Тема урока: «Файлы и файловые структуры». Файловые системы. Типы файловых систем. Операции с файлами. Каталоги. Операции с каталогами. (5)

Файлы и файловая структура

В компьютерных технологиях единицей хранения данных является объект переменной длины, называемый файлом . Файл – - это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным именем. Файловые системы создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных. Таким образом, файловая система – - это система управления данными.

Имя файла имеет особое значение – - оно фактически несет в себе адресные функции в иерархических структурах. Кроме того, имя может иметь расширение , в котором хранятся сведения о типе данных. Если имена создаваемых файлов пользователь может задавать произвольно, то в использовании расширений следует придерживаться некоторой традиции. Например, в операционной системе MS DOS файлы с расширениями:: .com, .exe, .bat – - исполняемые; .bat, .txt, .doc – - текстовые; .pas, .bas, .c, .for – - тексты программ на известных языках программирования: (Паскале, Бейсике, Си, Фортране соответственно); .dbf – - файл базы данных. В различных операционных системах существуют ограничения на длину имени и расширения имени файла. Так, в MS DOS длина имени файла не должна превышать восьми символов, а расширение – - трех, т. е. используется стандарт 8.3. В операционной системе Windows ограничения значительно менее жесткие.

Для пользователя файл является основным и неделимым элементом хранения данных, который можно найти, изменить, удалить, сохранить либо переслать на устройство или на другой компьютер, но только целиком.

Файловая система – - это часть операционной системы компьютера и поэтому всегда несет на себе отпечаток свойств конкретной операционной системы. Файловая система скрывает от пользователя картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, т. е. логический уровень работы с файлами. При работе с файлами пользователю предоставляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т. п., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.

Наиболее распространенным видом файлов, внутренняя структура которых обеспечивается файловыми системами различных операционных систем, являются файлы с последовательной структурой. Файлы в этом случае представляются в виде набора составных элементов, называемых логическими записями произвольной длины и с последовательным доступом. В ряде операционных систем предусматривается использование более сложных логических структур файлов, например, древовидной структуры. На физическом уровне блоки файла могут размещаться в памяти непрерывной областью или храниться несмежно. Вся учетная информация о расположении файлов на магнитном диске сводится в одно место – - каталог или директорию диска. Каталог представляет собой список элементов, каждый из которых описывает характеристики конкретного файла, используемые для организации доступа к нему – - имя файла, его тип, местоположение на диске, размер. Каталогов может быть большое число, и они связываются в информационные структуры, например, в иерархическую (древовидную) систему каталогов. Каждый каталог рассматривается как файл и имеет собственное имя. Полное имя каталога или файла в такой структуре задает путь переходов между каталогами и файлами в логической структуре каталогов (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Иерархическая система каталогов

Структура самых файлов может быть тривиальной. Например, текст может сохраняться в виде последовательности байтов, соответствующих кодировке таблицы ASCII. Однако в большинстве случаев вместе с данными приходится хранить и некоторую дополни

тельную информацию. Способ организации данных в файле, т. е. структура файла, называется форматом . Формат файла определяет способ правильной интерпретации хранимых данных. Существует довольно много различных форматов файлов. Некоторые из них стандартизированы и поддерживаются любой операционной системой, некоторые специфичны только для данных операционных систем. Часто заголовок файла включает идентификатор формата файла. Современные программные системы позволяют одновременно включать в файл данные разных видов, т. е. файл может иметь очень сложный формат. Например, в документ MS Word можно включать текст, картинки, таблицы, формулы и многое другое.

В большинстве случаев пользователю ничего не нужно знать о внутреннем устройстве файлов. Это уровень абстракции интерфейса операционных систем.

Все программы и данные хранятся в долговременной памяти компьютера в виде файлов .

Определение 1

Файл – поименованная совокупность данных, записанных на носитель. Любой файл имеет имя, состоящее из двух частей, отделяемых точкой, - собственно имени и расширения. При задании имени файла желательно, чтобы оно указывало или на содержимое файла, или на автора.

Расширение указывает на вид информации, хранящийся в файле. Имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании.

Рисунок 1.

Имя файла может содержать до $255$ символов, включая расширение. Имя файла может состоять из английских и русских букв, цифр и др. символов.

В именах файлов запрещено использовать знаки:

\ / * ? : “ | .

Расширение некоторых типов файлов:

Рисунок 2.

Кроме имени и типа параметрами файла также являются: размер файла, дата и время создания, значок (элементарный графический объект, по нему можно узнать, в какой среде создан файл или какого он типа).

Рисунок 3.

Классификация значков файлов

Рисунок 4.

Определение 2

Файловая структура – совокупность файлов и взаимосвязь между ними.

Одноуровневая файловая структура используется для дисков с небольшим количеством файлов и представляет собой линейную последовательность имен файлов.

Многоуровневая файловая структура используется, если на диске хранятся тысячи файлов, сгруппированных в папки. Многоуровневость подразумевает систему вложенных папок с файлами.

Каждый диск имеет логическое имя, обозначаемое латинской буквой со знаком двоеточия:

• C:, D:, E: и т.д. – жесткие и оптические диски,
• А:, В: - гибкие диски.

Папкой верхнего уровня для диска является корневая папка, которая в OS Windows обозначается добавлением к имени диска значка «\», например, D:\ - обозначение корневой папки.

Пример файловой структуры :

Рисунок 5.

Каталог - это папка или директория, куда помещают файлы и другие каталоги.

Каталог, который не является подкаталогом ни одного другого каталога , называется корневым . Такой каталог находится на самом верхнем уровне иерархии всех каталогов. В Windows каждый из дисков имеет свой корневой каталог (D:\, C:\, E:).

Каталоги в OS Windows делятся на системные и пользовательские. Пример системных каталогов: «Рабочий стол», «Сетевое окружение», «Корзина», «Панель управления».

Рисунок 6. Системные каталоги OS Windows

Слева направо: системная папка

Корзина, папка Мои документы, ярлык к папке Мои документы

Каталог и папка физически одно и тоже.

Путь к файлу – это его адрес.

Путь к файлу всегда начинается с указанием логического имени диска (D:\, C:\, E:), затем записывается последовательность имен вложенных друг в друга папок, в последней папке содержится нужный файл. Путь к файлу вместе с именем файла называют полным именем файла, например: D:\Мои документы\Литература\Сочинение.doc полное имя файла Сочинение.doc.

Рисунок 7. Дерево каталогов и файлов

Схематично файловую структуру диска представляют в виде дерева.

Рисунок 8. Файловая структура диска Z:

• Z:\box\box1 – полное имя папки (каталога) box1
• Z:\box\box.txt – полное имя файла box.txt
• Z:\box\box2\box3\box1 - полное имя папки (каталога) box1
• Z:\box\box2\box3\box.txt - полное имя файла box.txt

Файловые системы. Типы файловых систем. Операции с файлами. Каталоги. Операции с каталогами.

Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные.

Основные цели использования файла.

Долговременное и надежное хранение информации . Долговременность достигается за счет использования запоминающих устройств, не зависящих от питания, а высокая надежность определяется средствами защиты доступа к файлам и общей организацией программного кода ОС, при которой сбои аппаратуры чаще всего не разрушают информацию, хранящуюся в файлах.

Совместное использование информации . Файлы обеспечивают естественный и легкий способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет наличия понятного человеку символьного имени и постоянства хранимой информации и расположения файла. Пользователь должен иметь удобные средства работы с файлами, включая каталоги-справочники, объединяющие файлы в группы, средства поиска файлов по признакам, набор команд для создания, модификации и удаления файлов. Файл может быть создан одним пользователем, а затем использоваться совсем другим пользователем, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. Эти цели реализуются в ОС файловой системой.

Файловая система (ФС) - это часть операционной системы, включающая:

совокупность всех файлов на диске;

наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;

комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

Таким образом, файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирующего все сложности физической организации долговременного хранилища данных, и создающего для программ более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляя им набор удобных в использовании команд для манипулирования файлами.

Широко известны следующие файловые системы:

файловая система операционной системы MS - DOS , в основу которой положена таблица размещения файлов - FAT ( File Allocation Table ).

Таблица содержит сведения о расположении всех файлов (каждый файл делится на кластеры в соответствии с наличием свободного места на диске, кластеры одного файла не обязательно расположены рядом). Файловая система MS-DOS имеет значительные ограничения и недостатки, например, под имя файла отводится 12 байт, работа с жестким диском большого объема приводит к значительной фрагментации файлов;

Основные функции в такой ФС нацелены на решение следующих задач:

именование файлов;

программный интерфейс для приложений;

отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств.

OS /2 , называемая HPFS ( High - Performance File System - быстродействующая файловая система).

Обеспечивает возможность иметь имя файла до 254 символов. Файлы, записанные на диск, имеют минимальную фрагментацию. Может работать с файлами, записанными в MS DOS;

К перечисленным выше задачам добавляется новая задача совместного доступа к файлу из нескольких процессов. Файл в этом случае является разделяемым ресурсом, а значит, файловая система должна решать весь комплекс проблем, связанных с такими ресурсами. В частности, в ФС должны быть предусмотрены средства блокировки файла и его частей, предотвращения гонок, исключение тупиков, согласование копий и т. п.

В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя.

файловая система операционной системы Windows 95

Имеет уровневую структуру, что позволяет поддерживать одновременно несколько файловых систем. Старая файловая система MS-DOS поддерживается непосредственно, а файловые системы разработанные не фирмой Microsoft , поддерживаются с помощью специальных модулей . Имеется возможность использовать длинные (до 254 символов) имена файлов.

файловые системы операционной системы Unix

Они обеспечивают унифицированный способ доступа к файловым системам ввода-вывода.

Права доступа к файлу практически определяют права доступа к системе (владелец файла – пользователь, который его создал).

Типы файлов

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят обычные файлы, файлы-каталоги, специальные файлы, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы и другие.

Обычные файлы , или просто файлы, содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство современных операционных систем (например, UNIX, Windows, OS/2) никак не ограничивает и не контролирует содержимое и структуру обычного файла. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает. Например, текстовый редактор создает текстовые файлы, состоящие из строк символов, представленных в каком-либо коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т. п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют коды символов, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например исполняемый код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Каталоги - это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо неформальному признаку (например, в одну группу объединяются файлы, содержащие документы одного договора, или файлы, составляющие один программный пакет). Во многих операционных системах в каталог могут входить файлы любых типов, в том числе другие каталоги, за счет чего образуется древовидная структура, удобная для поиска. Каталоги устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для управления файлами. В число таких характеристик входит, в частности, информация (или указатель на другую структуру, содержащую эти данные) о типе файла и расположении его на диске, правах доступа к файлу и датах его создания и модификации. Во всех остальных отношениях каталоги рассматриваются файловой системой как обычные файлы.

Специальные файлы - это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода посредством обычных команд записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются операционной системой в команды управления соответствующим устройством.

Современные файловые системы поддерживают и другие типы файлов, такие как символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы.

Иерархическая структура файловой системы

Пользователи обращаются к файлам по символьным именам. Однако способности человеческой памяти ограничивают количество имен объектов, к которым пользователь может обращаться по имени. Иерархическая организация пространства имен позволяет значительно расширить эти границы. Именно поэтому большинство файловых систем имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня (рис. 7.3).

Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог (рис. 7.3, б), и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов (рис. 7.3, в). Например, в MS-DOS и Windows каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX - сетевую. В древовидной структуре каждый файл является листом. Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом, или корнем ( root ).

При такой организации пользователь освобожден от запоминания имен всех файлов, ему достаточно примерно представлять, к какой группе может быть отнесен тот или иной файл, чтобы путем последовательного просмотра каталогов найти его. Иерархическая структура удобна для многопользовательской работы: каждый пользователь со своими файлами локализуется в своем каталоге или поддереве каталогов, и вместе с тем все файлы в системе логически связаны.

Частным случаем иерархической структуры является одноуровневая организация, когда все файлы входят в один каталог (рис. 7.3, а).

Имена файлов

Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных файловых системах обычно используются три типа имен -файлов: простые, составные и относительные.

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени. До сравнительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так, в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивались схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в файловой системе s5, поддерживаемой многими версиями ОС UNIX, простое символьное имя не могло содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в этом файле. Поэтому современные файловые системы, а также усовершенствованные варианты уже существовавших файловых систем, как правило, поддерживают длинные простые символьные имена файлов. Например, в файловых системах NTFS и FAT32, входящих в состав операционной системы Windows NT, имя файла может содержать до 255 символов.

В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным каталогам. То есть здесь работает схема «много файлов - одно простое имя». Для одпозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.

Полное имя представляет собой цепочку простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла. Таким образом, полное имя является составным, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. Часто в качестве разделителя используется прямой или обратный слеш, при этом принято не указывать имя корневого каталога. На рис. 7.3, б два файла имеют простое имя main.exe, однако их составные имена /depart/main.ехе и /user/anna/main.exe различаются.

В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие «один файл - одно полное имя». В файловых системах, имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько каталогов, а значит, иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл - много полных имен». В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем.

Файл может быть идентифицирован также относительным именем. Относительное имя файла определяется через понятие «текущий каталог». Для каждого пользователя в каждый момент времени один из каталогов файловой системы является текущим, причем этот каталог выбирается самим пользователем по команде ОС. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, чтобы затем использовать его как дополнение к относительным именам для образования полного имени файла. При использовании относительных имен пользователь идентифицирует файл цепочкой имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла. Например, если текущим каталогом является каталог /user, то относительное имя файла /user/anna/main.exe выглядит следующим образом: anna/ main.exe.

В некоторых операционных системах разрешено присваивать одному и тому же файлу несколько простых имен, которые можно интерпретировать как псевдонимы. В этом случае, так же как в системе с сетевой структурой, устанавливается соответствие «один файл - много полных имен», так как каждому простому имени файла соответствует по крайней мере одно полное имя.

И хотя полное имя однозначно определяет файл, операционной системе проще работать с файлом, если между файлами и их именами имеется взаимно однозначное соответствие. С этой целью она присваивает файлу уникальное имя, так что справедливо соотношение «один файл - одно уникальное имя». Уникальное имя существует наряду с одним или несколькими символьными именами, присваиваемыми файлу пользователями или приложениями. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и предназначено только для операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Атрибуты файлов

Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты - это информация, описывающая свойства файла. Примеры возможных атрибутов файла:

тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);

владелец файла;

создатель файла;

пароль для доступа к файлу;

информация о разрешенных операциях доступа к файлу;

времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

текущий размер файла;

максимальный размер файла;

признак «только для чтения»;

признак «скрытый файл»;

признак «системный файл»;

признак «архивный файл»;

признак «двоичный/символьный»;

признак «временный» (удалить после завершения процесса);

признак блокировки;

длина записи в файле;

указатель на ключевое поле в записи;

длина ключа.

Набор атрибутов файла определяется спецификой файловой системы: в файловых системах разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов. Например, в файловых системах, поддерживающих неструктурированные файлы, нет необходимости использовать три последних атрибута в приведенном списке, связанных со структуризацией файла. В однопользовательской ОС в наборе атрибутов будут отсутствовать характеристики, имеющие отношение к пользователям и защите, такие как владелец файла, создатель файла, пароль для доступа к файлу, информация о разрешенном доступе к файлу.

Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предоставленные для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять - только некоторые. Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходимыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.

Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это сделано в файловой системе MS-DOS (рис. 7.6, а). На рисунке представлена структура записи в каталоге, содержащая простое символьное имя и атрибуты файла. Здесь буквами обозначены признаки файла: R - только для чтения, А - архивный, Н - скрытый, S - системный.

Рис. 7.6. Структура каталогов: а - структура записи каталога MS-DOS (32 байта), б - структура записи каталога ОС UNIX

Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, когда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. Такой подход реализован, например, в файловой системе ufs ОС UNIX. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла, так называется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла (рис. 7.6, б).

В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами. Однако подход, когда имя файла отделено от его атрибутов, делает систему более гибкой. Например, файл может быть легко включен сразу в несколько каталогов. Записи об этом файле в разных каталогах могут содержать разные простые имена, но в поле ссылки будет указан один и тот же номер индексного дескриптора.

Операции над файлами

Большинство современных ОС рассматривают файл как неструктурированную последовательность байт переменной длины. В стандарте POSIX над файлом определены следующие операции:

int open ( char * fname , int flags , mode _ t mode )

Эта операция ``открывает"" файл, устанавливая соединение между программойи файлом. При этом программа получает дескриптор файла - целоечисло, идентифицирующее данное соединение. Фактически это индекс в системнойтаблице открытых файлов для данной задачи. Все остальные операции используютэтот индекс для ссылки на файл.

Параметр char * fname задает имя файла.int flags - это битовая маска, определяющая режим открытия файла.Файл может быть открыт только на чтение, только на запись и начтение и запись; кроме того, можно открывать существующий файл,а можно пытаться создать новый файл нулевой длины.Необязательный третий параметр mode используется толькопри создании файла и задает атрибуты этого файла.

off _ t lseek ( int handle , off _ t offset , int whence )

Эта операция перемещает указатель чтения/записи в файле.Параметр offset задает количество байт, на которое нужно сместитьуказатель, а параметр whence - откуда отсчитывать смещение.Предполагается, что смещение можно отсчитывать от начала файла(SEEK_SET), от его конца (SEEK_END) и от текущегоположения указателя (SEEK_CUR). Операция возвращает положениеуказателя, отсчитываемое от начала файла. Таким образом, вызовlseek(handle, 0, SEEK_CUR) возвратит текущее положение указателя,не передвигая его.

int read(int handle, char * where, size_t how_much)

Операция чтения из файла. Указатель where задает буфер,куда нужно поместитьпрочитанные данные; третий параметр указывает, сколько данных надо считать.Система считывает требуемое число байт из файла, начиная с указателячтения/записи в этом файле, и перемещает указатель к концу считаннойпоследовательности. Если файл кончился раньше, считывается столько данных,сколько оставалось до его конца. Операция возвращает количествосчитанных байт. Если файл открывался только для записи, вызов readвозвратит ошибку.

int write(int handle, char * what, size_t how_much)

Операция записи в файл. Указатель what задает начало буфера данных;третий параметр указывает, сколько данных надо записать.Система записывает требуемое число байт в файл, начиная с указателячтения/записи в этом файле, заменяя хранившиеся на в этом месте данные,и перемещает указатель к концу записанного блока. Если файл кончился раньше,его длина увеличивается. Операция возвращает количество записанных байт.

Если файл открывался только для чтения, вызов write возвратит ошибку.

int ioctl(int handle, int cmd, ...) ; int fcntl ( int handle , int cmd , ...)

Дополнительные операции над файлом. Первоначально, по-видимому,предполагалось, что ioctl - это операции над самим файлом,а fcntl - это операции над дескриптором открытого файла,но потом историческое развитие несколько перемешало функции этих системныхвызовов. Стандарт POSIX определяет некоторые операции как наддескриптором, например дублирование (в результате этой операции мы получаемдва дескриптора, связанных с одним и тем же файлом), так и над самим файлом,например, операцию truncate - обрезать файл до заданной длины.В большинстве версий Unix операцию truncate можноиспользовать и для вырезания данных из середины файла. При считывании данныхиз такой вырезанной области считываются нули, а сама эта область незанимает физического места на диске.

Важной операцией является блокировка участков файла.Стандарт POSIX предлагает для этой целибиблиотечную функцию, но в системах семейства Unix этафункция реализована через вызов fcntl.

Большинство реализаций стандарта POSIX предлагает и своидополнительные операции. Так, в Unix SVR 4 этими операциямиможно устанавливать синхронную или отложенную запись и т.д.

caddr_t mmap(caddr_t addr, size_t len, int prot, int flags, int handle, off_t offset)

Отображение участка файла в виртуальное адресное пространство процесса.Параметр prot задает права доступа к отображенному участку:на чтение, запись и исполнение. Отображение может происходитьна заданный виртуальный адрес, или же система может выбирать адрес дляотображения сама.

Еще две операции выполняются уже не над файлом, а над его именем:это операции переименования и удаления файла. В некоторых системах,например в системах семейства Unix , файл может иметьнесколько имен, и существует только системный вызов для удаления имени.Файл удаляется при удалении последнего имени.

Видно, что набор операций над файлом в этом стандарте очень похожна набор операций над внешним устройством. И то и другое рассматриваетсякак неструктурированный поток байт. Для полноты картины следует сказать,что основное средство межпроцессной коммуникации в системах семействаUnix (труба ) также представляет собойнеструктурированный поток данных. Идея о том, что большинство актов передачиданных может быть сведено к байтовому потоку, довольно стара, ноUnix был одной из первых систем, где эта идея была приближена клогическому завершению.

Примерно та же модель работы с файлами принята в CP / M ,а набор файловых системных вызовов MS DOS фактическископирован с вызовов Unix v 7 . В свою очередь, OS /2 и Windows NT унаследовали принципы работы с файламинепосредственно от MS DOS .

Напротив, в системах, не имеющих Unix в родословной,может использоваться несколько иная трактовка понятия файла.Чаще всего файл трактуется как набор записей. Обычно система поддерживаетзаписи как постоянной длины, так и переменной. Например, текстовый файлинтерпретируется как файл с записями переменной длины, а каждой строке текстасоответствует одна запись. Такова модель работы с файлами в VMS и в ОС линии OS /360 -MVS фирмы IBM.

Лабораторная работа №10

ВЫВОД НА ДИСК И ПРИНТЕР

Простое отображение информации на дисплее используется практически в каждой программе, но возможности его несколько ограничены. Даже использование временной остановки выполнения программы, чтобы дать пользователю возможность ознакомиться со всеми сообщениями, не решает проблемы полностью: как только сообщение уходит за пределы экрана, его уже невозможно прочитать без повторного запуска программы.

Более того, значения, присвоенные переменным, сохраняются только на время выполнения программы. Как только работа программы завершена, вся введенная информация теряется. Это означает, что если вы, например, ввели сведения о своей коллекции компакт-дисков в массив структурных переменных, они утрачиваются после завершения работы программы, и когда вы в следующий раз обратитесь к компьютеру, все данные придется вводить заново.

Для того чтобы сохранить информацию для себя или ознакомить других людей с результатами работы своей программы, нужно распечатать эти результаты на бумаге. А чтобы иметь возможность в любой момент обратиться к однажды введенным данным, необходимо сохранить информацию в файле на диске.

Что такое файловая структура

Выводимые данные отправляются на диск или печатающее устройство в зависимости от соответствующих инструкций вывода не сразу. Вместо этого они прежде поступают в область памяти, предназначенную для временного хранения информации, которая называется буфером . И только когда буфер заполняется, данные переправляются на диск или принтер (рис.1). Вводимые с диска данные также сначала поступают в буфер, откуда могут быть выведены на экран или присвоены в качестве значения переменной.

Для того чтобы направить данные в буфер или получить их из буфера, необходимо некоторое связующее звено между вашей программой и операционной системой компьютера. Этим звеном является файловая структура.

Когда программа открывает файл для работы, она тем самым создает специальную структуру в памяти. Эта структура содержит сведения,

Рис. 1. Некоторое время данные хранятся в буфере

необходимые вашей программе и компьютеру для осуществления вывода данных в файл и ввода из файла, а также для печати информации на принтере.

Например, структура содержит адрес буфера файла, чтобы компьютер знал, где искать информацию, которую вы хотите вывести на диск, или куда поместить данные, которые вы хотите считать с диска. Кроме того, эта структура хранит сведения о количестве символов, остающихся в буфере, а также о позиции следующего символа как выводимого из буфера, так и поступающего в него (рис. 2).

Рис. 2. Файловая структура хранит информацию, необходимую для нормального выполнения файловых операций

Почти все компиляторы Си и Си++ хранят информацию, необходимую для работы с файлами, в файле заголовков STDIO.H. Этот файл содержит определения констант, которые нужны для операций с файлами. Кроме того, он может содержать описание файловой структуры. Для того, чтобы воспользоваться функциями работы с файлами, программу следует начинать с инструкции

#include,

которая сделает файловые константы и описание файловой структуры доступными в процессе компиляции и компоновки программы.

При вводе данных из дискового файла происходит их копирование в память компьютера, информация, остающаяся на диске, не изменяется во время работы программы. По этой причине программисты называют такой ввод чтением данных из файла. При выводе данных на диск в файл помещается копия данных, хранящихся в памяти. Эта процедура называется записью на диск.

Указатель на файл

Ввод или вывод информации в файлы обеспечивается с помощью так называемого указателя на файл, который является указателем на файловую структуру в памяти. При записи информации в файл или при чтении из файла программа получает необходимую информацию из структуры. Указатель на файл определяется следующим образом:

FILE *file_pointer;

Имя структуры FILE говорит программе о том, что определяемая переменная является указателем именно на файловую структуру. Звездочка предписывает создать указатель с соответствующим именем переменной.

Если вы собираетесь использовать одновременно несколько файлов, вам нужны указатели для каждого из них. Например, если вы пишете программу, в которой содержимое одного файла копируется в другой, вам необходимы два указателя на файлы. Два указателя требуются и в том случае, если вы хотите прочитать информацию с диска и распечатать ее на принтере:

FILE *infile, *outfile;

Как открыть файл

Связь между программой и файлом устанавливается при помощи функции fopen(), синтаксис которой показан на рис. 3.

Эта функция присваивает адрес структуры указателю. Первым параметром этой функции является имя файла, которое должно быть указано в соответствии с

Рис. 3. Синтаксис функции fopen()

определенными правилами. Например, в операционной системе MS-DOS имя файла может состоять максимум из восьми символов, плюс расширение имени, состоящее не более чем из трех символов (расширение не является обязательным элементом). Если вы хотите вывести информацию на печатающее устройство, а не в дисковый файл, в качестве имени файла в кавычках указывается "PRN". При этом автоматически осуществляется вывод данных на принтер.

В качестве второго параметра функции передается режим доступа к файлу, то есть сообщение о том, какие операции пользователь намерен производить с файлом. В Си и Си++ параметр, определяющий режим доступа, также заключается в кавычки. Возможны следующие варианты:

R - Указывает на то, что будет выполняться чтение информации из файла в память компьютера. Если файл к этому моменту не существует на диске, программа сообщит об ошибке выполнения.w - Указывает на то, что будет выполняться запись данных на диск или вывод на принтер. Если файл к этому моменту не существует, операционная система создаст его. Если файл уже существует на диске, вся записанная в нем на данный момент информация будет уничтожена.a - Указывает на то, что следует добавить информацию в конец файла. В случае отсутствия файла, операционная система создаст его. Если он существует, выводимые новые данные будут добавлены в конец файла без уничтожения текущего содержимого.

Например, если вы хотите создать файл с именем CD.DAT для хранения картотеки коллекции компакт-дисков, вы должны использовать следующие инструкции:

FILE *cdfile;cdfile = fopen("CD.DAT", "w");

Если в программе требуется осуществить чтение из файла, а не запись в него, используйте следующую запись:

FILE *cdfile;cdfile = fopen("CD.DAT", "r");

Обратите внимание, что и имя файла, и символ, определяющий режим доступа, заключены в двойные кавычки. Это обусловлено тем, что они передаются функции fopen() как строки. Имя файла можно ввести с клавиатуры, как значение строковой переменной, а затем использовать имя этой переменной в качестве аргумента, без кавычек.

Если вы хотите распечатать информацию о вашей коллекции на принтере, используйте следующую последовательность инструкций:

FILE *cdfile;cdfile = fopen("PRN", "w");

Учтите, что вывод информации на принтер возможен только с режимом доступа "w".

Как Си/Си++ работает с файлами

Си сохраняет сведения о текущей позиции чтения и записи в файле, используя специальный указатель.

При чтении информации из файла, указатель определяет следующие данные, которые должны быть считаны с диска. Когда файл открывается впервые с использованием режима доступа "r", указатель помещается на первый символ файла. При выполнении очередной операции чтения, указатель перемещается к следующей порции данных, которые должны быть прочитаны. Величина шага перемещения при этом зависит от количества информации, которая считывается за один прием (рис. 4). Если за один раз считывается только один символ, указатель передвинется на следующий символ, если читается целая структура, указатель перейдет на следующую структуру. Как только вся информация прочитана из файла, указатель попадает на специальный код, называемый символом конца файла Наличие символа конца файла на самом деле вовсе не является обязательным. Попытка продолжения чтения после достижения конца файла приведет к ошибке выполнения.

Если файл открывается с режимом доступа "w", указатель также помещается в начало файла, так что первые введенные данные будут помещены в начало файла. При закрытии файла после введенного массива данных будет добавлен символ конца файла. Если файл к моменту его открытия с использованием режима доступа "w" уже существует, все содержащиеся в нем данные затираются и «поверх» них записывается новая информация, введенная с помощью процедуры записи. Любые данные, которые могут остаться не уничтоженными, располагаются после нового символа конца файла, так что к ним уже нельзя будет обратиться при следующем чтении данных из файла. Таким образом, любая попытка записи данных в существующий файл с использованием режима доступа "w" приведет к уничтожению хранящейся в нем на данный момент информации. Это произойдет даже в том случае, если файл будет просто открыт и закрыт, без записи каких-либо данных.

Если файл открывается с использованием режима доступа "a", указатель помещается на символ конца файла. Новые данные, которые записываются в файл, размещаются после уже существующих данных, а затем добавляется символ конца файла.

Как закрыть файл

После окончания записи в файл или чтения из файла необходимо его закрыть, то есть прервать связь между файлом и программой. Это осуществляется с помощью инструкции

Fclose(file_pointer);

Закрывая файл, мы получаем гарантию, что вся информация, имевшаяся в буфере, действительно записана в файл. Если выполнение программы заканчивается до закрытия файла, какая-то не попавшая на диск часть информации может остаться в буфере, в результате чего она будет утрачена. Кроме того, не будет надлежащим образом записан символ конца файла, и в следующий раз программа не сможет получить доступ к файлу.

Следует добавить, что закрытие файла освобождает указатель, после чего он может быть использован с другим файлом или для выполнения других операций с тем же файлом. В качестве примера предположим, что вы хотите создать файл, записать в него данные, а затем убедиться, что информация записана правильно. Для этого в программе можно использовать структуру, приведенную в Листинге1.

Листинг 1. Использование одного указателя файла в двух операциях.

FILE *cdfile;if((cdfile = fopen("CD.DAT", "w")) == NULL) { puts("Невозможно открыть файл"); exit(); }/* Здесь должны располагаться инструкции записи в файл */fclose(cdfile);if((cdfile = fopen("CD.DAT", "r")) == NULL) { puts("Невозможно открыть файл"); exit(); }/* В этом месте должны быть записаны инструкции чтения из файла */fclose(cdfile);

Здесь файл сначала открывается с использованием режима доступа "w", затем в него записывают данные. Во второй раз файл открывается с использованием режима доступа "r", что позволяет прочитать данные и вывести их на экран.

Некоторые компиляторы позволяют обеспечить запись всех данных в файл путем очистки буфера с помощью функции

Эта функция позволяет без закрытия файла очистить буфер и записать все имеющиеся в нем данные на диск или направить их на принтер.

Функции ввода и вывода

Существует несколько способов передачи данных в файл и получения их из файла в зависимости от используемой функции:

· посимвольная запись данных в файл или вывод их на принтер с использованием функции putc() или fputc();

· посимвольное чтение данных из файла с использованием функции getc() или fgetc();

· построчная запись данных в файл или вывод их на принтер с использованием функции fputs();

· построчное чтение данных из файла с использованием функции fgets();

· форматированный вывод символов, строк или чисел на диск или на принтер с помощью функции fprintf();

· форматированный ввод символов, строк или чисел из файла с помощью функции fscanf();

· запись целой структуры с использованием функции fwrite();

· чтение целой структуры с использованием функции fread().

Работа с символами

Посимвольная передача данных является самой основной формой файловых операций. Хоть она и не принадлежит к числу широко распространенных на практике способов обращения с информацией, тем не менее, она хорошо иллюстрирует основные принципы работы с файлами. В приведенной ниже программе происходит посимвольная запись данных в файл, которая продолжается до тех пор, пока не нажата клавиша Enter :

/*fputc.c*/#include main() { FILE *fp; char letter; if((fp = fopen("MYFILE","w"))==NULL) { puts("Невозможно открыть файл"); exit(); } do { letter=getchar(); fputc(letter, fp); } while(letter != "\r"); fclose(fp); }

Файл открывается с режимом доступа "w". Если файл с именем MYFILE не существует к моменту выполнения программы, он будет создан. В цикле do, с помощью функции getchar(), осуществляется ввод последовательности символов, которые затем записываются в файл с помощью функции putc(). Синтаксис записи putc() таков:

Putc(char_variable, file_pointer);

С теми же аргументами может использоваться и функция fputc().

Цикл выполняется до тех пор, пока не нажата клавиша Enter , которая вводит код «возврат каретки» (\r), после чего файл закрывается.

Работа со строками

Вместо того, чтобы работать с отдельными символами, можно читать из файла и записывать в него целые строки текста. Построчная запись и чтение осуществляются с использованием функций fputs() и fgets().

Функция fputs() имеет следующий синтаксис:

Fputs(string_variable, file_pointer);

Эта функция выполняет построчную запись данных в файл или вывод на принтер, но не добавляет код «новая строка». Для того чтобы каждая строка записывалась на диск (или печаталась на принтере) действительно как отдельная строка, необходимо вводить код «новая строка» вручную. Например, в приведенной ниже программе создается файл имен:

/*fputc.c*/#include main() { FILE *fp; char flag; char name; if((fp = fopen("MYFILE","w"))==NULL) { puts("Невозможно открыть файл"); exit(); } flag = "y"; while(flag != "n") { puts("Введите имя"); gets(name); fputs(name, fp); fputs("\n",fp); printf("Желаете ввести другое имя?"); flag=getchar(); putchar("\n"); } fclose(fp); }

Выполнение цикла while продолжается до тех пор, пока в ответ на подсказку не будет введен символ n. В этом цикле осуществляется ввод имени с клавиатуры с помощью функции gets(), после чего имя записывается на диск с помощью функции fputs(). Далее в файл записывается код «новая строка», и, наконец, программа спрашивает пользователя, желает ли он продолжить ввод имен.

Если ваш компилятор может использовать функцию strlen(), можно несколько упростить процедуру ввода, используя следующие инструкции:

Printf("Пожалуйста, введите имя: ");gets(name);while(strlen(name) > 0) { fputs(name, fp); fputs("\n", fp); printf("Пожалуйста, введите имя: "); gets(name); }

Символы, которые вы набираете на клавиатуре, присваиваются строковой переменной name, а затем проверяется, не оказалась ли длина строки равной 0. Если на запрос сразу же нажать клавишу Enter, строка будет иметь нулевую длину и выполнение цикла прекратится. Если до нажатия Enter ввести хотя бы один символ, строка и код «новая строка» будут записаны на диск.

Некоторые компиляторы позволяют еще более упростить алгоритм ввода строки, например, так:

Printf("Пожалуйста, введите имя: ");while(strlen(gets(name)) > 0) { fputs(name, fp); fputs("\n", fp); printf("Пожалуйста, введите имя: "); }

где ввод строки выполняется внутри условия while.

Для того чтобы напечатать строку на принтере, вместо записи ее на диск используется имя файла "prn". Чтобы открыть файл, требуется указать:

If ((fp = fopen("prn", "w")) == NULL)

Для создания программы печати длина строки определяется равной 81 символу, чтобы строка могла уместиться во всю ширину экрана, прежде чем будет нажата клавиша Enter . В Листинге 2 приводится текст программы, которая демонстрирует, как можно написать простой текстовый процессор. Строка не посылается на принтер до тех пор, пока не нажата клавиша Enter , что позволяет с помощью клавиши Backspace корректировать ошибки ввода строки.

Листинг 2. Программа вывода строки на печатающее устройство.

/*wp.c*/#include "stdio.h"main() { FILE *fp; char line; if ((fp = fopen("prn", "w")) == NULL) { puts("Принтер не готов к работе"); exit(); } puts("Введите текст, после ввода каждой строки нажимайте Enter\n"); puts("Для прекращения ввода нажмите Enter в начале новой строки\n"); gets(line); while (strlen(line) > 0) { fputs(line, fp); fputs("\n", fp); gets(line); } fclose(fp); }

Чтение строк

Чтение строк из файла осуществляется с помощью функции fgets(). Синтаксис функции:

Fgets(string_variable, lenght, file_pointer);

Функция вводит строку целиком до символа новой строки, если ее длина не превышает значения, указанного в параметре lenght минус один символ. Параметр lenght является целым числом либо целочисленной константой или переменной, указывающей максимально возможное количество символов в строке.

Ниже приведена программа, в которой осуществляется чтение имен из файла, созданного в предыдущем примере:

/*fgets.c"/#include "stdio.h"main() { FILE *fp; char name; if ((fp = fopen("MYFILE", "r")) == NULL) { puts("Невозможно открыть файл"); exit(); } while(fgets(name, 12, fp) != NULL) { printf(name); } fclose(fp); }

Ввод выполняется внутри цикла while до тех пор, пока значение читаемого символа не равно NULL. Как только указатель достигнет конца файла, строковой переменной присваивается значение NULL. При построчном чтении из файла для указания конца файла всегда используется NULL, а EOF используют при посимвольном чтении.

Если вы пишете программу, предназначенную для чтения любого текстового файла, указывайте значение аргумента lenght равным 80.

Кстати, обратите внимание, что функция printf() используется в этом примере для вывода содержимого строковой переменной без указателей формата. Каждая строка, читаемая из файла, включает код «новая строка», который был записан в файл в инструкции fputs("\n", fp);, и никаких дополнительных кодов «новая строка» в параметры функции printf() включать не требуется.

Листинг 3. Форматированный вывод.

/*fprintf.c*/#include "stdio.h"main() { FILE *fp; char name; int quantity; float cost; if ((fp = fopen("MYFILE", "w")) == NULL) { puts("Невозможно открыть файл"); exit(); } printf("Введите наименование товара: "); gets(name); while (strlen(name) > 0) { printf("Введите цену товара: "); scanf("%f", &cost); printf("Введите количество единиц товара: "); scanf("%d", &quantity); fprintf(fp, "%s %f %d\n", name, cost, quantity); printf("Введите наименование товара: "); gets(name); } fclose(fp); }

Обратите внимание, что в последней строке цикла происходит ввод следующего имени. Это позволяет прекратить повторение цикла простым нажатием клавиши Enter . Некоторые начинающие программисты, вероятно, написали бы этот цикл таким образом:

Do { printf("Введите наименование товара: "); gets(name); printf("Введите цену: "); scanf("%f", &cost); printf("Введите количество единиц товара: "); scanf("%d", &quantity); fprintf(fp, "%s %f %d\n", name, cost, quantity); }while (strlen(name) > 0);

и эта программа работала бы столь же успешно, не считая того, что для окончания цикла требовалось бы нажать клавишу Enter трижды: первый раз при вводе названия и еще два раза в ответ на просьбу ввести цену и количество товара.

Внутри цикла while данные о цене и количестве каждого наименования товара вводятся с использованием функции scanf(), а затем записываются на диск с помощью инструкции

Fprintf(fp, "%s %f %d\n", name, cost, quantity);

Обратите внимание, что код «новая строка» записывается в файл в конце каждой строки. Если просмотреть содержимое файла с помощью команды TYPE операционной системы MS-DOS, то каждая строка инвентарной описи и на экране будет начинаться с новой строки:

Если бы код «новая строка» не был записан на диск, текст выводился бы подряд, в одну строку на экране, и выглядел примерно так:

Дискеты 1.120000 100лента 7.340000 150картридж 75.000000 3

Заметьте, что при этом отсутствует пробел между числом, показывающим количество единиц одного товара, и наименованием следующего. Даже при таком способе записи можно без проблем осуществлять чтение из этого файла, так как компилятор в состоянии различить конец числового значения и начало строки, но что произойдет, если последним значением для каждого наименования товара окажется строка с названием фирмы-производителя? Информация в файле будет выглядеть примерно таким образом:

Дискеты 1.120000 Memoryexлента 7.340000 Okaydataкартридж 75.000000 HP

и тогда при чтении данных из файла программа присоединит начало данных о следующем товаре к концу описания предыдущего. Например, данные о первом наименовании товара при этом выглядели бы так:

Дискеты 1.120000 Memoryexлента

Все выведенные на диск данные, даже значения типа int или float, хранятся в виде текстовых символов. Об этом мы будем говорить чуть позже.

Листинг 4. Чтение форматированного текста из файла.

/*fscanf.c*/#include "stdio.h"main() { FILE *fp; char name; int quantity; float cost; if ((fp = fopen("MYFILE", "r")) == NULL) { puts("Невозможно открыть файл"); exit(); } while (fscanf(fp, "%s%f%d", name, &cost, &quantity) != EOF) { printf("Наименование товара: %s\n", name); printf("Цена: %.2f\n", cost); printf("Количество единиц: %d\n", quantity); } fclose(fp); }

Работа со структурами

Одним из способов преодолеть ограничения функции scanf() является объединение элементов данных в структуру с тем, чтобы впоследствии осуществлять ввод и вывод структур целиком. Структуру можно записать на диск с помощью функции fwrite() и прочитать из файла с помощью функции fread().

Синтаксис функции fwrite() такой:

Fwrite(&structure_variable, structure_size, number_of_structures, file_pointer);

На первый взгляд, эта инструкция выглядит несколько устрашающей, но на самом деле использовать ее очень легко:

· &structure_variable - имя структурной переменной с оператором получения адреса, сообщающим компилятору стартовый адрес информации, которую мы хотим записать на диск;

· structure_size - это количество символов в структуре; не обязательно подсчитывать его самому, для этого можно использовать библиотечную функцию sizeof(), записанную следующим образом:

Sizeof(structure_variable)

которая автоматически определит размер указанной структуры;

· number_of_structures - это целое число, определяющее количество структур, которые мы хотим записать в один прием; здесь всегда следует указывать число 1, если только вы не собираетесь создать массив структур и записать его одним большим блоком;

· file_pointer - указатель на файл.

В качестве примера предположим, что вы хотите записать на диск сведения о своей коллекции компакт-дисков. Используя структуру CD, которую мы подробно разбирали ранее, пишем инструкцию: fwrite(&disc, sizeof(disc), 1, fp);

Выполнение этой инструкции иллюстрирует рис. 5.

Текст программы, которая вводит данные в структуру CD, а затем сохраняет ее на диске, приведен в Листинге12.5. Для ввода имени создаваемого файла используется функция gets(). Переменная, в которой хранится имя файла, используется функцией fopen() для того, чтобы открыть файл.

Информация о каждой структуре CD вводится с клавиатуры, после чего структура целиком записывается на диск.

Рис. 5. Синтаксис функции fwrite() в инструкции записи структуры CD

Листинг 5. Запись структуры CD.

/*fwrite.c*/#include "stdio.h"main() { FILE *fp; struct CD { char name; char description; char category; float cost; int number; } disc; char filename; printf("Введите имя файла, который вы желаете создать: "); gets(filename); if ((fp = fopen(filename, "w")) == NULL) { printf("Невозможно открыть файл %s\n", filename); exit(); } puts("Введите сведения о диске\n"); printf("Введите название диска: "); gets(disc.name); while (strlen(disc.name) > 0) { printf("Введите описание: "); gets(disc.description); printf("Введите категорию: "); gets(disc.category); printf("Введите цену: "); scanf("%f", &disc.cost); printf("Введите номер ячейки: "); scanf("%d", &disc.number); fwrite(&disc, sizeof(disc), 1, fp); printf("Введите название: "); gets(disc.name); } fclose(fp); }

Чтение структур

Fread(&structure_variable, structure_size, number_of_structures, file_pointer);

За исключением имени функции эта инструкция полностью совпадает с записью функции fwrite(). Программа, в которой из файла считывается структура CD, приведена в Листинге 6. Для чтения данных используется цикл while:

While (fread(&disc, sizeof(disc), 1, fp) == 1)

Функция fread() возвращает значение, соответствующее количеству успешно прочитанных структур. Так как в аргументе функции мы указали, что читать следует по одной структуре, функция возвращает значение 1. Цикл while будет выполняться до тех пор, пока считывание структур с диска проходит успешно. Если чтение структуры становится невозможным, например потому, что достигнут конец файла, функция возвращает значение 0, и выполнение цикла прекращается.

Листинг 6. Чтение структуры CD с диска.

/*fread.c*/#include "stdio.h"main() { FILE *fp; struct CD { char name; char description; char category; float cost; int number; } disc; char filename; printf("Введите имя файла, который желаете открыть: "); gets(filename); if ((fp = fopen(filename, "r")) == NULL) { printf("Невозможно открыть файл %s\n", filename); exit(); } while (fread(&disc, sizeof(disc), 1, fp) == 1) { puts(disc.name); putchar("\n"); puts(disc.description); putchar("\n"); puts(disc.category); putchar("\n"); printf("%f", disc.cost); putchar("\n"); printf("%d", disc.number); } fclose(fp); }

В табл. 1 собраны все описанные способы ввода и вывода данных и показаны значения, которые возвращает каждая функция при невозможности продолжения чтения или записи данных.

Таблица 1. Функции ввода в файл и вывода из файла.

Чтение в массив

Во всех программах, приведенных до настоящего момента в качестве примера, выполнялось чтение данных из файла и отображение вводимой информации на экране. Однако если считывать данные в переменные, с ними можно выполнять любые операции, например, использовать их для записи в массив.

В Листинге 7 приведен текст программы, осуществляющей чтение информации из файла, содержащего данные о коллекции компакт-дисков, в массив структур CD (предполагается, что их количество не превышает 20). Индекс используется для того, чтобы каждая считанная из файла структура сохранялась в отдельном элементе массива disc. После того как очередная структура прочитана и выведена на экран, стоимость очередного диска добавляется к сумме, отражающей общую стоимость коллекции, а значение индекса и счетчика увеличивается за счет выполнения следующих инструкций:

Total = total + disc.cost;index++;count++;

Если бы нас интересовала только информация об общей стоимости и количестве экземпляров коллекции, можно было бы читать данные в структурную переменную, не используя массив, и просто подсчитывать значения переменных total и count. Однако если данные будут считаны в массив, вы сможете произвольным образом обращаться к структурам и печатать любую информацию.

Заметьте, что запрос о вводе имени файла в программе повторяется до тех пор, пока не будет введено имя файла, который действительно можно открыть.

Листинг 7. Чтение структуры в массив.

/*rarray.c*/#include "stdio.h"main() { FILE *fp; struct CD { char name; char description; char category; float cost; int number; } disc; int index, count; float total; count = 0; total = 0; char filename; printf("Введите имя файла данных: "); gets(filename); while ((fp = fopen(filename, "r")) == NULL) { printf("Невозможно открыть файл %s\n", filename); printf("Введите имя файла данных: "); gets(filename); } index = 0; while (fread(&disc, sizeof(disc), 1, fp) == 1) { puts(disc.name); putchar("\n"); puts(disc.description); putchar("\n"); puts(disc.category); putchar("\n"); printf("%f", disc.cost); putchar("\n"); printf("%d", disc.number); total = total + disc.cost; index++; count++; } fclose(fp); printf("Общая стоимость коллекции составляет %.2f\n", total); printf("Коллекция содержит %.d дисков\n", count); }

Листинг 8. Программа копирования содержимого файлов.

/*filecopy.c*/#include "stdio.h"main() { FILE *fp1, *fp2; char infile, outfile; int letter; printf("Введите имя файла для чтения: "); gets(infile); if ((fp1 = fopen(infile, "r")) == NULL) { printf("Невозможно открыть файл %s", infile); exit(); } printf("Введите имя файла для записи: "); gets(outfile); if ((fp2 = fopen(infile, "w")) == NULL) { printf("Невозможно открыть файл %s", outfile); fclose(fp1); exit(); } while ((letter = fgetc(fp1)) != EOF) { putchar(letter); fputc(letter, fp2); } fclose(fp1); fclose(fp2); }

Первый файл открывается с режимом доступа "r", чтобы можно было прочитать из него данные. Если файл невозможно открыть, программа завершается. Второй файл открывается с режимом доступа "w", что позволяет записывать в

Рис. 6. Функция fprintf() записывает числовые значения в виде текстовых символов

него данные. Если второй файл невозможно открыть, то перед завершением программы сначала закрывается первый файл. Это дает нам гарантию того, что первый файл, если он был успешно открыт, не окажется поврежден в момент выхода из программы.

Функция fprintf() записывает все данные в виде текста. Например, если использовать fprintf() для записи числа 34.23 на диск, пять символов будут записаны так, как это показано на рис. 6. Если в дальнейшем для чтения данных из файла используется функция fscanf(), символы будут преобразованы в числовое значение и в таком виде записаны в переменную.

Вследствие того, что функция fprintf() записывает данные в виде текста, чтение из файла можно осуществлять и с помощью функций getc(), fgetc() или fgets(). Однако эти функции будут читать информацию в виде «печатных» символов. Например, если использовать функцию fgets(), числа будут считываться в виде символов, являющихся частью строки. При отображении на экране или печати на принтере данных, прочитанных с использованием функции fgets() или fgetc(), вы будете лишены возможности выполнения арифметических операций над отдельными элементами данных.

Двоичный формат

Для сохранения числовых переменных в двоичном формате используется функция fwrite(). Записанные таким образом данные на диске займут столько же места, сколько и в памяти. Если просмотреть содержимое такого файла с помощью команды TYPE, мы увидим на месте числовых значений бессмысленные буквы и значки. Это ASCII-символы, эквивалентные записанным в файл значениям.

Для чтения файла, записанного с помощью fwrite(), следует использовать функцию fread(). Вводить данные следует в структуру, имеющую строение, соответствующее сохраненным ранее данным. Структура может иметь другое имя, имена членов структуры тоже могут отличаться, но порядок, типы и размеры членов обеих структур должны совпадать.

Печать данных

С технической точки зрения вывести данные на принтер можно с помощью любой функции вывода: посимвольно, построчно, форматированными строками или структурами. Единственное, что необходимо, - это указать имя файла "prn" и режим доступа "w".

Однако «поструктурная» печать с помощью функции fwrite() практически не используется, так как числовые данные при этом будут напечатаны в двоичном формате в виде загадочных символов. Вместо этого для печати структур используется функция fprintf(), как это показано в Листинге 9. В этой программе открываются два файла: дисковый файл открывается для чтения, а файл принтера - для вывода.

Листинг 9. Чтение и печать содержимого дискового файла.

Каждая структура целиком вводится функцией fread(), после чего отдельные члены структуры печатаются с использованием функции fprintf(). Функция fread() может читать строки, включающие пробелы, поэтому ее применение предпочтительнее, чем использование функции fscanf().

Инструкции

Fprintf(ptr, "\n\n");

выводят по две пустые строки между отдельными структурами CD.

Проектирование программы

Знание того, как осуществляется запись в дисковый файл и чтение из него, открывает перед вами возможность создания сложных приложений. Все программы, которые демонстрировали ввод данных из дискового файла, читали его целиком. Но можно представить себе ситуацию, когда вы захотите поступить с данными каким-либо другим образом.

Например, вам может понадобиться просмотреть дисковый файл в поисках определенной записи. В этом случае следует открыть файл с режимом доступа "r", а потом использовать цикл для постепенного ввода данных, структура за структурой или строка за строкой в зависимости от того, к какому типу относится информация, записанная в файл. Во время каждого прохождения цикла значения вводимых данных сравниваются с искомыми. Для проверки значений строк используйте функцию strcmp(), конечно, если ваш компилятор это позволяет. Как только искомые данные найдены, они выводятся на экран, после чего файл закрывается.

При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в компактном виде и как обеспечить быстрый и удобный доступ к ним. В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом. Файл - это последовательность произвольного числа байтов, обладаю

щая уникальным собственным именем. Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла.

Все программы и данные хранятся во внешней памяти ПК в виде файлов. Файл - определенное количество информации (программ или данных), имеющее имя и хранящееся в памяти. Имя файла фактически должно нести в себе адресные данные, помогающие обеспечить доступ к данным, хранящимся в файле. Полное имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имени и расширения. Имя дает пользователь, а расширение задается автоматически.

Например, расширения для файлов: исполняемых - .ехе, .сот; текстовых -.txt, .doc; графических - .bmp, .gif, .jpg; звуковых - .wav, .mid; видео - .evi; программных - .bas, .pas, .asm и др.

На каждом диске может храниться большое количество файлов. Файловая структура - иерархическая структура хранения файлов и организации каталогов. Каждый диск разбивается на две области: область хранения файлов и каталог, который содержит название файла и указание на начало его размещения на диске. Каталог - это оглавление. Каталог (директория, папка) - специальное место на диске, в котором хранятся имена файлов, их размеры, время обновления, свойства (рис. 2.4).

Рис. 2.4.

В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы.

Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (подпапки). Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов, через которые проходит. В качестве разделителя используется символ (обратная косая черта, обратный слэш). Путь - последовательность из имен каталогов или символов, разделенных символом. Путь задает маршрут от текущего или корневого каталога к каталогу, в котором находится нужный файл. Например, C:TextGamesproba.txt - путь, полное имя файла (собственное имя файла с путем доступа к нему).

Все современные дисковые ОС предусматривают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный.

Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан файл, хранятся в системной области диска. Формат служебных данных определяется конкретной файловой системой. Нарушение целостности служебных данных приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске. К системной области предъявляются особые требования по надежности. Целостность, непротиворечивость и надежность этих данных регулярно контролируется средствами операционной системы. Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Теоретически возможна самостоятельная адресация для каждого сектора. Но для дисков большого объема такой подход неэффективен, поэтому группы секторов объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации при обращении к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, строго не фиксирован. Обычно он зависит от емкости диска.

Операционные системы MS-DOS, OS/2, Windows 95 и др. используют файловую структуру на основе таблиц размещения файлов (FAT-таблицы), состоящих из 16-разрядных полей. Такая файловая система называется FAT 16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65 536 записей (2 16) о местоположении единиц хранения данных. Для дисков объемом от 1 до 2 Гб длина кластера составляет 32 Кб (64 сектора). Это не вполне рациональный расход рабочего пространства, поскольку даже маленький файл полностью оккупирует весь кластер. Для дисков объемом примерно 2 Гб потери, связанные с неэффективностью этой файловой системы, могут составлять от 25 до 40 % полной емкости диска.

Начиная с ОС Windows 98, семейство Windows (Windows Me/ 2000/ХР) поддерживает более совершенную версию файловой системы на основе FAT-таблиц - FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гб эта система обеспечивает размер кластера 4 Кб (8 секторов).

Операционные системы Windows NT и Windows ХР способны поддерживать совершенно другую файловую систему - NTFS. В ней хранение файлов организовано иначе - служебная информация хранится в главной таблице файлов (MFT ). В системе NTFS размер кластера не зависит от размера диска, и потенциально для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32.