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.
