Übersicht. Informatik 1 Teil 10 Dateien

Transkript

1 Übersicht 10.1 Permanente Datenspeicher 10.2 Festplatte (Bild) 10.3 Dateien 10.4 Dateien öffnen 10.5 Der Filepointer 10.6 Schreiben in Dateien - die Funktion fprintf( ) 10.7 Lesen aus Dateien die Funktion fgets( ) 10.8 Schreiben und Lesen von Dateien (Fortsetzung) 10.9 Byte-weises Schreiben und Lesen Byte-weises Schreiben und Lesen (Beispiel Teil 1) Byte-weises Schreiben und Lesen (Beispiel Fortsetzung) Die Funktion fseek( ) Prof. Martin Trauth Folie 1 / 13

2 10.1 Permanente Datenspeicher Variable in C Programmen werden im Hauptspeicher gespeichert. Bei den weitaus meisten datenverarbeitenden Systemen ist das ein so genannter flüchtiger (Halbleiter)-Speicher. Spätestens wenn der Strom ausgeschaltet wurde, sind die gespeicherten Daten weg. Tatsächlich sorgt bereits das Betriebssystem dafür, dass reservierter Speicherbereich für andere Nutzung frei gegeben wird, sobald das beanspruchende Programm beendet wurde. Aber sehr oft möchte man Daten für längere Zeit speichern. Dazu werden nicht-flüchtige Speicherverfahren verwendet. Das aktuell wichtigste ist die Festplatte (Hard Disc). Festplatten verwenden magnetisierbare Schichten auf schnell rotierenden Platten, um Daten zu speichern. Die erzielbaren Speicherdichten sind sehr hoch. Selbst die kompakten Festplatten in typischen PCs (Volumen weniger als 1 Kubikdezimeter) können aktuell (2011) bis zu 1000 Gigabyte (= 1 TeraByte) Daten speichern. Nachteile von Festplatten sind ihre gegenüber Siliziumspeichern wesentlich höheren Zugriffszeiten und ihr relativ hoher Stromverbrauch. Auch ihre Geräusche und limitierte Lebensdauer aufgrund der bewegten Teile sind nachteilig. Festplatten können als Wechselmedien ausgelegt werden. In solchen Fällen werden die Platten selbst oder das gesamte Gerät inklusive seiner Steuerelektronik so konstruiert, dass sie ausgewechselt werden können. Wenn die Festplatte voll ist, kann man sie gegen eine frische auswechseln und die alte archivieren. Als Wechseldatenträger hat die Festplatte aber keine große Bedeutung. Dafür sind heute vorzugsweise optische Medien (CD, DVD, blueray) im Einsatz, wenn es um große Datenmengen geht. Für kleinere Datenmengen (immerhin auch bis ca. 20GByte) werden gerne die praktischen Memory-Sticks verwendet. Das sind sog. Flash-Halbleiterspeicher: sie speichern Daten nicht-flüchtig (d.h. bis ca. 10 Jahre lang) als elektrische Ladungen im Halbleitermaterial. Ihr großer Vorteil ist de geringe Baugröße und dass sie völlig ohne bewegte Teil auskommen. Prof. Martin Trauth Folie 2 / 13

3 10.2 Festplatte (Bild) Beispiel einer Festplatte mit 3 Platten. Actuator ist der Stellantrieb der sehr kleinen Schreib-Leseköpfe ( Head ). In der Spindel ( Spindle ) sitzt der Plattenantrieb (hier nicht sichtbar), ein Elektromotor mit hoher Drehzahl. Prof. Martin Trauth Folie 3 / 13

4 10.3 Dateien Auf all diesen nicht-flüchtigen Datenträgern werden Daten in der Form von Dateien (engl. files) gespeichert. Dateien kann man sich vereinfacht als einen Datenstrom vorstellen. Sie haben einen Anfang, ein Ende und dazwischen stehen die Nutzdaten. Auf dem Datenträger selbst (z.b. der Magnetschicht einer Festplatte) sind die Daten speziell codiert gespeichert. Diese Codierung hat den Zweck, Fehler bei der Speicherung oder beim Auslesen zu erkennen. Sie hängt vom verwendeten Speichermedium ab, ist also bei einer DVD völlig anders als bei einem Memory-Stick. Aber Codierung und Dekodierung wird von der Elektronik oder den Softwaretreibern der Speichermedien übernommen. Der Benutzer (oder der Programmierer von C-Programmen) muss sich nicht darum kümmern. Im Resultat hängt die Beschaffenheit von Dateien nur vom Betriebssystem ab. Eine MS-Windows-Datei auf der Festplatte sieht daher aus Anwendersicht genau so aus, wie eine MS-Windows-Datei auf einem Memory- Stick. Alle Betriebssysteme identifizieren Dateien über ihren Dateinamen (engl. filename) und den Pfad (path), bestehend aus der Laufwerksbezeichnung und den Ordnern (hierarchisch). Beispiel bei MS-Windows: C:\Programme\DevCpp\Beispiele\MeinTest.c MeinTest.c ist der Programmname, der Rest ist der Pfad (mit C: als Laufwerksbezeichnung, d.i. üblicherweise eine sog. Partition, also ein Teilbereich der Festplatte). Auf den Datenträgern existieren Dateiverzeichnisse, in denen der Name und der genaue Speicherort der Dateien gespeichert ist. Beim Zugriff auf eine Datei liest der Dateimanager (ein Teil des Betriebssystems) zuerst in diesem Verzeichnis und weiß dann wo die Datei zu finden ist. Prof. Martin Trauth Folie 4 / 13

5 10.4 Dateien öffnen Will man in C mit Dateien arbeiten, dann muss man sie zuerst öffnen. Das geschieht mit dem Befehl fopen( ). Das ist eine Bibliotheksfunktion (Headerdatei stdio.h). Syntax: fopen (< Pfad+Dateiname >, < Zugriffsmodus >; Der Zugriffsmodus ist eine Zeichenkette (also immer in doppelte Hochkommas setzen). Die wichtigsten Zugriffsmodi sind: r öffnet Datei zum Lesen (falls sie existiert, sonst Fehler). Die Datei wird nicht verändert. w öffnet neue Datei zum Schreiben. Falls gleichnamige Datei schon existiert wird sie zerstört. a öffnet Datei zum Schreiben. Falls schon existent werden neue Daten angehängt, sonst neue Datei angelegt. Beispiel (Programmausschnitt): FILE *fpoint; fpoint = fopen("test1.dat", "w"); fclose(fpoint); Die sollte Datei muss wieder geschlossen werden. Das geschieht mit der Funktion fclose( ). Als Parameter verwendet Sie den sog. Filepointer (in diesem Beispiel ist es die Pointervariable fpoint). Prof. Martin Trauth Folie 5 / 13

6 10.5 Der Filepointer Die Funktion fopen( ) liefert als Rückgabewert eine Adresse auf eine Variable des Typs FILE. FILE ist ein in stdio.h vordefinierter Typ. Dahinter steckt eine Struktur, die folgendermaßen definiert ist: struct _iobuf { char *_ptr; int _cnt; char *_base; int _flag; int _file; int _charbuf; int _bufsize; char *_tmpfname; }; typedef struct _iobuf FILE; typedef funktioniert ähnlich wie #define, ist aber keine Präprozessordirektive, sondern ein C-Schlüsselwort. Es weist der Definition eines Typs einen neuen Namen zu. Diese recht komplexe Struktur wird für alle Dateioperationen verwendet, nachdem die Datei einmal geöffnet wurde. Den eigentlichen Dateinamen benötigt man nur beim Öffnen der Datei. Danach arbeitet man mit dem Filepointer (also einer Adresse, die auf eine Struktur des Typs FILE zeigt). Prof. Martin Trauth Folie 6 / 13

7 10.6 Schreiben in Dateien - die Funktion fprintf( ) Um auf einfache Weise etwas in eine Datei zu schreiben, verwendet man vorteilhaft die Funktion fprintf( ). Sie funktioniert fast genau so wie printf( ), schreibt aber nicht auf den Bildschirm (genauer: in den Datenstrom stdout), sondern in die Datei, auf die der angegebene Dateipointer zeigt. Man muss also einen Dateipointer als ersten Parameter angeben, alles andere funktioniert wie bei printf( ). Beispiel: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> main() { FILE *fpoint; char filenamen[80], zeile[100]; printf("\nbitte Zieldatei angeben:"); gets(filenamen); Fortsetzung: do{ gets(zeile); fprintf(fpoint, "%s\n", zeile); } while (strlen(zeile) > 0); fclose(fpoint); } // end main fpoint = fopen(filenamen, "w"); if (fpoint == NULL) { printf("\ndatei %s konnte nicht geöffnet werden\n", filenamen); exit(1); } printf("\nab hier Text eingeben:\n"); Prof. Martin Trauth Folie 7 / 13

8 10.7 Lesen aus Dateien die Funktion fgets( ) Auch die Funktion fgets ist ein Abkömmling einer anderen Funktion, der bereits bekannten Funktion gets. Wie bei ihr wird eine Zeichenkette eingelesen und in ein Datenfeld geschrieben. Es gibt aber noch eine Raffinesse: bei fgets kann man die maximale Anzahl Zeichen begrenzen, die in das parametrierte Datenfeld geschrieben werden. Programmbeispiel: #include <stdio.h> #include <stdlib.h> main() { FILE *fpoint; char filename[80], zeile[100]; printf("\nbitte Quelldatei angeben:"); gets(filename); fpoint = fopen(filename, "r"); if (fpoint == NULL) { printf("\ndatei %s konnte nicht geöffnet werden\n", filename); exit(1); } while(!feof(fpoint)) { fgets(zeile, 99, fpoint); printf(zeile);} fclose(fpoint); } // end of main Bemerkung: fgets( ) liest Zeilenende- Zeichen aus der Datei mit ein. Daher benötigt die printf-funktion bei der Ausgabe der eingelesenen Zeilen keine zusätzlichen Steuerzeichen. Die Funktion feof( ) ermittelt das Dateiende. Prof. Martin Trauth Folie 8 / 13

9 10.8 Schreiben und Lesen von Dateien (Fortsetzung) Der Vollständigkeit halber noch die komplette Deklaration der Funktion fgets( ): fgets(char * <Datenfeld>, int <max. Zeichenzahl>, FILE * <Filepointer>) Das eigentliche Gegenstück zu fprintf() wäre fscanf ( ), also ein formatiertes Einlesen von Datei. Diese Funktion gibt es auch, aber sie ist etwas knifflig im Einsatz. Man muss dann schon genau wissen, wie die Daten in der Datei stehen, sonst läuft das formatierte Einlesen schief. Die Funktion fgets ist robuster. Sie liest einfach eine Zeichenkette bis zum Zeichen Zeilenende (und dieses Zeichen wird noch mitgelesen) oder Dateiende oder bis zur maximalen parametrierten Zeichenzahl und speichert sie in das angegebene Datenfeld. Das Gegenstück zu fgets ist fputs. Auch diese Funktion gibt es. Mit ihr kann man eine Zeichenkette in eine Datei speichern (Beispiel: fputs(zeile, fpoint); ). Gegenüber fprintf hat fputs aber den Nachteil, dass Zeichenketten ohne die Zeichen für Zeilenende (CR) und/oder Zeilensprung ( neue Zeile, LF oder \n) in die Datei geschrieben werden. Falls man das nicht will, kann man nicht (wie bei fprintf) einfach eine formatierte Ausgabe mit Steuerzeichen machen, sondern muss die Steuerzeichen explizit in die Zeichenkette einfügen (z.b. mit der Funktion strcat ). Mit der Funktion fgets kann man auch von Tastatur lesen. Sie ist wegen der Möglichkeit, die maximale Zeichenzahl anzugeben, oft nützlich. Als Dateipointer schreibt man dann einfach stdin. Das ist ein Ersatzdateipointer, der die Eingabe dann vom Datenstrom der Tastatur nimmt. In ähnlicher Weise kann man mit Dateifunktionen statt in eine Datei auf den Bildschirm schreiben. Der Ersatz-Dateipointer lautet dann stdout. Diese Pointer sind in stdio.h definiert. Prof. Martin Trauth Folie 9 / 13

10 10.9 Zeichenweises (Byte-weises) Lesen und Schreiben von Dateien Manchmal steht kein Text in einer Datei, sondern andere Daten (Beispiel: Bilddaten). In solchen Fällen wird man weniger mit Funktionen für Zeichenketten arbeiten, sondern die Daten Byte-weise einlesen oder schreiben. Das nachfolgende Beispiel (siehe nächste Seite) kopiert eine Datei und zwar jede Datei, egal wie sie aussieht. Zum Einsatz kommen dabei die Funktionen fgetc (ein Zeichen von Datei lesen) und fputc (ein Zeichen in Datei schreiben). Zeichen bedeutet in diesem Fall jeder 8-Bit-Wert, egal ob es ein druckbares Zeichen ist oder nicht. Es sind einfach Zahlenwerte von 0 bis 255. Im Beispiel werden sie in eine int-variable eingelesen, aber man hätte auch eine char-variable nehmen können. In der Funktion fopen( ) werden in diesem Beispiel die Modi wb (schreibe binär) und rb (lies binär) eingesetzt. Sie unterscheiden sich nur in einem Punkt von den Modi r und w : beim normalen Lesen und Schreiben wird das Zeilensprung-Zeichen von C (\n, Wert 10) in die Zeichen CR (Wert 13) und LF (Wert 10) auf der Datei umgesetzt, da dies Standards für Formate von Textdateien entspricht. Beim binären Schreiben und Lesen will man das aber nicht. Hier soll jedes Zeichen unverändert gelesen oder geschrieben werden. Dazu dienen die binären Modi. Prof. Martin Trauth Folie 10 / 13

11 10.10 Byte-weises Lesen und Schreiben von Dateien Beispiel (1. Teil) #include <stdio.h> #include <stdlib.h> main() { FILE *ursprung, *kopie; char filenamen[80]; int ch; printf("\nbitte Ursprungsdatei angeben:"); gets(filenamen); ursprung = fopen(filenamen, "rb"); if (ursprung == NULL) { printf("\ndatei %s existiert nicht oder konnte nicht geöffnet werden\n", filenamen); exit(1); } printf("\nbitte Zieldatei angeben:"); gets(filenamen); kopie = fopen(filenamen, "wb"); if (kopie == NULL) { printf("\ndatei %s konnte nicht geöffnet werden\n", filenamen); exit(1); } Fortsetzung des Programms auf nächster Seite! Prof. Martin Trauth Folie 11 / 13

12 10.11 Byte-weises Lesen und Schreiben von Dateien Beispiel (Fortsetzung) Der Rest des Programmbeispiels. Hier findet das eigentliche Kopieren statt. ch = fgetc(ursprung); while (!feof(ursprung)) { fputc(ch, kopie); ch = fgetc(ursprung); } fclose(ursprung); fclose(kopie); system("pause"); } // end of main Prof. Martin Trauth Folie 12 / 13

13 10.12 Die Funktion fseek( ) Bei den bisherigen Beispielen wurden Dateien immer von Beginn an gelesen oder geschrieben. Mit der Funktion fseek kann in der geöffneten Datei manövriert werden, d.h. man kann Daten von jedem Bereich der Datei aus lesen oder dorthin schreiben. Allgemeine Definition von fseek (): fseek (FILE *< Dateipointer >, long int <offset>, int <ursprung>) ; Der Wert in Offset gibt an, wieviel Byte der Zugriffspunkt vom Ursprung entfernt liegen soll. Für den Ursprung können 3 Werte eingesetzt werden: 0 für Dateianfang, 1 für aktuelle Position und 2 für Dateiende. In stdio.h sind diese Werte als Konstante vordefiniert: SEEK_SET für 0, SEEK_CUR für 1 und SEEK_END für 2. Die Anweisung fseek(fpoint, 0, SEEK_SET); setzt also den Dateizugriffspunkt (d.i. eine Komponente der Struktur, auf die der Dateipointer zeigt) auf Dateianfang, was man ab und zu benötigt. fseek wird vor allem bei binären Dateizugriffen verwendet. Ein Beispiel sind in einer Datei gespeicherte größere Datensätze, wo man gezielt bestimmte Daten aus der Datei auslesen möchte. Durch Anwendung von fseek( ) muss man nicht die Datei von Beginn an in den Hauptspeicher (z.b. in ein Datenfeld) einlesen, bevor man an die eigentlich relevanten Daten kommt. Statt dessen positioniert man mit fseek() den Zugriff gleich dort wo sich diese Daten befinden. Natürlich muss man dazu genau wissen, wie die Daten in der Datei abgespeichert sind. Es gibt noch weitere Funktionen für Dateizugriffe, beispielsweise solche für blockweises Lesen oder Schreiben (in sog. Dateipuffer), was besonders günstig bei großen Datenmengen ist. Hierzu sei auf die einschlägige Literatur verwiesen. Prof. Martin Trauth Folie 13 / 13