Ein- und Ausgabe in Dateien (File I/O)

Transkript

1 Informatik für Elektrotechnik und Informationstechnik Benedict Reuschling Hochschule Darmstadt Fachbereich Informatik WS 2013/14 Zuletzt aktualisiert: , 08:27 Uhr

2 Überblick 1 Dateien lesen und schreiben Flags zum Öffnen von Dateien Status des Dateistroms prüfen Streamposition bestimmen und verändern 2 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C / 27

3 Motivation Wir werden uns in diesem Kapitel mit dem Lesen und Schreiben von Dateien beschäftigen. Mit den uns bereits bekannten Operationen lassen sich Dateien bereits für die Eingabe lesen und auch schreiben, indem wir auf Betriebssystemebene die Ausgabe mit > in eine Datei umleiten: meinprogramm > dateiname.txt. Durch diese Befehl wird eine Datei dateiname.txt angelegt bzw. überschrieben, wenn diese Datei bereits existiert. Die ganze Ausgabe von meinprogramm wird nicht auf dem Bildschirm ausgegeben, sondern in dateiname.txt geschrieben. Mit >> wird an eine bestehende Datei angehängt, ohne deren Inhalt zu überschreiben. Durch Umleiten der Eingabe kann aus einer Datei die Eingaben für ein Programm gelesen werden: meinprogramm < eingaben.txt Diese Operationen sind jedoch ausserhalb des Einflusses unseres C++-Programms und wir möchten diese Funktionalität aus unserem Programm heraus selbst steuern. Dazu bedienen wir uns den Datei-Strömen (engl. file streams) zum lesen und schreiben von Dateien. wir betrachten dabei nur Textdateien. 3 / 27

4 Dateien lesen und schreiben Überblick 1 Dateien lesen und schreiben Flags zum Öffnen von Dateien Status des Dateistroms prüfen Streamposition bestimmen und verändern 2 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C / 27

5 Dateien lesen und schreiben Dateien zum Lesen und Schreiben öffnen Über die Headerdatei fstream wird die Funktionalität zum Lesen und Schreiben von Dateien zur Verfügung gestellt. Soll nur geschrieben werden, dann kann auch die Headerdatei ofstream genutzt werden. Ebenso kann, wenn nur gelesen werden soll, als Header ifstream zum Einsatz kommen. Der übliche Ablauf zum Lesen oder Schreiben von Dateien ist folgender: Objekt zum Lesen oder Schreiben im Programm anlegen Objekt mit dem Dateinamen zum öffnen verküpfen Text über das Objekt schreiben oder lesen Datei schliessen 5 / 27

6 Dateien lesen und schreiben Einfaches Beispiel zum Schreiben einer Datei 1 # include <fstream > 2 using namespace std; 3 4 int main () { 5 ofstream fileout ; 6 fileout. open (" beispiel. txt"); 7 fileout << " Das steht jetzt in der Datei."; 8 fileout. close (); 9 return 0; 10 } In Zeile 5 wird ein Objekt angelegt, dass ähnlich wie cout oder cin die Ausgabe in die Datei übernimmt. Der Name des Objekts kann beliebig vergeben werden, so lange dieser noch nicht verwendet wird. Die Datei beispiel.txt wird in Zeile 6 geöffnet und im aktuellen Verzeichnis angelegt, falls diese noch nicht existiert. Nun da die Datei geöffnet wurde, kann in Zeile 7 etwas in die Datei geschrieben werden. Zum Schluss muss noch die Datei geschlossen werden, damit alle gepufferten Schreibvorgänge abgeschlossen werden (Zeile 8). 6 / 27

7 Dateien lesen und schreiben Einfaches Beispiel zum Lesen einer Datei Nun wollen wir den gerade geschriebenen Inhalt der Datei wieder auslesen und auf dem Bildschirm anzeigen. 1 # include <iostream > 2 # include <fstream > 3 # include <string > 4 using namespace std; 5 6 int main () { 7 string dateizeile ; 8 ifstream fin; 9 fin. open (" beispiel. txt"); 10 getline (fin, dateizeile ); 11 fin.close (); 12 cout << " Zeile in der Datei : " << dateizeile << endl ; 13 return 0; 14 } Wir benötigen einen String dateizeile, in dem wir die gelesene Zeile aus der Datei aufbewahren können. Eine komplette Zeile lässt sich mittels der Funktion getline einlesen. Es wird das mit der Datei verknüpfte Objekt und der String, in den diese Zeile gespeichert werden, übergeben (Zeile 10). Nach dem Schliessen der Datei wird der gelesene String in Zeile 12 ausgegeben. 7 / 27

8 Dateien lesen und schreiben Variablen als Dateinamen Oft will man dem Benutzer die Möglichkeit geben, den Dateinamen selbst einzugeben. Dabei müssen zwei Dinge beachtet werden. Unter Windows müssen die Pfadangaben mit \ (Backslash) von denen der Programmiersprache unterschieden werden. Aus diesem Grund müssen alle Vorkommen von \ durch \\ in Strings ersetzt werden. string dateiname = "c:\\temp\\meinedatei.txt"; Bei der Verwendung von open() wird ein String im C-Stil erwartet. Aus diesem Grund kann keine Variable vom Typ string ohne weiteres dort eingesetzt werden. Jedoch lässt sich ein solcher String über die Funktion c_str() umwandeln. So kann beispielsweise der Dateiname vom Benutzer eingelesen werden: 1 string dateiname ; 2 ifstream eingabe ; 3 cout << " Bitte geben Sie den Namen der Eingabedatei an: "; 4 cin >> dateiname ; 5 eingabe. open ( dateiname. c_str ()); // umwandeln in C- String 8 / 27

9 Flags zum Öffnen von Dateien Überblick 1 Dateien lesen und schreiben Flags zum Öffnen von Dateien Status des Dateistroms prüfen Streamposition bestimmen und verändern 2 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C / 27

10 Flags zum Öffnen von Dateien Modi zum Öffnen von Dateien Der Funktion open lässt sich ein weiterer Parameter übergeben, der die Art (Modus) beschreibt, wie die Datei zu öffnen ist. Dies bestimmt massgeblich, was mit der Datei passieren wird, so lange diese geöffnet ist. Die folgenden Möglichkeiten stehen zur Verfügung: Modus ios::in ios::out ios::binary ios::ate ios::app ios::trunc Beschreibung Für Leseoperationen öffnen. Für Ausgabeoperationen öffnen. Datei im binären Modus öffnen. Die Startposition an das Ende (at end) der Datei setzen. Falls dieser Modus nicht gesetzt ist, wird am Anfang der Datei begonnen. Alle Ausgabeoperationen werden am Dateiende durchgeführt, der neue Inhalt wird angehängt (engl. append). Funktioniert nur bei reinen Ausgabeoperationen. Falls eine bereits existierende Datei bei Ausgabeoperationen geöffnet wird, wird der vorherige Inhalt gelöscht (engl. truncate = abschneiden, kürzen) und durch den neuen Inhalt ersetzt. 10 / 27

11 Flags zum Öffnen von Dateien Standardflags verknüpfen Die folgende Tabelle zeigt die Standardeinstellungen für die verschiedenen Dateiobjekte für den Fall, dass keine Flags bei open() angegeben werden: Header ofstream ifstream fstream Standardmodus ios::out ios::in ios::in ios::out Der letzte Eintrag in der Tabelle zeigt, dass sich die Flags über den bitweisen ODER-Operator ( ) auch miteinander kombinieren lassen. So wird beispielsweise über die folgende Anweisung ofstream ausgabe("beispiel.txt", ios::out ios::app); die Datei beispiel.txt zum Schreiben geöffnet, der Text an den bestehenden Inhalt angehängt und das alles in einer einzigen Anweisung. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Logdateien anlegen, welche die Ausgaben des Programms über mehrere Aufrufe hinweg protokollieren. 11 / 27

12 Status des Dateistroms prüfen Überblick 1 Dateien lesen und schreiben Flags zum Öffnen von Dateien Status des Dateistroms prüfen Streamposition bestimmen und verändern 2 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C / 27

13 Status des Dateistroms prüfen Motivation Beim Arbeiten mit Dateien kann eine ganze Menge schief gehen und wir als Programmierer sollten unsere Programme möglichst robust gegen solche Fehler machen. Nur so können wir uns darauf verlassen, die richtigen Informationen aus den Dateien zu bekommen bzw. in diese abzulegen. Die folgende Liste zeigt typische Probleme, auf die man in seinem Programm achten sollte: Datei kann nicht geöffnet werden ungültiger/nicht vorhandener Dateiname oder Pfad zur Datei Keine Berechtigung zum Lesen/Schreiben der Datei Schreiben unmöglich durch volles oder defektes Dateisystem/Speichermedium Der angegebene Modus wird vom Betriebssystem nicht akzeptiert Neue Daten können nicht in die Datei geschrieben werden Gelesene Datei ist im falschen Format (z.b. Buchstaben statt int) Für diese Fälle stehen uns eine Reihe von Möglichkeiten zur Verfügung, den Status des Dateistroms zu überprüfen und ggfs. darauf zu reagieren. 13 / 27

14 Status des Dateistroms prüfen Prüfen, ob Datei geöffnet werden konnte Die Funktion is_open() gibt true zurück, wenn die Datei mit dem Stream-Objekt erfolgreich verknüpft werden konnte (egal ob gelesen oder geschrieben wird). Andernfalls wird false zurückgegeben. Dies lässt sich im Programm nutzen, um die Verarbeitung sofort zu beenden, sollte die Datei nicht geöffnet werden können. 1 # include <fstream > 2 # include <iostream > 3 using namespace std; 4 5 int main () { 6 ofstream fout (" beispiel. txt"); // Datei zum schreiben oeffnen 7 if ( fout. is_open ()) { // hat es geklappt? 8 fout << " Das steht jetzt in der Datei."; 9 fout. close (); // Datei schliessen 10 } else cerr << " Konnte Datei nicht oeffnen!"; // Fehlerfall 11 return 0; 12 } In der 7. Zeile wird geprüft, ob die Datei korrekt geöffnet werden konnte. In diesem Fall wird etwas in die Datei geschrieben und diese danach wieder geschlossen. Im Fehlerfall wird in Zeile 10 eine Fehlermeldung auf die Standardfehlerausgabe (cerr) des Betriebssystems übergeben. 14 / 27

15 Status des Dateistroms prüfen Zustand des Dateistroms abfragen Der Dateistrom kann während des Lese- oder Schreibvorgangs unerwarteten Änderungen unterworfen sein. Aus diesem Grund sollte dessen Status ständig geprüft werden, um keine ungültigen Daten zu erzeugen. Die folgenden Funktionen stehen zur Prüfung des Streamzustandes zur Verfügung: bad(): gibt true zurück, falls eine Lese- oder Schreibaktion fehlschlägt. Dies kann auftreten, wenn eine Datei geschrieben wird, die nicht zum Schreiben geöffnet wurde oder das Dateisystem keinen freien Speicherplatz aufweist. fail(): ist true, wenn die Fälle von bad() eintreten. Zusätzlich wird auf Formatierungsfehler geprüft, wenn z.b. Buchstaben statt der erwarteten Integer-Zahlen gelesen werden. eof(): true, für den Fall, das beim Lesen das Dateiende (engl. end of file) erreicht wurde. good(): gibt false für alle Fällen zurück, in denen die obigen Funktionen true liefern. 15 / 27

16 Status des Dateistroms prüfen Beispiel zur Verwendung der Zustandsabfragen 1 # include <iostream > 2 # include <fstream > 3 # include <cstdlib > // wegen exit () 4 # include <string > 5 using namespace std ; 6 7 int main () { 8 string zeile ; 9 int zaehler = 0; 10 ifstream fin(" beispiel. txt "); 11 if (! fin.good ()) { 12 cerr << " Konnte Datei nicht oeffnen!"; 13 exit ( -1); 14 } 15 while ( getline (fin, zeile )) 16 cout << ++ zaehler << ". Zeile : " << zeile << endl ; 17 fin.close (); 18 return 0; 19 } In Zeile 11 wird der Zustand des Streams geprüft und im Falle eines erfolglosen Öffnens eine Fehlermeldung ausgegeben und danach das Programm beendet. Ebenso wäre eine verkürzte Form if (!fin) möglich, um den Fehler abzufangen. 16 / 27

17 Streamposition bestimmen und verändern Überblick 1 Dateien lesen und schreiben Flags zum Öffnen von Dateien Status des Dateistroms prüfen Streamposition bestimmen und verändern 2 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C / 27

18 Streamposition bestimmen und verändern Streamposition Sowohl ifstream als auch ofstream besitzen spezielle Zeiger innerhalb des Datenstroms. Bei ifstream ist dies das Element, das bei der nächsten Eingabeoperation gelesen wird, weshalb es auch der get Pointer genannt wird. Umgekehrt wird bei ofstream ein Zeiger auf die Positition, an der die nächste Schreiboperation durchgeführt wird, genutzt. Dieser wird als put-pointer bezeichnet. Infstream sind beide verfügbar. Diese beiden Zeiger lassen sich über die folgenden Funktionen verändern: tellg() und tellp(): Geben jeweils die Position im Lese- (tellg()) und Schreibstrom (tellp()) als Integer zurück und benötigen keine Argumente. seekg() und seekp(): Ändert die Position der get- und put-ströme. 18 / 27

19 Streamposition bestimmen und verändern Streamposition verändern Varianten von seekg() und seekp() sind seekg(position) und seekp(position). Mit position wird der Zeiger im Strom auf diese absolute Position innerhalb der Datei gesetzt, beginnend vom Dateianfang. Der Typ dieses Parameters ist der gleiche, wie er von tellg() und tellp() zurückgegeben wird: ein Integer. Weiterhin gibt es noch seekg(offset, direction) und seekp(offset, direction). Damit lässt sich die Position innerhalb des Streams ebenfalls verschieben und zwar beginnend von offset, der auch einen Integerwert darstellt. Dies kann in die Richtung geschehen, die von direction angegeben wird. Hier sind folgende Werte möglich: direction ios::beg ios::cur ios::end Beschreibung Offset, der vom Beginn des Datenstroms an gezählt wird. Offset, der von der aktuellen Position des Streampointers an gezählt wird. Offset, der vom Ende des Datenstroms an gezählt wird. 19 / 27

20 Streamposition bestimmen und verändern Beispiel zu Streampositionen Dieses Programm (mytellg) ermittelt die Dateigrösse, die bei nach der Erstellung durch fout mit der Zeichenkette Test als Inhalt entsteht. 1 # include <iostream > 2 # include <fstream > 3 using namespace std; 4 5 int main () { 6 long start, ende ; 7 ofstream fout (" beispiel. txt"); 8 fout << " Test "; 9 fout. close (); ifstream fin (" beispiel. txt"); 12 start = fin. tellg (); // hole die Position vom Dateianfang 13 fin. seekg (0, ios :: end); // ans Dateiende springen 14 ende = fin. tellg (); // hole die Position vom Dateiende 15 fin.close (); 16 cout << " Dateigroesse : " << (ende - start ) << " Bytes.\n"; 17 return 0; 18 } $./mytellg Dateigroesse: 4 Bytes $ ls -lh beispiel.txt -rw-r--r-- 1 bcr staff 4B Dec 1 22:43 beispiel.txt 20 / 27

21 Streamposition bestimmen und verändern Lesen und Schreiben in der gleichen Datei 1 # include <fstream > 2 # include <iostream > 3 # include <string > 4 using namespace std; 5 6 int main () { 7 int i = 0; 8 fstream FIO(" FIO. txt", ios :: out ios :: trunc ); 9 FIO. close (); // nun existiert FIO. txt als leere Datei 10 FIO. open (" FIO. txt", ios :: in ios :: out); 11 for ( ; i< 10; i++) // Zahlen in Datei schreiben 12 FIO << i << ; 13 FIO << endl ; 14 FIO. seekg (0); // zurueck zum Dateianfang 15 while (! FIO >> i) // einlesen 16 if (! FIO.eof ()) cout << i << ; // Kontrollausgabe 17 cout << endl ; 18 FIO. clear (); // EOF - Status loeschen 19 FIO. seekp (5); // Position 5 suchen 20 FIO << " Hallo "; // ueberschreiben 21 FIO. seekg (0); // zurueck zum Dateianfang 22 string puffer ; 23 getline (FIO, puffer ); // Zeile einlesen 24 cout << puffer << endl ; // und ausgeben 25 FIO.close (); 26 return 0; 27 } 21 / 27

22 Streamposition bestimmen und verändern Korrektes Einlesen bis zum Dateiende Falsch 1 int i = 0; 2 while (! cin.eof ()) { 3 cin >> x; 4 i++; 5 //... 6 } Der EOF-Zustand wird im obigen Beispiel nicht in jedem Fall gesetzt, sondern evtl. erst nachdem ein Lesevorgang nach dem Dateiende versucht wurde. Beispielsweise kann man beim Einlesen von Tastatur auch nicht erwarten, dass C++ in der Lage ist, vorherzusehen, ob noch Zeichen kommen werden. Besser ist die folgende Schreibweise: Richtig 1 int i = 0; 2 while (cin >> x) { 3 i++; 4 //... 5 } 22 / 27

23 Eingaben korrekt verarbeiten Überblick 1 Dateien lesen und schreiben Flags zum Öffnen von Dateien Status des Dateistroms prüfen Streamposition bestimmen und verändern 2 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C / 27

24 Eingaben korrekt verarbeiten Eingaben korrekt verarbeiten Beim Einlesen von Tastatur kann es vorkommen, dass der Benutzer ein falsches Zeichen (Buchstabe statt Zahl) eingibt. Hat man diese Eingabe in eine Schleife gebaut, um gewisse Werte abzufangen, führt diese Eingabe zu einer Endlosschleife, wie im folgenden Fall: 1 # include <iostream > 2 using namespace std; 3 int main () { 4 int i = 0; 5 cout << " Zahlen eingeben ( Trenner : Space ), Abbruch mit -1:"; 6 while (i!= -1) { 7 cin >> i; 8 cout << " Sie haben " << i << " eingegeben.\n"; 9 } 10 return 0; 11 } Zahlen eingeben (Trenner: Space), Abbruch mit -1: 2 3 a Zahlen eingeben (Trenner: Space), Abbruch mit -1: Sie haben 0 eingegeben. Zahlen eingeben (Trenner: Space), Abbruch mit -1: Sie haben 0 eingegeben / 27

25 Eingaben korrekt verarbeiten Die Lösung des Problems Eine Möglichkeit, diesen Fehler zu umgehen, ist, die cin-anweisung in die Abbruchbedingung der while-schleife zu verschieben. 1 # include <iostream > 2 using namespace std; 3 int main () { 4 int i = 0; 5 cout << " Zahlen eingeben ( Trenner : Space ), Abbruch mit -1:"; 6 while (cin >> i) { 7 if (i == -1) break ; 8 cout << " Sie haben " << i << " eingegeben.\n"; 9 } 10 return 0; 11 } Zahlen eingeben (Trenner: Space), Abbruch mit -1: 2 3 a Sie haben 2 eingegeben. Sie haben 3 eingegeben. In diesem Fall wird die while-schleife abbrechen, wenn ein falsches Zeichen oder -1 eingegeben wurde. Eine noch kürzere Schreibweise ergibt sich durch folgende Bedingung der while-schleife: while ((cin >> i) && (i!= -1)) 25 / 27

26 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C++... Überblick 1 Dateien lesen und schreiben Flags zum Öffnen von Dateien Status des Dateistroms prüfen Streamposition bestimmen und verändern 2 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C / 27

27 Eingaben korrekt verarbeiten Wie kann ich in C++... Wie kann ich in C++... Frage: Wie kann ich prüfen, ob eine bestimmte Taste vor dem ENTER bei der Eingabe gedrückt wurde? Wie kann ich erreichen, dass die eingegebenen Zeichen nicht auf dem Bildschirm ausgegeben werden (für Passworteingaben)? Wie kann ich den Cursor auf dem Bildschirm platzieren? Wie kann ich den Bildschirminhalt löschen? Wie kann ich die Farben auf dem Bildschirm ändern? Antwort: Dies ist keine Standard-Funktion von C++. C++ erwartet weder eine angeschlossene Tastatur noch einen Bildschirm (denken Sie an embedded-geräte, die das auch nicht benötigen). Jeder C++-Compilerhersteller implementiert diese Funktionen für die verschiedenen unterstützten Betriebssysteme anders. Lesen Sie die dazugehörige Dokumentation! 27 / 27