Организация ввода-вывода в C++

7.3 Обработка двоичных файлов

Если в файле хранятся только числа или данные определённой структуры, то для хранения таких значений удобно пользоваться двоичными файлами. В двоичных файлах информация считывается и записывается в виде блоков определённого размера, в них могут храниться данные любого вида и структуры.

Порядок работы с двоичными и текстовыми файлами аналогичен. Для того, чтобы записать данные в двоичный файл, необходимо:

1. Описать файловую переменную с помощью оператора FILE *filename; Здесь filename — имя переменной, где будет храниться указатель на файл.
2. Открыть файл с помощью функции fopen.
3. Записать информацию в файл с помощью функции fwrite.
4. Закрыть файл с помощью функции fclose.

Для того, чтобы считывать данные из двоичного файла, необходимо:

1. Описать переменную типа FILE *.
2. Открыть файл с помощью функции fopen.
3. Считать необходимую информацию из файла с помощью функции fread, при считывании информации следить за тем, достигнут ли конец файла.
4. Закрыть файл с помощью функции fclose.

Рассмотрим основные функции, необходимые для работы с двоичными файлами.

Для открытия файла предназначена функция:

FILE *fopen(const *filename, const char *mode); где, filename — строка, в которой хранится полное имя открываемого файла, mode — строка, которая определяет режим работы с файлом; возможны следующие значения:

• "rb" — открыть двоичный файл в режиме чтения;
• "wb" — создать двоичный файл для записи, если файл существует, то его содержимое очищается.
• "ab" — создать или открыть двоичный файл для добавления информации в конец файла;
• "rb+" — открыть существующий двоичный файл в режиме чтения и записи;
• "wb+" — открыть двоичный файл в режиме чтения и записи, существующий файл очищается;
• "ab+" — двоичный файл открывается или создаётся для исправления существующей информации и добавления новой в конец файла.

Функция fopen возвращает в файловой переменной NULL в случае неудачного открытия файла.

После открытия файла, в указателе содержится адрес 0-го байта файла. По мере чтения или записи значение указателя смещается на считанное (записанное) количество байт. Текущее значение указателя — номер байта, начиная с которого будет происходить операция чтения или записи.

Для закрытия файла предназначена функция

int fclose(FILE *filename);

Она возвращает 0 при успешном закрытии файла и NULL в противном случае.

Для удаления файлов существует функция

int remove(const char *filename);

Эта функция удаляет с диска файл с именем filename. Удаляемый файл должен быть закрыт. Функция возвращает ненулевое значение, если файл не удалось удалить.

Для переименования файлов предназначена функция

int rename(const char *oldfilename, const char *newfilename);

здесь первый параметр — старое имя файла, второй — новое. Возвращает 0 при удачном завершении программы.

Чтение из двоичного файла осуществляется с помощью функции

fread (void *ptr, size, n, FILE *filename)

Эта функция считывает из файла filename в массив ptr n элементов размера size. Функция возвращает количество считанных элементов. После чтения из файла указатель файла смещается на n*size байт.

Запись в двоичный файл осуществляется с помощью функции

fwrite (const void *ptr, size, n, FILE *filename);

Функция записывает в файл filename из массива ptr n элементов размера size. Функция возвращает количество записанных элементов. После записи информации в файл, указатель файла смещается на n*size байт.

Для контроля достижения конца файла есть функция

int feof(FILE * filename);

Она возвращает ненулевое значение, если достигнут конец файла.

Рассмотрим использование двоичных файлов на примере решения двух стандартных задач.

Задача 7.4.Создать двоичный файл , куда записать целое число и вещественных чисел.

#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main ( )
{
	FILE * f; //Описание файловой переменной.
	int i, n; double a;
	f=fopen ( " abc.dat ", " wb " ); //Создание двоичного файла в режиме записи.
	cout<<" n = "; cin>>n; //Ввод числа n.
	fwrite (&n, sizeof ( int ), 1, f ); //Запись числа в двоичный файл.
	for ( i =0; i<n; i++) //Цикл для ввода n вещественных чисел.
	{
		cout<<" a = "; cin>>a; //Ввод очередного вещественного числа.
		fwrite (&a, sizeof ( double ), 1, f ); //Запись числа в двоичный файл.
	}
	fclose ( f ); //Закрыть файл.
	return 0;
}

Задача 7.5. Вывести на экран содержимое созданного в задаче 7.4 двоичного файла abc.dat.

#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main ( )
{
	FILE * f; //Описание файловой переменной.
	int i, n; double *a;
	f=fopen ( " abc.dat ", " rb " ); //Открыть существующий двоичный файл в режиме чтения.
	fread (&n, sizeof ( int ), 1, f ); //Читать из файла целое число в переменную n.
	cout<<" n = "<<n<<" \n "; //Вывод n на экран.
	a=new double [ n ]; //Выделение памяти для массива из n чисел.
	fread ( a, sizeof ( double ), n, f ); //Чтение n вещественных чисел из файла в массив a.
	for ( i =0; i<n; cout<<a [ i ]<<" \t ", i++); //Вывод массива на экран.
	cout<<endl;
	fclose ( f ); //Закрыть файл.
	return 0;
}

Двоичный файл — последовательная структура данных, после открытия файла доступен первый байт. Можно последовательно считывать из файла или записывать их в него. Допустим, необходимо считать пятнадцатое, а затем первое число, хранящееся в файле. С помощью последовательного доступа это можно сделать следующим образом.

FILE * f;
int i, n; double a;
f=fopen ( " file.dat ", " rb " );
for ( i =0; i <15; fread (&a, sizeof ( double ), 1, f ), i++);
fclose ( f );
f=fopen ( " file.dat ", " rb " );
fread (&a, sizeof ( double ), 1, f );
fclose ( f );

Как видно, такое чтение чисел из файла, а затем повторное открытие файла — не самый удачный способ. Гораздо удобнее использовать функцию перемещения указателя файла к заданному байту:

int fseek(FILE *F, long int offset, int origin);

Функция устанавливает указатель текущей позиции файла F, в соответствии со значениями начала отсчёта origin и смешения offset. Параметр offset равен количеству байтов, на которые будет смещён указатель файла относительно начала отсчёта, заданного параметром origin. Если значение offset положительно, то указатель файла смещается вперёд, если отрицательно — назад. Параметр origin должен принимать одно из следующих значений, определённых в заголовке stdio.h:

• SEEK_SET— отсчёт смещения offset вести с начала файла;
• SEEK_CUR — отсчёт смещения offset вести с текущей позиции файла;
• SEEK_END — отсчёт смещения offset вести с конца файла.

Функция возвращает нулевое значение при успешном выполнении операции и ненулевое, если возник сбой при выполнении смещения.

Функция fseek фактически реализует прямой доступ к любому значению в файле. Необходимо только знать месторасположение (номер байта) значения в файле. Рассмотрим использование прямого доступа в двоичных файлах на примере решения следующей задачи.

Задача 7.6. В созданном в задаче 7.4 двоичном файле поменять местами наибольшее и наименьшее из вещественных чисел.

Алгоритм решения задачи состоит из следующих этапов:

• Чтение вещественных чисел из файла в массив a.
• Поиск в массиве a максимального (max) и минимального (min) значения и их номеров (imax, imin).
• Перемещение указателя файла к максимальному значению и запись min.
• Перемещение указателя файла к минимальному значению и запись max.

Ниже приведён текст программы решения задачи с комментариями.

#include <iostream>
#include <fstream>
using namespace std;
int main ( )
{
	FILE * f; //Описание файловой переменной.
	int i, n, imax, imin;
	double *a, max, min;
	f=fopen ( " abc.dat ", " rb + " ); //Открыть файл в режиме чтения и записи.
	fread (&n, sizeof ( int ), 1, f ); //Считать из файла в переменную n количество элементов в
	файле.
	a=new double [ n ]; //Выделить память для хранения вещественных чисел,
	//эти числа будут хранится в массиве a.
	fread ( a, sizeof ( double ), n, f ); //Считать из файла в массив a вещественные числа.
	//Поиск максимального, минимального элемента в массиве a, и их индексов.
	for ( imax=imin =0, max=min=a [ 0 ], i =1; i<n; i++)
	{
		if ( a [ i ]>max)
		{
			max=a [ i ];
			imax= i;
		}
		if ( a [ i ]<min )
		{
			min=a [ i ];
			imin= i;
	}
	}
	//Перемещение указателя к максимальному элементу.
	fseek ( f, sizeof ( int )+imax* sizeof ( double ),SEEK_SET);
	//Запись min вместо максимального элемента файла.
	fwrite (&min, sizeof ( double ), 1, f );
	//Перемещение указателя к минимальному элементу.
	fseek ( f, sizeof ( int )+imin * sizeof ( double ),SEEK_SET);
	//Запись max вместо минимального элемента файла.
	fwrite (&max, sizeof ( double ), 1, f );
	//Закрытие файла.
	fclose ( f );
	//Освобождение памяти, выделенной под массив a.
	delete [ ] a;
	return 0;
}