Текст книги "Информатика и информационные технологии: конспект лекций"

ЛЕКЦИЯ № 6. Файлы

1. Файлы. Операции с файлами

Введение файлового типа в язык Pascal вызвано необходимостью обеспечить возможность работы с периферийными (внешними) устройствами ЭВМ, предназначенными для ввода, вывода и хранения данных.

Файловый тип данных (или файл) определяет упорядоченную совокупность произвольного числа однотипных компонент. Общее свойство массива, множества и записи заключается в том, что количество их компонент определено на этапе написания программы, тогда как количество компонент файла в тексте программы не определяется и может быть произвольным.

При работе с файлами выполняются операции ввода-вывода. Операция ввода означает перепись данных с внешнего устройства (из входного файла) в основную память ЭВМ, операция вывода – это пересылка данных из основной памяти на внешнее устройство (в выходной файл). Файлы на внешних устройствах часто называют физическими файлами. Их имена определяются операционной системой.

В программах на языке Pascal имена файлов задаются с помощью строк. Для работы с файлами в программе необходимо определить файловую переменную. Pascal поддерживает три файловых типа: текстовые файлы, компонентные файлы, бестиповые файлы.

Файловые переменные, которые описаны в программе, называют логическими файлами. Все основные процедуры и функции, обеспечивающие ввод-вывод данных, работают только с логическими файлами. Физический файл должен быть связан с логическим до выполнения процедур открытия файлов.

Текстовые файлы

Особое место в языке Pascal занимают текстовые файлы, компоненты которых имеют символьный тип. Для описания текстовых файлов в языке определен стандартный тип Text:

var TF1, TF2: Text;

Текстовые файлы представляют собой последовательность строк, а строки – последовательность символов. Строки имеют переменную длину, каждая строка завершается признаком конца строки.

Компонентные файлы

Компонентный, или типизированный файл, – это файл с объявленным типом его компонент. Компонентные файлы состоят из машинных представлений значений переменных, они хранят данные в том же виде, что и память ЭВМ.

Описание величин файлового типа имеет вид:

type М = File Of Т;

где М – имя файлового типа;

Т – тип компоненты.

Компонентами файла могут быть все скалярные типы, а из структурированных – массивы, множества, записи. Практически во всех конкретных реализациях языка Pascal конструкция «файл файлов» недопустима.

Все операции над компонентными файлами производятся с помощью стандартных процедур.

Write(f,X1,X2,...XK)

Бестиповые файлы

Бестиповые файлы позволяют записывать на диск произвольные участки памяти ЭВМ и считывать их с диска в память. Описываются бестиповые файлы следующим образом:

var f: File;

Теперь перечислим процедуры и функции для работы с различными видами файлов.

1. Procedure Assign(var F; FileName: String);

Процедура AssignFile сопоставляет имя внешнего файла с файловой переменной.

F – файловая переменная любого файлового типа, FileName – выражение типа String или выражение типа PChar, если допускается расширенный синтаксис. Все дальнейшие операции с F производятся с внешним файлом.

Нельзя использовать процедуру с уже открытой файловой переменной.

2. Procedure Close(var F);

Процедура разрывает связь между файловой переменной и внешним дисковым файлом и закрывает файл.

F – файловая переменная любого файлового типа, открытая процедурами Reset, Rewrite или Append. Внешний файл, связанный с F, полностью модифицируется и затем закрывается, освобождая дескриптор файла для повторного использования.

Директива {SI+} позволяет обрабатывать ошибки во время выполнения программы, используя обработку исключительных ситуаций. При выключенной директиве {$1—} необходимо использовать IOResult для проверки ошибок ввода-вывода.

3. Function Eof(var F): Boolean;

{Типизированные или нетипизированные файлы}

Function Eof[(var F: Text)]: Boolean;

{Текстовые файлы}

Проверяет, является или нет текущая позиция файла концом файла.

Eof(F) возвращает True, если текущая позиция файла находится за последним символом файла или если файл пуст; иначе Eof (F) возвращает False.

Директива {SI+} позволяет обрабатывать ошибки во время выполнения программы, используя обработку исключительных ситуаций. При выключенной директиве {SI—}, необходимо использовать IOResult для проверки ошибок ввода-вывода.

4. Procedure Erase(var F);

Удаляет внешний файл, связанный с F.

F – файловая переменная любого файлового типа.

Перед вызовом процедуры Erase файл необходимо закрыть.

Директива {SI+} позволяет обрабатывать ошибки во время выполнения программы, используя обработку исключительных ситуаций. При выключенной директиве {SI—}, необходимо использовать IOResult для проверки ошибок ввода-вывода.

5. Function FileSize(var F): Integer;

Возвращает размер в байтах файла F Однако, если F – типизированный файл, FileSize возвратит число записей в файле. Перед использованием функции FileSize файл должен быть открыт. Если файл пуст, FileSize(F) возвращает нуль. F – переменная любого файлового типа.

6. Function FilePos(var F): Longlnt;

Возвращает текущую позицию файла внутри файла.

Перед использованием функции FilePos, файл должен быть открыт. Функция FilePos не используется с текстовыми файлами. F – переменная любого файлового типа, кроме типа Text.

7. Procedure Reset(var F [: File; RecSize: Word]);

Открывает существующий файл.

F – переменная любого файлового типа, связанного с внешним файлом с помощью AssignFile. RecSize – необязательное выражение, которое используется, если F – нетипизированный файл. Если F – нетипизированный файл, RecSize определяет размер записи, который используется при передаче данных. Если RecSize опущен, заданный по умолчанию размер записи равен 128 байтов.

Процедура Reset открывает существующий внешний файл, ассоциированный с файловой переменной F. Если внешнего файла с таким именем нет, возникает ошибка времени выполнения. Если файл, связанный с F, уже открыт, он сначала закрывается и затем вновь открывается. Текущая позиция файла устанавливается к началу файла.

8. Procedure Rewrite(var F: File [; Recsize: Word]);

Создает и открывает новый файл.

F – переменная любого файлового типа, связанного с внешним файлом с использованием AssignFile. RecSize – необязательное выражение, которое используется, если F – нетипизированный файл. Если F – нетипизированный файл, RecSize определяет размер записи, который используется при передаче данных. Если RecSize опущен, заданный по умолчанию размер записи равен 128 байтов.

Процедура Rewrite создает новый внешний файл с именем, связанным с F Если внешний файл с тем же самым именем уже существует, он удаляется, и создается новый пустой файл.

9. Procedure Seek(var F; N: Longlnt);

Перемещает текущую позицию файла к определенному компоненту. Можно использовать процедуру только с открытыми типизированными или нетипизированными файлами.

Текущая позиция файла F перемещается к номеру N. Номер первого компонента файла – 0.

Инструкция Seek(F, FileSize(F)) перемещает текущую позицию файла в конец файла.

10. Procedure Append(var F: Text);

Открывает существующий текстовый файл для добавления информации в конец файла (дозапись).

Если внешнего файла с данным именем не существует, происходит ошибка времени выполнения. Если файл F уже открыт, он закрывается и вновь открывается. Текущая позиция файла устанавливается к концу файла.

11. Function Eoln[(var F: Text)]: Boolean;

Проверяет, является ли текущая позиция файла концом строки текстового файла.

Eoln(F) возвращает True, если текущая позиция файла – в конце строки или файла; иначе Eoln(F) возвращает False.

12. Procedure Read(F, V1 [, V2, ..., Vn]);

{Типизированные и нетипизированные файлы}

Procedure Read([var F: Text;] V1 [, V2, ..., Vn]);

{Текстовые файлы}

Для типизированных файлов процедура читает компонент файла в переменную. При каждом считывании текущая позиция в файле продвигается к следующему элементу.

Для текстовых файлов читается одно или несколько значений в одну или несколько переменных.

С переменными типа String Read считывает все символы вплоть до следующей метки конца строки (но не включая ее) или до тех пор пока функция Eof(F) не примет значение True. Переменной присваивается получившаяся в результате символьная строка.

В случае переменной целого или вещественного типа процедура ожидает поступления последовательности символов, образующих число по правилам синтаксиса языка Pascal. Считывание прекращается при обнаружении первого пробела, символа табуляции или метки конца строки либо в том случае, если функция Eof(F) принимает значение True. Если числовая строка не соответствует ожидаемому формату, то происходит ошибка ввода-вывода.

13. Procedure Readln([var F: Text;] V1 [, V2…, Vn]);

Является расширением процедуры Read и определена для текстовых файлов. Считывает строку символов в файле, включая маркер конца строки, и переходит к началу следующей строки. Вызов функции Readln(F) без параметров приводит к перемещению текущей позиции файла на начало следующей строки, если она имеется, в противном случае происходит переход к концу файла.

14. Function SeekEof[(var F: Text)]: Boolean;

Возвращает признак конца файла и может использоваться только для открытых текстовых файлов. Обычно применяется для считывания числовых значений из текстовых файлов.

15. Function SeekEoln[(var F: Text)]: Boolean;

Возвращает признак конца строки в файле и может использоваться только для открытых текстовых файлов. Обычно применяется для считывания числовых значений из текстовых файлов.

16. Procedure Write([var F: Text;] P1 [, P2, ..., Pn]);

{Текстовые файлы}

Записывает одну или более величин в текстовый файл.

Каждый параметр записи должен иметь тип Char, один из целочисленных типов (Byte, Shortlnt, Word, Longint, Cardinal), один из типов с плавающей запятой (Single, Real, Double, Extended, Currency), один из строковых типов (PChar, AisiString, ShortString), или один из логических типов (Boolean, Bool).

Procedure Write(F, V1, ..., Vn);

{Типизированные файлы}

Записывает переменную в компонент файла. Переменные VI…., Vn должны быть того же типа, что и элементы файла. При каждой записи переменной текущая позиция в файле передвигается к следующему элементу.

17. Procedure Writeln([var F: Text;] [P1, P2, ..., Pn]);

{Текстовые файлы}

Выполняет операцию Write, затем помещает метку конца строки в файл.

Вызов Writeln(F) без параметров записывает в файл маркер конца строки. Файл должен быть открыт для вывода.

2. Модули. Виды модулей

Модуль(1Ж1Т) в Pascal – это особым образом оформленная библиотека подпрограмм. Модуль, в отличие от программы, не может быть запущен на выполнение самостоятельно, он может только участвовать в построении программ и других модулей. Модули позволяют создавать личные библиотеки процедур и функций и строить программы практически любого размера.

Модуль в Pascal представляет собой отдельно хранимую и независимо компилируемую программную единицу. В общем случае модуль – это совокупность программных ресурсов, предназначенных для использования другими программами. Под программными ресурсами понимаются любые элементы языка Pascal: константы, типы, переменные, подпрограммы. Модуль сам по себе не является выполняемой программой, его элементы используются другими программными единицами.

Все программные элементы модуля можно разбить на две части:

1) программные элементы, предназначенные для использования другими программами или модулями, такие элементы называют видимыми вне модуля;

2) программные элементы, необходимые только для работы самого модуля, их называют невидимыми (или скрытыми).

В соответствии с этим модуль, кроме заголовка, содержит три основные части, называемыми интерфейсной, исполнимой и инициализируемой.

В общем случае модуль имеет следующую структуру:

unit <имя модуля>; {заголовок модуля}

interface

{описание видимых программных элементов модуля}

implementation

{описание скрытых программных элементов модуля}

begin

{операторы инициализации элементов модуля}

end.

В частном случае модуль может не содержать части реализации и части инициализации, тогда структура модуля будет такой:

unit <имя модуля>; {заголовок модуля}

interface

{описание видимых программных элементов модуля}

implementation

end.

Использование в модулях процедур и функций имеет свои особенности. Заголовок подпрограммы содержит все сведения, необходимые для ее вызова: имя, перечень и тип параметров, тип результата для функций. Эта информация должна быть доступна для других программ и модулей. С другой стороны, текст подпрограммы, реализующий ее алгоритм, другими программами и модулями не может быть использован. Поэтому заголовки процедур и функций помещают в интерфейсную часть модуля, а текст – в часть реализации.

Интерфейсная часть модуля содержит только видимые (доступные для других программ и модулей) заголовки процедур и функций (без служебного слова forward). Полный текст процедуры или функции помещают в часть реализации, причем заголовок может не содержать списка формальных параметров.

Исходный текст модуля должен быть откомпилирован с помощью директивы Make подменю Compile и записан на диск. Результатом компиляции модуля является файл с расширением. TPU (Turbo Pascal Unit). Основное имя модуля берется из заголовка модуля.

Для подключения модуля к программе необходимо указать его имя в разделе описания модулей, например:

uses Crt, Graph;

В том случае, если имена переменных в интерфейсной части модуля и в программе, использующей этот модуль, совпадают, обращение будет происходить к переменной, описанной в программе. Для обращения к переменной, описанной в модуле, необходимо применить составное имя, состоящее из имени модуля и имени переменной, разделенных точкой. Использование составных имен применяется не только к именам переменных, а ко всем именам, описанным в интерфейсной части модуля.

Рекурсивное использование модулей запрещено.

Если в модуле имеется раздел инициализации, то операторы из этого раздела будут выполнены перед началом выполнения программы, в которой используется этот модуль.

Перечислим, какие бывают виды модулей.

1. Модуль SYSTEM.

Модуль SYSTEM реализует поддерживающие подпрограммы нижнего уровня для всех встроенных средств, таких как ввод-вывод, работа со строками, операции с плавающей точкой и динамическое распределение памяти.

Модуль SYSTEM содержит все стандартные и встроенные процедуры и функции Pascal. Любая подпрограмма Pascal, не являющаяся частью стандартного Pascal и не находящаяся ни в каком другом модуле, содержится в модуле System. Этот модуль автоматически используется во всех программах, и его не требуется указывать в операторе uses.

2. Модуль DOS.

Модуль Dos реализует многочисленные процедуры и функции Pascal, которые эквивалентны наиболее часто используемым вызовам DOS, как, например, GetTime, SetTime, DiskSize и так далее.

3. Модуль CRT.

Модуль CRT реализует ряд мощных программ, предоставляющих полную возможность управления средствами компьютера PC, такими, как управление режимом экрана, расширенные коды клавиатуры, цвета, окна и звуковые сигналы. Модуль CRT может использоваться только в программах, работающих на персональных компьютерах IBM PC, PC AT, PS/2 фирмы IBM и полностью совместимых с ними.

Одним из основных преимуществ использования модуля CRT является большая скорость и гибкость при выполнении операций работы с экраном. Программы, не работающие с модулем CRT, выводят на экран информацию с помощью средств операционной системы DOS, что связано с дополнительными непроизводительными затратами. При использовании модуля CRT выводимая информация посылается непосредственно в базовую систему ввода-вывода (BIOS) или для еще более быстрых операций непосредственно в видеопамять.

4. Модуль GRAPH.

С помощью процедур и функций, входящих в этот модуль, можно создавать различные графические изображения на экране.

5. Модуль OVERLAY.

Модуль OVERLAY позволяет уменьшить требования к памяти программы DOS реального режима. Фактически можно писать программы, превышающие общий объем доступной памяти, поскольку в каждый момент в памяти будет находиться только часть программы.

ЛЕКЦИЯ № 7. Динамическая память

1. Ссылочный тип данных. Динамическая память. Динамические переменные

Статической переменной (статически размещенной) называется описанная явным образом в программе переменная, обращение к ней осуществляется по имени. Место в памяти для размещения статических переменных определяется при компиляции программы. В отличие от таких статических переменных в программах, написанных на языке Pascal, могут быть созданы динамические переменные. Основное свойство динамических переменных заключается в том, что они создаются, и память для них выделяется во время выполнения программы.

Размещаются динамические переменные в динамической области памяти (heap-области). Динамическая переменная не указывается явно в описаниях переменных, и к ней нельзя обратиться по имени. Доступ к таким переменным осуществляется с помощью указателей и ссылок.

Ссылочный тип (указатель) определяет множество значений, которые указывают на динамические переменные определенного типа, называемого базовым типом. Переменная ссылочного типа содержит адрес динамической переменной в памяти. Если базовый тип является еще не описанным идентификатором, то он должен быть описан в той же самой части описания типов, что и тип-указатель.

Зарезервированное слово nil обозначает константу со значением указателя, которая ни на что не указывает.

Приведем пример описания динамических переменных.

var p1, p2 : ^real;

p3, p4 : ^integer;

…

2. Работа с динамической памятью. Нетипизированные указатели

Процедуры и функции работы с динамической памятью

1. Процедура New(var p: Pointer).

Выделяет место в динамической области памяти для размещения динамической переменной р^Л, и ее адрес присваивает указателю р.

2. Процедура Dispose(varp: Pointer).

Освобождает участок памяти, выделенный для размещения динамической переменной процедурой New, и значение указателя р становится неопределенным.

3. Процедура GetMem(varp: Pointer; size: Word).

Выделяет участок памяти в heap-области, присваивает адрес его начала указателю р, размер участка в байтах задается параметром size.

4. Процедура FreeMem(var p: Pointer; size: Word).

Освобождает участок памяти, адрес начала которого определен указателем р, а размер – параметром size. Значение указателя р становится неопределенным.

5. Процедура Mark(var p: Pointer)

Записывает в указатель р адрес начала участка свободной динамической памяти на момент ее вызова.

6. Процедура Release(var p: Pointer)

Освобождает участок динамической памяти, начиная с адреса, записанного в указатель р процедурой Mark, т. е. очищает ту динамическую память, которая была занята после вызова процедуры Mark.

7. Функция MaxAvaikLongint

Возвращает длину в байтах самого длинного свободного участка динамической памяти.

8. Функция MemAvaikLongint

Возвращает полный объем свободной динамической памяти в байтах.

9. Вспомогательная функция SizeOf(X):Word

Возвращает объем в байтах, занимаемый X, причем X может быть либо именем переменной любого типа, либо именем типа.

Встроенный тип Pointer обозначает нетипизированный указатель, т. е. указатель, который не указывает ни на какой определенный тип. Переменные типа Pointer могут быть разыменованы: указание символа ^ после такой переменной вызывает появление ошибки.

Как и значение, обозначаемое словом nil, значения типа Pointer совместимы со всеми другими типами указателей.

ЛЕКЦИЯ № 8. Абстрактные структуры данных

1. Абстрактные структуры данных

Структурированные типы данных, такие как массивы, множества, записи, представляют собой статические структуры, так как их размеры неизменны в течение всего времени выполнения программы.

Часто требуется, чтобы структуры данных меняли свои размеры в ходе решения задачи. Такие структуры данных называются динамическими. К ним относятся стеки, очереди, списки, деревья и др.

Описание динамических структур с помощью массивов, записей и файлов приводит к неэкономному использованию памяти ЭВМ и увеличивает время решения задач.

Каждая компонента любой динамической структуры представляет собой запись, содержащую, по крайней мере, два поля: одно поле типа «указатель», а второе – для размещения данных. В общем случае запись может содержать не один, а несколько указателей и несколько полей данных. Поле данных может быть переменной, массивом, множеством или записью.

Если в указующей части содержится адрес одного элемента списка, то список называется однонаправленным (или односвязным). Если же он содержит две компоненты, то двусвязным. Над списками можно проводить различные операции, например:

1) добавление элемента к списку;

2) удаление элемента из списка с заданным ключом;

3) поиск элемента с заданным значением ключевого поля;

4) сортировка элементов списка;

5) деление списка на два и более списков;

6) объединение двух и более списков в один;

7) другие операции.

Однако, как правило, необходимости во всех операциях при решении различных задач не возникает. Поэтому в зависимости от основных операций, которые необходимо применить, существуют различные виды списков. Наиболее популярные из них – это стек и очередь.