Cvičení 1

Témata

• Úvod do programovacího jazyka C
• Historie jazyka
• Základní vlastnosti jazyka
• Překlad zdrojového kódu v jazyce C
• Základní direktivy preprocesoru
• Komentáře
• Konstanty
• Datové typy a proměnné
• Jednoduché datové typy
• Deklarace proměnných, globální a lokální proměnné
• Přiřazení hodnoty proměnné
• Překladače

Úvod do programovacího jazyka C

Historie jazyka

Programovací jazyk C je úzce spjat s operačním systémem UNIX. Jazyk vznikl, stejně jako operační systém, v AT&T Bellových laboratořích v 70. letech a jeho tvůrci jsou pánové Kernighan a Ritchie. Proto se také první verze jazyka jmenuje K&R (1977). Později byly některé rysy jazyka upraveny a doplněny (např. přehlednější způsob deklarace formálních parametrů procedur a funkcí blíže k Pascalu). Výsledkem byl standard ANSI C (1988), který byl dále rozšiřován (poslední je ANSI C 99, je připravován standard ANSI C1X). Standardu ANSI se budeme držet při výuce.

Záměrem autorů při vývoji nového operačního systému UNIX bylo vytvořit jednoduchý a stabilní operační systém. Zároveň s novým operačním systémem chtěli autoři přijít i s novým programovacím jazykem, který by byl úsporný, efektivní (blízký strojovému jazyku) a umožňoval generovat rychlý výsledný kód. Tím jazykem se měl stát a stal se právě jazyk C (název C je údajně pokračováním pracovního označení A a B prvních návrhů jazyka). Autoři uvažovali, že jazyk C se stane výhradním programovacím jazykem pod operačním systémem UNIX (pomocí něhož se budou programovat i některé části operačního systému). První překladač byl implementován právě pod operačním systémem UNIX na minipočítači PDP 11 (obrázek 1) od firmy DEC (Digital Equipment Corporation).

Obrázek 1: Minipočítač PDP 11 (1970)
(na snímku Dennis Ritchie a Kenneth Thompson, tvůrci UNIXu)

Základní vlastnosti jazyka C

• kompilační jazyk
• univerzální a úsporný programovací jazyk
• slabá typová kontrola
• funkcionální rysy
  • jedna z definovaných funkcí se musí jmenovat main a představuje hlavní program
• case-sensitive
  • rozlišují se malá a velká písmena ve zdrojovém kódu
• každý příkaz je ukončen středníkem

Překlad zdrojového kódu v jazyce C

Obrázek 2: Překlad v jazyce C

Základní direktivy preprocesoru

Programovací jazyk C byl navržen ve svém základě jako velmi úsporný, aby jádro jazyka bylo co nejméně závislé na cílové platformě. Proto nejsou součástí jazyka ani příkazy pro vstup a výstup na obrazovku, ale existují ve formě funkcí v externích knihovnách. Základní funkce jsou uvedeny v souboru stdio.h, bez něhož bychom nenapsali žádný program v jazyce C, který by vypisoval cokoliv na obrazovku.

Hlavičkový soubor vložíme uvedením direktivy na počátku zdrojového kódu:

#include <stdio.h>

Pokud jméno hlavičkového souboru vložíme mezi znaky < a >, hledá preprocesor hlavičkový soubor ve standardní adresáři překladače s hlavičkovými soubory (zpravidla také adresář s názvem include). Je-li jméno souboru mezi uvozovkami, např. #include "seznam.h", hledá překladač soubor v aktuálním adresáři projektu. Lze uvést i cestu, syntaxe se řídí daným operačním systémem.

Další velmi využívaná direktiva je #define. Umožňuje definovat tzv. symbolickou konstantu (jazyk C neměl ve verzi K&R klíčové slovo const, to bylo doplněno až do ANSI C), např. #define MAX 10. Preprocesor nahradí ve zdrojovém kódu všechny výskyty řetězce MAX řetězcem 10. Náhradu ilustruje následující příklad, včetně direktivy #include.

Příklad:

Předpokládejme, že soubor definice.txt obsahuje jeden řádek:

float obsah(float a, float b);

Zdrojový kód má podobu:

#include "definice.txt"
#define MAX 10

int main(int argc, char **argv)
{
  ...
    if (x > MAX) printf("Limit je %d",MAX);
  ...
}

Tedy, po zpracování preprocesorem bude mít zdrojový kód podobu:

float obsah(float a, float b);

int main(int argc, char **argv)
{
  ...
    if (x > 10) printf("Limit je %d",10);
  ...
}

Direktiva #define slouží také k definici makra. Ukážeme definici makra SOUCET s parametry, které počítá součet dvou čísel:

#define SOUCET(a,b) (a+b)

int main(int argc, char **argv)
{
  int x;
  ...
    x = 3*SOUCET(2,3);
  ...
}

int main(int argc, char **argv)
{
  int x;
  ...
    x = 3*(2+3);
  ...
}

Pomocí zmíněné direktivy je možné definovat pouze symbol (identifikátor), např. #define PRACOVNI. Využijeme jej v podmíněném překladu, kdy pomocí direktiv #ifdef, resp. #ifndef řídíme, které části kódu má preprocesor vypustit a které ponechat. Ukážeme si program s podmíněným překladem, kdy využijeme tento princip při ladění. Definujeme symbol LADENI a do kódu napíšeme podmínku v podobě direktivy preprocesoru #ifdef. Do ní vložíme kontrolní výpis, který bude ve výsledném programu po odladění vynechán.

#include <stdio.h>
#define LADENI

int main(int argc, char **argv)
{
  int x;

  printf("Zadej cele cislo");
  scanf("%d",&x);
  #ifdef LADENI 
    printf("Zadal jsi %d\n",x);
  #endif
  ...
  return 0;
}

Poznámka: volání funkce printf nesmí být na stejném řádku jako direktiva.

Další využití podmíněného překladu spočívá v možnosti řídit překlad podle různých požadavků. Předpokládejme, že máme nějaké dvě knihovny (dva hlavičkové soubory), jedna obsahuje definice datových typů s optimalizací pro 32 bitový procesor (vypocty32.h) a druhá datové typy s optimalizací pro 64 bitový procesor (vypocty64.h). Chceme napsat univerzální program, který bychom mohli bez složitých úprav jednoduše přeložit buď ve 32 nebo 64 verzi. Pomocí direktiv to provedeme snadno:

#define PREKL32

#ifdef PREKL32
  #include "vypocty32.h"
#else
  #ifdef PREKL64
    #include "vypocty64.h"
    #else
      #error Musi byt definovan symbol PREKL32 nebo PREKL64
  #endif
#endif

...

Komentáře

Většina současných překladačů, které jsou zároveň překladači jazyka C++, dovolují používat jednořádkové komentáře ve stylu C++, tj. uvozené //. Tyto komentáře platí do konce řádku a nemají ukončující element.

Zápis konstant (literál)

Celočíselné desítkové konstanty se zapisují běžným způsobem, např. 10, -5. Je možné zapsat celočíselné konstanty také v osmičkové nebo šestnáctkové soustavě. Zápis v osmičkové soustavě začíná nulou, tj. 012, 03. Zápis v šestnáctkové soustavě začíná 0x nebo 0X, např. 0x20, 0xFE, 0X3f, 0x2a.

Desetinná čísla zapisujeme také obvyklým způsobem, pro oddělení celé a desetinné části používáme desetinnou tečku, např. 3.14, -6.354, 0.5. U čísel menších než 1 lze úvodní nulu vynechat, tedy .4 je totéž jako 0.4. Číslo lze zapsat i v tzv. semilogaritmickém tvaru - 4.25E-3, -1e6. Zápis znamená 4,25.10^-3 a -1.10⁶.

Znakové konstanty se uzavírají mezi apostrofy, např., 'a', 'A', 'x', '4', '*'. Potřebujeme-li zapsat konstantu neviditelného (řídicího) znaku, použijeme zápis ve tvaru '\ddd', kde ddd je osmičkový zápis kódu (kódu ASCII) příslušného znaku, resp. '\0xHH', kde HH je šestnáctkový zápis, např. '\0x0A' je znak nová řádka (LF). Pro nejpoužívanější řídicí znaky existují znakové ekvivalenty, uvedené v tab. 1:

Znakové konstanty nemají velikost 1 Byte, ale int.

Ačkoliv jazyk C nemá typ řetězec, lze zapsat řetězcové konstanty. Řetězcové konstanty se uzavírají do uvozovek, např. "Ahoj, světe!".

Proměnné

Proměnné (variables) v programovacím jazyce uchovávají určitou hodnotu (data), jejich obsah se může během výpočtu měnit. Proměnná vlastně představuje abstrakci adresy paměťové buňky, ve které jsou data uložena.

Jazyk C patří mezi tzv. jazyky s deklarovanými a typovanými proměnnými. Znamená to, že před použitím jakékoliv proměnné v kódu programu je nutné proměnnou deklarovat (neformálně, napsat seznam proměnných). Termín typované proměnné značí, že u každé proměnné je povinnost uvést, jakého je datového typu. Datový typ determinuje hodnoty, které může proměnná obsahovat (neboli typ určuje množinu hodnot) a také množinu operací, které je možné s proměnnými provádět.

Povinnost deklarovat proměnné má výhodu pro programátory v tom, že překladač snadno odhalí překlepy programátora v názvech (identifikátorech) proměnných. Určení typu proměnné umožňuje kontrolovat při překladu, zda programátor nepřiřazuje proměnné nesmyslná data nebo nepíše do kódu nepovolené či „podivné“ operace, např. se nepokouší sčítat znaky (jazyk C na rozdíl od Pascalu ale tuto operaci dovolí, protože se jedná o jazyk se slabou typovou kontrolou, kdy se kontrola provádí pouze na úrovni vnitřní reprezentace). Typování proměnných překladači umožní také generovat efektivní kód.

Jednoduché datové typy

• znakový, jehož hodnotou je jedno písmeno (znak),
• celočíselné, jejichž hodnotami jsou celá čísla (zpravidla se znaménkem),
• typy v pohyblivé řádové čárce, jejichž hodnotami jsou desetinná čísla

Norma jazyka nedefinuje velikost celočíselných typů, pouze musí platit sizeof(short)<=sizeof(int)<=sizeof(long). Výsledkem operátoru sizeof() je počet bytů, na kolik je typ v daném překladači implementován. Větší počet bytů znamená přirozeně větší rozsah zobrazitelných čísel. Základní celočíselný typ je typ int, měl by být implementován „nejvýhodněji“ pro danou platformu (např. pro 32 bitový překladač by měl mít velikost 32 bitů).

Celočíselné typy jsou standardně v reprezentaci se znaménkem (bit nejvyššího řádu je znaménkový, čísla jsou uložena v tzv. doplňkovém kódu), např. 16 bitový celočíselný typ má rozsah zobrazitelných čísel -32768 až +32767. Pro reprezentaci čísel bez znaménka existuje v jazyce klíčové slovo unsigned, kterým typ modifikujeme - unsigned short, unsigned int, unsigned long, typ unsigned int je možné zkrátit na unsigned. Klíčové slovo signed ve verzi K&R neexistovalo, bylo doplněno až ve verzi ANSI. Typ char má velikost 1 slabiku (1 Byte) a na proměnné tohoto typu je možné v jazyce C nahlížet také jako na čísla (jazyk C je jazyk se slabou typovou kontrolou!). Reprezentace typu char je zpravidla se znaménkem, závisí na překladači.

Do proměnných typu float a double je možné uložit desetinná čísla, typ double má dvojitou přesnost, tj. větší počet desetinných míst. Čísla v této reprezentaci jsou interně uložena jako trojice znaménko, mantisa, exponent. Tato reprezentace je čtenáři dobře známa ze zápisů čísel zejména ve fyzice, např. -3,4x102, kde znaménko je zřejmé, 3,4 je mantisa, 2 je exponent. Mantisa i exponent jsou uloženy pochopitelně ve dvojkové soustavě.

Poznámka: Celočíselné konstanty jsou standardně typu int, chceme-li explicitně vyjádřit konstantu typu long, připojíme za zápis čísla příponu L, např. 126L, obdobně U pro typ unsigned. Desetinné konstanty jsou typu double, konstantu typu float zapíšeme pomocí přípony F, 1.6F.

Poznámka: V jazyce C++ již existuje datový typ bool, jehož oborem hodnot jsou dvě hodnoty true/false (pravda/nepravda).

Deklarace proměnných

Deklarace proměnné v jazyce C se zapíše tak, že nejprve uvedeme typ proměněné a pak indentifikátor proměnné identifikátor je název proměnné). Identifikátor nesmí začínat číslicí a nesmí dále obsahovat znaky sloužící jako operátory (+.-,! atd.), závorky aj. Deklarace se ukončí středníkem. V rámci jednoho zápisu lze deklarovat více proměnných stejného typu, oddělených čárkou.

Příklad: Nadeklarujeme jednu proměnnou c typu char, dvě proměnné a, b typu int a proměnnou polomer typu float.

char c;
int a, b;
float polomer;

Jazyk C dovoluje provést počáteční přiřazení hodnoty proměnné již při deklaraci, např.:

int a=3, b;

Proměnná a má tedy hodnotu 3, proměnná b je neinicializovaná, obsahuje náhodnou hodnotu.

Proměnné mohou být globální a lokální. Globální proměnné jsou deklarovány vně jakékoliv funkce a jsou viditelné (použitelné) v celém zdrojovém kódu, lokální proměnné jsou lokální pouze v daném bloku, tj. části kódu uzavřené mezi { }.

int volba; /* Toto je globální proměnná, viditelná ve funkci obsah i v hlavním programu */

int obsah()
{
  float x, y;  /* Proměnné x a y jsou lokální ve funkci obsah */
}

int main(int argc, char **argv)
{
  int a;  /* Lokální proměnná viditelná pouze v hlavním programu */
  
}

Podle pravidel jazyka C je nutné v bloku uvést nejprve všechny deklarace proměnných a pak programový kód. Podle normy C++ je možné psát deklarace nových proměnných i uprostřed programového kódu.

int a, b; float x, y;

a = 3; 
b = 3*a;  /* násobení */
x = y = 3.5; /* vícenásobné přiřazení */

Překladače

Vyvíjet a ladit programy můžeme v několika prostředích. Na fakultě je k dispozici komerční překladač CodeGear C++ Builder 2009 od firmy Borland, dále volně stažitelná verze překladače firmy Microsoft MS Visual Studio C++ (s omezenými funkcemi), volně šířitelné prostředí Dev C++ (je založeno na volně šířitelném překladači gcc), který si můžete stáhnout z internetu, www.bloodshed.net/devcpp.html (instalace je též na fakultním disku H:\studenti\PRG1\DevC\). Volně šířitelné prostředí Dev C++ má méně komfortní možnosti krokování programů. Příjemné uživatelské rozhraní má také volně šířitelný překladač CodeBlocks, jehož základem je také překladač gcc, www.codeblocks.org (instalace je na fakultním disku H:\studenti\PRG1\CodeBlocks\).

Úloha 1.1

Napište program, který vypočítá obsah a obvod obdelníka. Vyzve uživatele k zadání dvou stan obdelníka a vypíše výsledky. Vyzkoušejte si práci s několika překladači instalovanými v učebně, zaměřte se na ladění programu - krokování, výpis proměnných (watches) a nastavování breakpointů.

Dev C++:	obsah.dev, obsah.c
CodeBlocks:	obsah.cbp, obsah.c