Cvičení 1

Témata

• Vyšší programovací jazyky
  • Kompilační a interpretované jazyky
• Úvod do programovacího jazyka C
  • Historie jazyka
  • Základní vlastnosti jazyka
  • Překlad zdrojového kódu v jazyce C
  • Základní direktivy preprocesoru
  • Komentáře

Vyšší programovací jazyky

Vyšší programovací jazyky jsou dvojího typu: imperativní (příkazové) a neimperativní.

Program zapsaný v imperativním jazyku (např. Cobol, Pascal, Ada, C/C++, Basic, Java, Javascript, php, Python) je založen na zápisu algoritmu posloupností příkazů (zahrnující také cykly a větvení), pro práci s daty se využívají proměnné. V neimperativním jazyku je program zpravidla tvořen množinou nějakých odvozovacích pravidel, např. logických formulí. Neimperativní jazyky se dělí na funkcionální a logické.

Mezi funkcionální jazyky patří např. Lisp (jehož varianta AutoLISP je součástí AutoCADu). Program ve funkcionálním jazyku je vlastně množina (ne posloupnost!) funkcí, většinou neexistují proměnné, místo nich se pracuje se seznamy dat.

V logickém jazyku je program zpravidla tvořen množinou nějakých odvozovacích pravidel, např. logických formulí. Logické jazyky se využívají zejména v umělé inteligenci, v expertních systémech. Typickým představitelem logického jazyka může být Prolog (logický jazyka vestavěný do databází a odvozený od Prologu je Datalog).
Ukážeme si zápis programu v Prologu jako množinu pravidel, který umí řešit problémy vztahů mezi členy rodiny.

Definujeme klauzule:

rodic(Jana,Petr) % Jana je rodič Petra
rodic(Petr,Eva)  % Petr je rodič Evy 
muz(Petr)        % definuji, že Petr je muž
zena(Jana)       % Jana je žena

Definujeme odvozovací pravidla:

syn(Y,X) :- rodic(X,Y), muz(Y). % čárka znamená logickou spojku „a“
dcera(Y,X) :- rodic(X,Y), zena(Y). 
prarodic(X,Z) :- rodic(X,Y), rodic(Y,Z).
potomek(Y,X) :- syn(Y,X);dcera(Y,X). % čárka znamená logickou spojku „nebo“

Pak můžeme klást dotazy:

?-rodic(A,Petr)
?-prarodic(Jana,Eva)

Systém odpoví na první dotaz A=Jana a na druhý yes.

V Prologu lze psát i výpočty, např. výpočet faktoriálu rekurzí.

Uvedený příklad ke stažení ve formě souboru: priklad.pl

Náplní tohoto předmětu je výuka „klasického“ jazyka C se zaměřením na speciality a detaily jazyka.

Syntaxe a sémantika

Příklad: Syntaxe jazyka C říká, že cyklus s podmínkou na začátku se zapisuje:

while (podmínka) příkaz;

Sémantika (význam) takto zapsaného cyklu je: příkaz se provádí opakovaně tak dlouho, zatímco je podmínka splněna.

Kompilační a interpretované jazyky

U interpretovaných jazyků není výsledkem procesu zpracování zdrojového kódu samostatně spustitelný soubor. Abychom program spustili, musíme mít program, který se nazývá interpret. Vstupem interpretu je také zdrojový kód. Rozdíl je, že interpret přečte jeden řádek zdrojového kódu, provede syntaktickou kontrolu a ihned zajistí jeho provedení (vykonání). Na chyby v zápise programu se tedy přijde až při běhu programu (běh programu se v tomto případě přeruší). Příkladem interpretovaných jazyků je Basic, Python, JavaScript, Visual Basic Script.

Každý z obou přístupů má své výhody a nevýhody. Výhoda kompilačního jazyka je, že se provede syntaktická kontrola celého textu, výsledný program je možné spustit samostatně bez nutnosti mít speciální programové prostředí. Běžící samostatný program je rychlejší než v případě interpretovaného jazyka. Nevýhodou je, že při jakékoliv změně programu (zdrojového kódu) je nutné provést znovu překlad. Pokud je potřebné mít program pro různé operační systémy, event. pro různé počítače, je nutné mít překladač pro každý systém.
Hlavní nevýhodou programů zapsaných pomocí interpretovaného jazyka je jejich pomalý běh. Pokud se změní zdrojový kód, není potřeba jej překládat, nový program se spustí pomocí interpretu. Pokud existují interprety pro různé operační systémy, pak je snadná distribuce nových verzí programů uživatelům.

Několik moderních programovacích jazyků spojuje oba principy. Zdrojový kód syntakticky kontroluje překladač a provádí překlad jako u kompilačních jazyků. Výsledkem není samostatně spustitelný soubor, ale speciální soubor obsahující jakýsi „mezijazyk“ (vnitřní formu, virtuální strojový kód). Tato vnitřní forma je pak interpretována interpretem (kterému se také říká virtuální počítač či virtuální stroj). Výhoda tohoto přístupu je zřejmá - interpretace vnitřní formy je rychlejší než v případě klasického intepretačního jazyka, protože je při překladu provedena kompletní syntaktická kontrola a vnitřní forma může být optimalizována. Intepretace je samozřejmě ale pomalejší než při běhu samostatného kódu. Výhodou přístupu je, že mezijazyk může být intepretován stejně na různých platformách, pokud je k dispozici příslušný interpret.
Typickým zástupcem této technologie je jazyk Java. Zdrojový kód (soubory s příponou .java) jsou přeloženy do souboru s příponou .class (což je zmíněná vnitřní forma, v Javě nazývaná bytecode). Bytecode je pak interpretován programem, který se nazývá JVM (Java Virtual Machine). JVM je součástí internetových prohlížečů a interpretuje tzv. applety vložené do webových stránek.
Firma Microsoft představila vývojový systém .NET (Dot Net), který implementuje tento princip. Zdrojové kódy mohou být v zapsány v jazyce Visual Basic NET, Visual C NET, C# (C Sharp) NET. Vnitřní formu nazývá firma Microsoft zkratkou MSIL (Microsoft Intermediate Language), interpret této vnitřní formy se nazývá CLR (Common Language RunTime).

Prezentaci věnovanou vyšším a nižším programovacím jazykům s ukázkami, která byla promítána v rámci předmětu Programování na cvičení 2, si můžete prohlédnout: Programovací jazyky.

Ukázku programu v interpretovaném jazyce Javascript, který je prováděn prohlížečem webových stránek, si můžete také stáhnout (je nutné uložit webovou stránku i soubor s kódem obsah.js a otevírat soubor vypocet_obsahu.html): vypocet_obsahu.html, obsah.js

Poznámka k překladu:
Každý programový balík překladače obsahuje soubory s programovými moduly nazývané knihovny (libraries). Jedná se nejčastěji o soubory s příponami .lib nebo .obj, resp. .o. Názorným příkladem knihovny je matematická knihovna. Procesory běžně nemají instrukci pro výpočet např. hodnoty funkce sin, logaritmu, odmocniny aj. Hodnoty se musí spočítat programově (např. součtem řady, přibližnými vzorci). Aby běžný programátor nemusel tyto výpočty zbytečně programovat sám, dodává výrobce překladače tyto funkce ve formě hotového strojového kódu právě v modulech zvaných knihovny.
A nyní konečně detailně k překladu. Překlad zpravidla probíhá dvoufázově. V první fázi, která se skutečně nazývá překlad a provádí ji překladač, se provede syntaktická kontrola. Výsledkem překladu není ještě samostatně spustitelný program, ale zatím jeho „polotovar“. Polotovar se nazývá object code a bývá uložen v souboru s příponou .obj, v operačních systémech Unixového typu typicky mají soubory příponu .o. Soubor s obj kódem obsahuje již části kódu s běžnými instrukcemi (např. sčítání). Pokud obsahuje zdrojový kód volání knihovních funkcí (např. sin), je v kódu pouze odkaz na volání funkce sin. Další fáze překladu je sestavení (neboli linkování) a provádí jej sestavovací program (linker). Vstupem sestavovacího program je object kód a potřebné knihovny. Sestavovací program vybere z knihoven kódy funkcí použitých v programu, připojí je k object kódu a teprve výsledkem sestavení je hotový spustitelný program.

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>

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

...

Programy budeme vyvíjet a ladit ve volně šířitelných prostředích Dev C++ nebo CodeBlocs (obě jsou založena na volně šířitelném překladači gcc). Prostředí Dev C++ je možné stáhnout z adresy http://www.bloodshed.net/devcpp.html (instalace je též na fakultním disku H:\STUDENTI\16114\14PRG\DevC), prostředí CodeBlocks lze stáhnout z http://www.codeblocks.org. V případě prostředí Codeblocks stahujte instalační soubor, který má v názvu mingw, jinak se Vám nainstataluje pouze prostředí bez překladače. Volně šířitelné prostředí DevC++ má méně komfortní možnosti krokování programů.

Výhody podmíněného překladu si ještě ukážeme v souvislosti s dvěma překladači použivanými při výuce. Představme si program, který pracuje s náhodnými čísly. Knihovna stdlib.h překladače CodeGear obsahuje definici procedury pro inicializaci generátoru náhodných čísel randomize() a makro random(num) vracející pseudonáhodné číslo z rozsahu 0 až n-1. Funkce randomize() využívá pro inicializaci generátoru funkci srand(), která má za parametr funkci time() vracející aktuální čas v počtu sekund od 1.1.1970. Funkce time() je z knihovny time.h. Makro random(n) je založeno na funkci srand(), která vrací náhodné číslo v rozsahu 0 až RAND_MAX (konstanta závislá na překladači). Překladač Dev C++ funkce randomize() a random() v knihovně definovány nemá. Programátor musí definovat funkci a makro sám. Pokud chce programátor mít kód přenositelný, tj. přeložitelný v obou překladačích s minimem úprav, využije s výhodou právě podmíněný překlad. Má-li programátor v kódu vlastní definici zmiňované procedury a makra (kód připravený pro Dev C++) a chce jej přeložit pod překladačem CodeGear, hlásí překladač chybu opakované definice (samozřejmě za předpokladu, že také vkládáme knihovnu stdlib.h). Jedna z cest je pro CodeGear vymazat definice nebo je zakomentovat. Elegantnější je uzavřít definice do podmíněného překladu a zakomentovat pouze definici symbolu např. DEVCPP:

#define DEVCPP

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#ifdef DEVCPP
#include <time.h>
#endif

#define MAX 10

#ifdef DEVCPP
#define random(num) (rand()%num)
void randomize(void) { srand((unsigned) time(NULL)); }
#endif

int main()
{
  ...
}

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

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.

Úloha 1.1

Doplňte pomocí podmíněného překladu program pro výpočet nejmenšího společného násobku nsn tak, aby bylo možné vytvořit dvě jazykové verze - anglickou a českou.

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

Návod: definujte symbolickou konstantu #define ENGLISH a pomocí podmíněného překladu vložte dvě verze tisku hlášení na obrazovku pomocí printf.

Vyzkoušejte pouze fázi preprocesingu pomocí přepínače -E, tj. spusťte z příkazové řádky překladač s parametrem -E: gcc nsn.c -E. Na obrazovce se vypíše zdrojový text po preprocesingu. Pro přesměrování výpisu do souboru spusťte překladač takto: gcc nsn.c -E > prelozeny.c. V souboru prelozeny.c bude uložen výstup.

Řešení:

Varianta 1:	Dev C++:	nsn1.dev, nsn1.c
	CodeBlocks:	nsn1.cbp, nsn1.c
Varianta 2:	Dev C++:	nsn2.dev, nsn2.c
	CodeBlocks:	nsn2.cbp, nsn2.c