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[C++知识库]【C语言】文件相关操作

一、文件的基础知识

1、什么是文件

在日常生活中我们所说的文件就是电脑C盘、D盘上的各种文件；但是在程序设计中，我们一般会从文件的功能的角度把文件分为两种：程序文件和数据文件。

程序文件：包括源程序文件（后缀为.c）,目标文件（windows环境后缀为.obj）,可执行程序（windows环境后缀为.exe）。

数据文件：文件的内容不一定是程序，而是程序运行时读写的数据，比如程序运行需要从中读取数据的文件，或者输出内容的文件。在本节中我们学习的就是数据文件

2、什么是文件名

文件名是一个文件的唯一标识，用户可以据此来对不同文件进行识别和引用。文件名包括三个部分：文件路径+文件名主干+文件后缀，例如：c:\code\test.txt，为了方便起见，文件标识常被称为文件名。

3、为什么要使用文件

我们前面学习了结构体和动态内存管理的相关知识，假设我们现在要利用这些知识要写一个通讯录的小程序，当通讯录运行起来的时候，可以给通讯录中增加、删除数据，此时数据是存放在内存中，当程序退出的时候，通讯录中的数据自然就不存在了，等下次再次运行通讯录程序的时候，数据又得重新录入，如果使用这样的通讯录就很难受。

我们在想既然是通讯录就应该把信息记录下来，只有我们自己选择删除数据的时候，数据才不复存在。这就涉及到了数据持久化的问题，我们一般数据持久化的方法有，把数据存放在磁盘文件、存放到数据库等方式。

使用文件我们可以将数据直接存放在电脑的硬盘上，做到了数据的持久化。

4、文件的打开和关闭

文件指针

每个被使用的文件都会在内存中开辟一个对应的文件信息区，用来存放文件的相关信息（如文件的名字，状态及当前的位置等）；这些信息被保存在一个结构体变量中，该结构体类型被系统声明为FILE；不同的C编译器的FILE类型包含的内容不完全相同，但是大同小异。例如，VS2013编译环境提供的 stdio.h 头文件中有以下的文件类型申明：

struct _iobuf {  //存放文件信息的结构体
        char *_ptr;
        int   _cnt;
        char *_base;
        int   _flag;
        int   _file;
        int   _charbuf;
        int   _bufsiz;
        char *_tmpfname;
       };
typedef struct _iobuf FILE;  //该结构体被重命名为FILE

每当我们打开一个文件的时候，系统会根据文件的相关信息自动创建一个FILE类型的结构体变量，并填充其中的信息，使用者不必关心细节；同时，这个FILE类型的结构体变量一般都是通过一个FILE的指针来维护的，这样使得其使用更加方便；在缓冲文件系统中，关键的概念是 “文件类型指针”，简称 “文件指针“。

FILE* pf;  //文件指针变量

pf 是一个指向FILE类型数据的指针变量，它可以使 pf 指向某个文件的文件信息区（本质上是一个结构体变量），通过该文件信息区中的信息就能够访问该文件；也就是说，通过文件指针变量能够找到与它相关联的文件。

例如：

文件的打开和关闭

文件在读写之前应该先打开文件，在使用结束之后应该关闭文件；ANSIC 规定使用 fopen 函数来打开文件，fclose 函数来关闭文件；在编写程序的时候，我们在打开文件的同时，fopen 函数会返回一个指向该文件的 FILE* 的指针变量，从而建立指针和文件的关系。

//打开文件
FILE * fopen ( const char * filename, const char * mode );
# filename：文件名（可以是绝对路径或者相对路径）
# mode：文件打开的模式（"r"/"w"/"a"/"rb"/"wb".....）
//关闭文件
int fclose ( FILE * stream );
# stream：指向文件结构的指针

详细的打开文件的方式有如下几种：

-文件使用方式	-含义	如果指定文件不存在
“r”（只读）	为了输入数据，打开一个已经存在的文本文件	出错
“w”（只写）	为了输出数据，打开一个文本文件	建立一个新的文件
“a”（追加）	向文本文件尾添加数据	建立一个新的文件
“rb”（只读）	为了输入数据，打开一个二进制文件	出错
“wb”（只写）	为了输出数据，打开一个二进制文件	建立一个新的文件
“ab”（追加）	向一个二进制文件尾添加数据	出错
“r+”（读写）	为了读和写，打开一个文本文件	出错
“w+”（读写）	为了读和写，建议一个新的文件	建立一个新的文件
“a+”（读写）	打开一个文件，在文件尾进行读写	建立一个新的文件
“rb+”（读写）	为了读和写打开一个二进制文件	出错
“wb+”（读写）	为了读和写，新建一个新的二进制文件	建立一个新的文件
“ab+”（读写）	打开一个二进制文件，在文件尾进行读和写	建立一个新的文件

具体案例如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
	//以只读形式打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	//打开失败，打印错误信息并返回
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//打开成功，使用
	fputs("file open example", pf);
	//使用完毕，关闭
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

我们以只读的形式打开，由于我代码路径下没有test.txt这个文件，所以它会先创建一个test.txt文件，然后再把file open example这句话写入到到test.txt中。

二、文件的顺序读写

1、顺序读写相关函数

C语言中关于文件读写操作有如下函数：

-功能	-函数名	适用于
字符输入函数	fgetc	所有输入流
字符输出函数	fputc	所有输入流
文本行输入函数	fgets	所有输入流
文本行输出函数	fputs	所有输入流
格式化输入函数	fscanf	所有输入流
格式化输出函数	fprintf	所有输入流
二进制输入	fread	文件
二进制输出	fwrite	文件

2、文件读写以及流的概念

什么是文件的读与写

我们知道，我们在程序中产生的数据都是存储在内存中的，因为只要是数据，就需要占用空间，而程序设计中的空间全部由内存分配；而文件是存在于硬盘中的；同时，对于我们程序员来说，我们是编写代码的人，即我们是以内存的视角来看待文件中的数据的，所以对我们来说：文件的写代表着把程序中产生的数据写入到硬盘的文件中去，进行的是输出操作，依赖的上面表格中的有关函数是 fputc、fputs、fprintf、fwrite；文件的读代表着把硬盘中文件的数据读入到程序中来，进行的是输入操作，依赖的上面表格中的有关函数是 fgetc、fgets、fscanf、fread；

什么是 stream（流）

在上面我们提到了把程序中的数据输出到硬盘中文件中去，其实除了输出到硬盘，我们还可以把数据输出到屏幕、U盘、软盘、网络、光盘等等地方，这些被统称为外部设备，不同外部设备读与写的方式可能是不一样的，那么对我们程序员来说，如果要把每一种外部设备读与写的方式都掌握的话太过于复杂了，所以C语言在读写数据的中间封装了一层叫流的东西，数据会先被写入到流，再被写入各种外部设备中，我们程序员只需要关注如何与流进行数据交互就行了，从流到外部设备这一过程C语言底层会自动帮我们实现。

3、fgetc 与 fputc

fgetc：从文件中读取一个字符到内存中；fputc：从内存中输出一个字符到文件中。

函数参数

int fgetc( FILE *stream );
# stream 对应文件指针
# int 函数返回值，读取成功时返回对应字符，读取失败或者遇见文件末尾时返回EOF

int fputc( int c, FILE *stream );
# c 要操作的字符
# stream 对应文件指针
# int 函数返回值，返回输出的字符

函数使用

int main()
{
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//向文件中写入字符
	fputc('a', pf);
	fputc('b', pf);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

int main()
{
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//从文件中读取字符
	int ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch);
	ch = fgetc(pf);
	printf("%c\n", ch);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

注意事项

这里有一个细节，那就是不管我们是读还是写，我们操作的下一个字符总是在前一个字符的后面，大家可能觉得这十分自然，其实从底层来看的话这是因为我们每次调用文件顺序读写的相关函数之后，管理该文件的文件指针都会自动向后偏移一位。

4、fgets 与 fputs

函数功能

fgets：从文件中读取一行字符到内存中；fputs：从内存中输出一行字符到文件中。

函数参数

char *fgets( char *string, int n, FILE *stream );
# string 数据的存储位置
# n 要读取的最大字符数
# stream 对应文件指针
# char* 函数返回值，读取成功返回字符串首字符的地址，失败或者遇到文件末尾返回NULL

int fputs( const char *string, FILE *stream );
# string 要输出的字符串的首地址
# stream 对应文件指针
# int 函数返回值，输出成功，返回一个非负值，否则返回EOF

函数使用

int main()
{
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//向文件中写入一行字符
	fputs("abcdef", pf);
	fputs("12345", pf);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

int main()
{
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//从文件中读取字符
	char arr[20];
	fgets(arr, 5, pf);
	printf("%s\n", arr);
	fgets(arr, 5, pf);
	printf("%s\n", arr);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

注意事项

文件的读和写不能同时进行；
对于同一个文件，当我们以写的形式打开时，操作系统首先会将该文件中原有的数据全部清除，然后再执行后续操作；（所以上面test.txt中原有的ab不见了）
对于 fgets 函数来说，实际从文件中读取的字符的个数会比指定的字符个数少一个，因为最后一个字符会被用于字符串的结束标志’\0’；

5、fscanf 与 fprintf

函数功能

fscanf：把文件中的数据格式化的读取到内存中；fprintf：把内存中的数据格式化的写入到文件中；

函数参数

int fscanf( FILE *stream, const char *format [, argument ]... );
# stream 对应文件指针
# format 格式控制字符串
# argumeng 可选参数
# int 函数返回值，成功时，函数返回成功填充的参数列表的项数，读取失败或者遇到文件末尾返回EOF

int fprintf( FILE *stream, const char *format [, argument ]... );
# 参数和fscanf相同
# int 函数返回值，成功时，返回写入的字符总数，失败时返回一个负数

函数使用

fscanf 和 fprintf 的使用与 scanf 以及 printf 函数的使用基本相同，只是多了一个文件指针参数而已。

struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[10];
};

int main()
{
	struct Stu stu = { "zhangsan", 20, "nan" };
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//向文件中格式化写入数据
	fprintf(pf, "%s %d %s", stu.name, stu.age, stu.sex);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[10];
};

int main()
{
	struct Stu stu = { 0 };
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//从文件中格式化读取数据
	fscanf(pf, "%s %d %s", stu.name, &(stu.age), stu.sex);
	printf("%s %d %s\n", stu.name, stu.age, stu.sex);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

6、fwrite 与 fread

函数功能

fwrite：以二进制的形式向文件中写入数据；fread：以二进制的形式从文件中读取数据；

函数参数

size_t fwrite ( const void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
# ptr 指向要写入的空间的起始地址
# size 要写入的每个元素的大小
# count 要写入的元素的个数
# stream 对应文件指针
# size_t 函数返回值，返回成功写入的元素总数

size_t fread ( void * ptr, size_t size, size_t count, FILE * stream );
# 参数与 fwrite 相同
# size_t 函数返回值，返回成功读取的元素总数

函数使用

struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[10];
};

int main()
{
	struct Stu stu = { "zhangsan", 20, "nan" };
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//以二进制的形式向文件中格式化写入数据
	fwrite(&stu, sizeof(struct Stu), 1, pf);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[10];
};

int main()
{
	struct Stu stu = { 0 };
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "r");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//以二进制的形式从文件中格式化读取数据
	fread(&stu, sizeof(struct Stu), 1, pf);
	printf("%s %d %s\n", stu.name, stu.age, stu.sex);

	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;
	return 0;
}

7、拓展：sscanf 与 sprintf

曾经在校招时曾考过这样一道题，说出 scanf/fscanf/sscanf 和 printf/fprintf/sprintf 这三组函数如何使用以及它们之间的区别与联系，所以这里我们扩展学习一下 sscanf 和 sprintf 函数。

函数功能

sscanf：将一个字符串中的数据格式化；sprintf：将一组格式化的数据转换为字符串；

函数参数

int sscanf( const char *buffer, const char *format [, argument ] ... );
# buffer 用于存储数据的字符串的首地址
# format 格式控制字符串
# argumeng 可选参数
# int 函数返回值，成功时，函数返回成功填充的参数列表的项数，失败返回EOF

int sprintf( char *buffer, const char *format [, argument] ... );
# 参数与 sscanf 函数相同
# int 函数返回值，成功时，返回写入的字符总数，失败则返回一个负数

函数使用

struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[10];
};

int main()
{
	struct Stu stu = { "zhangsan", 20, "nan" };
	char str[50];  //定义一个字符数组，用来存储从结构体中读取的数据
	//将一组格式化的数据转换为字符串
	sprintf(str, "%s %d %s", stu.name, stu.age, stu.sex);
	printf("%s\n", str);
	//将一个字符串中的数据格式化
	struct Stu stu1 = { 0 };
	sscanf(str, "%s %d %s", stu1.name, &(stu1.age), stu1.sex);
	printf("%s %d %s\n", stu1.name, stu1.age, stu1.sex);
	return 0;
}

scanf / fscanf / sscanf 三者的区别与联系

scanf：scanf 函数是格式化输入函数，只适用于标准输入流（键盘、屏幕）；

fscanf：scanf 函数也是格式化输入函数，不过它适用于所有输入流；

sscanf：sscanf 是专门针对字符串操作函数，用于将字符串数据转换为格式化的数据；

prinft / fprintf / sprintf 三者的区别与联系

prinft ：prinft 函数是格式化输出函数，只适用于标准输入流（键盘、屏幕）；

fprintf： fprintf 函数也是格式化输出函数，不过它适用于所有输入流；

sprintf ：sprintf 是专门针对字符串操作函数，用于格式化的数据转化为字符串；

三、文件的随机读写

在上面我们介绍了文件顺序读写的相关函数及其操作，但是要高效率的使用文件中的数据，只会顺序读写显然是不够的，我们还得学会文件的随机读写。

1、fseek

函数功能

根据文件指针的位置和偏移量来定位文件指针，即通过给定偏移量以及偏移量的参考位置来将文件指针移动到指定位置。

函数参数

int fseek( FILE *stream, long offset, int origin );
# stream 对应文件指针
# offset 相对于origin参数的偏移量
# origin 偏移量的参考位置
# int 函数返回值，设置成功返回0，否则返回非0

origin 参数的可能取值

-数值	-参考位置
SEEK_SET	文件的起始位置
SEEK_CUR	文件指针的当前位置
SEEK_END	文件的结尾

函数使用

int main()
{
	//以写的形式打开文件
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//将字符 'a' - 'z' 写到文件中去
	int i = 0;
	for (i = 'a'; i <= 'z'; i++)
	{
		fputc(i, pf);
	}
	//关闭文件
	fclose(pf);
	pf = NULL;

	//以读的形式打开文件
	FILE* pf1 = fopen("test.txt", "r");
	if (pf1 == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}
	//设置文件指针指向最后一个字符
	fseek(pf1, -1, SEEK_END);
	//读出该字符
	char ch = fgetc(pf1);
	printf("%c\n", ch);
	//关闭文件
	fclose(pf1);
	pf1 = NULL;
	return 0;
}

2、ftell

函数功能

返回文件指针相对于起始位置的偏移量。

函数参数

long int ftell ( FILE * stream );
# stream 对应函数指针
# long int 函数返回值，正常时返回函数指针相对于起始位置的偏移量，出错时返回-1L

函数使用

int main()
{
	//以读的形式打开文件
	FILE* pf1 = fopen("test.txt", "r");
	if (pf1 == NULL)
	{
		perror("fopen");
		return 1;
	}

	//设置文件指针指向最后一个字符
	fseek(pf1, -1, SEEK_END);

	//求出文件指针相对于起始位置的偏移量
	int ret = ftell(pf1);
	printf("%d\n", ret);

	//关闭文件
	fclose(pf1);
	pf1 = NULL;
	return 0;
}

3、rewind

函数功能

让文件指针的位置回到文件的起始位置。

函数参数

void rewind ( FILE * stream );
# stream 对应文件指针

函数使用

int main()
{
	int n;
	FILE* pFile;
	char buffer[27];
	//以读写的方式打开文件
	pFile = fopen("test.txt", "w+");
	//将字符 'A' - 'Z' 写入到文件中
	for (n = 'A'; n <= 'Z'; n++)
		fputc(n, pFile);
	//使文件指针回到文件起始位置
	rewind(pFile);
	//读数据
	fread(buffer, 1, 26, pFile);
	buffer[26] = '\0';
	puts(buffer);
	//关闭文件
	fclose(pFile);
	pFile = NULL;
	return 0;
}

四、文件的进阶知识

1、文本文件和二进制文件

根据数据的组织形式，数据文件被分为文本文件和二进制文件；

数据在内存中以二进制的形式存储，如果不加转换的输出到外存，就是二进制文件；如果要求在外存上以ASCII码的形式存储，则是文本文件，以ASCII码的形式需要在存储前进行转换。

我们以整数10000为例，我们知道，10000的二进制序列为 00000000 00000000 00100111 00010000，如果我们以二进制文件的形式存储，那么文件中的数据和内存中的数据一样,占四个字节；如果我们以文本文件的形式存储，那么10000就会被看作为5个字符 ‘1’ ‘0’ ‘0’ ‘0’ ‘0’，然后转化为对应的ASCII码存储，占五个字节；

2、文件读取结束的判定

feof 与 ferror

函数功能

当文件读取结束时，判断读取失败的原因。

函数参数

int feof( FILE *stream );
# stream 定义文件指针
# int 函数返回值，如果当前位置是文件末尾，返回非0，否则返回0

int ferror( FILE *stream );
# int 函数返回值，如果当前位置读取发生错误，返回非0，无错误返回0

被错误使用的feof

在文件的使用中，feof 函数的返回值常被错误的认为是用来判断文件是否读取结束的，其实，在文件读取过程中，feof 函数的返回值并不能直接用来判断文件是否结束，而是应当用于在文件读取结束的时候，判断是因为读取失败而结束，还是因为遇到文件尾而结束；

判断文件是否读取结束应该采用如下方法：

若要检查文本文件读取是否结束，判断返回值是否为 EOF (fgetc)，或者是否为 NULL (fgets)；
若要检查二进制文件的读取是否结束，判断返回值是否小于实际要读的个数；

feof 函数的正确使用

文本文件的例子：

int main(void)
{
	int c; //把c定义为int，使其有能力接受EOF(-1)
	FILE* fp = fopen("test.txt", "r");
	if (!fp) 
	{
		perror("File opening failed");
		return EXIT_FAILURE;
	}
	//fgetc 当读取失败的时候或者遇到文件结束的时候，都会返回EOF
	while ((c = fgetc(fp)) != EOF) // 标准C I/O读取文件循环
	{
		putchar(c);
	}
	//循环结束，说明文件读取失败，判断是什么原因结束的
	if (ferror(fp))  //ferror(fp)为真，说明由读取失败引起
		puts("I/O error when reading");
	else if (feof(fp))  //feof(fp)为真，说明由遇到文件尾引起
		puts("End of file reached successfully");
	fclose(fp);
	fp = NULL;
}

二进制文件的例子：

enum  //匿名联合体
{
	SIZE = 5
};

int main(void)
{
	double a[SIZE] = { 1.,2.,3.,4.,5. };
	FILE* fp = fopen("test.bin", "wb");
	fwrite(a, sizeof * a, SIZE, fp); // 向文件中以二进制的形式写入一个数组的数据
	fclose(fp);
	fp = NULL;

	double b[SIZE];
	fp = fopen("test.bin", "rb");
	size_t ret_code = fread(b, sizeof * b, SIZE, fp); // 从文件中读取二进制的数据
	if (ret_code == SIZE) {  //如果fread函数的返回值等于参数SIZE，说明正常读取
		puts("Array read successfully, contents: ");
		for (int n = 0; n < SIZE; ++n) 
			printf("%f ", b[n]);
		putchar('\n');
	}
	else   //否则，遇到错误或者文件尾
	{
		if (feof(fp))  //表示遇到文件尾
			printf("Error reading test.bin: unexpected end of file\n");
		else if (ferror(fp))  //表示遇到错误
			perror("Error reading test.bin");
	}
	fclose(fp);
	fp = NULL;
}

3、文件缓冲区

ANSIC 标准采用“缓冲文件系统”处理数据文件，所谓缓冲文件系统是指系统自动的在内存中为程序中每一个正在使用的文件开辟一块“文件缓冲区”；从内存向磁盘输出数据时会先送到内存中的缓冲区，等到装满缓冲区后再一起送到磁盘上；如果从磁盘向计算机读入数据，则从磁盘文件中读取数据输入到内存缓冲区，等到装满缓冲区后，再从缓冲区逐个地将数据送到程序数据区（程序变量等）；缓冲区的大小由C编译系统决定。

注意事项

文件缓冲区存在的原因：当我们使用 fwrite 等函数向文件中写入或者读取数据的时候，其实这些函数首先会调用系统调用，而系统调用是由操作系统提供的接口，所以写文件的操作其实最终是由操作系统来完成的；而如果我们不设置文件缓冲区，频繁的打断操作系统，让它来为我们写入、读取数据，则势必会降低操作系统的工作效率；所以设立文件缓冲区是为了提高操作系统的工作效率；

既然只有将文件缓冲区填满后才会进行写入、读取数据，那么当我们数据非常小，不足以填满文件缓冲区的时候是不是就会发生错误呢？其实不是的，我们每次文件操作完毕后都会使用 fclose 函数来关闭文件，而fclose 函数的内部会自动执行 fflush (刷新缓冲区) 操作，所以不必担心数据过小而操作失败，这也侧面反映了如果我们在使用文件之后不对文件进行关闭的话可能会导致文件的读写问题；

文件缓冲区的例子：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
//VS2019 WIN11环境测试
int main()
{
	FILE* pf = fopen("test.txt", "w");
	fputs("abcdef", pf);//先将代码放在输出缓冲区
	printf("睡眠10秒-已经写数据了，打开test.txt文件，发现文件没有内容\n");
	Sleep(10000);
	printf("刷新缓冲区\n");
	fflush(pf);//刷新缓冲区时，才将输出缓冲区的数据写到文件（磁盘）
	//注：fflush 在高版本的VS上不能使用了
	printf("再睡眠10秒-此时，再次打开test.txt文件，文件有内容了\n");
	Sleep(10000);
	fclose(pf);
	//注：fclose在关闭文件的时候，也会刷新缓冲区
	pf = NULL;
	return 0;
}