Linux I/O编程

一、实验目的：

练习用UNIX I/O进行文件读写的编程方法，用UNIX I/O函数管理文本信息、二进制数据、结构体数据，掌握UNIX I/O的基本编程方法。练习测时函数使用，通过测量UNIX I/O函数运行时间，建立UNIX I/O API函数基本开销的概念。

二、实验内容与要求：

先创建用户家目录下创建文件名为“姓名+学号+04”的子目录，作为本次实验目录，本次实验的所有代码都放到该目录下，要求将所有源代码与数据文件打包成文件”学号-姓名-lab4.tar.gz”， 压缩包与实验报告分别上传到指定目录下。

• 任务1. 在当前用户目录下创建数据文件student.txt，文件的内部信息存储格式为Sname:S#:Sdept:Sage:Ssex，即“姓名:学号:学院:年龄:性别”，每行一条记录，输入不少于10条学生记录，其中包括学生本人记录。调用标准I/O库编写程序task41.c，从文件中查找Sdept字段值为“计算机与网络安全学院”的文本行，输出到文件csStudent.txt中，保存时各字段顺序调整为S#:Sname:Sage: Ssex:Sdept。
  提示：从终端读入一个文本行到字符串 char buf[MAXSIZE]可调用函数可调用函数：
  “fgets(buf, MAXSIZE, stdin);”，其中stdin是表示键盘输入设备的文件指针。

• 任务2. 调用Unix I/O库函数，编写程序task42.c，从键盘读入5个学生的成绩信息，包括学号、姓名、语文、数学、英语，成绩允许有一位小数，存入一个结构体数组，结构体定义为：

typedef struct _subject {
char sno[20];	   //学号
char name[20];   //姓名
float chinese;	   //语文成绩
float math;		//数学成绩
float english;	   //英语成绩
 }  subject;

将学生信息，逐条记录写入数据文件data，最后读回第1、3、5条学生成绩记录，显示出来，检查读出结果是否正确。

• 任务3(可选)：在Linux环境下，可以调用库函数gettimeofday测量一个代码段的执行时间，请写一个程序task43.c，测量read、write、fread、fwrite函数调用所需的执行时间，并与prof/gprof工具测的结果进行对比，看是否基本一致。并对四个函数的运行时间进行对比分析。
  提示：由于一次函数调用时间太短，测量误差太多，应测量上述函数多次（如10000次）运行的时间，结果才会准确。

附录：使用prof/gprof测量程序运行时间

Linux/Unix环境提供了prof/gprof工具来收集一个程序各函数的执行次数和占用CPU时间等统计信息，使用prof/gprof工具查找程序性能问题，要求编译命令添加-p选项(prof)或-pg选项(gprof)，程序执行时就会产生执行跟踪文件mon.out(或gmon.out)，再运行prof（或gprof）程序读取跟踪数据，产生运行报告。现在用gprof对以下程序各函数运行性能（占用CPU时间）进行测量。先输入程序源代码：

$ cat  multiply.c
#include 
int fast_multiply(x,  y) 
{ 
    return x * y; 
} 
int slow_multiply(x, y) 
{ 
    int i, j, z; 
    for (i = 0, z = 0; i < x; i++) 
        z = z + y; 
    return z; 
} 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
    int i,j; 
    int x,y; 
    for (i = 0; i < 2000; i ++) { 
        for (j = 0; j <  3000 ; j++) { 
            x = fast_multiply(i, j); 
            y = slow_multiply(i, j); 
        } 
    } 
    printf("x=%d, y=%d\n", x, y); 
    return 0; 
}

然后编译和执行该程序，检查是否函数性能跟踪数据文件gmon.out：
$ gcc -pg -o multiply multiply.c -pg -g
$ ./multiply
x=5995001, y=5995001
$ ls gmon.out
gmon.out
最后，用gprof命令产看各函数执行时间：
$ gprof multiply gmon.out
Flat profile:
Each sample counts as 0.01 seconds.
% cumulative self self total
time seconds seconds calls us/call us/call name
99.44 14.11 14.11 6000000 2.35 2.35 slow_multiply
0.42 14.17 0.06 main
0.14 14.19 0.02 6000000 0.00 0.00 fast_multiply
在这里，slow_multipy和fast_multiply执行600000次所花运行时间为14.11s和0.02秒。

• 任务4：在Linux系统环境下，编写程序task44.c,对一篇英文文章文件的英文单词词频进行统计。
  （1）以“单词：次数”格式输出所有单词的词频（必做）
  （2）以“单词：次数”格式、按词典序输出各单词的词频（选做）
  （3）以“单词：次数”格式输出出现频度最高的10个单词的词频
  例如，若某个输入文件内容为：
  GNU is an operating system that is free software—that is, it respects users’ freedom.
  The development of GNU made it possible to use a computer without software that would trample your freedom.
  则输出应该是：
  GNU:2
  is:3
  it:2
  ……

提示：可以调用字符串处理函数、二叉树处理函数等库函数

三、涉及实验的相关情况介绍（包含使用软件或实验设备等情况）：

安装Linux操作系统的计算机

四、报告内容（给出每个任务的要求、设计思想、源代码，后接编译过程、测试数据与运行结果截图）

• 任务一:
  源代码:

#include
#include
#define MAXSIZE 200
int main()
{
	FILE *fp1, *fp2;
	char buf[MAXSIZE];
	char cha[] = "计算机与网络安全学院";
	if ((fp1 = fopen("student.txt", "r")) == NULL)
	{
		printf("Open Failed!");
	}
	if ((fp2 = fopen("csStudent.txt", "a+")) == NULL)
	{
		printf("Open Failed!");
	}
	while (!feof(fp1))
	{
		fgets(buf, MAXSIZE, fp1);
		if (strstr(buf, cha))
		{
			fputs(buf, fp2);
		}
	}
	fclose(fp1);
	fclose(fp2);
	return 0;
}

运行结果:

• 任务二:
  源代码:

#include
#define N 5
struct _subject {
	char sno[20];	   //学号
	char name[20];   //姓名
	float chinese;	   //语文成绩
	float math;		//数学成绩
	float english;	   //英语成绩
}subject[N], subject2[N];

int main()
{
	FILE *fp;
	int i;
	fp = fopen("data.txt", "a+");
	for (i = 0; i < N; i++)
	{
		printf("该学生的学号为:\n");
		scanf("%s", &subject[i].sno);
		printf("该学生的姓名为:\n");
		scanf("%s", &subject[i].name);
		printf("该学生的语文成绩为:\n");
		scanf("%f", &subject[i].chinese);
		printf("该学生的数学成绩为:\n");
		scanf("%f", &subject[i].math);
		printf("该学生的英语成绩为:\n");
		scanf("%f", &subject[i].english);
		fwrite(&subject[i], sizeof(struct _subject), 1, fp);
	}
	fclose(fp);
	fp = fopen("data.txt", "r");
	for (i = 0; i < N; i++)
	{
		fread(&subject2[i], sizeof(struct _subject), 1, fp);
	}
	for (i = 0; i < N; i = i + 2)
	{
		printf("学号:%s 姓名:%s 语文成绩:%.1f 数学成绩:%.1f 英语成绩:%.1f\n", subject2[i].sno, subject2[i].name, subject2[i].chinese, subject2[i].math, subject2[i].english);
	}
	return 0;
}

运行结果:

• 任务四:
  源代码:

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int fd,i,j,k,wordsCount=0,wordNum[200],flag1,flag2;
	char c,temp[20],words[200][20];
	fd=open("text44.txt",O_RDONLY,0);
	for(i=0;i<200;i++)
	{
		flag1=0;
		for(j=0;j<20;j++)
		{
			read(fd,&c,sizeof(char));
			if((c>=65&&c<=90)||(c>=97&&c<=122)) temp[j]=c;
			else if(c=='\0')
			{
				flag1=2;
				break;
			}
			else
			{
				temp[j]='\0';
				flag1=1;
				break;
			}
		}

		if(flag1==2) break;
		if(flag1==1)
		{
			flag2=0;
			for(k=0;k<wordsCount;k++)
			{
				if(strcmp(temp,words[k])==0)
				{
					wordNum[k]++;
					flag2=1;
					break;
				}
			}
			if(flag2==0)
			{
				strcpy(words[wordsCount],temp);
				wordNum[wordsCount]=1;
				wordsCount++;
			}
		}
	}

	printf("输出所有单词的词频:\n");
	for(i=0;i<wordsCount;i++)
	{
		printf("%s:%d\n",words[i],wordNum[i]);
	}

	j=0;
	for(k=1;k<wordsCount;k++)
	{
		if(wordNum[k]>wordNum[j]) j=k;
	}
	wordNum[j]=0;

	printf("输出出现频度最高的10个单词的词频:\n");
	for(i=0;i<10;i++)
	{
		j=0;
		for(k=1;k<wordsCount;k++)
		{
			if(wordNum[k]>wordNum[j]) j=k;
		}
		printf("%s:%d\n",words[j],wordNum[j]);
		wordNum[j]=0;
	}
}

运行结果:

五、实验分析和总结（任务3要求进行分析）
学会了文件的读取操作.加强了对C语言语法的理解.