Размещение структурных переменных в памяти
При анализе размеров структурных переменных иногда число байт, выделенных компилятором под структурную переменную, оказывается больше, чем сумма байт ее полей. Это связано с тем, что компилятор выделяет участок ОП для структурных переменных с учетом выравнивания границ, добавляя между полями пустые байты по следующим правилам:
– структурные переменные, являющиеся элементами массива, начинаются на границе слова, т.е. с четного адреса;
– любое поле структурной переменной начинается на границе слова, т.е. с четного адреса и имеет четное смещение по отношению к началу переменной;
– при необходимости в конец переменной добавляется пустой байт, чтобы общее число байт было четное.
Объединения
Объединение – поименованная совокупность данных разных типов, размещаемых с учетом выравнивания в одной и той же области памяти, размер которой достаточен для хранения наибольшего элемента.
Объединенный тип данных декларируется подобно структурному типу:
union ID_объединения {
описание полей
};
Пример описания объединенного типа:
union word {
int nom;
char str[20];
};
Пример объявления объектов объединенного типа:
union word *p_w, mas_w[100];
Объединения применяют для экономии памяти в случае, когда объединяемые элементы логически существуют в разные моменты времени либо требуется разнотипная интерпретация поля данных.
Практически все вышесказанное для структур имеет место и для объединений. Декларация данных типа union, создание переменных этого типа и обращение к полям объединений производится аналогично структурам.
Пример использования переменных типа union:
. . .
typedef union q {
int a;
double b;
char s[5];
} W;
void main(void)
{
W s, *p = &s;
s.a = 4;
printf(“\n Integer a = %d, Sizeof(s.a) = %d”, s.a, sizeof(s.a));
p –> b = 1.5;
printf(“\n Double b = %lf, Sizeof(s.b) = %d”, s.b, sizeof(s.b));
strcpy(p–>s, “Minsk”);
printf(“\n String a = %s, Sizeof(s.s) = %d”, s.s, sizeof(s.s));
printf(“\n Sizeof(s) = %d”, sizeof(s));
}
Результат работы программы:
Integer a = 4, Sizeof(s.a) = 2
Double b = 1.500000, Sizeof(s.b) = 4
String a = Minsk, Sizeof(s.s) = 5
Sizeof(s) = 5
Перечисления
Перечисления – средство создания типа данных посредством задания ограниченного множества значений.
Определение перечисляемого типа данных имеет вид
enum ID_перечисляемого_типа {
список_значений
};
Значения данных перечисляемого типа указываются идентификаторами, например:
enum marks {
zero, one, two, three, four, five
};
Компилятор последовательно присваивает идентификаторам списка значений целочисленные величины 0, 1, 2,... . При необходимости можно явно задать значение идентификатора, тогда очередные элементы списка будут получать последующие возрастающие значения. Например:
enum level {
low=100, medium=500, high=1000, limit
};
Константа limit по умолчанию получит значение, равное 1001.
Примеры объявления переменных перечисляемого типа:
enum marks Est;
enum level state;
Переменная типа marks может принимать только значения из множества {zero, one, two, three, four, five}.
Основные операции с данными перечисляемого типа:
– присваивание переменных и констант одного типа;
– сравнение для выявления равенства либо неравенства.
Практическое назначение перечисления – определение множества различающихся символических констант целого типа.
Пример использования переменных перечисляемого типа:
. . .
typedef enum {
mo=1, tu, we, th, fr, sa, su
} days;
void main(void)
{
days w_day; // Переменная перечисляемого типа
int t_day, end, start;
// Текущий день недели, начало и конец недели соответственно
puts(“ Введите день недели (от 1 до 7) : ”);
scanf(“%d”, &t_day);
w_day = su;
start = mo;
end = w_day – t_day;
printf(“\n Понедельник – %d день недели, \
сейчас %d – й день и \n\
до конца недели %d дн. ”, start, t_day, end );
}
Результат работы программы:
Введите день недели (от 1 до 7) : 5
Понедельник – 1 день недели, сейчас 5-й день и
до конца недели 2 дн.
Битовые поля
Битовые поля – это особый вид полей структуры. Они используются для плотной упаковки данных, например, флажков типа «да/нет». Минимальная адресуемая ячейка памяти – 1 байт, а для хранения флажка достаточно одного бита. При описании битового поля после имени через двоеточие указывается длина поля в битах (целая положительная константа), не превышающая разрядности поля типа int:
struct fields {
unsigned int flag: 1;
unsigned int mask: 10;
unsigned int code: 5;
};
Битовые поля могут быть любого целого типа. Имя поля может отсутствовать, такие поля служат для выравнивания на аппаратную границу. Доступ к полю осуществляется обычным способом – по имени. Адрес поля получить нельзя, однако в остальном битовые поля можно использовать точно так же, как обычные поля структуры. Следует учитывать, что операции с отдельными битами реализуются гораздо менее эффективно, чем с байтами и словами, так как компилятор должен генерировать специальные коды и экономия памяти под переменные оборачивается увеличением объема кода программы. Размещение битовых полей в памяти зависит от компилятора и аппаратуры. В основном битовые поля размещаются последовательно в поле типа int, а при нехватке места для очередного битового поля происходит переход на следующее поле типа int. Возможно объявление безымянных битовых полей, а длина поля 0 означает необходимость перехода на очередное поле int:
struct areas {
unsigned f1: 1;
: 2; – безымянное поле длиной 2 бита;
unsigned f2: 5;
: 0 – признак перехода на следующее поле int;
unsigned f3:5;
double data;
char buffs[100]; – структура может содержать элементы любых
типов данных;
};
Битовые поля могут использоваться в выражениях как целые числа соответствующей длины поля разрядности в двоичной системе исчисления. Единственное отличие этих полей от обычных объектов – запрет операции определения адреса (&). Следует учитывать, что использование битовых полей снижает быстродействие программы по сравнению с представлением данных в полных полях из-за необходимости выделения битового поля.
ГЛАВА 14. Файлы в языке Си
Файл – это набор данных, размещенный на внешнем носителе и рассматриваемый в процессе обработки как единое целое. В файлах размещаются данные, предназначенные для длительного хранения.
Различают два вида файлов: текстовые и бинарные.
Текстовые файлы представляют собой последовательность ASCII символов и могут быть просмотрены и отредактированы с помощью любого текстового редактора. Эта последовательность символов разбивается на строки символов, при этом каждая строка заканчивается двумя кодами «перевод строки», «возврат каретки»: 13 и 10 (0xD и 0xA).
Бинарные (двоичные) файлы представляют собой последовательность данных, структура которых определяется программно.
В языке Си не предусмотрены никакие заранее определенные структуры файлов. Все файлы рассматриваются компилятором как последовательность (поток байт) информации.
Для файлов определен маркер или указатель чтения-записи данных, который определяет текущую позицию доступа к файлу. Напомним, что с началом работы любой программы автоматически открываются стандартные потоки stdin и stdout.
В языке Си имеется большой набор функций для работы с файлами, большинство которых находятся в библиотеках stdio.h и io.h. При этом потоки данных, с которыми работают функции ввода-вывода данных по умолчанию, буферизированы. Это означает, что при открытии потока с ним автоматически связывается определенный участок ОП, который и называется буфером. Все операции чтения-записи ведутся через этот буфер. Его размер фиксирован специальной константой BUFSIZ, которая определена в файле stdio.h как 512 (хотя программно ее можно изменять).
Открытие файла
Каждому файлу в программе присваивается внутреннее логическое имя, используемое в дальнейшем при обращении к нему. Логическое имя (идентификатор файла) – это указатель на файл, т.е. на область памяти, где содержится вся необходимая информация о файле.
Формат объявления указателя на файл следующий:
FILE *ID_указателя_на_файл;
FILE – идентификатор структурного типа, описанный в стандартной библиотеке stdio.h и содержащий следующую информацию:
struct FILE {
| short level; | – число оставшихся в буфере непрочитанных байт; обычный размер буфера – 512 байт; как только level = 0, в буфер из файла читается следующий блок данных; |
| unsigned flags; | – флаг статуса файла – чтение, запись, дополнение; |
| char fd; | – дескриптор файла, т.е. число, определяющее его номер; |
| unsigned char hold; | – непереданный символ, т.е. ungetc-символ; |
| short bsize; | – размер внутреннего промежуточного буфера; |
| unsigned char buffer; | – значение указателя для доступа внутри буфера; задает начало буфера, начало строки или текущее значение указателя внутри буфера в зависимости от режима буферизации; |
| unsigned char *curp; | – текущее значение указателя для доступа внутри буфера; задает текущую позицию в буфере для обмена с программой; |
| unsigned istemp; | – флаг временного файла; |
| short token; | – флаг при работе с файлом; |
};
Прежде чем начать работать с файлом, т.е. получить возможность чтения или записи информации в файл, его нужно открыть для доступа.
Для этого обычно используется функция
FILE* fopen(char * ID_файла, char *режим);
Данная функция берет внешнее представление – физическое имя файла на носителе (дискета, винчестер) и ставит ему в соответствие логическое имя (программное имя – указатель файла).
Физическое имя, т.е. ID файла и путь к нему задается первым параметром – строкой, например, “a:Mas_dat.dat” – файл с именем Mas_dat и расширением dat, находящийся на дискете, “d:\\work\\Sved.txt” – файл с именем Sved и расширением txt, находящийся на винчестере в каталоге work.
Внимание. Обратный слеш «\», как специальный символ в строке записывается дважды.
При успешном открытии функция fopen возвращает указатель на файл (в дальнейшем – указатель файла). При ошибке возвращается NULL. Данная ситуация обычно возникает, когда неверно указывается путь к открываемому файлу, например, если указать путь, запрещенный для записи.
Второй параметр – строка, в которой задается режим доступа к файлу.
Возможные значения данного параметра следующие:
w – файл открывается для записи (write); если файла с заданным именем нет, то он будет создан; если же такой файл уже существует, то перед открытием прежняя информация уничтожается;
r – файл открывается для чтения (read); если такого файла нет, то возникает ошибка;
a – файл открывается для добавления (append) новой информации в конец;
r+ (w+) – файл открывается для редактирования данных, т.е. возможны и запись, и чтение информации;
a+ – то же, что и для a, только запись можно выполнять в любое место файла (доступно и чтение файла);
t – файл открывается в текстовом режиме;
b – файл открывается в двоичном режиме;
Последние два режима используются совместно с рассмотренными выше. Возможны следующие комбинации режимов доступа: “w+b”, “wb+”, “rw+”, “w+t”, “rt+”, а также некоторые другие комбинации.
По умолчанию файл открывается в текстовом режиме.
Текстовый режим отличается от двоичного тем, что при открытии файла как текстового пара символов «перевод строки» и «возврат каретки» заменяется на один символ «перевод строки» для всех функций записи данных в файл, а для всех функций вывода – наоборот – символ «перевод строки» заменяется на два символа – «перевод строки» и «возврат каретки».
Пример открытия файла:
FILE *f; – объявляется указатель на файл f;
f = fopen (" d:\\work\\Dat_sp.dat ", "w"); – открывается для записи файл с логическим именем f, имеющий физическое имя Dat_sp.dat и находящийся на диске d в каталоге work, или более кратко:
FILE *f = fopen ("d:\\work\\Dat_sp.dat", "w");
Закрытие файла
После работы с файлом доступ к нему необходимо закрыть с помощью функции
int fclose (указатель файла);
Например, для предыдущего примера файл закрывается так: fclose (f);
Для закрытия нескольких файлов введена функция:
void fcloseall (void);
Если требуется изменить режим доступа к открытому в настоящий момент файлу, то его необходимо сначала закрыть, а затем вновь открыть с другими правами доступа. Для этого используется функция
FILE* freopen (char *ID_файла, char *режим, FILE *указатель_файла);
которая сначала закрывает файл, заданный в третьем параметре (указатель файла), как это выполняет функция fclose, а затем выполняет действия, аналогичные функции fopen, используя указанные первый и второй параметры (открывает файл с ID_файла и правами доступа режим).
В языке Си имеется возможность работы с временными файлами, которые нужны только в процессе работы программы и должны быть удалены после выполнения некоторых вычислений. В этом случае используется функция
FILE* tmpfile (void);
которая создает на диске временный файл с правами доступа w+b. После завершения работы программы или закрытия этого (временного) файла он автоматически удаляется.
Запись-чтение информации
Все действия по чтению-записи данных в файл можно разделить на три группы:
– операции посимвольного ввода-вывода;
– операции построчного ввода-вывода;
– операции ввода-вывода по блокам.
Рассмотрим основные функции для записи-чтения данных из файлов.
Для работы с текстовыми файлами в библиотеке языка Си содержится достаточно много функций, самыми распространенными из которых являются функции
fprintf, fscanf, fgets, fputs.
Формат параметров этих функций практически такой же, как и формат рассмотренных ранее (см. разд. 5.3, 5.4) функций printf, scanf, gets и puts. Так же практически совпадают и действия этих функций. Отличие состоит в том, что printf и другие функции работают по умолчанию с экраном монитора и клавиатурой, а функции fprintf и другие – с файлом, указатель которого является одним из параметров этих функций.
Рассмотрим общий пример создания текстового файла:
#include<stdio.h>
void main(void)
{
FILE *f1;
int a=2, b=3;
if( ! (f1 = fopen(“d:\\work\\f_rez.txt”,”w+t”) ) ) { // f1 = NULL
puts(“Open File Error!”);
return; // exit(1);
}
fprintf(f1,”\t Файл результатов \n”);
fprintf(f1,” %d плюс %d = %d\n”, a, b, a+b);
fclose(f1);
}
Просмотрев содержимое файла любым текстовым редактором, можно убедиться, что данные в нем располагаются точно так, как на экране, если воспользоваться функцией printf с такими же списками параметров.
Создание текстовых результирующих файлов обычно необходимо для оформления отчетов, различных документов, а также других текстовых материалов.
Бинарные (двоичные) файлы обычно используются для организации баз данных, состоящих, как правило, из объектов структурного типа. При чтении-записи бинарных файлов удобнее всего пользоваться функциями fread и fwrite, которые выполняют ввод-вывод данных блоками.
Такой способ обмена данными требует меньше времени.
Функция
unsigned fread (void *p, unsigned size, unsigned n, FILE *f);
выполняет считывание из файла f n блоков размером size байт каждый в область памяти, адрес которой p. В случае успеха функция возвращает количество считанных блоков. При возникновении ошибки или по достижении признака окончания файла – значение EOF (End Of File – признак окончания файла).
Обратное действие выполняет функция:
unsigned fwrite (void *p, unsigned size, unsigned n, FILE *f);
при вызове которой в файл f будет записано n блоков размером size байт каждый из области памяти, начиная с адреса p.
Позиционирование в файле
Каждый открытый файл, как уже отмечалось, имеет скрытый указатель на текущую позицию в нем. При открытии файла этот указатель устанавливается на начало данных, и все операции в файле будут производиться с данными, начинающимися в этой позиции.
При каждом выполнении функции чтения или записи указатель смещается на количество прочитанных или записанных байт, т.е. устанавливается после прочитанного или записанного блока данных в файле – это последовательный доступ к данным.
В языке Си/С++ можно установить указатель на некоторую заданную позицию в файле. Для этого используют стандартную функцию fseek, которая позволяет выполнить чтение или запись данных в произвольном порядке.
Декларация функции позиционирования следующая:
int fseek(FILE *f, long size, int code);
Значение параметра size задает количество байт, на которое необходимо сместить указатель в файле f, в направлении параметра code, который может принимать следующие значения:
| – смещение от начала файла – | (SEEK_SET); | |
| – смещение от текущей позиции – | (SEEK_CUR); | |
| – смещение от конца файла – | (SEEK_END). |
Таким образом, смещение может быть как положительным, так и отрицательным, но нельзя выходить за пределы файла.
В случае успеха функция возвращает нулевое значение, а в случае ошибки (например, попытка выхода за пределы файла) – единицу.
Доступ к файлу с использованием функции позиционирования (fseek) называют произвольным доступом.
Иногда нужно определить текущее положение в файле. Для этого используют функцию со следующей декларацией:
long ftell(FILE *f);
которая возвращает значение указателя на текущую позицию в файле или –1 в случае ошибки.