-\chapter{I files: l'interfaccia standard C}
+\chapter{I file: l'interfaccia standard ANSI C}
\label{cha:files_std_interface}
-%
-% Questa va per ultima. Va bene che e` la più usata, ma è basata sulle altre
-%
-\section{I file stream e gli oggetti \texttt{FILE}}
-\label{sec:filestd_stream}
+Esamineremo in questo capitolo l'interfaccia standard ANSI C per i file,
+quella che viene comunemente detta interfaccia degli \textit{stream}.
+Dopo una breve sezione introduttiva tratteremo le funzioni base per la
+gestione dell'input/output, mentre tratteremo le caratteristiche più avanzate
+dell'interfaccia nell'ultima sezione.
-Esamineremo in questa sezione l'interfaccia per i file stream, le modalità per
-crearli, e le funzioni disponibili per leggere, scrivere e compiere le varie
-operazioni connesse all'uso dei file. L'interfaccia è accessibile includendo
-l'header file \texttt{stdio.h}.
-Per ragioni storiche la struttura di dati che rappresenta un stream è stata
-chiamata \texttt{FILE}, questi oggetti sono creati dalle funzioni di libreria
-e contengono tutte le informazioni necessarie a gestire le operazioni sugli
+\section{Introduzione}
+\label{sec:file_stream_intro}
+
+Come visto in \capref{cap:file_unix_interface} le operazioni di I/O sui file
+sono gestibili a basso livello con l'interfaccia standard unix, che ricorre
+direttamente alle system call messe a disposizione dal kernel.
+
+Questa interfaccia però non provvede le funzionalità previste dallo standard
+ANSI C, che invece sono realizzate attraverso opportune funzioni di libreria,
+queste, insieme alle altre funzioni definite dallo standard, vengono a
+costituire il nucleo\footnote{queste funzioni sono state implementate la prima
+ volta da Ritchie nel 1976 e da allora sono rimaste sostanzialmente
+ immutate.} delle \acr{glibc}.
+
+
+\subsection{I \textit{file stream}}
+\label{sec:file_stream}
+
+Come più volte ribadito l'interfaccia dei file descriptor è una interfaccia di
+basso livello, che non provvede nessuna forma di formattazione dei dati e
+nessuna forma di bufferizzazione per ottimizzare le operazioni di I/O.
+
+In \textit{Advanced Programming in the Unix Environment} Stevens descrive una
+serie di test sull'influenza delle dimensioni del blocco di dati (il parametro
+\param{buf} di \func{read} e \func{write}) nell'efficienza nelle operazioni di
+I/O con i file descriptor, evidenziando come le prestazioni ottimali si
+ottengano a partire da dimensioni del buffer dei dati pari a quelle dei
+blocchi del filesystem (il valore dato dal campo \var{st\_blksize} di
+\var{fstat}).
+
+Se il programmatore non si cura di effettuare le operazioni in blocchi di
+dimensioni adeguate, le prestazioni sono inferiori. La caratteristica
+principale dell'interfaccia degli stream è che essa provvede da sola alla
+gestione dei dettagli della bufferizzazione e all'esecuzione delle operazioni
+di lettura e scrittura in blocchi di dimensioni appropriate all'ottenimento
+della massima efficienza.
+
+Per questo motivo l'interfaccia viene chiamata anche interfaccia dei
+\textit{file stream}, dato che non è più necessario doversi preoccupare di dei
+dettagli della comunicazione con il tipo di hardware sottostante (come nel
+caso della dimensione dei blocchi del filesystem), ed un file può essere
+sempre considerato come composto da un flusso continuo (da cui il nome
+\textit{stream}) di dati.
+
+A parte i dettagli legati alla gestione delle operazioni di lettura e
+scrittura (sia per quel che riguarda la bufferizzazione, che le
+formattazioni), i file stream restano del tutto equivalenti ai file descriptor
+(sui quali sono basati), ed in particolare continua a valere quanto visto in
+\secref{sec:file_sharing} a proposito dell'accesso condiviso ed in
+\secref{sec:file_access_control} per il controllo di accesso.
+
+
+\subsection{Gli oggetti \type{FILE}}
+\label{sec:file_FILE}
+
+Per ragioni storiche la struttura di dati che rappresenta uno stream è stata
+chiamata \type{FILE}, questi oggetti sono creati dalle funzioni di libreria e
+contengono tutte le informazioni necessarie a gestire le operazioni sugli
stream, come la posizione corrente, lo stato del buffer e degli indicatori di
-stato e di fine del file. Per questo motivo gli utenti non devono mai
-utilizzare direttamente o allocare queste strutture, ma usare sempre puntatori
-del tipo \texttt{FILE *} (tanto che in certi caso il termine di puntatore a
-file è diventato sinonimo di stream).
+stato e di fine del file.
+
+Per questo motivo gli utenti non devono mai utilizzare direttamente o allocare
+queste strutture, ma usare sempre puntatori del tipo \type{FILE *} ottenuti
+dalla libreria stessa (tanto che in certi casi il termine di puntatore a file
+è diventato sinonimo di stream).
+
+Tutte le funzioni della libreria che operano sui file accettano come parametri
+solo variabili di questo tipo, che diventa accessibile includendo l'header
+file \file{stdio.h}.
+
+
\subsection{Gli stream standard}
-\label{sec:filestd_stdfiles}
+\label{sec:file_std_stream}
-Quando un programma viene lanciato il processo ha sempre tre stream
-predefiniti aperti, che rappresentano i canali standard di input/output
-prestabiliti per il processo; anche questi tre stream sono definiti
-nell'header \texttt{stdio.h} e sono:
+Ai tre file descriptor standard (vedi \secref{sec:file_std_descr}) aperti per
+ogni processo, corrispondono altrettanti stream, che rappresentano i canali
+standard di input/output prestabiliti; anche questi tre stream sono
+identificabili attraverso dei nomi simbolici definiti nell'header
+\file{stdio.h} che sono:
\begin{itemize}
-\item \texttt{FILE * stdin} Lo \textit{standard input} cioè lo stream da cui
+\item \var{FILE * stdin} Lo \textit{standard input} cioè lo stream da cui
il processo riceve ordinariamente i dati in ingresso. Normalmente è associato
dalla shell all'input del terminale e prende i caratteri dalla tastiera.
-\item \texttt{FILE * stdout} Lo \textit{standard input} cioè lo stream su cui
+\item \var{FILE * stdout} Lo \textit{standard input} cioè lo stream su cui
il processo invia ordinariamente i dati in uscita. Normalmente è associato
dalla shell all'output del terminale e scrive sullo schermo.
-\item \texttt{FILE * stderr} Lo \textit{standard input} cioè lo stream su cui
- il processo è supposto inviare i messaaggi di errore. Normalmente anch'esso
+\item \var{FILE * stderr} Lo \textit{standard input} cioè lo stream su cui
+ il processo è supposto inviare i messaggi di errore. Normalmente anch'esso
è associato dalla shell all'output del terminale e scrive sullo schermo.
\end{itemize}
+Nelle \acr{glibc} \var{stdin}, \var{stdout} e \var{stderr} sono effettivamente
+tre variabili di tipo \type{FILE *} che possono essere usate come tutte le
+altre, ad esempio si può effettuare una redirezione dell'output di un
+programma con il semplice codice:
+\begin{lstlisting}[labelstep=0,frame=,indent=1cm]{}
+ fclose (stdout);
+ stdout = fopen ("standard-output-file", "w");
+\end{lstlisting}
+ma in altri sistemi possono essere definite come macro, se si hanno problemi
+di portabilità e si vuole essere sicuri, diventa opportuno usare la funzione
+\func{freopen}.
+
+
+\subsection{Le modalità di bufferizzazione}
+\label{sec:file_buffering}
+
+La bufferizzazione è una delle caratteristiche principali della interfaccia
+degli stream; lo scopo è quello di ridurre al minimo il numero di system call
+(\func{read} o \func{write}) eseguite nelle operazioni di input/output. Questa
+funzionalità è assicurata automaticamente dalla libreria, ma costituisce anche
+una degli aspetti più comunemente fraintesi, in particolare per quello che
+riguarda l'aspetto della scrittura dei dati sul file.
+
+I caratteri che vengono scritti su uno stream normalmente vengono accumulati
+in un buffer e poi trasmessi in blocco in maniera asincrona rispetto alla
+scrittura (quello che viene chiamato il \textit{flush} dei dati) tutte le
+volte che il buffer viene riempito. Un comportamento analogo avviene anche in
+lettura (cioè dal file viene letto un blocco di dati, anche se se ne sono
+richiesti una quantità inferiore), ma la cosa ovviamente ha rilevanza
+inferiore, dato che i dati letti sono sempre gli stessi; in caso di scrittura
+invece, quando si ha un accesso contemporaneo allo stesso file (ad esempio da
+parte di un altro processo) si potranno vedere solo le parti effettivamente
+scritte, e non quelle ancora presenti nel buffer.
+
+Allo stesso modo, se si sta facendo dell'input/output interattivo bisognerà
+tenere presente le caratteristiche delle operazioni di \textit{flush} dei
+dati, poiché non è detto che ad una scrittura sullo stream corrisponda una
+immediata scrittura sul dispositivo.
+
+Per rispondere ad esigenze diverse, lo standard definisce tre distinte modalità
+in cui può essere eseguita la bufferizzazione, delle quali occorre essere ben
+consapevoli, specie in caso di lettura e scrittura da dispositivi interattivi:
+\begin{itemize}
+\item \textit{unbuffered}: in questo caso non c'è bufferizzazione ed i
+ caratteri vengono trasmessi direttamente al file non appena possibile
+ (effettuando immediatamente una \func{write}).
+\item \textit{line buffered}: in questo caso i caratteri vengono normalmente
+ trasmessi al file in blocco ogni volta che viene incontrato un carattere di
+ \textit{newline} (il carattere ASCII \verb|\n|).
+\item \textit{fully buffered}: in questo caso i caratteri vengono trasmessi da
+ e verso il file in blocchi di dimensione opportuna.
+\end{itemize}
+
+Lo standard ANSI C specifica inoltre che lo standard output e lo standard
+input siano aperti in modalità \textit{fully buffered} quando non fanno
+riferimento ad un dispositivo interattivo, e che lo standard error non sia mai
+aperto in modalità \textit{fully buffered}.
+
+Linux, come BSD e SVr4, specifica il comportamento di default in maniera
+ancora più precisa, e cioè impone che lo standard error sia sempre
+\textit{unbuffered} (in modo che i messaggi di errore siano mostrati il più
+rapidamente possibile) e che standard input e standard output siano aperti in
+modalità \textit{line buffered} quando sono associati ad un terminale (od
+altro dispositivo interattivo) ed in modalità \textit{fully buffered}
+altrimenti.
+
+Il comportamento specificato per standard input e standard output vale anche
+per tutti i nuovi stream aperti da un processo; la selezione comunque avviene
+automaticamente, e la libreria apre lo stream nella modalità più opportuna a
+seconda del file o del dispositivo scelto.
+
+La modalità \textit{line buffered} è quella che necessita di maggiori
+chiarimenti e attenzioni per quel che concerne il suo funzionamento. Come già
+accennato nella descrizione, \emph{di norma} i dati vengono inviati al kernel
+alla ricezione di un carattere di a capo; questo non è vero in tutti i casi,
+infatti, dato che le dimensioni del buffer usato dalle librerie sono fisse, se
+le si eccedono si può avere un \textit{flush} dei dati anche prima che sia
+stato inviato un carattere di \textit{newline}.
+
+Un secondo punto da tenere presente, particolarmente quando si ha a che fare
+con I/O interattivo, è che quando si effettua una lettura su uno stream che
+comporta l'accesso al kernel\footnote{questo vuol dire sempre se lo stream da
+ cui si legge è in modalità \textit{unbuffered}} viene anche eseguito il
+\textit{flush} di tutti i buffer degli stream in scrittura.
+
+In \secref{sec:file_buffering_ctrl} vedremo come la libreria definisca delle
+opportune funzioni per controllare le modalità di bufferizzazione ed il
+\textit{flush} dei dati.
+
-\subsection{La bufferizzazione}
-\label{sec:filestd_buffering}
\section{Funzioni base}
-\label{sec:filestd_base_func}
+\label{sec:file_ansi_base_func}
+
+Esamineremo in questa sezione le funzioni base dell'interfaccia degli stream,
+analoghe a quelle di \secref{sec:file_base_func} per i file descriptor. In
+particolare vedremo come aprire, leggere, scrivere e cambiare la posizione
+corrente in uno stream.
+
+
+\subsection{Apertura e chiusura di uno stream}
+\label{sec:file_fopen}
+
+Le funzioni che permettono di aprire uno stream sono tre\footnote{\func{fopen}
+ e \func{freopen} fanno parte dello standard ANSI C, \func{fdopen} è parte
+dello standard POSIX.1.}, i loro prototipi sono:
+
+\begin{functions}
+ \headdecl{stdio.h}
+ \funcdecl{FILE * fopen(const char * path, const char *mode)}
+ Apre il file specificato da \param{path}.
+ \funcdecl{FILE * fdopen(int fildes, const char * mode)}
+ Associa uno stream al file descriptor \param{fildes}.
+ \funcdecl{FILE * freopen(const char * path, const char * mode, FILE *
+ stream)}
+ Apre il file specificato da \param{path} associandolo allo stream
+ specificato da \param{stream}, se questo è già aperto prima lo chiude.
+
+ Le funzioni ritornano un puntatore valido in caso di successo e \macro{NULL}
+ in caso di errore, in tal caso \var{errno} viene settata al valore ricevuto
+ dalla funzione sottostante di cui è fallita l'esecuzione.
+
+ Gli errori pertanto possono essere quelli di \func{malloc} per tutte e tre
+ le funzioni, quelli \func{open} per \func{fopen}, quelli di \func{fcntl} per
+ \func{fdopen} e quelli di \func{fopen}, \func{fclose} e \func{fflush} per
+ \func{freopen}.
+\end{functions}
+
+Normalmente la funzione che si usa per aprire uno stream è \func{fopen}, essa
+apre il file specificato nella modalità specificata da \param{mode} che è una
+delle stringhe elencate in \tabref{tab:file_fopen_mode}.
+
+L'uso di \func{freopen} è in genere per redirigere uno dei tre file standard
+(vedi \secref{sec:file_std_stream}): il file \param{path} viene associato a
+\param{stream} e se questo è uno stream aperto prima viene chiuso.
+
+Infine \func{fdopen} viene usato per associare uno stream ad un file
+descriptor esistente ottenuto tramite una altra funzione (come \func{open},
+\func{dup}, \func{pipe}) e serve quando si vogliono usare gli stream con file
+speciali come le fifo od i socket, che non possono essere aperti con le
+funzioni delle librerie standard del C.
+
+\begin{table}[htb]
+ \centering
+ \begin{tabular}[c]{|l|p{8cm}|}
+ \hline
+ \textbf{Valore} & \textbf{Significato}\\
+ \hline
+ \hline
+ \texttt{r} & Il file viene aperto in sola lettura; lo stream è posizionato
+ all'inizio del file.\\
+ \texttt{r+} & Il file viene aperto in lettura e scrittura; lo stream è
+ posizionato all'inizio del file. \\
+% \hline
+ \texttt{w} & Il file viene troncato a lunghezza nulla (o creato se non
+ esiste), ed aperto in sola lettura; lo stream è posizionato all'inizio del
+ file.\\
+ \texttt{w+} & Il file viene troncato a lunghezza nulla (o creato se non
+ esiste), ed aperto in scrittura e lettura; lo stream è posizionato
+ all'inizio del file.\\
+% \hline
+ \texttt{a} & Il file è aperto in \textit{append mode} in sola scrittura
+ (o creato se non esiste). \\
+ \texttt{a+} & Il file è aperto in \textit{append mode} in lettura e
+ scrittura (o creato se non esiste). \\
+ \hline
+ \end{tabular}
+ \caption{Modalità di apertura di uno stream}
+ \label{tab:file_fopen_mode}
+\end{table}
+
+In realtà lo standard ANSI C prevede un totale di 15 possibili valori diversi
+per \param{mode}, ma in \tabref{tab:file_fopen_mode} si sono riportati solo i
+sei valori effettivi, ad essi può essere aggiunto pure il carattere \func{b}
+(come ultimo carattere o nel mezzo agli altri per le stringhe di due
+caratteri) che in altri sistemi operativi serve a distinguere i file binari
+dai file di testo; in un sistema POSIX questa distinzione non esiste e il
+valore viene accettato solo per compatibilità, ma non ha alcun effetto.
+
+Inoltre nel caso si usi \func{fdopen} i valori specificati da \param{mode}
+devono essere compatibili con quelli con cui il file descriptor è stato
+aperto. Inoltre i modi \cmd{w} e \cmd{w+} non troncano il file. La posizione
+nello stream viene settata a quella corrente nel file descriptor, e le
+variabili di errore e di fine del file sono cancellate. Il file non viene
+duplicato e verrà chiuso alla chiusura dello stream.
+
+I nuovi file saranno creati secondo quanto visto in
+\secref{sec:file_ownership} ed avranno i permessi di accesso settati al valore
+\macro{S\_IRUSR|S\_IWUSR|S\_IRGRP|S\_IWGRP|S\_IROTH|S\_IWOTH} (pari a
+\macro{0666}) modificato secondo il valore di \acr{umask} per il processo (si
+veda \secref{sec:file_umask}).
+
+In caso di file aperti in lettura e scrittura occorre ricordarsi che c'è di
+messo una bufferizzazione; per questo motivo lo standard ANSI C richiede che
+ci sia una operazione di posizionamento fra una operazione di output ed una di
+input o viceversa (eccetto il caso in cui l'input ha incontrato la fine del
+file), altrimenti una lettura può ritornare anche il risultato di scritture
+precedenti l'ultima effettuata.
+
+Per questo motivo è una buona pratica (e talvolta necessario) far seguire ad
+una scrittura una delle funzioni \func{fflush}, \func{fseek}, \func{fsetpos} o
+\func{rewind} prima di eseguire una rilettura; viceversa nel caso in cui si
+voglia fare una scrittura subito dopo aver eseguito una lettura occorre prima
+usare una delle funzioni \func{fseek}, \func{fsetpos} o \func{rewind}. Anche
+una operazione nominalmente nulla come \func{fseek(file, 0, SEEK\_CUR)} è
+sufficiente a garantire la sincronizzazione.
+
+Uno stream viene chiuso con la funzione \func{fclose} il cui prototipo è:
+\begin{prototype}{stdio.h}{int fclose(FILE * stream)}
+ Chiude lo stream \param{stream}.
+
+ Restituisce 0 in caso di successo e \macro{EOF} in caso di errore, nel qual
+ caso setta \var{errno} a \macro{EBADF} se il file descriptor indicato da
+ \param{stream} non è valido, o uno dei valori specificati dalla sottostante
+ funzione che è fallita (\func{close}, \func{write} o \func{fflush}).
+\end{prototype}
+
-\subsection{Apertura di uno stream}
-\label{sec:filestd_open}
\subsection{Lettura e scrittura su uno stream}
-\label{sec:filestd_io}
+\label{sec:file_io}
+
\subsection{Posizionamento su uno stream}
-\label{sec:filestd_seek}
+\label{sec:file_fseek}
+
\subsection{Input/output binario}
-\label{sec:filestd_binary_io}
+\label{sec:file_binary_io}
+
\subsection{Input/output di linea}
-\label{sec:filestd_line_io}
+\label{sec:file_line_io}
+
\subsection{Input/output formattato}
-\label{sec:filestd_formatted_io}
+\label{sec:file_formatted_io}
-\subsection{Chiusura di uno stream}
-\label{sec:filestd_close}
\section{Funzioni avanzate}
-\label{sec:filestd_adv_func}
+\label{sec:file_stream_adv_func}
+
+
+\subsection{Il controllo della bufferizzazione}
+\label{sec:file_buffering_ctrl}
+
+Come accennato in \secref{sec:file_buffering} le librerie definiscono una
+serie di funzioni che permettono di controllare il comportamento degli
+stream; se non si è
\subsection{Dettagli dell'implementazione}
-\label{sec:filestd_details}
+\label{sec:file_stream_details}
+
\subsection{File temporanei}
-\label{sec:filestd_details}
+\label{sec:file_temp_file}
+
\subsection{Efficienza}
-\label{sec:filestd_details}
+\label{sec:file_stream_efficiency}
+
projects / gapil.git / blobdiff