Informatik für Ingenieure (InfIng)

Transkript

1 Informatik für Ingenieure (InfIng) C - Dateien Doz. Dipl.-Ing. H. Hiller WS 2012/13

2 Flüchtiger und Nicht-flüchtiger Speicher Daten speichern RAM flüchtiger Speicher Programm blende40 - Fotolia.com Festplatte nicht-flüchtiger Speicher Nach Programmende bleiben Daten nur auf einem nichtflüchtigen Speicher erhalten. Michael Kempf - Fotolia.com FH D Seite 2 FB 5

3 Themen dieser Vorlesung Wir wollen folgender Frage nachgehen: 1. "Wie können wir Informationen permanent speichern?" Dateien FH D Seite 3 FB 5

4 Übersicht E/A-Modell E/A-Funktionen FH D Seite 4 FB 5

5 Grundgedanke Prinzip Abbildung der ein- bzw. auszugebenden Daten in logischen Streams Vorteil: Wissen über das zugrundeliegende Betriebssystems nicht erforderlich Streams Byteorientierte Verbindungen zwischen Programm und Datei Streams sind einer Datei, bzw. einem Gerät eindeutig zugeordnet Intern wird ein Stream durch einen Pointer (Zeiger) repräsentiert Programm Eingabe- Stream Ausgabe- Stream Daten.txt Daten.txt FH D Seite 5 FB 5

6 Geräte der Ein- und Ausgabe E/A-Geräte allgemein Festplatte, USB-Stick, etc. Tastatur und Bildschirm C behandelt alle E/A-Geräte als Dateien Standard E/A-Geräte Standardgeräte für die Ein- bzw. Ausgabe sind Tastatur bzw. Bildschirm ANSI-C definiert für diese E/A-Geräte Standard FILE-Zeiger Betriebssystem öffnet/schließt diese Dateien automatisch bei Prg.start/-ende Standard FILE-Zeiger stdout : Standardausgabe (Bildschirm) stdin : Standardeingabe (Tastatur) stderr : Standardausgabe für Fehler, ungepuffert (Bildschirm) FH D Seite 6 FB 5

7 Zugriff High Level (buffered) Zugriff unabhängig vom Betriebssystem, einheitliche Schnittstelle Zugriff bzw. Funktionen für den Zugriff sind in ANSI-C definiert Portabilität Datentransfer zwischen Programm und Datei erfolgt über einen Datenpuffer Low Level (unbuffered) Zugriff abhängig vom Betriebssystem, kein ANSI-C keine Portabilität fscanf ("%i", Preis); fprintf ("Hello World"); Anwendungsprogramm open() read() close() write() open() read() close() write() Betriebssystem Tastatur Monitor Festplatte Hardware FH D Seite 7 FB 5

8 Operationen E/A-Operationen Anweisungen für die Ein/Ausgabe sind in C nicht Bestandteil der Sprache E/A-Operationen sind stattdessen über Bibliotheksfunktionen realisiert Deklarationen finden sich in der Header-Datei stdio.h Header-Datei stdio.h Bibliotheksfunktionen basierend auf dem E/A-Modell der Streams Beispiele sind printf() und scanf(), weitere siehe Tabelle (Auswahl) Funktion Beschreibung putchar(c) puts(string) printf( format, arg1, arg2, ) getchar(c) gets(string) scanf( format, arg1, arg2, ) Ausgabe eines Zeichens Ausgabe einer Zeichenfolge Formatierte Ausgabe (von Variablen unterschiedlichen Typs) Einlesen eines Zeichens Einlesen einer Zeichenfolge Formatiertes Einlesen (von Variablen unterschiedlichen Typs) FH D Seite 8 FB 5

9 Pufferung Blockweise E/A-Operationen Ein- und Ausgabe von Zeichen erfolgt nicht einzeln, sondern blockweise Pufferung in ANSI C Vollpufferung ist Standardeinstellung bei ANSI C Compilern E/A-Funktionen werden erst ausgeführt, wenn der Puffer voll ist Puffergröße Größe des Puffers ist festgelegt über die Konstante BUFSIZ Definiert ist die Konstante in der Header-Datei stdio.h Vor- und Nachteile Jede E/A-Operation ist eine zeitintensive Schreib/Lese-Operation Pufferung bedeutet eine Verringerung der E/A-Operationen Zeitgewinn Andererseits kann Pufferung auch zum Teilverlust von Daten führen Letzteres, wenn das Programm unerwartet beendet wird (Stromausfall etc.) FH D Seite 9 FB 5

10 Pufferung Beispiel 1: Tastatur-Puffer Tastatur wird wie andere Standard E/A-Geräte als Datei behandelt Eingaben werden gesammelt (gepuffert) an das Programm geschickt Pufferleerung (Senden an Programm) erfolgt mit Drücken von <CR> Programm Tastatur-Puffer (Datei, FIFO) \n o l l a H o l l a H "Enter-Taste" <CR> Trigger für das Leeren des Tastatur-Puffers. Pufferzeiger Die Pufferung der Tastatur-Eingabe erlaubt eine bequeme Korrektur der Eingaben vor Absenden. FH D Seite 10 FB 5

11 Pufferung Beispiel 2: Pufferung von Dateischreib-Operationen Eingabe von 100 Zeichen über die Tastatur Schreiben der 100 Zeichen in eine Datei Datei 0 Programm 9 a F Pufferspeicher 1 Block 1 Block Annahme: Eingabe erfolgt ungepuffert, z.b. durch Abschluss jeder einzelnen Eingabe mit CR. Annahme: Puffer für die Eingabe ist 512 Byte groß (typisch) nur 1 x schreiben. 100 Eingabe-Operationen 1 Ausgabe-Operation n FH D Seite 11 FB 5

12 Übersicht E/A-Modell E/A-Funktionen FH D Seite 12 FB 5

13 Datei öffnen Verbindungsaufbau Lesen oder Schreiben ist nur möglich, wenn die Datei geöffnet ist Datei öffnen erfolgt über den Aufruf der Funktion fopen() Aufruf der Funktion ist eine Anfrage an das Betriebssystem Definition FILE *fopen (const char *dateiname, const char *mode); dateiname mode Rückgabewert : Dateiname mit absolutem oder relativem Pfad : Bearbeitungsmodus (Lesen, Schreiben, ) : Zeiger auf FILE-Struktur, im Fehlerfall NULL Details auf den nächsten Seiten. Beispiel Öffnen einer Datei im Schreibmodus FILE *fp; fp = fopen("meinedatei.txt", "w"); FH D Seite 13 FB 5

14 Datei öffnen (Parameter dateiname) Dateiname Typ des Übergabe-Parameters dateiname ist eine Zeichenkette Jede Datei ist über Ihren Name (und ihrem Pfad) eindeutig referenziert Pfadangabe absolut oder relativ Absolute Pfadangabe beginnt beim Laufwerksbuchstaben Relative Pfadangabe ist relativ zum aktuellen Verzeichnis Besonderheit Pfadangaben unter Windows korrelieren mit ESC-Sequenzen Backslash "\" wird in der Pfadangabe als ESC-Sequenz interpretiert, z.b. "\n" Um einen Backslash als Backslash darzustellen, ist er mit Backslash einzuleiten Beispiele FILE *fp1, *fp2; fp1 = fopen("meinedatei.txt", "w"); fp2 = fopen("d:\\meinedatei.txt", "w"); // relativer Pfad // absoluter Pfad FH D Seite 14 FB 5

15 Datei öffnen (Parameter bearbeitungsmodus) Bearbeitungsmodus Typ des Übergabe-Parameters bearbeitungsmodus ist eine Zeichenkette (!) Modus "r" "w" "a" "r+" "w+" "a+" Beschreibung Öffnen einer Datei zum Lesen. Datei muss existieren und wird nicht angelegt. Schreiben nicht möglich. Öffnen einer Datei zum Schreiben. Existiert die Datei nicht, wird sie erstellt. Daten werden am Beginn der Datei geschrieben, bestehende Daten werden überschrieben. Öffnen einer Datei zum Schreiben. Existiert die Datei nicht, wird sie erstellt. Daten werden hinten an die Datei angehangen. Öffnen einer Datei zum Lesen und Schreiben. Datei muss existieren und wird nicht angelegt. Öffnen einer Datei zum Lesen und Schreiben. Existiert sie nicht, wird sie erstellt. Daten werden am Beginn der Datei geschrieben. Öffnen einer Datei zum Lesen und Schreiben. Existiert die Datei nicht, wird sie erstellt. Daten werden hinten an die Datei angehangen. r = read (lesen), w = write (schreiben), a = append (anhängen) FH D Seite 15 FB 5

16 Datei öffnen (Rückgabewert) Rückgabewert Zeiger auf einen Stream bzw. struct vom Type FILE Fehlerfall: NULL-Zeiger (Datei nicht gefunden, etc.) Struct-Variable FILE Beinhaltet alle für die Bearbeitung einer Datei erforderlichen Informationen Aufbau des structs von Maschine zu Maschine unterschiedlich (siehe stdio.h) typedef struct _iobuf { char* _ptr; int _cnt; char* _base; int _flag; int _file; int _bufsiz;... } FILE; _ptr _cnt _base _flag _file Dateizeiger - gibt die aktuelle Position innerhalb der Datei an Pufferzähler - zählt die nicht genutzten Zeichen im Puffer, falls gepuffert Pufferzeiger - zeigt auf den zugehörigen Puffer, falls gepuffert 8 Bits für die Zugriffseigenschaft Dateiindikator; 0,1 und 2 für die Standardstreams, dann eigene Dateien _bufsiz Puffergröße - gibt die Größe des Puffers in Byte an, falls gepuffert FH D Seite 16 FB 5

17 FILE Verzeigerung und Datenfluss Verzeigerung ist dargestellt durch die gepunktete Linie (blau) Datenfluss lässt sich anhand der durchgezogenen Linie verfolgen Programm Datei Struktur FILE Dateizeiger 1 Block Pufferzeiger Pufferspeicher 1 Block FH D Seite 17 FB 5

18 Datei schließen Verbindungsabbau Über den Aufruf der Funktion fclose() kann eine Datei geschlossen werden Aufruf der Funktion entleert Datenpuffer und löst alle Verbindungen zur Datei Pointer-Variable darf nach Schließen der Datei nicht weiter verwendet werden!!! Definition int *fclose (const char *dateizeiger); dateizeiger : Zeiger auf die geöffnete Datei Rückgabewert : 0 bei Erfolg, im Fehlerfall EOF Beispiel Schließen einer Datei FILE *fp; fp = fopen("meinedatei.txt", "w"); fclose(fp); FH D Seite 18 FB 5

19 Datei schreiben Datei schreiben Schreiben in eine Datei erfolgt über die Funktion fprintf() Funktion ist nicht zu verwechseln mit printf() für den Standardstream stdout Definition int fprintf (FILE *dateizeiger, char *format, arg1,..., argn); dateizeiger format arg1,,argn : Zeiger auf die geöffnete Datei : Format der zu schreibenden Daten, z.b. %i für Integer : Liste der auszugebenden Variablen Rückgabewert : Anzahl der umgewandelten Bytes aus der Eingabe, im Fehlerfall EOF Beispiel Schreiben in eine zum Schreiben geöffnete Text-Datei char stadt [] = "Duesseldorf"; int einwohner = ; fprintf(fp,"%s %i", stadt, einwohner); Hinweis: Datei muss zuvor zum Schreiben geöffnet worden sein. FH D Seite 19 FB 5

20 Datei lesen Datei lesen Lesen aus einer Datei erfolgt über die Funktion fscanf() Funktion ist nicht zu verwechseln mit scanf() für den Standardstream stdin Definition int fscanf (FILE *dateizeiger, char *format, arg1,..., argn); dateizeiger format arg1,,argn : Zeiger auf die geöffnete Datei : Format der zu schreibenden Daten, z.b. %i für Integer : Liste der zu beschreibenden Variablen Rückgabewert : Anzahl der umgewandelten Bytes aus der Eingabe, im Fehlerfall EOF Beispiel Lesen aus einer zum Lesen geöffneten Text-Datei fscanf(fp, "%s %i", stadt, &einwohner); printf("eingelesene Werte"); printf("\nstadt : %s", stadt); printf("\neinwohner: %i", einwohner); Hinweis: Datei muss zuvor zum Lesen geöffnet worden sein. FH D Seite 20 FB 5

21 Dateiformate Text-Format Textdateien sind formatierte Folgen von Zeilen, jede mit Newline abgeschlossen Inhalt einer Variablen wird als druckbares Zeichen (Buchstabe, Ziffer) gespeichert Binär-Format Binärdateien sind eine Folge von Bytes und besitzen keine weitere Struktur Inhalt einer Variablen wird als Byte gespeichert, nicht als druckbares Zeichen Vor- und Nachteile Typ Text-Datei Binär-Datei Lesbarkeit Wandlung Schreiben (z.b. struct) Datei mit Texteditor ladbar. Sie ist lesbar wie ein normaler Text. Beim Schreiben werden Binärdaten in Text gewandelt und vice versa. Jedes Element benötigt eine eigene Schreibanweisung. Datei mit Texteditor ladbar, aufgrund binärer Darstellung aber nicht lesbar. Eventuell kann Inhalt erahnt werden. Beim Lesen und Schreiben finden keine Umsetzungen statt. Alle Elemente schreibbar mit einem einzigen Schreibbefehl. FH D Seite 21 FB 5

22 Öffnen und Schließen einer Binär-Datei Öffnen einer Binär-Datei Syntax ist identisch mit dem Öffnen einer Text-Datei Indikator für Binär-Datei ist ein kleines "b", angefügt an den Modus Ohne "b" werden Dateien im Text-Modus geöffnet Schließen einer Binär- Datei Schließen einer Binär-Datei entspricht dem Schließen einer Text-Datei Mit anderen Worte: Kein Unterschied Beispiel Öffnen und Schließen einer Binär-Datei FILE *fp; fp = fopen("meinedatei.txt", "wb"); fclose(fp); FH D Seite 22 FB 5

23 Datei schreiben (binär) Datei schreiben (binär) Schreiben in eine binäre Datei erfolgt über die Funktion fwrite() Definition int fwrite (void *ptr, int size, int count, FILE *dateizeiger); ptr size count dateizeiger : Adresse der zu speichernden Variablen bzw. Feld : Größe der Variablen bzw. eines Feldelements in Byte : Anzahl der zu speichernden Feldelemente : Zeiger auf die FILE-Struktur der geöffneten Datei Rückgabewert : Anzahl der komplett geschriebenen Elemente Beispiel Schreiben einer Struktur in eine zum Schreiben geöffnete Binär-Datei strcpy(stadt_vz.name, "Duesseldorf"); stadt_vz.einwohner = ; fwrite(&stadt_vz, sizeof(stadt_vz), 1, fp); struct stadt { char name[20]; int einwohner; } stadt_vz; FH D Seite 23 FB 5

24 Datei lesen (binär) Datei lesen (binär) Lesen einer binären Datei erfolgt über die Funktion fread() Definition int fread (void *ptr, int size, int count, FILE *dateizeiger); ptr : Adresse der zu lesenden Variablen bzw. Feld size : Größe der Variablen bzw. eines Feldelements in Byte count : Anzahl der zu lesenden Feldelemente dateizeiger : Zeiger auf die FILE-Struktur der geöffneten Datei Rückgabewert : Anzahl der komplett gelesenen Elemente Beispiel Lesen einer Struktur aus einer zum Lesen geöffneten Binär-Datei fread(&stadt_vz, sizeof(stadt_vz), 1, fp); printf("eingelesene Werte"); printf("\nstadt : %s", stadt_vz.name); printf("\neinwohner: %i", stadt_vz.einwohner); struct stadt { char name[20]; int einwohner; } stadt_vz; FH D Seite 24 FB 5

25 Dateizeiger Dateizeiger Dateizeiger beschreiben die Position, an der die Datei bearbeitet wird Positionierung des Dateizeigers erfolgt automatisch oder gezielt Automatische Positionierung Lesevorgänge bewegen den Zeiger innerhalb der Datei Nach Auslesen einer Zeile steht Zeiger am Anfang der nächsten Zeile Gezielte Positionierung Funktionen können Dateizeiger gezielt setzen Absolute und relative Positionierung möglich Funktionen zur Positionierung ftell() : Ermittlung der Dateizeiger-Position fseek() : Positionieren des Dateizeigers TOF ftell() fseek() rewind() : Positionieren an den Dateianfang rewind() EOF FH D Seite 25 FB 5

26 Dateizeiger (Funktionen zur Positionierung) Dateizeiger auf den Anfang des Streams setzen void rewind (FILE *dateizeiger); dateizeiger : Zeiger auf die FILE-Struktur (Datei) Rückgabewert : keiner Lesen des aktuellen Dateizeigers long ftell (FILE *dateizeiger); dateizeiger : Zeiger auf die FILE-Struktur (Datei) Rückgabewert : Aktuelle Position des Dateizeigers, im Fehlerfall -1 Positionierung an beliebiger Stelle long fseek (FILE *dateizeiger, long offset, int from) dateizeiger offset from : Zeiger auf die FILE-Struktur (Datei) : Relative Angabe : Bezugspunkt des Offsets (z.b. Dateianfang oder Dateiende) FH D Seite 26 FB 5

27 Puffer leeren mit fflush Puffer leeren void fflush (FILE *dateizeiger); dateizeiger : Zeiger auf die FILE-Struktur (Datei) Rückgabewert : 0, im Fehlerfall EOF Inhalte von einem noch nicht geleerten Puffer werden geleert Datei war zum Schreiben geöffnet Alle im Puffer befindlichen Zeichen werden in die Datei geschrieben. Datei war zum Lesen geöffnet Alle noch nicht gelesenen Zeichen werden aus dem Eingabepuffer gelesen Beispiel: Tatstatur-Puffer leeren fflush(stdin); Tastatur-Puffer wird geleert inklusive '\n' (Newline) FH D Seite 27 FB 5

28 Dateifunktionen im Überblick Datei öffnen fopen [f]printf [f]scanf [f]putchar [f]getchar [f]puts [f]gets fwrite fread fseek, ftell rewind Ein-/Ausgabe formatiert Text zeichenorientiert stringorientiert Binär Dateizeiger positionieren Puffer schreiben fflush Datei schließen fclose FH D Seite 28 FB 5

29 Puffern ganz ohne Software! fix2web - Fotolia.com FH D Seite 29 FB 5