Лабораторная работа № 4

1. Представление данных в памяти

Начнем с реализации функции nibble_to_hex() и тестов для нее. После этого мы создадим функцию print_in_hex() с использованием nibble_to_hex().

#include <iostream>
#include <cassert>

using namespace std;

// Функция для представления nibble (4 бит) в шестнадцатеричной системе
char nibble_to_hex(uint8_t i) {
    // Массив цифр в шестнадцатеричной системе
    char digits[] = "0123456789abcdef";
    
    // Проверка на корректность аргумента
    assert(0x0 <= i && i <= 0xf);
    
    // Возвращаем символ для nibble из массива digits
    return digits[i];
}

Напишем реализацию функции print_in_hex() для печати одного байта в шестнадцатеричной и двоичной форме:

// Функция для печати одного байта в шестнадцатеричной и двоичной форме
void print_in_hex(uint8_t byte) {
    // Печать в шестнадцатеричной форме
    cout << "Hex: " << nibble_to_hex(byte >> 4) << nibble_to_hex(byte & 0xf) << endl;
    
    // Печать в двоичной форме
    cout << "Binary: ";
    for (int i = 7; i >= 0; --i) {
        cout << ((byte >> i) & 1);
    }
    cout << std::endl;
}

Итак, выполним проверку работы nibble_to_hex(), добавим в программу функцию-тест, вызываемую в начале main():

int main() {

    // Тестирование функции nibble_to_hex
    
   	assert(nibble_to_hex(0x0) == '0');
    assert(nibble_to_hex(0x1) == '1');
    assert(nibble_to_hex(0x2) == '2');
    assert(nibble_to_hex(0x3) == '3');
    assert(nibble_to_hex(0x4) == '4');
    assert(nibble_to_hex(0x5) == '5');
    assert(nibble_to_hex(0x6) == '6');
    assert(nibble_to_hex(0x7) == '7');
    assert(nibble_to_hex(0x8) == '8');
    assert(nibble_to_hex(0x9) == '9');
    assert(nibble_to_hex(0xa) == 'a');
    assert(nibble_to_hex(0xb) == 'b');
    assert(nibble_to_hex(0xc) == 'c');
    assert(nibble_to_hex(0xd) == 'd');
    assert(nibble_to_hex(0xe) == 'e');
    assert(nibble_to_hex(0xf) == 'f');

Также проверку можно выполнить в цикле чтобы код не был таким громоздким:

for (int i = 0; i <= 0xf; ++i) {
        assert(nibble_to_hex(i) == nibble_to_hex(i));
    }

Теперь напечатаем байт в шестнадцатеричной и двоичной форме:<>br

using namespace std;

// Функция для печати одного байта в шестнадцатеричной и двоичной форме
void print_in_hex(uint8_t byte) {

    // Печать в шестнадцатеричной форме
    cout << "Hex: " << nibble_to_hex(byte >> 4) << nibble_to_hex(byte & 0xf) << endl;
    
    // Печать в двоичной форме
    cout << "Binary: ";
    for (int i = 7; i >= 0; --i) {
        cout << ((byte >> i) & 1);
    }
    cout << endl;
}

Теперь заключим преобразование типов в функцию const uint8_t* as_bytes(const void* data):

// Функция для преобразования типов
const uint8_t* as_bytes(const void* data) {
    return reinterpret_cast<const uint8_t*>(data);
}

Также напишем функцию для печати массива байтов:

// Функция для печати массива байтов
void print_in_hex(const void* data, size_t size) {
    const uint8_t* bytes = as_bytes(data);
    for (size_t i = 0; i < size; i++) {
        print_in_hex(bytes[i]);

        // Для удобства чтения: пробелы между байтами, по 16 байт на строку.
        if ((i + 1) % 16 == 0) {
            cout << '\n';
        } else {
            cout << ' ';
        }
    }
    cout << endl;
}

Теперь функция as_bytes принимает указатель на данные и возвращает указатель на байты этих данных, используя reinterpret_cast. Пример использования данной функции добавлен в main(), где мы создаем переменные u8, u16 и u32, присваиваем им значение 0x42, а затем выводим их байтовое представление, используя функцию print_in_hex:

int main() {
    uint8_t u8 = 0x42;
    uint16_t u16 = 0x42;
    uint32_t u32 = 0x42;

    cout << "u8 bytes: ";
    print_in_hex(&u8, sizeof(u8));
    cout << '\n';

    cout << "u16 bytes: ";
    print_in_hex(&u16, sizeof(u16));
    cout << '\n';

    cout << "u32 bytes: ";
    print_in_hex(&u32, sizeof(u32));
    cout << '\n';

    return 0;
}

Добавим функцию bit_digit для проверки битов переменных u8, u16, и u32, и их вывода в двоичной системе. Обновим функцию print_in_binary. Теперь функция print_in_binary использует цикл для вывода битов переменных u8, u16, и u32 в двоичной системе.

using namespace std;

// Функция для проверки битов и вывода их в двоичной системе
char bit_digit(uint8_t byte, uint8_t bit) {
    if (byte & (0x1 << bit)) {
        return '1';
    }
    return '0';
}

// Функция для печати байта в двоичной системе
void print_in_binary(uint8_t byte) {
    for (uint8_t bit = 7; bit > 0; bit--) {
        cout << bit_digit(byte, bit);
    }
}

int main() {
    uint8_t u8 = 0x42;
    uint16_t u16 = 0x42;
    uint32_t u32 = 0x42;

    cout << "u8 bytes: ";
    print_in_hex(&u8, sizeof(u8));

    cout << "\nu8 binary: ";
    print_in_binary(u8);
    cout << '\n';

    cout << "\nu16 bytes: ";
    print_in_hex(&u16, sizeof(u16));

    cout << "\nu16 binary: ";
    print_in_binary(u16);
    cout << '\n';

    cout << "\nu32 bytes: ";
    print_in_hex(&u32, sizeof(u32));

    cout << "\nu32 binary: ";
    print_in_binary(u32);
    cout << '\n';

    return 0;
}

Переведем в двоичное представление и напечатаем числа из лекционного слайда про двоичные операции (исходные два числа и результаты всех действий).

int main() {
    // Два числа для примера
    uint8_t num1 = 0b11011011;  // 219 в десятичной системе
    uint8_t num2 = 0b00101101;  // 45 в десятичной системе

    // Вывод двоичного представления чисел
    cout << "num1 в двоичной системе: ";
    print_in_binary(num1);
    cout << " (" << static_cast<int>(num1) << " в десятичной системе)\n";

    cout << "num2 в двоичной системе: ";
    print_in_binary(num2);
    cout << " (" << static_cast<int>(num2) << " в десятичной системе)\n";

    return 0;
}

Напишем функцию print_in_binary для вывода массива байтов в двоичной системе по аналогии с print_in_hex():

using namespace std;

void print_in_binary(const void* data, size_t size) {
    const uint8_t* bytes = as_bytes(data);
    for (size_t i = 0; i < size; i++) {
        print_in_binary(bytes[i]);

        // Для удобства чтения: пробелы между байтами, по 4 байта на строку.
        if ((i + 1) % 4 == 0) {
            cout << '\n';
        } else {
            cout << ' ';
        }
    }
    cout << endl;
}

int main() {
    // Примеры чисел для тестирования
    uint32_t u32 = 0x42424242;  // 4,294,967,042 в десятичной системе
    uint16_t u16 = 0x4242;      // 16,642 в десятичной системе

    cout << "u32 в двоичной системе:\n";
    print_in_binary(&u32, sizeof(u32));

    cout << "\nu16 в двоичной системе:\n";
    print_in_binary(&u16, sizeof(u16));

    return 0;
}

Cоздаем два числа (u32 и u16), переводим их в двоичное представление, и затем используем функцию print_in_binary для вывода байтов в двоичной системе.

2. Битовый калькулятор.

Напишем программу-калькулятор для побитовых операций.

#include <iostream>
#include <cstdint>
#include <iomanip>

using namespace std;

// Функция для проверки битов и вывода их в двоичной системе
char bit_digit(uint16_t num, uint8_t bit) {
    return (num & (0x1 << bit)) ? '1' : '0';
}

// Функция для печати числа в двоичной системе
void print_in_binary(uint16_t num) {
    for (int8_t bit = 15; bit >= 0; --bit) {
        cout << bit_digit(num, bit);
    }
}

int main() {
    uint16_t operand1, operand2, result;
    char operation;

    // Ввод первого операнда, оператора и второго операнда
    cout << "Введите первый операнд (в шестнадцатеричной форме): ";
    cin >> hex >> operand1;

    cout << "Введите оператор (&, | или ^): ";
    cin >> operation;

    cout << "Введите второй операнд (в шестнадцатеричной форме): ";
    cin >> std::hex >> operand2;

    // Выполнение операции в зависимости от введенного оператора
    switch (operation) {
        case '&':
            result = operand1 & operand2;
            break;
        case '|':
            result = operand1 | operand2;
            break;
        case '^':
            result = operand1 ^ operand2;
            break;
        default:
            std::cerr << "Неверный оператор. Допустимые операторы: &, |, ^.\n";
            return 1;
    }

    // Вывод результата в шестнадцатеричной и двоичной форме
    cout << hex << setw(4) << setfill('0') << operand1 << ' ' << operation << ' '
              << setw(4) << setfill('0') << operand2 << " = " << setw(4) << setfill('0') << result
              << '\n';

    cout << setw(16) << setfill(' ') << left << "в двоичной системе: ";
    print_in_binary(operand1);
    cout << ' ' << operation << ' ';
    print_in_binary(operand2);
    cout << " = ";
    print_in_binary(result);
    cout << '\n';

    return 0;
}

Тут программа предлагает пользователю ввести два операнда и оператор (&, | или ^). Затем он выполняет выбранную операцию и выводит результат в шестнадцатеричной и двоичной форме.

3. Исследование представления и размещения данных в памяти

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <cstring>
#include <bitset>

using namespace std;

struct Student {
    char name[17];
    uint16_t admissionYear;
    float averageGrade;
    bool isMale : 1;
    uint8_t completedCourses;
    Student* groupLeader;
};

int main() {
    const int numberOfStudents = 3;
    Student students[numberOfStudents];

    students[0].admissionYear = 2023;
    students[0].averageGrade = 4.5;
    students[0].isMale = true;
    students[0].completedCourses = 5;
    students[0].groupLeader = nullptr;

    students[1].admissionYear = 2022;
    students[1].averageGrade = 3.8;
    students[1].isMale = false;
    students[1].completedCourses = 6;
    students[1].groupLeader = &students[0];

    students[2].admissionYear = 2021;
    students[2].averageGrade = 3.2;
    students[2].isMale = true;
    students[2].completedCourses = 7;
    students[2].groupLeader = nullptr;

    for (int i = 0; i < numberOfStudents; ++i) {
        cout << "\nИнформация о студенте " << i + 1 << ":\n";
        cout << "Адрес поля admissionYear: " << static_cast<void*>(&students[i].admissionYear) << ", Смещение: "
             << offsetof(Student, admissionYear) << ", Размер: " << sizeof(students[i].admissionYear) << " байт, "
             << "Шестнадцатеричное: " << hex << students[i].admissionYear << ", Двоичное: "
             << bitset<16>(students[i].admissionYear) << '\n';

        cout << "Адрес поля averageGrade: " << static_cast<void*>(&students[i].averageGrade) << ", Смещение: "
             << offsetof(Student, averageGrade) << ", Размер: " << sizeof(students[i].averageGrade) << " байт, "
             << "Значение: " << students[i].averageGrade << '\n';

        cout << "Адрес и битовое поле isMale: " << static_cast<void*>(&students[i].isMale) << ", Смещение: "
             << offsetof(Student, isMale) << ", Размер: " << sizeof(students[i].isMale) << " бит, "
             << "Значение: " << (students[i].isMale ? "мужской" : "женский") << '\n';

        cout << "Адрес поля completedCourses: " << static_cast<void*>(&students[i].completedCourses) << ", Смещение: "
             << offsetof(Student, completedCourses) << ", Размер: " << sizeof(students[i].completedCourses) << " байт, "
             << "Значение: " << static_cast<int>(students[i].completedCourses) << '\n';

        cout << "Адрес поля groupLeader: " << static_cast<void*>(&students[i].groupLeader) << ", Смещение: "
             << offsetof(Student, groupLeader) << ", Размер: " << sizeof(students[i].groupLeader) << " байт, "
             << "Шестнадцатеричное: " << hex << reinterpret_cast<uintptr_t>(students[i].groupLeader) << '\n';

        // Выводим представление структуры в памяти
        cout << "Представление в памяти (в шестнадцатеричной системе):\n";
        const uint8_t* bytes = reinterpret_cast<const uint8_t*>(&students[i]);
        for (size_t j = 0; j < sizeof(Student); ++j) {
            cout << hex << setfill('0') << setw(2) << static_cast<int>(bytes[j]) << ' ';
        }
        cout << '\n';
    }

    return 0;
}

Тут мы создаем структуру Student, представляющую информацию о студенте, и инициализирует массив из трех студентов. Затем он выводит различные характеристики каждого студента, такие как адреса и размеры полей, значение полей, а также представление каждой структуры в памяти в шестнадцатеричном виде. Кроме того, он учитывает битовое поле isMale и выводит его адрес, смещение, размер и значение.

4. Работа со строками C

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <cstring>
#include <cctype>

const int MAX_FILENAME_LENGTH = 256;
const int MAX_INPUT_STRING_LENGTH = 256;

bool isValidFilename(const char* filename) {
    // Проверка наличия запрещенных символов
    const char* forbiddenChars = "*\"<>?|";
    if (strpbrk(filename, forbiddenChars) != nullptr) {
        return false;
    }

    // Проверка наличия двоеточия
    const char* colonPosition = strchr(filename, ':');
    if (colonPosition != nullptr) {
        if (colonPosition == filename + 1 && isalpha(filename[0])) {
            // Проверка двоеточия только вторым символом
            const char* backslashPosition = strchr(colonPosition + 1, '\\');
            if (backslashPosition == nullptr) {
                return false;
            }
        } else {
            return false;
        }
    }

    // Проверка расширения файла
    const char* extension = strrchr(filename, '.');
    if (extension != nullptr) {
        if (strcmp(extension, ".txt") != 0 && strcmp(extension, ".TXT") != 0) {
            return false;
        }
    }

    return true;
}

int main() {
    // Запрос имени файла
    char filename[MAX_FILENAME_LENGTH];
    std::cout << "Введите имя файла: ";
    std::cin.getline(filename, MAX_FILENAME_LENGTH);

    // Проверка корректности имени файла
    if (!isValidFilename(filename)) {
        std::cerr << "Некорректное имя файла.\n";
        return 1;
    }

    // Добавление расширения .txt, если его нет
    if (strrchr(filename, '.') == nullptr) {
        strcat(filename, ".txt");
    }

    // Открытие файла
    std::ifstream file(filename, std::ios::binary);
    if (!file.is_open()) {
        std::cerr << "Ошибка открытия файла.\n";
        return 1;
    }

    // Определение размера файла
    file.seekg(0, std::ios::end);
    std::streampos fileSize = file.tellg();
    file.seekg(0, std::ios::beg);

    // Выделение памяти под содержимое файла
    char* fileContent = new char[fileSize];

    // Чтение содержимого файла в память
    file.read(fileContent, fileSize);
    file.close();

    // Запрос строки от пользователя
    char inputString[MAX_INPUT_STRING_LENGTH];
    std::cout << "Введите строку для поиска: ";
    std::cin.getline(inputString, MAX_INPUT_STRING_LENGTH);

    // Подсчет вхождений строки в файл
    int occurrences = 0;
    char* position = fileContent;
    while ((position = strstr(position, inputString)) != nullptr) {
        occurrences++;
        position += strlen(inputString);
    }

    // Вывод результата
    std::cout << "Число вхождений строки в файл: " << occurrences << std::endl;

    // Освобождение выделенной памяти
    delete[] fileContent;

    return 0;
}

Данный код выполняет все шаги, описанные в задании: запрос имени файла, проверка корректности имени, добавление расширения .txt, загрузка содержимого файла в память, запрос строки от пользователя, подсчет и вывод числа вхождений строки в файл, а затем освобождение памяти.