PCS3111. Laboratório de Programação Orientada a Objetos para Engenharia Elétrica

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1 PCS3111 Laboratório de Programação Orientada a Objetos para Engenharia Elétrica Aula 9: Manipulação de dados e operações em arquivos Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

2 Agenda 1. Noções de arquivos 2. Entrada e Saída (modo texto) 3. Entrada e Saída (modo binário) 4. Visão geral C C++ 5. Abertura de arquivos e tratamento de erros 2

3 Noções de arquivos 3

4 Noção intuitiva Arquivo Sequência de bytes (stream) Armazenamento não-volátil Identificados por uma string (nome de arquivo) Visão geral Muito mais abrangente do que simplesmente armazenamento Abstração unificadora em sistemas operacionais Abstração de hardware (rede, video, hds,...) Comunicação entre processos Obs.: processo = programa em execução 4

5 Sistema Operacional Camada de software responsável por fornecer serviços básicos de forma unificada a programas em execução Responsável pelos detalhes de manipulação de arquivos Disponibiliza uma API unificada para operações sobre arquivos 5

6 Comunicação Sistema Operacional 1. O processo requisita ao SO a abertura de um arquivo 2. O S.O. realiza a abertura do arquivo e devolve ao processo um identificador do arquivo aberto 3. O processo pede ao SO uma operação (leitura/escrita) utilizando o identificador obtido na etapa 2 4. O processo requisita ao SO o fechamento de arquivo Algumas mudanças podem não ter sido efetuadas sobre o arquivo Número limitado de arquivos que podem ser abertos por um processo 6

7 Seqüencial Tipos de Arquivo Exemplo: fitas magnéticas Necessário percorrer toda a seqüência de bytes em busca de uma informação Acesso Aleatório Exemplo: disco rígido Permitem o acesso eficiente a informação em qualquer posição na sequência de bytes Dispositivos Exemplo: monitor, interface de rede, comunicação serial Leitura e escrita realizam ações de E/S Geralmente só escrita ou só leitura (dificilmente ambos) 7

8 Modo Texto Modos de Leitura / Escrita Informações codificadas em texto Decodificação automática de caracteres Suporte a leitura de linhas e palavras Compreensível pelo ser humano Modo Binário Informações codificadas em bytes (similar a memória) Dependentes de arquitetura Little endian (byte menos significativo no menor endereço) Big endian (byte menos significativo no maior endereço) Leitura e escrita rápidas 8

9 Arquivos padrão Acesso a arquivo em C Entrada Padrão (stdin) Arquivo aberto para leitura Fonte de dados para o processo Saída Padrão (stdout) Arquivo aberto para escrita Saída de dados para o processo Saída de Erro (stderr) Arquivo aberto para escrita Saída de dados alternativa para o processo (geralmente para comunicar erros) 9

10 Arquivos Padrão Entrada e Saída Padrão podem ser qualquer tipo de arquivo A Entrada Padrão de um processo pode ser conectada à Saída Padrão de um outro processo Utilizaremos nessa aula o caso mais simples Entrada Padrão Leituras sobre esse arquivo causam a interrupção do processo e espera pelo usuário fornecer dados via teclado Saída Padrão Escritas nesse arquivo causam a escrita de dados no terminal em que o programa está executando 10

11 Entrada e saída (modo texto) 11

12 Entrada e Saída Padrão em C (Apenas para efeito de comparação) Também disponível em C++, incluir <cstdio> No namespace std temos stdin Entrada Padrão stdout Saída Padrão stderr Saída de Erro stdin, stdout e stderr são variáveis do tipo FILE* 12

13 Entrada e Saída Padrão em C Entrada Padrão int i = 0; double x = 0; scanf("%d", &i); // leitura de um inteiro scanf("%lf", &x); // leitura de um ponto flutuante Saída Padrão int i = 42; double x = ; printf("%d", i); printf("%lf", x); 13

14 Leitura de uma linha em C Necessita de uma região de memória para armazenar o conteúdo da linha (buffer) A função fgets precisa ser informada do total de caracteres char buffer[80]; fgets(buffer, 80, stdin); Número máximo de caracteres que serão lidos no código acima serão 79 Após o último caractere será armazenado o caractere \0 para seguir a codificação de strings em C 14

15 Entrada e Saída Padrão em C++ Incluir header <iostream> No namespace std temos cin Entrada Padrão ("C" in) cout Saída Padrão ("C" out) cerr Saída de Erro ("C" err) cin é uma variável global do tipo istream cout e cerr são variáveis globais do tipo ostream int i = 0; double x = 0; cin >> i; // leitura de um inteiro cin >> x; // leitura de um ponto flutuante 15

16 Entrada e Saída Padrão em C++ //cin01.cpp #include <iostream> using namespace std; int main() { int i; cout << "Entre i: "; if (cin >> i) cout << "i=" << i << endl; else cout << "Erro de leitura i" << endl; C:\hae>cin01 Entre i: 20 i=20 C:\hae>cin01 Entre i: vcvdfg Erro de leitura i C:\hae>cin01 Entre i: 123dfdfdwe i=123 16

17 Entrada e Saída Padrão em C++ //cin03.cpp #include <iostream> using namespace std; int main() { string st; cout << "Entre st: "; cin >> st; cout << "st=" << st << endl; C:\hae>cin03 Entre st: abc def st=abc Nota: Branco, tab e fim de linha são separadores. 17

18 Saída Padrão em C++ int i = 42; double x = ; cout << i; // escrita de um inteiro cout << x; // escrita de um ponto flutuante cout << "Hello World"; // escrita de uma sequência de // caracteres terminada em \0 18

19 //cout01.cpp #include <iostream> using namespace std; int main() { int i = 42; double x = ; cout << i << endl; cout << x << endl; cout << "Hello World"; Saída Padrão em C++ Saída: Hello World 19

20 Redirecionar saída padrão C:\hae>cout Hello World C:\hae>cout01 > saida.txt C:\hae>type saida.txt [Linux=cat saida.txt] Hello World C:\hae> 20

21 Leitura de uma linha da entrada padrão em C++ Incluir header <string> (using namespace std) Usar a função getline Exemplo string name; getline(std::cin, name); Permite ler até o fim da linha, mesmo com branco. 21

22 Leitura de uma linha da entrada Redirecionar entrada //getline01.cpp #include <iostream> using namespace std; int main() { string nome; cout << "Entre nome completo: "; getline(cin,nome); cout << "Nome: " << nome << endl; C:\hae>getline01 Entre nome completo: Hae Yong Kim Nome: Hae Yong Kim C:\hae>getline01 < getline01.txt 22

23 Imprimir para string #include <iostream> #include <sstream> using namespace std; int main() { ostringstream sai; int i=3; sai << "Testando saida " << "i=" << i << endl; cout << sai.str(); 23

24 Curiosidade: << e >> O operador << quando aplicado a números realiza o shift à esquerda enquanto que o operador >> realiza o shift à direita C++ permite a definição de comportamento para a maioria dos operadores Os operadores << e >> foram escolhidos para os objetos ostream e istream por melhor indicarem o deslocamento de informação Os operadores << e >> são sobrecarregados conforme o seu operando No exemplo anterior para ler ou escrever um int e um double apresentaram o mesmo formato de invocação 24

25 Entrada e saída (modo binário) 25

26 Modo binário Usaremos apenas modo texto nesta disciplina Leitura e escrita de seqüências de bytes Não há interpretação dos bytes, se quiser um inteiro terá que compor o valor do inteiro a partir de seus bytes Comuns em formatos de mídias (imagens, sons, vídeos, etc.) 26

27 Visão geral C C++ 27

28 C Vantagens Visão geral C C++ Amplamente conhecido por desenvolvedores (Imitados por outras linguagens) Desvantagens Compilador C normalmente não verifica Se o número de parâmetros estão corretos Se os tipos de parâmetros passados estão corretos C++ Vantagens O compilador C++ é capaz de verificar sobrecargas Sem necessidade de manipulação de ponteiros Desvantagens Overhead comparado ao C Discutível alteração da semântica dos operadores << e >> 28

29 Abertura de arquivos e tratamento de erros 29

30 Abertura de Arquivos Limites no uso da entrada e saída padrão Entrada e Saída Padrão podem estar associadas a arquivos voláteis (terminal, /dev/null) É comum uma aplicação trabalhar com vários arquivos Log, configuração, internacionalização, arquivos de dados, etc. Arquivos em C++ Incluir header <fstream> Objetos std::ifstream para leitura (derivados de std::istream) Objetos std::ofstream para escrita (derivados de std::ostream) 30

31 Formato geral Abertura de arquivo in_or_out_stream.open(arquivo, parâmetros) Parâmetros (múltiplos possíveis usando ) app ate binary in out trunc Significado (append) escritas no final de arquivo (at end) move para final após abertura (binary) modo binário (input) operações de leitura (output) operações de escrita (truncate) apaga conteúdo atual do arquivo Os parâmetros in e out são adicionados automaticamente no método open para objetos do tipo ifstream e ofstream respectivamente 31

32 Leitura ifstream input; input.open("/home/user/teste.txt"); int i; double x; input >> i; // lê um valor inteiro input >> x; // lê um valor ponto flutuante "input" ao sair de escopo fecha o arquivo automaticamente (RAII Resource Aquisition Is Initialization) 32

33 Leitura //leitura01.cpp #include <iostream> #include <fstream> using namespace std; int main() { ifstream ent("leitura01.txt"); int i; ent >> i; cout << "i=" << i << endl; double x; ent >> x; cout << "x=" << x << endl; C:\hae>leitura01 i=2 x=3.14 O arquivo é fechado automaticamente quando ent sai do escopo pelo destruidor. 33

34 Tratamento de erros em C++ Erros ao se trabalhar com arquivos Arquivo não existe Fim de arquivo Erro na leitura (string quando esperava inteiro) Erro no dispositivo 34

35 Tratamento de erros em C++ Baseado na verificação de estado Muito antes de C++ incorporar exceções Estado composto por 4 bits (mais de um bit pode estar ativo) goodbit: sem erros eofbit: fim de arquivo encontrado em operações de leitura failbit: falha na leitura de um valor; erro lógico badbit: erro no dispositivo de E/S Dica: pode-se recuperar de um failbit mas não de um badbit 35

36 Tratamento de erros em C++ Métodos auxiliares rdstate() good() eof() fail() bad() goodbit eofbit failbit badbit Conversão automática para bool ajuda a verificar erros 36

37 Exemplo (média) #include <iostream> #include <fstream> using namespace std; int main() { ifstream in; in.open("avg.txt"); if (!in) { cerr << "Arquivo nao encontrado\n"; return EXIT_FAILURE; double total = 0; int n = 0; while (in) { double x; in >> x; if (in) { total += x; n++; if (in.bad()) { cerr << "Erro de E/S\n"; return EXIT_FAILURE; if (n > 0) { in.clear(); double avg = total / n; cout << "media: " << avg << "\n"; return EXIT_SUCCESS; 37

38 //media01.cpp #include <iostream> #include <fstream> using namespace std; int main() { ifstream in("media01.txt"); if (!in) { cerr << "Arquivo nao encontrado\n"; exit(1); double total = 0; int n = 0; double x; while (in >> x) { total += x; n++; if (n > 0) { double avg = total / n; cout << "media: " << avg << endl; Exemplo (média) media.txt Saída: media: 3 38

39 Fechamento de arquivos Um arquivo pode ser desconectado de um programa, chamando o método close( ); #include <fstream> using namespace std; const int filecnt = 3; const char* filetable [filecnt] = { "ClariceLispector.txt", MachadoDeAssis.txt, ManuelBandeira.txt ; int main() { ifstream infile; // não está associado a nenhum arquivo for (int ix = 0; ix < filecnt; ix++) { infile.open (filetable[ix]); //... Verifica se a abertura teve sucesso //... Processa o arquivo infile.close( ); 39

40 Exercício (baseado nas duas últimas aulas) 40

41 Exercício Considere um pequeno sistema que simula o controle de temperatura de um Local (residência, prédio, etc) Atua sobre uma quantidade de espaços (quartos, salas, escritórios, etc) Cada espaço controlado pode conter dispositivos de refrigeração e também sensores de temperatura e/ou de presença Valores podem ser lidos pelo sistema 41

42 Exercício O objetivo do exercício é lidar com sensores em um local, tratando dois aspectos básicos do sistema Gravação de um arquivo de registro (CSV) A leitura dos dados de cada sensor em cada espaço será simulada por meio de arquivos e o CSV é um arquivo texto O sistema deverá possuir um arquivo de configuração, a ser lido ao início de funcionamento do sistema Obs: Não trataremos de controle de arcondicionado ou de mudanças na estrutura do local ou dos espaços, apenas SENSORES. 42

43 Esquema de um Local controlado Quarto 1 66 ( Ar Condicionado com Ventilação) (Sensor de Temperatura) Cozinha 22 (Ventilador) (Sensor de Temperatura e de presença) Quarto 2 77 (Ar condicionado) (Sensor de Temperatura) Quarto 3 88 (Ventilador) (Sensor Temperatura) Escritório A 33 (Ar condicionado com ventilação) (Sensor de Temperatura) Quarto 4 99 (Ventilador) (Sensor Temperatura) Escritorio B 44 (Ar condicionado) (Sensor de Temperatura) Sala 55 ( Ar Condicionado com Ventilação) (Sensor de Temperatura e de presença) Copa 11 " (Ventilador) (Sensor Temperatura e de presença) 43

44 Características dos Refrigeradores e Sensores Ar condicionado com ventilação: Temperatura: de 10 oc a 30 oc Ventilação: de 0 a 4 Ventilador: Sensor de Temperatura/Presença: Cada espaço controlado pode ter um ou mais sensores. O sistema coleta esta informação e o valor lido permite verificar se o respectivo refrigerados está funcionando. Atenção: No exercício, o seu funcionamento será simulado por meio de valores aleatórios Ar condicionado simples: Não tem ventilação. Temperatura: de 5oC a 30 oc Não muda a temperatura. Apenas a percepcão do usuário. Ventilação: de 0 a 8. 44

45 Esqueleto O esqueleto do exercício permite definir sensores simples com seus identificadores (números inteiros) e representar o seu estado de alarme em um painel O estado do sensor será produzido por meio de um gerador aleatório Para iniciar o funcionamento o sistema solicita a leitura de um arquivo de configuração, que descreve a estrutura do Local 45

46 Formato do arquivo <nome do local> <número de espaços> <nome do espaço> <número de sensores> <tipo do sensor> <nome > <faixa de valores>... <nome do espaço> <número de sensores> <tipo do sensor> <nome > <faixa de valores>... A <faixa de valores> depende do tipo do sensor: Se o tipo é T, então há dois inteiros, mínimo e máximo Se o tipo é P então há um inteiro, 1 - ativado, ou 0 - não 46

47 Exemplo de arquivo de entrada Residencia 3 Sala 3 T SensorTemperatura_ T SensorTemperatura_ P SensorPresenca_1 1 Quarto 2 T SensorTemperatura_ P SensorPresenca_2 1 Banheiro 1 T SensorTemperatura_

48 Exemplo de Painel Residencia(alarme: LIGADO) Sala(alarme: LIGADO) SensorTemperatura_1(0 <= t <= 40) leitura: 10 C seguro: sim SensorTemperatura_2(0 <= t <= 40) leitura: -8 C seguro: nao SensorPresenca_1(ativa o alarme: sim) leitura: MOVIMENTO seguro: nao Quarto(alarme: LIGADO) SensorTemperatura_3(0 <= t <= 40) leitura: 3 C seguro: sim SensorPresenca_2(ativa o alarme: sim) leitura: MOVIMENTO seguro: nao Banheiro(alarme: DESLIGADO) SensorTemperatura_4(0 <= t <= 40) leitura: 17 C seguro: sim 48

49 Exemplo de arquivo de saída (CSV) Local;Espaþo;Sensor;Leitura Residencia;Sala;SensorTemperatura_1;-6 Residencia;Sala;SensorTemperatura_2;47 Residencia;Sala;SensorPresenca_1;1 Residencia;Quarto;SensorTemperatura_3;17 Residencia;Quarto;SensorPresenca_2;0 Residencia;Banheiro;SensorTemperatura_4;34 49

50 Exercício Suponha que o Local possa ter dois tipos de sensores SensorTemperatura, que dá alarme quando a temperatura ambiente cai abaixo de um valor limite SensorPresença, que dá alarme quando algum objeto interrompe o feixe de infravermelho 1. Em main, implemente a função carregararquivo que ao iniciar ler a configuração de um arquivo, que deverá ser construído com o padrão descrito anteriormente 2. Implemente a função de CSV no sistema. Ela deverá ser implementada na classe Registro. Construa tanto o header quanto a implementação 3. Implemente o caso 5 do menu prompt em main 50

51 Observação sobre o item 3 Visitor Padrão de projeto que permite desvincular a descrição de uma estrutura da especificação das ações que devem ser executadas sobre ela; Através de uma INTERFACE, torna-se obrigatória a implementação da ação a ser executada para todos os elementos (tipos) que compõem a estrutura em questão. Cria-se uma INTERFACE com métodos abstratos de visitação para todos os elementos: a) Todos os elementos deverão estar associados ao seu correspondente método de visitação; b) O nome do método deverá fazer referência ao tipo de elemento visitado; c) O método deverá receber como argumento um objeto correspondente ao tipo de nó visitado. 51

52 Continuação - Visitor Acrescentar, em todas classes que representam os elementos um método de visitação: a) Todos os métodos deverão ter o mesmo nome; b) Todos os métodos deverão receber como argumento um objeto da classe Visitor; c) O corpo desses métodos será composto por um único comando, responsável pela chamada no método de visitação específico, no argumento, conforme o tipo de nó em questão. Para cada tipo de operação diferente que se deseje executar sobre um elemento cria-se uma nova classe que implementa a interface VISITOR: a) Todas as classes assim especificadas deverão conter implementações para todos os métodos relacionados na interface; b) Cada método é responsável por executar a operação requerida sobre o tipo de elemento a que se refere; c) A referência THIS deverá ser passada como argumento em toda chamada de métodos de visitação. 52

53 Exemplo #include <cstdlib> #include <iostream> using namespace std; class Gato; class Cachorro; class AnimalVisitor { public: virtual void visit(gato *gato) = 0; virtual void visit(cachorro *cachorro) = 0; ; class Animal { private: int idade; public: Animal(int age) { idade = age; virtual void accept(animalvisitor *visitor) = 0; ; class EmissorDeSom : public AnimalVisitor { ; void visit(gato *gato){ cout << "Miau\n"; void visit(cachorro *cachorro){ cout << "Au!\n"; 53

54 Exemplo class Cachorro : public Animal { public: Cachorro(int age) : Animal(age) { void accept(animalvisitor *visitor){ visitor->visit(this); ; class Gato : public Animal { public: Gato(int age) : Animal(age) { void accept(animalvisitor *visitor){ visitor->visit(this); ; void emitirsom(animal *animal){ AnimalVisitor *visitor = new EmissorDeSom(); animal->accept(visitor); // faltou delete int main(int argc, char** argv) { Gato gato(3); Cachorro cachorro(5); Animal* animal[2] = {&gato, &cachorro; for (int i = 0; i < 2; i++) emitirsom(animal[i]); return 0; 54

55 //animal03b.cpp #include <cstdlib> #include <iostream> using namespace std; //<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< class Gato; class Cachorro; //<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< class AnimalVisitor { public: virtual void visit(gato *gato) = 0; virtual void visit(cachorro *cachorro) = 0; virtual ~AnimalVisitor() { // Faltou ; class EmissorDeSom : public AnimalVisitor { void visit(gato *gato); void visit(cachorro *cachorro); ; //<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< class Animal { public: int idade; Animal(int age) : idade(age) { virtual void accept(animalvisitor *visitor) = 0; ; class Cachorro : public Animal { public: Cachorro(int age) : Animal(age) { void accept(animalvisitor *visitor); ; class Gato : public Animal { public: Gato(int age) : Animal(age) { void accept(animalvisitor *visitor); ; class ImprimirIdade : public AnimalVisitor { void visit(gato *gato); void visit(cachorro *cachorro); ; 55

56 //<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< void EmissorDeSom::visit(Gato *gato) { cout << "Miau!\n"; void EmissorDeSom::visit(Cachorro *cachorro) { cout << "Au!\n"; void ImprimirIdade::visit(Gato *gato){ cout << "Gato com " << gato->idade << " anos\n"; void ImprimirIdade::visit(Cachorro *cachorro){ cout << "Cachorro com " << cachorro->idade << " anos\n"; //<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< void Cachorro::accept(AnimalVisitor *visitor){ visitor->visit(this); //<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< void emitirsom(animal *animal){ AnimalVisitor *visitor = new EmissorDeSom(); animal->accept(visitor); delete visitor; // Faltou void imprimiridade(animal *animal){ AnimalVisitor *visitor = new ImprimirIdade(); animal->accept(visitor); delete visitor; int main() { Gato gato(3); Cachorro cachorro(5); Animal* animal[2] = {&gato, &cachorro; for (int i = 0; i < 2; i++) emitirsom(animal[i]); for (int i = 0; i < 2; i++) imprimiridade(animal[i]); void Gato::accept(AnimalVisitor *visitor){ visitor->visit(this); 56

57 Diagrama de Classes 57

58 Vector Container seqüencial, implementado como um array que automaticamente altera seu tamanho ao se acrescentar elementos ao seu final. private: typedef std::vector<int> IntVect; Nesse caso o apelido IntVect foi definido como um vetor de inteiros, que o permite alterar o tamanho dinamicamente (diferentemente de um array). 58

59 Unique_ptr unique_ptr é um tipo de ponteiro especial que automaticamente invoca o delete sobre uma memória alocada dinamincamente ao sair do escopo. Muito útil para gerência de memória. 59

60 Passagem por referência void f(int& a) { a=a+1; void g() { a=2; f(a); // aqui a vale 3 60

61 Referência para acelerar void f(const string& st) { cout << st << endl; void g() { st= abcdefdfsdfdfdfdfdfdfdfdfdfdfdfdf ; f(a); // O programa roda mais rápido 61

62 Bibliografia Lafore, R. Object-Oriented Programming in C++. Sams, 4th ed Savitch, W. C++ Absoluto. Pearson, 1st ed