接字中就可以了，如果写入成功，返回刚写入的那个字符；如果失败，返回EOF，也可以抛出异常——这个由你决定。int_type是在字符特性类（traits）中定义的类型，表示能容纳所有字符的类型，这个类型肯定不是char或wchar_t，因为EOF和WEOF超出了这些类型的范围。

 

有缓冲方式

把字符一个一个地写入套接字是非常低效的，因此我们希望SocketOutStreamBuf能提供缓冲功能，有缓冲方式的实现如下所示：

#include <streambuf>
#include <WinSock2.h>

class SocketOutStreamBuf : public std::streambuf {
public:
	SocketOutStreamBuf(SOCKET socket) : m_socket(socket) { 
		setp(m_buffer, m_buffer + BufferSize - 1);
	}
	
	~SocketOutStreamBuf() {
		sync();
	}

protected:
	int_type overflow(int_type c) {

		if (c != EOF) {
			*pptr() = c;
			pbump(1);
		}

		if (FlushBuffer() == EOF) {
			return EOF;
		}

		return c;
	}

	int sync() {

		if (FlushBuffer() == EOF) {
			return -1;
		}

		return 0;
	}

private:
	int FlushBuffer() {

		int len = pptr() - pbase();

		if (send(m_socket, m_buffer, len, 0) <= 0) {
			return EOF;
		}

		pbump(-len);

		return len;
	}

	SOCKET m_socket;
	static const int BufferSize = 512;
	char m_buffer[BufferSize];
};

首先我们需要自己定义一个缓冲区，然后在构造方法中通过setp方法把缓冲区的头尾指针告诉basic_streambuf，这样一来就具有了缓冲功能。有三个方法可以获取与缓冲区相关的指针：pbase，pptr和epptr，它们分别获取的是缓冲区的头指针，当前写入位置的指针以及缓冲区尾部下一个位置的指针，如下图所示：

当pptr() != epptr()时，缓冲区是未满的，此时sputc只是把字符复制到pptr所在位置，然后把pptr移动到下一个位置，不会调用overflow；当pptr() == epptr()时，缓冲区是满的，此时sputc会调用overflow，并把放不进缓冲区内的字符作为overflow的参数。在上面代码的构造方法中，之所以把缓冲区的最后一个位置作为尾指针（用m_buffer + BufferSize - 1作为第二个参数，而不是m_buffer + BufferSize），是因为这样可以在overflow中手动将参数放到最后一个位置，然后将整个缓冲区的数据一起发送出去。pbump方法用来移动当前写入位置的指针，参数的值是相对位置，在发送完数据之后需要用pbump将指针移回到缓冲区头部。

另外，提供了缓冲功能的话还需要重写sync方法，该方法用于同步缓冲区同外部设备的数据，意思就是将缓冲区的数据写入到外部设备中，不管它有没有满。如果该方法成功的话， 返回0，否则返回-1。在析构方法中也要调用sync，确保数据被写入到外部设备中。

 

使用自定义的输出streambuf

定义好了我们自己的SocketOutStreamBuf之后，只要将它与ostream组合在一起就能在套接字上使用IO库的强大功能，如下所示：

SOCKET socket;
…
SocketOutStreamBuf outBuf(socket);
std::ostream outStream(&outBuf);

std::string line;
while (std::getline(std::cin, line)) {
	outStream << line << std::endl;
}

上面的代码用于将控制台上的输入写入到套接字中。

用于输入的streambuf

basic_streambuf中输入相关的操作有sgetc，sbumpc，sgetn，sungetc和sputbackc。其中sungetc和sputbackc用于回退字符，这个功能不常用到，而且也不太可能在套接字上回退字符，因此这里省略对回退字符的介绍，关于这方面的内容可以参考《C++标准程序库》。

sgetc和sbumpc都用于读取一个字符，区别是后者会将读取位置向后移动一个位置，而前者不会改变读取位置。如果没有提供缓冲区，或者缓冲区的内容已经读完，那么sgetc会调用underflow方法，而sbumpc会调用uflow方法，从外部设备读取更多数据。uflow的默认行为是调用underflow，然后移动缓冲区的读取指针，如果没有提供缓冲区，则必须同时重写underflow和uflow。sgetn用于读取多个字符，它会调用xsgetn，而xsgetn的默认行为是依次调用sbumpc，如果为了改善读取多个字符的性能，可以重写xsgetn方法。

无缓冲方式

首先来看下无缓冲方式的输入实现，如下所示：

#include <streambuf>
#include <WinSock2.h>

class SocketInStreamBuf : public std::streambuf {
public:
	SocketInStreamBuf(SOCKET socket) : m_socket(socket) {
	}
	
	int_type underflow() {

		char c;
		if (recv(m_socket, &c, 1, MSG_PEEK) <= 0) {
			return EOF;
		}

		return c;
	}

	int_type uflow() {

		char c;
		if (recv(m_socket, &c, 1, 0) <= 0) {
			return EOF;
		}

		return c;
	}

private:
	SOCKET m_socket;
};

无缓冲的实现需要同时重写underflow和uflow，根据这两个方法的定义，前者不移动读取位置，后者反之，而recv函数的MSG_PEEK选项刚好可以对应这两种行为。

 

有缓冲方式

从套接字逐个读取字符也是非常低效的过程，添加缓冲功能是再自然不过的事情，如下所示：

#include <streambuf>
#include <WinSock2.h>

class SocketInStreamBuf : public std::streambuf {
public:
	SocketInStreamBuf(SOCKET socket) : m_socket(socket) {
		setg(m_buffer, m_buffer, m_buffer);
	}
	
	int_type underflow() {

		int recvLen = recv(m_socket, m_buffer, BufferSize, 0);

		if (recvLen <= 0) {
			return EOF;
		}

		setg(m_buffer, m_buffer, m_buffer + recvLen);

		return *gptr();
	}

private:
	SOCKET m_socket;
	static const int BufferSize = 512;
	char m_buffer[BufferSize];
};

跟输出的实现一样，我们也需要自己定义一个缓冲区，然后用setg方法设置缓冲区的指针。与setp不同，setg方法需要设置三个指针，分别是缓冲区头指针，当前读取位置指针以及缓冲区尾部下一个位置指针，这些指针可通过eback()，gptr()，egptr()方法获取。这比输出缓冲区复杂，因为输入缓冲区需要支持回退功能。输入缓冲区图示如下：

当读取字符时，gptr向右移动，直到gptr() == egptr()时，调用underflow从外部设备补充数据。当回退字符时，gptr向左移动，直到gptr() == gback()时，就不能再回退字符了。

在上面代码的构造方法中，用setg把三个指针都设置到缓冲区头部，这样一来，就不支持回退了，而且第一次读取会导致underflow被调用。在underflow中，将数据读取到缓冲区之后还要调用setg重新设置一下缓冲区指针，由于是gptr() == eback()，所以仍然不支持回退。

上文说过，如果提供了缓冲区，那么就不需要重写uflow了，所以提供了缓冲功能的SocketInStreamBuf看上去比无缓冲功能的还要简单。

 

使用自定义的输入streambuf

跟输出的一样，只要将SocketInStreamBuf与istream组合在一起，就可以利用强大的IO功能了：

SOCKET socket;
…
SocketInStreamBuf inBuf(socket);
std::istream socketStream(&inBuf);

std::string line;
while (std::getline(socketStream, line)) {
	std::cout << line << std::endl;
}

上面的代码从套接字读取数据，然后输出到控制台上。