2. Файлы данных и каталоги. Внутренняя организация и типы файлов

Файлами принято называть поименованные наборы данных на внешних носителях. Совокупность файлов обычно организуется по иерархическому принципу в виде файлового дерева, чем обеспечивается удобство представления и обработки больших информационных структур. По характеру хранимой информации различают файлы данных и файлы-каталоги (директории). Первые из них содержат данные, непосредственно используемые прикладными программами, включая исходные тексты, объектные и загрузочные модули самих этих программ. Наоборот, содержимое каталогов составляют указатели на другие файлы и подкаталоги. Прикладные программы лишены возможности непосредственно вмешиваться в структуру каталогов, а могут делать это лишь опосредованно путем обращения к соответствующим функциям операционной системы. Тот каталог, который находится на высшем уровне иерархической организации, носит название корневого каталога. Логическая организация файлов данных в каталоги поддерживается файловой системой, входящей в состав ОС. Основное назначение файловой системы состоит в том, чтобы отделить пользователя ЭВМ от излишних деталей внешнего обмена и предоставить ему возможность простого и гибкого управления большими информационными структурами. Именами файлов и каталогов в Си-программах, предназначенных для последующей обработки в среде IBM C/2, могут быть любые правильные имена в смысле операционной системы MS DOS. В отдельных случаях обеспечивается возможность использования специальных метасимволов для генерации последовательности имен. В операционной среде MS DOS не существует какой-либо предопределенной внутренней структуры файлов. Наоборот, всякий файл представляет собой простую последовательность байт, каждый из которых может содержать либо правильный код символа ASCII, либо быть произвольной комбинацией двоичных разрядов. Файлы первого типа обычно называют текстовыми файлами и они могут быть визуализированы, например, на экране видеотерминала. Файлы же второго типа, называемые двоичными файлами, могут содержать внутри себя непечатаемые символы или управляющие последовательности и в общем случае не подлежат визуальному просмотру. Заметим, однако, что с точки зрения внутренней обработки информации в системе MS DOS, не существует принципиальной разницы между текстовыми и двоичными файлами, и текстовый режим является основным при организации обмена информацией. Тем не менее, есть определенные отличия в интерпретации содержимого файлов некоторыми стандартными функциями при их использовании в текстовом и двоичном режимах. Так, например, в текстовом режиме комбинация символов CR/LF (hex-коды 0D и 0A соответственно) преобразуется при вводе в единственный символ LF. В процессе же вывода выполняется обратное преобразование. При работе в двоичном режиме подобные преобразования не выполняются.

3. Стандартные функции для работы с файлами и каталогами

В настоящем параграфе приводятся наиболее употребительные функции управления вводом/выводом из стандартной библиотеки языка Си. По своему функциональному назначению они разбиты на три категории: ввод/вывод потоком, операции обмена низкого уровня и управление файлами и каталогами. Организация обмена со стандартными внешними устройствами рассмотрена в следующем параграфе.

3.1. Ввод/вывод потоком символов

Функции ввода/вывода потоком рассматривают файлы и элементы данных как последовательности отдельных символов. Они предоставляют возможность буферизации информации при пересылке, а также обеспечивают преобразование данных в соответствии с заданной спецификацией формата. Всякий поток перед обращением к нему должен быть открыт при помощи функции fopen для ввода, вывода или выполнения обеих этих операций в текстовом или двоичном режиме. Открывая поток, функция fopen возвращает указатель типа FILE, который используется для ссылки на него во всех операциях ввода/вывода или управления указателем текущей позиции. После завершения работы с потоком, его следует закрыть, используя функцию fclose. В противном случае это сделает операционная система по окончании работы программы. Операции чтения и записи для потока выполняются, начиная с текущей позиции указателя, смещая последний на соответствующее число позиций. Используя функцию fseek, указатель можно установить в произвольную позицию файла перед выполнением очередной операции, а функция rewind позиционирует указатель на начало файла. Предварительные описания функций ввода/вывода потоком, а также определения соответствующих констант, типов и структур помещены в файл stdio.h, который необходимо включить в программу при помощи директивы препроцессора #include (см. Лекцию 7, $ 4 и примеры программ).

Имя функции и назначение: fopen - открывает файл с заданным именем для ввода/вывода потоком Формат и описание аргументов:

FILE *fopen(pathname, type)

const char *pathname; /* Имя открываемого файла */

const char *type; /* Тип доступа к файлу */

Параметр type представляет собой строку символов и определяет характер доступа к файлу:

"r" - существующий текстовый файл открыть для чтения

"w" - текстовый файл открыть для записи (в случае существования файла его содержимое разрушается)

"a" - текстовый файл открыть для записи в конец файла (в случае отсутствия файл создается вновь)

"r+" - существующий файл открыть для чтения и записи

"w+" - текстовый файл открыть для чтения и записи (в случае существования файла его содержимое разрушается)

Добавление символа 'b' в конец каждой из этих строк позволяет открыть двоичный файл для выполнения соответствующих операций. Функция возвращает указатель типа FILE при нормальном завершении операции и NULL в случае возникновения ошибки.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ FILE *stream;

if ((stream = fopen("data", "r")) == NULL)

printf("Ошибка при открытии файла");

}

Имя функции и назначение: fclose - закрывает файл, предварительно открытый для ввода/вывода потоком

Формат и описание аргументов:

int fclose(stream)

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Возвращаемое значение равно нулю при нормальном завершении операции и EOF в случае возникновения ошибки. Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ FILE *stream;

stream = fopen("data", "w+b");

..............................

..............................

fclose(stream);

}

Имя функции и назначение: feof - проверяет возникновение ситуации "конец файла" при вводе/выводе потоком

Формат и описание аргументов:

int feof(stream)

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Возвращаемое значение отлично от нуля при попытке чтения за пределами файла и равно нулю в противном случае. Пример использования:

#include <stdio.h>

char string[100];

FILE *stream;

void process(char*);

main()

{ while (!feof(stream))

if (fscanf(stream, "%s", string))

process(string);

}

Имя функции и назначение: fgetc - читает очередной символ из входного потока и увеличивает значение указателя

Формат и описание аргументов:

int fgetc(stream)

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Возвращаемое значение равно коду прочитанного символа при нормальном завершении операции и EOF в случае возникновения ошибки или при достижении конца файла.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ char buffer[81];

int i, ch;

FILE *stream;

for (i = 0; i < 80 && (ch = fgetc(stream)) != EOF; i++)

buffer[i] = ch;

buffer[i] = '\0'

}

Имя функции и назначение: fgets - читает строку символов из входного потока до первого символа \n включительно (но не более заданного максимального количества), добавляя нуль-символ в конец прочитанной строки

Формат и описание аргументов:

char *fgets(string, n, stream)

char *string; /* Буфер для размещения про- */

/* читанной строки */

int n; /* Максимальное количество */

/* символов в строке */

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Возвращаемое значение равно указателю на строку string при нормальном завершении операции и NULL в случае возникновения ошибки или при достижении конца файла.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ char line[100], *result;

FILE *stream;

..................................

..................................

result = fgets(line, 100, stream);

..................................

..................................

}

Имя функции и назначение: getw - читает из входного потока очередное целое число, заданное в двоичном формате, и увеличивает значение указателя

Формат и описание аргументов:

int getw(stream)

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Возвращаемое значение равно прочитанному целому числу при нормальном завершении операции и EOF в случае возникновения ошибки или при достижении конца файла.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ int ivalue;

FILE *stream;

......................

......................

ivalue = getw(stream);

......................

......................

}

-------------

Имя функции и назначение: fputc - записывает символ в выходной поток и увеличивает значение указателя

Формат и описание аргументов:

int fputc(c, stream)

int c; /* Выводимый символ */

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Возвращаемое значение равно коду записанного символа при нормальном завершении операции и EOF в случае возникновения ошибки.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ char buffer[81];

int i;

FILE *stream;

.............................................

.............................................

for (i = 0; i < 81 && buffer[i] != '\0'; i++)

fpufc(buffer[i], stream);

.............................................

.............................................

}

-------------

Имя функции и назначение: fputs - копирует строку символов в выходной поток

Формат и описание аргументов:

int fputs(string, stream)

const char *string; /* Указатель на выводимую строку */

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Возвращаемое значение равно коду последнего символа строки при нормальном завершении операции, нулю для пустой строки и EOF в случае возникновения ошибки.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ FILE *stream;

..................................

..................................

fputs("This is a string", stream);

..................................

..................................

}

-------------

Имя функции и назначение: putw - записывает в выходной поток двоичное представление целого числа и увеличивает значение указателя

Формат и описание аргументов:

int putw(binint, stream)

int binint; /* Двоичное представление целого числа */

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Возвращаемое значение равно binint при нормальном завершении операции и EOF в случае возникновения ошибки.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ FILE *stream;

...................

...................

...................

putw(0347, stream);

...................

...................

...................

}

-------------

Имя функции и назначение: fscanf - читает данные из входного потока и заносит их в ячейки памяти, определяемые аргументами функции

Формат и описание аргументов:

int fscanf(stream, fstring <, argument ...>)

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

const char *fstring; /* Строка управления форматом */

Строка string управления форматом определяет способ интерпретации входных данных. Она может содержать следующие поля:

- пробелы, символы табуляции (\t) или перехода на новую строку (\n), которые позволяют читать без сохранения любые комбинации соответствующих символов из входного потока;

- произвольные печатаемые символы ASCII, кроме знака процента (%), использование которых позволяет читать без сохранения соответствующие им символы из входного потока;

- спецификации формата, начинающиеся со знака процента (%) и требующие преобразования прочитанных данных к заданному типу. Аргументы функции fscanf являются указателями на ячейки памяти, куда необходимо поместить прочитанные значения, и должны иметь тот же самый тип, который задан соответствующими спецификациями в строке управления форматом. Всякая спецификация формата в общем случае имеет следующий вид:

%<*><width><h|l|L>type

где угловыми скобками (<>) обозначены необязательные элементы конструкции. Отдельные поля спецификации могут быть символами или числами, задающими конкретный способ преобразования данных при вводе. Символ преобразования соответству ющий полю type, определяет тип очередного элемента данных, читаемого из входного потока. Этим элементом может быть отдельный символ ASCII, строка символов или число (целое или вещественное). Ниже приведена таблица символов преобразования, имеющих специальное значение в среде IBM C/2, а также указан тип отвечающего каждому из них аргумента.

Символ	Элемент входного потока	Тип аргумента
d	десятичное целое	указатель на int
D	десятичное целое	указатель на long
o	восьмеричное целое	указатель на int
O	восьмеричное целое	указатель на long
x	шестнадцатеричное целое	указатель на int
X	шестнадцатеричное целое	указатель на long
i	десятичное, восьмеричное или шестнадцатеричное целое	указатель на int
I	десятичное, восьмеричное или шестнадцатеричное целое	указатель на long
u	десятичное целое без знака	указатель на unsigned int
U	десятичное целое без знака	указатель на unsigned long
e, f, g, E, G	вещественное число	указатель на float
c	символ ASCII	указатель на char
s	строка символов	указатель на массив элементов типа char
p	значение вида xxxx:yyy, где x и y есть шестнадцатеричные цифры	указатель на длин- ный указатель (тип far) неопределенного типа

Символ звездочка (*), возможно входящий в спецификацию формата, заставляет систему обмена проигнорировать очередной элемент данных заданного типа во входном потоке. Необязательное поле width представляет собой положительное десятичное число, задающее максимальное количество символов, читаемых их входного потока и интерпретируемых в соответствии со спецификатором type. Дополнительные спецификаторы h, l и L могут быть использованы для модификации типа аргумента, определенного полем type. Их действие распространяется лишь на длину соответствующего аргумента (short или long). Возвращаемое функцией fscanf значение равно количеству прочитанных и преобразованных в соответствии с заданным форматом полей входного потока. При попытке чтения за пределами файла функция возвращает значение EOF.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ char sym, string[81];

int ival;

long lval;

float fval;

FILE *stream;

.............................

.............................

stream = fopen("data", "r");

fscanf(stream, "%c", &sym);

fscanf(stream, "%s", string);

fscanf(stream, "%d", &ival);

fscanf(stream, "%ld", &lval);

fscanf(stream, "%f", &fval);

.............................

.............................

}

-------------

Имя функции и назначение: fprintf - записывает форматированные данные в выходной поток

Формат и описание аргументов:

int fprintf(stream, fstring <, argument ...>)

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

const char *fstring; /* Строка управления форматом */

Строка fstring управления форматом определяет способ преобразования данных при выводе. Она может включать в себя обычные символы, копируемые в выходной поток, Esc-последовательности (см. Лекцию 2, $

3) и спецификации формата, начинающиеся со знака процента (%). Аргументы функции fprintf являются простыми переменными или указателями, задающими набор выводимых значений. Всякая спецификация формата в общем случае имеет следующий вид:

%<flags><width><.precision><h|l|L>type

где угловыми скобками (<>) обозначены необязательные элементы конструкции. Отдельные поля спецификации могут быть символами или числами, задающими конкретный способ преобразования данных при выводе. Символ преобразования, соответствующий полю type, определяет тип очередного элемента данных, записываемого в выходной поток. Этим элементом может быть отдельный символ ASCII, строка символов или число (целое или вещественное). Ниже приведена таблица символов преобразования, имеющих специальное значение в среде IBM C/2.

Символ	Аргумент	Формат вывода
d, i	целое число	десятичное целое со знаком
u	целое число	десятичное целое без знака
o	целое число	восьмеричное целое без знака
x	целое число	шестнадцатеричное целое без знака, использующее "abcdef"
X	целое число	шестнадцатеричное целое без знака, использующее "ABCDEF"
f	вещественное число	вещественное число со знаком с фиксированной точкой
e, E	вещественное число	вещественное число со знаком в экспоненциальной форме
g, G	вещественное число	вещественное число со знаком в экспоненциальной форме или с фиксированной точкой в зависимости от величины порядка
c	символ ASCII	отдельный символ
s	указатель типа char	строка символов

Символы, занимаюшие поле flags в строке формата, позволяют управлять размещением выводимой информации в пределах поля, заданного параметром width, а также определяют способ вывода чисел со знаком. Так, знак минус (-) в этом случае требует выравнивания печатаемых символов по левой границе поля width (по умолчанию производится выравнивание по правой границе), а знак плюс (+) заставляет выводить со знаком (+ или -) как положительные, так и отрицательные числа. Дополнительный флаг в виде знака номера (#) может использоваться для вывода начального нуля в восьмеричном формате и пары 0x или 0X в шестнадцатеричном формате, а также для обязательной печати десятичной точки при выводе вещественных чисел даже при нулевом значении поля precision. Параметр width является целым положительным десятичным числом, определяющим минимальное количество позиций, отводимых под соответствующий элемент данных в выходном потоке. Если количество символов в выводимом значении меньше width, то осуществляется его расширение пробелами слева или справа в зависимости от значения поля flags. Для замены пробелов на нули необходимо снабдить параметр width префиксом нуль (0). При отсутствии этого параметра в строке формата он автоматически получает некоторое стандартное значение. Целочисленный положительный параметр precision определяет минимальное количество печатаемых цифр в записи целого числа (при использовании символов преобразования i, d, u, o, x или X), количество цифр справа от десятичной точки при печати вещественных чисел (преобразование по форматам f, e, E, g или G) или максимальное количество символов в строке (при выводе по формату s). В случае отсутствия, этот параметр заменяется некоторым стандартным значением, зависящим от типа выводимого элемента данных. Дополнительные спецификаторы h, l и L могут быть использованы для задания длины выводимого аргумента (short или long). Возвращаемое функцией fprintf значение равно количеству напечатанных символов.

Пример использования:

#include <stdio.h>

#define MAX 100

main()

{ int i;

float length[MAX], width[MAX];

FILE *printer;

..............................................................

..............................................................

..............................................................

printer = fopen("prn", "w");

fprintf(printer, "\t\t\t*** Результаты расчета ***\n\n");

for (i = 0; i < MAX; i++)

fprintf(printer, "%3d length = %6.3f, width = %6.3f\n",

length[i], width[i]);

..............................................................

..............................................................

..............................................................

}

Имя функции и назначение: fseek - перемещает указатель текущей позиции файла

Формат и описание аргументов:

int fseek(stream, offset, origin)

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

long offset; /* Смещение в байтах от origin */

int origin; /* Начальная позиция указателя */

Эта функция перемещает указатель, связанный с открытым файлом, на offset байт вперед или назад относительного заданного параметром origin начала отсчета. Последний может быть одной из следующих символических констант, определенных в файле stdio.h:

SEEK_SET - начало файла

SEEK_CUR - текущая позиция указателя

SEEK_END - конец файла

Заметим, что допустимым является позиционирование указателя за пределами конца файла, однако его перемещение за начало файла приводит к ошибке. Возвращаемое значение равно нулю при нормальном завершении операции и отлично от нуля в противном случае.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ int result;

FILE *stream;

stream = fopen("data", "r");

.....................................

.....................................

.....................................

result = fseek(stream, 0L, SEEK_SET);

.....................................

.....................................

.....................................

}

Имя функции и назначение: rewind - устанавливает указатель текущей позиции на начало файла

Формат и описание аргументов:

void rewind(stream)

FILE *stream; /* Указатель на открытый файл */

Эта функция не возвращает никакого значения в точку вызова.

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ int dat_1 = 1, dat_2 = 7, dat_3, dat_4;

FILE *stream;

stream = fopen("data", "w+");

/* Запись данных в файл */

fprintf(stream, "%d %d", dat_1, dat_2);

/* Установка указателя на начало */

rewind(stream);

/* Считывание данных */

fscanf(stream, "%d %d", &dat_3, &dat_4);

........................................

........................................

........................................

}

3.2. Операции ввода/вывода низкого уровня

Функции ввода/вывода низкого уровня осуществляют обмен с файлами или периферийными устройствами путем прямого обращения к соответствующим функциям операционной системы (системным вызовам). Они не предоставляют возможности буферизации информации при пересылке и не обеспечивают преобразования данных из внутреннего машинного представления в текстовый формат. Перед обращением к существующему файлу его необходимо предварительно открыть при помощи функции open для ввода, вывода или выполнения обеих этих операций в текстовом или двоичном режиме. Новый файл может быть создан путем использования функции creat. Обе эти функции возвращают в точку вызова целочисленный параметр (file handle), который следует использовать для ссылки на открытый файл во всех последующих операциях ввода/вывода низкого уровня или при управлении указателем текущей позиции. После завершения работы с файлом, его нужно закрыть путем вызова функции close. В противном случае это сделает операционная система по окончании работа программы. Операции чтения и записи низкого уровня выполняются функциями read и write соответственно начиная с текущей позиции указателя. Используя функцию lseek, указатель можно установить в произвольную позицию файла перед выполнением очередной операции ввода/вывода. Проверка выхода за конец файла осуществляется функцией eof. Предварительные описания функций ввода/вывода низкого уровня помещены в файл io.h. Кроме этого, файлы fcntl.h, sys\types.h и sys\stat.h содержат определения символических констант, используемых отдельными функциями. Для нормальной работы программы все эти файлы необходимо включить в ее исходный текст при помощи директивы препроцессора #include (см. Лекцию 7, $ 4 и примеры программ). Более полную информацию о вводе/выводе низкого уровня можно найти в руководстве Language Reference, входящем в стандартный комплект поставки компилятора IBM C/2.

3.3. Управление файлами и каталогами

При разработке отдельных прикладных программ и тем более системного программного обеспечения могут оказаться полезными предоставляемые операционной системой дополнительные возможности управления структурой каталогов и изменения имен существующих файлов. Соответствующие операции реализуются специальными функциями, входящими в состав библиотеки языка Си, что позволяет избежать непосредственного обращения к системным функциям ОС. В этом разделе приведены краткие сведения о некоторых функциях рассматриваемой группы. Их предварительные описания помещены в стандартные файлы stdio.h и direct.h (конкретно см. примеры использования отдельных функций), которые при необходимости следует включить в исходный текст программы, используя директиву препроцессора #include.

Имя функции и назначение: remove - удаляет файл с заданным именем

Формат и описание аргументов:

int remove(pathname)

const char *pathname; /* Полное имя удаляемого файла */

Возвращаемое значение равно нулю при нормальном завершении операции и -1 в случае отсутствия в каталоге файла с заданным именем или запрете на его удаление (read-only file).

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ int result;

.......................................

.......................................

.......................................

result = remove("c:\\myfile");

if (result == -1)

printf("Ошибка при удалении файла");

.......................................

.......................................

.......................................

}

Имя функции и назначение: rename - изменяет имя существующего файла или каталога

Формат и описание аргументов:

int rename(oldname, newname)

const char *oldname; /* Старое имя файла */

const char *newname; /* Новое имя файла */

Эта функция, переименовывающая существующие файлы и каталоги, позволяет также перемещать отдельные файлы из одного каталога в другой путем изменения их полных имен. В то же время, операции перемещения файлов между различными устройствами и целых каталогов не являются допустимыми. Возвращаемое значение равно нулю при нормальном завершении операции и отлично от нуля в случае возникновения ошибки (неверное задание имени файла oldname, существование файла с именем newname или отсутствие возможности создать файл с таким именем, попытка перемещения отдельных файлов с одного устройства на другое и т. д.).

Пример использования:

#include <stdio.h>

main()

{ int result;

.....................................................

.....................................................

.....................................................

result = rename("c:\\programs\myprog", "c:\\myprog");

.....................................................

.....................................................

.....................................................

}

Имя функции и назначение: chdir - изменяет текущий каталог

Формат и описание аргументов:

int chdir(pathname)

char *pathname; /* Имя нового текущего каталога */

Возвращаемое значение равно нулю при нормальном изменении текущего каталога и -1 в случае возникновения ошибки.

Пример использования:

#include <direct.h>

main()

{ ................

................

................

chdir("..\\..");

................

................

................

}

Имя функции и назначение: mkdir - создает новый каталог

Формат и описание аргументов:

int mkdir(pathname)

char *pathname; /* Имя создаваемого каталога */

Возвращаемое значение равно нулю при нормальном завершении операции и -1 в противном случае.

Пример использования:

#include <direct.h>

main()

{ int result;

.............................

.............................

result = mkdir("b:\\newdir");

.............................

.............................

}

Имя функции и назначение: rmdir - удаляет существующий каталог

Формат и описание аргументов:

int rmdir(pathname)

char *pathname; /* Имя удаляемого каталога */

Удаляемый этой функцией каталог должен быть пустым и не может являться текущим или корневым каталогом. Возвращаемое значение равно нулю при нормальном завершении операции и -1 в случае возникновения ошибки.