Текст книги "Основы программирования в Linux"

Автор книги: Нейл Мэтью

Соавторы: Ричард Стоунс
сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 67 страниц)

Стандартная библиотека ввода/вывода

Стандартная библиотека ввода/вывода (stdio) и ее заголовочный файл stdio.h предоставляют универсальный интерфейс для системных вызовов ввода/вывода нижнего уровня. Библиотека, теперь часть языка С стандарта ANSI, в отличие от системных вызовов, с которыми вы встречались ранее, включает много сложных функций для форматирования вывода и просмотра ввода. Она также обеспечивает необходимые условия буферизации для устройств.

Во многих случаях эта библиотека используется так же, как низкоуровневые дескрипторы файлов. Вы должны открыть файл для установления пути доступа. Это действие возвращает значение, применяемое как параметр в других функциях библиотеки ввода/вывода. Эквивалент низкоуровневого дескриптора файла называется потоком и реализуется как указатель на структуру FILE*.

Примечание

Не путайте эти потоки файлов с потоками ввода/вывода в языке С++ и механизмом STREAMS, описывающим взаимодействие процессов и введенным в системе AT&T UNIX System V Release 3, который не рассматривается в данной книге. Для получения дополнительной информации о средствах STREAMS обратитесь к спецификации X/Open (по адресу http://www.opengroup.org) и руководству по программированию AT&T STREAMS Programming Guide, поставляемому с системой System V.

Три файловых потока открываются автоматически при старте программы. К ним относятся stdin, stdout и stderr. Эти потоки объявлены в файле stdio.h и представляют вывод, ввод и стандартный поток ошибок, которым соответствуют низкоуровневые файловые дескрипторы 0, 1 и 2.

В данном разделе мы рассмотрим следующие функции:

□ fopen, fclose;

□ fread, fwrite;

□ fflush;

□ fseek;

□ fgetc, getc, getchar;

□ fputc, putc, putchar;

□ fgets, gets;

□ printf, fprintf и sprintf;

□ scanf, fscanf и sscanf;

□ fopen.

fopen

Библиотечная функция fopen – это аналог низкоуровневого системного вызова open. Она используется в основном для файлов и терминального, ввода и вывода. Там, где нужно явное управление устройствами, больше подойдут системные вызовы, поскольку они устраняют потенциальные нежелательные побочные эффекты применения библиотек, например, в случае буферизации ввода/вывода.

Далее приведена синтаксическая запись функции:

#include

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);

Функция fopen открывает файл, заданный в параметре filename, и ассоциирует с ним поток. Параметр mode описывает, как файл должен быть открыт. Он задается одной из следующих строк:

□ "r" или "rb" – открыть только для чтения;

□ "w" или "wb" – открыть для записи, укоротить до нулевой длины;

□ "а" или "ab" – открыть для записи, дописывать в конец файла;

□ "r+" или "rb+" или "r+b" – открыть для изменения (чтение и запись);

□ "w+" или "wb+" или "w+b" – открыть для изменения, укоротить до нулевой длины;

□ "a+" или "ab+" или "а+b" – открыть для изменения, дописывать в конец файла. Символ b означает, что файл бинарный, а не текстовый.

Примечание

В отличие от MS-DOS, системы UNIX и Linux не делают различий между текстовыми и бинарными файлами. UNIX и Linux обрабатывают их одинаково с эффективностью обработки бинарных файлов. Важно также учесть, что параметр mode должен быть строкой, а не символом. Всегда применяйте двойные кавычки, а не апострофы.

В случае успешного завершения функция fopen возвращает ненулевой указатель на структуру FILE*. В случае сбоя она вернет значение NULL, определенное в файле stdio.h.

Количество доступных потоков ограничено, как и число дескрипторов файлов. Реальное предельное значение содержится в определенной в файле stdio.h константе FOPEN_MAX и всегда не менее 8, а в ОС Linux обычно 16.

fread

Библиотечная функция fread применяется для чтения данных из файлового потока. Данные считываются из потока stream в буфер данных, заданный в параметре ptr. Функции fread и fwrite имеют дело с записями данных. Записи описываются размером size и количеством передаваемых записей nitems. Функция возвращает количество записей (а не байтов), успешно считанных в буфер данных. При достижении конца файла может быть возвращено меньше записей, чем nitems, вплоть до нуля.

Далее приведена синтаксическая запись функции:

#include

size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nitems, FILE *stream);

Как и в других функциях стандартного ввода/вывода, записывающих данные в буфер, выделять место для данных и проверять ошибки должен программист. См. также функции ferror и feof далее в этой главе.

fwrite

Интерфейс библиотечной функции fwrite аналогичен интерфейсу функции fread. Она принимает записи данных из заданного буфера данных и записывает их в поток вывода. Функция возвращает количество успешно записанных записей.

Далее приведена синтаксическая запись функции:

#include

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nitems, FILE *stream);

Примечание

Имейте в виду, что функции fread и fwrite не рекомендуется применять со структурированными данными. Частично проблема заключается в том, что файлы, записанные функцией fwrite, могут быть непереносимыми между машинами с разной архитектурой.

fclose

Библиотечная функция fclose закрывает заданный поток stream, заставляя записать все незаписанные данные. Важно применять функцию fclose, поскольку библиотека stdio будет использовать буфер для данных. Если программе нужна уверенность в том, что все данные записаны, следует вызвать fclose. Имейте в виду, что функция fclose вызывается автоматически для всех файловых потоков, которые все еще открыты к моменту нормального завершения программы, но при этом у вас, конечно же, не будет возможности проверить ошибки, о которых сообщает fclose.

Далее приведена синтаксическая запись функции:

#include

int fclose(FILE* stream);

fflush

Библиотечная функция fflush вызывает немедленную запись всех данных файлового потока, ждущих выполнения операции записи. Вы можете применять ее, например, чтобы убедиться, что интерактивное приглашение отправлено на терминал до того, как делается попытка считать ответ. Эта функция также полезна, если вы хотите, прежде чем продолжить выполнение, убедиться в том, что важные данные помещены на диск. Ее можно применять в некоторых случаях при отладке программы, чтобы быть уверенным в том, что программа действительно записывает данные, а не зависла. При вызове функции fclose выполняется неявная операция fflush, поэтому перед fclose не нужно вызывать функцию fflush.

Далее приведена синтаксическая запись функции:

#include

int fflush(FILE *stream);

fseek

Функция fseek – это эквивалент для файлового потока системного вызова lseek. Она задает в stream позицию для следующей операции чтения этого потока или записи в него. Значения и смысл параметров offset и whence такие же, как у ранее описанных одноименных параметров вызова lseek. Но там, где lseek возвращает off_t, функция fseek возвращает целое число: 0, если выполнилась успешно, и -1 при аварийном завершении с ошибкой, указанной в переменной errno. Какое поле деятельности для стандартизации!

Далее приведена синтаксическая запись функции:

#include

int fseek(FILE *stream, long int offset, int whence);

fgetc, getc и getchar

Функция fgetc возвращает из файлового потока следующий байт как символ. Когда она достигает конца файла или возникает ошибка, функция возвращает EOF. Для того чтобы различить эти два случая, следует применять функции ferror или feof.

Далее приведена синтаксическая запись функций:

#include

int fgetc(FILE *stream);

int getc(FILE *stream);

int getchar();

Функция getc эквивалентна fgetc за исключением того, что может быть реализована как макрос. В этом случае аргумент stream может определяться несколько раз, поэтому он лишен побочных эффектов (например, не затронет переменные). К тому же вы не можете гарантировать возможности применения адреса getc как указателя функции.

Функция getchar эквивалентна вызову функции getc(stdin) и читает следующий символ из стандартного ввода.

fputc, putc и putchar

Функция fputc записывает символ в файловый поток вывода. Она возвращает записанное значение или EOF в случае аварийного завершения.

#include

int fputc(int с, FILE *stream); int putc(int c, FILE *stream); int putchar(int c);

Как и в случае функций fgetc/getc, функция putc – эквивалент fputc, но может быть реализована как макрос.

Функция putchar – то же самое, что вызов putc(с, stdout), записывающий один символ в стандартный вывод. Имейте в виду, что функция putchar принимает, а функция getchar возвращает символы как данные типа int, а не char. Это позволяет индикатору конца файла (EOF) принимать значение -1, лежащее вне диапазона кодов символов.

fgets и gets

Функция fgets читает строку из файла ввода stream.

#include

char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);

char *gets(char *s);

Функция fgets пишет символы в строку, заданную указателем s, до тех пор, пока не встретится новая строка, либо не будет передано n-1 символов, либо не будет достигнут конец файла. Любая встретившаяся новая строка передается в строку, принимающую символы, и добавляется завершающий нулевой байт . Любой вызов передает максимум n-1 символов, т.к. должен быть вставлен нулевой байт, обозначающий конец строки и увеличивающий общее количество до n байтов.

При успешном завершении функция fgets возвращает указатель на строку s. Если поток указывает на конец файла, она устанавливает индикатор EOF для потока и возвращает пустой указатель. Если возникает ошибка чтения, fgets возвращает пустой указатель и устанавливает значение переменной errno, соответствующее типу ошибки.

Функция gets аналогична fgets за исключением того, что она читает из стандартного ввода и отбрасывает любые обнаруженные обозначения новой строки. Функция добавляет завершающий нулевой байт в принимающую строку.

Примечание

Учтите, что функция gets не ограничивает количество символов, которые могут передаваться, поэтому она может переполнить свой пересылочный буфер. По этой причине вам следует избегать применения этой функции и заменять ее функцией fgets. Многие проблемы безопасности порождены функциями в программах, сделанных для переполнения буфера тем или иным способом. Это одна из таких функций, поэтому будьте осторожны!

Форматированные ввод и вывод

Для создания вывода управляемого вида существует ряд библиотечных функций, с которыми вы, возможно, знакомы, если программируете на языке С. К ним относятся функция printf и родственные функции для вывода значений в файловый поток, а также scanf и другие функции для чтения значений из файлового потока.

printf, fprintf и sprintf

Семейство функций printf форматирует и выводит переменное число аргументов разных типов. Способ их представления в потоке вывода управляется параметром format, являющимся строкой с обычными символами и кодами, называемыми спецификаторами преобразований, указывающими, как и куда выводить остальные аргументы.

#include

int printf(const char *format, ...);

int sprintf(char *s, const char *format, ...);

int fprintf(FILE * stream, const char *format, ...);

Функция printf выводит результат в стандартный вывод. Функция fprintf выводит результат в заданный файловый поток stream. Функция sprintf записывает результат и завершающий нулевой символ в строку s, передаваемую как параметр. Эта строка должна быть достаточно длинной, чтобы вместить весь вывод функции.

У семейства printf есть и другие члены, обрабатывающие свои аргументы различными способами. См. подробную информацию на страницах интерактивного руководства.

Обычные символы передаются в вывод без изменений. Спецификаторы преобразований заставляют функцию printf выбирать и форматировать дополнительные аргументы, передаваемые как параметры. Спецификаторы всегда начинаются с символа %. Далее приведен простой пример:

printf(«Some numbers: %d, %d, and &dn», 1, 2, 3);

Он порождает в стандартном выводе следующую строку.

Some numbers: 1, 2, and 3

Для вывода символа % следует применять последовательность %%, чтобы не путать его со спецификатором преобразования.

Далее перечислены наиболее часто применяемые спецификаторы преобразований:

□%d, %i – выводить целое как десятичное число;

□ %о, %x – выводить целое как восьмеричное, шестнадцатеричное число;

□%с – выводить символ;

□ %s – выводить строку;

□ %f – выводить число с плавающей точкой (одинарной точности);

□%e – выводить число с двойной точностью в формате фиксированной длины;

□%g – выводить число двойной точности в общем формате.

Очень важно, чтобы число и тип аргументов, передаваемых функции printf, соответствовали спецификаторам преобразования в строке format. Необязательный спецификатор размера применяется для обозначения типа целочисленных аргументов.

Он может быть равен h, например, %hd для обозначения типа short int (короткие целые), или l, например, %ld для обозначения типа long int (длинные целые). Некоторые компиляторы могут проверять эти установки printf, но они ненадежны. Если вы применяете компилятор GNU gcc, можно вставить для этого в команду компиляции опцию -Wformat.

Далее приведен еще один пример:

char initial = 'А';

char *surname = «Matthew»;

double age = 13.5;

printf(«Hello Mr %c %s, aged %gn», initial, surname, age);

Будет выводиться следующая информация:

Hello Mr A Matthew, aged 13.5

Вы можете добиться большего при выводе элементов с помощью спецификаторов полей. Они расширяют возможности спецификаторов преобразований, управляя расположением элементов при выводе. Обычно задается количество десятичных разрядов для числа с плавающей точкой или величина пробельных отступов, обрамляющих строку.

Спецификаторы полей задаются в виде чисел, следующих в спецификаторах преобразований непосредственно за знаком %. В табл. 3.5 приведены дополнительные примеры использования спецификаторов преобразований и результирующий вывод. Для большей ясности мы применяем знак вертикальной черты, чтобы показать границы вывода.

Таблица 3.5

%10s	«Hello»	|     Hello|
%-10s	«Hello»	|Hello     |
%10d	1234	|      1234|
%-10d	1234	|1234      |
%010d	1234	|0000001234|
%10.4f	12.34	|   12.3400|
%*s	10, «Hello»	|     Hello|

Все приведенные примеры выводятся в поле шириной 10 символов. Обратите внимание на то, что отрицательная ширина поля означает выравнивание элемента по левому краю в пределах поля. Переменная ширина поля обозначается символом «звездочка» (*). В этом случае следующий аргумент применяется для задания ширины. Ведущий ноль указывает на вывод элемента с ведущими нулями. В соответствии со стандартом POSIX функция printf не обрезает поля; наоборот она расширяет поле, чтобы вместить в него аргумент. Например, если вы попытаетесь вывести строку большей длины, чем заданное поле, ширина поля будет увеличена (табл. 3.6).

Таблица 3.6

%10s	«HelloTherePeeps»	|HelloTherePeeps|

Функции семейства printf возвращают целое число, равное количеству выведенных символов. В случае функции sprintf в него не включается завершающий нуль-символ. При наличии ошибок эти функции возвращают отрицательное значение и задают переменную errno.

scanf, fscanf и sscanf

Семейство функций scanf действует аналогично функциям группы printf за исключением того, что эти функции читают элементы из потока и помещают их в переменные, адреса которых им передаются как параметры-указатели. Для управления преобразованиями ввода функции применяют строку format аналогичным образом и используют многие спецификаторы преобразований функций группы printf.

#include

int scanf(const char *format, ...);

int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);

int sscanf(const char *s, const char *format, ...);

Очень важно, чтобы переменные, используемые для хранения значений, считываемых функциями scanf, имели корректный тип и точно соответствовали строке формата. Если это не так, используемая память может быть искажена и программа может завершиться аварийно. При этом не будет обнаружено никаких ошибок компиляции. Если повезет, вы можете получить предупреждающее сообщение!

Строка format функции scanf и других функций этого семейства, как и в случае функции printf, содержит как обычные символы, так и спецификаторы преобразований. Но обычные символы применяются для задания символов, которые должны присутствовать во вводе.

Рассмотрим простой пример:

int num;

scanf(«Hello %d», &num);

Вызов функции scanf будет успешным, только если следующие пять символов в стандартном вводе – Hello. Затем, если следующие символы формируют распознаваемое десятичное число, оно будет считано и присвоено переменной num. Пробел в строке формата при вводе применяется для игнорирования во вводном файле всех пробельных символов (пробелы, табуляции, переводы страницы и переходы на новую строку) между спецификаторами преобразований. Это означает, что вызов, scanf будет успешным и поместит 1234 в переменную num в случае следующих двух вариантов ввода.

Hello    1234

Hellol234

Пробельные символы обычно игнорируются во вводе, когда начинается преобразование. Это означает, что строка формата %d будет продолжать чтение из вводного файла, пропуская пробелы и переходы на новую строку до тех пор, пока будет продолжаться цифровая последовательность. Если ожидаемые символы отсутствуют, преобразование аварийно завершается и выполнение функции прекращается.

Примечание

Если не соблюдать осторожность, могут возникнуть проблемы. В вашей программе может появиться бесконечный цикл, если во вводе оставить нецифровой символ при считывании целых чисел.

К другим спецификаторам преобразований относятся следующие:

□%d – считывание десятичного целого;

□%o, %x – считывание восьмеричного, шестнадцатеричного целого;

□%f, %e, %g – считывание числа с плавающей запятой;

□%c – считывание символа (пробельный символ не пропускается);

□ %s – считывание строки;

□ %[] – считывание множества символов (см. последующее обсуждение);

□ %% – считывание знака %.

Как и в случае printf, у спецификаторов преобразований функции scanf есть ширина поля, ограничивающая объем ввода. Спецификатор размера (h для коротких или l для длинных целых) показывает, короче или длиннее стандартного получаемый аргумент. Таким образом, %hd обозначает число типа short int, %ld – число типа long int и %lg – число с плавающей точкой двойной точности.

Спецификатор, начинающийся со звездочки, указывает на то, что элемент игнорируется. Это значит, что информация не сохраняется, и, следовательно, для ее получения не нужна переменная.

Применяйте спецификатор %c для чтения одиночного символа во вводе. Он не пропускает начальные пробельные символы.

Используйте спецификатор %s для чтения строк, но будьте осторожны. Он пропускает ведущие пробельные символы, но останавливается перед первым пробельным символом, встретившимся в строке, поэтому лучше применять его для чтения слов, а не целых строк. Кроме того, длина строки, которую он может прочесть, ограничивается только спецификатором ширины поля, поэтому принимающая строка должна быть достаточной для хранения самой длинной строки из вводного потока.

Лучше применять спецификатор ширины поля или комбинацию функций fgets и sscanf для считывания строки ввода, а затем просматривать ее. Это защитит от возможных переполнений буфера, которые может спровоцировать злонамеренный пользователь.

Применяйте спецификатор %[] для чтения строки, составленной из символов, включенных в множество. Формат %[A-Z] будет читать строку из прописных букв латинского алфавита. Если в множестве первый символ – знак вставки (^), то спецификатор считывает строку, состоящую из символов, не входящих в множество. Итак, для того чтобы прочитать строку с пробелами, но остановиться на первой запятой, примените спецификатор %[^, ].

Если задана следующая строка ввода:

Hello, 1234, 5.678, X, string to the end of the line

приведенный далее вызов scanf корректно считает четыре элемента:

char s[256];

int n;

float f;

char c;

scanf(«Hello, %d, %g, %c, %[^n]», &n, &f, &c, s);

Функции семейства scanf возвращают количество успешно считанных элементов. Оно может быть нулевым, если сбой возник при чтении первого элемента. Если достигнут конец ввода прежде, чем найдено соответствие первому элементу, возвращается EOF. Если в файловом потоке возникает ошибка чтения, устанавливается флаг ошибки потока и тип ошибки задается в переменной errno. Более подробную информацию см. в разд. «Ошибки потока» далее в этой главе.

Функция scanf и другие члены семейства, как правило, не высоко ценятся в основном по трем причинам:

□ традиционно их реализации полны ошибок;

□ в использовании эти функции не гибки;

□ они могут привести к созданию программного кода, в котором трудно решить, что подвергать синтаксическому анализу.

В качестве альтернативы попытайтесь применять другие функции, такие как fread или fgets, для чтения строк ввода, а затем воспользуйтесь строковыми функциями для разделения введенной строки на нужные элементы.