Лекция 6: Организация ввода-вывода в Си

"Кто рано встает — тому весь день спать хочется."
— Джейсон Стейтем

Введение в ввод-вывод (ВВ) в C

Ввод-вывод (input-output, IO/ВВ) — это взаимодействие между обработчиком информации (например, компьютером) и внешним миром (человеком или другой системой обработки информации). ВВ включает получение данных системой (ввод) и отправку данных из системы (вывод).

Подсистема ввода-вывода играет ключевую роль в производительности вычислительных систем, так как определяет время отклика и общее быстродействие. Все операции ввода-вывода в Си организованы через потоки — последовательности байтов, которые связываются с устройствами ввода-вывода или файлами. Буферизация потоков позволяет ускорить работу, минимизируя обращения к внешним устройствам.

Типы систем ввода-вывода

Основные подходы:

Обработка ВВ центральным процессором (CPU)
Обработка ВВ специальными процессорами ВВ (IOP), как в AS/400 или S/390.
Параллельная обработка ВВ, что позволяет увеличивать производительность.

Основные функции подсистемы ВВ

Организация параллельной работы устройств ВВ и процессора.
Согласование скоростей обмена и кэширование данных.
Разделение устройств и данных между процессами.
Обеспечение логического интерфейса для взаимодействия.
Поддержка драйверов и различных файловых систем.
Поддержка синхронных и асинхронных операций ВВ.

Средства ввода-вывода в языке C

Стандартные потоки

При запуске программы в Си создаются три стандартных потока:

stdin — стандартный поток ввода (клавиатура).
stdout — стандартный поток вывода (экран).
stderr — поток вывода сообщений об ошибках.

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Введите символ: ");
    int c = getchar();
    printf("Вы ввели: ");
    putchar(c);
    return 0;
}

Форматированный ввод и вывод

Функции форматированного ввода и вывода:

scanf — ввод данных с форматированием.
printf — вывод данных с форматированием.

Пример:

#include <stdio.h>

int main() {
    int a;
    float b;
    printf("Введите целое число и число с плавающей точкой: ");
    scanf("%d %f", &a, &b);
    printf("Целое число: %d, число с плавающей точкой: %.2f\n", a, b);
    return 0;
}

Работа с файлами

Файлы обрабатываются через указатели типа FILE*. Основные операции:

Открытие и закрытие файлов

FILE *fp;
fp = fopen("example.txt", "w");
if (fp == NULL) {
    perror("Ошибка открытия файла");
    return -1;
}
fclose(fp);

Чтение и запись данных

Чтение из файла:

char buffer[100];
fp = fopen("example.txt", "r");
if (fp == NULL) {
    perror("Ошибка открытия файла");
    return -1;
}
while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {
    printf("%s", buffer);
}
fclose(fp);

Запись в файл:

fp = fopen("example.txt", "w");
if (fp == NULL) {
    perror("Ошибка открытия файла");
    return -1;
}
fprintf(fp, "Запись в файл\n");
fclose(fp);

Низкоуровневый ввод-вывод

Функции низкоуровневого ввода-вывода (open, read, write, close) напрямую взаимодействуют с ОС.

Пример:

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("Ошибка открытия файла");
        return -1;
    }
    char buffer[100];
    int bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
    if (bytesRead > 0) {
        buffer[bytesRead] = '\0';
        printf("Содержимое файла: %s\n", buffer);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

Буферизация и обработка ошибок

Буферизация потоков позволяет ускорить операции ВВ. Ошибки проверяются с помощью функций ferror и clearerr:

FILE *fp = fopen("example.txt", "r");
if (fp == NULL) {
    perror("Ошибка открытия файла");
    return -1;
}
int ch = fgetc(fp);
if (ch == EOF) {
    if (ferror(fp)) {
        perror("Ошибка чтения файла");
        clearerr(fp);
    } else {
        printf("Достигнут конец файла.\n");
    }
}
fclose(fp);

Различия текстовых и бинарных потоков

Текстовый поток преобразует данные (например, \n -> CR+LF).
Бинарный поток сохраняет данные без преобразования.

Пример открытия в текстовом и бинарном режимах:

FILE *textFile = fopen("text.txt", "w");
FILE *binaryFile = fopen("binary.bin", "wb");

Заключение

Подсистема ввода-вывода в языке C включает как высокоуровневые функции стандартной библиотеки (stdio.h), так и низкоуровневые системные вызовы. Эти механизмы обеспечивают гибкость и производительность при работе с файлами и устройствами.

Seen all good things and bad