Entrada e saída binárias

Livro de SW: subseção Reading and Writing Binary Data, sec.5.5, p.811-815.  Website do livro: resumo sec.5.5, slides. Veja também a página http://algs4.cs.​princeton.edu/​code/, que tem o código fonte, a API, e dados de teste de todos os programas do livro.

Esta pequena aula não trata de uma estrutura de dados mas de ferramentas que ajudam a ler e imprimir sequências de bits.  Essas ferramentas são usadas na compressão de dados.

Cadeias de bits e fluxos de bits

• Em grande parte da Computação os dados são representados por caracteres.  Nesta página, colocamos os caracteres sob um microscópio e representamos os dados pelos bits que compõem os caracteres.
• Ums cadeia de bits (ou bitstring) é uma sequência de bits (da mesma forma que uma string é uma sequência de caracteres).

       1100010000011101010100111110110011100010100001100000000001111110000011101000111
  

• Um fluxo de bits (ou bitstream) é uma cadeia de bits na entrada ou na saída de um programa.  (Um fluxo é uma abstração do conceito de arquivo.)

Leitura e gravação de bits

• A classe BinaryStdIn lê um fluxo de bits a partir da entrada padrão:

  public class BinaryStdIn
  boolean	readBoolean()	lê 1 bit e devolve o valor booleano correspondente
  char	readChar()	lê 8 bits e devolve o char correspondente
  char	readChar(int r)	lê r (entre 1 and 16) bits e devolve o correspondente char
  String	readString()	lê fluxo em blocos de 8 de bits e devolve string correspondente
  int	readInt()	lê 32 bits e devolve o int correspondente
  int	readInt(int r)	lê r (entre 1 and 32) bits e devolve o correspondente int
  boolean	isEmpty()	este fluxo de bits está vazio?
  void	close()	fecha este fluxo de bits

  Também readByte (8 bits), readShort (16 bits) e readLong (64 bits).

• A classe BinaryStdOut escreve um fluxo de bits na saída padrão:

  public class BinaryStdOut
  void	write(boolean b)	escreve o bit representado por b
  void	write(char c)	escreve os 8 bits da representação de c
  void	write(char c, int r)	escreve os r (entre 1 e 16) bits menos significativos de c
  void	close()	fecha este fluxo de bits

  Métodos análogos a write() tratam de byte (8 bits), short (16 bits), int (32 bits) e long (64 bits).

• Veja a documentação completa das classes BinaryStdIn e BinaryStdOut do livro.  Veja também o código BinaryStdIn.java e BinaryStdOut.java.
• Generalização:
  • a classe BinaryIn permite ler um fluxo de bits de um arquivo;
  • a classe BinaryOut permite escrever um fluxo de bits em um arquivo.

  Veja o código BinaryIn.java e BinaryOut.java.

Um exemplo: datas

• Representação de datas, como 12/31/1999 (em notação mês/dia/ano).
• Possíveis representações:
  • 10 chars  (10×8 bits),
  • 3 ints  (3×32 bits),
  • 2 chars e 1 short  (2×8 + 16 bits),
  • 21 bits (4 + 5 + 12 bits).

  (No último caso temos, na verdade, 24 bits porque o número total de bits deve ser múltiplo de 8).

  

• Confira a primeira parte da figura usando a tabela hexadecimal-para-ASCII:

      0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   A   B   C   D   E   F
                                                                  
  0   NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS  HT  LF  VT  FF  CR  SO  SI
  1   DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM  SUB ESC FS  GS  RS  US
  2   SP  !   "   #   $   %   &   '   (   )   *   +   ,   -   .   /
  3   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   :   ;   <   =   >   ?
  4   @   A   B   C   D   E   F   G   H   I   J   K   L   M   N   O
  5   P   Q   R   S   T   U   V   W   X   Y   Z   [   \   ]   ^   _
  6   `   a   b   c   d   e   f   g   h   i   j   k   l   m   n   o
  7   p   q   r   s   t   u   v   w   x   y   z   {   |   }   ~   DEL
  

Binary dump

• Para examinar uma cadeia de bits use uma descarga binária (binary dump), que converte bits nos caracteres 0 e 1 antes imprimir:

  public class BinaryDump {
      public static void main(String[] args) {
         int width = Integer.parseInt(args[0]);
         int cnt;
         for (cnt = 0; !BinaryStdIn.isEmpty(); cnt++) {
            if (width == 0) {
               BinaryStdIn.readBoolean(); 
               continue;
            }
            if (cnt != 0 && cnt % width == 0)
                 StdOut.println();
            if (BinaryStdIn.readBoolean())
                 StdOut.print("1");
            else StdOut.print("0");
         }
         if (width != 0) StdOut.println();
         StdOut.println(cnt + " bits");
      }
  }
  

• O programa HexDump.java no website do livro divide a cadeia de bits em blocos de 4 bits e imprime cada bloco como um par de dígitos hexadecimais.
• O programa PictureDump.java no website do livro imprime uma cadeia de bits como uma sequência de pequenos quadrados pretos e brancos dividida em linhas de comprimento especificado.