Ввод и вывод

7.3. Форматный вывод - функция printf

Две функции: printf для вывода и scanf для ввода (следующий раздел) позволяют преобразовывать численные величины в символьное представление и обратно. Они также позволяют генерировать и интерпретировать форматные строки. Мы уже всюду в предыдущих лекциях неформально использовали функцию printf ; здесь приводится более полное и точное описание. функция

printf(control, arg1, arg2, ...)

преобразует, определяет формат и печатает свои аргументы в стандартный вывод под управлением строки control. Управляющая строка содержит два типа объектов: обычные символы, которые просто копируются в выходной поток, и спецификации преобразований, каждая из которых вызывает преобразование и печать очередного аргумента printf.

Каждая Спецификация преобразования начинается с символа % и заканчивается символом преобразования. Между % и символом преобразования могут находиться:

Ниже приводятся символы преобразования и их смысл:

Большинство из форматных преобразований очевидно и было проиллюстрировано в предыдущих лекциях. Единственным исключением является то, как точность взаимодействует со строками. Следующая таблица демонстрирует влияние задания различных спецификаций на печать " hello, world " (12 символов). Мы поместили двоеточия вокруг каждого поля для того, чтобы вы могли видеть его протяженность.

:%10s:          :hello, world:
:%10-s:         :hello, world:
:%20s:          :    hello, world:
:%-20s:         :hello, world      :
:%20.10s:       :      hello, wor:
:%-20.10s:      :hello, wor      :
:%.10s:         :hello, wor:

Предостережение: printf использует свой первый аргумент для определения числа последующих аргументов и их типов. Если количество аргументов окажется недостаточным или они будут иметь несоответственные типы, то возникнет путаница и вы получите бессмысленные результаты.

Упражнение 7-1

Напишите программу, которая будет печатать разумным образом произвольный ввод. Как минимум она должна печатать неграфические символы в восьмеричном или шестнадцатеричном виде (в соответствии с принятыми у вас обычаями) и складывать длинные строки.

7.4. Форматный ввод - функция SCANF

Осуществляющая ввод функция scanf является аналогом printf и позволяет проводить в обратном направлении многие из тех же самых преобразований. функция

scanf(control, arg1, arg2, ...)

читает символы из стандартного ввода, интерпретирует их в соответствии с форматом, указанном в аргументе control, и помещает результаты в остальные аргументы. Управляющий аргумент описывается ниже; другие аргументы, каждый из которых должен быть указателем, определяют, куда следует поместить соответствующим образом преобразованный ввод.

Управляющая строка обычно содержит спецификации преобразования, которые используются для непосредственной интерпретации входных последовательностей. Управляющая строка может содержать:

Спецификация преобразования управляет преобразованием следующего поля ввода. Нормально результат помещается в переменную, которая указывается соответствующим аргументом. Если, однако , с помощью символа * указано подавление присваивания, то это поле ввода просто пропускается и никакого присваивания не производится. Поле ввода определяется как строка символов, которые отличны от символов простых промежутков; оно продолжается либо до следующего символа пустого промежутка, либо пока не будет исчерпана ширина поля, если она указана. Отсюда следует, что при поиске нужного ей ввода, функция scanf будет пересекать границы строк, поскольку символ новой строки входит в число пустых промежутков.

Символ преобразования определяет интерпретацию поля ввода ; согласно требованиям основанной на вызове по значению семантики языка "с" соответствующий аргумент должен быть указателем. Допускаются следующие символы преобразования:

Перед символами преобразования d, o и x может стоять l, которая означает , что в списке аргументов должен находиться указатель на переменную типа long, а не типа int. Аналогично, буква l может стоять перед символами преобразования e или f, говоря о том, что в списке аргументов должен находиться указатель на переменную типа double, а не типа float.

Например, обращение

int i; float x; char name[50]; scanf("%d %f %s", i, x, name);

со строкой на вводе

25 54.32e-1 thompson

приводит к присваиванию i значения 25, x - значения 5.432 и name - строки " thompson ", надлежащим образом законченной символом \0. эти три поля ввода можно разделить столькими пробелами, табуляциями и символами новых строк, сколько вы пожелаете. Обращение

int i; 
float x; 
char name[50]; 
scanf("%2d %f %*d %2s", i, x, name);

с вводом

56789 0123 45a72

присвоит i значение 56, x - 789.0, пропустит 0123 и поместит в name строку "45". При следующем обращении к любой процедуре ввода рассмотрение начнется с буквы a. В этих двух примерах name является указателем и, следовательно, перед ним не нужно помещать знак .

В качестве другого примера перепишем теперь элементарный калькулятор из лекции №4, используя для преобразования ввода функцию scanf:

#include  <stdio.h>
main()    /* rudimentary desk calculator */
{
double sum, v;
sum =0;
while (scanf("%lf", v) !=EOF)
     printf("\t%.2f\n", sum += v);
}

выполнение функции scanf заканчивается либо тогда, когда она исчерпывает свою управляющую строку, либо когда некоторый элемент ввода не совпадает с управляющей спецификацией. В качестве своего значения она возвращает число правильно совпадающих и присвоенных элементов ввода. Это число может быть использовано для определения количества найденных элементов ввода. При выходе на конец файла возвращается EOF ; подчеркнем, что это значение отлично от 0, что следующий вводимый символ не удовлетворяет первой спецификации в управляющей строке. При следующем обращении к scanf поиск возобновляется непосредственно за последним введенным символом.

Заключительное предостережение: аргументы функции scanf должны быть указателями. Несомненно наиболее распространенная ошибка состоит в написании

scanf("%d", n);

вместо

scanf("%d", n);

7.5. Форматное преобразование в памяти

От функции scanf и printf происходят функции sscanf и sprintf, которые осуществляют аналогичные преобразования, но оперируют со строкой, а не с файлом. Обращения к этим функциям имеют вид:

sprintf(string, control, arg1, arg2, ...) 
sscanf(string, control, arg1, arg2, ...)

Как и раньше , функция sprintf преобразует свои аргументы arg1, arg2 и т.д. В соответствии с форматом, указанным в control, но помещает результаты в string, а не в стандартный вывод. Kонечно, строка string должна быть достаточно велика, чтобы принять результат. Например, если name - это символьный массив, а n - целое, то

sprintf(name, "temp%d", n);

создает в name строку вида tempnnn, где nnn - значение n.

функция sscanf выполняет обратные преобразования - она просматривает строку string в соответствии с форматом в аргументе control и помещает результирующие значения в аргументы arg1, arg2 и т.д. Эти аргументы должны быть указателями. В результате обращения

sscanf(name, "temp%d", n);

переменная n получает значение строки цифр, следующих за temp в name.

Упражнение 7-2

Перепишите настольный калькулятор из лекции №4, используя для ввода и преобразования чисел scanf и/или sscanf.

7.6. Доступ к файлам

Все до сих пор написанные программы читали из стандартного ввода и писали в стандартный вывод, относительно которых мы предполагали, что они магическим образом предоставлены программе местной операционной системой.

Следующим шагом в вопросе ввода-вывода является написание программы, работающей с файлом, который не связан заранее с программой. Одной из программ, которая явно демонстрирует потребность в таких операциях, является cat, которая объединяет набор из нескольких именованных файлов в стандартный вывод. Программа cat используется для вывода файлов на терминал и в качестве универсального сборщика ввода для программ, которые не имеют возможности обращаться к файлам по имени. Например, команда

cat x.c,y.c

печатает содержимое файлов x.c и y.c в стандартный вывод.

Вопрос состоит в том, как организовать чтение из именованных файлов, т.е., как связать внешние имена, которыми мыслит пользователь, с фактически читающими данные операторами.

Эти правила просты. Прежде чем можно считывать из некоторого файла или записывать в него, этот файл должен быть открыт с помощью функции fopen из стандартной библиотеки. функция fopen берет внешнее имя (подобное x.c или y.c ), проводит некоторые обслуживающие действия и переговоры с операционной системой (детали которых не должны нас касаться) и возвращает внутреннее имя, которое должно использоваться при последующих чтениях из файла или записях в него.

Это внутреннее имя, называемое " указателем файла", фактически является указателем структуры, которая содержит информацию о файле, такую как место размещения буфера, текущая позиция символа в буфере, происходит ли чтение из файла или запись в него и тому подобное. Пользователи не обязаны знать эти детали, потому что среди определений для стандартного ввода-вывода, получаемых из файла stdio.h, содержится определение структуры с именем file. Единственное необходимое для указателя файла описание демонстрируется примером:

file *fopen(), *fp;

Здесь говорится, что fp является указателем на file и fopen возвращает указатель на file. Oбратите внимание, что file является именем типа, подобным int, а не ярлыку структуры ; это реализовано как typedef. (Подробности того, как все это работает на системе UNIX, приведены в лекции №8).

Фактическое обращение к функции fopen в программе имеет вид:

fp=fopen(name,mode);

Первым аргументом функции fopen является "имя" файла, которое задается в виде символьной строки. Второй аргумент mode("режим") также является символьной строкой, которая указывает, как этот файл будет использоваться. Допустимыми режимами являются: чтение (" r "), запись (" w ") и добавление (" a ").

Если вы откроете файл, который еще не существует, для записи или добавления, то такой файл будет создан (если это возможно).

Открытие существующего файла на запись приводит к отбрасыванию его старого содержимого. Попытка чтения несуществующего файла является ошибкой. Ошибки могут быть обусловлены и другими причинами (например, попыткой чтения из файла, не имея на то разрешения). При наличии какой-либо ошибки функция возвращает нулевое значение указателя null (которое для удобства также определяется в файле stdio.h ).

Другой необходимой вещью является способ чтения или записи, если файл уже открыт. Здесь имеется несколько возможностей, из которых getc и putc являются простейшими. функция getc возвращает следующий символ из файла; ей необходим указатель файла, чтобы знать, из какого файла читать. Таким образом,

c=getc(fp)

помещает в "C" следующий символ из файла, указанного посредством fp, и EOF, если достигнут конец файла.

функция putc, являющаяся обращением к функции getc,

putc(c,fp)

помещает символ " c " в файл fp и возвращает " c ". Подобно функциям getchar и putchar, getc и putc могут быть макросами, а не функциями.

При запуске программы автоматически открываются три файла, которые снабжены определеными указателями файлов. Этими файлами являются стандартный ввод, стандартный вывод и стандартный вывод ошибок; соответствующие указатели файлов называются stdin, stdout и stderr. Обычно все эти указатели связаны с терминалом, но stdin и stdout могут быть перенаправлены на файлы или в поток ( pipe ), как описывалось в разделе 7.2. лекции №7.

Функции getchar и putchar могут быть определены в терминалах getc, putc, stdin и stdout следующим образом: #define getchar() getc(stdin) #define putchar(c) putc(c, stdout). При работе с файлами для форматного ввода и вывода можно использовать функции fscanf и fprintf. Они идентичны функциям scanf и printf, за исключением того, что первым аргументом является указатель файла, определяющий тот файл, который будет читаться или куда будет вестись запись; управляющая строка будет вторым аргументом.

Покончив с предварительными замечаниями, мы теперь в состоянии написать программу cat для конкатенации файлов. Используемая здесь основная схема оказывается удобной во многих программах: если имеются аргументы в командной строке, то они обрабатываются последовательно. Если такие аргументы отсутствуют, то обрабатывается стандартный ввод. Это позволяет использовать программу как самостоятельно, так и как часть большей задачи.

#include <stdio.h>
  main(argc, argv)   /*cat: concatenate files*/
  int argc;
  char *argv[];
  {
 file *fp, *fopen();
 if(argc==1) /*no args; copy standard input*/
 filecopy(stdin);
 else
 while (--argc > 0)
      if ((fp=fopen(*++argv,"r"))==null) {
         printf("cat:can't open %\n",*argv);
         break;
      } else {
         filecopy(fp);
         fclose(fp);
      }
  }
   filecopy(fp)  /*copy file fp to standard output*/
   file *fp;
   {
  int c;
  while ((c=getc(fp)) !=EOF)
  putc(c, stdout);
   }

указатели файлов stdin и stdout заранее определены в библиотеке ввода-вывода как стандартный ввод и стандартный вывод ; они могут быть использованы в любом месте, где можно использовать объект типа file*. Они однако являются константами, а не переменными, так что не пытайтесь им что-либо присваивать.

функция fclose является обратной по отношению к fopen ; она разрывает связь между указателем файла и внешним именем, установленную функцией fopen, и высвобождает указатель файла для другого файла. Большинство операционных систем имеют некоторые ограничения на число одновременно открытых файлов, которыми может распоряжаться программа. Поэтому, то как мы поступили в cat, освободив не нужные нам более объекты, является хорошей идеей. Имеется и другая причина для применения функции fclose к выходному файлу - она вызывает выдачу информации из буфера, в котором putc собирает вывод. (При нормальном завершении работы программы функция fclose вызывается автоматически для каждого открытого файла).

7.7. Обработка ошибок - STDERR и EXIT

Обработка ошибок в cat неидеальна. Неудобство заключается в том, что если один из файлов по некоторой причине оказывается недоступным, диагностическое сообщение об этом печатается в конце объединенного вывода. Это приемлемо, если вывод поступает на терминал, но не годится, если вывод поступает в некоторый файл или через поточный ( pipeline ) механизм в другую программу.

Чтобы лучше обрабатывать такую ситуацию, к программе точно таким же образом, как stdin и stdout, присоединяется второй выходной файл, называемый stderr. Если это вообще возможно, вывод, записанный в файле stderr, появляется на терминале пользователя, даже если стандартный вывод направляется в другое место.

Давайте переделаем программу cat таким образом, чтобы сообщения об ошибках писались в стандартный файл ошибок.

"include  <stdio.h>
   main(argc,argv)  /*cat: concatenate files*/
   int argc;
   char *argv[];
   {
  file *fp, *fopen();
  if(argc==1)  /*no args; copy standard input*/
  filecopy(stdin);
  else
  while (--argc > 0)
     if((fp=fopen(*++argv,"r#))==null) {
     fprintf(stderr,
       "cat: can't open,%s\n", argv);
     exit(1);
  } else {
     filecopy(fp);
  }
  exit(0);
   }

Программа сообщает об ошибках двумя способами. диагностическое сообщение, выдаваемое функцией printf, поступает в stderr и, таким образом, оказывается на терминале пользователя, а не исчезает в потоке ( pipeline ) или в выходном файле.

Программа также использует функцию exit из стандартной библиотеки, обращение к которой вызывает завершение выполнения программы. Аргумент функции exit доступен любой программе, обращающейся к данной функции, так что успешное или неудачное завершение данной программы может быть проверено другой программой, использующей эту в качестве подзадачи. По соглашению величина 0 в качестве возвращаемого значения свидетельствует о том, что все в порядке, а различные ненулевые значения являются признаками ненормальных ситуаций.

функция exit вызывает функцию fclose для каждого открытого выходного файла, с тем чтобы вывести всю помещенную в буферы выходную информацию, а затем вызывает функцию _exit. функция _exit приводит к немедленному завершению без очистки каких-либо буферов; конечно, при желании к этой функции можно обратиться непосредственно.

7.8. Ввод и вывод строк

Стандартная библиотека содержит функцию fgets, совершенно аналогичную функции getline, которую мы использовали на всем протяжении книги. В результате обращения

fgets(line, maxline, fp)

следующая строка ввода (включая символ новой строки ) считывается из файла fp в символьный массив line ; самое большое maxline-1 символ будет прочитан. Результирующая строка заканчивается символом \0. Нормально функция fgets возвращает line ; в конце файла она возвращает null. (Наша функция getline возвращает длину строки, а при выходе на конец файла - нуль).

Предназначенная для вывода функция fputs записывает строку (которая не обязана содержать символ новой строки ) в файл:

fputs(line, fp)

Чтобы показать, что в функциях типа fgets и fputs нет ничего таинственного, мы приводим их ниже, скопированными непосредственно из стандартной библиотеки ввода-вывода:

#include  <stdio.h>
   char *fgets(s,n,iop) /*get at most n chars from iop*/
   char *s;
   int n;
   register file *iop;
   {
  register int c;
  register char *cs;
  cs = s;
  while(--n>0(c=getc(iop)) !=EOF)
  if ((*cs++ = c)=='\n')
       break;
  *cs = '\0';
  return((c==EOF  cs==s) ? null : s);
   }
   fputs(s,iop) /*put string s on fils iop*/
   register char *s;
   register file *iop;
   {
  register int c;
  while (c = *s++)
  putc(c,iop);
   }

Упражнение 7-3

Напишите программу сравнения двух файлов, которая будет печатать первую строку и позицию символа, где они различаются.

Упражнение 7-4

Переделайте программу поиска заданной комбинации символов из лекции №5 таким образом, чтобы в качестве ввода использовался набор именованных файлов или, если никакие файлы не указаны как аргументы, стандартный ввод. Следует ли печатать имя файла при нахождении подходящей строки?

Упражнение 7-5

Напишите программу печати набора файлов, которая начинает каждый новый файл с новой страницы и печатает для каждого файла заголовок и счетчик текущих страниц.

7.9. Несколько разнообразных функций

Стандартная библиотека предоставляет множество разнообразных функций, некоторые из которых оказываются особенно полезными. Мы уже упоминали функции для работы со строками: strlen, strcpy, strcat и strcmp. Вот некоторые другие.

7.9.1. Проверка вида символов и преобразования

Некоторые макросы выполняют проверку символов и преобразования:

isalpha(c) не 0, если "c" алфавитный символ,
     0 - если нет.
isupper(c) Не 0, если "c" буква верхнего регистра,
     0 - если нет.
islower(c) Не 0, если "c" буква нижнего регистра,
     0 - если нет.
isdigit(c) Не 0, если "c" цифра,
     0 - если нет.
isspace(c) Не 0, если "c" пробел, табуляция
     или новая строка, 0 - если нет.
toupper(c) Преобразует "c" в букву верхнего регистра.
tolower(c) Преобразует "c" в букву нижнего регистра.

7.9.2. Функция UNGETC

Стандартная библиотека содержит довольно ограниченную версию функции ungetch, написанной нами в лекции №4; она называется ungetc. В результате обращения

ungetc(c,fp)

символ "C" возвращается в файл fp. Позволяется возвращать в каждый файл только один символ. функция ungetc может быть использована в любой из функций ввода и с макросами типа scanf, getc или getchar.

7.9.3. Обращение к системе

функция system(s) выполняет команду, содержащуюся в символьной строке s, и затем возобновляет выполнение текущей программы. Содержимое s сильно зависит от используемой операционной системы. В качестве тривиального примера, укажем, что на системе UNIX строка

system("date");

приводит к выполнению программы date, которая печатает дату и время дня.

7.9.4. Управление памятью

функция calloc весьма сходна с функцией alloc, использованной нами в предыдущих лекциях. В результате обращения

calloc(n, sizeof(object))

возвращается либо указатель пространства, достаточного для размещения n объектов указанного размера, либо null, если запрос не может быть удовлетворен. Отводимая память инициализируется нулевыми значениями.

указатель обладает нужным для рассматриваемых объектов выравниванием, но ему следует приписывать соответствующий тип, как в

char *calloc(); 
int *ip; 
ip=(int*) calloc(n,sizeof(int));

функция cfree(p) освобождает пространство, на которое указывает "p", причем указатель "p" первоначально должен быть получен в результате обращения к calloc. Здесь нет никаких ограничений на порядок освобождения пространства, но будет неприятнейшей ошибкой освободить что-нибудь, что не было получено обращением к calloc.

Реализация программы распределения памяти, подобной calloc, в которой размещенные блоки могут освобождаться в произвольном порядке, продемонстрирована в лекции №8.