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c:acesso_a_arquivos [2023/08/15 11:49] – [Escrita formatada] mazieroc:acesso_a_arquivos [2023/08/15 11:50] (atual) – [Leitura formatada] maziero
Linha 1: Linha 1:
 +====== Acesso a arquivos ======
 +
 +{{ progc_arquivos.mkv |Video desta aula}}
 +
 +Aqui serão descritas algumas das funções mais usuais para operações de entrada/saída em arquivos na linguagem C. A maioria das funções aqui descritas está declarada no arquivo de cabeçalho ''stdio.h'':
 +
 +<code c>
 +#include <stdio.h>
 +</code>
 +
 +===== Conceitos básicos =====
 +
 +==== Tipos de arquivos ====
 +
 +Um arquivo armazena uma sequência de bytes, cuja interpretação fica a cargo da aplicação. Contudo, para facilitar a manipulação de arquivos, a linguagem C considera dois tipos de arquivos:
 +
 +  * **arquivos de texto**: contém sequências de bytes representando caracteres de texto, separadas por caracteres de controle como ''\n'' ou ''\r'' e usando uma codificação como ASCII, ISO-8859-1 ou UTF-8. São usados para armazenar informação textual, como código-fonte, páginas Web, arquivos de configuração, etc.
 +  * **arquivos binários**: contém sequências de bytes, cuja interpretação fica totalmente a cargo da aplicação. São usualmente empregados para armazenar imagens, vídeos, músicas, dados compactados, etc.
 +
 +==== Streams e descritores ====
 +
 +As operações sobre arquivos em C podem ser feitas de duas formas:
 +
 +  * por **streams**: acesso em um nível mais elevado, independente de sistema operacional e portanto portável. Permite entrada/saída formatada, mas pode ter um desempenho inferior ao acesso de baixo nível. //Streams// são acessadas através de variáveis do tipo ''FILE*''. 
 +  * por **descritores**: acesso através dos descritores de arquivo fornecidos pelo sistema operacional, pouco portável mas com melhor desempenho.
 +  
 +Na sequência deste texto serão apresentadas as funções de acesso usando //streams//, que são o padrão da linguagem C e valem para qualquer sistema operacional. Explicações sobre entrada/saída usando descritores UNIX podem ser encontradas [[pua:operacoes_usando_descritores|nesta página]].
 +
 +==== Entradas e saídas padrão ====
 +
 +Cada programa em execução tem acesso a três arquivos padrão definidos no arquivo de cabeçalho ''stdio.h'', que são:
 +
 +  * ''FILE* stdin'': a entrada padrão, normalmente associada ao teclado do terminal, usada para a entrada de dados do programa (''scanf'', por exemplo).
 +  * ''FILE* stdout'': a saída padrão, normalmente associada à tela do terminal, usada para as saídas normais do programa (''printf'', por exemplo).
 +  * ''FILE* stderr'': a saída de erro, normalmente associada à tela do terminal, usada para mensagens de erro.
 +
 +Esses três arquivos não precisam ser abertos, eles estão prontos para uso quando o programa inicia. Geralmente eles estão associados ao terminal onde o programa foi lançado, mas podem ser redirecionados pelo //shell// ([[unix:shell_avancado|mais detalhes aqui]]).
 +
 +===== Abrindo e fechando arquivos =====
 +
 +Antes de ser usado, um arquivo precisa ser "aberto" pela aplicação (com exceção dos arquivos padrão descritos acima, que são abertos automaticamente). Isso é realizado através da chamada ''fopen'':
 +
 +<code c>
 +FILE* fopen (const char *filename, const char *mode)
 +</code>
 +
 +Abre um arquivo indicado por ''filename'' e retorna um ponteiro para o //stream//. A //string// ''mode'' define o modo de abertura do arquivo:
 +
 +  * ''r'' : abre um arquivo existente para leitura (//read//).
 +  * ''w'' : abre um arquivo para escrita (//write//). Se o arquivo já existe, seu conteúdo é descartado. Senão, um novo arquivo vazio é criado.
 +  * ''a'' : abre um arquivo para concatenação (//append//). Se o arquivo já existe, seu conteúdo é preservado e as escritas serão concatenadas no final do arquivo. Senão, um novo arquivo vazio é criado.
 +  * ''r+'' : abre um arquivo existente para leitura e escrita. O conteúdo anterior do arquivo é preservado e o ponteiro é posicionado no início do arquivo.
 +  * ''w+'' : abre um arquivo para leitura e escrita. Se o arquivo já existe, seu conteúdo é descartado. Senão, um novo arquivo vazio é criado.
 +  * ''a+'' : abre um arquivo para escrita e concatenação. Se o arquivo já existe, seu conteúdo é preservado e as escritas serão concatenadas no final do arquivo. Senão, um novo arquivo vazio é criado. O ponteiro de leitura é posicionado no início do arquivo, enquanto as escritas são efetuadas no seu final.
 +
 +<note important>
 +Os modos ''a'' e ''a+'' **sempre** escreverão no final do arquivo, mesmo se o cursor do mesmo for movido para outra posição.
 +</note>
 +
 +Fecha um //stream//. Os dados de saída em //buffer// são escritos, enquanto dados de entrada são descartados:
 +
 +<code c>
 +int fclose (FILE* stream)
 +</code>
 +
 +Fecha e abre novamente um //stream//, permitindo alterar o arquivo e/ou modo de abertura:
 +
 +<code c>
 +FILE* freopen (const char *filename, const char *mode, FILE *stream)
 +</code>
 +
 +Exemplo: abrindo o arquivo ''x'' em leitura:
 +
 +<code c fopen-read.c>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +int main ()
 +{
 +   FILE* arq ;
 +  
 +   arq = fopen ("x", "r") ;
 +  
 +   if ( ! arq )
 +   {
 +      perror ("Erro ao abrir arquivo x") ;
 +      exit (1) ; // encerra o programa com status 1
 +   }
 +  
 +   fclose (arq) ;
 +   exit (0) ; 
 +}
 +</code>
 +
 +Exemplo: abre o arquivo ''x'' em leitura/escrita, criando-o se não existir:
 +
 +<code c fopen-write.c>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +int main (int argc, char *argv[])
 +{
 +   FILE* arq ;
 +   
 +   arq = fopen ("x", "w+") ;
 +   
 +   if ( ! arq )
 +   {
 +      perror ("Erro ao abrir/criar arquivo x") ;
 +      exit (1) ; // encerra o programa com status 1
 +   }
 +   
 +   fclose (arq) ;
 +   exit (0) ;
 +}
 +</code>
 +
 +===== Arquivos-texto =====
 +
 +Arquivos-texto contêm sequências de bytes representando um texto simples (sem formatações especiais, como negrito, itálico, etc), como código-fonte ou uma página em HTML, por exemplo.
 +
 +Em um arquivo-texto, os caracteres do texto são representados usando uma codificação padronizada, para que possam ser abertos por diferentes aplicações em vários sistemas operacionais. As codificações de caracteres mais usuais hoje são:
 +
 +  * [[https://en.wikipedia.org/wiki/ASCII|ASCII]]: criada em 1963 para representar os caracteres comuns da língua inglesa, usando 7 bits (valores entre 0 e 127).
 +  * [[https://en.wikipedia.org/wiki/ISO/IEC_8859|ISO-8859]]: conjunto de extensões da codificação ASCII para suportar outras línguas com alfabeto latino, como o Português. Os caracteres entre 0 e 127 os mesmos da tabela ASCII, enquanto os caracteres entre 128 e 255 são específicos. Por exemplo, a extensão [[https://en.wikipedia.org/wiki/ISO/IEC_8859-1|ISO-8859-1]] contém os caracteres acentuados e cedilhas da maior parte das linguagens ocidentais (Português, Espanhol, Francês etc).
 +  * [[https://en.wikipedia.org/wiki/UTF-8|UTF-8]]: codificação baseada no padrão Unicode, capaz de representar mais de um milhão de caracteres em todas as línguas conhecidas, além de sinais gráficos (como //emojis//). Os caracteres em UTF-8 podem usar entre 1 e 4 bytes para sua representação, o que torna sua manipulação mais complexa em programas.
 +
 +Além dos caracteres em si, as codificações geralmente suportam **caracteres de controle**,  que permitem representar algumas estruturas básicas de formatação do texto, como quebras de linha. Alguns caracteres de controle presentes nas codificações acima são:
 +
 +^ nome ^ valor ^ representação ^
 +| null | 0 | ''NUL'' ''\0'' ''%%^%%@'' |
 +| bell | 7 | ''BEL'' ''\a'' ''%%^%%G'' |
 +| backspace | 8 | ''BS'' ''\b'' ''%%^%%H'' |
 +| tab | 9 | ''HT'' ''\t'' ''%%^%%I'' |
 +| line feed | 10 | ''LF'' ''\n'' ''%%^%%J'' |
 +| form feed | 12 | ''FF'' ''\f'' ''%%^%%L'' |
 +| carriage return | 13 | ''CR'' ''\r'' ''%%^%%M'' |
 +| escape | 27 | ''ESC'' ''%%^%%['' |
 +
 +===== Escrita de arquivos =====
 +
 +==== Escrita simples ====
 +
 +Estas funções permitem gravar caracteres ou strings simples em //streams//.
 +
 +<code c>
 +int fputc   (int c, FILE* stream)   // escreve o caractere c no stream
 +int putc    (int c, FILE* stream)   // idem, implementada como macro
 +int putchar (int c)                 // idem, em "stdout"
 +
 +int fputs (const char *s, FILE* stream)  // escreve a string s no stream
 +int puts  (const char *s)                // idem, em "stdout"
 +</code>
 +
 +Um exemplo de uso de operações de escrita simples em arquivo:
 +
 +<code c escreve-ascii.c>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +int main ()
 +{
 +  FILE *arq ;
 +  unsigned char c ;
 +
 +  // abre o arquivo em escrita
 +  arq = fopen ("ascii.txt", "w+") ;
 +  if ( ! arq )
 +  {
 +     perror ("Erro ao abrir/criar arquivo") ;
 +     exit (1) ;
 +  }
 +
 +  // escreve os caracteres ascii
 +  fputs ("caracteres ASCII:", arq) ;
 +  for (c = 32; c < 128; c++)
 +  {
 +    fputc (c, arq) ;
 +    fputc (' ', arq) ;
 +  }
 +  fputc ('\n', arq) ;
 +
 +  // fecha o arquivo
 +  fclose (arq) ;
 +}
 +</code>
 +
 +==== Escrita formatada ====
 +
 +As operações de entrada e saída formatada usam padrões para formatação dos diversos tipos de dados descritos em livros de programação em C e no manual da GLibC.
 +
 +Escreve dados usando a formatação definida em ''format'' no //stream// de saída padrão ''stdout'':
 +
 +<code c>
 +int printf (const char* format, ...)
 +</code>
 +
 +Idêntico a ''printf'', usando o stream indicado:
 +
 +<code c>
 +int fprintf (FILE* stream, const char* format, ...)
 +</code>
 +
 +Similar a ''printf'', mas a saída é depositada na string ''str'':
 +
 +<code c>
 +int sprintf (char* str, const char* format, ...)
 +</code>
 +
 +<note important>
 +Atenção: o programador deve garantir que ''str'' tenha tamanho suficiente para receber a saída; caso contrário, pode ocorrer um //buffer overflow// com consequências imprevisíveis. As funções ''snprintf'' e ''asprintf'' são mais seguras e evitam esse problema.
 +</note>
 +
 +<code c escreve-tabuada.c>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +int main ()
 +{
 +  FILE *arq ;
 +  int i, j ;
 +
 +  // abre o arquivo em escrita
 +  arq = fopen ("tabuada.txt", "w+") ;
 +  if ( ! arq )
 +  {
 +     perror ("Erro ao abrir/criar arquivo") ;
 +     exit (1) ;
 +  }
 +
 +  // escreve o cabeçalho
 +  fprintf (arq, "Tabuada:\n") ;
 +
 +  fprintf (arq, "       ") ;
 +  for (j = 0; j <= 10; j++)
 +      fprintf (arq, "%4d", j) ;
 +  fprintf (arq, "\n") ;
 +
 +  fprintf (arq, "       ") ;
 +  for (j = 0; j <= 10; j++)
 +      fprintf (arq, "----") ;
 +  fprintf (arq, "\n") ;
 +
 +  // escreve as linhas de valores
 +  for (i = 0; i <= 10; i++)
 +  {
 +    fprintf (arq, "%4i | ", i) ;
 +    for (j = 0; j <= 10; j++)
 +      fprintf (arq, "%4d", i*j) ;
 +    fprintf (arq, "\n") ;
 +  }
 +
 +  // fecha o arquivo
 +  fclose (arq) ;
 +}
 +</code>
 +
 +===== Leitura de arquivos =====
 +
 +==== Leitura simples ====
 +
 +Estas funções permitem ler caracteres isolados de um //stream//. O valor lido é um ''int'' indicando o caractere lido ou então o valor especial ''EOF'' (//End-Of-File//):
 +
 +<code c>
 +int fgetc (FILE* stream)  // Lê o próximo caractere do stream
 +int getc  (FILE* stream)  // Idem, como macro (mais rápida)
 +int getchar ()            // Idem, sobre stdin
 +</code>
 +
 +Para a leitura de strings :!::
 +
 +<code c>
 +char* gets (char *s)
 +</code>
 +
 +Lê caracteres de ''stdin'' até encontrar um //newline// e os armazena na string ''s''. O caractere //newline// é descartado.
 +
 +<note warning>
 +Atenção: a função ''gets'' é **perigosa**, pois não provê segurança contra //overflow// na string ''s''. Sempre que possível, deve ser usada a função ''fgets'' ou ''getline''.
 +</note>
 +
 +Lê uma linha de caracteres do //stream// e a deposita na string ''s''. O tamanho da linha é limitado em ''count-1'' caracteres, aos quais é adicionado o '''\0''' que marca o fim da string. O //newline// é incluso.
 +
 +<code c>
 +char* fgets (char *s, int count, FILE *stream)
 +</code>
 +
 +O exemplo a seguir lê e numera as 10 primeiras linhas de um arquivo:
 +
 +<code c numera-linhas.c>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define LINESIZE 1024
 +
 +int main ()
 +{
 +  FILE *arq ;
 +  int i ;
 +  char line[LINESIZE+1] ;
 +
 +  // abre o arquivo em leitura
 +  arq = fopen ("dados.txt", "r") ;
 +  if ( ! arq )
 +  {
 +     perror ("Erro ao abrir arquivo") ;
 +     exit (1) ;
 +  }
 +
 +  // lê as 10 primeiras linhas do arquivo
 +  for (i = 0; i < 10; i++)
 +  {
 +    fgets (line, LINESIZE, arq) ;
 +    printf ("%d: %s", i, line) ;
 +  }
 +
 +  // fecha o arquivo
 +  fclose (arq) ;
 +}
 +</code>
 +
 +==== Leitura formatada ====
 +
 +Lê dados do //stream// ''stdin'' de acordo com a formatação definida na string ''format''. Os demais argumentos são ponteiros para as variáveis onde os dados lidos são depositados. Retorna o número de dados lidos ou ''EOF'':
 +
 +<code c>
 +int scanf (const char* format, ...)
 +</code>
 +
 +Similar a ''scanf'', mas usando como entrada o //stream// indicado:
 +
 +<code c>
 +int fscanf (FILE* stream, const char* format, ...)
 +</code>
 +
 +Similar a ''scanf'', mas usando como entrada a string ''s'':
 +
 +<code c>
 +int sscanf (const char* s, const char* format, ...)
 +</code>
 +
 +O exemplo a seguir lê 10 valores reais de um arquivo:
 +
 +<code c le-valores.c>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +int main ()
 +{
 +  FILE *arq ;
 +  int i ;
 +  float value ;
 +
 +  // abre o arquivo em leitura
 +  arq = fopen ("numeros.txt", "r") ;
 +  if ( ! arq )
 +  {
 +     perror ("Erro ao abrir arquivo") ;
 +     exit (1) ;
 +  }
 +
 +  // lê os 10 primeiros valores do arquivo
 +  for (i = 0; i < 10; i++)
 +  {
 +    fscanf (arq, "%f", &value) ;
 +    printf ("%d: %f\n", i, value) ;
 +  }
 +
 +  // fecha o arquivo
 +  fclose (arq) ;
 +}
 +</code>
 +
 +Experimente executá-lo com os dados de entrada abaixo. Pode explicar o que acontece?
 +
 +<code txt numeros.txt>
 +10 21 4
 +  23.7  55 -0.7
 +6 5723.8, 455
 +1, 2, 3, 4
 +</code>
 +
 +<note tip>
 +A função ''scanf'' considera espaços (espaços em branco, tabulações e novas linhas) como separadores // default// dos campos de entrada. O arquivo ''numeros.txt'' contém uma vírgula, que não é um separador, então a leitura não pode prosseguir até que a vírgula seja lida.
 +
 +Um bloco de leitura mais robusto, imune a esse problema, seria:
 +
 +<code c>
 +// lê os 10 primeiros valores do arquivo
 +i = 0 ;
 +while (i < 10)
 +{
 +  ret = fscanf (arq, "%f", &value) ;
 +
 +  // fim de arquivo ou erro?
 +  if (ret == EOF)
 +    break ;
 +
 +  // houve leitura?
 +  if (ret > 0)
 +  {
 +    printf ("%d: %f\n", i, value) ;
 +    i++ ;
 +  }
 +  // não houve, tira um caractere e tenta novamente
 +  else
 +    fgetc (arq) ;
 +}
 +</code>
 +</note>
 +
 +==== Fim de arquivo ====
 +
 +Muitas vezes deseja-se ler os dados de um arquivo até o fim, mas não se conhece seu tamanho a priori. Para isso existem funções e macros que indicam se o final de um arquivo foi atingido.
 +
 +A função recomendada para testar o final de um arquivo é ''feof(stream)''. Ela retorna 0 (zero) se o final do arquivo **não foi** atingido. Eis um exemplo de uso:
 +
 +<code c numera-todas.c>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define LINESIZE 1024
 +
 +int main ()
 +{
 +  FILE *arq ;
 +  int i ;
 +  char line[LINESIZE+1] ;
 +
 +  // abre o arquivo em leitura
 +  arq = fopen ("dados.txt", "r") ;
 +  if ( ! arq )
 +  {
 +     perror ("Erro ao abrir arquivo") ;
 +     exit (1) ;
 +  }
 +
 +  // lê TODAS as linhas do arquivo
 +  i = 1 ;
 +  fgets (line, LINESIZE, arq) ;     // tenta ler uma linha
 +  while (! feof (arq))              // testa depois de tentar ler!
 +  {
 +    printf ("%d: %s", i, line) ;
 +    fgets (line, LINESIZE, arq) ;   // tenta ler a próxima linha
 +    i++ ;
 +  }
 +
 +  // fecha o arquivo
 +  fclose (arq) ;
 +}
 +</code>
 +
 +<note important>
 +Observe que a função ''feof()'' indica ''TRUE'' somente **após** o final do arquivo ter sido atingido, ou seja, após uma leitura falhar. Por isso, ''feof()'' deve ser testada **depois** da leitura e não antes.
 +</note>
 +
 +A macro ''EOF'' representa o valor devolvido por funções de leitura de caracteres como ''getchar'' e ''fgetc'' quando o final do arquivo é atingido:
 +
 +<code c le-eof.c>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define LINESIZE 1024
 +
 +int main ()
 +{
 +  FILE *arq ;
 +  char c ;
 +
 +  // abre o arquivo em leitura
 +  arq = fopen ("dados.txt", "r") ;
 +  if ( ! arq )
 +  {
 +     perror ("Erro ao abrir arquivo") ;
 +     exit (1) ;
 +  }
 +
 +  // lê os caracteres até o fim do arquivo
 +  c = fgetc (arq) ; // tenta ler um caractere
 +  while (c != EOF) // não é o fim do arquivo
 +  {
 +    printf ("%c ", c) ; // tenta ler o próximo
 +    c = fgetc (arq) ;
 +  }
 +
 +  // fecha o arquivo
 +  fclose (arq) ;
 +}
 +</code>
 +
 +Por fim, esta função retorna um valor não nulo se ocorreu um erro no último acesso ao //stream//:
 +
 +<code c>
 +int ferror (FILE* stream)
 +</code>
 +
 +Além de ajustar o indicador de erro do //stream//, as funções de acesso a //streams// também ajustam a variável ''errno''.
 +
 +===== Exercícios =====
 +
 +  - Escreva um programa em C para informar o número de caracteres presentes em um arquivo de texto.
 +  - Escreva um programa em C que leia um arquivo de texto com números reais (um número por linha) e informe a média dos valores lidos.
 +  - Escreva um programa em C para ler um arquivo ''minusc.txt'' e escrever um arquivo ''maiusc.txt'' contendo o mesmo texto em maiúsculas.
 +  - O arquivo {{ mapa.txt}} contém o mapa de um nível do jogo [[https://en.wikipedia.org/wiki/Boulder_Dash|Boulder Dash]]. Escreva um programa em C que carregue esse mapa em uma matriz de caracteres.
 +  -  Escreva um programa ''mycp'' para fazer a cópia de um arquivo em outro: ''mycp arq1 arq2''. Antes da cópia, ''arq1'' deve existir e ''arq2'' não deve existir. Mensagens de erro devem ser geradas caso essas condições não sejam atendidas ou o nome dado a ''arq2'' seja inválido. Para acessar os nomes dos arquivos na linha de comando use os parâmetros ''argc'' e ''argv'' ([[a função main|veja aqui]]).
 +  - o comando ''grep'' do UNIX imprime na saída padrão (//stdout//) as linhas de um arquivo de entrada que contenham uma determinada string informada como parâmetro. Escreva esse programa em C (dica: use a função ''strstr'').
 +
 +Mais exercícios no capítulo 11 da {{apostila_c_-_nce.pdf|apostila do NCE/UFRJ}}.