Prednáška 16

Oznamy

• DÚ3 bude zverejnená dnes po prednáške, odovzdajte do piatku 6.12. 22:00. Zahŕňa dvojrozmerné polia a spracovanie vstupu a výstupu, súbory. Je to dobrý tréning na prvý príklad na skúške.

Príklad na prácu s textovými súbormi

• Prácu s textovými súbormi si zopakujeme na nasledujúcom príklade.
• Hlavný vstupný súbor vstup.txt má na prvom riadku názov výstupného súboru.
• Každý z niekoľkých ďalších riadkov obsahuje názov jedného vstupného súboru nasledovaný počtom čísel, ktoré z neho chceme načítať.
• Úlohou je prekopírovať z každého súboru zadaný počet čísel.

Napríklad vstup.txt

vystup.txt
a.txt 2
b.txt 1
a.txt 3

Súbor a.txt

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Súbor b.txt

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Výsledný súboru vystup.txt

1 2 10 1 2 3

Program uvedený nižšie pracuje v nasledujúcich krokoch:

• Otvorí hlavný vstupný súbor vstup.txt a prečíta z neho názov výstupného súboru.
• Otvorí výstupný súbor.
• Následne opakovane prečíta názov súboru a počet čísel N.
• Otvorí súbor s práve načítaným názvom, prekopíruje z neho N čísel do výstupného súboru a následne tento súbor zatvorí.
• Zatvorí hlavný vstupný súbor aj výstupný súbor.

Dĺžka načítavaných reťazcov bude vo volaniach funkcie fscanf obmedzená na 19 znakov

• to teda je maximálna dĺžka názvu súboru, s ktorou bude program vedieť pracovať

#include <cstdio>
#include <cassert>
using namespace std;

int main() {
    FILE *fr_main, *fr_part, *fw;
    int N, success, num;
    fr_main = fopen("vstup.txt", "r");
    assert(fr_main != NULL);
    
    char filename[20];
    success = fscanf(fr_main, "%19s", filename);
    assert(success == 1); 
    
    fw = fopen(filename, "w");
    assert(fw != NULL);
    while (!feof(fr_main)) {
        success = fscanf(fr_main, "%19s %d ", filename, &N);
        assert(success == 2);
        fr_part = fopen(filename, "r");
        assert(fr_part != NULL);
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            success = fscanf(fr_part, "%d ", &num);
            assert(success == 1);
            fprintf(fw, "%d ", num);
        }
        fclose(fr_part);
    }
    fclose(fw);
    fclose(fr_main); 
}

Čítanie a zapisovanie po znakoch

Knižnica cstdio obsahuje aj funkcie na čítanie a zapisovanie súboru po znakoch.

• Funkcia int getc(FILE *f) načíta a vráti jeden znak zo súboru
  • Ak načítanie neprebehne úspešne, výsledkom je špeciálna konštanta EOF, ktorá je vždy rôzna od ľubovoľnej hodnoty typu char
  • Neukladajte výstupnú hodnotu funkcie getc do premennej typu char, lebo nebudete vedieť rozoznať koniec súboru.
• Funkcia int getchar() je skratka pre getc(stdin), načíta teda jeden znak z konzoly
  • Avšak rovnako ako pri scanf sa vstup začne spracovávať až potom, ako používateľ stlačí Enter, nie je takto možné reagovať priamo na stlačenie nejakej klávesy.

• Funkcia int putc(int c, FILE *f) zapíše znak c do súboru.
• Funkcia int putchar(int c) je skratkou pre putc(c, stdout), vypíše teda daný znak na konzolu.

Príklad: kopírovanie súboru

Nasledujúci program skopíruje obsah súboru original.txt do súboru kopia.txt.

#include <cstdio>
using namespace std;

int main() {
    FILE *fr = fopen("original.txt", "r");
    FILE *fw = fopen("kopia.txt", "w");

    int c = getc(fr);
    while (c != EOF) {
        putc(c, fw);
        c = getc(fr);
    }

    fclose(fr);
    fclose(fw);
}

Cvičenie: čo robí nasledujúci program?

• výsledkom priradenia c = getc(fr) je hodnota priradená do premennej c

#include <cstdio>
using namespace std;

int main() {
    FILE *fr;
    int c;

    fr = fopen("vstup.txt", "r");
    while ((c = getc(fr)) != '\n') {
        putchar(c);
    }
    putchar(c);         
    fclose(fr);
}

Funkcia ungetc

• Často sa stáva, že pri načítavaní znakov nájdeme koniec práve načítavaného úseku až po načítaní znaku, ktorý už nie je žiadúce prečítať.
• Vtedy je užitočné posunúť sa v načítavaní o jeden krok nazad.
• Túto úlohu realizuje funkcia int ungetc(int c, FILE * f).
• Väčšinou ako c použijeme posledne načítaným znak zo súboru f.
• Môžeme však použiť aj iný znak, ktorý bude virtuálne pridaný na začiatok neprečítanej časti súboru. Súbor sa reálne nemení, ale pri nasledujúcom čítaní z neho sa ako prvý prečíta znak c.
• V prípade úspechu ungetc(c,f) vráti hodnotu c; v prípade neúspechu je výstupom EOF.
• Takéto správanie funkcie ungetc je však garantované len ak sa táto funkcia nevolá viackrát za sebou.

Príklad č. 1: Nasledujúci kus programu skonvertuje reťazec pozostávajúci zo znakov '0' až '9' na zodpovedajúcu číselnú hodnotu. Keď narazí na prvý znak, ktorý nie je cifra, vráti ho, aby sa dal použiť pri ďalšom spracovávaní.

    int hodnota = 0;
    int c = getchar();
    while (c >= '0' && c <= '9') {
        hodnota = hodnota * 10 + (c - '0');
        c = getchar();
    }
    ungetc(c, stdin);

Príklad č. 2: Nasledujúci program prečíta číslo pomocou funkcie fscanf, predtým však musí prečítať neznámy počet znakov '$'.

#include <cstdio>
using namespace std;

int main() {
    FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
    int c = getc(fr);
    while (c == '$') {
        c = getc(fr);
    }
    ungetc(c, fr);

    int hodnota;
    fscanf(fr, "%d", &hodnota);
    printf("%d\n", hodnota);
   
    fclose(fr);
}

Čítanie a zapisovanie po riadkoch

Riadok vieme načítať zo súboru nasledujúcou funkciou

char *fgets(char *str, int n, FILE * f);

Jej argumenty sú

• Pole znakov str, do ktorého sa v prípade úspechu riadok načíta.
• Číslo n je typicky dĺžka poľa str
  • Funkcia do poľa str z daného riadku súboru načíta a uloží najviac n-1 znakov a reťazec str následne ukončí znakom 0.
• Smerník f na súbor, z ktorého sa má riadok prečítať.

• Funkcia fgets teda načítava znaky dovtedy, kým narazí na koniec riadku (\n) alebo koniec súboru alebo kým zo súboru neprečíta n-1 znakov.
• Prípadný znak \n na konci riadku sa nezahodí, ale pridá sa na koniec reťazca str (pokiaľ nebolo načítaných príliš veľa znakov).
• Výstupom funkcie je v prípade načítania aspoň jedného znaku načítaný reťazec str; inak je výstupom NULL a reťazec str ostáva nezmenený.

Funkcia int fputs(const char *str, FILE *f) vypíše reťazec str do súboru

• str môže obsahovať hocikoľko koncov riadkov (aj nula)
• pri chybe vráti EOF, inak vráti nezáporné celé číslo

Príklad: nasledujúci program spočíta počet riadkov v súbore vstup.txt (za predpokladu, že žiaden z týchto riadkov nie je dlhší ako 100 znakov vrátane znaku \n na konci riadku):

#include <cstdio>
using namespace std;

const int maxN = 101;

int main() {
    char str[maxN];
    int num = 0;
    
    FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
    while (fgets(str, maxN, fr) != NULL) {
        num++;
    }
    fclose(fr);
    
    printf("Pocet riadkov je %d\n", num);
}

Cvičenie:

• Zistite, ako sa správa uvedený program, keď posledným znakom v súbore je resp. nie je znak \n.
• Zistite, čo program vypíše na výstup pre súbor, ktorý obsahuje jediný riadok o 200 znakoch.

Prístupy k spracovaniu textového vstupu

Časté schémy spracovania textového súboru:

• Pomocou fscanf načítavame jednotlivé čísla, slová a pod. (vhodné, keď všetky biele znaky považujeme za ekvivalentné oddeľovače)
• Čítame po znakoch pomocou getc (pomerne univerzálne, ale niekedy prácne)
• Čítame po riadkoch pomocou fgets do reťazca, potom reťazec spracovávame (vhodné, keď riadok je ucelená časť súboru, ktorá nás zaujíma)

Niekedy je užitočné tieto prístupy aj kombinovať.

Príklad: chceme nájsť dĺžku najdlhšieho riadku v súbore

• Prvá možnosť je čítanie riadkov do reťazca a ich spracovanie (problém, ak je riadok príliš dlhý)
• Druhá možnosť je čítať súbor po znakoch, pričom si potrebujeme udržiavať "stav": koľko písmen sme už videli v aktuálnom riadku

#include <cstdio>
#include <cstring>
using namespace std;

const int maxN = 100;

int main() {
    FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
    int maxDlzka = 0;
    char str[maxN];
    while (fgets(str, maxN, fr) != NULL) {
        int dlzka = strlen(str);
        if (dlzka > maxDlzka) {
            maxDlzka = dlzka;
        }
    }
    fclose(fr);
    printf("Najdlhsi riadok ma dlzku %d\n", maxDlzka);
}

#include <cstdio>
using namespace std;

int main() {
    FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
    int maxDlzka = 0;
    int dlzka = 0;
    int c = getc(fr);
    while (c != EOF) {
        dlzka++;
        if (c == '\n') {
            if (dlzka > maxDlzka) {
                maxDlzka = dlzka;
            }
            dlzka = 0;
        }
        c = getc(fr);
    }
    if (dlzka > maxDlzka) { // Posledny riadok nemusi koncit symbolom \n.
        maxDlzka = dlzka;
    }
    fclose(fr);
    printf("Najdlhsi riadok ma dlzku %d\n", maxDlzka);
}

Cvičenie: čo ak chceme zistiť, koľký riadok v súbore bol ten najdlhší?

Príklad 2: máme súbor s číslami oddelenými bielymi znakmi (medzery, tabulátory, konce riadkov,...), pričom medzi dvoma číslami môže byť aj viac ako jeden oddeľovač. Chceme spočítať súčet čísel na každom riadku.

• Nepríjemná kombinácia rozlišovania koncov riadku od iných bielych znakov a čítania formátovaných hodnôt (čísel)
• Môžeme prečítať riadok do reťazca a rozložiť na čísla (napr. funkciou sscanf a so špecifikáciou konverzie %n, ktorá uloží počet načítaných znakov).
• Program nižšie však používa kombináciu getc, ungetc a fscanf
  • Biele znaky spracúva pomocou funkcie getc. Ak je niektorý z týchto znakov koncom riadku, vypíše zistený súčet čísel.
  • Po nájdení nebieleho znaku ho vráti do vstupného prúdu funkciou ungetc, prečíta číslo pomocou funkcie fscanf a aktualizuje súčet.
  • Na zistenie, či je prečítaný znak biely, využíva program funkciu isspace z knižnice cctype.
  • Program predpokladá, že aj posledný riadok vstupného súboru je ukončený symbolom \n.

#include <cstdio>
#include <cctype>
using namespace std;

int main(void) {
    FILE *fr = fopen("vstup.txt", "r");
    int sucet = 0;
    int hodnota;
    while (!feof(fr)) {
        int c = getc(fr);
        // Precitaj biele znaky po najblizsi nebiely.
        while (c != EOF && isspace(c)) { 
            if (c == '\n') {   // Na konci riadku vypis sucet.
                printf("Sucet %d\n", sucet);
                sucet = 0;
            }
            c = getc(fr);
        }
        if (c == EOF) { // Koniec suboru
            break;
        }                
        ungetc(c, fr);    
        fscanf(fr, "%d", &hodnota);
        sucet += hodnota;
    }
    fclose(fr);
}

Cvičenia:

• Čo program spraví, ak vstup obsahuje aj prázdne riadky?
• Upravte program, aby pracoval správne aj v prípade, že posledný riadok nie je ukončený symbolom \n.
  • Čo vlastne chceme považovať za posledný riadok?
• Upravte program, aby na výstupe vypisoval aj čísla na riadkoch oddelené medzerami.

Jednoduché šifrovanie

Prácu so súbormi si teraz precvičíme na dvoch jednoduchých šifrách.

Caesarova šifra

Caesarova šifra je šifra, pri ktorej sa každé písmeno vstupného reťazca posunie cyklicky o K miest v abecednom poradí, kde K je zadaný parameter šifry.

• Napríklad pre K=2 sa písmeno A zmení na C, písmeno b sa zmení na d a písmeno Z sa zmení na B.
• Ukážeme si jej použitie pre anglickú abecedu (t. j. znaky 'a' až 'z' a 'A' až 'Z' bez diakritiky); je ju ale možné upraviť napríklad aj tak, aby pracovala s ASCII kódmi.

Napríklad pre K=3:

Pôvodný text:   HelloWorld
Šifrovaný text: KhoorZruog

Nasledujúci program zašifruje súbor.

#include <cstdio>
#include <cassert>
using namespace std;

void encryptCaesar(FILE *fr, FILE *fw, int shift) {
    assert(shift >= 0 && shift <= 25);
    int c;
    while ((c = getc(fr)) != EOF) {
        if ((c >= 'A') && (c <= 'Z')) {
            c = c + shift;
            if (c > 'Z') {
                c -= 26;
            }
        } else if ((c >= 'a') && (c <= 'z')) {
            c = c + shift;
            if (c > 'z') {
                c -= 26;
            }
        }
        putc(c, fw);
    }
}

int main() {
    int shift;
    scanf("%d", &shift);  // nacitame parameter o kolko posuvat pismena
    
    FILE *fr = fopen("plaintext.txt", "r");
    FILE *fw = fopen("ciphertext.txt", "w");
    
    encryptCaesar(fr, fw, shift);
    
    fclose(fr);
    fclose(fw);
}

• Čo program spraví so znakmi, ktoré nie sú písmená?
• Dešifrovanie by fungovalo podobne, akurát by sa posun odpočítaval a ako špeciálny prípad by sa riešilo, keď nový znak má kód menší ako 'a'. Môžeme ale tiež použiť program na šifrovanie a posun 26-K, kde K je posun použitý na šifrovanie.

Vigenèrova šifra

Vigenèrova šifra je veľmi podobná Caesarovej; posun však nie je konštantný, ale podľa kľúča.

• Kľúč je reťazec zložený z písmen A až Z, pričom tieto predstavujú posuny o 0 až 25 pozícií v abecede.
• Prvý symbol otvoreného textu je zašifrovaný podľa prvého symbolu kľúča, druhý symbol podľa druhého symbolu kľúča, atď. Po vyčerpaní celého kľúča sa pokračuje cyklicky, opäť od jeho začiatku.

Napríklad pre heslo AHOJ:

Pôvodný text:   HelloWorld
Heslo:          AHOJAHOJAH
Šifrovaný text: HlzuoDcalk

Očíslované písmená abecedy:

 0:A,  1:B,  2:C,  3:D,  4:E,  5:F,  6:G
 7:H,  8:I,  9:J, 10:K, 11:L, 12:M, 13:N
14:O, 15:P, 16:Q, 17:R, 18:S, 19:T, 20:U
21:V, 22:W, 23:X, 24:Y, 25:Z

Nasledujúci program zašifruje súbor.

#include <cstdio>
using namespace std;

const int maxKeyLength = 100;

void encryptVigenere(FILE *fr, FILE *fw, char *key) {
    int c;
    int i = 0;
    while ((c = getc(fr)) != EOF) {
        if ((c >= 'A') && (c <= 'Z')) {
            c = c + (key[i] - 'A');
            if (c > 'Z') {
                c -= 26;
            }
            i++;
        } else if ((c >= 'a') && (c <= 'z')) {
            c = c + (key[i] - 'A');
            if (c > 'z') {
                c -= 26;
            }
            i++;
        }
        if (key[i] == 0) {
            i = 0;
        }
        putc(c, fw);
    }
}

int main() {
    // nacitame kluc z konzoly
    char key[maxKeyLength];
    scanf("%s", key);
    
    // otvorime subory
    FILE *fr = fopen("plaintext.txt", "r");
    FILE *fw = fopen("ciphertext.txt", "w");
    
    // sifrujeme 
    encryptVigenere(fr, fw, key);
    
    // zatvorime subory
    fclose(fr);
    fclose(fw);
}

Nasledujúci program potom dešifruje súbor.

#include <cstdio>
#include <cassert>
using namespace std;

const int maxKeyLength = 100;

void decryptVigenere(FILE *fr, FILE *fw, char *key) {
    int c;
    int i = 0;
    while ((c = getc(fr)) != EOF) {
        if ((c >= 'A') && (c <= 'Z')) {
            c = c - (key[i] - 'A');
            if (c < 'A') {
                c += 26;
            }
            i++;
        } else if ((c >= 'a') && (c <= 'z')) {
            c = c - (key[i] - 'A');
            if (c < 'a') {
                c += 26;
            }
            i++;
        }
        if (key[i] == 0) {
            i = 0;
        }
        putc(c, fw);
    }
}

int main() {
    char key[maxKeyLength];
    scanf("%s", key);
    
    FILE *fr = fopen("ciphertext.txt", "r");
    FILE *fw = fopen("plaintext2.txt", "w");
    
    decryptVigenere(fr, fw, key);
    
    fclose(fr);
    fclose(fw);
}

• Caesarova aj Vigenèrova šifra s krátkym kľúčom sa dajú ľahko prelomiť.
• O šifrách, ktoré sa v súčasnosti používajú, sa môžete dozvedieť vo vyšších ročníkoch na predmete Kryptológia.

Zhrnutie práce so súbormi

• Ukázali sme si prácu so súbormi pomocou knižnice cstdio z jazyka C.
• Súbor je reprezentovaný smerníkom typu FILE *.
• Na otváranie a zatváranie súborov slúžia funkcie fopen, fclose.
• Na vypísanie kombinácie čísel a textov slúži funkcia fprintf, čísla a slová načítavame pomocou fscanf.
• Po znakoch pracujeme funkciami putc a getc, niekedy sa zíde aj ungetc.
• Po riadkoch pracujeme pomocou fgets a fputs.
• V programoch, ktoré sa majú reálne používať, je vhodné kontrolovať, či tieto operácie úspešne zbehli. Tiež pozor na to, aby pri načítaní reťazcov nenastalo pretečenie poľa.
• K niektorým funkciám existujú aj verzie pre konzolu, napr. printf a scanf, putchar, getchar.
• S konzolou tiež môžeme pracovať pomocou premenných stdin, stdout.

Ďalšie možnosti

• Okrem textových súborov existujú aj binárne, kde nie je číslo zapísané ako postupnosť cifier, ale priamo ako bajty.
  • Binárne súbory majú často menšiu veľkosť a rýchlejšie sa s nimi pracuje, ťažšie však ručne skontrolujete, čo v súbore je.
  • V knižnici cstdio existujú na prácu s binárnymi súbormi funkcie fwrite a fread.
• V C++ sa dá so súbormi pracovať podobne, ako sme používali cin a cout. Potrebné funkcie nájdete v knižnici fstream.
• V jednom programe nekombinujte prácu s konzolou pomocou cstdio a iostream, môže dôjsť k strate dát.
• V mnohých programovacích jazykoch existujú knižnice na načítavanie a zapisovanie často používaných formátov súborov.