Пример. Реализация функций fopen и getc

Теперь на примере функций fopen и getc из стандартной библиотеки покажем, как описанные выше части согласуются друг с другом.

Напомним, что файлы в стандартной библиотеке описываются файловыми указателями, а не дескрипторами. Указатель файла - это указатель на структуру, содержащую информацию о файле: указатель на буфер, позволяющий читать файл большими кусками: число незанятых байтов буфера; указатель на следующую позицию в буфере; дескриптор файла; флажки, описывающие режим (чтение/запись), ошибочные состояния и т. д.

Структура данных, описывающая файл, содержится в ‹stdio.h›, который необходимо включать (с помощью #include) в любой исходный файл, если в том осуществляется стандартный ввод-вывод. Этот же заголовочный файл включен и в исходные тексты библиотеки ввода-вывода.

В следующем фрагменте, типичном для файла ‹stdio.h›, имена, используемые только в библиотечных функциях, начинаются с подчеркивания. Это сделано для того, чтобы они случайно не совпали с именами, фигурирующими в программе пользователя. Такое соглашение соблюдается во всех программах стандартной библиотеки.

#define NULL 0

#define EOF (-1)

#define BUFSIZ 1024

#define OPEN_MAX 20 /* max число одновременно открытых файлов */

typedef struct _iobuf {

int cnt; /* количество оставшихся символов */

char *ptr; /* позиция следующего символа */

char *base; /* адрес буфера */

int flag; /* режим доступа */

int fd; /* дескриптор файла */

} FILE;

extern FILE _iob[OPEN_MAX];

#define stdin (& iob[0])

#define stdout (& _iob[1])

#define stderr (& _iob[2])

enum _flags {

_READ = 01, /* файл открыт на чтение */

_WRITE = 02, /* файл открыт на запись */

_UNBUF = 04, /* файл не буферизируется */

_EOF = 010, /* в данном файле встретился EOF */

_ERR = 020 /* в данном файле встретилась ошибка */

};

int _fillbuf(FILE *);

int _flushbuf(int, FILE *);

#define feof(p) (((p)-›flag & _EOF)! = 0)

#define ferror(p) (((p)-›flag & _ERR)! = 0)

#define fileno(p) ((p)-›fd)

#define getc(p) (--(p)-›cnt ›= 0 \

? (unsigned char) *(p)-›ptr++: _fillbuf(p))

#define putc(x, p) (--(p)-›cnt ›= 0 \

? *(p)-›ptr++ = (x): _flushbuf((x), p))

#define getchar() getc(stdin)

#define putchar(x) putc((x), stdout)

Макрос getc обычно уменьшает счетчик числа символов, находящихся в буфере, и возвращает символ, после чего приращивает указатель на единицу. (Напомним, что длинные #define с помощью обратной наклонной черты можно продолжить на следующих строках.) Когда значение счетчика становится отрицательным, getc вызывает _fillbuf, чтобы снова заполнить буфер, инициализировать содержимое структуры и выдать символ. Типы возвращаемых символов приводятся к unsigned; это гарантирует, что все они будут положительными.

Хотя в деталях ввод-вывод здесь не рассматривается, мы все же привели полное определение putc. Сделано это, чтобы показать, что она действует во многом так же, как и getc, вызывая функцию _flushbuf, когда буфер полон. В тексте имеются макросы, позволяющие получать доступ к флажкам ошибки и конца файла, а также к его дескриптору.

Теперь можно написать функцию fopen. Большая часть инструкций fopen относится к открытию файла, к соответствующему его позиционированию и к установке флажковых битов, предназначенных для индикации текущего состояния. Сама fopen не отводит места для буфера; это делает _fillbuf при первом чтении файла.

#include < fcntl.h>

#include " syscalls.h"

#define PERMS 0666 /* RW для собственника, группы и проч. */

/* fopen: открывает файл, возвращает файловый указатель */

FILE *fopen(char *name, char *mode)

{

int fd;

FILE *fp;

if (*mode! = 'r' & & *mode! = 'w' & & *mode! = 'a'

return NULL;

for (fp = _iob; fp < _iob + OPEN_MAX; fp++)

if ((fp-> flag & (_READ | _WRITE)) == 0)

break; /* найдена свободная позиция */

if (fp > = _iob + OPEN_MAX) /* нет свободной позиция */

return NULL;

if (*mode == 'w')

fd = creat(name, PERMS);

else if (*mode == 'a') {

if ((fd = open(name, O_WRONLY, 0)) == -1)

fd = creat(name, PERMS);

lseek(fd, 0L, 2);

} else

fd = open(name, O_RDONLY, 0);

if (fd == -1) /* невозможен доступ по имени name */

return NULL;

fp-> fd = fd;

fp-> cnt = 0;

fp-> base = NULL;

fp-> flag = (*mode == 'r')? _READ: _WRITE;

return fp;

}

Приведенная здесь версия fopen реализует не все режимы доступа, оговоренные стандартом; но, мы думаем, их реализация в полном объеме не намного увеличит длину программы. Наша fopen не распознает буквы b, сигнализирующей о бинарном вводе-выводе (поскольку в системах UNIX это не имеет смысла), и знака +, указывающего на возможность одновременно читать и писать.

Для любого файла в момент первого обращения к нему с помощью макровызова getc счетчик cnt равен нулю. Следствием этого будет вызов _fillbuf. Коли выяснится, что файл на чтение не открыт, то функция _fillbuf немедленно возвратит EOF. В противном случае она попытается запросить память для буфера (если чтение должно быть с буферизацией).

После получения области памяти для буфера _fillbuf обращается к read, чтобы его наполнить, устанавливает счетчик и указатели и возвращает первый символ из буфера. В следующих обращениях _fillbuf обнаружит, что память для буфера уже выделена.

#include " syscalls.h"

/* _fillbuf: запрос памяти и заполнение буфера */

int _fillbuf(FILE *fp)

{

int bufsize;

if ((fp-> flag & (_READ | _EOF | _ERR))! = _READ)

return EOF;

bufsize = (fp-> flag & _UNBUF)? 1: BUFSIZ;

if (fp-> base == NULL) /* буфера еще нет */

if ((fp-> base = (char *) malloc(bufsize)) == NULL)

return EOF; /* нельзя получить буфер */

fp-> ptr = fp-> base;

fp-> cnt = read(fp-> fd, fp-> ptr, bufsize);

if (--fp-> cnt < 0) {

if (fp-> cnt == -1)

fp-> flag |= _EOF;

else

fp-> flag |= _ERR;

fp-> cnt = 0;

return EOF;

}

return (unsigned char) *fp-> ptr++;

}

Единственное, что осталось невыясненным, - это каким образом организовать начало счета. Массив _iob следует определить и инициализировать так, чтобы перед тем как программа начнет работать, в нем уже была информация о файлах stdin, stdout и stderr.

FILE _iob[OPEN_MAX] = { /* stdin, stdout, stderr: */

{ 0, (char *) 0, (char *) 0, _READ, 0 },

{ 0, (char *) 0, (char *) 0, _WRITE, 1 },

{ 0, (char *) 0, (char *) 0, _WRITE | _UNBUF, 2 }

};

Инициализация flag как части структуры показывает, что stdin открыт на чтение, stdout - на запись, а stderr - на запись без буферизации.

Упражнение 8.2. Перепишите функции fopen и _fillbuf, работая с флажками как с полями, а не с помощью явных побитовых операций. Сравните размеры и скорости двух вариантов программ.

Упражнение 8.3. Разработайте и напишите функции _flushbuf, fflush и fclose.

Упражнение 8.4. Функция стандартной библиотеки

int fseek(FILE *fp, long offset, int origin)

идентична функции lseek с теми, однако, отличиями, что fp - это файловый указатель, а не дескриптор, и возвращает она значение int, означающее состояние файла, а не позицию в нем. Напишите свою версию fseek. Обеспечьте, чтобы работа вашей fseek по буферизации была согласована с буферизацией, используемой другими функциями библиотеки.