Stream-uri de Input/Output

Un calculator comunică cu exteriorul prin una sau mai multe interfeţe de comunicare, numite şi porturi de intrare-ieşire (Input/Output - I/O). Exemple: portul serial, portul paralel, portul video, portul audio. Utilizând aceste interfeţe de comunicare, calculatorul este capabil să transmită şi să primească informaţii către/dinspre lumea exterioară prin intermediul diferitelor dispozitive periferce (monitor, imprimantă, tastatură, mouse, modem, placa de reţea, etc.)

Fluxuri de intrare-ieşire

Având în vedere numărul mare de tipuri de periferice, apariţia în permanenţă a unor periferice noi, precum şi faptul că perifericele existente se află într-o continuă dezvoltare, comunicarea directă a programelor cu acestea ar fi deosebit de dificil de realizat dacă s-ar utiliza direct instrucţiunile procesorului (in/out). În plus, complexitatea comunicării cu dispozitivele periferice mai creşte şi datorită faptului că sunt necesare mai multe modalităţi de comunicare: secvenţial, aleator, binar, caracter, linie cu linie etc. Există drivere de dispozitive (device drivers) care sunt module software ce oferă o interfaţă mai simplă de comunicare cu perifericul fizic, totuşi acestea nu rezolvă complet problema compatibilităţii operaţiilor de intrare-ieşire. Ca urmare, sistemul de operare introduce la rândul lui un nivel de uniformizare a operaţiilor cu dispozitivele periferice, oferind anumite funcţii standard de comunicare cu acestea. Însă limbajele de programare (în acest caz, Java) sunt concepute să lucreze cu mai multe sisteme de operare, astfel încât sunt necesare funcţii standard (unitare) de comunicare cu dispozitivele periferice definite în cadrul limbajului de programare, independente de funcţiile oferite de sistemele de operare.

În vederea tratării unitare a comunicaţiei, Java foloseşte conceptul de flux (stream). Apariţia conceptului de flux se datorează lui Dennis Ritchie care a implementat primul sistem de intrare-ieşire bazat pe fluxuri în cadrul sistemului de operare Unix, în anul 1984. Ideea de flux are la bază crearea unui canal de comunicatie, general valabil, între două entităţi, fie ele software sau hardware, cu condiţia ca una dintre entități să fie sursă iar cealaltă destinatie. Astfel, sursa va trimite (va scrie) informație în canalul de comunicație (flux) iar destinația va prelua (va citi) informația din canal. Astfel conceptul de flux oferă posibilitatea tratarii unitare a oricarui tip de comunicaţie, cu orice tip de entitate din sistem. Definirea unui flux (a unui canal de comunicație) se face prin definirea capetelor lui, a sursei şi a destinației. Datorită faptului că există două direcții de comunicare se poate face o delimitare în două tipuri de fluxuri: flux de intrare (input stream) şi flux de ieşire (output stream). Fluxurile de intrare sunt fluxuri care se conectează cu dispozitivele care furnizează date (exemplu, tastatura) iar fluxurile de ieşire se conectează cu dispozitive care preiau date (exemplu: monitorul). Sursa sau destinaţia pot fi atat periferice cât şi module software.

Stream-uri pentru consolă

Limbajul Java pune la dispoziția utilizatorului trei fluxuri standard pentru comunicare cu consola:

• fluxul standard de intrare (Standard Input) – folosit pentru citirea datelor, de tip InputStream.
• fluxul standard de ieşire (Standard Output) – folosit pentru afişarea datelor, de tip PrintStream.
• fluxul standard de eroare (Standard Error) – folosit pentru afişarea erorilor, de tip PrintStream.

În Java, toate fluxurile standard sunt accesate prin clasa java.lang.System. Astfel, pentru Standard Input există fluxul System.in, pentru Standard Output, System.out iar pentru Standard Error, System.err. Cei trei membri in, out, err ai clasei System sunt membri statici.

Clasele care descriu operațiile de intrare-ieșire se află în pachetul java.io. Acesta conține două categorii de fluxuri: fluxuri la nivel de octet și fluxuri la nivel de caracter. Fluxurile la nivel de octet au fost introduse începând cu versiunea JDK 1.0.2, iar fluxuruile la nivel de caracter au fost introduse începând cu versiunea JDK 1.1. Acestea din urmă nu înlocuiesc, ci completează funcționarea fluxurilor cu posibilitatea de introducere și extragere a caracterelor (care în Java au 2 octeți).

Fluxuri de intrare-ieșire la nivel de octet

Fluxurile la nivel de octet (ca și fluxurile la nivel de caracter) se împart în fluxuri de intrare și fluxuri de ieşire.

Fluxuri de intrare la nivel de octet

Clasele pentru fluxurile la nivel de octet au ca rădăcină clasa InputStream, o clasa abstractă care oferă funcțiile de citire general valabile. Definiția clasei InputStream este:

public abstract class InputStream{
    public abstract int read() throws IOException;
    public int read(byte b[]) throws IOException;
    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException;
    public long skip(long n) throws IOException;
    public int available() throws IOException;
    public void close() throws IOException;
    public synchronized void mark(int readlimit);
    public synchronized void reset() throws IOException;
    public boolean markSupported();
}

Funcția read(), fără nici un parametru, citește octetul curent din flux și îl returnează sub forma unui întreg cu valori între 0 şi 255. Dacă s-a ajuns la capătul fluxului, se returnează valoarea –1.

Funcțiile read(), având ca parametru un tablou de octeți, citesc de la poziția curentă din flux un număr de octeți egal cu len sau cu lungimea tabloului b, și îl scriu în vectorul b, la poziția off, dacă aceasta este specificată. Ele returnează numărul de octeţi citiți în buffer-ul b sau –1 daca s-a ajuns la capătul fluxului. Funcţia skip() este utilizată pentru a muta poziția cursorului de citire peste un anumit număr de octeți specificat prin parametrul n.

Funcțiile mark() și reset() se folosesc împreună, oferind posibilitatea reluării citirii din flux. Prin funcția mark() se memorează poziția curentă în flux, specificând prin argumentul readlimit maximul de octeți (se crează un buffer de dimensiune readlimit) care se pot citi până la apelul funcției reset(). Prin funcția reset() se repoziționează cursorul de citire din flux la poziția la care s-a făcut marcarea prin funcția mark(). Aceste două funcții sunt valabile doar în cazul în care fluxul suportă marcarea. Verificarea acestui lucru se face prin apelul funcției markSupported().

Funcţia available() returnează numărul de octeți disponibili pentru citire din flux.

Funcția close() este funcția care închide un flux. Odată terminat lucrul cu un flux, acesta trebuie închis, eliberând astfel resursele de sistem ocupate de acel flux. În mod normal JVM închide aceste fluxuri în momentul în care programul se termină.

Pentru a utiliza clasa InputStream în aplicații, a fost nevoie de construirea unor clase derivate din aceasta, clase care să fie conectate cu surse de date reale, existente în sistem. Din categoria claselor pentru fluxuri de intrare la nivel de octet conectate la diferite tipuri de resurse fac parte:

• ByteArrayInputStream permite conectarea unui flux la un tablou de octeţi;
• FileInputStream oferă posibilitatea conectării cu un fişier pentru a citi datele înregistrate în acesta;
• SequenceInputStream permite combinarea mai multor fluxuri având ca rezultat obținerea unui singur flux;
• AudioInputStream permite conectarea cu un stream audio.

O altă categorie importantă de clase derivate din InputStream, de data aceasta însă nu direct, sunt clasele de tip filtru derivate din clasa FilterInputStream care este la randul ei derivată din clasa InputStream. Aceste tipuri de clase nu oferă nici o alta sursă pentru fluxuri față de clasele amintite anterior. Ele lucrează ca o înfăşurătoare a claselor care se conectează direct la sursă, oferind acestora din urmă funcții (proprietăţi) suplimentare de citire din flux (exemplu: citire pe linie, citire numere, etc). Ca exemple de astfel de clase amintim:

• DataInputStream este una din cele mai utilizate clase dintre cele de tip filtru. Conține mai multe funcții care permit citirea unor tipuri fundamentale de date (int, float, etc) într-un mod independent de sistem și de mașină (procesor);
• PushbackInputStream oferă posibilităţi de revenire, permiţând citirea din nou a datelor deja citite.

În continuare este prezentat un exemplu de utilizare a clasei ByteArrayInputStream:

byte _buffer[] = new byte[10];
for(byte i = 0; i < _buffer.length; i++){
    _buffer[i] = i;
}

ByteArrayInputStream _bufferStream = new ByteArrayInputStream(_buffer);
int _byteRead;
while((_byteRead = _bufferStream.read()) != -1){
    System.out.print(” ” + _byteRead);
}
System.out.println();

Prin intermediul clasei ByteArrayInputStream se pot citi datele din tablou utilizând operațiile de citire din flux, fără a mai fi nevoie de a contoriza poziția de citire din tablou. Conectarea se face simplu prin transmiterea tabloului respectiv ca şi parametru în constructorul fluxului. Exemplul construieşte un tablou de 10 octeţi inițializându-le cu valori de la 0 la 9, după care se citesc aceste valori din tablou prin intermediul fluxului creat. Se observă că citirea din flux se face până în momentul în care funcția read() returnează –1, semnalizând că s-a ajuns la sfârșitul fluxului, deci la sfârşitul tabloului.

Fluxuri de ieşire orientate pe octet

Pentru scrierea datelor folosind conceptul de flux orientat pe octet, se foloseşte o ierarhie de clase derivată din clasa OutputStream. Ca şi clasa InputStream, clasa OutputStream este o clasa abstractă, oferind o interfaţă de declarare a unor metode de scriere general valabile. Clasa are următoarea definiţie:

public abstract class OutputStream{
    public abstract void write(int i) throws IOException;
    public void write (byte b[]) throws IOException;
    public void write (byte b[], int off, int len) throws IOException;
    public long flush() throws IOException;
    public void close() throws IOException;
}

Funcţia write() scrie în flux octetul cel mai puţin semnficativ al argumentului, care este de tip întreg. Celelalte funcţii permit scrierea în flux a unui tablou de octeţi sau a unei secţiuni din tabloul de octeţi b începand de la pozitia off şi avand lungimea len.

Funcţia flush() forţează transmiterea datelor la destinatie (capătul flux-ului) şi este utilă în cazul în care se foloseşte un buffer de scriere (goleşte buffer-ul).

Funcţia close() închide fluxul deschis prin operaţia de creare a fluxului, eliberând astfel orice resursă sistem ocupată de fluxul respectiv.

Ca şi în cazul clasei InputStream, clasele derivate din OutputStream pot fi delimitate în două categorii: fluxuri propriu-zise (ByteArrayOutputStream, FileOutputStream, etc) care se conectează la o destinaţie şi fluxuri de tip filtru (derivate din FilterOutputStream). Ultimele tipuri de fluxuri se conectează la primele, îmbogăţind funcţionarea acestora.

Fluxurile standard de ieşire (System.out) şi de eroare (System.err) sunt membri statici ai clasei System de tipul PrintStream, care extinde clasa FilterOutputStream. Acestea sunt conectate cu display-ul şi se folosesc prin convenţie în două situatii distincte: primul pentru afisarea mesajelor către utilizatorul programului şi al doilea pentru afisarea mesajelor de eroare (de cele mai multe ori în scop de depanare).

În continuare este prezentat un exemplu de utilizare a clasei ByteArrayOutputStream, prin care se afişează toate caracterele pe 8 biţi:

ByteArrayOutputStream _buffer = new ByteArrayOutputStream(256);
try{
    for(int i=0;i<256;i++) {
        _buffer.write(i);
    }
    _buffer.writeTo(System.out);
    byte[] _tablou = _buffer.toByteArray();
}catch(IOException _e){
    System.out.println("Eroare "+ _e.getMessage());
}

Clasa ByteArrayOutputStream este clasa corespondentă clasei ByteArrayInputStream şi permite conectarea unui flux la un buffer (un tablou de octeţi). Buffer-ul se crează în momentul în care un obiect de tipul ByteArrayOutputStream se instanţiază folosind unul dintre cei doi constructori. Această clasă oferă o metodă de stocare a datelor în memorie înainte de a le trimite în altă parte. Pentru transmiterea datelor se foloseste metoda writeTo().

Această funcţie scrie continutul buffer-ului în fluxul out transmis ca şi parametru. Spre deosebire de clasa ByteArrayInputStream unde tabloul (buffer-ul) era transmis prin constructorul clasei, în cazul clasei ByteArrayOutputStream, pentru a avea o referintă la acest buffer, este nevoie să se apeleze funcţia toByteArray(). Aceasta funcţie crează un tablou de dimensiune egală cu numarul de octeţi înscriși în flux şi care conține aceşti octeţi.

Fluxuri de intrare-ieşire la nivel de caracter

Clasele pentru fluxurile la nivel de caracter au ca şi clase de baza clasa Reader pentru citirea datelor şi clasa Writer pentru scrierea datelor. Majoritatea acestor clase se suprapun peste clasele pentru fluxurile la nivel de octet, oferind în principal aceleaşi functionalitati. Deosebirea între clasele de tip InputStream/OutputStream şi cele de tip Reader/Writer este aceea ca primele clase lucrează cu fluxuri de octeţi (8 biţi) în timp ce ultimele lucrează cu fluxuri de caractere reprezentate pe 16 biţi în format Unicode (standard international de codare a caracterelor care este capabil să reprezinte caracterele tuturor limbilor scrie).

Cu toate ca noile clase Reader/Writer dublează clasele InputStream/OutputStream, acestea din urma nu au fost abandonate, datorită în principal cerinţei de compatibilitate cu aplicaţiile dezvoltate într-o versiune mai veche de Java. Totuşi există unele metode din vechile clase care se recomanda să nu fie folosite, fiind caracterizare ca depăşite (deprecated). Funcţiile oferite de clasele InputStream/OutputStream se regasesc în clasele Reader/Writer cu mici deosebiri, acest lucru reflectandu-se şi în denumirile asemanatoare ale celor două tipuri de clase de tip flux, prefixele fiind aceleaşi. În cazul claselor de citire a datelor se pot observa următoarele corespondenţe:

• InputStream - Reader
• ByteArrayInputStream – CharArrayReader
• StringBufferInputStream – StringReader
• FileInputStream – FileReader
• Există unele clase, SequenceInputStream, şi DataInputStream care nu au o versiune de tip Reader.

În cazul claselor pentru scriere se pot observa următoarele corespondentele:

• OutputStream - http://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/io/Writer.html Writer]
• ByteArrayOutputStream – CharArrayWriter
• FileOutputStream – FileWriter