4.10.

Доступ к диску (чтение/запись) гораздо (на несколько порядков) медленнее, чем доступ к данным в оперативной памяти. Кроме того, если мы читаем или записываем файл при помощи системных вызовов маленькими порциями (по 1-10 символов)

    char c;
    while( read(0, &c, 1)) ... ; /* 0 - стандартный ввод */

то мы проигрываем еще в одном: каждый системный вызов - это обращение к ядру операционной системы. При каждом таком обращении происходит довольно большая дополнительная работа (смотри главу "Взаимодействие с UNIX"). При этом накладные расходы на такое посимвольное чтение файла могут значительно превысить полезную работу.

Еще одной проблемой является то, что системные вызовы работают с файлом как с неструктурированным массивом байт; тогда как человеку часто удобнее представлять, что файл поделен на строки, содержащие читабельный текст, состоящий лишь из обычных печатных символов (текстовый файл).

Для решения этих двух проблем была построена специальная библиотека функций, названная stdio - "стандартная библиотека ввода/вывода" (standard input/output library). Она является частью библиотеки /lib/libc.a и представляет собой надстройку над системными вызовами (т.к. в конце концов все ее функции время от времени обращаются к системе, но гораздо реже, чем если использовать сисвызовы непосредственно).

Небезызвестная директива #include <stdio.h> включает в нашу программу файл с объявлением форматов данных и констант, используемых этой библиотекой.

Библиотеку stdio можно назвать библиотекой буферизованного обмена, а также библиотекой работы с текстовыми файлами (т.е. имеющими разделение на строки), поскольку для оптимизации обменов с диском (для уменьшения числа обращений к нему и тем самым сокращения числа системных вызовов) эта библиотека вводит буферизацию, а также предоставляет несколько функций для работы со строчно-организованными файлами.

Связь с файлом в этой модели обмена осуществляется уже не при помощи целого числа - дескриптора файла (file descriptor), а при помощи адреса "связной" структуры FILE. Указатель на такую структуру условно называют указателем на файл (file pointer)^*. Структура FILE содержит в себе:

• дескриптор fd файла для обращения к системным вызовам;
• указатель на буфер, размещенный в памяти программы;
• указатель на текущее место в буфере, откуда надо выдать или куда записать очередной символ; этот указатель продвигается при каждом вызове getc или putc;
• счетчик оставшихся в буфере символов (при чтении) или свободного места (при записи);
• режимы открытия файла (чтение/запись/чтение+запись) и текущее состояние файла. Одно из состояний - при чтении файла был достигнут его конец^**;
• способ буферизации;

Предусмотрено несколько стандартных структур FILE, указатели на которые называются stdin, stdout и stderr и связаны с дескрипторами 0, 1, 2 соответственно (стандартный ввод, стандартный вывод, стандартный вывод ошибок). Напомним, что эти каналы открыты неявно (автоматически) и, если не перенаправлены, связаны с вводом с клавиатуры и выводом на терминал.

Буфер в оперативной памяти нашей программы создается (функцией malloc) при открытии файла при помощи функции fopen(). После открытия файла все операции обмена с файлом происходят не по 1 байту, а большими порциями размером с буфер - обычно по 512 байт (константа BUFSIZ).

При чтении символа

            int c; FILE *fp = ... ;
            c = getc(fp);

При последующих вызовах getc выдаются следующие байты из буфера, а обращений к диску уже не происходит! Лишь когда буфер будет исчерпан - произойдет очередное чтение с диска. Таким образом, информация читается из файла с опережением, заранее наполняя буфер; а по требованию выдается уже из буфера. Если мы читаем 1024 байта из файла при помощи getc(), то мы 1024 раза вызываем эту функцию, но всего 2 раза системный вызов read - для чтения двух порций информации из файла, каждая - по 512 байт.

При записи

            char c; FILE *fp = ... ;
            putc(c, fp);

• буфер заполнен (содержит BUFSIZ символов).
• при закрытии файла (fclose или exit^***).
• при вызове функции fflush (см. ниже).
• в специальном режиме - после помещения в буфер символа '\n' (см. ниже).
• в некоторых версиях - перед любой операцией чтения из канала stdin (например, при вызове gets), при условии, что stdout буферизован построчно (режим _IOLBF, смотри ниже), что по-умолчанию так и есть.

Приведем упрощенную схему, поясняющую взаимоотношения основных функций и макросов из stdio (кто кого вызывает). Далее s означает строку, c - символ, fp - указатель на структуру FILE^****. Функции, работающие со строками, в цикле вызывают посимвольные операции. Обратите внимание, что в конце концов все функции обращаются к системным вызовам read и write, осуществляющим ввод/вывод низкого уровня.

Системные вызовы далее обозначены жирно, макросы - курсивом.

Открыть файл, создать буфер:

    #include <stdio.h>
    FILE *fp = fopen(char *name, char *rwmode);
                   |  вызывает
                   V
       int fd = open (char *name, int irwmode);
    Если открываем на запись и файл не существует (fd < 0),
    то создать файл вызовом:
           fd = creat(char *name, int accessmode);
           fd будет открыт для записи в файл.

Соответствие аргументов fopen и open:

            rwmode          irwmode
            ------------------------
       "r"             O_RDONLY
            "w"             O_WRONLY|O_CREAT |O_TRUNC
            "r+"            O_RDWR
            "w+"            O_RDWR  |O_CREAT |O_TRUNC
            "a"             O_WRONLY|O_CREAT |O_APPEND
            "a+"            O_RDWR  |O_CREAT |O_APPEND

Для r, r+ файл уже должен существовать, в остальных случаях файл создается, если его не было.

Если fopen() не смог открыть (или создать) файл, он возвращает значение NULL:

    if((fp = fopen(name, rwmode)) == NULL){ ...неудача... }

    printf(fmt,...)--->--,----fprintf(fp,fmt,...)->--*
                     fp=stdout                       |
                              fputs(s,fp)--------->--|
    puts(s)----------->-------putchar(c)-----,---->--|
                                         fp=stdout   |
                      fwrite(array,size,count,fp)->--|
                                                     |
        Ядро ОС                               putc(c,fp)
    ------------------*                              |
    |файловая---<--write(fd,s,len)------------<----БУФЕР
    |система---->---read(fd,s,len)-*     _flsbuf(c,fp)
    |   |             !            |
    |системные буфера !            |
    |   |             !            V           ungetc(c,fp)
    |драйвер устр-ва  !            |                      |
    |(диск, терминал) !            |     _filbuf(fp)      |
    |   |             !            *--------->-----БУФЕР<-*
    |устройство       !                              |
    ------------------*                       c=getc(fp)
                                                     |
              rdcount=fread(array,size,count,fp)--<--|
    gets(s)-------<---------c=getchar()------,----<--|
                                         fp=stdout   |
                                                     |
                            fgets(sbuf,buflen,fp)-<--|
    scanf(fmt,.*ук-ли*/)--<-,--fscanf(fp,fmt,...)-*
                            fp=stdin

    fclose(fp) ---> close(fd);

    fseek(fp,long_off,whence) ---> lseek(fd,long_off,whence);

Функции _flsbuf и _filbuf - внутренние для stdio, они как раз сбрасывают буфер в файл либо читают новый буфер из файла.

По указателю fp можно узнать дескриптор файла:

    int fd = fileno(fp);

    int fd = open(name, O_RDONLY);  /* или creat() */
            ...
    FILE *fp = fdopen(fd, "r");

В приложении имеется текст, содержащий упрощенную реализацию главных функций из библиотеки stdio.

4.11.

Функция ungetc(c,fp) "возвращает" прочитанный байт в файл. На самом деле байт возвращается в буфер, поэтому эта операция неприменима к небуферизованным каналам. Возврат соответствует сдвигу указателя чтения из буфера (который увеличивается при getc()) на 1 позицию назад. Вернуть можно только один символ подряд (т.е. перед следующим ungetc-ом должен быть хоть один getc), поскольку в противном случае можно сдвинуть указатель за начало буфера и, записывая туда символ c, разрушить память программы.

    while((c = getchar()) != '+' );
    /* Прочли '+' */   ungetc(c ,stdin);
    /* А можно заменить этот символ на другой! */
    c = getchar();     /* снова прочтет '+' */

4.12.

Очень часто делают ошибку в функции fputc, путая порядок ее аргументов. Так ничего не стоит написать:

            FILE *fp = ......;
            fputc( fp, '\n' );

            int fputc( int c,  FILE *fp );

            putc( c, fp );

    #include <stdio.h>
    putNtimes(    fp,     c,     n,       f      )
            FILE *fp; int c; int n; int (*f)();
    {       while( n > 0 ){ (*f)( c, fp ); n--; }}
                 возможен вызов
            putNtimes( fp, 'a', 3, fputc );
                 но недопустимо
            putNtimes( fp, 'a', 3, putc );

Тем не менее всегда, где возможно, следует пользоваться макросом - он работает быстрее. Аналогично, есть функция fgetc(fp) и макрос getc(fp).

Отметим еще, что putchar и getchar это тоже всего лишь макросы

    #define putchar(c)      putc((c), stdout)
    #define getchar()       getc(stdin)

4.13.

    FILE   *fp; char bf[256];
    fprintf(fp, fmt, ... );
     printf(    fmt, ... );
    sprintf(bf, fmt, ... );

Первая из функций форматирует свои аргументы в соответствии с форматом, заданным строкой fmt (она содержит форматы в виде %-ов) и записывает строку-результат посимвольно (вызывая putc) в файл fp. Вторая - это всего-навсего fprintf с каналом fp равным stdout. Третяя выдает сформатированную строку не в файл, а записывает ее в массив bf. В конце строки sprintf добавляет нулевой байт '\0' - признак конца.

Для чтения данных по формату используются функции семейства

    fscanf(fp, fmt, /* адреса арг-тов */...);
     scanf(    fmt, ... );
    sscanf(bf, fmt, ... );

Функции fprintf и fscanf являются наиболее мощным средством работы с текстовыми файлами (содержащими изображение данных в виде печатных символов).

4.14.

Текстовые файлы (имеющие строчную организацию) хранятся на диске как линейные массивы байт. Для разделения строк в них используется символ '\n'. Так, например, текст

    стр1
    стрк2
    кнц

    с т р 1 \n с т р к 2 \n к н ц     длина=14 байт
               !
       указатель чтения/записи (read/write pointer RWptr)
       (расстояние в байтах от начала файла)

При выводе на экран дисплея символ \n преобразуется драйвером терминалов в последовательность \r\n, которая возвращает курсор в начало строки ('\r') и опускает курсор на строку вниз ('\n'), то есть курсор переходит в начало следующей строки.

В MS DOS строки в файле на диске разделяются двумя символами \r\n и при выводе на экран никаких преобразований не делается^*****. Зато библиотечные функции языка Си преобразуют эту последовательность при чтении из файла в \n, а при записи в файл превращают \n в \r\n, поскольку в Си считается, что строки разделяются только \n. Для работы с файлом без таких преобразований, его надо открывать как "бинарный":

    FILE *fp = fopen( имя, "rb" );  /* b - binary */
    int fd   = open ( имя, O_RDONLY | O_BINARY );
    '\n' - '\012' (10)  line feed
    '\r' - '\015' (13)  carriage return
    '\t' - '\011'  (9)  tab
    '\b' - '\010'  (8)  backspace
    '\f' - '\014' (12)  form feed
    '\a' - '\007'  (7)  audio bell (alert)
    '\0' - 0.           null byte

Все нетекстовые файлы в MS DOS надо открывать именно так, иначе могут произойти разные неприятности. Например, если мы программой копируем нетекстовый файл в текстовом режиме, то одиночный символ \n будет считан в программу как \n, но записан в новый файл как пара \r\n. Поэтому новый файл будет отличаться от оригинала (что для файлов с данными и программ совершенно недопустимо!).

Задание: напишите программу подсчета строк и символов в файле. Указание: надо подсчитать число символов '\n' в файле и учесть, что последняя строка файла может не иметь этого символа на конце. Поэтому если последний символ файла (тот, который вы прочитаете самым последним) не есть '\n', то добавьте к счетчику строк 1.

4.15.

Напишите программу подсчета количества вхождений каждого из символов алфавита в файл и печатающую результат в виде таблицы в 4 колонки. (Указание: заведите массив из 256 счетчиков. Для больших файлов счетчики должны быть типа long).

4.16.

Почему вводимый при помощи функций getchar() и getc(fp) символ должен описываться типом int а не char?

Ответ: функция getchar() сообщает о конце файла тем, что возвращает значение EOF (end of file), равное целому числу (-1). Это НЕ символ кодировки ASCII, поскольку getchar() может прочесть из файла любой символ кодировки (кодировка содержит символы с кодами 0...255), а специальный признак не должен совпадать ни с одним из хранимых в файле символов. Поэтому для его хранения требуется больше одного байта (нужен хотя бы еще 1 бит). Проверка на конец файла в программе обычно выглядит так:

          ...
     while((ch = getchar()) != EOF ){
          putchar(ch);
          ...
     }

• Пусть ch имеет тип unsigned char. Тогда ch всегда лежит в интервале 0...255 и НИКОГДА не будет равно (-1). Даже если getchar() вернет такое значение, оно будет приведено к типу unsigned char обрубанием и станет равным 255. При сравнении с целым (-1) оно расширится в int добавлением нулей слева и станет равно 255. Таким образом, наша программа никогда не завершится, т.к. вместо признака конца файла она будет читать символ с кодом 255 (255 != -1).
• Пусть ch имеет тип signed char. Тогда перед сравнением с целым числом EOF байт ch будет приведен к типу signed int при помощи расширения знакового бита (7ого). Если getchar вернет значение (-1), то оно будет сначала в присваивании значения байту ch обрублено до типа char: 255; но в сравнении с EOF значение 255 будет приведено к типу int и получится (-1). Таким образом, истинный конец файла будет обнаружен. Но теперь, если из файла будет прочитан настоящий символ с кодом 255, он будет приведен в сравнении к целому значению (-1) и будет также воспринят как конец файла. Таким образом, если в нашем файле окажется символ с кодом 255, то программа воспримет его как фальшивый конец файла и оставит весь остаток файла необработанным (а в нетекстовых файлах такие символы - не редкость).
• Пусть ch имеет тип int или unsigned int (больше 8 бит). Тогда все корректно.

Отметим, что в UNIX признак конца файла в самом файле физически НЕ ХРАНИТСЯ. Система в любой момент времени знает длину файла с точностью до одного байта; признак EOF вырабатывается стандартными функциями тогда, когда обнаруживается, что указатель чтения достиг конца файла (то есть позиция чтения стала равной длине файла - последний байт уже прочитан).

В MS DOS же в текстовых файлах признак конца (EOF) хранится явно и обозначается символом CTRL/Z. Поэтому, если программным путем записать куда-нибудь в середину файла символ CTRL/Z, то некоторые программы перестанут "видеть" остаток файла после этого символа!

Наконец отметим, что разные функции при достижении конца файла выдают разные значения: scanf, fscanf, fgetc, getc, getchar выдают EOF, read - выдает 0, а gets, fgets - NULL.

4.17.

Напишите программу, которая запрашивает ваше имя и приветствует вас. Для ввода имени используйте стандартные библиотечные функции

      gets(s);
     fgets(s,slen,fp);

Ответ: функция gets() читает строку (завершающуюся '\n') из канала fp==stdin. Она не контролирует длину буфера, в которую считывается строка, поэтому если строка окажется слишком длинной - ваша программа повредит свою память (и аварийно завершится). Единственный возможный совет - делайте буфер достаточно большим (очень туманное понятие!), чтобы вместить максимально возможную (длинную) строку.

Функция fgets() контролирует длину строки: если строка на входе окажется длиннее, чем slen символов, то остаток строки не будет прочитан в буфер s, а будет оставлен "на потом". Следующий вызов fgets прочитает этот сохраненный остаток. Кроме того fgets, в отличие от gets, не обрубает символ '\n' на конце строки, что доставляет нам дополнительные хлопоты по его уничтожению, поскольку в Си "нормальные" строки завершаются просто '\0', а не "\n\0".

    char buffer[512]; FILE *fp = ... ; int len;
          ...
    while(fgets(buffer, sizeof buffer, fp)){
      if((len = strlen(buffer)) && buffer[len-1] == '\n')
      /* @ */                      buffer[--len] =  '\0';
      printf("%s\n", buffer);
    }

Здесь len - длина строки. Если бы мы выбросили оператор, помеченный '@', то printf печатал бы текст через строку, поскольку выдавал бы код '\n' дважды - из строки buffer и из формата "%s\n".

Если в файле больше нет строк (файл дочитан до конца), то функции gets и fgets возвращают значение NULL. Обратите внимание, что NULL, а не EOF. Пока файл не дочитан, эти функции возвращают свой первый аргумент - адрес буфера, в который была записана очередная строка файла.

Фрагмент для обрубания символа перевода строки может выглядеть еще так:

    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    char buffer[512]; FILE *fp = ... ;
          ...
    while(fgets(buffer, sizeof buffer, fp) != NULL){
      char *sptr;
      if(sptr = strchr(buffer, '\n'))
        *sptr = '\0';
      printf("%s\n", buffer);
    }

4.18.

В чем отличие puts(s); и fputs(s,fp); ?

Ответ: puts выдает строку s в канал stdout. При этом puts выдает сначала строку s, а затем - дополнительно - символ перевода строки '\n'. Функция же fputs символ перевода строки не добавляет. Упрощенно:

    fputs(s, fp) char *s; FILE *fp;
    { while(*s) putc(*s++, fp); }
    puts(s) char *s;
    { fputs(s, stdout); putchar('\n'); }

4.19.

      #include <stdio.h>
      main() {
          int fp;
          int i;
          char str[20];
          fp = fopen("файл");
          fgets(stdin, str, sizeof str);
          for( i = 0; i < 40; i++  );
               fputs(fp, "Текст, выводимый в файл:%s",str );
          fclose("файл");
      }

^* Это не та "связующая" структура file в ядре, про которую шла речь выше, а ЕЩЕ одна - в памяти самой программы.

^** Проверить это состояние позволяет макрос feof(fp); он истинен, если конец был достигнут, ложен - если еще нет.

^*** При выполнении вызова завершения программы exit(); все открытые файлы автоматически закрываются.

^**** Обозначения fd для дескрипторов и fp для указателей на файл прижились и их следует придерживаться. Если переменная должна иметь более мнемоничное имя - следует писать так: fp_output, fd_input (а не просто fin, fout).

^***** Управляющие символы имеют следующие значения:

© Copyright А. Богатырев, 1992-95
Си в UNIX