Bài 18.122 phút đọc

Luồng và kiểu FILE

Sau bài này bạn sẽ làm được

Giải thích FILE là kiểu mờ và vì sao không được tự tạo đối tượng FILE
Phân biệt ba chế độ đệm và biết chế độ mặc định của từng luồng
Chỉ ra vì sao printf không hiện gì khi chương trình sập
Dùng setvbuf và fflush đúng lúc

Mọi chương trình từ Phần 0 tới giờ đều đã đọc ghi file mà bạn không để ý: printf ghi vào một file, scanf đọc từ một file. Bài này mở nắp xem bên dưới có gì, và giải thích một hiện tượng đã làm phiền bạn nhiều lần mà chưa có lời giải.

#Luồng là gì

Luồng

Một dãy byte có thứ tự, đọc hoặc ghi tuần tự từ đầu tới cuối. Thư viện chuẩn C không phân biệt byte đó tới từ đâu: file trên đĩa, bàn phím, màn hình, máy in hay một chương trình khác đều là luồng.

Chuong trinh cua ban
        |
        | fputs, fprintf, fputc      <- cung mot bo ham
        v
   [   LUONG   ]
        |
        +--> tep tren dia
        +--> man hinh
        +--> may in
        +--> mot chuong trinh khac (ong dan)
        +--> ket noi mang (tren Linux)

Đây là lý do bạn học một lần dùng được mọi nơi

fprintf(stdout, "Xin chao\n");     /* ra man hinh */
fprintf(f,      "Xin chao\n");     /* ra tep       */
fprintf(stderr, "Xin chao\n");     /* ra luong loi */

/* Cung mot ham, cung cu phap, cung quy tac dinh dang.
   Chi khac tham so dau tien. */

Bài 4.2 đã dạy printf, và bây giờ bạn biết nó chỉ là fprintf(stdout, ...) viết ngắn lại. Không có gì mới phải học về định dạng.

#Kiểu FILE là kiểu mờ

#include <stdio.h>

FILE *f;                    /* CON TRO toi FILE, khong bao gio la FILE */

Kiểu mờ

Kiểu mà bạn biết tên nhưng không biết bên trong có gì. Thư viện chỉ cho bạn con trỏ tới nó và một bộ hàm để thao tác. Bạn không được đọc trường, không được sao chép, không được tự tạo.

Đụng vào ruột FILE

FILE f;                          /* khong the: kich thuoc va noi dung
                                    la chuyen rieng cua thu vien */

FILE *g = fopen("a.txt", "r");
FILE  h = *g;                    /* SAO CHEP: hong.
                                    Hai doi tuong cung tro toi mot bo dem,
                                    dong mot cai la cai kia thanh rac. */

printf("%d\n", g->_flags);       /* KHONG KHA CHUYEN: ten truong
                                    khac nhau giua cac thu vien */

Chỉ dùng con trỏ và các hàm

FILE *f = fopen("a.txt", "r");   /* chi giu con tro */

if (feof(f))   { /* ... */ }     /* hoi trang thai bang HAM */
if (ferror(f)) { /* ... */ }
long vt = ftell(f);              /* hoi vi tri bang HAM */

fclose(f);                       /* tra lai cho thu vien */

Bên trong nó có gì

Bạn không cần biết, nhưng biết thì hiểu được vì sao các hàm hành xử như vậy. Mọi cài đặt đều giữ ít nhất bốn thứ sau.

Thứ	Dùng để làm gì	Hàm nào chạm tới
Bộ đệm	Gom nhiều lần ghi nhỏ thành một lần ghi lớn	fflush, setvbuf
Vị trí hiện tại	Lần đọc ghi tiếp theo bắt đầu từ đâu	fseek, ftell, rewind
Cờ kết thúc và cờ lỗi	Nhớ rằng lần đọc trước đã thất bại	feof, ferror, clearerr
Số hiệu file của hệ điều hành	Cầu nối xuống nhân hệ điều hành	fileno trên POSIX

#Ba luồng mở sẵn

Luồng	Số hiệu	Mặc định nối với	Chế độ đệm
stdin	0	Bàn phím	Theo dòng
stdout	1	Màn hình	Theo dòng khi ra màn hình, đầy mới xả khi chuyển hướng
stderr	2	Màn hình	Không đệm, luôn luôn

Ba luồng này đã mở sẵn trước khi hàm main chạy, và bạn không cần fopen chúng.

Thông báo lỗi phải ra stderr, không phải stdout

Lẫn lỗi vào kết quả

printf("Loi: khong mo duoc %s\n", ten);     /* ra stdout */

Lỗi ra luồng riêng

fprintf(stderr, "Loi: khong mo duoc %s\n", ten);

terminal

# Người dùng muốn giữ kết quả, bỏ thông báo

./loc-du-lieu vao.txt > ket-qua.txt

Loi: khong mo duoc vao.txt

Thong bao hien tren man hinh, con ket-qua.txt sach.
Neu in ra stdout thi thong bao loi chui vao ket-qua.txt.

# Hoặc ngược lại, chỉ muốn xem lỗi

./loc-du-lieu *.txt > /dev/null

Loi: khong mo duoc thang-3.txt
Loi: khong mo duoc thang-7.txt

Đây không phải quy ước hình thức. Người dùng ống dẫn kết quả sang chương trình khác, và một dòng thông báo lẫn vào giữa sẽ làm hỏng dữ liệu của họ.

#Bộ đệm và ba chế độ

Một byte đi qua hai lớp đệm trước khi nằm trên đĩa. Mỗi lệnh xả chỉ đẩy nó qua được một lớp.

Vì sao phải có bộ đệm

do-dem.c

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main(void) {
    const int N = 2000000;
    clock_t t0, t1;
    FILE *f;

    f = fopen("a.txt", "wb");
    t0 = clock();
    for (int i = 0; i < N; ++i) fputc('x', f);
    t1 = clock();
    fclose(f);
    printf("co dem     : %.3f giay\n", (double)(t1 - t0) / CLOCKS_PER_SEC);

    f = fopen("b.txt", "wb");
    setvbuf(f, NULL, _IONBF, 0);          /* tat dem */
    t0 = clock();
    for (int i = 0; i < N; ++i) fputc('x', f);
    t1 = clock();
    fclose(f);
    printf("khong dem  : %.3f giay\n", (double)(t1 - t0) / CLOCKS_PER_SEC);

    return 0;
}

terminal

gcc -std=c11 -O2 -o do-dem do-dem.c && ./do-dem

co dem     : 0.054 giay
khong dem  : 7.180 giay

Hai triệu lần ghi một byte. Có đệm thì thư viện gom lại thành khoảng năm trăm lời gọi hệ thống, không đệm thì đúng hai triệu lời gọi. Chênh nhau hơn một trăm ba mươi lần. Con số cụ thể tùy máy và tùy hệ điều hành, nhưng thứ tự độ lớn thì luôn như vậy.

Chế độ đệm quyết định lúc nào thư viện thật sự gọi xuống hệ điều hành.

setvbuf

int setvbuf(FILE *f, char *bo_dem, int che_do, size_t co);

/* che_do: _IOFBF (day moi xa) · _IOLBF (moi dong) · _IONBF (khong dem) */

FILE *f = fopen("nhat-ky.txt", "w");
if (!f) return 1;

setvbuf(f, NULL, _IOLBF, 0);     /* de thu vien tu cap bo dem */

/* Bay gio moi dong nhat ky ra dia ngay khi ghi xong.
   Cham hon, nhung neu chuong trinh sap thi khong mat dong nao. */

setvbuf phải gọi trước lần đọc ghi đầu tiên

FILE *f = fopen("a.txt", "w");

fputs("mot dong\n", f);
setvbuf(f, NULL, _IONBF, 0);     /* QUA MUON: hanh vi khong xac dinh */

/* Chuan noi setvbuf chi hop le NGAY SAU fopen, truoc moi
   thao tac khac. Goi sau do thi thu vien duoc phep lam bat cu gi. */

/* Neu ban tu cap bo dem thi no phai SONG LAU HON luong */
void ghi_sai(void) {
    char bo_dem[4096];                    /* tren ngan xep */
    FILE *f = fopen("a.txt", "w");

    setvbuf(f, bo_dem, _IOFBF, sizeof bo_dem);
    fputs("...", f);
}                                          /* bo_dem CHET o day,
                                              nhung f chua dong.
                                              Bai 14.11 goi day la con tro treo. */

#Khi nào dữ liệu biến mất

mat.c

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("A: nam trong bo dem\n");
    fflush(stdout);                    /* xa tay */

    printf("B: cung nam trong bo dem\n");

    volatile int *p = 0;
    *p = 1;                            /* sap that su */

    return 0;
}

terminal

gcc -std=c11 -o mat mat.c && ./mat > ra.txt

Segmentation fault

cat ra.txt

A: nam trong bo dem

Dòng B mất hẳn, và đây là lý do gỡ lỗi bằng printf hay lừa bạn

Bạn rải printf khắp chương trình để tìm chỗ sập. Chương trình sập, bạn nhìn màn hình, thấy dòng cuối in ra là dòng thứ mười, nên kết luận lỗi nằm sau dòng thứ mười. Sai. Có thể chương trình đã chạy tới dòng thứ ba mươi, nhưng hai mươi dòng kia còn nằm trong bộ đệm và biến mất cùng tiến trình.

Cách	Có mất không	Đánh đổi
printf thường	Mất, nếu đầu ra bị chuyển hướng	Nhanh nhất
printf rồi fflush(stdout)	Không mất	Phải nhớ gọi mỗi lần
setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0) một lần ở đầu main	Không mất	Chậm nếu in nhiều
fprintf(stderr, ...)	Không mất, stderr không đệm	Không có, đây là cách nên dùng

/* Mot dong dat o dau main, va moi printf ve sau deu an toan */
int main(void) {
    setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);

    /* ... */
}

/* Hoac don gian hon: dung stderr cho moi thong bao go loi */
#define GHI(...) fprintf(stderr, __VA_ARGS__)

fflush chỉ đẩy qua được một lớp

fflush(f);        /* bo dem FILE  ->  he dieu hanh
                     Du song sot khi CHUONG TRINH sap.
                     KHONG du khi MAT DIEN. */

/* Tren POSIX, muon chac chan da nam tren dia: */
#include <unistd.h>

fflush(f);                 /* buoc 1: thu vien -> nhan */
fsync(fileno(f));          /* buoc 2: nhan -> dia */

/* Bai 18.10 se dung dung cap nay de ghi an toan. */

Gọi fflush(NULL) xả mọi luồng đang mở để ghi, tiện khi cần dọn sạch trước một thao tác nguy hiểm.

Tự làm thử

Chạy chương trình đo tốc độ ở trên trên máy của bạn và ghi lại hai con số.
Viết chương trình in mười dòng rồi cố ý sập, chạy nó hai lần: một lần ra màn hình, một lần chuyển hướng vào file. So sánh số dòng thu được.
Thêm setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0) vào chương trình trên và chạy lại, xác nhận không mất dòng nào.
Viết một chương trình in ra stdout và một chương trình in ra stderr, rồi thử ./ct > /dev/null với cả hai.
Cấp một bộ đệm tám byte bằng setvbuf rồi ghi mười hai byte, xác nhận file vẫn đủ mười hai byte.

Trình chấm điểm tự động sẽ được bổ sung ở giai đoạn sau. Hiện tại bạn tự chạy thử trên máy.

Tóm tắt

Luồng là dãy byte, và cùng một bộ hàm dùng được cho file, màn hình, bàn phím và ống dẫn.
FILE là kiểu mờ. Chỉ giữ con trỏ, không sao chép, không đọc trường bên trong.
stderr không đệm, nên thông báo lỗi phải đi qua nó, cả vì lý do đúng đắn lẫn vì nó không bị mất.
Bộ đệm làm chương trình nhanh hơn hàng trăm lần, và làm dữ liệu biến mất khi chương trình sập.
fflush đẩy dữ liệu tới hệ điều hành, còn muốn chắc chắn nó nằm trên đĩa thì cần thêm fsync.