如何创建自己的“cout”和“cerr”类

Question

我该如何创建一个行为与std::cout和std::cerr完全相同的类？

我正在编写一个迷你操作系统，这是一个要求，在其中将它们作为模块存在。

代码将如下所示：

myNewCoutClass myCout; // create cout behavioral class
myNewCerrClass myCerr; // create cerr behavioral class

myCout << someString << endl; // prints the string
myCerr << someString << endl; // prints the string as error

- Tango_Chaser

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“new”是不必要的。事实上，在解除“myCout”和“myCErr”（这是指针）之前，您提供的示例是无法正常工作的。建议避免使用指针。 - Lightness Races in Orbit

找不到任何关于那个问题的答案，我会感激简单的回答。这有点矛盾，不是吗？你的问题似乎太宽泛了。你可以从学习std::cin和std::cout的实现开始。 - πάντα ῥεῖ

@Tango_Chaser：“在屏幕上打印”非常模糊。你的“屏幕”是如何实现的？它是什么？ - Lightness Races in Orbit

@Tango_Chaser：嗯，那就使用std::cout。 - Lightness Races in Orbit

@Tango_Chaser：抱歉，但那几乎没有意义。你需要理解的一个概念是，std::cout和std::cerr是std::ostream的实例化；它们不是类。它们是实例，预定义为使用_stdout_和_stderr_作为它们的数据接收器。你可以轻松地创建自己的实例，做同样的事情，但它们将是相同的对象，只是名称不同。完全没有意义。如果你真的想给自己更多的工作，你也可以重新发明std::ostream，但那么你又回到了“我发现大部分都是重载<<运算符”。 - Lightness Races in Orbit

Answer 1

首先，不要在不熟悉操作并且愿意承担所有风险的情况下这样做。这仅仅是一个思想实验，演示如何将另一个流绑定到 stdout，从而创建第二个 cout。言归正传，下面开始。

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如果您想为 stdout 创建另一个流，您需要深入了解编译器的内部结构，并找出它如何定义 cout、cerr 和/或 clog。这将位于与编译器相关的位置，很可能不在您预期的位置；例如，在较旧版本的 Visual Studio 上，您需要查看 crt\src 文件夹中的一些文件：

// Visual Studio 2010 implementation of std::cout.
// Irrelevant parts omitted.

// cout.cpp
__PURE_APPDOMAIN_GLOBAL static filebuf fout(_cpp_stdout);
#if defined(_M_CEE_PURE)
__PURE_APPDOMAIN_GLOBAL extern ostream cout(&fout);
#else
__PURE_APPDOMAIN_GLOBAL extern _CRTDATA2 ostream cout(&fout);
#endif

struct _Init_cout
    {
    __CLR_OR_THIS_CALL _Init_cout()
        {
        _Ptr_cout = &cout;
        if (_Ptr_cin != 0)
            _Ptr_cin->tie(_Ptr_cout);
        if (_Ptr_cerr != 0)
            _Ptr_cerr->tie(_Ptr_cout);
        if (_Ptr_clog != 0)
            _Ptr_clog->tie(_Ptr_cout);
        }
    };
__PURE_APPDOMAIN_GLOBAL static _Init_cout init_cout;


// stdio.h
#define _INTERNAL_BUFSIZ 4096
// ...
#define _IOB_ENTRIES 20
// ...
#ifndef _STDSTREAM_DEFINED
#define stdin (&__iob_func()[0])
#define stdout (&__iob_func()[1])
#define stderr (&__iob_func()[2])
#define _STDSTREAM_DEFINED
#endif  /* _STDSTREAM_DEFINED */


// _file.c
char _bufin[_INTERNAL_BUFSIZ];

FILE _iob[_IOB_ENTRIES] = {
    /* _ptr, _cnt, _base,  _flag, _file, _charbuf, _bufsiz */
    /* stdin (_iob[0]) */
    { _bufin, 0, _bufin, _IOREAD | _IOYOURBUF, 0, 0, _INTERNAL_BUFSIZ },
    /* stdout (_iob[1]) */
    { NULL, 0, NULL, _IOWRT, 1, 0, 0 },
    /* stderr (_iob[3]) */
    { NULL, 0, NULL, _IOWRT, 2, 0, 0 },
};
_CRTIMP FILE * __cdecl __iob_func(void)
{
    return _iob;
}


// `__PURE_APPDOMAIN_GLOBAL` is an internal macro that can generally be ignored.
// `_CRTIMP` is an internal macro that can generally be ignored.
// `_CRTDATA2` is an internal macro that can generally be ignored.
// `__CLR_OR_THIS_CALL` is a calling convention macro that expands to either
//   `__clrcall` or `__thiscall`.

通过这个方法，我们可以派生出自己的stdout流，但这会与编译器有关。

// Visual Studio 2010 user-created char16_t cout.
// Note that in VStudio 2010, char16_t is actually a typedef for unsigned short.
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <codecvt>

#define _cpp_stdout (&(__iob_func())[1])
typedef std::basic_filebuf<char16_t, std::char_traits<char16_t>> filebuf_c16;
typedef std::basic_ostream<char16_t, std::char_traits<char16_t>> ostream_c16;

int main() {
    filebuf_c16 f16out(_cpp_stdout);
    ostream_c16 c16out(&f16out);
    // It really should be tied to the other stdin/stdout/stderr streams,
    //   but this is a simple program where it won't be a problem.

    std::wstring_convert<std::codecvt_utf8_utf16<char16_t>, char16_t> converter;

    std::string u8tmp = "Hello from char16_t!";
    std::u16string u16str = converter.from_bytes(u8tmp);

    c16out << u16str << std::endl;
}

结果如下...

Hello from char16_t!

如果您想将第二个标准ostream（也称为basic_ostream<char，char_traits<char>>）绑定到stdout，可以使用类似的方法。请注意，由于fout是static，因此您需要制作自己的filebuf。还要注意的是，这只会引起麻烦，但这并不重要；只需小心数据竞争或任何类似问题即可。

请注意，虽然您可以这样做，但除非您非常了解自己在做什么，并愿意对任何出现问题负责，并愿意花足够的时间深入研究编译器的库和/或代码，以找出它如何实现stdout和默认字符串，否则最好不要这样做。

另请注意，您的代码将与编译器紧密耦合，并且同一编译器的未来版本很有可能会破坏它。例如，据我所知，由于CRT的更改，特别是FILE的更改，此代码将无法在Visual Studio 2015中编译，但我没有深入研究。

- Justin Time - Reinstate Monica

Answer 2

这些对象是 std::ostream。你可以创建自己的 std::ostream。如何工作取决于数据汇，但一个 std::ostringstream 就足以让你开始测试使用它的代码。

然而，如果你真的想重新发明 std::cout，不要 这样做。它的数据汇是魔法文件句柄 stdout，你无法重新创建它，因为它由操作系统提供。你可以创建一个从 std::cout 中窃取该缓冲区的 std::ostream，但这有什么意义呢？

- Lightness Races in Orbit

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std::ostringstream 可以帮助我在流上使用函数，但最终都会输出到 std::cout 上。那么如何实现自己的 cout 呢？ - Tango_Chaser

“@Tango_Chaser：‘但最后一切都会传输到 std::cout’”并不是这样的。也许你应该花更多时间去研究它，是吧？ - Lightness Races in Orbit

我会加深对该主题的理解，谢谢。 - Tango_Chaser