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”))) { // f 1 = 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.