filestd.tex

   1 \chapter{I file: l'interfaccia standard ANSI C}
   2 \label{cha:files_std_interface}
   3
   4 Esamineremo in questo capitolo l'interfaccia standard ANSI C per i file,
   5 quella che viene comunemente detta interfaccia degli \textit{stream}.
   6 Dopo una breve sezione introduttiva tratteremo le funzioni base per la
   7 gestione dell'input/output, mentre tratteremo le caratteristiche più avanzate
   8 dell'interfaccia nell'ultima sezione.
   9
  10
  11 \section{Introduzione}
  12 \label{sec:file_stream_intro}
  13
  14 Come visto in \capref{cap:file_unix_interface} le operazioni di I/O sui file
  15 sono gestibili direttamente a basso livello con l'interfaccia standard unix
  16 che ricorre direttamente alle system call messe a disposizione dal kernel.
  17
  18 Questa interfaccia però non provvede le funzionalità previste dallo standard
  19 ANSI C che invece sono realizzate attraverso opportune funzioni di libreria,
  20 che vengono a costituire il nucleo essenziale\footnote{queste funzioni sono
  21   state implementate la prima volta da Ritchie nel 1976 e da allora sono
  22   rimaste sostanzialmente immutate.} delle \acr{glibc}.
  23
  24
  25 \subsection{I \textit{file stream}}
  26 \label{sec:file_stream}
  27
  28 Come più volte ribadito l'interfaccia dei file descriptor è una interfaccia di
  29 basso livello, che non provvede nessuna forma di formattazione dei dati, e
  30 nessuna forma di bufferizzazione per ottimizzare le operazioni di I/O.
  31
  32 In \textit{Advanced Programming in the Unix Environment} Stevens esegue un
  33 raffronto dell'influenza delle dimensioni del blocco di dati (il parametro
  34 \param{buf} di \func{read} e \func{write}) nell'efficienza nelle operazioni di
  35 I/O con i file descriptor, evidenziando come le prestazioni ottimali si
  36 ottengano quando il buffer dei dati ha la stessa dimensione dei blocchi del
  37 filesystem (il valore dato dal campo \var{st\_blksize} di \var{fstat}).
  38
  39 In questo caso se il programmatore non si cura di effettuare le operazioni in
  40 blocchi di dimensioni adeguate, le prestazioni possono deteriorarsi in maniera
  41 evidente. L'interfaccia degli stream provvede da sola la gestione dei dettagli
  42 della bufferizzazione e dell'esecuzione delle operazioni di lettura e
  43 scrittura effettive in blocchi di dimensioni appropriate all'ottenimento della
  44 massima efficienza.
  45
  46 Per questo motivo l'interfaccia viene chiamata anche interfaccia dei
  47 \textit{file stream}, dato che non è più necessario doversi preoccupare di
  48 gestire i dettagli della comunicazione con il tipo di hardware sottostante, ed
  49 esso può essere sempre considerato come composto da un flusso (da cui il nome
  50 \textit{stream}) continuo di dati.
  51
  52 Ma a parte le particolarità della gestione delle operazioni di lettura e
  53 scrittura, i file stream restano del tutto equivalenti ai file descriptor sui
  54 quali sono basati, ed in particolare vale quanto visto in
  55 \secref{sec:file_sharing} a proposito dell'accesso condiviso ed in
  56 \secref{sec:file_access_control} per il controllo di accesso.
  57
  58
  59 \subsection{Gli oggetti \type{FILE}}
  60 \label{sec:file_FILE}
  61
  62 Per ragioni storiche la struttura di dati che rappresenta un stream è stata
  63 chiamata \type{FILE}, questi oggetti sono creati dalle funzioni di libreria e
  64 contengono tutte le informazioni necessarie a gestire le operazioni sugli
  65 stream, come la posizione corrente, lo stato del buffer e degli indicatori di
  66 stato e di fine del file.
  67
  68 Per questo motivo gli utenti non devono mai utilizzare direttamente o allocare
  69 queste strutture, ma usare sempre puntatori del tipo \type{FILE *} ottenuti
  70 dalla libreria stessa (tanto che in certi casi il termine di puntatore a file
  71 è diventato sinonimo di stream).
  72
  73 Tutte le funzioni della libreria che operano sui file accettano come parametri
  74 solo variabili di questo tipo, che diventa accessibile includendo l'header
  75 file \file{stdio.h}.
  76
  77
  78
  79 \subsection{Gli stream standard}
  80 \label{sec:file_std_stream}
  81
  82 Ai tre file descriptor standard (vedi \secref{sec:file_std_descr}) aperti per
  83 ogni processo, corrispondono altrettanti stream predefiniti per ogni processo,
  84 che rappresentano i canali standard di input/output prestabiliti; anche questi
  85 tre stream sono definiti nell'header \file{stdio.h} e sono:
  86
  87 \begin{itemize}
  88 \item \var{FILE * stdin} Lo \textit{standard input} cioè lo stream da cui
  89   il processo riceve ordinariamente i dati in ingresso. Normalmente è associato
  90   dalla shell all'input del terminale e prende i caratteri dalla tastiera.
  91 \item \var{FILE * stdout} Lo \textit{standard input} cioè lo stream su cui
  92   il processo invia ordinariamente i dati in uscita. Normalmente è associato
  93   dalla shell all'output del terminale e scrive sullo schermo.
  94 \item \var{FILE * stderr} Lo \textit{standard input} cioè lo stream su cui
  95   il processo è supposto inviare i messaggi di errore. Normalmente anch'esso
  96   è associato dalla shell all'output del terminale e scrive sullo schermo.
  97 \end{itemize}
  98
  99 Nelle \acr{glibc} \var{stdin}, \var{stdout} e \var{stderr} sono effettivamente
 100 tre variabili che possono essere usate come tutte le altre, ad esempio si può
 101 effettuare una redirezione dell'output di un programma con il semplice codice:
 102 \begin{lstlisting}[labelstep=0,frame=,indent=1cm]{}
 103     fclose (stdout);
 104     stdout = fopen ("standard-output-file", "w");
 105 \end{lstlisting}
 106 ma in altri sistemi possono essere definite come macro, e deve essere pertanto
 107 usata \func{freopen}.
 108
 109
 110 \subsection{Le modalità di bufferizzazione}
 111 \label{sec:file_buffering}
 112
 113 La bufferizzazione è una delle caratteristiche principali della interfaccia
 114 degli stream; lo scopo è quello di ridurre al minimo il numero di system call
 115 (\func{read} o \func{write}) eseguite nelle operazioni di input/output. Questa
 116 funzionalità è assicurata automaticamente dalla libreria, ma costituisce anche
 117 una degli aspetti più comunemente fraintesi.
 118
 119 I caratteri che vengono scritti su uno stream normalmente vengono accumulati e
 120 poi trasmessi in blocco in maniera asincrona, e molto spesso lo stesso avviene
 121 anche per la lettura (cioè dal file viene letto un blocco di dati).  Se si sta
 122 facendo dell'input/output interattivo però bisogna tenere presente le
 123 caratteristiche con cui viene effettuata la bufferizzazione, pena il rischio
 124 di non vedere apparire l'output o di ottenere degli effetti indesiderati nella
 125 visualizzazione.
 126
 127 Per questo motivo, la libreria definisce tre distinte modalità di
 128 bufferizzazione, adatte a situazioni diverse, di cui occorre essere ben
 129 consapevoli:
 130 \begin{itemize}
 131 \item \textit{unbuffered}: in questa modalità i caratteri non sono
 132   bufferizzati e vengono trasmessi individualmente al file non appena
 133   possibile (effettuando immediatamente una \func{write}).
 134 \item \textit{line buffered}: in questo caso i caratteri vengono trasmessi
 135   al file in blocco ogni volta che viene incontrato un carattere di
 136   \textit{newline} (il carattere ASCII \verb|\n|).
 137 \item \textit{fully buffered}: in questo caso i caratteri vengono trasmessi da
 138   e verso il file in blocchi di dimensione opportuna.
 139 \end{itemize}
 140
 141 Lo standard ANSI C specifica soltanto che lo standard output e lo standard
 142 input siano aperti in modalità \textit{fully buffered} quando non fanno
 143 riferimento ad un dispositivo interattivo, e che lo standard error non sia mai
 144 aperto in modalità \textit{fully buffered}.
 145
 146 Linux, come BSD e SRv4, specifica il comportamento di default in maniera più
 147 precisa, e cioè impone che lo standard error sia sempre \textit{unbuffered}
 148 (in modo che i messaggi di errore siano mostrati il più rapidamente possibile)
 149 e che standard input e standard output siano aperti in modalità \textit{line
 150   buffered} quando sono associati ad un terminale (od altro dispositivo
 151 interattivo) e in modalità \textit{fully buffered} altrimenti.
 152
 153 Il comportamento specificato per standard input e standard output vale anche
 154 per tutti i nuovi stream aperti da un processo; la selezione comunque avviene
 155 automaticamente, e la libreria apre lo stream nella modalità più opportuna a
 156 seconda file o al dispositivo scelto.
 157
 158 La modalità \textit{line buffered} è quella passibile di maggiori
 159 fraintendimenti,
 160
 161
 162 \section{Funzioni base}
 163 \label{sec:file_ansi_base_func}
 164
 165 Esamineremo in questa sezione le funzioni base dell'interfaccia degli stream,
 166 analoghe a quelle di \secref{} per i file descriptor. In particolare vedremo
 167 come aprire, leggere, scrivere e cambiare la posizione corrente in uno stream.
 168
 169
 170 \subsection{Apertura di uno stream}
 171 \label{sec:file_fopen}
 172
 173
 174 \subsection{Lettura e scrittura su uno stream}
 175 \label{sec:file_io}
 176
 177
 178 \subsection{Posizionamento su uno stream}
 179 \label{sec:file_fseek}
 180
 181
 182 \subsection{Input/output binario}
 183 \label{sec:file_binary_io}
 184
 185
 186 \subsection{Input/output di linea}
 187 \label{sec:file_line_io}
 188
 189
 190 \subsection{Input/output formattato}
 191 \label{sec:file_formatted_io}
 192
 193
 194 \subsection{Chiusura di uno stream}
 195 \label{sec:file_fclose}
 196
 197
 198 \section{Funzioni avanzate}
 199 \label{sec:file_stream_adv_func}
 200
 201
 202 \subsection{Il controllo della bufferizzazione}
 203 \label{sec:file_buffering-ctrl}
 204
 205
 206 \subsection{Dettagli dell'implementazione}
 207 \label{sec:file_stream_details}
 208
 209
 210 \subsection{File temporanei}
 211 \label{sec:file_temp_file}
 212
 213
 214 \subsection{Efficienza}
 215 \label{sec:file_stream_efficiency}
 216
 217
 218
 219
 220
 221
 222
 223
 224