Учебное пособие: Методические указания к выполнению контрольных работ по дисциплине "Основы программирования"

Методические указания к выполнению контрольных работ по дисциплине "Основы программирования"

Основы программирования"

В контрольной работе необходимо использовать основные алгоритмические конструкции для построения алгоритмов, составлять алгоритмы, подбирать тесты для проверки алгоритмов, проводить доказательство правильности для алгоритма.

Для выполнения контрольной работы необходимо использовать учебное пособие [1] и практикум [2] (см. список литературы).

Основные темы, которые входят в данную дисциплину:

1. Основные понятия алгоритмизации.

2. Особенности алгоритмов.

3. Форма записи алгоритмов. Блок-схема алгоритма.

4. Понятие алгоритма в терминах математической теории множеств.

5. Математические методы, используемые при анализе алгоритмов.

6. Методы доказательства корректности алгоритма.

Задания для контрольных работ

Студент должен выполнить самостоятельно задание. Номер задачи для каждого студента определяется числом i – номером варианта. Номер варианта – это номер студента в журнале. Если это число больше 15, то для оп­ределения номера задачи от числа iнужно вычесть 15 или 30.

Например, по выбору преподавателя необходимо выполнить задание 1-1 или задание 1-3.

В задании 1-1 необходимосоставить алгоритм решения задачи нахождения суммы nслагаемых числового ряда и алгоритм представить в виде блок-схемы.

В задании 1-3 необходимо найти формулу для нахождения n-го слагаемого представленного числового ряда. Доказать, что эта формула верна. Составить алгоритм нахождения суммы числового ряда с заданной точностью. Алгоритм представить в виде блок-схемы.

Список литературы

Основная:

1. Емельянов А.А., Власова Е.А., Денисов Д.В., Емельянова Н.З. Основы программирования для информатиков и инженеров: Часть 1 / Под ред. А.А. Емельянова. – М.: ММИЭИФП, 2004. – 208 с.

2. Емельянов А.А., Власова Е.А., Емельянова Н.З. Практикум по основам программирования для информатиков и инженеров / Под ред. А.А. Емельянова. – М.: ММИЭИФП, 2004. – 162 с.

3. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 360 с.

4. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ: в 3т. – М.: Мир, 1978.

Дополнительная:

5. Зелковиц М., Шоу А., Гэннон Дж. Принципы разработки программного обеспечения: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 386 с.

6. Лэнгсам И., Огенстайн М., Тененбаум А. Структуры данных для персо­нальных ЭВМ. – М.: Мир, 1989.

7. Сибуя М., Ямамото Т. Алгоритмы обработки данных. – М.: Мир, 1986.

8. Фокс Дж. Программное обеспечение и его разработка: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 368 с.

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

Цель дисциплины, её место в учебном процессе

Цель : изучение основ алгоритмизации и программирования с использованием современного языка программирования С++, изучение структур данных, модульного программирования, освоение работы с массивами, структурами, списками.

Задачи: составлять программы на алгоритмическом языке С++, знать принципы работы в среде программирования VisualC ++, работать с массивами, структурами, списками, осуществлять отладку программ в среде программирования VisualC ++.

Сфера профессионального использования

Язык «С++» (по-русски произносится как «си плюс плюс») в настоящее время является одним из самых популярных языков программирования. Это универсальный язык программирования, для которого характерны экономичность выражения, современный поток управления и структуры данных, богатый набор операторов.

Язык «C++» не является ни языком «очень высокого уровня», ни «большим» языком, и не предназначается для некоторой специальной области применения, а отсутствие ограничений и общность языка делают его более удобным и эффективным для многих задач, чем языки, предположительно более мощные.

По разнообразному количеству средств, предоставляемых программистам, его можно считать одним из самых эффективных языков, но, иногда, – и самых эффектных, и самых сложных.

Для изучения данной дисциплины студент должен знать:

· математика;

· информатика (школьный курс);

· основы программирования.

Содержание дисциплины

Тема 1 . Обзор языка С++

Структура программы на языке С++. Среда программирования Visual C++. Переменные и константы. Оператор цикла. Работа с массивами. Массивы символов. Функции.

Тема 2. Типы операции и выражения

Имена переменных. Типы и размеры данных. Константы. Описания Арифметические операции. Операции отношения и логические операции. Преобразование типов. Операции увеличения и уменьшения. Побитовые логические операции. Операции и выражения присваивания. Условные выражения. Старшинство и порядок вычисления.

Тема 3.Поток управления

Операторы и блоки. Конструкция if-else. Конструкция else-if. Переключатель switch. Циклы while и for. Цикл do-while. Оператор break. Оператор continue. Оператор goto и метки.

Тема 4.Функции и структура программ

Основные сведения. Функции, возвращающие нецелые значения. Аргументы функций. Внешние переменные. Правила, определяющие область действия. Статические переменные. Регистровые переменные. Рекурсия. Препроцессор языка «C». Заголовочные файлы.

Тема 5. Указатели и массивы

Указатели и адреса. Указатели и аргументы функций. Указатели и массивы. Адресная арифметика. Указатели символов и функции. Многомерные массивы. Массивы указателей; указатели указателей. Указатели и многомерные массивы. Командная строка аргументов. Указатели на функции.

Тема 6. Структуры

Основные сведения. Структуры и функции. Массивы структур. Указатели на структуры. Структуры, ссылающиеся на себя; двоичные деревья. Поиск в таблице. Битовые поля. Объединения.

Тема 7. Динамическое распределение памяти. Работа со списками

Динамическое выделение и освобождение памяти. Понятие списка; основные виды списковых образований. Создание и удаление списка. Программы позиционирования для работы со списками.

Тема8. Ввод, вывод и форматные преобразования данных

Стандартный ввод и вывод. Форматный ввод и вывод. Форматные преобразования в памяти. Доступ к файлам. Обработка ошибок. Ввод и вывод строк. Проверка вида символов и преобразования. Обращение к системе. Управление памятью.

Учебно-методическая и научная литература

3.1. Емельянов А.А., Власова Е.А., Денисов Д.В., Емельянова Н.З. Основы программирования для информатиков и инженеров: Часть 1 / Под ред. А.А. Емельянова. – М.: ММИЭИФП, 2004. – 208 с.

3.2. Березин Б.И., Березин С.Б. Начальный курс С и С++. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996. – 288 с.

3.3. Джехани Н. Программирование на языке Си. - М.: Радио и связь, 1988.3.4. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си.\ Пер. с англ., 3-е изд. испр. - СПб.: «Невский Диалект», 2001. – 352 с.

3.5. Крупник А. Изучаем С++. – СПб.:Питер, 2003. – 251 с.

3.6.Культин Н.Б. С/С++ в задачах и примерах. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 288 с.

3.7. Подбельский В.В. Язык Си++. - М.: Финансы и статистика, 1995.

3.8. Уэйт М., Прата С., Мартин Д. Язык.Си. Руководство для начинающих: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 512 с.

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

В первой части книги в систематической форме излагаются основы теории алгоритмизации и практики программирования на языке «С».

Даются рекомендации: как надо программировать, как разрабатывать программу, как ее писать, как отлаживать. Рассмотрены основы адресной арифметики, структуры данных, работа со списками. Практические примеры ориентированы на работу в среде Visual C++.

В следующих двух частях будут изложены объектно-ориентированное программирование на С++ и программирование Windows-приложений на С/С++.

Книга ориентирована на студентов вузов, обучающихся по специальностям «Прикладная информатика (по областям)» и «Информационные системы».

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ . 6

ВВЕДЕНИЕ 8

В.1. Том Сойер рисует на заборе . 8

В.2. Сид выполняет команды .. 9

В.3. Программисты .. 10

В.4. Язык С++ . 11

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И .. 12

ПРОГРАММИРОВАНИЯ .. 12

1.1. Основные понятия алгоритмизации . 12

1.2. Особенности алгоритмов. Программы .. 16

1.3. Математическая индукция . 23

1.4. Обобщенный алгоритм Евклида . 26

2. ПЕРВЫЕ ШАГИ «НАЧИНАЮЩИХ» . 33

2.1. Давайте начнем, пожалуй! 34

2.2. Переменные и арифметика . 37

2.3. Оператор for 42

2.4. Символические константы .. 43

2.5. Набор полезных программ . 44

2.6. Массивы .. 52

2.7. Функции . 55

2.8. Аргументы: вызов по значению .. 57

2.9. Массивы символов . 58

2.10. Область действия: внешние переменные . 61

2.11. Некоторые оптимистичные выводы .. 64

3. ТИПЫ, ОПЕРАЦИИ И ВЫРАЖЕНИЯ .. 66

3.1. Имена переменных . 66

3.2. Типы и размеры данных . 66

3.3. Константы .. 68

3.4. Описания . 70

3.5. Арифметические операции . 71

3.6. Операции отношения и логические операции . 72

3.7. Преобразование типов . 73

3.8. Операции увеличения и уменьшения . 77

3.9. Побитовые логические операции . 80

3.10. Операции и выражения присваивания . 82

3.11. Условные выражения . 83

3.12. Старшинство и порядок вычисления . 85

4. ПОТОК УПРАВЛЕНИЯ .. 88

4.1. Операторы и блоки . 88

4.2. Конструкция if-else . 88

4.3. Конструкция else-if 90

4.4. Переключатель switch . 92

4.5. Циклы while и for 94

4.6. Цикл do-while . 98

4.7. Оператор break . 99

4.8. Оператор continue . 100

4.9. Оператор goto и метки . 101

5. ФУНКЦИИ И СТРУКТУРА ПРОГРАММ .. 103

5.1. Основные сведения . 103

5.2. Функции, возвращающие нецелые значения . 107

5.3. Еще об аргументах функций . 110

5.4. Внешние переменные . 111

5.5. Правила, определяющие область действия . 116

5.6. Статические переменные . 120

5.8. Блочная структура . 122

5.9. Инициализация . 123

5.10. Рекурсия . 126

5.11. Препроцессор языка «C» . 128

5.12. Заголовочные файлы .. 130

6. УКАЗАТЕЛИ И МАССИВЫ .. 132

6.1. Указатели и адреса . 132

6.2. Указатели и аргументы функций . 134

6.3. Указатели и массивы .. 136

6.4. Адресная арифметика . 139

6.5. Указатели символов и функции . 143

6.6. Указатели – не целые . 146

6.7. Многомерные массивы .. 147

6.8. Массивы указателей; указатели указателей . 150

6.9. Инициализация массивов указателей . 154

6.10. Указатели и многомерные массивы .. 155

6.11. Командная строка аргументов . 156

6.12. Указатели на функции . 160

7. СТРУКТУРЫ .. 164

7.1. Основные сведения . 164

7.2. Структуры и функции . 166

7.3. Массивы структур . 169

7.4. Указатели на структуры .. 174

7.5. Структуры, ссылающиеся на себя; двоичные деревья . 176

7.6. Поиск в таблице . 181

7.7. Битовые поля . 184

7.8. Объединения . 186

7.9. Определение «нового» типа данных . 188

8. ДИНАМИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАМЯТИ. 190

РАБОТА СО СПИСКАМИ .. 190

8.1. Динамическое выделение и освобождение памяти . 190

8.2. Понятие списка; основные виды списковых образований . 191

8.3. Создание и удаление списка . 194

8.4. Программы позиционирования для работы со списками . 197

9. ВВОД, ВЫВОД И ФОРМАТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ .. 200

ДАННЫХ .. 200

9.1. Обращение к стандартной библиотеке . 200

9.3. Форматный вывод: функция printf 203

9.4. Форматный ввод: функция scanf 205

9.5. Форматные преобразования в памяти . 208

9.6. Доступ к файлам . 209

9.7. Обработка ошибок: stderr и exit 212

9.8. Ввод и вывод строк . 213

9.9. Несколько разнообразных функций . 215

ЛИТЕРАТУРА .. 217

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современный специалист по прикладной информатике или инженер по информационным системам должен уметь программировать. Ему не обязательно быть профессиональным системным программистом или «хакером». Дело в том, что и при разработке, и при эксплуатации сложных компьютерных систем требуется адаптировать соответствующее программное обеспечение. При этом нужно написать или изменить какую-то программу, создать новый программный интерфейс для работы с профессионально-ориентированной компьютерной системой, перепрограммировать систему контроля данных, написать новую программу загрузки базы данных и др.

Практика показывает, что в последнее время большинство таких работ проводится с применением языка «С++» (по-русски произносится как «си плюс плюс»), который в настоящее время является одним из самых популярных языков программирования. Это универсальный язык, для которого характерны экономичность выражения, современный поток управления и структуры данных, богатый набор операторов. Язык «C++» не является ни языком «очень высокого уровня», ни «большим» языком, и не предназначается для некоторой специальной области применения, но отсутствие ограничений и общность языка делают его более удобным и эффективным для многих задач, чем языки, предположительно более мощные. По разнообразному количеству средств, предоставляемых программистам, его можно считать одним из самых эффективных языков, но, иногда, – и самых эффектных, и самых сложных. Все перечисленные обстоятельства объясняют, почему нами этот язык выбран в качестве базового.

В язык «C++» в качестве основного, базового средства включен более старый язык «C» (по-русски произносится как «си», поэтому некоторые авторы пишут его название как «Си»), который первоначально предназначался для написания операционной системы U nix ; он был разработан и реализован Деннисом Ричи. Операционные системы U nix и Windows , компиляторы с языка «C++» и большинство прикладных программных систем сейчас создаются на языке «C++». Этот язык, однако, не связан с какими-либо определенными аппаратными средствами или системами, и на нем легко писать программы, которые можно пропускать без изменений на любом компьютере или ЭВМ, имеющей C-компилятор.

Целью первого учебного курса «Основы алгоритмизации и программирования» является обучение основам программирования. В это время студент, не будучи асом алгоритмизации, не сможет по достоинству оценить возможности объектно-ориентированного программирования, предоставляемые «C++». Поэтому сначала обучение ведется на классическом языке «С» (он входит в состав любой версии «С++) с минимальным привлечением дополнительных средств, имеющихся в «C++».

В результате второго учебного курса студенты, получившие изрядный опыт по описанию алгоритмов средствами традиционного языка «C», совершенствуют свое мастерство, и средствами объектно-ориентированного программирования языка «C++» делают программы более эффективными и компактными.

Третий учебный курс «Программирование приложений для Windows » предназначен для развития навыков реализации реальных проектов, создания Windows-приложений (Windows applications). При этом используются все ранее изученные средства. В соответствии с этими тремя курсами учебно-методическое обеспечение также разделено на 3 части.

Мы не претендуем на оригинальность изложения теоретического материала по программированию. При создании данного учебного пособия нами использовались хрестоматийным образом данные из книг, пособий и справочников известных авторов: М.И. Болски, Б. Кернигана, Д. Кнута, Д. Дж. Круглински, А.Б. Крупника, Д. Ритчи, Г. Шилдта.

В качестве основного методического приема используется прагматический подход, изложенный в знаменитой книге Б. Кернигана и Д. Ритчи «Язык программирования Си», – это обучение на «живых» примерах.

Однако имеется и оригинальный материал. Например, глава 8 «Динамическое распределение памяти. Работа со списками» (в первой части книги), а также весь практикум по программированию.

Учебное пособие предназначено для студентов младших курсов компьютерных специальностей.

Редактор, п рофессор А.А. Емельянов

ВВЕДЕНИЕ ^*

В.1. Том Сойер рисует на заборе

«Том появился на тротуаре с ведром извёстки и длинной кистью в руках. Он оглядел забор, и всякая радость отлетела от него, а дух погрузился в глубочайшую тоску. Тридцать ярдов дощатого забора в девять футов вышиной! Жизнь показалась ему пустой, а существование – тяжким бременем».

Марк Твен, «Приключения Тома Сойера »

Память компьютера похожа на длинный-предлинный забор, правда, покрашенный совсем не так, как хотелось бы тетушке Полли. Представим себе, что Том со своими дружками покрыли известкой не все доски забора, а, скажем, только первую, вторую, четвертую, седьмую... и т. д.:

1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0

Поступая так, Том Сойер и его команда, конечно же, не подозревали, что полосатый забор можно рассматривать как двоичный код, в котором единице соответствует светлая, а нулю – темная, непокрашенная доска. Каждая доска может быть только в двух состояниях, следовательно, она способна нести один бит информации. Число различных состояний двух идущих подряд досок уже равно четырем, поскольку каждому из двух состояний первой доски соответствуют два состояния второй. Легко понять, что восемь идущих подряд досок можно выкрасить

2 ´ 2 ´ 2 ´ 2 ´ 2 ´ 2 ´ 2 ´ 2 = 2⁸ = 256 способами.

Иными словами, в восьми битах можно уместить 256 разных чисел (от 0 до 255, например), а этого вполне достаточно, чтобы закодировать любую букву. Поскольку «забор» в нашем примере состоит из 24 досок (цифр), он пригоден для того, чтобы закодировать сразу три буквы.

Какие же буквы показаны на заборе? Ответ на этот вопрос зависит от договоренности: какому числу соответствует та или иная буква. Первое число (11010010) на заборе равно (в привычном нам десятичном представлении) 210, второе (11001110) – это 206, третье (11001100) равно 204. И вся эта тройка соответствует в операционной системе Windows , скорее всего установленной у вас на компьютере, слову «ТОМ».

В.2. Сид выполняет команды

Цифра 8 возникла в нашем шуточном примере не случайно. Ведь восемь битов (досок в заборе тетушки Полли) составляют байт – ячейку памяти минимального размера, к которой имеет доступ компьютер. Можно сказать, что память компьютера состоит из последовательности идущих друг за другом ячеек – байтов. В этих ячейках хранятся нули и единицы, которые могут быть чем угодно: буквами, цифрами или выполняемыми компьютером командами.

Представим себе, что компьютерная программа написана на заборе, а роль процессора играет образцовый брат Тома – Сид. Том сидит на бочке и жует яблоко, а Сид отправляется к тому месту забора, где записана первая команда. Стоит еще раз подчеркнуть: в памяти компьютера, как и на заборе, хранятся последовательности нулей и единиц. Поэтому нужно заранее знать, с какой ячейки (байта) ⁵ начинается программа, чтобы не перепутать команды процессора и данные.

Итак, предположим, что команда начинается с 31-го байта, то есть с 241-й доски забора. Подойдя к ней, Сид ищет число, там записанное, в специальной справочной таблице, которую вынужден носить с собой. Из этой таблицы он узнает, что делать дальше. Может, например, оказаться, что прочитанный Сидом байт – лишь часть команды процессора, и чтобы выполнить ее, необходимо знать содержимое нескольких следующих ячеек.

Команды, выполняемые Сидом, весьма разнообразны. Простейшая команда просто велит ему перейти к другой ячейке. Если ее номер равен 20, Сиду нужно будет сделать несколько шагов к началу забора, а если это байт – ему придется мчаться к самому его концу. Команда перехода может быть условной, например, Сид перейдет к ячейке 20 лишь в том случае, если число, хранящееся в пятнадцатом байте, больше нуля.

Представим себе, что перед выполнением программы в пятнадцатой ячейке хранится число 10. Раз оно больше нуля, Сид перейдет к двадцатому байту, выполнит команды, записанные в ячейках с номерами 21¸30, и, если содержимое 15-й ячейки не изменилось, 31-й байт вновь отошлет его назад, и так он будет крутиться, пока хватит сил. Если же команды, хранящиеся в байтах 21¸30, после многих пробежек Сида запишут нуль в ячейку 15, тот вместо двадцатого байта перейдет к следующей команде, начало которой хранится в ячейке 32. Иными словами, Сид будет выполнять команды последовательно, одну за другой, пока ему не прикажут перейти к иной ячейке, и после очередной пробежки вдоль забора он снова начнет выполнять команды последовательно. И так будет продолжаться до тех пор, пока он не наткнется на команду «Стоп».

Впрочем, еще раньше он может встретить число, которого нет в его таблице, или же предписание перейти к доске забора, в то время как в нем их всего . И тогда Сид застынет в недоумении или побежит жаловаться Тому. А когда такое случается с настоящим компьютером, на экране возникает сообщение: «Программа выполнила недопустимую операцию и будет закрыта».

В.3. Программисты

Комбинация Тома, Сида и забора, с которой мы только что познакомились, мало похожа на реальный компьютер, хотя в ней, как ни странно, есть все его главные компоненты: память (забор), процессор, выполняющий записанные в памяти команды и пользующийся хранящимися там же данными (Сид), и операционная система, показывающая процессору начало программы (Том).

Первые два компонента (процессор и память) представляют собой мертвый набор микросхем, третья же (операционная система) оживляет эту груду железа, делает возможным запуск программ, взаимодействие со вспомогательными устройствами памяти (жесткими дисками) и многое другое. Собственно, операционная система, – это тоже программа, только самая главная, управляющая другими, прикладными программами, такими как MS Word или Excel .

Итак, для работы компьютера необходимы программы, создаваемые людьми, но процессор компьютера, как мы знаем, понимает только двоичные коды. И первые (сейчас уже легендарные) программисты вынуждены были выписывать на бланках длинные последовательности нулей и единиц.

Эта работа была крайне напряженной – не только потому, что люди плохо воспринимают двоичные коды, но и потому, что записанные таким образом программы очень трудно менять. Ведь включение какой-то команды «растягивает программу», команды наползают на данные, а перенос данных в другое место памяти меняет номера ячеек, к которым обращается программа! Все это делает программирование в двоичных кодах крайне ненадежным, изнурительным и опасным.

Вот почему очень скоро программисты занялись облегчением собственного труда. И поскольку были они программистами, то и придумали для собственной пользы специальные программы – ассемблеры, которые могли перевести команды процессора, записанные «человеческим» языком – с помощью букв и десятичных чисел, – в двоичные коды, понимаемые процессором.

Ассемблеры были гигантским шагом вперед, но и они требовали от первых программистов мыслить на языке машины, а не человека. Программирование на ассемблере требовало знания многочисленных команд процессора, причем программа, написанная для одного процессора, не могла быть выполнена другим процессором с иной системой команд.

Поэтому вслед за ассемблерами были изобретены компиляторы – программы, которые воспринимали язык программирования, понятный человеку и не зависящий от конкретного процессора. Чтобы такое стало возможным, нужно было один раз «помучиться» и написать (на языке ассемблера) компилятор для данного процессора, а затем уже пользоваться языком, понятным и человеку, и компилятору, или, как говорят, языком высокого уровня. К числу таких языков относятся Pascal, Fortran, С и, конечно же, C++.

Создавая ассемблеры и компиляторы, программисты в миллионы раз расширили свои возможности. Число команд, записанных двоичными кодами, едва ли может превысить несколько тысяч. А на языках высокого уровня уже написаны и работают гигантские программы, в которых десятки, сотни миллионов строк.

В.4. Язык С++

Особенно пригоден для разработки очень больших программ язык высокого уровня C++. В нём есть возможность создавать объекты – аналоги тех многочисленных вещей, которые нас окружают. И телевизор, и стиральная машина, и компьютер, и тостер имеют внутреннее устройство, нам недоступное, а также интерфейс, то есть кнопки, ручки и т.д., с помощью которых этими объектами можно управлять. Нажимая кнопку на пульте управления, мы не задумываемся о том, как устроен телевизор, нам достаточно знать, что эта кнопка переключит телевизор на ОРТ, а вот эта увеличит громкость.

Как и домашние вещи, объекты языка C++ имеют внутреннее устройство, скрытое от непосвященных, и интерфейс – так называемые собственные функции, или методы, с помощью которых такими объектами можно управлять. Собственные функции похожи на кнопки пульта управления телевизора. Пользуясь собственными функциями, мы не думаем о внутреннем устройстве объекта. Сам объект может быть гораздо сложнее телевизора, и, возможно, его разрабатывали десятки высококвалифицированных программистов, однако собственные функции этого объекта очень просты, и, чтобы научиться ими пользоваться, достаточно пары часов.

Разработка программы на языке C++ обычно начинается с тщательного анализа задачи, выделения в ней объектов и разработки соответствующих интерфейсов. Далее каждый объект можно создавать независимо от других. Остальные программисты, занятые использованием самих объектов, вовсе не обязаны ждать, пока их создадут. Им достаточно знать только интерфейс этих пока не существующих объектов и спокойно писать свою часть программы. Это значит, что C++ позволяет разбить сложную задачу на множество мелких и наладить промышленное, почти конвейерное, производство больших программ.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И

ПРОГРАММИРОВАНИЯ

1.1. Основные понятия алгоритмизации

«Многие не сведущие в математике люди думают, что поскольку назначение аналитической машины Бэббиджа – выдавать результаты в численном виде, то природа происходящих в ней процессов должна быть арифметической и численной, а не алгебраической и аналитической.

Но они ошибаются. Машина может упорядочивать и комбинировать числовые значения так же, как и буквы или любые другие символы общего характера.

В сущности, при выполнении соответствующих условий она могла бы выдавать результаты и в алгебраическом виде».

Августа Ада, графиня Лавлейс (1844 )

Основоположницей программирования считают Августу Аду – дочь великого английского поэта Дж. Г. Байрона. В 19 веке в Англии впервые появилось настоящее арифметическое устройство – аналитическая машина Бэббиджа: с регистрами, сумматором и другими атрибутами, присущими процессору современного компьютера. Программы для такого устройства расписывались на бумаге. Каждая операция совершалась поворотом особой ручки или нажатием рычага такой машины. Большинство идей и принципов программирования для аналитической машины Бэббиджа было рассмотрено в книге Августы Ады^* «Комментарии». Позднее появился особый вид деятельности – программирование, а в последствии возникла профессия программиста.

Понятие «алгоритм» является основным для всей области компьютерного программирования, поэтому начать мы должны с тщательного анализа этого термина. Слово «алгоритм» (англ. algorithm ) уже само по себе представляет большой интерес.

Историки-математики обнаружили истинное происхождение этого слова: оно берет начало от имени автора знаменитого персидского учебника по математике, Абу Абд Аллах Мухаммед ибн Муса аль-Хорезми (ок. 825 г.). Аль-Хорезми написал знаменитую книгу «Книга о восстановлении и противопоставлении» (перс. Китаб аль-джебр валь-мукабала ). От названия этой книги, которая была посвящена решению линейных и квадратных уравнений, произошло еще одно слово – «алгебра».

В старинном немецком математическом словаре Vollstandiges mathematisches Lexicon (Лейпциг, 1747) дается следующее толкосание латинского слова algorithmus : «Этот термин включает в себя понятие о четырех типах арифметических операций, а именно: о сложении, умножении, вычитании и делении». Латинское выражение algorithmus infinitesimalis в то время использовалось для определения способов выполнения действий с бесконечно малыми величинами, открытых великим математиком Лейбницем.

Пример 1-1 . Алгоритм Евклида.

Приблизительно через 100 лет после появления аналитической машины Бэббиджа была создана первая электронная вычислительная машина – специально для выполнения атомного проекта в Лос-Аламосе (США). В это время (конец 40-х – начало 50-х годов 19 века) слово «алгоритм» чаще всего ассоциировалось с алгоритмом Евклида, который представляет собой процесс нахождения наибольшего общего делителя двух чисел. Этот алгоритм далее будем называть «алгоритмом Е».

Сущность алгоритма Е : даны два целых положительных числа т и п. Требуется найти их наибольший общий делитель, т.е. наибольшее целое положительное число, которое нацело делит оба числа т и п . Алгоритм состоит из трех элементарных типовых действий: Е1, Е2 и Е3 (рис. 1.1).

Действие Е1. Нахождение остатка.

Разделим m на п , и пусть остаток от деления будет равен r , где .

Действие Е2. Сравнение с нулем.

Если r = 0, то выполнение алгоритма прекращается; п – это искомое значение.

Действие Е3. Замещение.

Присвоить m ¬ n , n ¬ r и вернуться к шагу E1. ô

Разумеется, у Евклида этот алгоритм сформулирован не совсем так. Приведенная выше формулировка иллюстрирует стиль, в котором алгоритмы будут представлены на протяжении всей этой книги.

Каждому рассматриваемому алгоритму присваивается идентифицирующая буква (в предыдущем примере использовалась буква Е), а шагам алгоритма – эта же буква в сочетании с числом (El, Е2, ЕЗ).

Каждый шаг любого алгоритма, например Е1 в вышеприведенном алгоритме, начинается фразой, которая как можно более кратко выражает содержание данного шага. Обычно эта фраза отражается также в сопровождающей алгоритм блок-схеме, такой как на рис. 1.1, чтобы читатель мог легко представить себе описанный алгоритм.

За краткой фразой следует формулировка (выраженная с помощью слов и символов) действия, которое нужно выполнить, или решения, которое нужно принять. Могут присутствовать также заключенные в круглые скобки комментарии . Комментарии играют роль пояснений к шагу; с их помощью часто указываются некоторые постоянные характеристики переменных или текущие цели данного этапа. В комментариях не определяются действия, которые являются составной частью алгоритма; они служат только для удобства читателя, чтобы по возможности помочь ему разобраться в алгоритме.

Стрелка «¬», используемая на шаге ЕЗ, обозначает важнейшую операцию замещения, которую иногда называют присвоением или подстановкой: запись m ¬ n указывает, что значение переменной т замещается текущим значением переменной п . В начале работы алгоритма Е, т и п – это заданные первоначальные значения, но по окончании его работы эти переменные будут иметь, вообще говоря, совершенно другие значения.

Стрелка используется для того, чтобы отличать операцию замещения от отношения равенства. Мы не будем говорить: «Установим т = п », а, вероятно, спросим: «Действительно ли т = п ?». Знак «=» обозначает условие, которое можно проверить, а знак «¬» – действие, которое можно выполнить. Операция увеличение п на единицу обозначается через п ¬ п +1 и читается так: «п замещается значением п +1» или «п принимает значение п +1». Вообще говоря, запись «переменная ¬ формула» означает, что формула будет вычислена на основании текущих значений всех входящих в нее переменных, а полученный результат будет присвоен переменной, стоящей слева от стрелки (таким образом, вычисленный по формуле результат заменит собой предыдущее значение переменной слева). Лица, не имеющие достаточного опыта программирования, иногда говорят, что «п переходит в п+ 1» и для обозначения операции увеличения п на единицу используют запись п ® п+ 1. Такая система обозначений и формулировок противоречит стандартным соглашениям и может привести только к путанице, поэтому ее следует избегать.

Обратите внимание, что на шаге ЕЗ очень важен порядок действий. Действительно, две записи:

1) «присвоить m ¬ n , n ¬ r »

и

2) «присвоить n ¬ r , m ¬ n »

– это совсем не одно и то же.

Из второй записи следует, что предыдущее значение n будет потеряно до того, как его смогут присвоить т. На самом деле эквивалентом второй записи будет «присвоить n ¬ r , т ¬ r ». Когда нескольким переменным присваивается одно и то же значение, в одном выражении можно использовать несколько стрелок. Так, например, операцию « n ¬ r , т ¬ r » можно записать как « n ¬ т ¬r ».

Операцию взаимного обмена значениями двух переменных можно записать так: «Обмен т « n ». Ее можно записать и с помощью новой переменной t следующим образом: "Присвоить t ¬ т , т ¬ п , п ¬ t .

Выполнение алгоритма начинается с шага, имеющего наименьший номер (обычно это шаг 1). Затем последовательно выполняются следующие шаги, если нет каких-либо указаний, нарушающих естественный порядок выполнения. На шаге ЕЗ указание «Вернуться к шагу Е1» явным образом определяет порядок вычислений. На шаге Е2 действию предшествует условие «Если r = 0» и если r # 0, то оставшаяся часть предложения не применяется и нет указаний на выполнение в этом случае каких-либо действий. Конечно, мы могли бы добавить дополнительное предложение «Если r # 0, то перейти к шагу ЕЗ», но это совершенно излишне.

Жирная вертикальная черточка «ô », помещенная в конце шага ЕЗ, обозначает окончание алгоритма и продолжение текста.

Итак, мы обсудили практически все соглашения об обозначениях, которые используются в алгоритмах, приведенных в книге. Осталось выяснить только, как обозначать величины с индексами (или «подстрочными» индексами), которые являются элементами упорядоченного массива. Предположим, у нас есть п величин: v ₁ , v ₂ , …, v_n . Для обозначения j -го элемента вместо записи v_j часто используется запись v [j ]. Аналогично массив иногда предпочитают обозначать как а [i , j ], вместо того чтобы использовать два подстрочных индекса, как в записи a_ij . Иногда для обозначения переменных используются имена, состоящие из нескольких букв, обычно прописных. Например, TEMP может быть именем переменной, использующейся для временного хранения вычисленного значения, a PRIME [К] может обозначать k -е простое число, и т.д.

До сих пор мы говорили о форме записи алгоритмов, а теперь давайте попробуем выполнить один из них. Хочу сразу заметить, что читателю не следует рассчитывать на то, что алгоритмы можно читать, как роман. Такое чтение приведет к тому, что вам будет трудно понять, что же на самом деле происходит при выполнении алгоритма. Чтобы проверить алгоритм, в нем нужно разобраться, и лучший способ понять, как он работает, – испытать его. Поэтому нужно взять карандаш и бумагу и прорабатывать от начала до конца каждый алгоритм сразу же, как только он встретится в тексте. Обычно к примеру алгоритма прилагается схема, в противном случае читатель легко сможет представить ее. Это самый простой и доступный способ разобраться в алгоритме, в то время как все остальные подходы оказываются неэффективными.

Итак, давайте в качестве примера разберем алгоритм Е. Предположим, что m = 119 и n = 544.

Начнем с шага Е1. Деление m на n в этом случае выполняется просто, даже очень просто, так как частное равно нулю, а остаток – это 119. Таким образом, r ¬ 119. Переходим к шагу Е2. Поскольку r # 0, на этом шаге никакие действия не выполняются.

На шаге ЕЗ присваиваем т ¬ 544, п ¬ 119. Очевидно, что если первоначально m < п , то частное на шаге Е1 всегда оказывается равным нулю и в ходе выполнения алгоритма всегда происходит взаимный обмен значений переменных тип, хотя и таким громоздким способом. Поэтому можно добавить дополнительный шаг:

Действие Е0. Гарантировать, что m > п .

Если m < п , то выполнить взаимный обмен т « n .

В результате алгоритм изменится незначительно (разве что увеличится на один шаг), но зато время его выполнения сократится примерно в половине случаев.

Вернемся к шагу Е1. Находим, что

.

Поэтому r ¬ 68. В результате на шаге Е2 снова не выполняются никакие действия, а на шаге ЕЗ присваиваем т ¬ 119, п ¬ 68.

В следующих циклах сначала получаем r ¬ 51 и т ¬ 68, п ¬ 51, а затем: r ¬ 17 и т ¬ 51, п ¬ 17.

Наконец, в результате деления 51 на 17 получаем: r ¬ 0. Таким образом, на шаге Е2 выполнение алгоритма прекращается. Наибольший общий делитель 119 и 544 равен 17.

Вот что такое алгоритм.

1.2. Особенности алгоритмов. Программы

Современное значение слова «алгоритм» во многом аналогично таким понятиям, как рецепт, процесс, метод, способ, процедура, программа . Но все-таки, слово «algorithm» имеет дополнительный смысловой оттенок. Алгоритм – это не просто набор конечного числа правил, задающих последовательность выполнения операций для решения задачи определенного типа. Помимо этого, он имеет пять важных особенностей.

1. Конечность. Алгоритм всегда должен заканчиваться после выполнения конечного числа шагов. Алгоритм Е удовлетворяет этому условию, потому что после шага Е1 значение r меньше, чем п. Поэтому если r # 0, то в следующем цикле на шаге Е1 значение п уменьшается. Убывающая последовательность положительных целых чисел имеет конечное число членов, поэтому шаг Е1 может выполняться только конечное число раз для любого первоначально заданного значения п. Но нужно иметь в виду, что количество шагов может быть сколь угодно большим; выбор слишком больших значений тип приведет к тому, что шаг Е1 будет выполняться более миллиона раз.

Процедура, обладающая всеми характеристиками алгоритма, за исключением, возможно, конечности, называется методом вычислений. Евклид предложил не только алгоритм нахождения наибольшего общего делителя, но и аналогичное ему геометрическое построение «наибольшей общей меры» длин двух отрезков прямой; это уже метод вычислений, выполнение которого не заканчивается, если заданные длины оказываются несоизмеримыми.

2. Определенность. Каждый шаг алгоритма должен быть точно определен. Действия, которые нужно выполнить, должны быть строго и недвусмысленно определены для каждого возможного случая. Чтобы преодолеть это затруднение, для описания алгоритмов были разработаны формально определенные языки программирования, или машинные языки, в которых каждый оператор имеет строго определенное значение.

Определение : метод вычислений, выраженный на языке программирования, называется программой.

Рассмотрим в качестве примера алгоритм Е. Применительно к шагу Е1 критерий определенности означает, что читатель обязан точно понимать, что значит разделить т на п и что такое остаток. Но в действительности нет никакого общепринятого соглашения по поводу того, что это означает, если m и п не являются целыми положительными числами. Каким будет остаток от деления -8 на -p ? Что понимать под остатком от деления 59/13 на нуль? Поэтому в данном случае критерий определенности означает следующее: мы должны быть уверены, что в каждом случае выполнения шага Е1 значениями т и п всегда будут целые положительные числа. Если сначала по предположению это верно, то после шага Е1 r – это целое неотрицательное число; при условии перехода к шагу ЕЗ оно является также ненулевым. Таким образом, поставленное требование выполнено и т и п – это действительно целые положительные числа.

3. Ввод . Алгоритм имеет некоторое (возможно, равное нулю) число входных данных, т.е. величин, которые задаются до начала его работы или определяются динамически во время его работы. Эти входные данные берутся из определенного набора объектов. Например, в алгоритме Е есть два входных значения, а именно m и п , которые принадлежат множеству целых положительных чисел.

4. Вывод. У алгоритма есть одно или несколько выходных данных, т.е. величин, имеющих вполне определенную связь с входными данными. У алгоритма Е имеется только одно выходное значение, а именно п , получаемое на шаге Е2. Это наибольший общий делитель двух входных значений.

Можно легко доказать, что это число действительно является наибольшим общим делителем. После шага Е1 имеем:

,

где q – некоторое целое число.

Если r = 0, то т кратно п и, очевидно, в этом случае n – наибольший общий делитель для m и п.

Если r # 0, то любой делитель обоих чисел m и п должен быть также делителем для

,

а любой делитель для п и r – также делителем для:

.

Таким образом, множество делителей чисел {т , п } совпадает с множеством делителей чисел {п , r }. Следовательно, пары чисел {т , п } и {п , r } имеют один и тот же наибольший общий делитель. Таким образом, шаг ЕЗ не изменяет ответа исходной задачи.

5. Эффективность. Алгоритм обычно считается эффективным, если все его операторы достаточно просты для того, чтобы их можно было точно выполнить в течение конечного промежутка времени с помощью карандаша и бумаги. В алгоритме Е используются только следующие операции: деление одного целого положительного числа на другое, сравнение с нулем и присвоение одной переменной значения другой. Эти операции являются эффективными, так как целые числа можно представить на бумаге с помощью конечного числа знаков и так как существует по меньшей мере один способ деления одного целого числа на другое – «алгоритм деления». Но те же самые операции были бы неэффективными, если бы они выполнялись над действительными числами, представляющими собой бесконечные десятичные дроби, либо над величинами, выражающими длины физических отрезков прямой, которые нельзя измерить абсолютно точно. Приведем еще один пример неэффективного шага: «Если 4 – это наибольшее целое n , при котором существует решение уравнения wⁿ + xⁿ + yⁿ = zⁿ для целых положительных чисел w , x , y и z , то перейти к шагу Е4». Подобная операция не может считаться эффективной до тех пор, пока кто-либо не разработает алгоритм, позволяющий определить, действительно ли 4 является наибольшим целым числом с требуемым свойством.

Попробуем сравнить понятие «алгоритм» с рецептом из кулинарной книги. Предполагается, что рецепт обладает свойством конечности (хотя и говорят, что «кто над чайником стоит, у того он не кипит»), имеет

· входные данные (такие, например, как яйца, мука и т.д.),

· выходные данные (обед «на скорую руку» и т.п.),

· но хорошо известно, что ему не хватает определенности.

Инструкции из кулинарных рецептов очень часто бывают неопределенными, например: «Добавьте щепотку соли». «Щепотка» определяется как количество, «меньшее 1/8 чайной ложки», и что такое соль, вероятно, тоже известно всем. Но куда именно нужно добавить соль – сверху? сбоку? Инструкции «Слегка потрясите, пока смесь не станет рассыпчатой» и «Подогрейте коньяк в маленькой кастрюльке» будут вполне понятны опытному повару, но они не годятся для алгоритма. Алгоритм должен быть определен настолько четко, чтобы его указаниям мог следовать даже компьютер. Тем не менее, программист может многому научиться, прочитав хорошую поваренную книгу.

Следует отметить, что для практических целей ограничение, состоящее в конечности алгоритма, в сущности, является недостаточно жестким. Используемый на практике алгоритм должен иметь не просто конечное, а достаточно ограниченное, разумное число шагов.

Например, алгоритм определения того, может ли игра в шахматы всегда быть выиграна белыми при условии, что не было сделано ни одной ошибки. Этот алгоритм позволил бы решить проблему, представляющую огромный интерес для тысяч людей, но можно биться об заклад, что окончательный ответ на данный вопрос мы не узнаем никогда. Все дело в том, что для выполнения указанного алгоритма требуется невероятно большой промежуток времени, хотя сам алгоритм и является конечным.

На практике нам нужны не просто алгоритмы, а хорошие алгоритмы в широком смысле этого слова. Одним из критериев качества алгоритма является время, необходимое для его выполнения; данную характеристику можно оценить по тому, сколько раз выполняется каждый шаг. Другими критериями являются адаптируемость алгоритма к различным компьютерам (или переносимость, мобильность программ, как на языке С++), его простота, изящество и т.д.

Часто решить одну и ту же проблему можно с помощью нескольких алгоритмов и нужно выбрать наилучший из них. Таким образом, мы попадаем в чрезвычайно интересную и крайне важную область анализа алгоритмов. Предмет этой области состоит в том, чтобы для заданного алгоритма определить рабочие характеристики.

В качестве примера давайте исследуем с этой точки зрения алгоритм Евклида. Предположим, нам нужно решить следующую задачу: «Пусть задано значение n , а т может быть любым целым положительным числом. Тогда чему равно среднее число Т_п выполнений шага Е1 алгоритма Е?».

Прежде всего необходимо убедиться в том, что задача имеет смысл, поскольку нам предстоит найти среднее при бесконечно большом количестве значений т. Но совершенно очевидно, что после первого выполнения шага Е1 значение будет иметь только остаток от деления т на п. Поэтому все, что мы должны сделать для нахождения значения Т_п , – это испытать алгоритм для m = 1, m = 2, .. ., m = п , подсчитать суммарное число выполнений шага Е1 и разделить его на п.

А теперь рассмотрим еще один важный вопрос, касающийся поведения Т_п как функции от п : можно ли ее аппроксимировать, например, функцией

или ?

На самом деле это чрезвычайно сложная и интересная математическая проблема, которая еще не решена окончательно. Можно доказать, что при больших значениях п Т_п ведет себя, как функция

,

т.е. она пропорциональна натуральному логарифму п. Заметим, что коэффициент пропорциональности k нельзя просто взять и угадать; чтобы определить его, нужно затратить определенные усилия.

Для обозначения области подобных исследований используется термин анализ алгоритмов. Основная идея заключается в том, чтобы взять конкретный алгоритм и определить его количественные характеристики. Время от времени мы будем также выяснять, является ли алгоритм оптимальным в некотором смысле. Теория алгоритмов – это совершенно другая область, в которой, в первую очередь, рассматриваются вопросы существования или не существования эффективных алгоритмов вычисления определенных величин.

До сих пор наше обсуждение алгоритмов носило достаточно общий характер, и, вероятно, «математически настроенный» читатель утвердился в мысли, что все предыдущие комментарии представляют собой очень шаткий фундамент для построения какой-либо теории алгоритмов. Поэтому давайте подведем итог данного раздела, кратко описав метод, с помощью которого понятие алгоритма можно строго обосновать в терминах математической теории множеств.

Формально определим метод вычислений как четверку ( Q , I , W, f ), где Q – это множество, содержащее подмножества I и W, а f – функция, переводящая множество Q в себя. Кроме того, f оставляет неподвижными точки множества W, т.е. f (q ) равно q для всех элементов q из множества W. Эти четыре элемента Q , I , W и f представляют соответственно состояния вычисления, ввод, вывод и правило вычислений. Каждое входное значение х из множества I определяет вычисляемую последовательность x ₀ , x ₁ , x ₂ , … следующим образом:

x ₀ = х и x_{k +1} = f (x_k ) для k ³ 0. (1.1)

Говорят, что вычисляемая последовательность заканчивается через k шагов, если k – это наименьшее целое число, для которого x_k принадлежит W, и что она дает выходное значение x_k для заданного х. (Заметим, что если x_k принадлежит W, то и x_{k +1} принадлежит W, так как в этом случае x_{k +1} = x_k ). Некоторые вычисляемые последовательности могут никогда не заканчиваться, но алгоритм – это метод вычислений, который заканчивается через конечное число шагов для всех х из I .

Например, алгоритм Е в этих терминах можно формализовать следующим образом. Пусть элементами множества Q будут все величины (n ), все упорядоченные пары (m ,n ) и все упорядоченные четверки (m ,n ,r ,1), (m ,n ,r ,2) и (m ,n ,p ,3), где m , n и р – это целые положительные числа, а r – неотрицательное целое число. Пусть I – это подмножество всех пар (m ,n ), а W – подмножество всех величин (n ). Определим функцию f следующим образом:

(1.2)

Соответствие между данной записью и алгоритмом Е очевидно.

В этой формулировке понятия «алгоритм» не содержится ограничение, касающееся эффективности, о котором упоминалось ранее. Например, Q может быть множеством бесконечных последовательностей, которые нельзя вычислить с помощью карандаша и бумаги, а f может включать операции, которые не всегда возможно выполнить. Если мы хотим ограничить понятие «алгоритм» таким образом, чтобы в нем могли содержаться только элементарные операции, то введем ограничения на элементы Q , I , W и f , например, следующим образом.

Пусть А – это ограниченное множество букв, а L – множество всех строк, определенных на множестве А (т.е. множество всех упорядоченных последовательностей x ₀ , x ₁ , x ₂ , …, где n ³0 и x_j принадлежит А для 1 £ j £ п. Идея заключается в следующем: закодировать состояния вычисления таким образом, чтобы они были представлены строками из множества L.

Теперь пусть N – целое неотрицательное число, а Q – множество всех пар (s, j ), где s принадлежит L, a j – целое число, 0 £ j £ N.

Пусть I – подмножество пар из Q , для которых j = 0, а W – подмножество пар из Q , для которых j = N. Если q и s – строки из L, то мы будем говорить, что q входит в s, если s имеет вид aqw, где a и w – некоторые строки.

И в завершение определим функцию f с помощью строк q_j , f_j и целых чисел a_j , b_j , 0 £ j £ N , следующим образом:

Метод вычислений, удовлетворяющий этому определению, безусловно, является эффективным. Кроме того, опыт показывает, что в таком виде можно представить любую задачу, которая решается с помощью карандаша и бумаги.

Упражнение 1.1 . В тексте показано, как взаимно заменить значения переменных типе помощью символа замены, а именно – полагая t ¬ m , m ¬ п , п ¬ t . Покажите, как в результате ряда замен можно преобразовать четверку переменных (a ,b ,c ,d ) в (b ,c ,d ,a ). Другими словами, новое значение переменной а должно стать равным первоначальному значению 6 и т.д. Постарайтесь выполнить преобразование с помощью минимального числа замен.

Упражнение 1.2 . Докажите, что в начале выполнения шага El m всегда больше п , за исключением, возможно, только первого случая выполнения этого шага.

Упражнение 1.3 . Измените алгоритм Е (из соображений эффективности) таким образом, чтобы исключить из него все тривиальные операции замены типа « m ¬ n ». Запишите этот новый алгоритм в стиле алгоритма Е и назовите его алгоритмом F.

Упражнение 1.4 . Чему равен наибольший общий делитель чисел 2 166 и 6 099?

Упражнение 1.5 . Чему равно T ₅ (среднее число случаев выполнения шага Е1 при n = 5)?

Упражнение 1.6 . Пусть т известно, а n – любое целое положительное число. Пусть U_m – среднее число случаев выполнения шага Е1 из алгоритма Е. Покажите, что U_m четко определено. Существует ли какая-либо связь между U_m и T_m ?

Упражнение 1.7 . Придумайте эффективный формальный алгоритм вычисления наибольшего общего делителя целых положительных чисел т и п , определив соответствующим образом q_j , f_j , a_j , b_j (как в формулах (1.3)). Пусть входные данные представлены строкой a^m bⁿ , т.е. за а , взятым т раз, следует b , взятое n раз. Постарайтесь найти самое простое решение, насколько это возможно.

Указание : воспользуйтесь алгоритмом Е, но вместо деления на шаге El присвойте r ¬ | т - п |, п ¬ min(m , п ).

1.3. Математическая индукция

Математические методы, используемые при анализе алгоритмов, имеют свои отличительные особенности. Например, нам довольно часто придется выполнять суммирование конечного числа рациональных чисел или решать рекуррентные уравнения. Подобные темы обычно очень поверхностно освещаются при чтении математических дисциплин, поэтому назначение следующих разделов – не только потренироваться в использовании обозначений, но и проиллюстрировать типы и методы вычислений, которые будут нам особенно необходимы.

Пусть Р (п ) – это некоторое утверждение, касающееся целого числа п , например:

«n умножить на (n + 3) – четное число» или «если п ³ 10, то 2ⁿ > n ³ ». Предположим, нам нужно доказать, что утверждение Р(п) верно для всех положительных целых чисел п. Существует важный метод доказательства этого факта, который состоит в следующем:

(а) Доказать, что Р(1) верно.

(b) Доказать, что «если Р (1), Р (2), ..., Р (п ) справедливы, то Р (п+ 1) также справедливо»; это доказательство должно иметь силу для любого целого положительного числа п .

Пример 1-2 . Нечетные числа в сумме дают квадрат.

В качестве примера рассмотрим следующие известные с древних времен равенства, которые многие исследователи открывали независимо друг от друга:

В общем виде эти равенства можно записать следующим образом:

1 + 3 + ××× + (2n – 1) = n ² . (1.5)

Обозначим это утверждение как Р (п ) и докажем, что оно верно для любого положительного n . Согласно методу, описанному выше, имеем следующее.

(а) «Р(1) верно, так как 1 = 1² »

(b) «Если все утверждения Р(1), ..., Р(п ) справедливы, то, в частности, верно и Р(п ); следовательно, выполняется соотношение (1.5). Добавляя к обеим частям этого уравнения 2п + 1, получаем:

1 + 3 + ××× + (2п - 1) + (2п + 1) = п ² + 2 п + 1 = (п + 1)² .

Таким образом, утверждение Р(п + 1) также справедливо».

Этот метод можно считать алгоритмической процедурой доказательства. В самом деле, следующий алгоритм дает доказательство утверждения Р(п ) для любого целого положительного п в предположении, что этапы нашего доказательства (а) и (b) уже выполнены.

Алгоритм I (Построить доказательство ). Для заданного целого положительного числа n этот алгоритм
(рис. 1.2) выдаст доказательство того, что утверждение Р (п ) верно.

Действие I 1. Доказать Р(1).

Присвоить k ¬ 1 и в соответствии с п. (а) выдать доказательство утверждения Р(1).

Действие I 2. k = n ?

Если k = n , закончить выполнение алгоритма; требуемое доказательство выдано.

Действие I 3. Доказать P (k + 1).

Согласно п. (b) выдать доказательство того, что «Если все утверждения Р (1), ..., P (k ) справедливы, то P (k + 1) также справедливо». Вывести фразу «Мы уже доказали, что если утверждения Р (1 ), ..., P (k ) верны, то верно и P (k +1)».

Действие I 4. Увеличить k . Увеличить k на 1 и перейти к шагу I 2. ô Поскольку этот алгоритм выдает доказательство утверждения Р (п ) для любого заданного п, метод доказательства, сформулированный в пп. (а) и (b), логически обоснован. Он называется доказательством методом математической индукции.

Понятие математической индукции следует отличать от того, что в научной практике обычно называют индуктивным методом. Данный метод заключается в том, что ученый делает некоторые наблюдения и создает «по индукции» общую теорию или выдвигает гипотезу, объясняющую эти факты. Например, на основании пяти соотношений (1.4), приведенных выше, мы могли бы сформулировать соотношение (1.5). В этом смысле индукция – не более чем догадка или попытка объяснить конкретную ситуацию; математики называют это эмпирическим результатом или предположением.

Для того чтобы прояснить суть дела, рассмотрим еще один поучительный пример. Пусть р (п ) обозначает количество разбиений числа п , т.е. количество различных способов записи числа п в виде суммы целых положительных чисел (порядок слагаемых значения не имеет). Так как для числа 5 существует ровно семь таких способов записи, т.е.

1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1 = 2 + 2 + 1 = 3 + 1 + 1 = 3 + 2 = 4 + 1 = 5 ,

то р(5) = 7. На самом деле установить первые пять значений функции р (п ) довольно легко:

р (1) = 1, р (2) = 2, р (3)=3, р (4) = 5, р (5) = 7.

Замечание . На этом основании мы могли бы предварительно сформулировать по индукции некорректное предположение о том, что последовательность р (2), р (3), ... пробегает множество простых чисел. Для проверки данной гипотезы продолжаем вычисления и находим р(6) = 11. – Ура! – Это подтверждает наше предположение. Но, к сожалению, оказывается, что р (7) равно 15. Увы, все идет насмарку, и приходится начинать сначала. Из математической литературы известно, что значения р (n ) отличаются довольно сложным поведением.

Математическая индукция не имеет ничего общего с тем индуктивным методом, который мы только что описали. «Индукцией» этот метод назван только потому, что сначала нужно выдвинуть предположение о том, что нужно доказать, а затем уже применять метод математической индукции. Начиная с этого момента, слово «индукция» будет использоваться только для обозначения доказательства методом математической индукции.

Есть еще одно доказательство соотношения (1.5). На рис. 1.3 для п = 6 показано, что п ² клеток разбиты на группы 1 + 3 + (2n – 1) клеток. Но, в конечном счете, этот рисунок можно считать «доказательством» только в случае, если мы покажем, что данное построение можно выполнить для любого п . А это, в сущности, и будет доказательством по индукции.

В нашем доказательстве соотношения (1.5) был использован только частный случай (b); мы просто показали, что из справедливости Р (п ) следует справедливость Р (п+ 1). Это очень важный случай, который встречается довольно часто, но в следующем примере будут проиллюстрированы более широкие возможности метода математической индукции.

Пример 1-3 . Числа Фибоначчи.

Определим последовательность Фибоначчи F ₀ , F ₁ , F ₂ , ... , F ₂ с помощью такого правила: F ₀ = 0, F ₁ = 1, а каждый последующий член равен сумме двух предыдущих. Таким образом, первые члены этой последовательности выглядят так: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... . Далее введем обозначение:

. (1.6)

Докажем, что неравенство справедливо для всех целых положительных чисел n . Назовем эту формулу утверждением P (n ).

Если n = 1, то F ₁ = 1 = f⁰ = f ^{n – 1} , поэтому п. (а) выполнен.

Переходя к п. (б), заметим сначала, что Р (2) также справедливо, поскольку F ₁ = 1 < 1.6 < f¹ = f ^{2 – 1} . А теперь, если все Р (1), Р (2), ..., Р (п ) справедливы и п > 1, то мы знаем, в частности, что справедливы Р (п – 1) и Р (п ). Поэтому и . Складывая данные неравенства, получаем:

. (1.7)

Важное свойство числа ф, которое и является причиной первоочередного выбора этого числа для данной задачи, состоит в том, что

1 + f = f² . (1.8)

Подставив (1.8) в (1.7), получим , а это и есть утверждение Р (п+ 1). Таким образом, п. (b) выполнен, и формула (1.6) доказана методом математической индукции. Обратите внимание, что п. (b) мы выполняли двумя различными способами: непосредственно доказали Р (п + 1) при п= 1 и использовали индуктивный метод при п > 1. Это было необходимо, так как при п= 1 ссылка на Р (п – 1) = Р (0) была бы незаконной.

1.4. Обобщенный алгоритм Евклида

Пример 1-4 . Математическую индукцию можно использовать также для доказательства фактов, касающихся алгоритмов. Давайте рассмотрим следующее обобщение алгоритма Евклида.

Алгоритм Е (обобщенный алгоритм Евклида ). Даны два целых положительных числа m и b . Требуется найти их наибольший общий делитель d и два целых числа а и b , таких, что am + bn = d .

Действие E l. Инициализация.

Присвоить а ' ¬ b ¬ 1, а ¬ b ' ¬ 0, с ¬ т , d ¬ n .

Действие Е 2. Деление.

Пусть q и r – это частное и остаток от деления с на d соответственно. Тогда

с = qd + r , где 0 £ r < d .

Действие Е З. Остаток – это нуль?

Если r = 0, то выполнение алгоритма прекращается; в этом случае имеем

am + bn = d ,

как и требовалось.

Действие Е 4. Повторение цикла.

Присвоить

с ¬ d , d ¬ r , t ¬ а ', а ' ¬ а , а ¬ (t – qa ), t ¬ b ' , b ' ¬ b , b ¬ (t – qb )

и вернуться к шагу Е2.

Если изъять из алгоритма переменные а , b , а ' и b ' и использовать m и n в качестве вспомогательных переменных с и d , то получим старый алгоритм Е (см. параграф 1.1). В новой версии алгоритма выполняется немного больше вычислений, так как необходимо определить коэффициенты a и b . Предположим, что m = 1769 и n = 551. Тогда последовательно (после шага Е 2) имеем:

Проверяя полученные результаты, убеждаемся в том, что все правильно, так как 5 ´ 1769 - 16 ´ 551 = 8845 - 8816 = 29, т.е. мы получили наибольший общий делитель чисел 1769 и 551.

Теперь нужно доказать, что рассматриваемый алгоритм работает правильно при любых т и п. Для этого попробуем применить метод математической индукции к следующему утверждению Р (п ): «Алгоритм Е дает правильное решение для заданного n и всех целых m ». Но провести подобное доказательство не так-то просто, поэтому нужно доказать сначала несколько дополнительных фактов. После некоторого изучения проблемы выясняется, что нужно доказать какой-то факт, связанный с коэффициентами а , b , а ' и b '. Этот факт заключается в том, что равенства

а'т + b 'п = с , am + bn = d (1.9)

верны в каждом случае выполнения шага Е2. Данные равенства можно доказать непосредственно, заметив, что они безусловно справедливы после первого выполнения шага Е2, и что шаг Е4 не меняет это положение вещей (см. упражнение 1.17).

Теперь мы готовы индукцией по п доказать, что алгоритм Е работает правильно. Если т кратно п , то очевидно, что алгоритм работает правильно, поскольку его работа заканчивается на шаге ЕЗ в первом же цикле и мы получаем верный результат. Это происходит всегда, когда n = 1. Поэтому остается провести доказательство для случая, когда п > 1 и т не является кратным п . В такой ситуации в первом цикле осуществляется переход к шагу Е4 и выполняются операции присвоения с ¬ п , d ¬ r . И так как r < п , по индукции можно предположить, что окончательное значение d – наибольший общий делитель чисел п и r . Из доказательства, приведенного в параграфе 1.2. следует, что пары {т ,п } и {п ,r } имеют одинаковые наибольшие общие делители и, в частности, один и тот же наибольший общий делитель. Значит, d – это наибольший общий делитель чисел m и n и согласно (1.9) am + bn = d .

Фраза, которая в приведенном выше доказательстве выделена курсивом, является иллюстрацией того общепринятого условного языка, который так часто используется в доказательствах методом индукции. Например, выполняя п. (b), вместо того чтобы сказать «Теперь предположим, что утверждения Р (1), Р (2), ..., Р (п ) справедливы, и на этом основании докажем справедливость утверждения Р (п + 1)», мы будем говорить просто «Теперь докажем утверждение Р (п ); по индукции мы можем предположить, что P (k ) верно для любого 1 £ k < n » .

Если хорошо вдуматься и посмотреть на все вышесказанное с несколько иной точки зрения, то перед нами предстанет общий метод доказательства корректности любого алгоритма. Идея состоит в том, чтобы взять блок-схему некоторого алгоритма и к каждой стрелке добавить примечание о текущем состоянии дел в тот момент, который соответствует стрелке. На рис. 1.4 эти примечания (мы их будем называть также утверждениями) обозначены через A l, A 2, ..., А 6. В утверждении А 1 даются первоначальные предположения о входных данных алгоритма, а в А 4 формулируется положение о том, что мы хотим доказать по поводу выходных значений а , b и d .

Если доказать утверждение (1.10) для каждого блока, то все примечания к стрелкам будут верны в любом случае выполнения алгоритма. Теперь мы можем применить индукцию по числу шагов, т. е. по числу стрелок в блок-схеме. При прохождении первой стрелки (той, которая выходит из блока «Начало») утверждение А 1 верно, поскольку мы всегда исходим из предположения, что входные значения удовлетворяют заданным условиям. Таким образом, утверждение, которое соответствует первой стрелке, верно. Если утверждение, которое соответствует n -й стрелке, верно, то согласно (1.10) утверждение, которое соответствует (n + 1)-й стрелке, тоже верно.

Исходя из этого общего метода доказательство правильности заданного алгоритма, очевидно, сводится к нахождению правильных утверждений, соответствующих стрелкам блок-схемы. Как только данное начальное препятствие будет преодолено, останется лишь рутинная работа, связанная с доказательством того, что каждое утверждение на входе в блок влечет за собой утверждение на выходе из блока. В действительности после того как вы придумаете самые трудные из этих утверждений, найти все остальные уже не составит труда. Скажем, если даны утверждения А 1, А 4 и А 6, уже понятно, какими должны быть утверждения А 2, А З и А 5. В нашем примере самых больших творческих усилий потребует доказательство утверждения А 6; все остальное, в принципе, должно получиться автоматически.

Этот подход к доказательству корректности алгоритма имеет и другой, еще более важный аспект: он отражает способ нашего понимания алгоритма. Нужно проверять работу алгоритма на примере одного-двух наборов входных данных. И это не случайно, так как пробная «прогонка» алгоритма поможет вам мысленно сформулировать утверждения, соответствующие стрелкам на блок-схеме. Уверенность в корректности алгоритма приходит только тогда, когда мысленно сформулированы все утверждения, приведенные на рис. 1.4. Отсюда следуют важные психологические выводы, касающиеся передачи алгоритма от одного лица к другому. Речь идет о том, что, объясняя алгоритм кому-либо другому, всегда следует явно формулировать основные утверждения, которые трудно получить автоматически. Например, в случае алгоритма Е нужно обязательно упомянуть утверждение А 6.

Но бдительный читатель, конечно, заметил явный недостаток в нашем последнем доказательстве алгоритма Е. Из доказательства нигде не следует, что алгоритм обладает свойством конечности, т.е. рано или поздно его выполнение завершится. Мы доказали только, что если алгоритм конечен, то он дает правильный результат!

(Например, заметим, что алгоритм Е по-прежнему имеет смысл, если его переменные m , n , с , d и r принимают значения типа

,

где параметры и и v – целые числа^* .

Переменные q , а , b , а ', b ' должны по-прежнему принимать целые значения. Если, например, на вход подать значения и , то на выходе будет получен «наибольший общий делитель» и коэффициенты a = +2, b = – 1. Даже при таком расширении исходных предположений доказательства утверждений от А 1 до А 6 остаются в силе. Следовательно, на любом этапе выполнения этой процедуры все утверждения верны. Но если начать со значений m = 1 и , то вычисления никогда не закончатся (см. упражнение 1.15). Следовательно, из доказательства утверждений А 1¸А 6 еще не следует, что алгоритм конечен.)

Доказательства конечности алгоритмов обычно проводят отдельно. Но в упражнении 1.16 показано, что во многих важных случаях приведенный выше метод можно обобщить таким образом, чтобы включить доказательство конечности в виде промежуточного результата.

Итак, мы уже дважды доказали правильность алгоритма Е. Чтобы быть последовательными до конца, нам следовало бы попытаться доказать, что первый алгоритм в этом разделе, а именно – алгоритм I, также корректен. Ведь, в сущности, мы использовали алгоритм I, чтобы показать корректность любого доказательства по индукции. Но если мы попытаемся доказать, что алгоритм I работает правильно, то попадем в затруднительное положение: мы не сможем сделать это, не воспользовавшись снова индукцией! Итак, получается замкнутый круг.

В последнее время любое свойство целых чисел принято доказывать с помощью индукции в ту или иную сторону. Ведь если мы обратимся к основным понятиям, то увидим, что целые числа, в сущности, определяются по индукции. Поэтому можно принять в качестве аксиомы утверждение о том, что любое целое положительное число n либо равно 1, либо может быть получено, если взять 1 за исходное значение и последовательно прибавлять по единице. Этого достаточно, чтобы доказать правильность алгоритма I.

Упражнение 1.8 . Объясните, как можно модифицировать идею доказательства методом математической индукции в случае, если некоторое утверждение Р (п ) нужно доказать для всех неотрицательных целых чисел, т.е. для n = 0, 1, 2, ... , а не для n = 1, 2, 3, ... .

Упражнение 1.9 . Найдите ошибку в следующем доказательстве.

«Теорема . Пусть a – любое положительное число. Для всех целых положительных чисел п имеем .

Доказательство. Если п = 1, то . По индукции, предполагая, что теорема верна для 1, 2, ..., п , имеем

;

следовательно, теорема верна также для n + 1.»

Упражнение 1.9 . Следующее доказательство по индукции выглядит корректным, но по непонятной причине для п = 6 левая часть уравнения дает , а правая дает . В чем же ошибка? «Теорема .

.

Доказательство. Используем индукцию по п. Для п = 1 доказательство очевидно: 3/2 – 1/п = 1/(1 ´ 2). Предполагая, что теорема верна для п , имеем:

.

Упражнение 1.10 . Докажите, что числа Фибоначчи удовлетворяют не только соотношению (1.6), но и неравенству .

Упражнение 1.11 . Простое число – это целое число, большее единицы, которое делится только на 1 и на само себя. Используя данное определение и метод математической индукции, докажите, что любое целое число, большее единицы, можно записать как произведение одного или нескольких простых чисел. (Для удобства будем считать, что простое число – это «произведение» одного простого числа, т.е. его самого.)

Упражнение 1.12 . Докажите по индукции, что если 0 < a < 1, то .

Упражнение 1.13 . Докажите по индукции, что если п > 10, то .

Упражнение 1.14 . Найдите и докажите простую формулу для следующей суммы:

.

Упражнение 1.15 . Покажите, как можно обобщить алгоритм Е, чтобы, как было указано в тексте, для него допускались входные значения вида , где и и v – это целые числа, и вычисления по-прежнему выполнялись элементарным образом (т.е. не выражая иррациональное число бесконечной десятичной дробью). Докажите, что при т = 1 и выполнение алгоритма никогда не закончится.

Упражнение 1.16 . Обобщите алгоритм Е, введя новую переменную Т и добавив в начале каждого шага операцию Т ¬ Т+ 1. (Таким образом, переменная Т – это счетчик выполненных шагов.)

Предположим, что первоначальное значение Т равно нулю, поэтому утверждение А 1 на рис. 1.4 примет вид m > 0, n > 0, Т = 0. Аналогично к А 2 следует добавить дополнительное условие Т = 1. Покажите, как добавить к утверждениям дополнительные условия таким образом, чтобы из любого утверждения А 1, А 2, ..., А 6 следовало, что Т < 3n , и чтобы можно было провести доказательство по индукции. (Следовательно, вычисления должны закончиться максимум через 3n шагов.)

Упражнение 1.17 . Докажите, что если соотношения (1.9) справедливы непосредственно перед выполнением шага Е4, то они верны и после его выполнения.

2. ПЕРВЫЕ ШАГИ «НАЧИНАЮЩИХ»

Давайте начнем с быстрого введения в язык «C». Наша цель – продемонстрировать существенные элементы языка на реальных программах, не увязая при этом в деталях, формальных правилах и исключениях. В этой главе мы не пытаемся изложить язык полностью или хотя бы строго (разумеется, приводимые примеры будут корректными). Мы хотим как можно скорее довести вас до такого уровня, на котором вы были бы в состоянии писать полезные программы, и чтобы добиться этого, мы сосредотачиваемся на основном: переменных и константах, арифметике, операторах передачи управления, функциях и элементарных сведениях о вводе и выводе. Мы совершенно намеренно оставляем за пределами этой главы многие элементы языка «C», которые имеют первостепенное значение при написании больших программ, в том числе указатели, структуры, большую часть из богатого набора операторов языка «C», несколько операторов передачи управления и несметное количество деталей.

Такой подход имеет, конечно, свои недостатки. Самым существенным является то, что полное описание любого конкретного элемента языка не излагается в одном месте, а пояснения, в силу краткости, могут привести к неправильному истолкованию. Кроме того, из-за невозможности использовать всю мощь языка, примеры оказываются не столь краткими и элегантными, как они могли бы быть. И хотя мы старались свести эти недостатки к минимуму, все же имейте их в виду.

Другой недостаток состоит в том, что последующие главы будут неизбежно повторять некоторые части этой главы. Мы надеемся, что такое повторение будет скорее помогать, чем раздражать.

Во всяком случае, опытные программисты должны оказаться в состоянии проэкстраполировать материал данной главы на свои собственные программистские нужды. Начинающие же должны в дополнение писать аналогичные маленькие самостоятельные программы. И те, и другие могут использовать эту главу как каркас, на который будут навешиваться более подробные описания, начинающиеся с главы 3.

2.1. Давайте начнем, пожалуй!

Единственный способ освоить новый язык программирования – писать на нем программы. Первая программа, которая должна быть написана, – одна для всех языков: напечатать слова: «Здравствуй, Мир!».

Это – самый существенный барьер; чтобы преодолеть его, вы должны суметь завести где-то текст программы, успешно его скомпилировать, загрузить, прогнать и найти, где оказалась ваша выдача. Если вы научились справляться с этими техническими деталями, все остальное сравнительно просто.

Пример 2-1 . Программа печати «Здравствуй, Мир !» на языке «C» имеет вид:

main()

{

printf("Здравствуй, Мир !\n");

}

Как пропустить эту программу, зависит от используемой вами системы. Чаще всего первые опыты с «C» осуществляют в одной из двух операционных систем: Unix или Windows XP .

1. В операционной системе Unix вы должны завести исходную программу в файле, имя которого оканчивается суффиксом «.с» , например, Hello.c , и затем скомпилировать ее по команде cc Hello.c .

Если вы не допустили какой-либо небрежности, такой как пропуск символа или неправильное написание, компиляция пройдет без сообщений и будет создан исполняемый файл с именем а.out . Прогон его по команде а.out приведет к выводу слов «Здравствуй, Мир !». – Это самый примитивный способ создания выполняемой программы в Unix .

Замечание : на самом деле Unix не всегда поддерживает национальные алфавиты в консольном режиме, в т.ч. «кириллицу». Поэтому можно увидеть вместо фразы на русском языке какие-то символы и значки, не имеющие смысла.

2. В операционной системе Windows XP будем использовать оболочку Visual Studio и среду программирования Visual C++. Предположим, что вы хотите на диске c:\ в папке Консоль01 создать проект Test01, в рамках которого будет работать наша программа, причем нужно обеспечить внешнее сходство с операционной системой Unix . В папке c:\Консоль01\ создадим файл Hello.cpp, причем суффикс «.сpp» говорит о том, что мы работаем в среде C++.

Далее в основном меню Visual Studio создадим новый проект в режиме «Консольное приложение» (рис. 1.1.). Этот режим соответствует рассмотренному способу создания программы в операционной системе Unix :

File ® New ® Project ® Win32 ® Console Application .

Проект Test01 расположим (Location) расположим в той же папке

c:\Консоль01\ . После этого автоматически будет создана вложенная папка Test01 и более вложенная – папка Debug.

Далее нужно выйти в режим просмотра файлов (File View) и включить в проект (Add Files to Folder) единственный файл Hello.cpp. После этого структура проекта примет вид, показанный на рис 2.1.

Через главное меню нужно выполнить компиляцию и сборку выполняемой программы Test01.exe:

Build ® Rebuild All .

Эта программа появится в папке c:\Консоль01\Test01\Debug. Далее нужно войти в эту папку, используя Проводник , и выполнить программу Test01.exe с помощью команды Test01.exe > a.txt .

Результат можно посмотреть помощью Блокнота Notepad операционной системы Windows (рис. 2.2.) или стандартного редактора Visual Studio в файле a.txt.

Замечание : в других системах соответствующие правила будут иными. Проконсультируйтесь с местным «авторитетом».

Упражнение 2-1. Пропустите эту программу на вашей системе. Попробуйте не включать различные части программы и посмотрите какие сообщения об ошибках вы при этом получите.

Теперь некоторые пояснения к самой программе. Любая «C»-программа, каков бы ни был ее размер, состоит из одной или более «функций», указывающих фактические операции компьютера, которые должны быть выполнены. Функции в языке «C» подобны функциям и подпрограммам ФОРТРАНА и процедурам PL/1, ПАСКАЛЯ и т.д. В нашем примере такой функцией является main. Обычно вы можете давать функциям любые имена по вашему усмотрению, но main – это особое имя; выполнение вашей программы начинается сначала с функции main. Это означает, что каждая программа должна в каком-то месте содержать функцию с именем main. Для выполнения определенных действий функция main обычно обращается к другим функциям, часть из которых находится в той же самой программе, а часть – в библиотеках, содержащих ранее написанные функции.

Одним способом обмена данными между функциями является передача посредством аргументов. Круглые скобки, следующие за именем функции, заключают в себе список аргументов; здесь main – функция без аргументов, что указывается как ( ). Операторы, составляющие функцию, заключаются в фигурные скобки { }, которые аналогичны DO-END в PL/1 или BEGIN-END в АЛГОЛЕ, ПАСКАЛЕ и т.д. Обращение к функции осуществляется указанием ее имени, за которым следует заключенный в круглые скобки список аргументов. здесь нет никаких операторов CALL, как в ФОРТРАНЕ или PL/1. Круглые скобки должны присутствовать и в том случае, когда функция не имеет аргументов.

Строка

printf("Здравствуй, Мир !\n");

является обращением к функции, которое вызывает функцию с именем printf и аргуметом ("Здравствуй, Мир !\n". Функция printf является библиотечной функцией, которая выдает выходные данные на терминал (если только не указано какое-то другое место назначения). В данном случае печатается строка символов, являющаяся аргументом функции.

Последовательность из любого количества символов, заключенных в удвоенные кавычки "...", называется «символьной строкой» или «строчной константой». Пока мы будем использовать символьные строки только в качестве аргументов для printf и других функций.

Последовательность \n в приведенной строке является обозначением на языке «C» для «символа новой строки», который служит указанием для перехода на терминале к левому краю следующей строки. Если вы не включите \n (полезный эксперимент), то обнаружите, что ваша выдача не закончится переходом терминала на новую строку. Использование последовательности \n – единственный способ введения символа новой строки в аргумент функции printf; если вы попробуете что-нибудь вроде

printf("Здравствуй, Мир !\n

");

то «C»-компилятор будет печатать злорадные диагностические сообщения о недостающих кавычках.

Функция printf не обеспечивает автоматического перехода на новую строку, так что многократное обращение к ней можно использовать для поэтапной сборки выходной строки. Наша первая программа, печатающая идентичную выдачу, с точно таким же успехом могла бы быть написана в виде

main()

{

printf("Здравствуй, ");

printf("Мир !");

printf("\n");

}

Подчеркнем, что \n представляет только один символ. Условные (или «эскайп») последовательности, подобные \n , дают общий и допускающий расширение механизм для представления трудных для печати или невидимых символов. Среди прочих символов в языке «C» предусмотрены следующие: \t – для табуляции, \b – для возврата на одну позицию (символ «забоя»), \" – для двойной кавычки, \\ – для самой обратной косой черты.

Упражнение 2-2 . Проведите эксперименты для того, чтобы узнать что произойдет, если в строке, являющейся аргументом функции printf, будет содержаться \x, где x – некоторый символ, не входящий в вышеприведенный список.

2.2. Переменные и арифметика

Пример 2-2 . Следующая программа печатает приведенную ниже таблицу температур по Фаренгейту и их эквивалентов по стоградусной шкале Цельсия, используя для перевода формулу

.

Теперь сама программа:

// Напечатать таблицу Фаренгейт-Цельсий

main()

{

int lower, upper, step;

float fahr, celsius;

lower = 0; // Нижний предел таблицы

upper = 300; // Верхний предел таблицы

step = 20; // Размер шага

fahr = lower;

while (fahr <= upper)

{

celsius = (5.0/9.0) * (fahr -32.0);

printf("%4.0f %6.1f\n", fahr, celsius);

fahr = fahr + step;

}

}

Первая строка

// Напечатать таблицу Фаренгейт-Цельсий

является комментарием, который в данном случае кратко поясняет, что делает программа. Любые символы, начинающиеся с // в пределах строки программы, игнорируются компилятором; можно свободно пользоваться комментариями для облегчения понимания программы. Комментарии могут появляться в любом месте, где возможен пробел или переход на новую строку.

В языке «C» все переменные должны быть описаны до их использования, обычно это делается в начале функции до первого выполняемого оператора. Если вы забудете вставить описание, то получите диагностическое сообщение от компилятора. Описание состоит из типа и списка переменных, имеющих этот тип, как в:

int lower, upper, step;

float fahr, celsius;

Тип int означает, что все переменные списка целые; тип float предназначен для чисел с плавающей точкой, т.е. для чисел, которые могут иметь дробную часть. Точность как int, так и float зависит от конкретной машины, на которой вы работаете. На PDP-11, например, тип int соответствует 16-битовому числу со знаком, т.е. числу, лежащему между -32768 и +32767. Число типа float – это 32-битовое число, имеющее около семи значащих цифр и лежащее в диапазоне от 1.0е–38 до 1.0е+38. В главе 3 приводится список размеров для других машин.

В языке «C» предусмотрено несколько других основных типов данных, кроме int и float:

· char символ (один байт);

· short короткое целое;

· long длинное целое;

· double плавающее с двойной точностью.

Размеры этих объектов тоже машинно-независимы; детали приведены в главе 3. Имеются также массивы, структуры и объединения этих основных типов, указатели на них и функции, которые их возвращают; со всеми ними мы встретимся в свое время.

Фактически вычисления в программе перевода температур начинаются с операторов присваивания:

lower = 0;

upper = 300;

step = 20;

fahr = lower;

которые придают переменным их начальные значения. каждый отдельный оператор заканчивается точкой с запятой.

Каждая строка таблицы вычисляется одинаковым образом, так что мы используем цикл, повторяющийся один раз на строку. В этом назначение оператора while:

while (fahr <= upper)

{

... // Тело оператора while

}

проверяется условие в круглых скобках. Если оно истинно (fahr меньше или равно upper), то выполняется тело цикла – все операторы, заключенные в фигурные скобки { }. Затем вновь проверяется это условие и, если оно истинно, опять выполняется тело цикла. Если же условие не выполняется (fahr превосходит upper ), цикл заканчивается и происходит переход к выполнению оператора, следующего за оператором цикла. Так как в настоящей программе нет никаких последующих операторов, то выполнение программы завершается.

Тело оператора while может состоять из одного или более операторов, заключенных в фигурные скобки, как в программе перевода температур, или из одного оператора без скобок, как, например, в

while (i < j)

i = 2 * i;

В обоих случаях операторы, управляемые оператором while, сдвинуты на одну табуляцию, чтобы вы могли с первого взгляда видеть, какие операторы находятся внутри цикла. Такой сдвиг подчеркивает логическую структуру программы. Хотя в языке «C» допускается совершенно произвольное расположение операторов в строке, подходящий сдвиг и использование пробелов значительно облегчают чтение программ. Мы рекомендуем писать только один оператор на строке и (обычно) оставлять пробелы вокруг операторов. Расположение фигурных скобок менее существенно; мы выбрали один из нескольких популярных стилей. Выберите подходящий для вас стиль и затем используйте его последовательно.

Основная часть работы выполняется в теле цикла. Температура по Цельсию вычисляется и присваивается переменной celsius оператором

celsius = (5.0/9.0) * (fahr-32.0);

причина использования выражения 5,0 / 9,0 вместо выглядящего проще 5/9 заключается в том, что в языке «C», как и во многих других языках, при делении целых происходит усечение, состоящее в отбрасывании дробной части результата. Таким образом, результат операции 5/9 равен нулю, и, конечно, в этом случае все температуры оказались бы равными нулю. Десятичная точка в константе указывает, что она имеет тип с плавающей точкой, так что, как мы и хотели, 5.0 / 9.0 равно 0.5555... .

Мы также писали 32.0 вместо 32 , несмотря на то, что так как переменная fahr имеет тип float , целое 32 автоматически бы преобразовалось к типу float (т.е. в 32.0) перед вычитанием. С точки зрения стиля разумно писать плавающие константы с явной десятичной точкой даже тогда, когда они имеют целые значения; это подчеркивает их плавающую природу для просматривающего программу и обеспечивает то, что компилятор будет смотреть на вещи так же, как и Вы.

Подробные правила о том, в каком случае целые преобразуются к типу с плаваюшей точкой, приведены в главе 3. Сейчас же отметим, что присваивание:

fahr = lower

и проверка

while (fahr <= upper)

работают, как и ожидается: перед выполнением операций целые преобразуются в плавающую форму.

Этот же пример сообщает чуть больше о том, как работает printf. Функция printf фактически является универсальной функцией форматных преобразований, которая будет полностью описана в главе 9. Ее первым аргументом является строка символов, которая должна быть напечатана, причем каждый знак % указывает, куда должен подставляться каждый из остальных аргументов /второй, третий, .../ и в какой форме он должен печататься. Например, в операторе:

printf("%4.0f %6.1f\n", fahr, celsius);

спецификация преобразования %4.0f говорит, что число с плавающей точкой должно быть напечатано в поле шириной по крайней мере в четыре символа без цифр после десятичной точки; спецификация %6.1f описывает другое число, которое должно занимать по крайней мере шесть позиций с одной цифрой после десятичной точки, аналогично спецификациям F6.1 в ФОРТРАНЕ. Различные части спецификации могут быть опущены: спецификация %6f говорит, что число будет шириной по крайней мере в шесть символов; спецификация %2 требует двух позиций после десятичной точки, но ширина при этом не ограничивается; спецификация %f говорит только о том, что нужно напечатать число с плавающей точкой. Функция printf также распознает следующие спецификации: %d – для десятичного целого, %о – для восьмеричного числа, %х – для шестнадцатиричного, %с – для символа, %s – для символьной строки и %% - для самого символа %.

Каждая конструкция с символом % в первом аргументе функции printf сочетается с соответствующим вторым, третьим, и т.д. Аргументами; они должны согласовываться по числу и типу; в противном случае вы получите бессмысленные результаты.

Между прочим, функция printf не является частью языка «C»; в самом языке «C» не определены операции ввода-вывода. Нет ничего таинственного и в функции printf; это – просто полезная функция, являющаяся частью стандартной библиотеки подпрограмм, которая обычно доступна «C»-программам. Чтобы сосредоточиться на самом языке, мы не будем подробно останавливаться на операциях ввода-вывода до главы 9. В частности, мы до тех пор отложим форматный ввод. Если вам надо ввести числа – прочитайте описание функции scanf в главе 9, раздел 9.4. Функция scanf во многом сходна с printf, но она считывает входные данные, а не печатает выходные.

Упражнение 2-3 . Преобразуйте программу перевода температур таким образом, чтобы она печатала заголовок к таблице.

Упражнение 2-4 . Напишите программы печати соответствующей таблицы перехода от градусов Цельсия к градусам Фаренгейта.

2.3. Оператор for

Пример 2-3 . Как и можно было ожидать, имеется множество различных способов написания каждой программы. Давайте рассмотрим такой вариант программы перевода температур:

main() // Напечатать таблицу Фаренгейт-Цельсий

{

int fahr;

for (fahr = 0; fahr <= 300; fahr = fahr + 20)

printf("%4d %6.1f\n",fahr,(5.0/9.0)*(fahr-32.0));

}

Эта программа выдает те же самые результаты, но выглядит безусловно по-другому. Главное изменение – исключение большинства переменных; осталась только переменная fahr , причем типа int (это сделано для того, чтобы продемонстрировать преобразование %d в функции printf). Нижняя и верхняя границы и размер щага появляются только как константы в операторе for , который сам является новой конструкцией, а выражение, вычисляющее температуру по Цельсию, входит теперь в виде третьего аргумента функции printf, а не в виде отдельного оператора присваивания.

Последнее изменение является примером вполне общего правила языка «C» – в любом контексте, в котором допускается использование значения переменной некоторого типа, вы можете использовать выражение этого типа. Так как третий аргумент функции printf должен иметь значение с плавающей точкой, чтобы соответствовать спецификации %6.1f, то в этом месте может встретиться любое выражение плавающего типа.

Сам оператор for - это оператор цикла, обобщающий оператор while. Его функционирование должно стать ясным, если вы сравните его с ранее описанным оператором while . Оператор for содержит три части, разделяемые точкой с запятой. Первая часть:

fahr = 0

выполняется один раз перед входом в сам цикл. Вторая часть – проверка, или условие, которое управляет циклом:

fahr <= 300

это условие проверяется и, если оно истинно, то выполняется тело цикла (в данном случае только функция printf ). Затем выполняется шаг реинициализации:

fahr =fahr + 20 ,

и условие проверяется снова. цикл завершается, когда это условие становится ложным. Так же, как и в случае оператора while , тело цикла может состоять из одного оператора или из группы операторов, заключенных в фигурные скобки. Инициализирующая и реинициализирующая части могут быть любыми от дельными выражениями.

Выбор между операторами while и for произволен и основывается на том, что выглядит яснее. Оператор for обычно удобен для циклов, в которых инициализация и реинициализация логически связаны и каждая задается одним оператором, так как в этом случае запись более компактна, чем при использовании оператора while , а операторы управления циклом сосредотачиваются вместе в одном месте.

Упражнение 2-5 . Модифицируйте программу перевода температур таким образом, чтобы она печатала таблицу в обратном порядке, т.е. От 300 градусов до 0.

2.4. Символические константы

Последнее замечание, прежде чем мы навсегда оставим программу перевода температур. Прятать «магические числа», такие как 300 и 20, внутрь программы – это неудачная практика; они дают мало информации тем, кто, возможно, должен будет разбираться в этой программе позднее, и их трудно изменять систематическим образом. К счастью в языке «C» предусмотрены два способа, позволяющие избежать таких «магических чисел».

Первый способ . Используя конструкцию #define , вы можете в начале программы определить символическое имя или символическую константу, которая будет конкретной строкой символов. Впоследствии компилятор заменит все не заключенные в кавычки появления этого имени на соответствующую строку. Фактически это имя может быть заменено абсолютно произвольным текстом, не обязательно цифрами:

#define lower 0 // Нижний предел таблицы

#define upper 300 // Верхний предел таблицы

#define step 20 // Размер шага

main () // Напечатать таблицу Фаренгейт-Цельсий

{

int fahr;

for (fahr =lower; fahr <= upper; fahr =fahr + step)

printf("%4d %6.1f\n",fahr,(5.0/9.0)*(fahr-32));

}

Величины lower, upper и step являются константами и поэтому они не указываются в описаниях. Символические имена обычно пишут прописными буквами, чтобы их было легко отличить от написанных строчными буквами имен переменных.

Отметим, что в конце определения не ставится точка с запятой. Так как подставляется вся строка, следующая за определенным именем, то это привело бы к слишком большому числу точек с запятой в операторе for .

Второй способ . После появления стандарта ANSI на объектно-ориентированное программирование в языке «C++» появился новый спецификатор для задания констант – const. В «C++» он может использоваться вместо конструкции #define.

Значения, которые были объявлены как const, не могут быть изменены в программе. Ниже приводятся некоторые примеры объявлений с использованием спецификатора const:

const int true = 1;

const double pl = 4*atan(1.0);

const int size = 5000;

char const *name1 = "Ричард С. Вайнер";

const char *name2 = "Лэвис Дж. Пинсон";

Четвертое объявление указывает, что name – это константный указатель на char, т.е. это адрес не может быть изменен.

Последнее объявление указывает, что строка «Лэвис Дж. Пинсон» является константой. Указатель name2 константой не является и может быть затем изменен.

2.5. Набор полезных программ

Теперь мы собираемся рассмотреть семейство родственных программ, предназначенных для выполнения простых операций над символьными данными. В дальнейшем вы обнаружите, что многие программы являются просто расширенными версиями тех прототипов, которые мы здесь обсуждаем.

2.5.1. Ввод и вывод символов . Стандартная библиотека включает функции для чтения и записи по одному символу за один раз. функция getchar() извлекает следующий вводимый символ каждый раз, как к ней обращаются, и возвращает этот символ в качестве своего значения.

Это значит, что после c=getchar() переменная c содержит следующий символ из входных данных. Символы обычно поступают с терминала, но это не должно нас касаться до главы 9.

Функция putchar(c) является дополнением к getchar: в результате обращения putchar(c) содержимое переменной c выдается на некоторый выходной носитель, обычно опять на терминал. Обращение к функциям putchar и printf могут перемежаться; выдача будет появляться в том порядке, в котором происходят обращения.

Как и функция printf, функции getchar и putchar не содержат ничего экстраординарного. Они не входят в состав языка «C», но к ним всегда можно обратиться.

2.5.2. Копирование файла. Имея в своем распоряжении только функции getchar и putchar вы можете, не зная ничего более об операциях ввода-вывода, написать удивительное количество полезных программ.

Пример 2-4 . Простейшим примером может служить программа посимвольного копирования вводного файла в выводной. Общая схема имеет вид:

ввести символ;

while (символ не является признаком конца файла)

{

вывести только что прочитанный символ;

ввести новый символ;

}

Программа, написанная на языке «C», выглядит следующим образом:

main() // Копировать ввод-вывод; 1-я версия

{

int c;

c = getchar();

while (c != eof)

{

putchar(c);

c = getchar();

}

}

Оператор отношения != означает «не равно».

Основная проблема заключается в том, чтобы зафиксировать конец файла ввода. Обычно, когда функция getchar наталкивается на конец файла ввода, она возвращает значение, не являющееся действительным символом; таким образом, программа может установить, что файл ввода исчерпан. Единственное осложнение, являющееся значительным неудобством, заключается в существовании двух общеупотребительных соглашений о том, какое значение фактически является признаком конца файла. Мы отсрочим решение этого вопроса, использовав символическое имя eof для этого значения, каким бы оно ни было. На практике eof будет либо -1, либо 0, так что для правильной работы перед программой должно стоять собственно либо

#define eof -1 ,

либо

#define eof 0 .

Использовав символическую константу eof для представления значения, возвращаемого функцией getchar при выходе на конец файла, мы обеспечили, что только одна величина в программе зависит от конкретного численного значения.

Мы также описали переменную c как int , а не char , с тем чтобы она могла хранить значение, возвращаемое getchar. Как мы увидим в главе 3, эта величина действительно int, так как она должна быть в состоянии в дополнение ко всем возможным символам представлять и eof.

Программистом, имеющим опыт работы на «C», программа копирования была бы написана более сжато. В языке «C» любое присваивание, такое как

c = getchar()

может быть использовано в выражении; его значение – просто значение, присваиваемое левой части.

Пример 2-5 . Если присваивание символа переменной c поместить внутрь проверочной части оператора while , то программа копирования файла запишется в виде:

main() // Копировать ввод-вывод; 2-я версия

{

int c;

while ((c = getchar()) != eof)

putchar(c);

}

Программа извлекает символ, присваивает его переменной c, и затем проверяет, не является ли этот символ признаком конца файла. Если нет – выполняется тело оператора while, выводящее этот символ. Затем цикл while повторяется. Когда, наконец, будет достигнут конец файла ввода, оператор while завершается, а вместе с ним заканчивается выполнение и функции main .

В этой версии централизуется ввод – в программе только одно обращение к функции getchar – и ужимается программа. Вложение присваивания в проверяемое условие – это одно из тех мест языка «C», которое приводит к значительному сокращению программ. Однако, на этом пути можно увлечься и начать писать недоступные для понимания программы. Эту тенденцию мы будем пытаться сдерживать.

Важно понять, что круглые скобки вокруг присваивания в условном выражении действительно необходимы. Старшинство операции != выше, чем операции присваивания =, а это означает, что в отсутствие круглых скобок проверка условия != будет выполнена до присваивания =. Таким образом, оператор

c = getchar() != eof

эквивалентен оператору

c = (getchar() != eof)

Это, вопреки нашему желанию, приведет к тому, что c будет принимать значение 0 или 1 в зависимости от того, натолкнется или нет getchar на признак конца файла. Подробнее об этом будет сказано в главе 3.

2.5.3. Подсчет символов.

Пример 2-6 . Следующая программа подсчитывает число символов; она представляет собой небольшое развитие программы копирования.

main() // Подсчет вводимых символов

{

long nc;

nc = 0;

while (getchar() != eof )

++nc;

printf("%1d\n", nc);

}

Оператор

++nc;

демонстрирует новую операцию, ++, которая означает увеличение на единицу. Вы могли бы написать nc=nc+1, но ++nc более кратко и зачастую более эффективно. Имеется соответствующая операция -- уменьшение на единицу. Операции ++ и -- могут быть либо префиксными (++nc), либо постфиксными (nc++); эти две формы, как будет показано в главе 3, имеют в выражениях различные значения, но как ++nc, так и nc++ увеличивают nc. Пока мы будем придерживаться префиксных операций.

Программа подсчета символов накапливает их количество в переменной типа long, а не int . На PDP-11 максимальное значение равно 32767, и если описать счетчик как int, то он будет переполняться даже при сравнительно малом файле ввода; на языке «C» для HONEYWELL и IBM типы long и int являются синонимами и имеют значительно больший размер. Спецификация преобразования %1d указывает printf, что соответствующий аргумент является целым типа long. Чтобы справиться с еще большими числами, вы можете использовать тип double (float двойной длины).

Пример 2-7 . Используем оператор for вместо while с тем, чтобы проиллюстрировать другой способ записи цикла.

main() // Подсчет вводимых символов

{

double nc;

for (nc = 0; getchar() != eof; ++nc)

;

printf("%.0f\n", nc);

}

Функция printf использует спецификацию %f как для float, так и для double. Спецификация %.0f подавляет печать несуществующей дробной части. Тело оператора цикла for здесь пусто, так как вся работа выполняется в проверочной и реинициализационной частях. Но грамматические правила языка «C» требуют, чтобы оператор for имел тело. Изолированная точка с запятой, соответствуюшая пустому оператору, появляется здесь, чтобы удовлетворить этому требованию. Мы выделили ее на отдельную строку, чтобы сделать ее более заметной.

Прежде чем мы распростимся с программой подсчета символов, отметим, что если файл ввода не содержит никаких символов, то условие в while или for не выполнится при самом первом обращении к getchar , и, следовательно, программа выдаст нуль, т.е. Правильный ответ. Это важное замечание. Одним из приятных свойств операторов while и for является то, что они проверяют условие в начале цикла, т.е. До выполнения тела. Если делать ничего не надо, то ничего не будет сделано, даже если это означает, что тело цикла никогда не будет выполняться. программы должны действовать разумно, когда они обращаются с файлами типа «никаких символов». Операторы while и for помогают обеспечить правильное поведение программ при граничных значениях проверяемых условий.

2.5.4. Подсчет строк.

Пример 2-8 . Напишем программу подсчета количества строк в файле ввода. Предполагается, что строки ввода заканчиваются символом новой строки \n, скрупулезно добавленным к каждой выписанной строке.

main() // Подсчет вводимых строк

{

int c,nl;

nl = 0;

while ((c = getchar()) != eof)

if (c =='\n')

++nl;

printf("%d\n", nl);

}

Тело while теперь содержит оператор if , который в свою очередь управляет оператором увеличения ++nl. Оператор if проверяет заключенное в круглые скобки условие и, если оно истинно, выполняет следующий за ним оператор (или группу операторов, заключенных в фигурные скобки). Мы опять использовали сдвиг вправо, чтобы показать, что чем управляет.

Удвоенный знак равенства == является обозначением в языке «C» для «равно» (аналогично .EQ. в ФОРТРАНЕ). Этот символ введен для того, чтобы отличать проверку на равенство от одиночного =, используемого при присваивании. Поскольку в типичных «C»-программах знак присваивания встречается примерно в два раза чаще, чем проверка на равенство, то естественно, чтобы знак оператора был вполовину короче.

Любой отдельный символ может быть записан внутри одиночных кавычек, и при этом ему соответствует значение, равное численному значению этого символа в машинном наборе символов; это называется символьной константой. Так, например, 'A' - символьная константа; ее значение в наборе символов ASCII (американский стандартный код для обмена информацией) равно 65, внутреннему представлению символа A. Конечно, 'A' предпочтительнее, чем 65: его смысл очевиден и он не зависит от конкретного машинного набора символов.

Условные последовательности, используемые в символьных строках, также занимают законное место среди символьных констант. Так в проверках и арифметических выражениях '\n' представляет значение символа новой строки. Вы должны твердо уяснить, что '\n' – отдельный символ, который в выражениях эквивалентен одиночному целому; с другой стороны "\n" – это символьная строка, которая содержит только один символ. Вопрос о сопоставлении строк и символов обсуждается в главе 3.

Упражнение 2-6 . Напишите программу для подсчета пробелов, табуляций и новых строк.

Упражнение 2-7 . Напишите программу, которая копирует вводимые символы в выходной поток, заменяя при этом каждую последовательность из одного или более пробелов на один пробел.

Упражнение 2-8 . Напишите программу, копирующую вводимые символы в выходной поток с заменой символа табуляции /t и символа забоя \b на символ обратной косой черты \\ . Это сделает видимыми все символы табуляции и забоя.

2.5.5. Подсчет слов.

Пример 2-9 . Следующая программа из нашей серии полезных программ подсчитывает количество строк, слов и символов, используя при этом весьма широкое определение, что словом является любая последовательность символов, не содержащая пробелов, табуляций или новых строк.

#define yes 1

#define no 0

main() // Подсчет строк, слов и символов

{

int c, nl, nw, inword;

inword = no;

nl = nw = nc = 0;

while((c = getchar()) != eof)

{

++nc;

if (c == '\n')

++nl;

if (c==' ' || c=='\n' || c=='\t')

inword = no;

else if (inword == no)

{

inword = yes;

++nw;

}

}

printf("%d %d %d\n", nl, nw, nc);

}

Каждый раз, когда программа встречает первый символ слова, она увеличивает счетчик числа слов на единицу. Переменная inword следит за тем, находится ли программа в настоящий момент внутри слова или нет; сначала этой переменной присваивается «не в слове», чему соответствует значение no. Мы предпочитаем символические константы yes и no литерным значениям 1 и 0, потому что они делают программу более удобной для чтения. Конечно, в такой крошечной программе, как эта, это не приводит к заметной разнице, но в больших программах увеличение ясности вполне стоит тех скромных дополнительных усилий, которых требует следование этому принципу с самого начала. Вы также обнаружите, что существенные изменения гораздо легче вносить в те программы, где числа фигурируют только в качестве символьных констант.

Строка:

nl = nw = nc = 0;

полагает все три переменные равными нулю. Это не особый случай, а следствие того обстоятельства, что оператору присваивания соответствует некоторое значение и присваивания проводятся последовательно справа налево. Таким образом, дело обстоит так, как если бы мы написали:

nc = (nl = (nw = 0));

операция || означает OR (логическое «или») , так что строка:

if( c==' ' || c=='\n' || c=='\t')

говорит «если в символьной переменной с – пробел, или символ новой строки, или табуляция ...» (условная последовательность \t является изображением символа табуляции).

Имеется соответствующая операция && для AND (логического И). Выражения, связанные операциями && или || , рассматриваются слева направо, и при этом гарантируется, что оценивание выражений будет прекращено, как только станет ясно, является ли все выражение истинным или ложным. Так, если символ в символьной переменной c оказывается пробелом, то нет никакой необходимости проверять, является ли он же символом новой строки или табуляции, и такие проверки действительно не делаются. В данном случае это не имеет принципиального значения, но, как мы скоро увидим, в более сложных ситуациях эта особенность языка весьма существенна.

Этот пример также демонстрирует оператор else языка «C», который указывает то действие, которое должно выполняться, если условие, содержащееся в операторе if, окажется ложным. Общая форма такова:

if (выражение)

оператор-1;

else

оператор-2;

Выполняется один и только один из двух операторов, связанных с конструкцией if-else.

Если выражение истинно, то выполняется оператор-1; если нет – выполняется оператор-2. Фактически каждый оператор может быть довольно сложным. В программе подсчета слов оператор, следующий за else , является опертором if, который управляет двумя операторами в фигурных скобках.

Упражнение 2-9 . Как бы вы стали проверять программу подсчета слов? Kакие имеются ограничения?

Упражнение 2-10 . Напишите программу, которая будет печатать слова из файла ввода, причем по одному на строку.

Упражнение 2-11 . Переделайте программу подсчета слов, используя лучшее определение «слова»; считайте, например словом последовательность букв, цифр и апострофов, начинающуюся с буквы.

2.6. Массивы

Пример 2-10 . Давайте напишем программу подсчета числа появлений каждой цифры, символов пустых промежутков (пробел, табуляции, новая строка) и всех остальных символов. Конечно, такая задача несколько искусственна, но она позволит нам проиллюстрировать в одной программе сразу несколько аспектов языка «C».

Мы разбили вводимые символы на двенадцать категорий, и нам удобнее использовать массив для хранения числа появлений каждой цифры, а не десять отдельных переменных. Вот один из вариантов программы:

// Подсчет всех цифр,

// промежутков (пробел, табуляции, новая строка)

// и всех остальных символов

main()

{

int c, i, nwhite, nother;

int ndigit[10];

nwhite = nother = 0;

for (i = 0; i < 10; ++i)

ndigit[i] = 0;

while ((c = getchar()) != eof)

if (c >= '0' && c <= '9')

++ndigit[c-'0'];

else if(c== ' ' || c== '\n' || c== '\t')

++nwhite;

else

++nother;

printf("digits =");

for (i = 0; i < 10; ++i)

printf(" %d", ndigit[i]);

printf("\nwhite space = %d, other = %d\n",

nwhite, nother);

}

Описание:

int ndigit[10];

объявляет, что ndigit является массивом из десяти целых. В языке «C» индексы массива всегда начинаются с нуля (а не с 1, как в ФОРТРАНЕ или PL/1/, так что элементами массива являются:

ndigit[0], ndigit[1], ..., ndigit[9].

Эта особенность отражена в циклах for , которые инициализируют и печатают массив.

Индекс может быть любым целым выражением, которое, конечно, может включать целые переменные, такие как I , и целые константы.

Эта конкретная программа сильно опирается на свойства символьного представления цифр. Так, например, в программе проверка:

if( c >= '0' && c <= '9')...

определяет, является ли символ в символьной переменной c цифрой, и если это так, то численное значение этой цифры определяется по формуле:

c - '0' .

Такой способ работает только в том случае, если значения символьных констант '0', '1' и т.д. Положительны, расположены в порядке возрастания и нет ничего, кроме цифр, между константами '0' и '9'. К счастью, это верно для всех общепринятых наборов символов.

По определению перед проведением арифметических операций, вовлекающих переменные типа char и int, все они преобразуются к типу int, Tак что в арифметических выражениях переменные типа CHAR по существу идентичны переменным типа int. Это вполне естественно и удобно. Например:

c - '0'

- это целое выражение со значением между 0 и 9 в соответствии с тем, какой символ от '0' до '9' хранится в переменной c, и, следовательно, оно является подходящим индексом для массива ndigit.

Выяснение вопроса, является ли данный символ цифрой, символом пустого промежутка или чем-либо еще, осуществляется последовательностью операторов

if (c >= '0' && c <= '9')

++ndigit[c-'0'];

else if(c == ' ' || c == '\n' || c == '\t')

++nwhite;

else

++nother;

Конструкция

if (условие)

оператор-1;

else if (условие)

оператор-2;

else

оператор-3;

часто встречаются в программах как средство выражения ситуаций, в которых осуществляется выбор одного из нескольких возможных решений.

Программа просто движется сверху вниз до тех пор, пока не удовлетворится какое-нибудь условие; тогда выполняется соответствующий «оператор»^*) , и вся конструкция завершается.

Если ни одно из условий не удовлетворяется, то выполняется «оператор», стоящий после заключительного else, если оно присутствует. Если последнее else и соответствующий «оператор» опущены (как в программе подсчета слов), то никаких действий не производится. Между начальным if и конечным else может помещаться произвольное количество групп:

else if (условие)

оператор .

С точки зрения стиля целесообразно записывать эту конструкцию так, как мы показали, с тем, чтобы длинные выражения не залезали за правый край страницы.

Оператор switch (переключатель), который рассматривается в главе 4, представляет другую возможность для записи разветвления на несколько вариантов, этот оператор особенно удобен, когда проверяемое выражение является либо просто некоторым целым, либо символьным выражением, совпадающим с одной из некоторого набора констант. Версия этой программы, использующая оператор switch, будет для сравнения приведена также в главе 4.

Упражнение 2-12 . Напишите программу, печатающую гистограмму длин слов из файла ввода. Самое легкое – это начертить гистограмму горизонтально; вертикальная ориентация требует больших усилий.

2.7. Функции

В языке «C» функции эквивалентны подпрограммам или функциям в ФОРТРАНЕ или процедурам в PL/1, ПАСКАЛЕ и т.д. Функции дают удобный способ заключения некоторой части вычислений в черный ящик, который в дальнейшем можно использовать, не интересуясь его внутренним содержанием. Использование функций является фактически единственным способом справиться с потенциальной сложностью больших программ. Если функции организованы должным образом, то можно игнорировать то, как делается работа; достаточно знание того, что делается. Язык «C» разработан таким образом, чтобы сделать использование функций легким, удобным и эффективным. Вам будут часто встречаться функции длиной всего в несколько строчек, вызываемые только один раз, и они используются только потому, что это проясняет некоторую часть программы.

До сих пор мы использовали только предоставленные нам функции типа printf, getchar и putchar; теперь пора написать несколько наших собственных. так как в «C» нет операции возведения в степень, подобной операции ** в ФОРТРАНЕ или PL/1.

Давайте проиллюстрируем механику определения функции на примере функции power(m,n), возводящей целое m в целую положительную степень n. Так значение power(2,5) равно 32. Конечно, эта функция не выполняет всей работы операции **, поскольку она действует только с положительными степенями небольших чисел, но лучше не создавать дополнительных затруднений, смешивая несколько различных вопросов.

Пример 2-11 . Ниже приводится функция power и использующая ее основная программа, так что вы можете видеть целиком всю структуру.

main() // Испытание функции возведения в степень

{

int i;

for(i = 0; i < 10; ++i)

printf("%d %d %d\n",i,power(2,i),power(-3,i));

}

power(int x, int n) // Возведение x в степень n, n>0

{

int i, p;

p = 1;

for (i =1; i <= n; ++i)

p = p * x;

return (p);

}

Все функции имеют одинаковый вид:

имя (список аргументов, если они имеются)

описание аргументов, если они имеются

{

описания

операторы

}

Эти функции могут быть записаны в любом порядке и находиться в одном или двух исходных файлах. Конечно, если исходная программа размещается в двух файлах, вам придется дать больше указаний при компиляции и загрузке, чем если бы она находилась в одном, но это дело операционной системы, а не атрибут языка. В данный момент, для того чтобы все полученные сведения о прогоне «C»- программ, не изменились в дальнейшем, мы будем предполагать, что обе функции находятся в одном и том же файле.

Функция power вызывается дважды в строке

printf("%d %d %d\n",i,power(2,i),power(-3,i));

при каждом обращении функция power, получив два аргумента, возвращает целое значение, которое печатается в заданном формате. В выражениях power(2,i) является точно таким же целым, как 2 и i. (Однако не все функции выдают целое значение; мы займемся этим вопросом в главе 5).

Аргументы функции power должны быть описаны соответствующим образом, так как их типы известны. Это сделано в строке

int x,n;

которая следует за именем функции.

Описания аргументов помещаются между списком аргументов и открывающейся левой фигурной скобкой; каждое описание заканчивается точкой с запятой. Имена, использованные для аргументов функции power, являются чисто локальными и недоступны никаким другим функциям: другие процедуры могут использовать те же самые имена без возникновения конфликта.

Это верно и для переменных i и p; i в функции power никак не связано с i в функции main.

Значение, вычисленное функцией power, передаются в main с помощью оператора return, точно такого же, как в PL/1. Внутри круглых скобок можно написать любое выражение. Функция не обязана возвращать какое-либо значение; оператор return, не содержащий никакого выражения, приводит к такой же передаче управления, как «сваливание на конец» функции при достижении конечной правой фигурной скобки, но при этом в вызывающую функцию не возвращается никакого полезного значения.

Упражнение 2-13 . Напишите программу преобразования прописных букв из файла ввода в строчные, используя при этом функцию ower(c), которая возвращает значение – переменную c, если символ в c – не буква, и значение соответствующей строчной буквы, если c – это буква.

2.8. Аргументы: вызов по значению

Один аспект в «C» может оказаться непривычным для программистов, которые использовали другие языки, в частности, ФОРТРАН и PL/1. В языке «C» все аргументы функций передаются «по значению». Это означает, что вызванная функция получает значения своих аргументов с помощью временных переменных (фактически через стек), а не их адреса. Это приводит к некоторым особенностям, отличным от тех, с которыми мы сталкивались в языках типа ФОРТРАНА и PL/1, использующих (вызов по ссылке), где вызванная процедура работает с адресом аргумента, а не с его значением.

Главное отличие состоит в том, что в «C» вызванная функция не может изменить переменную из вызывающей функции; она может менять только свою собственную временную копию.

Вызов по значению, однако, не помеха, а весьма ценное качество. Оно обычно приводит к более компактным программам, содержащим меньше не относящихся к делу переменных, потому что с аргументами можно обращаться как с удобно инициализированными локальными перемнными вызванной процедуры.

Пример 2-12 . Рассмотрим вариант функции power, использующей данное обстоятельство

power(int x, int n)

{

int p;

for (p = 1; n > 0; --n)

p = p * x;

return (p);

}

Аргумент n используется как временная переменная; из него вычитается единица до тех пор, пока он не станет нулем. Переменная i здесь больше не нужна. чтобы ни происходило с n внутри power это никак не влияет на аргумент, с которым первоначально обратились к функции power.

При необходимости все же можно добиться, чтобы функция изменила переменную из вызывающей программы. Эта программа должна обеспечить установление адреса переменной (технически, через указатель на переменную), а в вызываемой функции надо описать соответствующий аргумент как указатель и ссылаться к фактической переменной косвенно через него. Мы рассмотрим это подробно в главе 6.

Когда в качестве аргумента выступает имя массива, то фактическим значением, передаваемым функции, является адрес начала массива. (Здесь нет никакого копирования элементов массива). С помощью индексации и адреса начала функция может найти и изменить любой элемент массива. Это – тема следующего раздела.

2.9. Массивы символов

Пример 2-13 . По-видимому самым общим типом массива в «C» является массив символов. Чтобы проиллюстрировать использование массивов символов и обрабатывающих их функций, давайте напишем программу, которая читает набор строк и печатает самую длинную из них. Основная схема программы достаточно проста:

while (имеется еще строка)

if (эта строка длиннее самой длинной из предыдущих)

запомнить эту строку и ее длину,

напечатать самую длинную строку.

По этой схеме ясно, что программа естественным образом распадается на несколько частей. Одна часть читает новую строку, другая проверяет ее, третья запоминает, а остальные части программы управляют этим процессом.

Поскольку все так прекрасно делится, было бы хорошо и написать программу соответсвующим образом. Давайте сначала напишем отдельную функцию getline, которая будет извлекать следующую строку из файла ввода; это – обобщение функции getchar. Мы попытаемся сделать эту функцию по возможности более гибкой, чтобы она была полезной и в других ситуациях.

Как минимум getline должна передавать сигнал о возможном появлении конца файла; более общий полезный вариант мог бы передавать длину строки или нуль, если встретится конец файла.

Нуль не может быть длиной строки, так как каждая строка содержит по крайней мере один символ; даже строка, содержащая только символ новой строки, имеет длину 1.

Когда мы находим строку, которая длиннее самой длинной из предыдущих, то ее надо где-то запомнить. Это наводит на мысль о другой функции, copy , которая будет копировать новую строку в место хранения.

Наконец, нам нужна основная программа для управления функциями getline и copy. Вот результат:

#define maxline 1000 // Максимальная длина строки

main() // Найти самую длинную строку

{

int len; // Длина текущей строки

int max; // Максимальная длина

char line[maxline]; // Текущая строка ввода

char save[maxline]; // Самая длинная строка

max = 0;

while ((len = getline(line, maxline)) > 0)

if (len > max)

{

max = len;

copy(line, save);

}

if (max > 0) // Это была строка

printf("%s", save);

}

getline(char s[], int lim) // Поместить строку в s,

// возвратить длину

{

int c, i;

for(i=0;i<lim-1 && (c=getchar())!=eof

&& c!='\n';++i)

s[i] = c;

if (c == '\n')

{

s[i] = c;

++i;

}

s[i] = '\0';

return(i);

}

copy(char s1[],char s2[]) // Копировать s1 в s2

{ // Полагаем, что s2 достаточно велика

int i;

i = 0;

while ((s2[i] = s1[i] != '\0')

++i;

}

Функция main и getline общаются как через пару аргументов, так и через возвращаемое значение. Аргументы getline описаны в строках:

char s[];

int lim;

которые указывают, что первый аргумент является массивом, а второй – целым.

Длина массива s не указана, так как она определена в main. Функция getline использует оператор return для передачи значения назад в вызывающую программу точно так же, как это делала функция power. Одни функции возвращают некоторое нужное значение; другие, подобно copy, используются из-за их действия и не возвращают никакого значения.

Чтобы пометить конец строки символов, функция getline помещает в конец создаваемого ей массива символ \0 (нулевой символ, значение которого равно нулю). Это соглашение используется также компилятором с языка «C»: когда в «C»-программе встречается строчная константа типа

"Hello\n"

то компилятор создает массив символов, содержащий символы этой строки, и заканчивает его символом \0, с тем чтобы функции, подобные printf, могли зафиксировать конец массива:

Спецификация формата %s указывает, что printf ожидает строку, представленную в такой форме. Проанализировав функцию COPY, вы обнаружите, что и она опирается на тот факт, что ее входной аргумент оканчивается символом \0, и копирует этот символ в выходной аргумент s2. (Все это подразумевает, что символ \0 не является частью нормального текста).

Между прочим, стоит отметить, что даже в такой маленькой программе, как эта, возникает несколько неприятных организационных проблем. Например, что должна делать main, если она встретит строку, превышающую ее максимально возможный размер? Функция getline поступает разумно: при заполнении массива она прекращает дальнейшее извлечение символов, даже если не встречает символа новой строки. Проверив полученную длину и последний символ, функция main может установить, не была ли эта строка слишком длинной, и поступить затем, как она сочтет нужным. Ради краткости мы опустили эту проблему.

Пользователь функции getline никак не может заранее узнать, насколько длинной окажется вводимая строка. Поэтому в getline включен контроль переполнения. в то же время пользователь функции copy уже знает (или может узнать), каков размер строк, так что мы предпочли не включать в эту функцию дополнительный контроль.

Упражнение 2-14 . Переделайте ведущую часть программы поиска самой длинной строки таким образом, чтобы она правильно печатала длины сколь угодно длинных вводимых строк и возможно больший текст.

Упражнение 2-15 . Напишите программу печати всех строк длиннее 80 символов.

Упражнение 2-16 . Напишите программу, которая будет удалять из каждой строки стоящие в конце пробелы и табуляции, а также строки, целиком состоящие из пробелов.

Упражнение 2-17 . Напишите функцию reverse(s), которая располагает символьную строку s в обратном порядке. С ее помощью напишите программу, которая обратит каждую строку из файла ввода.

2.10. Область действия: внешние переменные

Переменные в main (line, save и т.д.) являются внутренними или локальными по отношению к функции main, потому что они описаны внутри main и никакая другая функция не имеет к ним прямого доступа. Это же верно и относительно переменных в других функциях; например, переменная i в функции getline никак не связана с i в copy. Каждая локальная переменная существует только тогда, когда произошло обращение к соответствующей функции, и исчезает, как только закончится выполнение этой функции. По этой причине такие переменные, следуя терминологии других языков, обычно называют автоматическими. Мы впредь будем использовать термин автоматические при ссылке на эти динамические локальные переменные. (В главе 5 обсуждается класс статической памяти, когда локальные переменные все же оказываются в состоянии сохранить свои значения между обращениями к функциям).

Поскольку автоматические переменные появляются и исчезают вместе с обращением к функции, они не сохраняют своих значений в промежутке от одного вызова до другого, в силу чего им при каждом входе нужно явно присваивать значения. Если этого не сделать, то они будут содержать мусор.

В качестве альтернативы к автоматическим переменным можно определить переменные, которые будут внешними для всех функций, т.е. глобальными переменными, к которым может обратиться по имени любая функция, которая пожелает это сделать. (Этот механизм весьма сходен с COMMON в ФОРТРАНЕ и EXTERNAL в PL/1). Так как внешние переменные доступны всюду, их можно использовать вместо списка аргументов для передачи данных между функциями. Кроме того, поскольку внешние переменные существуют постоянно, а не появляются и исчезают вместе с вызываемыми функциями, они сохраняют свои значения и после того, как функции, присвоившие им эти значения, завершат свою работу.

Пример 2-14 . Внешняя переменная должна быть определена вне всех функций; при этом ей выделяется фактическое место в памяти. Такая переменная должна быть также описана в каждой функции, которая собирается ее использовать; это можно сделать либо явным описанием extern, либо неявным по контексту. Чтобы сделать обсуждение более конкретным, давайте перепишем программу поиска самой длинной строки, сделав line, save и max внешними переменными. Это потребует изменения описаний и тел всех трех функций, а также обращений к ним.

#define maxline 1000 // Максимальная длина строки

char line[maxline]; // Вводимая строка

char save[maxline]; // Самая длинная строка

int max; // Длина самой длинной строки

main() // Поиск длиннейшей строки: специальная версия

{

int len;

extern int max;

extern char save[];

max = 0;

while ( (len = getline()) > 0 )

if ( len > max )

{

max = len;

copy();

}

if ( max > 0 ) // Это была строка

printf( "%s", save );

}

getline() // Специализированная версия

{

int c, i;

extern char line[];

for (i = 0; i < maxline-1 && (c=getchar()) !=eof

&& c!='\n'; ++i)

line[i] = c;

if (c == \n)

{

line[i] = c;

++i;

}

line[i] = '\0'

return(i)

}

copy() // Специализированная версия

{

int i;

extern char line[], save[];

i = 0;

while ((save[i] = line[i]) !='\0')

++i;

}

Внешние переменные для функций main, getline и copy определены в первых строчках приведенного выше примера, которыми указывается их тип и вызывается отведение для них памяти. Синтаксически внешние описания точно такие же, как описания, которые мы использовали ранее, но так как они расположены вне функций, соответствующие переменные являются внешними. Чтобы функция могла использовать внешнюю переменую, ей надо сообщить ее имя. Один способ сделать это – включить в функцию описание extern; это описание отличается от предыдущих только добавлением ключевого слова extern.

В определенных ситуациях описание extern может быть опущено: если внешнее определение переменной находится в том же исходном файле, раньше ее использования в некоторой конкретной функции, то не обязательно включать описание extern для этой переменной в саму функцию. Описания extern в функциях main, getline и copy являются, таким образом, излишними.

Фактически, обычная практика заключается в помещении определений всех внешних переменных в начале исходного файла и последующем опускании всех описаний extern.

Если программа находится в нескольких исходных файлах, и некоторая переменная определена, скажем в файле 1, а используется в файле 2, то чтобы связать эти два вхождения переменной, необходимо в файле 2 использовать описание extern. Этот вопрос будет обсуждаться в главе 5.

Вы должно быть заметили, что мы в этом разделе при ссылке на внешние переменные очень аккуратно используем слова описание и определение. «Определение» относится к тому месту, где переменная фактически заводится и ей выделяется память; «описание» относится к тем местам, где указывается природа переменной, но никакой памяти не отводится.

Между прочим, существует тенденция объявлять все, что ни попадется, внешними переменными, поскольку кажется, что это упрощает связи, – списки аргументов становятся короче и переменные всегда присутствуют, когда бы вам они ни понадобились. Но внешние переменные присутствуют и тогда, когда вы в них не нуждаетесь. Такой стиль программирования чреват опасностью, так как он приводит к программам, связи данных внутри которых не вполне очевидны. Переменные при этом могут изменяться неожиданным и даже неумышленным образом, а программы становится трудно модифицировать, когда возникает такая необходимость. Вторая версия программы поиска самой длинной строки уступает первой отчасти по этим причинам, а отчасти потому, что она лишила универсальности две весьма полезные функции, введя в них имена переменных, с которыми они будут манипулировать.

Упражнение 2-18 . Проверка в операторе for функции getline довольно неуклюжа. Перепишите программу таким образом, чтобы сделать эту проверку более ясной, но сохраните при этом то же самое поведение в конце файла и при переполнении буфера. Является ли это поведение самым разумным?

2.11. Некоторые оптимистичные выводы

На данном этапе мы обсудили то, что можно бы назвать традиционным ядром языка «C». Имея эту горсть строительных блоков, можно писать полезные программы весьма значительного размера, и было бы вероятно неплохой идеей, если бы вы задержались здесь на какое-то время и поступили таким образом: следующие ниже упражнения предлагают вам ряд программ несколько большей сложности, чем те, которые были приведены в этой главе.

После того, как вы овладеете этой частью «C», приступайте к чтению следующих нескольких глав. Усилия, которые вы при этом затратите, полностью окупятся, потому что в этих главах обсуждаются именно те стороны «C», где мощь и выразительность языка начинает становиться очевидной.

Упражнение 2-19 . Напишите программу detab, которая заменяет табуляции во вводе на нужное число пробелов так, чтобы промежуток достигал следующей табуляционной остановки. Предположите фиксированный набор табуляционных остановок, например, через каждые n позиций.

Упражнение 2-20 . Напишите программу entab, которая заменяет строки пробелов минимальным числом табуляций и пробелов, достигая при этом тех же самых промежутков. Используйте те же табуляционные остановки, как и в detab.

Упражнение 2-21 . Напишите программу для «сгибания» длинных вводимых строк после последнего отличного от пробела символа, стоящего до столбца n ввода, где n – параметр. Убедитесь, что ваша программа делает что-то разумное с очень длинными строками и в случае, когда перед указанным столбцом нет ни табуляций, ни пробелов.

Упражнение 2-22 . Напишите программу удаления из «C»-программы всех комментариев. Не забывайте аккуратно обращаться с «закавыченными» строками и символьными константами.

Упражнение 2-23 . Напишите программу проверки «C»-программы на элементарные синтаксические ошибки, такие как несоответствие круглых, квадратных и фигурных скобок. Не забудьте о кавычках, как одиночных, так и двойных, и о комментариях. – Эта программа весьма сложна, если вы будете писать ее для самого общего случая.

3. ТИПЫ, ОПЕРАЦИИ И ВЫРАЖЕНИЯ

Переменные и константы являются основными объектами, с которыми оперирует программа. Описания перечисляют переменные, которые будут использоваться, указывают их тип и, возможно, их начальные значения. Операции определяют, что с ними будет сделано. Выражения объединяют переменные и константы для получения новых значений. Все это – темы настоящей главы.

3.1. Имена переменных

Хотя мы этого сразу прямо не сказали, существуют некоторые ограничения на имена переменных и символических констант. Имена составляются из букв и цифр; первый символ должен быть буквой. Подчеркивание "_" тоже считается буквой; оно полезно для удобочитаемости длинных имен переменных. Прописные и строчные буквы различаются; традиционная практика в «С» – использовать строчные буквы для имен переменных, а прописные – для символических констант.

Играют роль только первые восемь символов внутреннего имени, хотя использовать можно и больше. Для внешних имен, таких как имена функций и внешних переменных, это число может оказаться меньше восьми, так как внешние имена используются различными ассемблерами и загрузчиками. Детали приводятся в Приложении. Кроме того, такие ключевые слова как if, else, int, float и т.д., зарезервированы: вы не можете использовать их в качестве имен переменных. (Они пишутся строчными буквами).

Конечно, разумно выбирать имена переменных таким образом, чтобы они означали нечто, относящееся к назначению переменных, и чтобы было менее вероятно спутать их при написании.

3.2. Типы и размеры данных

Языке «C» имеется только несколько основных типов данных:

· char один байт, в котором может находиться один символ из внутреннего набора символов;

· int – целое, обычно соответствующее естественному размеру целых в используемой машине;

· float – с плавающей точкой одинарной точности;

· double – с плавающей точкой двойной точности.

Кроме того имеется ряд квалификаторов, которые можно использовать с типом int: short (короткое), long (длинное) и unsigned (целое без знака). Квалификаторы short и long указывают на различные размеры целых. Числа без знака подчиняются законам арифметики по модулю 2 в степени n, где n – число битов в int; числа без знаков всегда положительны. Описания с квалификаторами имеют вид:

short int x;

long int y;

unsigned int z;

Cлово int в таких ситуациях может быть опущено, что обычно и делается.

Количество битов, отводимых под эти объекты зависит от имеющейся машины. Ниже в таблице 3.1. приведены некоторые характерные значения.

Таблица 3.1.

Размеры объектов данных (бит)

Цель состоит в том, чтобы short и long давали возможность в зависимости от практических нужд использовать различные длины целых; тип int отражает наиболее «естественный» размер разрядной сетки конкретной машины. Как вы видите, каждый компилятор свободно интерпретирует short и long в соответствии со своими аппаратными средствами. Все, на что вы можете твердо полагаться, это то, что short не длиннее, чем long.

3.3. Константы

Константы типа int и float мы уже рассмотрели. Отметим еще только, что как обычная 123.456е–7, так и «научная» запись 0.12е3 для float является законной.

Каждая константа с плавающей точкой считается имеющей тип double, так что обозначение «е» служит как для float, так и для double.

Длинные константы записываются в виде 123l (от англ . long). Обычная целая константа, которая слишком длинна для типа int, рассматривается как long.

Существует система обозначений для восьмеричных и шестнадцатеричных констант: лидирующий 0 (нуль) в константе типа int указывает на восьмеричную константу, а стоящие впереди 0x соответствуют шестнадцатеричной константе. Например, десятичное число 31 можно записать как 037 в восьмеричной форме и как 0x1f в шестнадцатеричной. Шестнадцатеричные и восьмеричные константы могут также заканчиваться буквой l, что делает их относящимися к типу long.

3.3.1. Символьная константа . Символьная константа – это один символ, заключенный в одинарные кавычки, как, например, 'х'. Значением символьной константы является численное значение этого символа во внутреннем машинном наборе символов. Например, в наборе символов ASCII символьный нуль, или '0', имеет значение 48, а в коде EBCDIC – 240, и оба эти значения совершенно отличны от числа 0. Написание '0' вместо численного значения, такого как 48 или 240, делает программу не зависящей от конкретного численного представления этого символа в данной машине. Символьные константы точно так же участвуют в численных операциях, как и любые другие числа, хотя наиболее часто они используются в сравнении с другими символами. Правила преобразования будут изложены позднее.

Некоторые неграфические символы могут быть представлены как символьные константы с помощью эскайп-последовательностей, как, например, \n (новая строка). Хотя они выглядят как два символа, на самом деле являются одним. Кроме того, можно сгенерировать произвольную последовательность двоичных знаков размером в байт, если написать '\ooo', где ooo – от одной до трех восьмеричных цифр (0, 1,…,7), или '\xhh', где hhh – одна, две или более шестнадцатиричных цифр (0, 1, …, F).

Например, в коде ASCII:

#define vtab '013' // Вертикальная табуляция

#define bell '\017' // Звоночек

или в шестнадцатиричном виде:

#define vtab '\xb' // Вертикальная табуляция

#define bell '\x7' // Звоночек

Полный набор эскайп-последовательностей таков:

Символьная константа '\0', изображающая символ со значением 0, часто записывается вместо целой константы 0 , чтобы подчеркнуть символьную природу некоторого выражения.

3.3.2. Константное выражение . Константное выражение – это выражение, состоящее из одних констант. Такие выражения обрабатываются во время компиляции, а не при прогоне программы, и соответственно могут быть использованы в любом месте, где можно использовать константу, как, например в

#define maxline 1000

char line[maxline+1];

или

seconds = 60 * 60 * hours;

3.3.3. Строчная константа . Строчная константа – это последовательность, состоящая из нуля или более символов, заключенных в двойные кавычки, как, например,

"I am a string" // Я - строка

или

"" // Null string – нулевая строка

Кавычки не являются частью строки, а служат только для ее ограничения. Те же самые условные последовательности, которые использовались в символьных константах, применяются и в строках; символ двойной кавычки изображается как \".

С технической точки зрения строка представляет собой массив, элементами которого являются отдельные символы. Чтобы программам было удобно определять конец строки, компилятор автоматически помещает в конец каждой строки нуль-символ \0. Такое представление означает, что не накладывается конкретного ограничения на то, какую длину может иметь строка, и чтобы определить эту длину, программы должны просматривать строку полностью. При этом для физического хранения строки требуется на одну ячейку памяти больше, чем число заключенных в кавычки символов.

Пример 3-1 . Следующая функция strlen(s) вычисляет длину символьной строки s не считая конечный символ \0.

strlen(char s[]) // Возвращает длину строки

{

int i;

i = 0;

while (s[i] != '\0')

++i;

return(i);

}

Будьте внимательны и не путайте символьную константу со строкой, содержащей один символ: 'x' - это не то же самое, что "x". Первое – это отдельный символ, использованный с целью получения численного значения, соответствующего букве х в машинном наборе символов. Второе – символьная строка, состоящая из одного символа (буква х) и \0.

3.4. Описания

Все переменные должны быть описаны до их использования, хотя некоторые описания делаются неявно, по контексту. Описание состоит из спецификатора типа и следующего за ним списка переменных, имеющих этот тип, как, например,

int lower, upper, step;

char c, line[1000];

Переменные можно распределять по описаниям любым образом; приведенные выше списки можно с тем же успехом записать в виде:

int lower;

int upper;

int step;

char c;

char line[1000];

Такая форма занимает больше места, но она удобна для добавления комментария к каждому описанию и для последующих модификаций.

Переменным могут быть присвоены начальные значения внутри их описания, хотя здесь имеются некоторые ограничения. Если за именем переменной следуют знак равенства и константа, то эта константа служит в качестве инициализатора, как, например, в

char backslash = '\\';

int i = 0;

float eps = 1.0e–5;

Если рассматриваемая переменная является внешней или статической, то инициализация проводится только один раз, согласно концепции до начала выполнения программы. Инициализируемым явно автоматическим переменным начальные значения присваиваются при каждом обращении к функции, в которой они описаны. Автоматические переменные, не инициализируемые явно, имеют неопределенные значения, (т.е. мусор). Внешние и статические переменные по умолчанию инициализируются нулем, но, тем не менее, их явная инициализация является признаком хорошего стиля.

Мы продолжим обсуждение вопросов инициализации, когда будем описывать новые типы данных.

3.5. Арифметические операции

Бинарными арифметическими операциями являются +, –, *, / и операция деления по модулю %. Имеется унарная операция – , но не существует унарной операции +.

При делении целых дробная часть отбрасывается. Выражение:

x % y

дает остаток от деления x на y и, следовательно, равно нулю, когда х делится на y точно. Например, год является високосным, если он делится на 4, но не делится на 100, исключая то, что делящиеся на 400 годы тоже являются високосными. Поэтому

if(year%4 == 0 && year%100 != 0 || year%400 == 0)

год високосный;

else

год невисокосный;

Операцию % нельзя использовать с типами float или double. Операции + и – имеют одинаковое старшинство, которое младше одинакового уровня старшинства операций *, / и %, которые в свою очередь младше унарного минуса. Арифметические операции группируются слева направо. (Сведения о старшинстве и ассоциативности всех операций собраны в таблице в конце этой главы). Порядок выполнения ассоциативных и коммутативных операций типа + и – не фиксируется; компилятор может перегруппировывать даже заключенные в круглые скобки выражения, связанные такими операциями.

Таким образом, а+(b+c) может быть вычислено как (a+b)+c. Это редко приводит к какому-либо расхождению, но если необходимо обеспечить строго определенный порядок, то нужно использовать явные промежуточные переменные.

Действия, предпринимаемые при переполнении и антипереполнении (т.е. при получении слишком маленького по абсолютной величине числа), зависят от используемой машины.

3.6. Операции отношения и логические операции

Операциями отношения являются

=> > =< < .

Все они имеют одинаковое старшинство. Непосредственно за ними по уровню старшинства следуют операции равенства и неравенства:

== != ,

которые тоже имеют одинаковое старшинство. Операции отношения младше арифметических операций, так что выражения типа i<lim-1 понимаются как i<(lim-1), как и предполагается.

Логические связки && и || более интересны. Выражения, связанные операциями && и ||, вычисляются слева направо, причем их рассмотрение прекращается сразу же как только становится ясно, будет ли результат истиной или ложью. Учет этих свойств очень существенен для написания правильно работающих программ. Рассмотрим, например, оператор цикла в считывающей строку функции getline, которую мы написали в главе 2:

for(i=0;i<lim-1 && (c=getchar())!='\n' && c!=eof; ++i)

s[i]=c;

Ясно, что перед считыванием нового символа необходимо проверить, имеется ли еще место в массиве s, так что условие i<lim-1 должно проверяться первым. И если это условие не выполняется, мы не должны считывать следующий символ.

Так же неудачным было бы сравнение символа в переменной c с eof до обращения к функции getchar: прежде чем проверять символ, его нужно считать.

Старшинство операции && выше, чем у ||, и обе они младше операций отношения и равенства. Поэтому такие выражения, как

i<lim-1 && (c = getchar()) != '\n' && c != eof

не нуждаются в дополнительных круглых скобках.

Но так как операция != старше операции присваивания, то для достижения правильного результата в выражении

(c = getchar()) != '\n'

скобки необходимы.

Унарная операция отрицания ! преобразует ненулевой или истинный операнд в 0, а нулевой или ложный операнд в 1. Обычное использование операции ! заключается в записи

if( ! inword ) вместо if( inword == 0 )

Tрудно сказать, какая форма лучше. Конструкции типа ! inword читаются довольно удобно («если не в слове»). Но в более сложных случаях они могут оказаться трудными для понимания.

Упражнение 3-1 . Напишите оператор цикла, эквивалентный приведенному выше оператору for, не используя операции &&.

3.7. Преобразование типов

Если в выражениях встречаются операнды различных типов, то они преобразуются к общему типу в соответствии с небольшим набором правил. В общем, автоматически производятся только преобразования, имеющие смысл, такие как, например, преобразование целого в плавающее в выражениях типа f+i. Выражения же, лишенные смысла, такие как использование переменной типа float в качестве индекса, запрещены.

Во-первых, типы char и int могут свободно смешиваться в арифметических выражениях: каждая переменная типа char автоматически преобразуется в int. Это обеспечивает значительную гибкость при проведении определенных преобразований символов.

Пример 3-2 . Примером может служить функция atoi, которая ставит в соответствие строке цифр ее численный эквивалент.

atoi(char s[]) // Преобразование s в целое

{

int i, n;

n = 0;

for ( i = 0; s[i]>='0' && s[i]<='9'; ++i)

n = 10 * n + s[i] - '0';

return(n);

}

Kак уже обсуждалось в главе 2, выражение s[i]-'0' имеет численное значение находящегося в s[i]символа, потому что значение символов '0', '1' и т.д. образуют возрастающую последовательность расположенных подряд целых положительных чисел.

Пример 3-3 . Другой пример преобразования char в int дает функция lower, преобразующая данную прописную букву в строчную. Если выступающий в качестве аргумента символ не является прописной буквой, то lower возвращает его неизменным. Приводимая ниже программа справедлива только для набора символов ASCII.

lower(int c) // Преобразование прописных в строчные

{

if ( c >= 'A' && c <= 'Z' )

return( c + 'a' - 'A');

else // @ записано вместо 'a' строчного

return(c);

}

Эта функция правильно работает при коде ASCII, потому что численные значения, соответствующие в этом коде прописным и строчным буквам, отличаются на постоянную величину, а каждый алфавит является сплошным – между a и z нет ничего, кроме букв. Это последнее замечание для набора символов EBCDIC систем IBM 370 оказывается несправедливым, в силу чего эта программа на таких системах работает неправильно – она преобразует не только буквы.

При преобразовании символьных переменных в целые возникает один тонкий момент. Дело в том, что сам язык не указывает, должны ли переменным типа char соответствовать численные значения со знаком или без знака. Может ли при преобразовании char в int получиться отрицательное целое? К сожалению, ответ на этот вопрос меняется от машины к машине, отражая расхождения в их архитектуре. На некоторых машинах (PDP-11, например) переменная типа char, крайний левый бит которой содержит 1, преобразуется в отрицательное целое («знаковое расширение»). На других машинах такое преобразование сопровождается добавлением нулей с левого края, в результате чего всегда получается положительное число.

Определение языка «C» гарантирует, что любой символ из стандартного набора символов машины никогда не даст отрицательного числа, так что эти символы можно свободно использовать в выражениях как положительные величины. Но произвольные комбинации двоичных знаков, хранящиеся как символьные переменные на некоторых машинах, могут дать отрицательные значения, а на других положительные.

Наиболее типичным примером возникновения такой ситуации является случай, когда значение 1 используется в качестве eof. Рассмотрим программу:

char c;

c = getchar();

if ( c == eof )

...

На машине, которая не осуществляет знакового расширения, переменная c всегда положительна, поскольку она описана как char, а так как eof отрицательно, то условие никогда не выполняется. Чтобы избежать такой ситуации, мы всегда предусмотрительно использовали int вместо char для любой переменной, получающей значение от getchar.

Основная же причина использования int вместо char не связана с каким-либо вопросом о возможном знаковом расширении. просто функция getchar должна передавать все возможные символы (чтобы ее можно было использовать для произвольного ввода) и, кроме того, отличающееся значение eof. Следовательно значение eof не может быть представлено как char, а должно храниться как int.

Другой полезной формой автоматического преобразования типов является то, что выражения отношения, подобные i>j, и логические выражения, связанные операциями && и ||, по определению имеют значение 1, если они истинны, и 0, если они ложны. Таким образом, присваивание:

isdigit = c >= '0' && c <= '9';

полагает isdigit равным 1, если c – цифра, и равным 0 в противном случае. (В проверочной части операторов if, while, for и т.д. «истина» просто означает «не нуль»).

Неявные арифметические преобразования работают в основном, как и ожидается. В общих чертах, если операция типа + или *, которая связывает два операнда (бинарная операция), имеет операнды разных типов, то перед выполнением операции «низший» тип преобразуется к «высшему» и получается результат «высшего» типа. Более точно, к каждой арифметической операции применяется следующая последовательность правил преобразования.

1. Типы char и short преобразуются в int, а float в double.

2. Затем, если один из операндов имеет тип double, то другой преобразуется в double, и результат имеет тип double.

3. В противном случае, если один из операндов имеет тип long, то другой преобразуется в long, и результат имеет тип long.

4. В противном случае, если один из операндов имеет тип unsigned, то другой преобразуется в unsigned и результат имеет тип unsigned.

5. В противном случае операнды должны быть типа int, и результат имеет тип int.

Подчеркнем, что все переменные типа float в выражениях преобразуются в double; в языке «C» вся плавающая арифметика выполняется с двойной точностью.

Преобразования возникают и при присваиваниях; значение правой части преобразуется к типу левой, который и является типом результата. Символьные переменные преобразуются в целые либо со знаковым расширением, либо без него, как описано выше. Обратное преобразование int в char ведет себя хорошо – лишние биты высокого порядка просто отбрасываются. Таким образом, если:

int i;

char c;

i = c;

c = i;

то значение символа c не изменяется. Это верно независимо от того, вовлекается ли знаковое расширение или нет.

Если х типа float, а i типа int, то как

х = i;

так и

i = х;

приводят к преобразованиям; при этом float преобразуется в int отбрасыванием дробной части. Тип double преобразуется во float округлением. Длинные целые преобразуются в более короткие целые и в переменные типа char посредством отбрасывания лишних битов высокого порядка.

Так как аргумент функции является выражением, то при передаче функциям аргументов также происходит преобразование типов: в частности, char и short становятся int, а float становится double. Именно поэтому мы описывали аргументы функций как int и double даже тогда, когда обращались к ним с переменными типа char и float.

Наконец, в любом выражении может быть осуществлено («принуждено») явное преобразование типа с помощью конструкции, называемой перевод (cast). В этой конструкции, имеющей вид:

(имя типа) выражение

выражение преобразуется к указанному типу по правилам преобразования, изложенным выше. Фактически точный смысл операции перевода можно описать следующим образом: выражение как бы присваивается некоторой переменной указанного типа, которая затем используется вместо всей конструкции. Например, библиотечная процедура sqrt ожидает аргумента типа double и выдаст бессмысленный ответ, если к ней по небрежности обратятся с чем-нибудь иным. Таким образом, если n – целое, то выражение:

sqrt((double)n)

до передачи аргумента функции sqrt преобразует n к типу double.

Отметим, что операция перевод преобразует значение n в надлежащий тип; фактическое содержание переменной n при этом не изменяется. Операция перевода имрация перевода имеет тот же уровень старшинства, что и другие унарные операции, как указывается в таблице в конце этой главы.

Упражнение 3-2 . Составьте программу для функции htoi(s), которая преобразует строку шестнадцатеричных цифр в эквивалентное ей целое значение. При этом допустимыми цифрами являются цифры от 1 до 9 и буквы от а до f.

3.8. Операции увеличения и уменьшения

В языке «C» предусмотрены две необычные операции для увеличения и уменьшения значений переменных. Операция увеличения ++ добавляет 1 к своему операнду, а операция уменьшения -- вычитает 1. Мы часто использовали операцию ++ для увеличения переменных, как, например, в

if(c == '\n')

++i;

Необычный аспект заключается в том, что ++ и -- можно использовать либо как префиксные операции (перед переменной, как в ++n), либо как постфиксные (после переменной: n++). Эффект в обоих случаях состоит в увеличении N. Но выражение ++n увеличивает переменную N до использования ее значения, в то время как n++ увеличивает переменную N после того, как ее значение было использовано. Это означает, что в контексте, где используется значение переменной, а не только эффект увеличения, использование ++n и n++ приводит к разным результатам. Если n=5, то:

х = n++;

устанавливает х равным 5, а

х = ++n;

полагает х равным 6. В обоих случаях n становится равным 6. Операции увеличения и уменьшения можно применять только к переменным; выражения типа х=i+j)++ являются незаконными.

В случаях, где нужен только эффект увеличения, а само значение не используется, как, например, в:

if ( c == '\n' )

nal++;

выбор префиксной или постфиксной операции является делом вкуса. Но встречаются ситуации, где нужно использовать именно ту или другую операцию.

Пример 3-4 . Рассмотрим функцию squeeze(s,c), которая удаляет символ 'ж' из строки s, каждый раз, как он встречается. Обращение к функции может быть следующим: squeeze(s,'ж'). Текст функции выглядит так:

squeeze(char s[],int c)

{

int i, j;

for ( i = j = 0; s[i] != '\0'; i++)

if ( s[i] != c )

s[j++] = s[i];

s[j] = '\0';

}

Каждый раз, как встречается символ, отличный от 'ж', он копируется в текущую позицию j, и только после этого j увеличивается на 1, чтобы быть готовым для поступления следующего символа. Это в точности эквивалентно записи

if ( s[i] != c )

{

s[j] = s[i];

j++;

}

Пример 3-5 . Подобную конструкцию дает функция getline, которую мы запрограммировали в главе 2, где можно заменить:

if ( c == '\n' )

{

s[i] = c;

++i;

}

более компактной записью

if ( c == '\n' )

s[i++] = c;

Пример 3-6 . Рассмотрим функцию strcat(s,t), которая приписывает строку t в конец строки s, образуя конкатенацию строк s и t. При этом предполагается, что в s достаточно места для хранения полученной комбинации.

strcat(s,t) // Присоединить t к окончанию s

char s[], t[]; // s должна быть достаточно большой

{

int i, j;

i = j = 0;

while(s[i] != '\0') // Поиск «хвоста» s

i++;

while((s[i++]=t[j++]) != '\0') // Копируем t

; // «Пустой» оператор

}

Tак как из t в s копируется каждый символ, то для подготовки к следующему прохождению цикла постфиксная операция ++ применяется к обеим переменным i и j.

Упражнение 3-3 . Напишите другой вариант функции:

squeeze(s1,s2), который удаляет из строки s1 каждый символ, совпадающий с каким-либо символом строки s2.

Упражнение 3-4 . Напишите программу для функции any(s1,s2), которая находит место первого появления в строке s1 какого-либо символа из строки s2 и, если строка s1 не содержит символов строки s2, возвращает значение –1.

3.9. Побитовые логические операции

В языке предусмотрен ряд операций для работы с битами; эти операции нельзя применять к переменным типа float или double.

& – побитовое И (AND);

| – побитовое ИЛИ (включающее OR);

^ – побитовое исключающее ИЛИ;

<< – сдвиг влево;

>> – сдвиг вправо;

~ – побитовое отрицание (дополнение, унарная операция).

Побитовая операция И часто используется для маскирования некоторого множества битов. Например, оператор:

c = n & 0177

передает в c семь младших битов n, полагая остальные равными нулю.

Операция | (побитовое ИЛИ) используется для включения битов:

c = x | mask

устанавливает на единицу те биты в х , которые равны единице в mask.

Следует быть внимательным и отличать побитовые операции & и | от логических связок && и || , которые подразумевают вычисление значения истинности слева направо. Например, если х=1, а y=2, то значение х&y равно нулю, в то время как значение x&&y равно единице (почему?).

Операции сдвига << и >> осуществляют, соответственно, сдвиг влево и вправо своего левого операнда на число битовых позиций, задаваемых правым операндом. Таким образом, х<<2 сдвигает х влево на две позиции, заполняя освобождающиеся биты нулями, что эквивалентно умножению х на 4. Следует отметить, что сдвиг вправо величины без знака заполняет освобождающиеся биты на некоторых машинах, таких как PDP-11, содержанием знакового бита (арифметический сдвиг), а на других – нулем (логический сдвиг).

Унарная операция ~ дает дополнение к целому; это означает , что каждый бит со значением 1 получает значение 0 и наоборот. Эта операция обычно оказывается полезной в выражениях типа:

x & ~077

где последние шесть битов х маскируются нулем. Подчеркнем, что выражение x&~077 не зависит от длины слова и поэтому предпочтительнее, чем, например, x&0177700, где предполагается, что х занимает 16 битов. такая переносимая форма не требует никаких дополнительных затрат, поскольку ~077 является константным выражением и, следовательно, обрабатывается во время компиляции.

Пример 3-7 . Чтобы проиллюстрировать использование некоторых операций с битами, рассмотрим функцию getbits(x,p,n), которая возвращает начинающиеся с позиции р поле переменной х длиной n битов, сдвинутыми к правому краю. Мы предполагаем , что крайний правый бит имеет номер 0, и что n и р – разумно заданные положительные числа. например, getbits(x,4,3) возвращает сдвинутыми к правому краю биты, занимающие позиции 4, 3 и 2.

// Получить n, начиная с p-й позиции

getbits(unsigned x, unsigned p, unsigned n)

{

return((x >> (p+1-n)) & ~(~0 << n));

}

Операция x>>(p+1-n) сдвигает желаемое поле в правый конец слова. Описание аргумента x как unsigned гарантирует, что при сдвиге вправо освобождающиеся биты будут заполняться нулями, а не содержимым знакового бита, независимо от того, на какой машине пропускается программа. Все биты константного выражения ~0 равны 1; сдвиг его на n позиций влево с помощью операции ~0<<n создает маску с нулями в n крайних правых битах и единицами в остальных; дополнение ~ создает маску с единицами в n крайних правых битах.

Упражнение 3-5 . Переделайте getbits таким образом, чтобы биты отсчитывались слева направо.

Упражнение 3-6 . Напишите программу для функции wordlength(), вычисляющей длину слова используемой машины, т.е. Число битов в переменной типа int. Функция должна быть переносимой, т.е. Одна и та же исходная программа должна правильно работать на любой машине.

Упражнение 3-7 . Напишите программу для функции rightrot(n,b), сдвигающей циклически целое n вправо на b битовых позиций.

Упражнение 3-8 . Напишите программу для функции invert(x,p,n), которая инвертирует (т.е. заменяет 1 на 0 и наоборот) n битов x, начинающихся с позиции p, оставляя другие биты неизмененными.

3.10. Операции и выражения присваивания

Такие выражения, как:

i = i + 2 ,

в которых левая часть повторяется в правой части могут быть записаны в сжатой форме:

i += 2 ,

используя операцию присваивания вида +=.

Большинству бинарных операций (операций подобных +, которые имеют левый и правый операнд) соответствует операция присваивания вида оп =, где оп – одна из операций:

+ - * / % << >> & ^ | .

Если е1 и е2 – выражения, то:

е1 оп = е2

эквивалентно:

е1 = (е1) оп (е2)

за исключением того, что выражение е1 вычисляется только один раз. Обратите внимание на круглые скобки вокруг е2: если:

x *= y + 1 ,

то

x = x * (y + 1) ,

но не

x = x * y + 1 .

Пример 3-8 . В качестве примера приведем функцию bitcount, которая подсчитывает число равных 1 битов у целого аргумента.

// Определить число единичных бит в целом n

bitcount(unsigned n)

(

int b;

for (b = 0; n != 0; n >>= 1)

if (n & 01)

b++;

return(b);

)

Не говоря уже о краткости, такие операторы присваивания имеют то преимущество, что они лучше соответствуют образу человеческого мышления.

Мы говорим: «прибавить 2 к i» или «увеличить i на 2», но не «взять i, прибавить 2 и поместить результат опять в i». Итак, i += 2.

Кроме того, в громоздких выражениях, подобных:

yyval[yypv[p3+p4] + yypv[p1+p2]] += 2 ,

такая операция присваивания облегчает понимание программы, так как читатель не должен скрупулезно проверять, являются ли два длинных выражения действительно одинаковыми, или задумываться, почему они не совпадают. Такая операция присваивания может даже помочь компилятору получить более эффективную программу.

Мы уже использовали тот факт, что операция присваивания «вырабатывает» значение и может входить в выражения. Самый типичный пример:

while ((c = getchar()) != eof) .

Присваивания, использующие другие операции (+=, -= и т.д.), также могут входить в выражения, хотя это случается реже.

Типом выражения присваивания является тип его левого операнда.

Упражнение 3-9 . В двоичной системе счисления операция x&(x-1) обнуляет самый правый равный 1 бит переменной x (почему?). Используйте это замечание для написания более быстрой версии функции bitcount.

3.11. Условные выражения

Операторы:

if (a > b)

z = a;

else

z = b;

конечно вычисляют в z максимум из a и b. Условное выражение, записанное с помощью тернарной (т.е. имеющей три операнда) операции «?:», предоставляет другую возможность для записи этой и аналогичных конструкций. В выражении:

е1 ? е 2 : е3

сначала вычисляется выражение е1. Если оно отлично от нуля (истинно), то вычисляется выражение е2, которое и становится значением условного выражения. В противном случае вычисляется е3, и оно становится значением условного выражения. Каждый раз вычисляется только одно из выражения е2 и е3. Таким образом, чтобы положить z равным максимуму из а и в, можно написать:

z = (a > b) ? a : b; // z = max(a,b)

Следует подчеркнуть, что условное выражение действительно является выражением и может использоваться точно так же, как любое другое выражение. Если е2 и е3 имеют разные типы, то тип результата определяется по правилам преобразования, рассмотренным ранее в этой главе. Например, если f имеет тип float, а n – тип int, то выражение:

(n > 0) ? f : n

имеет тип double независимо от того, положительно ли n или нет.

Так как уровень старшинства операции ?: очень низок (ниже может быть только присваивание), то первое выражение в условном выражении можно не заключать в круглые скобки. Однако мы все же рекомендуем это делать, так как скобки делают условную часть выражения более заметной.

Использование условных выражений часто приводит к коротким программам. Например, следующий ниже оператор цикла печатает n элементов массива, по 10 в строке, разделяя каждый столбец одним пробелом и заканчивая каждую строку (включая последнюю) одним символом перевода строки:

for (i = 0; i < n; i++)

printf("%6d%c",a[i],(i%10==9 || i==n-1) ? '\n' : ' ');

Символ перевода строки записывается после каждого десятого элемента и после n-го элемента. За всеми остальными элементами следует один пробел. Хотя, возможно, это выглядит мудреным, было бы поучительным попытаться записать это, не используя условного выражения.

Упражнение 3-10 . Перепишите программу для функции lower, которая переводит прописные буквы в строчные, используя вместо конструкции if-else условное выражение.

3.12. Старшинство и порядок вычисления

В приводимой ниже таблице 3.2. сведены правила старшинства и ассоциативности всех операций, включая и те, которые мы еще не обсуждали. Операции, расположенные в одной строке, имеют один и тот же уровень старшинства; строки расположены в порядке убывания старшинства.

Так, например, операции *, / и % имеют одинаковый уровень старшинства, который выше, чем уровень операций + и -.

Операции -> и . (точка) используются для доступа к элементам структур; они будут описаны в главе 7 вместе с sizeof (размер объекта). В главе 6 обсуждаются операции * (косвенное обращение по указателю) и & (получение адреса объекта). Отметим, что уровень старшинства побитовых логических операций &, ^ и | ниже уровня операций == и != . Это приводит к тому, что осуществляющие побитовую проверку выражения, подобные

if ((x & mask) == 0) ...

для получения правильных результатов должны заключаться в круглые скобки.

Как уже отмечалось ранее, выражения, в которые входит одна из ассоциативных и коммутативных операций (*, +, &, ^ и | ), могут перегруппировываться, даже если они заключены в круглые скобки. В большинстве случаев это не приводит к каким бы то ни было расхождениям; в ситуациях, где такие расхождения все же возможны, для обеспечения нужного порядка вычислений можно использовать явные промежуточные переменные.

Таблица 3.2.

Правила старшинства и ассоциативности операций

В языке «C», как и в большинстве языков, не фиксируется порядок вычисления операндов в операторе. Например, в операторе вида:

x = f() + g();

сначала может быть вычислено f, а потом g, и наоборот; поэтому, если либо f, либо g изменяют внешнюю переменную, от которой зависит другой операнд, то значение x может зависеть от порядка вычислений. Для обеспечения нужной последовательности промежуточные результаты можно опять запоминать во временных переменных.

Подобным же образом не фиксируется порядок вычисления аргументов функции, так что оператор:

printf("%d %d\n",++n,power(2,n));

может давать (и действительно дает) на разных машинах различные результаты в зависимости от того, увеличивается ли n до или после обращения к функции POWER. Правильным решением, конечно, является запись:

++n;

printf("%d %d\n",n,power(2,n));

Обращения к функциям, вложенные операции присваивания, операции увеличения и уменьшения приводят к так называемым «побочным эффектам» – некоторые переменные изменяются как побочный результат вычисления выражений. В любом выражении, в котором возникают побочные эффекты, могут существовать очень тонкие зависимости от порядка, в котором определяются входящие в него переменные. Примером типичной неудачной ситуации является оператор:

a[i] = i++;

Возникает вопрос, старое или новое значение i служит в качестве индекса. Компилятор может поступать разными способами и в зависимости от своей интерпретации выдавать разные результаты. Тот случай, когда происходят побочные эффекты (присваивание фактическим переменным), – оставляется на усмотрение компилятора, так как наилучший порядок сильно зависит от архитектуры машины.

Из этих рассуждений вытекает такая мораль: написание программ, зависящих от порядка вычислений, является плохим методом программирования на любом языке. Конечно, необходимо знать, чего следует избегать, но если вы не в курсе, как некоторые вещи реализованы на разных машинах, это неведение может предохранить вас от неприятностей. Отладочная программа L int системы Unix укажет большинство мест, зависящих от порядка вычислений.

4. ПОТОК УПРАВЛЕНИЯ

Управляющие операторы языка определяют порядок вычислений. В приведенных ранее примерах мы уже встречались с наиболее употребительными управляющими конструкциями языка «C»; здесь мы опишем остальные операторы управления и уточним действия операторов, обсуждавшихся ранее.

4.1. Операторы и блоки

Такие выражения, как x=0, или i++, или printf(...), становятся операторами, если за ними следует точка с запятой, как, например:

x = 0;

i++;

printf(...);

В языке «C» точка с запятой является признаком конца оператора, а не разделителем операторов, как в языках типа АЛГОЛ и ПАСКАЛЬ.

Фигурные скобки { и } используются для объединения описаний и операторов в составной оператор или блок, так что они оказываются синтаксически эквивалентны одному оператору. Один явный пример такого типа дают фигурные скобки, в которые заключаются операторы, составляющие функцию, другой – фигурные скобки вокруг группы операторов в конструкциях if, else, while и for (на самом деле переменные могут быть описаны внутри любого блока; мы поговорим об этом в главе 5). Точка с запятой никогда не ставится после первой фигурной скобки, которая завершает блок.

4.2. Конструкция if-else

Оператор if-else используется при необходимости сделать выбор. Формально синтаксис имеет вид:

if выражение)

оператор-1;

else

оператор-2;

где часть else является необязательной. Сначала вычисляется выражение; если оно «истинно» (т.е. значение выражения отлично от нуля), то выполняется оператор-1. Если оно ложно (значение выражения равно нулю), и если есть часть с else, то вместо оператора-1 выполняется оператор-2.

Так как IF просто проверяет численное значение выражения, то возможно некоторое сокращение записи. Самой очевидной возможностью является запись:

if (выражение)

вместо

if (выражение !=0)

иногда такая запись является ясной и естественной, но временами она становится загадочной.

То, что часть else в конструкции if-else является необязательной, приводит к двусмысленности в случае, когда else опускается во вложенной последовательности операторов if. Эта неоднозначность разрешается обычным образом: else связывается с ближайшим предыдущим if, не содержащим else. Например, в:

if ( n > 0 )

if( a > b )

z = a;

else

z = b;

конструкция else относится к внутреннему if, как мы и показали, сдвинув else под соответствующий if. Если это не то, что вы хотите, то для получения нужного соответствия необходимо использовать фигурные скобки:

if (n > 0)

{

if (a > b)

z = a;

}

else

z = b;

Такая двусмысленность особенно пагубна в ситуациях типа:

if (n > 0)

for (i = 0; i < n; i++)

if (s[i] > 0)

{

printf("...");

return(i);

}

else // Неправильно

printf("Ошибка: n равно нулю\n");

Запись else под if ясно показывает, чего вы хотите, но компилятор не получит соответствующего указания и свяжет else с внутренним if. Ошибки такого рода очень трудно обнаруживаются.

Между прочим, обратите внимание, что в:

if (a > b)

z = a;

else

z = b;

после z=a стоит точка с запятой. Дело в том, что согласно грамматическим правилам, за if должен следовать оператор, а выражение типа z=a, являющееся оператором, всегда заканчивается точкой с запятой.

4.3. Конструкция else-if

Конструкция:

if (выражение)

оператор;

else if (выражение)

оператор;

else if (выражение)

оператор;

else

оператор;

встречается настолько часто, что заслуживает отдельного краткого рассмотрения. Такая последовательность операторов if является наиболее распространенным способом программирования выбора из нескольких возможных вариантов. Выражения просматриваются последовательно. Если какое-то выражение оказывается истинным, то выполняется относящийся к нему оператор, и этим вся цепочка заканчивается. Каждый оператор может быть либо отдельным оператором, либо группой операторов в фигурных скобках.

Последняя часть с else имеет дело со случаем, когда ни одно из проверяемых условий не выполняется. Иногда при этом не надо предпринимать никаких явных действий; в этом случае хвост:

else

оператор;

может быть опущен, или его можно использовать для контроля, чтобы засечь «невозможное» условие.

Пример 4-1 . Для иллюстрации выбора из трех возможных вариантов приведем программу функции, которая методом половинного деления определяет, находится ли данное значение х в отсортированном массиве v. Элементы массива v должны быть расположены в порядке возрастания. Функция возвращает номер позиции (число между 0 и n-1), в которой значение х находится в v, и -1, если х не содержится в v.

// Найти x в v[0]<=v[1]<=...<=v[n-1]

binary(int x, int v[], int n)

{

int low, high, mid;

low = 0;

high = n - 1;

while (low <= high)

{

mid = (low + high) / 2;

if (x < v[mid])

high = mid - 1;

else if (x > v[mid])

low = mid + 1;

else /* found match */

return(mid);

}

return(-1);

}

Основной частью каждого шага алгоритма является проверка, будет ли х меньше, больше или равен среднему элементу v[mid]. Использование конструкции else-if здесь вполне естественно.

4.4. Переключатель switch

Оператор switch дает специальный способ выбора одного из многих вариантов, который заключается в проверке совпадения значения данного выражения с одной из заданных констант и соответствующем ветвлении.

Пример 4-2 . В главе 2 мы привели программу подсчета числа вхождений каждой цифры, символов пустых промежутков и всех остальных символов, использующую последовательность:

if ... else if ... else.

Вот та же самая программа с переключателем:

main() // Подсчет цифр, пробелов и др. символов

{

int c, i, nwhite, nother, ndigit[10];

nwhite = nother = 0;

for (i = 0; i < 10; i++)

ndigit[i] = 0;

while ((c = getchar()) != eof)

{

switch (c)

{

case '0':

case '1':

case '2':

case '3':

case '4':

case '5':

case '6':

case '7':

case '8':

case '9':

ndigit[c-'0']++;

break;

case ' ':

case '\n':

case '\t':

nwhite++;

break;

default :

nother++;

break;

}

}

printf("digits =");

for (i = 0; i < 10; i++)

printf(" %d", ndigit[i]);

printf("\nwhite space = %d, other = %d\n",

nwhite, nother);

return 0;

}

Переключатель вычисляет целое выражение в круглых скобках (в данной программе – значение символа с) и сравнивает его значение со всеми случаями (case). Каждый случай должен быть помечен либо целым, либо символьной константой, либо константным выражением. Если значение константного выражения, стоящего после вариантного префикса case, совпадает со значением целого выражения, то выполнение начинается с этого случая. Если ни один из случаев не подходит, то выполняется оператор после префикса default. Префикс default является необязательным ,если его нет, и ни один из случаев не подходит, то вообще никакие действия не выполняются. Случаи и выбор по умолчанию могут располагаться в любом порядке. Все случаи должны быть различными.

Оператор break приводит к немедленному выходу из переключателя. Поскольку случаи служат только в качестве меток, то если вы не предпримите явных действий после выполнения операторов, соответствующих одному случаю, вы провалитесь на следующий случай. Операторы break и return являются самым обычным способом выхода из переключателя. Как мы обсудим позже в этой главе, оператор break можно использовать и для немедленного выхода из операторов цикла while, for и do.

Проваливание сквозь случаи имеет как свои достоинства, так и недостатки. К положительным качествам можно отнести то, что оно позволяет связать несколько случаев с одним действием, как было с пробелом, табуляцией и новой строкой в нашем примере. Но в то же время оно обычно приводит к необходимости заканчивать каждый случай оператором break, чтобы избежать перехода к следующему случаю. Проваливание с одного случая на другой обычно бывает неустойчивым, так как оно склонно к расщеплению при модификации программы. За исключением, когда одному вычислению соответствуют несколько меток, проваливание следует использовать умеренно.

Заведите привычку ставить оператор break после последнего случая (в данном примере после default), даже если это не является логически необходимым. В один прекрасный день, когда вы добавите в конец еще один случай (case), эта маленькая мера предосторожности избавит вас от неприятностей.

Упражнение 4-1 . Напишите программу для функции expand(s,t), которая копирует строку s в t, заменяя при этом символы табуляции и новой строки на видимые условные последовательности, как \n и \t. Используйте переключатель.

4.5. Циклы while и for

Мы уже сталкивались с операторами цикла while и for. В конструкции:

while (выражение)

оператор;

вычисляется выражение. Если его значение отлично от нуля, то выполняется оператор и выражение вычисляется снова. Этот цикл продолжается до тех пор, пока значение выражения не станет нулем, после чего выполнение программы продолжается с места после оператора.

Конструкция for вида:

for (выражение 1; выражение 2; выражение 3)

оператор;

эквивалентна конструкции while вида:

выражение 1;

while (выражение 2)

{

оператор;

выражение 3;

}

Грамматически все три компонента в for являются выражениями. Наиболее распространенным является случай, когда выражение 1 и выражение 3 являются присваиваниями или обращениями к функциям, а выражение 2 – условным выражением. Любая из трех частей может быть опущена, хотя точки с запятой при этом должны оставаться. Если отсутствует выражение 1 или выражение 3, то оно просто выпадает из расширения. Если же отсутствует проверка, выражение 2, то считается, как будто оно всегда истинно, так что:

for (;;)

{

...

}

является бесконечным циклом, о котором предполагается, что он будет прерван другими средствами (такими как break или return).

Использовать ли while или for – это, в основном дело вкуса. Например в

while ((c = getchar())==' ' || c=='\n' || c=='\t')

; // Пропустить символы-разделители

нет ни инициализации, ни реинициализации, так что цикл while выглядит самым естественным.

Цикл for, очевидно, предпочтительнее там, где имеется простая инициализация и реинициализация, поскольку при этом управляющие циклом операторы наглядным образом оказываются вместе в начале цикла. Это наиболее очевидно в конструкции:

for (i = 0; i < n; i++) ,

которая является идиомой языка «C» для обработки первых n элементов массива, аналогичной оператору цикла DO в ФОРТРАНЕ и PL/1. Аналогия, однако, не полная, так как границы цикла могут быть изменены внутри цикла, а управляющая переменная сохраняет свое значение после выхода из цикла, какова бы ни была причина этого выхода. Поскольку компонентами for могут быть произвольные выражения, они не ограничиваются только арифметическими прогрессиями. Тем не менее является плохим стилем включать в for вычисления, которые не относятся к управлению циклом, лучше поместить их в управляемые циклом операторы.

Пример 4-3 . В качестве большего по размеру примера приведем другой вариант функции atoi, преобразующей строку в ее численный эквивалент. Этот вариант является более общим; он допускает присутствие в начале символов пустых промежутков и знака + или – . (В главе 5 приведена функция atof, которая выполняет то же самое преобразование для чисел с плавающей точкой).

Общая схема программы отражает форму поступающих данных:

· пропустить пустой промежуток, если он имеется;

· извлечь знак, если он имеется;

· извлечь целую часть и преобразовать ее.

Каждый шаг выполняет свою часть работы и оставляет все в подготовленном состоянии для следующей части. Весь процесс заканчивается на первом символе, который не может быть частью числа.

int atoi(char s[]) //Преобразовать s в целое; версия 2

{

int i, n, sign;

for(i=0;s[i]==' ' || s[i]=='\n' || s[i]=='\t';i++)

; // Игнорировать символы-разделители

sign = (s[i++]=='-') ? -1 : 1;

if(s[i] == '+' || s[i] == '-') // Пропуск знака

i++;

for( n = 0; s[i] >= '0' && s[i] <= '9'; i++)

n = 10 * n + (s[i] - '0');

return(sign * n);

}

Пример 4-4 . Преимущества централизации управления циклом становятся еще более очевидными, когда имеется несколько вложенных циклов. Следующая функция сортирует массив целых чисел по методу Шелла. Основная идея сортировки по Шеллу заключается в том, что сначала сравниваются удаленные элементы, а не смежные, как в обычном методе сортировки. Это приводит к быстрому устранению большой части неупорядоченности и сокращает последующую работу. Интервал между элементами постепенно сокращается до единицы, когда сортировка фактически превращается в метод перестановки соседних элементов.

void shell(int v[],int n) // Сортировать v[0]...v[n-1]

// в порядке возрастания

{

int gap, i, j, temp;

for (gap = n/2; gap > 0; gap /= 2)

for (i = gap; i < n; i++)

for (j=i-gap; j>=0 && v[j]>v[j+gap]; j-=gap)

{

temp = v[j];

v[j] = v[j+gap];

v[j+gap] = temp;

}

}

Здесь имеются три вложенных цикла. Самый внешний цикл управляет интервалом между сравниваемыми элементами, уменьшая его от n/2 вдвое при каждом проходе, пока он не станет равным нулю. Средний цикл сравнивает каждую пару элементов, разделенных на величину интервала; самый внутренний цикл переставляет любую неупорядоченную пару. Так как интервал в конце концов сводится к единице, все элементы в результате упорядочиваются правильно. Отметим, что в силу общности конструкции for внешний цикл укладывается в ту же самую форму, что и остальные, хотя он и не является арифметической прогрессией.

Пример 4-5 . Последней операцией языка «C» является запятая «,», которая чаще всего используется в операторе for. Два выражения, разделенные запятой, вычисляются слева направо, причем типом и значением результата являются тип и значение правого операнда. Таким образом, в различные части оператора for можно включить несколько выражений, например, для параллельного изменения двух индексов. Это иллюстрируется функцией reverse(s), которая располагает строку s в обратном порядке на том же месте.

void reverse(char s[]) // Расположить строку s

// в обратном порядке

{

int c, i, j;

for(i = 0, j = strlen(s) - 1; i < j; i++, j--)

{

c = s[i];

s[i] = s[j];

s[j] = c;

}

}

Запятые, которые разделяют аргументы функций, переменные в описаниях и т.д., не имеют отношения к операции запятая и не обеспечивают вычислений слева направо.

Упражнение 4-2 . Составьте программу для функции expand(s1,s2), которая расширяет сокращенные обозначения вида а-z из строки s1 в эквивалентный полный список авс...xyz в s2. Допускаются сокращения для строчных и прописных букв и цифр. Будьте готовы иметь дело со случаями типа а-в-с, а-z0-9 и -а-z. (Полезное соглашение состоит в том, что символ – , стоящий в начале или конце s1, воспринимается буквально как минус).

4.6. Цикл do-while

Как уже отмечалось в главе 2, циклы while и for обладают тем приятным свойством, что в них проверка окончания осуществляется в начале, а не в конце цикла. Третий оператор цикла языка «C», do-while, проверяет условие окончания в конце, после каждого прохода через тело цикла; тело цикла всегда выполняется по крайней мере один раз. Синтаксис этого оператора имеет вид:

do

оператор;

while (выражение);

Сначала выполняется оператор, затем вычисляется выражение. Если оно истинно, то оператор выполняется снова и т.д. Если выражение становится ложным, цикл заканчивается.

Пример 4-6 . Как и можно было ожидать, цикл do-while используется значительно реже, чем while и for, составляя примерно пять процентов от всех циклов. Тем не менее, иногда он оказывается полезным, как, например, в следующей функции itoa, которая преобразует число в символьную строку (обратная функции atoi). Эта задача оказывается несколько более сложной, чем может показаться сначала. Дело в том, что простые методы выделения цифр генерируют их в неправильном порядке. Мы предпочли получить строку в обратном порядке, а затем обратить ее.

itoa(int n, char s[]) // Преобразование n в строку s

{

int i, sign;

if ((sign = n) < 0) // Сохраняем знак

n = -n; // Делаем n > 0

i = 0;

do // Генерируем цифры

{ // в обратном порядке

s[i++] = n % 10 + '0'; // Следующая цифра

}

while ((n /=10) > 0); // Исключить её

if (sign < 0)

s[i++] = '-'

s[i] = '\0';

reverse(s);

}

Цикл do-while здесь необходим, или по крайней мере удобен, поскольку, каково бы ни было значение n, массив s должен содержать хотя бы один символ. Мы заключили в фигурные скобки один оператор, составляющий тело do-while, хотя это и не обязательно, для того, чтобы торопливый читатель не принял часть while за начало оператора цикла while.

Упражнение 4-3 . При представлении чисел в двоичном дополнительном коде наш вариант itoa не справляется с наибольшим отрицательным числом, т.е. cо значением n, определяемым из соотношения:

,

где m – размер слова. Объясните почему. Измените программу так, чтобы она правильно печатала это значение на любой машине.

Упражнение 4-4 . Напишите аналогичную функцию itob(n,s), которая преобразует целое без знака n в его двоичное символьное представление в s. Запрограммируйте функцию itoh, которая преобразует целое в шестнадцатеричное представление.

Упражнение 4-5 . Напишите вариант iтоа, который имеет три, а не два аргумента. Третий аргумент – минимальная ширина поля; преобразованное число должно, если это необходимо, дополняться слева пробелами, так чтобы оно имело достаточную ширину.

4.7. Оператор break

Иногда бывает удобным иметь возможность управлять выходом из цикла иначе, чем проверкой условия в начале или в конце. Оператор break позволяет выйти из операторов for, while и do до окончания цикла точно так же, как и из переключателя. Оператор break приводит к немедленному выходу из самого внутреннего охватывающего его цикла (или переключателя).

Пример 4-7 . Следующая программа удаляет хвостовые пробелы и табуляции из конца каждой строки файла ввода. Она использует оператор break для выхода из цикла, когда найден крайний правый отличный от пробела и табуляции символ.

#define maxline 1000

main() // Удалить пробелы, табуляции и новые строки

{

int n;

char line[maxline];

while ((n = getline(line,maxline)) > 0)

{

while (--n >= 0)

if (line[n] != ' ' && line[n] != '\t'

&& line[n] != '\n')

break;

line[n+1] = '\0';

printf("%s\n",line);

}

}

Функция getline возвращает длину строки. Внутренний цикл начинается с последнего символа line (напомним, что --n уменьшает n до использования его значения) и движется в обратном направлении в поиске первого символа, который отличен от пробела, табуляции или новой строки. Цикл прерывается, когда: либо найден такой символ, либо n становится отрицательным (т.е. когда просмотрена вся строка). Советуем вам убедиться, что такое поведение правильно и в том случае, когда строка состоит только из символов пустых промежутков.

В качестве альтернативы к break можно ввести проверку в сам цикл:

while ((n = getline(line,maxline)) > 0)

{

while (--n >= 0 && (line[n] == ' ' ||

line[n] == '\t' || line[n] == '\n'))

;

...

}

Это уступает предыдущему варианту, так как проверка становится труднее для понимания. По возможности следует избегать проверок, которые требуют переплетения &&, ||, ! и круглых скобок.

4.8. Оператор continue

Оператор continue родственен оператору BRеак, но используется реже; он приводит к началу следующей итерации охватывающего цикла (for, while, do ). В циклах while и do это означает непосредственный переход к выполнению проверочной части; в цикле for управление передается на шаг реинициализации.

Оператор continue применяется только в циклах, но не в переключателях. Оператор continue внутри цикла, включенного внутрь переключателя, вызывает только выполнение следующей итерации цикла, но не выход из переключателя.

В качестве примера приведем фрагмент, который обрабатывает только положительные элементы массива a; отрицательные значения пропускаются.

for (i = 0; i < n; i++)

{

if (a[i] < 0) // Пропуск отрицательного элемента

continue;

... // Обработка положительного элемента

}

Оператор continue часто используется, когда последующая часть цикла оказывается слишком сложной, так что рассмотрение условия, обратного проверяемому, приводит к слишком глубокому уровню вложенности программы.

Упражнение 4-6 . Напишите программу копирования ввода на вывод, с тем исключением, что из каждой группы последовательных одинаковых строк выводится только одна. (Это простой вариант утилиты U niq системы U nix ).

4.9. Оператор goto и метки

В языке «C» предусмотрен и оператор goto, которым бесконечно злоупотребляют, и метки для ветвления. С формальной точки зрения оператор GOTO никогда не является необходимым, и на практике почти всегда можно обойтись без него. Мы не использовали goto в этой книге.

Тем не менее, мы укажем несколько ситуаций, где оператор goto может найти свое место. Наиболее характерным является его использование тогда, когда нужно прервать выполнение в некоторой глубоко вложенной структуре, например, выйти сразу из двух циклов. Здесь нельзя непосредственно использовать оператор break, так как он прерывает только самый внутренний цикл. Поэтому:

for ( ... )

for ( ... )

{

...

if (disaster)

goto error;

}

...

error:

... //Ликвидировать беспорядок

Если программа обработки ошибок нетривиальна и ошибки могут возникать в нескольких местах, то такая организация оказывается удобной. Метка имеет такую же форму, что и имя переменной, и за ней всегда следует двоеточие. Метка может быть приписана к любому оператору той же функции, в которой находится оператор goto.

В качестве другого примера рассмотрим задачу нахождения первого отрицательного элемента в двумерном массиве. (Многомерные массивы рассматриваются в главе 6). Вот одна из возможностей:

for (i = 0; i < n; i++)

for (j = 0; j < m; j++)

if (v[i][j] < 0)

goto found;

... // Не найден

found:

... // Найден в позиции i, j

На самом деле программа, использующая оператор goto, всегда может быть написана без него, хотя, возможно, за счет повторения некоторых проверок и введения дополнительных переменных. Например, программа поиска в массиве примет вид:

found = 0;

for (i = 0; i < n && !found; i++)

for (j = 0; j < m && !found; j++)

found = (v[i][j] < 0);

if (found)

... // Найден в позиции i-1, j-1

else

... // Не обнаружен

Хотя мы не являемся в этом вопросе догматиками, нам все же кажется, что если и использовать оператор goto, то нужно это делать весьма умеренно и осторожно, либо вообще обходиться без goto (как это делает большинство грамотных программистов !).

5. ФУНКЦИИ И СТРУКТУРА ПРОГРАММ

Функции разбивают большие вычислительные задачи на маленькие подзадачи и позволяют использовать в работе то, что уже сделано другими, а не начинать каждый раз с пустого места. Соответствующие функции часто могут скрывать в себе детали проводимых в разных частях программы операций, знать которые нет необходимости, проясняя тем самым всю программу, как целое, и облегчая мучения при внесении изменений.

Язык «C» разрабатывался со стремлением сделать функции эффективными и удобными для использования; «C»-программы обычно состоят из большого числа маленьких функций, а не из нескольких больших. Программа может размещаться в одном или нескольких исходных файлах любым удобным образом; исходные файлы могут компилироваться отдельно и загружаться вместе наряду со скомпилированными ранее функциями из библиотек. Мы здесь не будем вдаваться в детали этого процесса, поскольку они зависят от используемой системы.

Большинство программистов хорошо знакомы с «библиотечными» функциями для ввода и вывода (getchar, putchar и др.) и для численных расчетов (sin, cos, sqrt и др.). В этой главе мы сообщим больше о написании новых функций.

5.1. Основные сведения

Для начала давайте разработаем и составим программу печати каждой строки ввода, которая содержит определенную комбинацию символов (это – специальный случай утилиты Grep системы Unix ). Например, при поиске комбинации the в наборе строк:

Now is the time

for all good

men to come to the aid

of their party

в качестве выхода мы получим строки:

Now is the time

men to come to the aid

of the ir party

Основная схема выполнения задания четко разделяется на три части:

while (имеется еще строка)

if (строка содержит нужную комбинацию)

... // Вывод этой строки

Конечно, возможно запрограммировать все действия в виде одной основной процедуры, но лучше использовать естественную структуру задачи и представить каждую часть в виде отдельной функции. С тремя маленькими кусками легче иметь дело, чем с одним большим, потому что отдельные не относящиеся к существу дела детали можно включить в функции и уменьшить возможность нежелательных взаимодействий. Кроме того, эти куски могут оказаться полезными сами по себе.

«Пока имеется еще строка» – это getline, функция, которую мы запрограммировали в главе 2, а «вывод этой строки» – это функция printf, которую уже кто-то подготовил для нас. Это значит, что нам осталось только написать процедуру для определения, содержит ли строка данную комбинацию символов или нет. Мы можем решить эту проблему, позаимствовав разработку из PL/1: функция index(s,t) возвращает позицию, или индекс, строки s, где начинается строка t, и -1, если s не содержит t . В качестве начальной позиции мы используем 0, а не 1, потому что в языке «C» массивы начинаются с позиции нуль. Когда нам в дальнейшем понадобится проверять на совпадение более сложные конструкции, нам придется заменить только функцию index; остальная часть программы останется той же самой.

Пример 5-1 . После того, как мы потратили столько усилий на разработку, написание программы в деталях не представляет затруднений. Ниже приводится целиком вся программа, так что вы можете видеть, как соединяются вместе отдельные части. Комбинация символов, по которой производится поиск, выступает пока в качестве символьной строки в аргументе функции index, что не является самым общим механизмом. Мы скоро вернемся к обсуждению вопроса об инициализации символьных массивов и в главе 6 покажем, как сделать комбинацию символов параметром, которому присваивается значение в ходе выполнения программы. Программа также содержит новый вариант функции getline; вам может оказаться полезным сравнить его с вариантом из главы 2.

#define maxline 1000

main() /* find all lines matching a pattern */

{

char line[maxline];

while (getline(line, maxline) > 0)

if (index(line, "the") >= 0)

printf("%s", line);

}

// Поместить строку в s и возвратить длину

int getline(char s[],int lim)

{

int c, i;

i = 0;

while(--lim>0 && (c=getchar()) != eof && c != '\n')

s[i++] = c;

if (c == '\n')

s[i++] = c;

s[i] = '\0';

return(i);

}

// Вернуть индекс t в s, или -1 в противном случае

int index(char s[], char t)

{

int i, j, k;

for (i = 0; s[i] != '\0'; i++)

{

for(j=i,k=0; t[k]!='\0' && s[j]==t[k]; j++,k++)

;

if (t[k] == '\0')

return(i);

}

return(-1);

}

Каждая функция имеет вид имя (список аргументов, если они имеются) описания аргументов, если они имеются, и

{

... // Описания и операторы, если они имеются

}

Как и указывается, некоторые части могут отсутствовать.

Минимальной функцией является:

dummy()

{ } ,

которая не совершает никаких действий. Такая ничего не делающая функция иногда оказывается удобной для сохранения места для дальнейшего развития программы. Если функция возвращает что-либо отличное от целого значения, то перед ее именем может стоять указатель типа; этот вопрос обсуждается в следующем разделе.

Программой является просто набор определений отдельных функций. Связь между функциями осуществляется через аргументы и возвращаемые функциями значения (в этом случае); её также можно также осуществлять и через внешние переменные. Функции могут располагаться в исходном файле в любом порядке, а сама исходная программа может размещаться на нескольких файлах, но так, чтобы ни одна функция не расщеплялась.

Оператор return служит механизмом для возвращения значения из вызванной функции в функцию, которая к ней обратилась. За return может следовать любое выражение:

return (выражение) .

Вызывающая функция может игнорировать возвращаемое значение, если она этого пожелает. Более того, после return может не быть вообще никакого выражения; в этом случае в вызывающую программу не передается никакого значения. Управление также возвращется в вызывающую программу без передачи какого-либо значения и в том случае, когда при выполнении мы «проваливаемся» на конец функции, достигая закрывающейся правой фигурной скобки. Eсли функция возвращает значение из одного места и не возвращает никакого значения из другого места, это не является незаконным, но может быть признаком каких-то неприятностей. В любом случае «значением» функции, которая не возвращает значения, несомненно, будет мусор . Отладочная программа Lint проверяет такие ошибки.

Механика компиляции и загрузки «C»-программ, расположенных в нескольких исходных файлах, меняется от системы к системе.

1. В системе Unix , например, эту работу выполняет команда cc, упомянутая в главе 2. Предположим, что три функции находятся в трех различных файлах с именами main.с, getline.c и index.с . Тогда команда:

cc main.c getline.c index.c

компилирует эти три файла, помещает полученный настраиваемый объектный код в файлы main.o, getline.o и index.o и загружает их всех в выполняемый файл, называемый a.out .

Если имеется какая-то ошибка, скажем в main.c, то этот файл можно перекомпилировать отдельно и загрузить вместе с предыдущими объектными файлами по команде

cc main.c getline.o index.o

Команда cc использует соглашение о наименовании: суффиксы «.с» и «.о» для того, чтобы отличить исходные файлы от объектных.

2. В системe Windous XP при использовании оболочки Visual Studio и среды программирования Visual C++ используется прогрессивный «проектный» подход: в состав «рабочего пространства проекта» – Workspace в число исходных файлов – Source Files (см. рис. 1.1) нужно включить только исходные модули с суффиксами «.сpp»: main.сpp, getline.cpp и index.сpp. Решение о том, что нужно перекомпилировать, а что не нужно, – принимает оболочка Visual Studio , причем без дополнительного набора каких-либо команд, как этого, например, требует Unix .

Упражнение 5.1 . Составьте программу для функции rindex(s,t), которая возвращает позицию самого правого вхождения t в s, и –1, если s не содержит t.

5.2. Функции, возвращающие нецелые значения

До сих пор ни одна из наших программ не содержала какого-либо описания типа функции. Дело в том, что по умолчанию функция неявно описывается своим появлением в выражении или операторе, как, например, в

while (getline(line, maxline) > 0)

Если некоторое имя, которое не было описано ранее, появляется в выражении и за ним следует левая круглая скобка, то оно по контексту считается именем некоторой функции. Кроме того, по умолчанию предполагается, что эта функция возвращает значение типа int. Так как в выражениях char преобразуется в int, то нет необходимости описывать функции, возвращающие char. Эти предположения покрывают большинство случаев, включая все приведенные до сих пор примеры.

Но что происходит, если функция должна возвратить значение какого-то другого типа? Многие численные функции, такие как sqrt, sin и cos возвращают double – значение с плавающей точкой, с двойной точностью. Другие специальные функции возвращают значения других типов. Чтобы показать, как поступать в этом случае, давайте напишем и используем функцию atоf(s), которая преобразует строку s в эквивалентное ей плавающее число двойной точности.

Пример 5-2 . Функция atоf является расширением атоi, варианты которой мы написали в главах 3 и 4; она обрабатывает необязательно знак и десятичную точку, а также целую и дробную часть, каждая из которых может как присутствовать, так и отсутствовать (эта процедура преобразования ввода не очень высокого качества; иначе она бы заняла больше места, чем нам хотелось бы).

Во-первых, сама atоf должна описывать тип возвращаемого ею значения, поскольку он отличен от int. Так как в выражениях тип float преобразуется в double, то нет никакого смысла в том, чтобы atоf возвращала float; мы можем с равным успехом воспользоваться дополнительной точностью, так что мы полагаем, что возвращаемое значение типа double. Имя типа должно стоять перед именем функции, как показывается ниже:

// Преобразование строки s в число с двойной точностью

double atof(char s[])

{

double val, power;

int i, sign;

for(i=0;s[i]==' ' || s[i]=='\n' || s[i]=='\t'; i++)

; // Игнорирование символов-разделителей

sign = 1;

if (s[i] == '+' || s[i] == '-') // Знак числа

sign = (s[i++] == '+') ? 1 : -1;

for (val = 0; s[i] >= '0' && s[i] <= '9'; i++)

val = 10 * val + s[i] - '0';

if (s[i] == '.')

i++;

for (power = 1; s[i] >= '0' && s[i] <= '9'; i++)

{

val = 10 * val + s[i] - '0';

power *= 10;

}

return(sign * val / power);

}

Пример 5-3 . Вторым, но столь же важным, является то, что вызывающая функция должна объявить о том, что atof возвращает значение, отличное от int типа. Такое объявление демонстрируется на примере следующего примитивного настольного калькулятора (едва пригодного для подведения баланса в чековой книжке), который считывает по одному числу на строку, причем это число может иметь знак, и складывает все числа, печатая сумму после каждого ввода.

#define maxline 100

main() // Примитивный калькулятор

{

double sum, atof();

char line[maxline];

sum = 0;

while (getline(line, maxline) > 0)

printf("\t=%3.2f\n",sum+=atof(line));

}

Описание:

double sum, atof();

говорит, что sum является переменной типа double , и что atof является функцией, возвращающей значение типа double. Эта мнемоника означает, что значениями как sum, так и atof(...) являются плавающие числа двойной точности.

Если функция atof не будет описана явно в обоих местах, то в «C» предполагается, что она возвращает целое значение, и вы получите бессмысленный ответ. Если сама atof и обращение к ней в main имеют несовместимые типы и находятся в одном и том же файле, то это будет обнаружено компилятором. Но если atof была скомпилирована отдельно /что более вероятно/, то это несоответствие не будет зафиксировано, так что atof будет возвращать значения типа double, с которым main будет обращаться, как с int, что приведет к бессмысленным результатам (программа Lint вылавливает такую ошибку).

Имея функцию atof, мы, в принципе, могли бы с ее помощью написать atoi (преобразование строки в int):

atoi(char s[]) // Преобразование строки в целое число

{

double atof();

return(atof(s));

}

Обратите внимание на структуру описаний и оператор return. Значение выражения в конструкции:

return (выражение)

всегда преобразуется к типу функции перед выполнением самого возвращения. Поэтому при появлении в операторе return значение функции atof, имеющее тип double, автоматически преобразуется в int, поскольку функция atoi возвращает int. (Как обсуждалось в главе 3, преобразование значения с плавающей точкой к типу int осуществляется посредством отбрасывания дробной части).

Упражнение 5-2 . Расширьте atof таким образом, чтобы она могла работать с числами вида 123.45е-6 где за числом с плавающей точкой может следовать «е» и показатель «экспоненты», возможно – со знаком.

5.3. Еще об аргументах функций

В главе 2 мы уже обсуждали тот факт, что аргументы функций передаются по значению, т.е. вызванная функция получает свою временную копию каждого аргумента, а не его адрес. Это означает, что вызванная функция не может воздействовать на исходный аргумент в вызывающей функции. Внутри функции каждый аргумент по существу является локальной переменной, которая инициализируется тем значением, с которым к этой функции обратились.

Если в качестве аргумента функции выступает имя массива, то передается адрес начала этого массива; сами элементы не копируются. Функция может изменять элементы массива, используя индексацию и адрес начала. Таким образом, массив передается по ссылке. В главе 6 мы обсудим, как использование указателей позволяет функциям воздействовать на отличные от массивов переменные в вызывающих функциях.

Между прочим, не существует полностью удовлетворительного способа написания переносимой функции с переменным числом аргументов. Дело в том, что нет переносимого способа, с помощью которого вызванная функция могла бы определить, сколько аргументов было фактически передано ей в данном обращении. Таким образом, вы, например, не можете написать действительно переносимую функцию, которая будет вычислять максимум от произвольного числа аргументов, как делают встроенные функции MAX в ФОРТРАНЕ и PL/1.

Обычно со случаем переменного числа аргументов безопасно иметь дело, если вызванная функция не использует аргументов, которые ей на самом деле не были переданы, и если типы согласуются. Самая распространенная в языке «C» функция с переменным числом – это printf. Она получает из первого аргумента информацию, позволяющую определить количество остальных аргументов и их типы. Функция printf работает совершенно неправильно, если вызывающая функция передает ей недостаточное количество аргументов, или если их типы не согласуются с типами, указанными в первом аргументе. Эта функция не является переносимой и должна модифицироваться при использовании в различных условиях.

Если же типы аргументов известны, то конец списка аргументов можно отметить, используя какое-то соглашение; например, считая, что некоторое специальное значение аргумента (часто нуль или –1) является признаком конца аргументов.

5.4. Внешние переменные

Программа на языке «C» состоит из набора внешних объектов, которые являются либо переменными, либо функциями. Термин «внешний» используется главным образом в противопоставление термину «внутренний», которым описываются аргументы и автоматические переменные, определенные внутри функций. Внешние переменные определены вне какой-либо функции и, таким образом, потенциально доступны для многих функций. Сами функции всегда являются внешними, потому что правила языка «C» не разрешают определять одни функции внутри других. По умолчанию внешние переменные являются также и «глобальными», так что все ссылки на такую переменную, использующие одно и то же имя (даже из функций, скомпилированных независимо), будут ссылками на одно и то же. В этом смысле внешние переменные аналогичны переменным COМMON в ФОРТРАНЕ и EXTERNAL в PL/1. Позднее мы покажем, как определить внешние переменные и функции таким образом, чтобы они были доступны не глобально, а только в пределах одного исходного файла.

В силу своей глобальной доступности внешние переменные предоставляют другую, отличную от аргументов и возвращаемых значений, возможность для обмена данными между функциями. Если имя внешней переменной каким-либо образом описано, то любая функция имеет доступ к этой переменной, ссылаясь к ней по этому имени.

В случаях, когда связь между функциями осуществляется с помощью большого числа переменных, внешние переменные оказываются более удобными и эффективными, чем использование длинных списков аргументов. Как, однако, отмечалось в главе 2, это соображение следует использовать с определенной осторожностью, так как оно может плохо отразиться на структуре программ и приводить к программам с большим числом связей по данным между функциями.

Вторая причина использования внешних переменных связана с инициализацией. В частности, внешние массивы могут быть инициализированы, а автоматические – нет. Мы рассмотрим вопрос об инициализации в конце этой главы.

Третья причина использования внешних переменных обусловлена их областью действия и временем существования. Автоматические переменные являются внутренними по отношению к функциям; они возникают при входе в функцию и исчезают при выходе из нее. Внешние переменные, напротив, существуют постоянно. Они не появляются и не исчезают, так что могут сохранять свои значения в период от одного обращения к функции до другого. В силу этого, если две функции используют некоторые общие данные, причем ни одна из них не обращается к другой, то часто наиболее удобным оказывается хранить эти общие данные в виде внешних переменных, а не передавать их в функцию и обратно с помощью аргументов.

Давайте продолжим обсуждение этого вопроса на большом примере. Задача будет состоять в написании другой программы для калькулятора, лучшей, чем предыдущая. Здесь допускаются операции +, -, ´, / и знак = (для выдачи ответа). Вместо инфиксного представления калькулятор будет использовать обратную польскую нотацию, поскольку ее несколько легче реализовать. В обратной польской нотации знак следует за операндами; инфиксное выражение типа:

(1-2) ´ 4+5)=

записывается в виде

12-45+´= .

круглые скобки при этом не нужны

Реализация оказывается весьма простой. Каждый операнд помещается в стек; когда поступает знак операции, нужное число операндов (два для бинарных операций) вынимается, к ним применяется операция и результат направляется обратно в стек. Так, в приведенном выше примере, числа 1 и 2 помещаются в стек, а затем заменяются их разностью, -1. После этого 4 и 5 вводятся в стек и затем заменяются своей суммой, 9. Далее числа -1 и 9 заменяются в стеке на их произведение, равное -9. Операция = печатает верхний элемент стека, не удаляя его (так что промежуточные вычисления могут быть проверены).

Сами операции помещения чисел в стек и их извлечения очень просты, но, в связи с включением в настоящую программу обнаружения ошибок и восстановления, они оказываются достаточно длинными. Поэтому лучше оформить их в виде отдельных функций, чем повторять соответствующий текст повсюду в программе. Кроме того, нужна отдельная функция для выборки из ввода следующей операции или операнда. Таким образом, структура программы имеет вид:

while (операция или операнд, но не конец файла)

if (число)

поместить его в стек

еlse if ( операция )

вынуть операнды из стека

выполнить операцию

поместить результат в стек

else

ошибка

Основной вопрос, который еще не был обсужден, заключается в том, где поместить стек, т.е. какие процедуры смогут обращаться к нему непосредственно. Одна из таких возможностей состоит в помещении стека в main и передачи самого стека и текущей позиции в стеке функциям, работающим со стеком. Но функции main нет необходимости иметь дело с переменными, управляющими стеком; ей естественно рассуждать в терминах помещения чисел в стек и извлечения их оттуда. В силу этого мы решили сделать стек и связанную с ним информацию внешними переменными, доступными функциям push (помещение в стек) и pop (извлечение из стека), но не main.

Пример 5-4 . Перевод этой схемы в программу достаточно прост. Ведущая программа является по существу большим переключателем по типу операции или операнду; это, по-видимому, более характерное применение переключателя, чем то, которое было продемонстрировано в главе 5.

#define maxop 20 // Макс. размер операнда, оператора

#define number '0' // Признак числа

#define toobig '9' // Сигнал, что строка велика

main() // Калькулятор в обратной польской нотации

{

int tupe;

char s[maxop];

double op2,atof(),pop(),push();

while ((tupe=getop(s,maxop)) !=eof);

switch(tupe)

{

case number:

push(atof(s));

break;

case '+':

push(pop()+pop());

break;

case '´':

push(pop()*pop());

break;

case '-':

op2=pop();

push(pop()-op2);

break;

case '/':

op2=pop();

if (op2 != 0.0)

push(pop()/op2);

else

printf("Ошибка: деление на 0\n");

break;

case '=':

printf("\t%f\n",push(pop()));

break;

case 'c':

clear();

break;

case toobig:

printf("%.20s ... слишком длинная! \n",s);

break;

default:

printf("Неизвестная операция: %s\n",s);

break;

}

}

#define maxval 100 // Максимальная глубина стека

int sp = 0; // Свободная позиция стека

double val[maxval]; // Стек

double push(double f) // Положить значение f в стек

{

if (sp < maxval)

return(val[sp++] = f);

else

{

printf("Ошибка: стек переполнен \n");

clear();

return(0);

}

}

double pop()// Взять из стека и выдать как результат

{

if (sp > 0)

return(val[--sp]);

else

{

printf("Ошибка: стек пуст \n");

clear();

return(0);

}

}

void clear(void) // Очистить стек

{

sp=0;

}

Команда «с» очищает стек с помощью функции clear, которая также используется в случае ошибки функциями push и pop. К функции getop мы очень скоро вернемся.

Как уже говорилось в главе 2, переменная является внешней, если она определена вне тела какой бы то ни было функции. Поэтому стек и указатель стека, которые должны использоваться функциями push, pop и clear, определены вне этих трех функций. Но сама функция main не ссылается ни к стеку, ни к указателю стека – их участие тщательно замаскировано. В силу этого часть программы, соответствующая операции «=» , использует конструкцию:

push(pop());

для того, чтобы проанализировать верхний элемент стека, не изменяя его.

Отметим также, что, так как операции «+» и «´» коммутативны, порядок, в котором объединяются извлеченные операнды, несущественен, но в случае операций «–» и «/» необходимо различать левый и правый операнды.

Упражнение 5-3 . Приведенная основная схема допускает непосредственное расширение возможностей калькулятора. Включите операцию деления по модулю «%» и унарный минус. Включите команду «стереть», которая удаляет верхний элемент стека. Введите команды для работы с переменными (это просто, если имена переменных будут состоять из одной буквы из имеющихся двадцати шести букв).

5.5. Правила, определяющие область действия

Функции и внешние переменные, входящие в состав «C»-программы, не обязаны компилироваться одновременно; программа на исходном языке может располагаться в нескольких файлах, и ранее скомпилированные процедуры могут загружаться из библиотек. Два вопроса представляют интерес:

1. Как следует составлять описания, чтобы переменные правильно воспринимались во время компиляции?

2. Как следует составлять описания, чтобы обеспечить правильную связь частей программы при загрузке?

Областью действия (или видимости ) имени является та часть программы, в которой это имя определено. Для автоматической переменной, описанной в начале функции, областью действия является та функция, в которой описано имя этой переменной, а переменные из разных функций, имеющие одинаковое имя, считаются не относящимися друг к другу. Это же справедливо и для аргументов функций.

Область действия внешней переменной простирается от точки, в которой она объявлена в исходном файле, до конца этого файла. Например, если val, sp, push, pop и clear определены в одном файле в порядке, указанном выше, а именно:

int sp = 0;

double val[maxval];

double push(f) {...}

double pop() {...}

clear() {...}

то переменные val и sp можно использовать в push, pop и clear прямо по имени; никакие дополнительные описания не нужны.

С другой стороны, если нужно сослаться на внешнюю переменную до ее определения, или если такая переменная определена в файле, отличном от того, в котором она используется, то необходимо описание extern.

Важно различать описание внешней переменной и ее определение. Описание указывает свойства переменной (ее тип, размер и т.д.); определение же вызывает еще и отведение памяти. Если вне какой бы то ни было функции появляются строчки:

int sp;

double val[maxval];

то они определяют внешние переменные sp и val, вызывают отведение памяти для них и служат в качестве описания для остальной части этого исходного файла. В то же время строчки:

extern int sp;

extern double val[];

описывают в остальной части этого исходного файла переменную sp как int, а val как массив типа double (размер которого указан в другом месте), но не создают переменных и не отводят им места в памяти.

Во всех файлах, составляющих исходную программу, должно содержаться только одно определение внешней переменной; другие файлы могут содержать описания extern для доступа к ней (описание extern может иметься и в том файле, где находится определение). Любая инициализация внешней переменной проводится только в определении. В определении должны указываться размеры массивов, а в описании extern этого можно не делать.

Хотя подобная организация приведенной выше программы и маловероятна, но val и sp могли бы быть определены и инициализированы в одном файле, а функция push, pop и clear определены в другом. В этом случае для связи были бы необходимы следующие определения и описания:

(в файле 1) :

int sp = 0; // Указатель стека

double val[maxval]; // Максимальная глубина стека

( в файле 2) :

extern int sp;

extern double val[];

double push(f) {...}

double pop() {...}

clear() {...}

так как описания extern в файле 1 находятся выше и вне трех указанных функций, они относятся ко всем ним; одного набора описаний достаточно для всего файла 2.

Для программ большого размера (обсуждаемая позже в этой главе) возможность включения файлов, #include, позволяет иметь во всей программе только одну копию описаний extern и вставлять ее в каждый исходный файл во время его компиляции.

Обратимся теперь к функции getop, выбирающей из файла ввода следующую операцию или операнд. Основная задача проста: пропустить пробелы, знаки табуляции и новые строки. Если следующий символ отличен от цифры и десятичной точки, то возвратить его. В противном случае собрать строку цифр (она может включать десятичную точку) и возвратить number как сигнал о том, что выбрано число.

Пример 5-5 . Процедура существенно усложняется, если стремиться правильно обрабатывать ситуацию, когда вводимое число оказывается слишком длинным. Функция getop считывает цифры подряд (возможно с десятичной точкой) и запоминает их, пока последовательность не прерывается. Если при этом не происходит переполнения, то функция возвращает number и строку цифр. Если же число оказывается слишком длинным, то getop отбрасывает остальную часть строки из файла ввода, так что пользователь может просто перепечатать эту строку с места ошибки; функция возвращает toobig как сигнал о переполнении.

// Получить следующий оператор или операнд

getop(char s[], int lim)

{

int i, c;

while((c=getch())==' '|| c=='\t' || c=='\n')

;

if (c != '.' && (c < '0' || c > '9'))

return(c); // Не число

s[0] = c;

for(i=1; (c=getchar()) >='0' && c <= '9'; i++)

if (i < lim)

s[i] = c;

if (c == '.')

{ // Накапливаем дробную часть

if (i < lim)

s[i] = c;

for(i++;(c=getchar()) >='0' && c<='9';i++)

if (i < lim)

s[i] =c;

}

if (i < lim)

{ // Число правильное

ungetch(c);

s[i] = '\0';

return (number);

}

else

{ // Эта строчка слишком длинная

while (c != '\n' && c != eof)

c = getchar();

s[lim-1] = '\0';

return (toobig);

}

}

Что же представляют из себя функции getch и ungetch? Часто так бывает, что программа, считывающая входные данные, не может определить, что она прочла уже достаточно, пока она не прочтет слишком много. Одним из примеров является выбор символов, составляющих число: пока не появится символ, отличный от цифры, число не закончено. Но при этом программа считывает один лишний символ, символ, для которого она еще не подготовлена.

Эта проблема была бы решена, если бы было бы возможно «прочесть обратно» нежелательный символ. Тогда каждый раз, прочитав лишний символ, программа могла бы поместить его обратно в файл ввода таким образом, что остальная часть программы могла бы вести себя так, словно этот символ никогда не считывался. К счастью, такое неполучение символа легко имитировать, написав пару действующих совместно функций. Функция getch доставляет следующий символ ввода, подлежащий рассмотрению; функция ungetch помещает символ назад во ввод, так что при следующем обращении к getch он будет возвращен.

То, как эти функции совместно работают, весьма просто. Функция ungetch помещает возвращаемые назад символы в совместно используемый буфер, являющийся символьным массивом. Функция getch читает из этого буфера, если в нем что-либо имеется; если же буфер пуст, она обращается к getchar. При этом также нужна индексирующая переменная, которая будет фиксировать позицию текущего символа в буфере.

Так как буфер и его индекс совместно используются функциями getch и ungetch и должны сохранять свои значения в период между обращениями, они должны быть внешними для обеих функций. Таким образом, мы можем написать getch, ungetch и эти переменные как:

#define bufsize 100

char buf[bufsize]; // Буфер для ungetch

int bufp = 0; // След. Свободная позиция в буфере

// Взять (возможно возвращенный) символ

getch()

{

return((bufp > 0) ? buf[--bufp] : getchar());

}

// Вернуть символ на ввод

ungetch(int c)

{

if (bufp > bufsize)

printf("ungetch: слишком много символов \n");

else

buf [bufp++] = c;

}

Мы использовали для хранения возвращаемых символов массив, а не отдельный символ, потому что такая общность может пригодиться в дальнейшем.

Упражнение 5-4 . Напишите функцию ungets(s), которая будет возвращать во ввод целую строку. Должна ли ungets иметь дело с buf и bufp или она может просто использовать ungets?

Упражнение 5-5 . Предположите, что может возвращаться только один символ. Измените getch и ungetch соответствующим образом.

Упражнение 5-6 . Наши функции getch и ungetch не обеспечивают обработку возвращенного символа eof переносимым образом. Решите, каким свойством должны обладать эти функции, если возвращается eof, и реализуйте ваши выводы.

5.6. Статические переменные

Статические переменные представляют собой третий класс памяти, в дополнении к автоматическим переменным и extern, с которыми мы уже встречались. Статические переменные могут быть либо внутренними, либо внешними. Внутренние статические переменные точно так же, как и автоматические, являются локальными для некоторой функции, но, в отличие от автоматических, они остаются существовать, а не появляются и исчезают вместе с обращением к этой функции. это означает, что внутренние статические переменные обеспечивают постоянное, недоступное извне хранение внутри функции. Символьные строки, появляющиеся внутри функции, как, например, аргументы printf , являются внутренними статическими.

Внешние статические переменные определены в остальной части того исходного файла, в котором они описаны, но не в каком-либо другом файле. Таким образом, они дают способ скрывать имена, подобные buf и bufp в комбинации getch-ungetch, которые в силу их совместного использования должны быть внешними, но все же не доступными для пользователей getch и ungetch, чтобы исключалась возможность конфликта.

Если эти две функции и две переменные объединить в одном файле следующим образом:

static char buf[bufsize];// Буфер для ungetch

static int bufp=0; // Свободная позиция в буфере

getch() {...}

ungetch() {...}

то никакая другая функция не будет в состоянии обратиться к buf и bufp; фактически, они не будут вступать в конфликт с такими же именами из других файлов той же самой программы.

Статическая память, как внутренняя, так и внешняя, специфицируется словом static, стоящим перед обычным описанием. Переменная является внешней, если она описана вне какой бы то ни было функции, и внутренней, если она описана внутри некоторой функции.

Нормально функции являются внешними объектами; их имена известны глобально. возможно, однако, объявить функцию как static; тогда ее имя становится неизвестным вне файла, в котором оно описано.

В языке «C» static отражает не только постоянство, но и степень того, что можно назвать «приватностью». Внутренние статические объекты определены только внутри одной функции; внешние статические объекты (переменные или функции) определены только внутри того исходного файла, где они появляются, и их имена не вступают в конфликт с такими же именами переменных и функций из других файлов.

Внешние статические переменные и функции предоставляют способ организовывать данные и работающие с ними внутренние процедуры таким образом, что другие процедуры и данные не могут прийти с ними в конфликт даже по недоразумению. Например, функции getch и ungetch образуют «модуль» для ввода и возвращения символов; buf и bufp должны быть статическими, чтобы они не были доступны извне. Точно так же функции push, pop и clear формируют модуль обработки стека; var и sp тоже должны быть внешними статическими.

5.7. Регистровые переменные

Четвертый и последний класс памяти называется регистровым. Описание register указывает компилятору, что данная переменная будет часто использоваться. Когда это возможно, переменные, описанные как register, располагаются в машинных регистрах, что может привести к меньшим по размеру и более быстрым программам. Описание register выглядит как:

register int x;

register char c;

и т.д.; часть int может быть опущена. Описание register можно использовать только для автоматических переменных и формальных параметров функций. В этом последнем случае описания выглядят следующим образом:

f(c,n)

register int c,n;

{

register int i;

...

}

На практике возникают некоторые ограничения на регистровые переменные, отражающие реальные возможности имеющихся аппаратных средств. В регистры можно поместить только несколько переменных в каждой функции, причем только определенных типов. В случае превышения возможного числа или использования неразрешенных типов слово register игнорируется. Кроме того, невозможно извлечь адрес регистровой переменной (этот вопрос обсуждается в главе 6). Эти специфические ограничения варьируются от машины к машине. Так, например, на PDP-11 эффективными являются только первые три описания register в функции, а в качестве типов допускаются int, char или указатель.

5.8. Блочная структура

Язык «C» не является языком с блочной структурой в смысле PL/1 или Алгола; в нем нельзя описывать одни функции внутри других.

Переменные же, с другой стороны, могут определяться по методу блочного структурирования. Описания переменных (включая инициализацию) могут следовать за левой фигурной скобкой, открывающей любой оператор, а не только за той, с которой начинается тело функции. Переменные, описанные таким образом, вытесняют любые переменные из внешних блоков, имеющие такие же имена, и остаются определенными до соответствующей правой фигурной скобки. Например, в

if (n > 0)

{

int i; // Определение «новой» пременной i

for (i = 0; i < n; i++)

...;

}

Областью действия переменной i является «истинная» ветвь if; это i никак не связано ни с какими другими i в программе.

Блочная структура влияет и на область действия внешних переменных. Если даны описания:

int x;

f()

{

double x;

...

}

то появление x внутри функции f относится к внутренней переменной типа double, а вне f – к внешней целой переменной. Это же справедливо в отношении имен формальных параметров:

int x;

f(double x)

{

...

}

Внутри функции f имя x относится к формальному параметру, а не к внешней переменной.

5.9. Инициализация

Мы до сих пор уже много раз упоминали инициализацию, но всегда мимоходом, среди других вопросов. Теперь, после того как мы обсудили различные классы памяти, мы в этом разделе просуммируем некоторые правила, относящиеся к инициализации.

Если явная инициализация отсутствует, то внешним и статическим переменным присваивается значение нуль; автоматические и регистровые переменные имеют в этом случае неопределенные значения (мусор).

Простые переменные (не массивы или структуры) можно инициализировать при их описании, добавляя вслед за именем знак равенства и константное выражение:

int x = 1;

char squote = '\'';

long day = 60 * 24; // Число минут в сутках

Для внешних и статических переменных инициализация выполняется только один раз, на этапе компиляции. Автоматические и регистровые переменные инициализируются каждый раз при входе в функцию или блок. В случае автоматических и регистровых переменных инициализатор не обязан быть константой: на самом деле он может быть любым значимым выражением, которое может включать определенные ранее величины и даже обращения к функциям.

Пример 5-6 . Инициализация в программе бинарного поиска из главы 4 могла бы быть записана в виде:

binary(int x, int v[],int n)

{

int low = 0;

int high = n - 1;

int mid;

...

}

вместо

binary(int x, int v[],int n)

{

int low, high, mid;

...

low = 0;

high = n - 1;

...

}

По своему результату, инициализации автоматических переменных являются сокращенной записью операторов присваивания. Какую форму предпочесть – это, в основном, дело вкуса. Мы обычно используем явные присваивания, потому что инициализация в описаниях менее заметна. Автоматические массивы не могут быть инициализированы. Внешние и статические массивы можно инициализировать, помещая вслед за описанием заключенный в фигурные скобки список начальных значений, разделенных запятыми.

Пример 5-7 . Программа подсчета символов (из главы 2), которая начиналась с:

main() // Подсчет цифр, пробелов и др.

{

int c, i, nwhite, nother;

int ndigit[10];

nwhite = nother = 0;

for (i = 0; i < 10; i++)

ndigit[i] = 0;

...

}

может быть переписана в виде:

int nwhite = 0;

int nother = 0;

int ndigit[10] = { 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 };

main() // Подсчет цифр, пробелов и др.

{

int c, i;

...

}

Эти инициализации фактически не нужны, так как все присваиваемые значения равны нулю, но хороший стиль – сделать их явными. Если количество начальных значений меньше, чем указанный размер массива, то остальные элементы заполняются нулями. Перечисление слишком большого числа начальных значений является ошибкой. К сожалению, не предусмотрена возможность указания на то, что некоторое начальное значение повторяется, и нельзя инициализировать элемент в середине массива без перечисления всех предыдущих.

Для символьных массивов существует специальный способ инициализации; вместо фигурных скобок и запятых можно использовать строку:

char pattern[] = "the";

Это сокращение более длинной, но эквивалентной записи:

char pattern[] = { 't', 'h', 'e', '\0' };

Если размер массива любого типа опущен, то компилятор определяет его длину, подсчитывая число начальных значений. В этом конкретном случае размер равен четырем (три символа плюс символ «окончание строки» – \0).

5.10. Рекурсия

В языке «C» функции могут использоваться рекурсивно; это означает, что функция может прямо или косвенно обращаться к себе самой. Традиционным примером является печать числа в виде строки символов. Как мы уже ранее отмечали, цифры генерируются не в том порядке: цифры младших разрядов появляются раньше цифр из старших разрядов, но печататься они должны в обратном порядке. Эту проблему можно решить двумя способами.

Пример 5-8 . Первый способ, которым мы воспользовались в главе 4 в функции itoa, заключается в запоминании цифр в некотором массиве по мере их поступления и последующем их печатании в обратном порядке. Первый вариант функции printd следует этой схеме.

void printd(int n) // Печать n в десятичном виде

{

char s[10];

int i;

if (n < 0)

{

putchar('-');

n = -n;

}

i = 0;

do

{

s[i++] = n % 10 + '0'; // Взять следующий символ

}

while ((n /= 10) > 0); // Отбраковать его

while (--i >= 0)

putchar(s[i]);

}

Пример 5-9 . Альтернативой этому способу является рекурсивное решение, когда при каждом вызове функция printd сначала снова обращается к себе, чтобы скопировать лидирующие цифры, а затем печатает последнюю цифру.

void printd(int n) // Печать n в десятичном виде

{

int i;

if (n < 0)

{

putchar('-');

n = -n;

}

if ((i = n/10) != 0)

printd(i);

putchar(n % 10 + '0');

}

Когда функция вызывает себя рекурсивно, при каждом обращении образуется новый набор всех автоматических переменных, совершенно не зависящий от предыдущего набора. Таким образом, в printd (123) первая функция printd имеет n = 123. Она передает 12 второй printd, а когда та возвращает управление ей, печатает 3. Точно так же вторая printd передает 1 третьей (которая эту единицу печатает), а затем печатает 2.

Рекурсия обычно не дает никакой экономии памяти, поскольку приходится где-то создавать стек для обрабатываемых значений. Не приводит она и к созданию более быстрых программ. Но рекурсивные программы более компактны, и они зачастую становятся более легкими для понимания и написания. Рекурсия особенно удобна при работе с рекурсивно определяемыми структурами данных, например, с деревьями; хороший пример будет приведен в главе 7.

Упражнение 5-7 . Приспособьте идеи, использованные в printd для рекурсивного написания itoa; т.е. преобразуйте целое в строку с помощью рекурсивной процедуры.

Упражнение 5-8 . Напишите рекурсивный вариант функции reverse(s), которая располагает в обратном порядке строку s.

5.11. Препроцессор языка «C»

В языке «С» предусмотрены определенные расширения языка с помощью простого макропредпроцессора. одним из самых распространенных таких расширений, которое мы уже использовали, является конструкция #DEFINE; другим расширением является возможность включать во время компиляции содержимое других файлов.

5.11.1. Включение файлов . Для облегчения работы с наборами конструкций #DEFINE и описаний (среди прочих средств) в языке «С» предусмотрена возможность включения файлов. Любая строка вида:

#include "filename"

заменяется содержимым файла с именем filename. (Кавычки обязательны). Часто одна или две строки такого вида появляются в начале каждого исходного файла, для того чтобы включить общие конструкции #define и описания extern для глобальных переменных. Допускается вложенность конструкций #include.

Конструкция #include является предпочтительным способом связи описаний в больших программах. Этот способ гарантирует, что все исходные файлы будут снабжены одинаковыми определениями и описаниями переменных, и, следовательно, исключает особенно неприятный сорт ошибок. Естественно, когда какой-то включаемый файл изменяется, все зависящие от него файлы должны быть перекомпилированы.

5.11.2. Макроподстановка . Определение вида:

#define tes 1

приводит к макроподстановке самого простого вида – замене имени на строку символов. Имена в #define имеют ту же самую форму, что и идентификаторы в «С»; заменяющий текст совершенно произволен. Нормально заменяющим текстом является остальная часть строки; длинное определение можно продолжить, поместив \ в конец продолжаемой строки. «Область действия» имени, определенного в #define, простирается от точки определения до конца исходного файла. Имена могут быть переопределены, и определения могут использовать определения, сделанные ранее. Внутри заключенных в кавычки строк подстановки не производятся, так что если, например, yes – определенное имя, то в printf("yes") не будет сделано никакой подстановки.

Так как реализация #define является частью работы макропредпроцессора, а не собственно компилятора, имеется очень мало грамматических ограничений на то, что может быть определено. Так, например, любители АЛГОЛА или ПАСКАЛЯ могут объявить:

#define begin {

#define end ;}

и затем написать

if (i > 0) then

begin

a = 1;

b = 2

end

Имеется также возможность определения макроса с аргументами, так что заменяющий текст будет зависеть от вида обращения к макросу.

Пример 5-10 . Определим макрос с именем max следующим образом:

#define max(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

когда строка

x = max(p+q, r+s);

будет заменена строкой

x = ((p+q) > (r+s) ? (p+q) : (r+s));

Такая возможность обеспечивает «функцию максимума», которая расширяется в последовательный код, а не в обращение к функции. При правильном обращении с аргументами такой макрос будет работать с любыми типами данных; здесь нет необходимости в различных видах max для данных разных типов, как это было бы с функциями.

Конечно, если вы тщательно рассмотрите приведенное выше расширение max, вы заметите определенные недостатки. Выражения вычисляются дважды; это плохо, если они влекут за собой побочные эффекты, вызванные, например, обращениями к функциям или использованием операций увеличения. Нужно позаботиться о правильном использовании круглых скобок, чтобы гарантировать сохранение требуемого порядка вычислений.

Пример 5-11 . Рассмотрим макрос

#define square(x) x*x

при обращении к нему, как square(z+1)). Здесь возникают даже некоторые чисто лексические проблемы: между именем макро и левой круглой скобкой, открывающей список ее аргументов, не должно быть никаких пробелов.

Тем не менее аппарат макросов является весьма ценным. Один практический пример дает описываемая в главе 9 стандартная библиотека ввода-вывода, в которой getchar и putchar определены как макросы (очевидно PUTCHAR должна иметь аргумент), что позволяет избежать затрат на обращение к функции при обработке каждого символа.

Другие возможности макропроцессора описаны в подробных справочниках.

Упражнение 5-9 . Определите макрос swap(x,y), который обменивает значениями два своих аргумента типа int (в этом случае поможет блочная структура).

5.12. Заголовочные файлы

Существует еще один момент, о котором следует предупредить читателя, – определения и объявления совместно используются несколькими файлами. Мы бы хотели, насколько это возможно, централизовать эти объявления и определения так, чтобы для них существовала только одна копия. Тогда программу в процессе ее развития будет легче и исправлять, и поддерживать в нужном состоянии. Для этого общую информацию расположим в заголовочном файле calc.h, который будем по мере необходимости включать в другие файлы (строка #include была рассмотрен выше).

Неизбежен компромисс между стремлением, чтобы каждый файл владел только той информацией, которая ему необходима для работы, и тем, что на практике иметь дело с большим количеством заголовочных файлов довольно трудно. Для программ, не превышающих некоторого среднего размера, вероятно, лучше всего иметь один заголовочный файл, в котором собраны вместе все объекты, каждый из которых используется в двух различных файлах; так мы здесь и поступили. Для программ больших размеров потребуется более сложная организация с большим числом заголовочных файлов.

6. УКАЗАТЕЛИ И МАССИВЫ

Указатель – это переменная, содержащая адрес другой переменной. Указатели очень широко используются в языке «C». Это происходит отчасти потому, что иногда они дают единственную возможность выразить нужное действие, а отчасти потому, что они обычно ведут к более компактным и эффективным программам, чем те, которые могут быть получены другими способами.

Указатели обычно смешивают в одну кучу с операторами goto, характеризуя их как «чудесный» способ написания программ, которые невозможно понять. Это, безусловно, справедливо, если указатели используются беззаботно; очень просто ввести указатели, которые указывают на что-то совершенно неожиданное. Однако, при определенной дисциплине, использование указателей помогает достичь ясности и простоты. Именно этот аспект мы попытаемся здесь проиллюстрировать.

6.1. Указатели и адреса

Так как указатель содержит адрес объекта, это дает возможность "косвенного" доступа к этому объекту через указатель. Предположим, что х - переменная, например, типа int, а рх - указатель, созданный неким еще не указанным способом. Унарная операция & выдает адрес объекта, так что оператор

рх = &х;

присваивает адрес х переменной рх; говорят, что рх «указывает» на х. Операция & применима только к переменным и элементам массива, конструкции вида &(х-1) и &3 являются незаконными. Нельзя также получить адрес регистровой переменной.

Унарная операция * рассматривает свой операнд как адрес конечной цели и обращается по этому адресу, чтобы извлечь содержимое. Следовательно, если y тоже имеет тип int, то

y = *рх;

присваивает y содержимое того, на что указывает рх. Так последовательность

рх = &х;

y = *рх;

присваивает y то же самое значение, что и оператор

y = x;

Переменные, участвующие во всем этом необходимо описать:

int x, y;

int *px;

с описанием для x и y мы уже неодонократно встречались. Описание указателя

int *px;

является новым и должно рассматриваться как мнемоническое; оно говорит, что комбинация *px имеет тип int. Это означает, что если px появляется в контексте *px, то это эквивалентно переменной типа int. Фактически синтаксис описания переменной имитирует синтаксис выражений, в которых эта переменная может появляться. Это замечание полезно во всех случаях, связанных со сложными описаниями. Например,

double atof(), *dp;

говорит, что atof() и *dp имеют в выражениях значения типа double.

Вы должны также заметить, что из этого описания следует, что указатель может указывать только на определенный вид объектов. Указатели могут входить в выражения. Например, если px указывает на целое x, то *px может появляться в любом контексте, где может встретиться x. Так операторы

· y = *px + 1 присваивает y значение, на 1 большее значения x;

· printf("%d\n", *px) печатает текущее значение x;

· в = sqrt((double) *px) получает в в квадратный корень из x (причем до передачи функции sqrt значение x преобразуется к типу double, см . главу 3).

В выражениях вида

y = *px + 1

унарные операции * и & связаны со своим операндом более крепко, чем арифметические операции, так что такое выражение берет то значение, на которое указывает px, прибавляет 1 и присваивает результат переменной y. Мы вскоре вернемся к тому, что может означать выражение

y = *px + 1) .

Ссылки на указатели могут появляться и в левой части присваиваний. Если px указывает на x, то

*px = 0

полагает X равным нулю, а

*px += 1

увеличивает его на единицу, как и выражение

(*px)++

Круглые скобки в последнем примере необходимы; если их опустить, то поскольку унарные операции, подобные * и ++, выполняются справа налево, это выражение увеличит px, а не ту переменную, на которую он указывает.

И наконец, так как указатели являются переменными, то с ними можно обращаться, как и с остальными переменными. Если py – другой указатель на переменную типа int, то

py = px

копирует содержимое px в py, в результате чего py указывает на то же, что и px.

6.2. Указатели и аргументы функций

Так как в «С» передача аргументов функциям осуществляется «по значению», вызванная процедура не имеет непосредственной возможности изменить переменную из вызывающей программы. Что же делать, если вам действительно надо изменить аргумент?

Пример 6-1 . Например, программа сортировки захотела бы поменять два нарушающих порядок элемента с помощью функции с именем swap. Для этого недостаточно написать:

swap(a,b),

определив функцию swap при этом следующим образом:

void swap(int x, int y) // Неверно !

{

int temp;

temp = x;

x = y;

y = temp;

}

Из-за вызова по значению swap не может воздействовать на агументы a и b в вызывающей функции. К счастью, все же имеется возможность получить желаемый эффект. Вызывающая программа передает указатели подлежащих изменению значений:

swap(&a, &b);

так как операция & выдает адрес переменной, то &A является указателем на a. В самой swap аргументы описываются как указатели и доступ к фактическим операндам осуществляется через них.

void swap(int *px, int *py) //Перестановка *px и *py

{

int temp;

temp = *px;

*px = *py;

*py = temp;

}

Указатели в качестве аргументов обычно используются в функциях, которые должны возвращать более одного значения (можно при этом сказать, что swap возвращает два значения, новые значения ее аргументов).

Пример 6-2 . В качестве примера рассмотрим функцию getint, которая осуществляет преобразование поступающих в свободном формате данных, разделяя поток символов на целые значения, по одному целому за одно обращение. Функция getint должна возвращать либо найденное значение, либо признак конца файла, если входные данные полностью исчерпаны. Эти значения должны возвращаться как отдельные объекты, какое бы значение ни использовалось для EOF, даже если это значение вводимого целого.

Одно из решений, основывающееся на описываемой в главе 9 функции ввода scanf, состоит в том, чтобы при выходе на конец файла getint возвращала eof в качестве значения функции; любое другое возвращенное значение говорит о нахождении нормального целого. Численное же значение найденного целого возвращается через аргумент, который должен быть указателем целого. Эта организация разделяет статус конца файла и численные значения.

Следующий цикл заполняет массив целыми с помощью обращений к функции getint:

int n, v, array[size];

for (n = 0; n < size && getint(&v) != eof; n++)

array[n] = v;

В результате каждого обращения v становится равным следующему целому значению, найденному во входных данных. Обратите внимание, что в качестве аргумента getint необходимо указать &v а не v. Использование просто v скорее всего приведет к ошибке адресации, поскольку getint полагает, что она работает именно с указателем.

Сама getint является очевидной модификацией написанной нами ранее функции atoi:

getint(int *pn) /* get next integer from input */

{

int c,sign;

while ((c = getch()) == ' ' || c == '\n' ||

c == '\t')

; /* skip white space */

sign = 1;

if (c == '+' || c == '-')

{ /* record

sign */

sign = (c == '+') ? 1 : -1;

c = getch();

}

for (*pn = 0; c >= '0' && c <= '9'; c = getch())

*pn = 10 * *pn + c - '0';

*pn *= sign;

if (c != eof)

ungetch(c);

return(c);

}

Выражение *pn используется всюду в getint как обычная переменная типа int. Мы также использовали функции getch и ungetch (описанные в главе 5) , так что один лишний символ, который приходится считывать, может быть помещен обратно во ввод.

Упражнение 6-1 . Напишите функцию getfloat, аналог getint для чисел с плавающей точкой. Какой тип должна возвращать getfloat в качестве значения функции?

6.3. Указатели и массивы

В языке «C» существует сильная взаимосвязь между указателями и массивами, настолько сильная, что указатели и массивы действительно следует рассматривать одновременно. Любую операцию, которую можно выполнить с помощью индексов массива, можно сделать и с помощью указателей. вариант с указателями обычно оказывается более быстрым, но и несколько более трудным для непосредственного понимания, по крайней мере для начинающего. Описание:

int a[10]

определяет массив размера 10, т.е. Набор из 10 последовательных объектов, называемых a[0], a[1], ..., a[9]. Запись a[i] соответствует элементу массива через I позиций от начала. Если pa – указатель целого, описанный как:

int *pa ,

то присваивание:

pa = &a[0]

приводит к тому, что pa указывает на нулевой элемент массива a; это означает, что pa содержит адрес элемента a [0]. Теперь присваивание:

x = *pa

будет копировать содержимое a[0] в x.

Если pa указывает на некоторый определенный элемент массива a, то по определению pa+1 указывает на следующий элемент, и вообще pa-i указывает на элемент, стоящий на i позиций до элемента, указываемого pa, а pa+i на элемент, стоящий на i позиций после. Таким образом, если pa указывает на a[0], то:

*(pa+1)

ссылается на содержимое a[1], pa+i – на адрес a[i], а *(pa+i) – на содержимое a[i].

Эти замечания справедливы независимо от типа переменных в массиве a. Суть определения «добавления 1 к указателю», а также его распространения на всю арифметику указателей, состоит в том, что приращение масштабируется размером памяти, занимаемой объектом, на который указывает указатель. Таким образом, i в pa+i перед прибавлением умножается на размер объектов, на которые указывает pa.

Очевидно существует очень тесное соответствие между индексацией и арифметикой указателей. в действительности компилятор преобразует ссылку на массив в указатель на начало массива. В результате этого имя массива является указательным выражением. Отсюда вытекает несколько весьма полезных следствий. Так как имя массива является синонимом местоположения его нулевого элемента, то присваивание pa=&a[0] можно записать как:

pa = a .

Еще более удивительным, по крайней мере на первый взгляд, кажется тот факт, что ссылку на a[i] можно записать в виде *(a+i). При анализировании выражения a[i] в языке «C» оно немедленно преобразуется к виду *(a+i); эти две формы совершенно эквивалентны. Если применить операцию & к обеим частям такого соотношения эквивалентности, то мы получим, что &a[i] и a+i тоже идентичны: a+i – адрес i-го элемента от начала a. С другой стороны, если pa является указателем, то в выражениях его можно использовать с индексом: pa[i] идентично *(pa+i). Короче, любое выражение, включающее массивы и индексы, может быть записано через указатели и смещения и наоборот, причем даже в одном и том же утверждении.

Имеется одно различие между именем массива и указателем, которое необходимо иметь в виду. указатель является переменной, так что операции pa=a и pa++ имеют смысл. Но имя массива является константой, а не переменной: конструкции типа a=pa или a++, или p=&a будут незаконными.

Пример 6-3 . Когда имя массива передается функции, то на самом деле ей передается местоположение начала этого массива. Внутри вызванной функции такой аргумент является точно такой же переменной, как и любая другая, так что имя массива в качестве аргумента действительно является указателем, т.е. переменной, содержащей адрес. Мы можем использовать это обстоятельство для написания нового варианта функции strlen, вычисляющей длину строки.

strlen(char *s) // Получить длину строки s

{

int n;

for (n = 0; *s != '\0'; s++)

n++;

return(n);

}

Операция увеличения s совершенно законна, поскольку эта переменная является указателем; s++ никак не влияет на символьную строку в обратившейся к strlen функции, а только увеличивает локальную для функции strlen копию адреса. Описания формальных параметров в определении функции в виде:

char s[];

char *s;

совершенно эквивалентны; какой вид описания следует предпочесть, определяется в значительной степени тем, какие выражения будут использованы при написании функции. Если функции передается имя массива, то в зависимости от того, что удобнее, можно полагать, что функция оперирует либо с массивом, либо с указателем, и действовать далее соответвующим образом. Можно даже использовать оба вида операций, если это кажется уместным и ясным.

Можно передать функции часть массива, если задать в качестве аргумента указатель начала подмассива. Например, если a – массив, то как:

f(&a[2])

как и

f(a+2)

передают функции f адрес элемента a[2], потому что и &a[2], и a+2 являются указательными выражениями, ссылающимися на третий элемент a. Описания аргументов в функции f могут присутствовать в виде:

f(int arr[])

{

...

}

или

f(int *arr)

{

...

}

Что касается функции f, то тот факт, что ее аргумент в действительности ссылается к части большего массива, не имеет для нее никаких последствий.

6.4. Адресная арифметика

Если p является указателем, то каков бы ни был тип объекта, на который он указывает, операция p++ увеличивает p так, что он указывает на следующий элемент набора этих объектов, а операция p+=i увеличивает p так, чтобы он указывал на элемент, отстоящий на i элементов от текущего элемента.эти и аналогичные конструкции представляют собой самые простые и самые распространенные формы арифметики указателей или адресной арифметики.

Пример 6-4 . Язык «C» последователен и постоянен в своем подходе к адресной арифметике; объединение в одно целое указателей, массивов и адресной арифметики является одной из наиболее сильных сторон языка. Давайте проиллюстрируем некоторые из соответствующих возможностей языка на примере элементарной (но полезной, несмотря на свою простоту) программы распределения памяти. Имеются две функции: функция alloc(n) возвращает в качестве своего значения указатель p, который указывает на первую из n последовательных символьных позиций, которые могут быть использованы вызывающей функцию alloc программой для хранения символов; функция free(p) освобождает приобретенную таким образом память, так что ее в дальнейшем можно снова использовать. программа является «элементарной», потому что обращения к free должны производиться в порядке, обратном тому, в котором производились обращения к alloc.

Таким образом, управляемая функциями alloc и free память является стеком или списком, в котором последний вводимый элемент извлекается первым. Стандартная библиотека языка «C» содержит аналогичные функции, не имеющие таких ограничений, и, кроме того, в главе 9 мы приведем улучшенные варианты. Между тем, однако, для многих приложений нужна только тривиальная функция alloc для распределения небольших участков памяти неизвестных заранее размеров в непредсказуемые моменты времени.

Простейшая реализация состоит в том, чтобы функция раздавала отрезки большого символьного массива, которому мы присвоили имя allocbuf. Этот массив является собственностью функций alloc и free. Так как они работают с указателями, а не с индексами массива, никакой другой функции не нужно знать имя этого массива. Он может быть описан как внешний статический, т.е. Он будет локальным по отношению к исходному файлу, содержащему alloc и free, и невидимым за его пределами. При практической реализации этот массив может даже не иметь имени; вместо этого он может быть получен в результате запроса к операционной системе на указатель некоторого неименованного блока памяти.

Другой необходимой информацией является то, какая часть массива allocbuf уже использована. Мы пользуемся указателем первого свободного элемента, названным allocp. Когда к функции alloc обращаются за выделением n символов, то она проверяет, достаточно ли осталось для этого места в allocbuf. Если достаточно, то alloc возвращает текущее значение allocp (т.е. начало свободного блока), затем увеличивает его на n, с тем чтобы он указывал на следующую свободную область. Функция free(p) просто полагает allocp равным p при условии, что p указывает на позицию внутри allocbuf.

Функция alloc:

#define null 0 //Указатель в случае ошибки

define allocsize 1000 //Доступный размер пространства

static char allocbuf[allocsize]; //Память для alloc

static char *allocp = allocbuf; //След. своб. позиция

сhar *alloc(int n) // Получить указатель на n символов

{

if (allocp + n <= allocbuf + allocsize)

{

allocp += n;

return(allocp - n); /* old p */

}

else // Нет достаточного участка памяти

return(null);

}

Функция free:

free(сhar *p) // Освободить память, указываемую в p

{

if (p >= allocbuf && p < allocbuf + allocsize)

allocp = p;

}

Дадим некоторые пояснения. Вообще говоря, указатель может быть инициализирован точно так же, как и любая другая переменная, хотя обычно единственными осмысленными значениями являются null (это обсуждается ниже) или выражение, включающее адреса ранее определенных данных соответствующего типа. Описание:

static char *allocp = allocbuf;

определяет allocp как указатель на символы и инициализирует его так, чтобы он указывал на allocbuf, т.е. На первую свободную позицию при начале работы программы. Так как имя массива является адресом его нулевого элемента, то это можно было бы записать в виде:

static char *allocp = &allocbuf[0];

используйте ту запись, которая вам кажется более естественной. С помощью проверки:

if (allocp + n <= allocbuf + allocsize)

выясняется, осталось ли достаточно места, чтобы удовлетворить запрос на n символов. Если достаточно, то новое значение allocp не будет указывать дальше, чем на последнюю позицию allocbuf. Если запрос может быть удовлетворен, то allocp возвращает обычный указатель (обратите внимание на описание самой функции). Если же нет, то allocp должна вернуть некоторый признак, говорящий о том, что больше места не осталось.

В языке «C» гарантируется, что ни один правильный указатель данных не может иметь значение нуль, так что возвращение нуля может служить в качестве сигнала о ненормальном событии, в данном случае об отсутствии места. Мы, однако, вместо нуля пишем null, с тем чтобы более ясно показать, что это специальное значение указателя. Вообще говоря, целые не могут осмысленно присваиваться указателям, а нуль – это особый случай.

Проверки вида:

if (allocp + n <= allocbuf + aloocsize)

и

if (p >= allocbuf && p < allocbuf + allocsize)

демонстрируют несколько важных аспектов арифметики указателей.

Во-первых, при определенных условиях указатели можно сравнивать. Если p и q указывают на элементы одного и того же массива, то такие отношения, как <, >= и т.д., работают надлежащим образом. Например, выражение:

p < q

истинно, если p указывает на более ранний элемент массива, чем q. Отношения == и != тоже работают. Любой указатель можно осмысленным образом сравнить на равенство или неравенство с null. Но ни за что нельзя ручаться, если вы используете сравнения при работе с указателями, указывающими на разные массивы. Если вам повезет, то на всех машинах вы получите очевидную бессмыслицу. Если же нет, то ваша программа будет правильно работать на одной машине и давать непостижимые результаты на другой.

Во-вторых, как мы уже видели, указатель и целое можно складывать и вычитать. Конструкция

p + n

подразумевает n-ый объект за тем, на который p указывает в настоящий момент. Это справедливо независимо от того, на какой вид объектов p должен указывать; компилятор сам масштабирует n в соответствии с определяемым из описания P размером объектов, указываемых с помощью p. Например, на PDP-11 масштабирующий множитель равен 1 для char, 2 для int и short, 4 для long и float и 8 для double.

Пример 6-5 . Вычитание указателей тоже возможно: если p и q указывают на элементы одного и того же массива, то p-q – это количество элементов между p и q. Этот факт можно использовать для написания еще одного варианта функции strlen:

strlen(char *s) // Получить длину строки s

{

char *p = s;

while (*p != '\0')

p++;

return(p-s);

}

При описании указатель p в этой функции инициализирован посредством строки s, в результате чего он указывает на первый символ строки. В цикле while по очереди проверяется каждый символ до тех пор, пока не появится символ конца строки \0. Так как значение \0 равно нулю, а while только выясняет, имеет ли выражение в нем значение 0, то в данном случае явную проверку можно опустить. Такие циклы часто записывают в виде:

while (*p)

p++;

Так как p указывает на символы, то оператор p++ передвигает p каждый раз так, чтобы он указывал на следующий символ. В результате p-s дает число просмотренных символов, т.е. длину строки.

Арифметика указателей последовательна: если бы мы имели дело с переменными типа float, которые занимают больше памяти, чем переменные типа char, и если бы p был указателем на float, то оператор p++ передвинул бы p на следующее float. Таким образом, мы могли бы написать другой вариант функции alloc, распределяющей память для float, вместо char, просто заменив всюду в alloc и free описатель char на float. Все действия с указателями автоматически учитывают размер объектов, на которые они указывают, так что больше ничего менять не надо.

За исключением упомянутых выше операций (сложение и вычитание указателя и целого, вычитание и сравнение двух указателей), вся остальная арифметика указателей является незаконной. Запрещено складывать два указателя, умножать, делить, сдвигать или маскировать их, а также прибавлять к ним переменные типа float или double.

6.5. Указатели символов и функции

Строчная константа, как, например, "Я - строка" является массивом символов. Компилятор завершает внутреннее представление такого массива символом \0, так что программы могут находить его конец. Таким образом, длина массива в памяти оказывается на единицу больше числа символов между двойными кавычками.

По-видимому чаще всего строчные константы появляются в качестве аргументов функций, как, например, в:

printf ("Здравствуй, Мир !\n");

когда символьная строка, подобная этой, появляется в программе, то доступ к ней осуществляется с помощью указателя символов; функция printf фактически получает указатель символьного массива.

Конечно, символьные массивы не обязаны быть только аргументами функций. Если описать message как:

char *message;

то в результате оператора:

message = "Now is the time";

переменная message станет указателем на фактический массив символов. Это не копирование строки; здесь участвуют только указатели. В языке «C» не предусмотрены какие-либо операции для обработки всей строки символов как целого.

Мы проиллюстрируем другие аспекты указателей и массивов, разбирая две полезные функции из стандартной библиотеки ввода-вывода, которая будет рассмотрена в главе 9.

Первая функция – это strcpy(s,t), которая копирует строку t в строку s. Аргументы написаны именно в этом порядке по аналогии с операцией присваивания, когда для того, чтобы присвоить t к s, обычно пишут s = t .

Пример 6-6 . Сначала приведем версию с массивами:

void strcpy(char s[],char t[])// Скоприровать t в s

{

int i;

i = 0;

while ((s[i] = t[i]) != '\0')

i++;

}

Пример 6-7 . Для сопоставления ниже даются 3 варианта strcpy с указателями:

void strcpy(char *s, char *t) // Вариант 1

{

while ((*s = *t) != '\0')

{

s++;

t++;

}

}

Так как аргументы передаются по значению, функция strcpy может использовать s и t так, как она пожелает. Здесь они с удобством полагаются указателями, которые передвигаются вдоль массивов, по одному символу за шаг, пока не будет скопирован в s завершающий в t символ \0.

Пример 6-8 . На практике функция strcpy была бы записана не так, как мы показали выше. Вот вторая возможность:

strcpy(char *s, char *t) // Вариант 2

{

while ((*s++ = *t++) != '\0')

;

}

Здесь увеличение s и t внесено в проверочную часть. Значением *t++ является символ, на который указывал t до увеличения; постфиксная операция ++ не изменяет t, пока этот символ не будет извлечен. Точно так же этот символ помещается в старую позицию s, до того как s будет увеличено. Конечный результат заключается в том, что все символы, включая завершающий \0, копируются из t в s.

Пример 6-9 . И как последнее сокращение мы опять отметим, что сравнение с \0 является излишним, так что функцию можно записать в виде:

strcpy(char *s, char *t) // Вариант 3

{

while (*s++ = *t++)

;

}

хотя с первого взгляда эта запись может показаться загадочной, она дает значительное удобство. Этой идиомой следует овладеть уже хотя бы потому, что вы с ней будете часто встречаться в «C»-программах.

Вторая функция – это strcmp(s,t), которая сравнивает символы строк s и t, возвращая отрицательное, нулевое или положительное значение в соответствии с тем, меньше, равно или больше лексикографически s, чем t.

Пример 6-10 . Возвращаемое значение получается в результате вычитания символов из первой позиции, в которой s и t не совпадают.

// Получить return < 0, если s<t,

// return = 0, если s == t,

// return > 0, если s > t

strcmp(char s[], char t[]){

int i;

i = 0;

while (s[i] == t[i])

if (s[i++] == '\0')

return(0);

return(s[i]-t[i]);

}

Пример 6-11 . А вот версия strcmp с указателями:

// Получить return < 0, если s<t,

// return = 0, если s == t,

// return > 0, если s > t

strcmp(char *s, char *t)

{

for ( ; *s == *t; s++, t++)

if (*s == '\0')

return(0);

return(*s-*t);

}

Так как ++ и -- могут быть как постфиксными, так и префиксными операциями, то встречаются и другие комбинации * и ++ и --, хотя менее часто. Например *++p увеличивает p до извлечения символа, на который указывает p, а *--p сначала уменьшает p.

Упражнение 6-2 . Напишите вариант с указателями функции strcat из главы 3: strcat(s,t) копирует строку t в конец s.

Упражнение 6-3 . Напишите макрос для strcpy.

Упражнение 6-4 . Перепишите подходящие программы из предыдущих глав и упражнений, используя указатели вместо индексации массивов. Хорошие возможности для этого предоставляют функции getline (главы 2 и 6), atoi, itoa и их варианты (главы 3, 4 и 5), reverse (глава 4), index и getop (глава 5).

6.6. Указатели – не целые

Вы, возможно, обратили внимание в предыдущих «С»-программах на довольно непринужденное отношение к копированию указателей. В общем это верно, что на большинстве машин указатель можно присвоить целому и передать его обратно, не изменив его; при этом не происходит никакого масштабирования или преобразования и ни один бит не теряется. К сожалению, это ведет к вольному обращению с функциями, возвращающими указатели, которые затем просто передаются другим функциям, – необходимые описания указателей часто опускаются.

Пример 6-12 . Рассмотрим функцию strsave(s), которая копирует строку s в некоторое место для хранения, выделяемое посредством обращения к функции alloc, и возвращает указатель на это место. Правильно она должна быть записана так:

char *strsave(char *s) /* save string s somewhere */

{

char *p, *alloc();

if ((p = alloc(strlen(s)+1)) != null)

strcpy(p, s);

return(p);

}

На практике существует сильное стремление опускать описания:

*strsave(s) /* save string s somewhere */

{

char *p;

if ((p = alloc(strlen(s)+1)) != null)

strcpy(p, s);

return(p);

}

Эта программа будет правильно работать на многих машинах, потому что по умолчанию функции и аргументы имеют тип int, а указатель и целое обычно можно безопасно пересылать туда и обратно. Однако такой стиль программирования в своем существе является рискованным, поскольку зависит от деталей реализации и архитектуры машины и может привести к неправильным результатам на конкретном используемом вами компиляторе. Разумнее всюду использовать полные описания. Среда программирования Visual C ++ или отладочная программа lint предупредят о таких конструкциях, если они по неосторожности все же появятся.

6.7. Многомерные массивы

В языке «C» предусмотрены прямоугольные многомерные массивы, хотя на практике существует тенденция к их значительно более редкому использованию по сравнению с массивами указателей. В этом разделе мы рассмотрим некоторые их свойства.

Пример 6-13 . Рассмотрим задачу преобразования дня месяца в день года и наоборот. Например, 1-ое марта является 60-м днем невисокосного года и 61-м днем високосного года. Давайте введем две функции для выполнения этих преобразований: day_of_year преобразует месяц и день в день года, а month_day преобразует день года в месяц и день. Так как эта последняя функция возвращает два значения, то аргументы месяца и дня должны быть указателями:

month_day(1977, 60, &m, &d)

Полагает m равным 3 и в равным 1 (1-ое марта).

Обе эти функции нуждаются в одной и той же информационной таблице, указывающей число дней в каждом месяце. Так как число дней в месяце в високосном и в невисокосном году отличается, то проще представить их в виде двух строк двумерного массива, чем пытаться прослеживать во время вычислений, что именно происходит в феврале. Вот этот массив и выполняющие эти преобразования функции:

static int day_tab[2][13] =

{

(0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31),

(0, 31, 29, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31)

};

// Определить день года по месяцу и дню

day_of_year(int year, int month, int day)

{

int i, leap;

leap= year%4 == 0 && year%100 != 0 || year%400 == 0;

for (i = 1; i < month; i++)

day += day_tab[leap][i];

return(day);

}

// Опредлить месяц и день по дню года

month_day(int year, int yearday,

int *pmonth, int *pday)

{

leap= year%4 == 0 && year%100 != 0 || year%400 == 0;

for (i = 1; yearday > day_tab[leap][i]; i++)

yearday -= day_tab[leap][i];

*pmonth = i;

*pday = yearday;

}

Массив day_tab должен быть внешним как для day_of_year, так и для month_day, поскольку он используется обеими этими функциями.

Массив day_tab является первым двумерным массивом, с которым мы имеем дело. По определению в «C» двумерный массив по существу является одномерным массивом, каждый элемент которого является массивом. Поэтому индексы записываются следующим образом:

day_tab[i][j]

Нельзя писать так:

day_tab[i,j]

– как в большинстве языков. В остальном с двумерными массивами можно, в основном, обращаться таким же образом, как в других языках. Элементы хранятся по строкам, т.е. при обращении к элементам в порядке их размещения в памяти быстрее всего изменяется самый правый индекс.

Массив инициализируется с помощью списка начальных значений, заключенных в фигурные скобки; каждая строка двумерного массива инициализируется соответствующим подсписком. Мы поместили в начало массива day_tab столбец из нулей для того, чтобы номера месяцев изменялись естественным образом от 1 до 12, а не от 0 до 11. Так как за экономию памяти у нас пока не награждают, такой способ проще, чем подгонка индексов.

Если двумерный массив передается функции, то описание соответствующего аргумента функции должно содержать количество столбцов; количество строк несущественно, поскольку, как и прежде, фактически передается указатель. В нашем конкретном случае это указатель объектов, являющихся массивами из 13 чисел типа int. Таким образом, если бы требовалось передать массив day_tab функции f, то описание в f имело бы вид:

f(int day_tab[2][13])

{

...

}

Так как количество строк является несущественным, то описание аргумента в f могло бы быть и таким:

int day_tab[][13];

или таким

int (*day_tab)[13];

в которм говорится, что аргумент является указателем массива из 13 целых. Круглые скобки здесь необходимы, потому что квадратные скобки [ ] имеют более высокий уровень старшинства, чем *; как мы увидим в следующем разделе, без круглых скобок

int *day_tab[13];

является описанием массива из 13 указателей на целые.

6.8. Массивы указателей; указатели указателей

Так как указатели сами являются переменными, то вы вполне могли бы ожидать использования массива указателей. Это действительно так.

Пример 6-14 . Мы проиллюстрируем это написанием программы сортировки в алфавитном порядке набора текстовых строк, предельно упрощенного варианта утилиты S ort операционной систем U nix (или соответствующей функции электронных таблиц Exel в операционной системе Windows ).

В главе 4 мы привели функцию сортировки по Шеллу, которая упорядочивала массив целых. Этот же алгоритм будет работать и здесь, хотя теперь мы будем иметь дело со строчками текста различной длины, которые, в отличие от целых, нельзя сравнивать или перемещать с помощью одной операции. Мы нуждаемся в таком представлении данных, которое бы позволяло удобно и эффективно обрабатывать строки текста переменной длины.

Здесь и возникают массивы указателей. Если подлежащие сортировке сроки хранятся одна за другой в длинном символьном массиве (управляемом, например, функцией alloc), то к каждой строке можно обратиться с помощью указателя на ее первый символ. Сами указатели можно хранить в массиве. Две строки можно сравнить, передав их указатели функции strcmp.

Если две расположенные в неправильном порядке строки должны быть переставлены, то фактически переставляются указатели в массиве указателей, а не сами тексты строк. Этим исключаются сразу две связанные проблемы: сложного управления памятью и больших дополнительных затрат на фактическую перестановку строк.

Процесс сортировки включает три шага:

1) чтение всех строк ввода;

2) их сортировка;

3) вывод их в правильном порядке.

Как обычно, лучше разделить программу на несколько функций – в соответствии с естественным делением задачи, и выделить ведущую функцию, управляющую работой всей программы.

Давайте отложим на некоторое время рассмотрение шага сортировки и сосредоточимся на структуре данных и вводе-выводе. Функция, осуществляющая ввод, должна извлечь символы каждой строки, запомнить их и построить массив указателей строк. Она должна также подсчитать число строк во вводе, так как эта информация необходима при сортировке и выводе. Так как функция ввода в состоянии справиться только с конечным чис лом вводимых строк, в случае слишком большого их числа она может возвращать некоторое число, отличное от возможного числа строк, например –1. Функция осуществляющая вывод, должна печатать строки в том порядке, в каком они появляются в массиве указателей.

#define null 0

#define lines 100 // Максимальное число строк

main() // Сортировка вводимых строк

{

char *lineptr[lines]; // Указатели на след. строки

int nlines; // Количество введенных линий

if ((nlines = readlines(lineptr, lines)) >= 0)

{

sort(lineptr, nlines);

writelines(lineptr, nlines);

}

else

printf("Input too big to sort\n");

}

// Ввод строк для сортировки

#define maxlen 1000 // Максимальная длина строки

readlines(char *lineptr[],int maxlines)

{

int len, nlines;

char *p, *alloc(), line[maxlen];

nlines = 0;

while ((len = getline(line, maxlen)) > 0)

if (nlines >= maxlines)

return(-1);

else if ((p = alloc(len)) == null)

return (-1);

else

{

line[len-1] = '\0'; /* zap newline */

strcpy(p,line);

lineptr[nlines++] = p;

}

return(nlines);

}

Символ новой строки в конце каждой строки удаляется, так что он никак не будет влиять на порядок, в котором сортируются строки.

// Напечатать выходные строки

writelines(char *lineptr[],int nlines)

{

int i;

for (i = 0; i < nlines; i++)

printf("%s\n", lineptr[i]);

}

Существенно новым в этой программе является описание:

char *lineptr[lines];

которое сообщает, что lineptr является массивом из lines элементов, каждый из которых – указатель на переменные типа char. Это означает, что lineptr[i] – указатель на символы, а *lineptr[i] извлекает символ.

Так как сам lineptr является массивом, который передается функции writelines, с ним можно обращаться как с указателем точно таким же образом, как в наших более ранних примерах. Тогда последнюю функцию можно переписать в виде:

// Напечатать выходные строки

writelines(char *lineptr[],int nlines)

{

int i;

while (--nlines >= 0)

printf("%s\n", *lineptr++);

}

Здесь *lineptr сначала указывает на первую строку; каждое увеличение передвигает указатель на следующую строку, в то время как nlines убывает до нуля.

Справившись с вводом и выводом, мы можем перейти к сортировке. Программа сортировки по Шеллу из главы 4 требует очень небольших изменений: должны быть модифицированы описания, а операция сравнения выделена в отдельную функцию. Основной алгоритм остается тем же самым, и это дает нам определенную уверенность, что он по-прежнему будет работать.

// Отсортировать строки v[0] ... v[n-1]

// в возрастающем порядке

sort(char *v[],int n)

{

int gap, i, j;

char *temp;

for (gap = n/2; gap > 0; gap /= 2)

for (i = gap; i < n; i++)

for (j = i - gap; j >= 0; j -= gap)

{

if (strcmp(v[j], v[j+gap]) <= 0)

break;

temp = v[j];

v[j] = v[j+gap];

v[j+gap] = temp;

}

}

Так как каждый отдельный элемент массива v (имя формального параметра, соответствующего lineptr) является указателем на символы, то и temp должен быть указателем на символы, чтобы их было можно копировать друг в друга.

Мы написали эту программу по возможности более просто с тем, чтобы побыстрее получить работающую программу. Она могла бы работать быстрее, если, например, вводить строки непосредственно в массив, управляемый функцией readlines, а не копировать их в line, а затем в скрытое место с помощью функции alloc. Но мы считаем, что будет разумнее первоначальный вариант сделать более простым для понимания, а об «эффективности» позаботиться позднее.

Все же, по-видимому, способ, позволяющий добиться заметного ускорения работы программы состоит не в исключении лишнего копирования вводимых строк. Более вероятно, что существенной разницы можно достичь за счет замены сортировки по Шеллу на нечто лучшее, например, на метод быстрой сортировки.

В главе 2 мы отмечали, что поскольку в циклах while и for проверка осуществляется до того, как тело цикла выполнится хотя бы один раз, эти циклы оказываются удобными для обеспечения правильной работы программы при граничных значениях, в частности, когда ввода вообще нет. Очень полезно просмотреть все функции программы сортировки, разбираясь, что происходит, если вводимый текст отсутствует.

Упражнение 6-5 . Перепишите функцию readlines таким образом, чтобы она помещала строки в массив, предоставляемый функцией main, а не в память, управляемую обращениями к функции alloc. Насколько быстрее стала программа?

6.9. Инициализация массивов указателей

Пример 6-15 . Рассмотрим задачу написания функции:

month_name(n),

которая возвращает указатель на символьную строку, содержащую имя n-го месяца. Это идеальная задача для применения внутреннего статического массива. Функция month_name содержит локальный массив символьных строк и при обращении к ней возвращает указатель нужной строки. Тема настоящего раздела – как инициализировать этот массив имен.

// Получить название n-го месяца

char *month_name(int n)

{

static char *name[] =

{

"неправильный месяц",

"январь",

"февраль",

"март",

"апрель",

"май",

"июнь",

"июль",

"август",

"сентябрь",

"октябрь",

"ноябрь",

"декабрь"

};

return ((n < 1 || n > 12) ? name[0] : name[n]);

}

Описание массива указателей на символы name точно такое же, как аналогичное описание lineptr в примере с сортировкой. Инициализатором является просто список символьных строк; каждая строка присваивается соответствующей позиции в массиве. Более точно, символы i-ой строки помещаются в какое-то иное место, а ее указатель хранится в name[i]. Поскольку размер массива name не указан, компилятор сам подсчитывает количество инициализаторов и соответственно устанавливает правильное число.

6.10. Указатели и многомерные массивы

Начинающие изучать язык «С» иногда становятся в тупик перед вопросом о различии между двумерным массивом и массивом указателей, таким как name в приведенном выше примере. Если имеются описания:

int a[10][10];

int *b[10];

то a и b можно использовать сходным образом в том смысле, что как a[5][5], так и b[5][5] являются законными ссылками на отдельное число типа int. Но a – это настоящий массив: под него отводится 100 ячеек памяти и для нахождения любого указанного элемента проводятся обычные вычисления с прямоугольными индексами. Для b, однако, описание выделяет только 10 указателей; каждый указатель должен быть установлен так, чтобы он указывал на массив целых. Если предположить, что каждый из них указывает на массив из 10 элементов, то тогда где-то будет отведено 100 ячеек памяти плюс еще десять ячеек для указателей. Таким образом, массив указателей использует несколько больший объем памяти и может требовать наличие явного шага инициализации. Но при этом возникают два преимущества: доступ к элементу осуществляется косвенно через указатель, а не посредством умножения и сложения, и строки массива могут иметь различные длины. Это означает, что каждый элемент B не должен обязательно указывать на вектор из 10 элементов; некоторые могут указывать на вектор из двух элементов, другие - из двадцати, а третьи могут вообще ни на что не указывать.

Хотя мы вели это обсуждение в терминах целых, несомненно, чаще всего массивы указателей используются так, как мы продемонстрировали на функции month_name, – для хранения символьных строк различной длины.

Упражнение 6-6 . Перепишите функции day_of_year и month_day, используя вместо индексации указатели.

6.11. Командная строка аргументов

Системные средства, на которые опирается реализация языка «С», позволяют передавать командную строку аргументов или параметров начинающей выполняться программе. Когда функция main вызывается к исполнению, она вызывается с двумя аргументами. Первый аргумент (условно называемый argc) указывает число аргументов в командной строке, с которыми происходит обращение к программе; второй аргумент (argv) является указателем на массив символьных строк, содержащих эти аргументы, по одному в строке. Работа с такими строками – это обычное использование многоуровневых указателей.

Пример 6-16 . Самую простую иллюстрацию этой возможности и необходимых при этом описаний дает программа echo, которая просто печатает в одну строку аргументы командной строки, разделяя их пробелами. Таким образом, если дана команда:

echo Hello, World

то выходом будет

Hello, World

по соглашению argv[0] является именем, по которому вызывается программа, так что argc по меньшей мере равен 1. В приведенном выше примере argc равен 3, а argv[0], argv[1] и argv[2] равны соответственно "echo", "Hello," и "World". Первым фактическим агументом является argv[1], а последним будет argv[argc-1]. Если argc равен 1, то за именем программы не следует никакой командной строки аргументов. Все это показано в echo:

// Аргументы echo: 1-я версия

main(int argc, char *argv[])

{

int i;

for (i = 1; i < argc; i++)

printf("%s%c", argv[i], (i<argc-1) ? ' ' : '\n');

}

Поскольку argv является указателем на массив указателей, то существует несколько способов написания этой программы, использующих работу с указателем, а не с индексацией массива. Мы продемонстрируем два варианта.

Пример 6-17 . Один вариант.

// Аргументы echo: 2-я версия

main(int argc, char *argv[])

{

while (--argc > 0)

printf("%s%c",*++argv, (argc > 1) ? ' ' : '\n');

}

Так как argv является указателем на начало массива строк-аргументов, то, увеличив его на 1 посредством ++argv, мы вынуждаем его указывать на подлинный аргумент argv[1], а не на argv[0]. Каждое последующее увеличение передвигает его на следующий аргумент; при этом *argv становится указателем на этот аргумент. Одновременно величина argc уменьшается; когда она обратится в нуль, все аргументы будут уже напечатаны.

Пример 6-18 . Другой вариант:

// Аргументы echo: 3-я версия

main(int argc, char *argv[])

{

while (--argc > 0)

printf((argc > 1) ? "%s" : "%s\n", *++argv);

}

Эта версия показывает, что аргумент формата функции printf может быть выражением, точно так же, как и любой другой. Такое использование встречается не очень часто, но его все же стоит запомнить.

Пример 6-19 . Давайте внесем некоторые усовершенствования в программу отыскания заданной комбинации символов из главы 5. Если вы помните, мы поместили искомую комбинацию глубоко внутрь программы, что очевидно является совершенно неудовлетворительным. Следуя утилите grep системы U nix , давайте изменим программу так, чтобы эта комбинация указывалась в качестве первого аргумента строки.

// Печать строк, содержащих образец, заданный первым

// аргументом

#define maxline 1000

main(int argc, char *argv[])

{

char line[maxline];

if (argc != 2)

printf ("Используйте в find образец! \n");

else

while (getline(line, maxline) > 0)

if (index(line, argv[1] >= 0)

printf("%s", line);

}

Теперь может быть развита основная модель, иллюстрирующая дальнейшее использование указателей. Предположим, что нам надо предусмотреть два необязательных аргумента. Один утверждает: «Напечатать все строки за исключением тех, которые содержат данную комбинацию», а второй гласит: «Перед каждой выводимой строкой должен печататься ее номер».

Общепринятым соглашением в «С»-программах является то, что аргумент, начинающийся со знака минус, вводит необязательный признак или параметр. Если мы, для того, чтобы сообщить об инверсии, выберем –x (для указания «кроме»), а для указания о нумерации нужных строк выберем –n («номер»), то команда:

find -x -n the

при входных данных

Now is the time

For all good men

To come to the aid

Of their party.

должна выдать

2: For all good men

Пример 6-20 . Часто необходимо, чтобы необязательные аргументы могли располагаться в произвольном порядке, и чтобы остальная часть программы не зависела от количества фактически присутствующих аргументов. В частности, вызов функции index не должен содержать ссылку на argv[2], когда присутствует один необязательный аргумент, и на argv[1], когда его нет. Более того, для пользователей удобно, чтобы необязательные аргументы можно было объединить в виде:

find -nx образец

А вот и сама программа:

// Печать строк, содержащих образец, заданный первым

// аргументом

#define maxline 1000

main(int argc, char *argv[])

{

char line[maxline], *s;

long lineno = 0;

int except = 0, number = 0;

while (--argc > 0 && (*++argv)[0] == '-')

for (s = argv[0]+1; *s != '\0'; s++)

switch (*s)

{

case 'x':

except = 1;

break;

case 'n':

number = 1;

break;

default:

printf("find: неверный параметр %c\n",*s);

argc = 0;

break;

}

if (argc != 1)

printf("usage: find -x -n pattern\n");

else

while (getlinе(line, maxline) > 0)

{

lineno++;

if ((index(line, *argv) >= 0) != except)

{

if (number)

printf("%ld: ", lineno);

printf("%s", line);

}

}

}

Аргумент argv увеличивается перед каждым необязательным аргументом, в то время как аргумент argc уменьшается. Если нет ошибок, то в конце цикла величина argc должна равняться 1, а *argv должно указывать на заданную комбинацию. Обратите внимание на то, что *++argv является указателем аргументной строки: (*++argv)[0] – её первый символ. Круглые скобки здесь необходимы, потому что без них выражение бы приняло совершенно отличный и неправильный вид: *++(ARGV[0]). Другой правильной формой была бы **++argv.

Упражнение 6-7 . Напишите программу add, вычисляющую обратное польское выражение из командной строки. Например,

add 2 3 4 + *

вычисляет 2´(3+4).

Упражнение 6-8 . Модифицируйте программы entab и detab (указанные в качестве упражнений в главе 2) так, чтобы они получали список табуляционных остановок в качестве аргументов. Если аргументы отсутствуют, используйте стандартную установку табуляций.

Упражнение 6-9 . Расширьте entab и detab таким образом, чтобы они воспринимали сокращенную нотацию:

entab -m +n

означающую табуляционные остановки через каждые n позиций, начиная со столбца m. Выберите удобное (для пользователя) поведение функции по умолчанию.

Упражнение 6-10 . Напишите программу для функции tail, печатающей последние n строк из своего файла ввода. Пусть по умолчанию n равно 10, но это число может быть изменено с помощью необязательного аргумента, так что:

tail -n

печатает последние n строк. Программа должна действовать рационально, какими бы неразумными ни были бы ввод или значение n. Составьте программу так, чтобы она оптимальным образом использовала доступную память: строки должны храниться, как в функции sort, а не в двумерном массиве фиксированного размера.

6.12. Указатели на функции

Пример 6-21 . В языке «С» сами функции не являются переменными, но имеется возможность определить указатель на функцию, который можно обрабатывать, передавать другим функциям, помещать в массивы и т.д. Мы проиллюстрируем это, проведя модификацию написанной ранее программы сортировки так, чтобы при задании необязательного аргумента -n она бы сортировала строки ввода численно, а не лексикографически.

Сортировка часто состоит из трех частей:

· сравнения, которое определяет упорядочивание любой пары объектов,

· перестановки, изменяющей их порядок, и

· алгоритма сортировки, осуществляющего сравнения и перестановки до тех пор, пока объекты не расположатся в нужном порядке.

Алгоритм сортировки не зависит от операций сравнения и перестановки, так что, передавая в него различные функции сравнения и перестановки, мы можем организовать сортировку по различным критериям. Именно такой подход используется в нашей новой программе сортировки.

Как и прежде, лексикографическое сравнение двух строк осуществляется функцией strcmp, а перестановка функцией swap; нам нужна еще функция numcmp, сравнивающая две строки на основе численного значения и возвращающая условное указание того же вида, что и strcmp. Эти три функции описываются в main и указатели на них передаются в sort. В свою очередь функция sort обращается к этим функциям через их указатели. Мы урезали обработку ошибок в аргументах с тем, чтобы сосредоточиться на главных вопросах.

// Сортировка вводимых строк

#define lines 100 // Максимальное число строк

main(int argc, char *argv[])

{

char *lineptr[lines]; // Указатели на строки

int nlines; // Число введенных строк

int strcmp(), numcmp(); // Функции сравнения

int swap(); // Функция exchange

int numeric = 0; // 1, если сорт. по числ. значен.

if(argc>1 && argv[1][0] == '-' && argv[1][1]=='n')

numeric = 1;

if(nlines = readlines(lineptr, lines)) >= 0)

{

if (numeric)

sort(lineptr, nlines, numcmp, swap);

else

sort(lineptr, nlines, strcmp, swap);

writelines(lineptr, nlines);

}

else

printf("input too big to sort\n");

}

Здесь strcmp, nimcmp и swap – адреса функций; так как известно, что это функции, операция & здесь не нужна совершенно аналогично тому, как она не нужна и перед именем массива. Передача адресов функций организуется компилятором.

Второй шаг состоит в модификации sort:

// Сортировать строки v[0] ... v[n-1] по возрастанию

sort(char *v[],int n, int (*comp)(), int (*exch)())

{

int gap, i, j;

for(gap = n/2; gap > 0; gap /= 2)

for(i = gap; i < n; i++)

for(j = i-gap; j >= 0; j -= gap)

{

if((*comp)(v[j], v[j+gap]) <= 0)

break;

(*exch)(&v[j], &v[j+gap]);

}

}

Здесь следует обратить определенное внимание на описания. Описание:

int (*comp)()

говорит, что comp является указателем на функцию, которая возвращает значение типа int. Первые круглые скобки здесь необходимы: без них описание:

int *comp()

говорило бы, что comp является функцией, возвращающей указатель на целые, что, конечно, совершенно другая вещь.

Использование comp в строке:

if (*comp)(v[j], v[j+gap]) <= 0)

полностью согласуется с описанием:

comp – указатель на функцию, *comp – сама функция, а

(*comp)(v[j], v[j+gap])

– это обращение к ней. Круглые скобки необходимы для правильного объединения компонентов.

Мы уже приводили функцию strcmp, сравнивающую две строки по первому численному значению:

// Сравнить численно s1 и s2

numcmp(char *s1, char *s2)

{

double atof(), v1, v2;

v1 = atof(s1);

v2 = atof(s2);

if(v1 < v2)

return(-1);

else if(v1 > v2)

return(1);

else

return (0);

}

Заключительный шаг состоит в добавлении функции swap, переставляющей два указателя. Это легко сделать, непосредственно используя то, что мы изложили ранее в этой главе:

// Переставить указатели *px и *py

swap(char *px[],char *py[])

{

char *temp;

temp = *px;

*px = *py;

*py = temp;

}

Имеется множество других необязятельных аргументов, которые могут быть включены в программу сортировки: некоторые из них составляют интересные упражнения.

Упражнение 6-11 . Модифицируйте sort таким образом, чтобы она работала с меткой -r, указывающей на сортировку в обратном (убывающем) порядке. Конечно, -r должна работать с -n.

Упражнение 6-12 . Добавьте необязательный аргумент -f, объединяющий вместе прописные и строчные буквы, так чтобы различие регистров не учитывалось во время сортировки: данные из верхнего и нижнего регистров сортируются вместе, так что буква 'а' прописное и 'а' строчное оказываются соседними, а не разделенными целым алфавитом.

Упражнение 6-13 . Добавьте необязательный аргумент -d (т.н. «словарное упорядочивание»), при наличии которого сравниваются только буквы, числа и пробелы. Позаботьтесь о том, чтобы эта функция работала и вместе с -f.

Упражнение 6-14 . Добавьте возможность обработки полей, так чтобы можно было сортировать поля внутри строк. Каждое поле должно сортироваться в соответствии с независимым набором необязательных аргументов. Предметный указатель этой книги сортировался с помощью следующих аргументов:

-df для терминов (категории указателя);

–n для номеров страниц.

7. СТРУКТУРЫ

Структура – это набор из одной или более переменных, возможно различных типов, сгруппированных под одним именем для удобства обработки (в некоторых языках, самый известный из которых ПАСКАЛЬ, структуры называются «записями»).

Традиционным примером структуры является учетная карточка работающего: «служащий» описывается набором атрибутов таких, как фамилия, имя, отчество (ф.и.о.), адрес, код социального обеспечения, зарплата и т.д. Некоторые из этих атрибутов сами могут оказаться структурами: ф.и.о. Имеет несколько компонент, как и адрес, и даже зарплата.

Структуры оказываются полезными при организации сложных данных особенно в больших программах, поскольку во многих ситуациях они позволяют сгруппировать связанные данные таким образом, что с ними можно обращаться, как с одним целым, а не как с отдельными объектами. В этой главе мы постараемся продемонстрировать то, как используются структуры. Программы, которые мы для этого будем использовать, больше, чем многие другие в этой книге, но все же достаточно умеренных размеров.

7.1. Основные сведения

Давайте снова обратимся к процедурам преобразования даты из главы 6. Дата состоит из нескольких частей таких, как день, месяц, и год, и, возможно, день года и имя месяца. Эти пять переменных можно объединить в одну структуру вида:

struct date

{

int day;

int month;

int year;

int yearday;

char mon_name[4];

};

Описание структуры, состоящее из заключенного в фигурные скобки списка описаний, начинается с ключевого слова struct. За словом struct может следовать необязательное имя, называемое ярлыком структуры (здесь это date). Такой ярлык именует структуры этого вида и может использоваться в дальнейшем как сокращенная запись подробного описания.

Переменные, упомянутые в структуре, называются элементами (или членами) структуры. Ярлыки и элементы структур могут иметь такие же имена, что и обычные переменные (т.е. не являющиеся элементами структур), поскольку их имена всегда можно различить по контексту. Конечно, обычно одинаковые имена присваивают только тесно связанным объектам.

Точно так же, как в случае любого другого базисного типа, за правой фигурной скобкой, закрывающей список элементов, может следовать список переменных. Оператор:

struct {...} x,y,z;

синтаксически аналогичен:

int x,y,z;

в том смысле, что каждый из операторов описывает x , y и z в качестве переменных соотвествующих типов и приводит к выделению для них памяти.

Описание структуры, за которым не следует списка переменных, не приводит к выделению какой-либо памяти; оно только определяет шаблон или форму структуры. Однако, если такое описание снабжено ярлыком, то этот ярлык может быть использован позднее при определении фактических экземпляров структур. Например, если дано приведенное выше описание date, то:

struct date d;

определяет переменную в в качестве структуры типа date. Внешнюю или статическую структуру можно инициализировать, поместив вслед за ее определением список инициализаторов для ее компонент:

struct date d={ 4, 7, 1776, 186, "jul"};

Элемент (член) определенной структуры может быть указан в выражении с помощью конструкции вида

Имя структуры . Элемент

Операция указания члена структуры (точка ".") связывает имя структуры и имя элемента. В качестве примера определим leap (признак високосности года) на основе даты, находящейся в структуре d,

leap = d.year % 4 == 0 && d.year % 100 != 0

|| d.year % 400 == 0;

или проверим имя месяца:

if (strcmp(d.mon_name, "aug") == 0) ...

или преобразуем первый символ имени месяца так, чтобы оно начиналось со строчной буквы:

d.mon_name[0] = lower(d.mon_name[0]);

Структуры могут быть вложенными; учетная карточка служащего может фактически выглядеть так:

struct person

{

char name[namesize];

char address[adrsize];

long zipcode; // Почтовый индекс

long ss_number; // Код соц. обеспечения

double salary; // Зарплата

struct date birthdate; // Дата рождения

struct date hiredate; // Дата приема на работу

};

Структура person содержит две структуры типа date. Если мы определим emp как:

struct person emp;

то

emp.birthdate.month

будет ссылаться на месяц рождения.

Следует помнить, что операция указания члена структуры "." ассоциируется слева направо.

7.2. Структуры и функции

В языке «C» существует ряд ограничений на использование структур. Обязательные правила заключаются в том, что единственные операции, которые вы можете проводить со структурами, состоят в определении ее адреса с помощью операции & и доступе к одному из ее членов. Это влечет за собой то, что структуры нельзя присваивать или копировать как целое, и что они не могут быть переданы функциям или возвращены ими. (В последующих версиях эти ограничения будут сняты). На указатели структур эти ограничения, однако, не накладываются, так что структуры и функции все же могут с удобством работать совместно. И, наконец, автоматические структуры, как и автоматические массивы, не могут быть инициализированы; инициализация возможна только в случае внешних или статических структур.

Пример 7-1 . Давайте разберем некоторые из этих вопросов, переписав с этой целью функции преобразования даты из предыдущей главы так, чтобы они использовали структуры. Так как правила запрещают непосредственную передачу структуры функции, то мы должны либо передавать отдельно компоненты, либо передать указатель всей структуры. Первая возможность демонстрируется на примере функции day_of_year, как мы ее написали в главе 6:

d.yearday = day_of_year(d.year, d.month, d.day);

другой способ состоит в передаче указателя. Если мы опишем hiredate как:

struct date hiredate;

и перепишем day_of_year нужным образом, мы сможем тогда написать:

hiredate.yearday = day_of_year(&hiredate);

передавая указатель на hiredate функции day_of_year. Функция должна быть модифицирована, потому что ее аргумент теперь является указателем, а не списком переменных.

// Установить день года по месяцу и дню

day_of_year(struct date *pd)

{

int i, day, leap;

day = pd->day;

leap = pd->year % 4 == 0 && pd->year % 100 != 0

|| pd->year % 400 == 0;

for (i =1; i < pd->month; i++)

day += day_tab[leap][i];

return(day);

}

Описание:

struct date *pd;

говорит, что pd является указателем структуры типа date. Запись, показанная на примере:

pd->year

является новой. Если p – указатель на структуру, то выражение вида:

p->член структуры

обращается к конкретному элементу. (Операция -> записывается как знак "минус", за которым без пробела следует знак "больше".)

Так как pd указывает на структуру, то к члену year можно обратиться и следующим образом:

(*pd).year ,

но указатели структур используются настолько часто, что запись "->" оказывается удобным сокращением. Круглые скобки в (*pd).year необходимы, потому что операция указания члена структуры старше, чем *. Обе операции, "->" и ".", ассоциируются слева направо, так что конструкции в двух примерах слева и справа эквивалентны:

Для полноты изложения ниже приводится другая функция, month_day, переписанная с использованием структур.

// Установить месяц и день по дню года

month_day(struct date *pd)

{

int i, leap;

leap = pd->year % 4 == 0 && pd->year % 100 != 0

|| pd->year % 400 == 0;

pd->day = pd->yearday;

for (i = 1; pd->day > day_tab[leap][i]; i++)

pd->day -= day_tab[leap][i];

pd->month = i;

}

Операции работы со структурами "->" и "." наряду с круглыми скобками () для списка аргументов и квадратными скобками [] для индексов находятся на самом верху иерархии старшинства операций и, следовательно, связываются очень крепко. Если, например, имеется описание:

struct

{

int x;

char *y;

} *p;

то выражение:

++p->x

увеличивает х, а не р, так как оно эквивалентно выражению ++(p->х).

Для изменения порядка выполнения операций можно использовать круглые скобки: (++p)->х увеличивает p до доступа к х, а (p++)->x увеличивает х после доступа. (Круглые скобки в последнем случае необязательны. Почему?)

Совершенно аналогично:

7.3. Массивы структур

Структуры особенно подходят для управления массивами связанных переменных. Рассмотрим, например, программу подсчета числа вхождений каждого ключевого слова языка «C». Нам нужен массив символьных строк для хранения имен и массив целых для подсчета.

Одна из возможностей состоит в использовании двух «параллельных массивов» keyword и keycount:

char *keyword[nkeys];

int keycount[nkeys];

Но сам факт, что массивы параллельны, указывает на возможность другой организации. Каждое ключевое слово здесь по существу является парой:

char *keyword;

int keycount;

и, следовательно, имеется массив пар. Описание структуры:

struct key

{

char *keyword;

int keycount;

} keytab[nkeys];

оперделяет массив keytab структур такого типа и отводит для них память. Каждый элемент массива является структурой. Это можно было бы записать и так:

struct key

{

char *keyword;

int keycount;

};

struct key keytab[nkeys];

Так как структура keytab фактически содержит постоянный набор имен, то легче всего инициализировать ее один раз и для всех членов при определении. Инициализация структур вполне аналогична предыдущим инициализациям – за определением следует заключенный в фигурные скобки список инициализаторов:

struct key

{

char *keyword;

int keycount;

} keytab[] =

{

"break", 0,

"case", 0,

"char", 0,

"continue", 0,

"default", 0,

...

"unsigned", 0,

"while", 0

};

Инициализаторы перечисляются парами соответственно членам структуры. Было бы более точно заключать в фигурные скобки инициализаторы для каждой «строки» или структуры следующим образом:

{ "break", 0 },

{ "case", 0 },

...

Но когда инициализаторы являются простыми переменными или символьными строками и все они присутствуют, то во внутренних фигурных скобках нет необходимости. Как обычно, компилятор сам вычислит число элементов массива keytab, если инициализаторы присутствуют, а скобки [] оставлены пустыми.

Пример 7-2 . Программа подсчета ключевых слов начинается с определения массива keytab. ведущая программа читает свой файл ввода, последовательно обращаясь к функции getword, которая извлекает из ввода по одному слову за обращение. Каждое слово ищется в массиве keytab с помощью варианта функции бинарного поиска, написанной нами в главе 4. (Конечно, чтобы эта функция работала, список ключевых слов должен быть расположен в порядке возрастания).

#define maxword 20

main() // Подсчет ключевых слов «С»

{

int n, t;

char word[maxword];

while ((t = getword(word,maxword)) != eof)

if (t == letter)

if((n = binary(word,keytab,nkeys)) >= 0)

keytab[n].keycount++;

for (n =0; n < nkeys; n++)

if (keytab[n].keycount > 0)

printf("%4d %s\n",

keytab[n].keycount, keytab[n].keyword);

}

// Функция binary: найти слова в tab[0]...tab[n-1]

binary(char *word, struct key tab[],int n)

{

int low, high, mid, cond;

low = 0;

high = n - 1;

while (low <= high)

{

mid = (low+high) / 2;

if((cond = strcmp(word, tab[mid].keyword)) < 0)

high = mid - 1;

else if (cond > 0)

low = mid + 1;

else

return (mid);

}

return(-1);

}

Мы вскоре приведем функцию getword; пока достаточно сказать, что она возвращает letter каждый раз, как она находит слово, и копирует это слово в свой первый аргумент.

Величина nkeys – это количество ключевых слов в массиве keytab. Хотя мы можем сосчитать это число вручную, гораздо легче и надежнее поручить это машине, особенно в том случае, если список ключевых слов подвержен изменениям. Одной из возможностей было бы закончить список инициализаторов указанием на нуль и затем пройти в цикле сквозь массив keytab, пока не найдется конец.

Но, поскольку размер этого массива полностью определен к моменту компиляции, здесь имеется более простая возможность. Число элементов просто есть:

sizeof keytab / sizeof struct key

Дело в том, что в языке «C» предусмотрена унарная операция sizeof, выполняемая во время компиляции, которая позволяет вычислить размер любого объекта. Выражение sizeof(object) выдает целое, равное размеру указанного объекта. (Размер определяется в неспецифицированных единицах, называемых «байтами», которые имеют тот же размер, что и переменные типа char).

Объект может быть фактической переменной, массивом и структурой, или именем основного типа, как int или double, или именем производного типа, как структура. В нашем случае число ключевых слов равно размеру массива, деленному на размер одного элемента массива. Это вычисление используется в утверждении #define для установления значения nkeys:

#define nkeys (sizeof(keytab) / sizeof(struct key))

Теперь перейдем к функции getword. Мы фактически написали более общий вариант функции getword, чем необходимо для этой программы, но он не на много более сложен. Функция getword возвращает следующее «слово» из ввода, где словом считается либо строка букв и цифр, начинающихся с буквы, либо отдельный символ. Тип объекта возвращается в качестве значения функции. Это может быть:

· letter, если найдено слово;

· eof для конца файла;

· сам символ, если он не буквенный.

// Получить следующее слово из потока символов ввода

getword(char *w, int lim)

{

int c, t;

if (type(c=*w++=getch()) != letter)

{

*w='\0';

return(c);

}

while (--lim > 0)

{

t = type(c = *w++ = getch());

if (t != letter && t != digit)

{

ungetch(c);

break;

}

}

*(w-1) - '\0';

return(letter);

}

Функция getword использует функции getch и ungetch, которые мы написали в главе 5: когда набор алфавитных символов прерывается, функция getword получает один лишний символ. В результате вызова ungetch этот символ помещается назад во ввод для следующего обращения. Функция getword обращается к функции type для определения типа каждого отдельного символа из файла ввода. Вот вариант, справедливый только для алфавита ASCII.

// Получить тип символа ASCII

int type(int c)

{

if (c>= 'a' && c<= 'z' || c>= 'a' && c<= 'z')

return(letter);

else if (c>= '0' && c<= '9')

return(digit);

else

return(c);

}

Символические константы letter и digit могут иметь любые значения, лишь бы они не вступали в конфликт с символами, отличными от буквенно-цифровых, и с eof; очевидно возможен следующий выбор:

#define letter 'a'

#define digit '0'

Функция getword могла бы работать быстрее, если бы обращения к функции type были заменены обращениями к соответствующему массиву type[]. В стандартном заголовочном h-файле <ctype.h> языка «C» предусмотрены макросы isalpha и isdalnum, действующие необходимым образом.

Упражнение 7-1 . Сделайте такую модификацию функции getword и оцените, как изменится скорость работы программы.

Упражнение 7-2 . Напишите вариант функции type, не зависящий от конкретного набора символов.

Упражнение 7-3 . Напишите вариант программы подсчета ключевых слов, который бы не учитывал появления этих слов в заключенных в кавычки строках.

7.4. Указатели на структуры

Пример 7-3 . Чтобы проиллюстрировать некоторые соображения, связанные с использованием указателей и массивов структур, давайте снова составим программу подсчета ключевых строк, используя на этот раз указатели, а не индексы массивов.

Внешнее описание массива keytab не нужно изменять, но функции main и binary требуют модификации.

// Подсчет ключевых слов «С»; версия с указателями

main()

{

int t;

char word[maxword];

struct key *binary(), *p;

while ((t = getword(word, maxword;) != eof)

if (t==letter)

if ((p=binary(word,keytab,nkeys)) != null)

p->keycount++;

for (p=keytab; p>keytab + nkeys; p++)

if (p->keycount > 0)

printf("%4d %s/n", p->keycount, p->keyword);

}

// Функция binary: найти слова в tab[0]...tab[n-1]

struct key *binary(char *word, struct key tab[],int n)

{

int cond;

struct key *low = &tab[0];

struct key *high = &tab[n-1];

struct key *mid;

while (low <= high)

{

mid = low + (high-low) / 2;

if ((cond = strcmp(word, mid->keyword)) < 0)

high = mid - 1;

else if (cond > 0)

low = mid + 1;

else

return(mid);

}

return(null);

}

Здесь имеется несколько моментов, которые стоит отметить.

Во-первых, описание функции binary должно указывать, что она возвращает указатель на структуру типа key, а не на целое; это объявляется как в функции main, так и в binary. Если функция binary находит слово, то она возвращает указатель на него; если же нет, она возвращает null.

Во-вторых, все обращения к элементам массива keytab осуществляются через указатели. Это влечет за собой одно существенное изменение в функции binary: средний элемент больше нельзя вычислять просто по формуле:

mid = (low + high) / 2 ,

потому что сложение двух указателей не дает какого-нибудь полезного результата (даже после деления на 2) и в действительности является незаконным. Эту формулу надо заменить на:

mid = low + (high-low) / 2 ,

в результате которой mid становится указателем на элемент, расположенный посередине между low и high.

Вам также следует разобраться в инициализации low и high. Указатель можно инициализировать адресом ранее определенного объекта; именно как мы здесь и поступили.

В функции main мы написали:

for (p=keytab; p < keytab+nkeys; p++) .

Если p является указателем структуры, то любая арифметика с p учитывает фактический размер данной структуры, так что p++ увеличивает p на нужную величину, в результате чего p указывает на следующий элемент массива структур. Но не считайте, что размер структуры равен сумме размеров ее элементов, – из-за требований выравнивания для различных объектов в структуре могут возникать «дыры».

И, наконец, несколько второстепенный вопрос о форме записи программы. Если возвращаемая функцией величина имеет тип, как, например, в:

struct key *binary(...) ,

то может оказаться, что имя функции трудно выделить среди текста. В связи с этим иногда используется другой стиль записи:

struct key *

binary(...) .

Это, главным образом, дело вкуса; выберите ту форму, которая вам нравится, и придерживайтесь ее.

7.5. Структуры, ссылающиеся на себя; двоичные деревья

Пример 7-4 . Предположим, что нам надо справиться с более общей задачей, состоящей в подсчете числа появлений всех слов в некотором файле ввода. Так как список слов заранее не известен, мы не можем их упорядочить удобным образом и использовать бинарный поиск. Мы даже не можем осуществлять последовательный просмотр при поступлении каждого слова, с тем, чтобы установить, не встречалось ли оно ранее; такая программа будет работать «вечно». (Более точно, ожидаемое время работы растет как квадрат числа вводимых слов). Как же нам организовать программу, чтобы справиться со списком произвольных слов?

Одно из решений состоит в том, чтобы все время хранить массив поступающих до сих пор слов в упорядоченном виде, помещая каждое слово в нужное место по мере их поступления. Однако это не следует делать, перемещая слова в линейном массиве, – это также потребует слишком много времени. Вместо этого мы используем структуру данных, называемую двоичным деревом.

Каждому новому слову соответствует один «узел» дерева; каждый узел содержит:

· указатель текста слова;

· счетчик числа появлений;

· указатель узла левого потомка;

· указатель узла правого потомка.

Никакой узел не может иметь более двух «детей» (отсюда название «двоичного» дерева); возможно отсутствие детей или наличие только одного потомка.

Узлы создаются таким образом, что левое поддерево каждого узла содержит только те слова, которые лексикографически меньше слова в этом узле, а правое поддерево только те слова, которые больше. Чтобы определить, находится ли новое слово уже в дереве, начинают с корня и сравнивают новое слово со словом, хранящимся в этом узле. Если слова совпадают, то вопрос решается утвердительно. Если новое слово меньше слова в дереве, то переходят к рассмотрению левого потомка; в противном случае исследуется правый потомок. Если в нужном направлении потомок отсутствует, то значит новое слово не находится в дереве и место этого недостающего потомка как раз и является местом, куда следует поместить новое слово. Поскольку поиск из любого узла приводит к поиску одного из его потомков, то сам процесс поиска по существу является рекурсивным. В соответствии с этим наиболее естественно использовать рекурсивные процедуры ввода и вывода.

Возвращаясь назад к описанию узла, становится ясно, что это будет структура с четырьмя компонентами:

struct tnode

{ // struct: Узел дерева

char *word; // Указатель на текст

int count; // Число вхождений (появлений)

struct tnode *left; // Левый «сын»

struct tnode *right; // Правый «сын»

};

Это «рекурсивное» описание узла может показаться рискованным, но на самом деле оно вполне корректно. Структура не имеет права содержать саму себя, но:

struct tnode *left;

описывает left как указатель на узел, а не как сам узел.

Текст самой программы оказывается удивительно маленьким, если, конечно, иметь в распоряжении набор написанных нами ранее процедур, обеспечивающих нужные действия. Мы имеем в виду функцию getword для извлечения каждого слова из файла ввода и функцию alloc для выделения места для хранения слов.

Ведущая программа просто считывает слова с помощью функции getword и помещает их в дерево, используя функцию tree.

#define maxword 20

main() /* word freguency count */

{

struct tnode *root, *tree();

char word[maxword];

int t;

root = null;

while ((t = getword(word, maxword)) != eof)

if (t == letter)

root = tree(root, word);

treeprint(root);

}

Функция tree сама по себе проста. Слово передается функцией main к верхнему уровню (корню) дерева. На каждом этапе это слово сравнивается со словом, уже хранящимся в этом узле, и с помощью рекурсивного обращения к tree просачивается вниз либо к левому, либо к правому поддереву. В конце концов это слово либо совпадает с каким-то словом, уже находящимся в дереве (в этом случае счетчик увеличивается на единицу), либо программа натолкнется на нулевой указатель, свидетельствующий о необходимости создания и добавления к дереву нового узла. В случае создания нового узла функция main возвращает указатель этого узла, который помещается в родительский узел.

// tree: Добавляет узел со словом w в p или ниже него

struct tnode *tree(struct tnode *p, char *w)

{

struct tnode *talloc();

char *strsave();

int cond;

if (p == null)

{ //Если слово встречается впервые

p == talloc(); //Создается новый узел

p->word = strsave(w);

p->count = 1;

p->left = p->right = null;

}

else if ((cond = strcmp(w, p->word)) == 0)

p->count++; //Это слово уже встречалось

else if (cond < 0) //Меньше корня левого поддерева

p->left = tree(p->left, w);

else //Больше корня правого поддерева

p->right = tree(p->right, w);

return(p);

}

Память для нового узла выделяется функцией talloc, являющейся адаптацией для данного случая функции alloc, написанной нами ранее. Она возвращает указатель свободного пространства, пригодного для хранения нового узла дерева. (Мы вскоре обсудим это подробнее). Новое слово копируется функцией strsave в скрытое место, счетчик инициализируется единицей, и указатели обоих потомков полагаются равными нулю. Эта часть программы выполняется только при добавлении нового узла к ребру дерева. Мы здесь опустили проверку на ошибки возвращаемых функций strsave и talloc значений (что неразумно для практически работающей программы).

Функция treeprint печатает дерево, начиная с левого поддерева; в каждом узле сначала печатается левое поддерево (все слова, которые младше этого слова), затем само слово, а затем правое поддерево (все слова, которые старше). Если вы неуверенно оперируете с рекурсией, нарисуйте дерево сами и напечатайте его с помощью функции treeprint; это одна из наиболее ясных рекурсивных процедур, которую можно найти.

// treeprint: напечатать дерево p рекурсивно

treeprint (struct tnode *p)

{

if (p != null)

{

treeprint (p->left);

printf("%4d %s\n", p->count, p->word);

treeprint (p->right);

}

}

Практическое замечание: если дерево становится «несбалансированным» из-за того, что слова поступают не в случайном порядке, то время работы программы может расти слишком быстро. В худшем случае, когда поступающие слова уже упорядочены, настоящая программа осуществляет дорогостоящую имитацию линейного поиска. Существуют различные обобщения двоичного дерева, но мы не будем здесь на них останавливаться.

Прежде чем расстаться с этим примером, уместно сделать небольшое отступление в связи с вопросом о распределении памяти. Ясно, что в программе желательно иметь только один распределитель памяти, даже если ему приходится размещать различные виды объектов. Но если мы хотим использовать один распределитель памяти для обработки запросов на выделение памяти для указателей на переменные типа char и для указателей на struct tnode, то при этом возникают два вопроса.

Первый : как выполнить то существующее на большинстве реальных машин ограничение, что объекты определенных типов должны удовлетворять требованиям выравнивания (например, часто целые должны размещаться в четных адресах)?

Второй : как организовать описания, чтобы справиться с тем, что функция alloc должна возвращать различные виды указателей?

Вообще говоря, требования выравнивания легко выполнить за счет выделения некоторого лишнего пространства, просто обеспечив то, чтобы распределитель памяти всегда возвращал указатель, удовлетворяющий всем ограничениям выравнивания. Например, на PDP-11 достаточно, чтобы функция alloc всегда возвращала четный указатель, поскольку в четный адрес можно поместить любой тип объекта. единственный расход при этом лишний символ при запросе на нечетную длину. Аналогичные действия предпринимаются на других машинах. Таким образом, реализация alloc может не оказаться переносимой, но ее использование будет переносимым. Функция alloc из главы 6 не предусматривает никакого определенного выравнивания. В главе 8 мы продолжим обсуждение темы, связанной с динамическим распределением памяти.

Вопрос описания типа функции alloc является мучительным для любого языка, который серьезно относится к проверке типов. Лучший способ в языке «C» – объявить, что alloc возвращает указатель на переменную типа char, а затем явно преобразовать этот указатель к желаемому типу с помощью операции перевода типов. Таким образом, если описать p в виде:

char *p;

то

(struct tnode *) p

преобразует его в выражениях в указатель на структуру типа tnode . Следовательно, функцию talloc можно записать в виде:

struct tnode *talloc()

{

char *alloc();

return((struct tnode *) alloc(sizeof(struct tnode)));

}

Это более чем достаточно для работающих в настоящее время компиляторов, но это и самый безопасный путь с учетом будущего.

Упражнение 7-4 . Напишите программу, которая читает «C»-программу и печатает в алфавитном порядке каждую группу имен переменных, которые совпадают в первых семи символах, но отличаются где-то дальше. (Сделайте так, чтобы 7 было параметром).

Упражнение 7-5 . Напишите программу выдачи перекрестных ссылок, т.е. программу, которая печатает список всех слов документа и для каждого из этих слов печатает список номеров строк, в которые это слово входит.

Упражнение 7-6 . Напишите программу, которая печатает слова из своего файла ввода, расположенные в порядке убывания частоты их появления. Перед каждым словом напечатайте число его появлений.

7.6. Поиск в таблице

Пример 7-5 . Для иллюстрации дальнейших аспектов использования структур в этом разделе мы напишем программу, представляющую собой содержимое пакета поиска в таблице. Эта программа является типичным представителем подпрограмм управления символьными таблицами макропроцессора или компилятора. Рассмотрим, например, оператор #define языка «C». Когда встречается строка вида:

#define yes 1

то имя yes и заменяющий текст 1 помещаются в таблицу. Позднее, когда имя yes появляется в операторе вида:

inword = yes;

оно должно быть замещено на 1.

Имеются две основные процедуры, которые управляют именами и заменяющими их текстами. Функция install(s,t) записывает имя s и заменяющий текст t в таблицу; здесь s и t просто символьные строки. Функция lookup(s) ищет имя s в таблице и возвращает либо указатель того места, где это имя найдено, либо null, если этого имени в таблице не оказалось.

При этом используется поиск по алгоритму хеширования – поступающее имя преобразуется в маленькое положительное число, которое затем используется для индексации массива указателей. Элемент массива указывает на начало цепочных блоков, описывающих имена, которые имеют это значение хеширования. Если никакие имена при хешировании не получают этого значения, то элементом массива будет null.

Блоком цепи является структура, содержащая указатели на соответствующее имя, на заменяющий текст и на следующий блок в цепи. Нулевой указатель следующего блока служит признаком конца данной цепи.

struct nlist

{ // Основной элемент таблицы

char *name;

char *def;

struct nlist *next; // Следующий элемент таблицы

};

Массив указателей – это просто:

#define hashsize 100 // hashtab: Таблица указателей

static struct nlist *hashtab[hashsize]

Значение функции хеширования, используемой обеими функциями lookup и install, получается просто как остаток от деления суммы символьных значений строки на размер массива. (Это не самый лучший возможный алгоритм, но его достоинство состоит в исключительной простоте).

// hash: Получает хэш-код для строки s

unsigned hash(char *s)

{

int hashval;

for (hashval = 0; *s != '\0'; )

hashval += *s++;

return(hashval % hashsize);

}

В результате процесса хеширования выдается начальный индекс в массиве hashtab; если данная строка может быть где-то найдена, то именно в цепи блоков, начало которой указано там. Поиск осуществляется функцией lookup. Если функция lookup находит, что данный элемент уже присутствует, то она возвращает указатель на него; если нет, то она возвращает null.

// lookup: Ищет s в hashtab

struct nlist *lookup(char *s)

{

struct nlist *np;

for (np=hashtab[hash(s)]; np != null; np=np->next)

if (strcmp(s, np->name) == 0)

return(np); // Нашли

return(null); // Не нашли

}

Функция install использует функцию lookup для определения, не присутствует ли уже вводимое в данный момент имя; если это так, то новое определение должно вытеснить старое. В противном случае создается совершенно новый элемент. Если по какой-либо причине для нового элемента больше нет места, то функция install возвращает null.

// install: Заносит имя и текст (name, def) в таблицу

struct nlist *install(char *name, char *def)

{

struct nlist *np, *lookup();

char *strsave(), *alloc();

int hashval;

if((np = lookup(name)) == null)

{ // Не найден

np = (struct nlist *) alloc(sizeof(*np));

if (np == null)

return(null);

if ((np->name = strsave(name)) == null)

return(null);

hashval = hash(np->name);

np->next = hashtab[hashval];

hashtab[hashval] = np;

}

else // Уже имеется

free((np->def); // Освобождаем прежний defn

if ((np->def = strsave(def)) == null)

return (null);

return(np);

}

Функция strsave просто копирует строку, указанную в качестве аргумента, в место хранения, полученное в результате обращения к функции alloc. Мы уже привели эту функцию в главе 6. Так как обращение к функции alloc и free могут происходить в любом порядке и в связи с проблемой выравнивания, простой вариант функции alloc из главы 6 нам больше не подходит (смотрите главу 8).

Упражнение 7-7 . Напишите процедуру, которая будет удалять имя и определение из таблицы, управляемой функциями lookup и install.

Упражнение 7-8 . Разработайте простую, основанную на функциях этого раздела, версию процессора для обработки конструкций #define, пригодную для использования с «C»-программами. Вам могут также оказаться полезными функции getchar и ungetch.

7.7. Битовые поля

Когда вопрос экономии памяти становится очень существенным, то может оказаться необходимым помещать в одно машинное слово несколько различных объектов; одно из особенно распространенных употреблений - набор однобитовых признаков в применениях, подобных символьным таблицам компилятора. внешне обусловленные форматы данных, такие как интерфейсы аппаратных средств также зачастую предполагают возможность получения слова по частям.

Представьте себе фрагмент компилятора, который работает с символьной таблицей. С каждым идентификатором программы связана определенная информация, например, является он или нет ключевым словом, является ли он или нет внешним и/или статическим и т.д. Самый компактный способ закодировать такую информацию – поместить набор однобитовых признаков в отдельную переменную типа char или int.

Обычный способ, которым это делается, состоит в определении набора «масок», отвечающих соответствущим битовым позициям, как в:

#define keyword 01

#define external 02

#define static 04

(числа должны быть степенями двойки). Тогда обработка битов сведется к «жонглированию битами» с помощью операций сдвига, маскирования и дополнения, описанных нами в главе 3.

Некоторые часто встречающиеся идиомы:

flags |= external | static;

включает биты external и static в flags, в то время как:

flags &= ~( external | static);

их выключает, а:

if ((flags & (external | static)) == 0) ...

истинно, если оба бита выключены.

Хотя этими идиомами легко овладеть, язык «C» в качестве альтернативы предлагает возможность определения и обработки полей внутри слова непосредственно, а не посредством побитовых логических операций. Поле – это набор смежных битов внутри одной переменной типа int. Синтаксис определения и обработки полей основывается на структурах. Например, символьную таблицу конструкций #define, приведенную выше, можно бы было заменить определением трех полей:

struct

{

unsigned is_keyword : 1;

unsigned is_extern : 1;

unsigned is_static : 1;

} flags;

Здесь определяется переменная с именем flags, которая содержит три однобитовых поля поля. Следующее за двоеточием число задает ширину поля в битах. Поля описаны как unsigned, чтобы подчеркнуть, что они действительно будут величинами без знака.

На отдельные поля можно ссылаться, как:

· flags.is_statie,

· flags.is_extern,

· flags.is_keyword

и т.д., то есть точно так же, как на другие члены структуры. Поля ведут себя подобно небольшим целым без знака и могут участвовать в арифметических выражениях точно так же, как и другие целые. Таким образом, предыдущие примеры более естественно переписать так:

· для включения битов

flags.is_extern = flags.is_static = 1;

· для выключения битов

flags.is_extern = flags.is_static = 0;

· для их проверки

if(flags.is_extern == 0 && flags.is_static == 0)...

Поле не может перекрывать границу int; если указанная ширина такова, что это должно случиться, то поле выравнивается по границе следующего int. Полям можно не присваивать имена; неименованные поля (только двоеточие и ширина) используются для заполнения свободного места. Чтобы вынудить выравнивание на границу следующего int, можно использовать специальную ширину 0.

При работе с полями имеется ряд моментов, на которые следует обратить внимание. По-видимому, наиболее существенным является то, что, отражая природу различных аппаратных средств, распределение полей на некоторых машинах осуществляется слева направо, а на некоторых справа налево. Это означает, что хотя поля очень полезны для работы с внутренне определенными структурами данных, при разделении внешне определяемых данных следует тщательно рассматривать вопрос о том, какой конец поступает первым.

Другие ограничения, которые следует иметь в виду: поля не имеют знака; они могут храниться только в переменных типа int (или, что эквивалентно, типа unsigned); они не являются массивами; они не имеют адресов, так что к ним не применима операция &.

7.8. Объединения

Объединение – это переменная, которая в различные моменты времени может содержать объекты разных типов и размеров, причем компилятор берет на себя отслеживание размера и требований выравнивания. Объединения предоставляют возможность работать с различными видами данных в одной области памяти, не вводя в программу никакой машинно-зависимой информации.

В качестве примера, снова из символьной таблицы компилятора, предположим, что константы могут быть типа int, float или быть указателями на символы. значение каждой конкретной константы должно храниться в переменной соответствующего типа, но все же для управления таблицей самым удобным было бы, если это значение занимало бы один и тот же объем памяти и хранилось в том же самом месте независимо от его типа. Это и является назначением объединения – выделить отдельную переменную, в которой можно законно хранить любую одну из переменных нескольких типов. Как и в случае полей, синтаксис основывается на структурах:

union u_tag

{

int ival;

float fval;

char *pval;

} uval;

Переменная uval будет иметь достаточно большой размер, чтобы хранить наибольший из трех типов, независимо от машины, на которой осуществляется компиляция, – программа не будет зависеть от характеристик аппаратных средств. Любой из этих трех типов может быть присвоен uval и затем использован в выражениях, пока такое использование совместимо: извлекаемый тип должен совпадать с последним помещенным типом. Дело программиста – следить за тем, какой тип хранится в объединении в данный момент; если что-либо хранится как один тип, а извлекается как другой, то результаты будут зависеть от используемой машины.

Синтаксически доступ к элементам (членам) объединения осуществляется следующим образом:

· Имя_объединения.элемент ,

· Указатель_объединения->элемент ,

то есть точно так же, как и в случае структур. Если для отслеживания типа, хранимого в данный момент в uval, используется переменная utype, то можно встретить такой участок программы:

if (utype == int)

printf("%d\n", uval.ival);

else if (utype == float)

printf("%f\n", uval.fval);

else if (utype == string)

printf("%s\n", uval.pval);

else

printf("bad type %d in utype\n", utype);

Объединения могут появляться внутри структур и массивов и наоборот. Запись для обращения к члену объединения в структуре (или наоборот) совершенно идентична той, которая используется во вложенных структурах. Например, в массиве структур, определенным следующим образом:

struct

{

char *name;

int flags;

int utype;

union

{

int ival;

float fval;

char *pval;

} uval;

} symtab[nsym];

на переменную ival можно сослаться как:

symtab[i].uval.ival ,

а на первый символ строки pval как

*symtab[i].uval.pval .

В сущности объединение является структурой, в которой все элементы имеют нулевое смещение. Сама структура достаточно велика, чтобы хранить «самый широкий» элемент, и выравнивание пригодно для всех типов, входящих в объединение.

Как и в случае структур, единственными операциями, которые в настоящее время можно проводить с объединениями, являются доступ к элементу и извлечение адреса; объединения не могут быть присвоены, переданы функциям или возвращены ими. Указатели объединений можно использовать в точно такой же манере, как и указатели структур.

7.9. Определение «нового» типа данных

В языке «C» предусмотрена возможность, называемая typedef, для введения новых имен для типов данных. Например, описание:

typedef int length;

делает имя length синонимом для int. «Тип» length может быть использован в описаниях, переводов типов и т.д. Точно таким же образом, как и тип int:

length len, maxlen;

length *lengths[];

Аналогично описанию:

typedef char *string;

делает string синонимом для char*, то есть для указателя на символы, что затем можно использовать в описаниях вида:

string p, lineptr[lines], alloc();

Обратите внимание, что объявляемый в конструкции typedef тип появляется в позиции имени переменной, а не сразу за словом typedef. Синтаксически конструкция typedef подобна описаниям класса памяти extern, static и т. Д. мы также использовали прописные буквы, чтобы яснее выделить имена.

В качестве более сложного примера мы используем конструкцию typedef для описания узлов дерева, рассмотренных ранее в этой главе:

typedef struct tnode // Узел дерева

{

char *word; // Указатель на текст

int count; // Число вхождений

struct tnode *left; // Левый «сын»

struct tnode *right; // Правый «сын»

} treenode, *treeptr;

В результате получаем два новых ключевых слова: treenode (структура) и treeptr (указатель на структуру). Тогда функцию talloc можно записать в виде:

treeptr talloc()

{

char *alloc();

return((treeptr) alloc(sizeof(treenode)));

}

Необходимо подчеркнуть, что описание typedef не приводит к созданию нового в каком-либо смысле типа; оно только добавляет новое имя для некоторого существующего типа. При этом не возникает и никакой новой семантики: описанные таким способом переменные обладают точно теми же свойствами, что и переменные, описанные явным образом. По существу конструкция typedef сходна с #define за исключением того, что она интерпретируется компилятором и потому может осуществлять подстановки текста, которые выходят за пределы возможностей макропроцессора языка «C». Например,

typedef int (*pfi) ();

создает тип pfi для «указателя функции, возвращающей значение типа int», который затем можно было бы использовать в программе сортировки из главы 6 в контексте вида:

pfi strcmp, numcmp, swap;

Имеются две основные причины применения описаний typedef. Первая причина связана с параметризацией программы, чтобы облегчить решение проблемы переносимости. Если для типов данных, которые могут быть машинно-зависимыми, использовать описание typedef, то при переносе программы на другую машину придется изменить только эти описания. Одна из типичных ситуаций состоит в использовании определяемых с помощью typedef имен для различных целых величин и в последующем подходящем выборе типов short, int и long для каждой имеющейся машины. Второе назначение typedef состоит в обеспечении лучшей документации для программы – тип с именем treeptr может оказаться более удобным для восприятия, чем тип, который описан только как указатель сложной структуры. И, наконец, всегда существует вероятность, что в будущем компилятор или некоторая другая программа, такая как lint, сможет использовать содержащуюся в описаниях typedef информацию для проведения некоторой дополнительной проверки программы.

8. ДИНАМИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПАМЯТИ.

РАБОТА СО СПИСКАМИ

8.1. Динамическое выделение и освобождение памяти

Инженер по разработке и эксплуатации информационных систем – это проектировщик незаурядных автоматизированных систем обработки информации и управления. Основой любой системы обработки данных является сложная программа, ориентированная на работу с информацией переменного объема, причем заранее неизвестно, сколько оперативной памяти необходимо выделять на обработку. Особая организация памяти в виде списков позволяет решать подобные проблемы. Однако ответственность за управление такой памятью ложится на программиста, написавшего программу обработки данных.

Ранее нами были рассмотрены функции типа alloc, предназначенные для управления памятью. Операции new и delete языка «С++» позволяют программисту выделять память из общей «кучи» памяти компьютера – RAM-ресурса и освобождать ее, т.е. возвращать в «кучу». Они заменяют такие функции Unix и Windows , как malloc, calloc и free, используемые в языке «С».

Есть два основных способа использования операции new:

Способ 1: float *r = new float;

Способ 2: float *r = new (float);

Оба способа использования операции new эквивалентны.

Операция new является функцией, возвращающей значение true, если требуемая память доступна, или false, если нет свободной памяти требуемого размера.

Операция delete может использоваться следующим образом:

float *r = new float[20];

...

delete r;

Что если операция delete используется с указателем, для которого память не была выделена при помощи операции new, либо была освобождена ранее? – Это ошибка. Каждая система ведет себя в этом случае по-своему. В общем случае ответственность за недопущение подобных ситуаций лежит на программисте.

Рассмотрим более сложный пример: выделение памяти для структуры определенного формата. Допустим, что необходимо создать список населенных пунктов, причем длина списка – каждый раз различная. Поэтому конструкция типа «массив структур» для использования в программе не подходит. По-видимому, как это будет видно в следующем параграфе, для создания такого списка и работы с ним нужна более сложная организация памяти (по сравнению с массивом), которая так и называется: «список». Рассмотрим структуру для описания одного населенного пункта scb:

struct scb

{

char village[25];// Название населенного пункта

double lat; // Географическая широта

double lon; // Географическая долгота

struct scb *sb; // Указатель на следующий пункт

struct scb *th; // Указатель на предыдущий пункт

};

Структура scb содержит три элемента памяти: название населенного пункта (символьная строка строка char village[25]) и его географические координаты – широту (double lat) и долготу (double lon). Кроме того, в списке имеются два указателя (sb и th) для размещения служебной информации, которая будет использоваться в следующем параграфе.

Указатель space на память, выделенную для структуры типа scb описывается как:

struct scb *space;

После удачного выполнения операторов:

if( !(space = new scb))

printf("Нет памяти для нового элемента списка!\n");

указатель space содержит адрес вновь выделенного элемента памяти.

8.2. Понятие списка; основные виды списковых образований

В предыдущей главе мы рассмотрели структуры, ссылающиеся на себя, на примере «двоичного дерева». Однако, двоичное дерево – это один из частных случаев сложной организации данных в памяти компьютера (как в оперативной памяти RAM, так и на винчестере HDD, и на компакт-диске CD-ROM), называемой «список». Основной элемент списка – это «узел», являющийся структурой.

Узлы имеют уникальную информацию, номер или имя. Списки представляются в виде направленных графов. Если из узла A в узел B проведена стрелка, то это означает следующее: в структуре A есть указатель, в котором содержится адрес структуры B, т.е. от информации узла A очень просто перейти к информации узла B.

Существуют следующие виды типовых списков: линейные, кольцевые и деревья. Линейные подразделяются на:

·

· линейный двунаправленный (рис. 8.1-б ).

Кольцевые списки также подразделяются на однонаправленные списки (рис. 8.1-в ) и двунаправленные (читатель без труда может представить его сам). Пример дерева был рассмотрен в предыдущей главе (см. рис. 8.1).

Кроме того, для специальных применений (при создании новых операционных систем ОС, систем управления базами данных СУБД, систем имитационного моделирования СИМ) списки являются основой соответствующих управляющих программ. На рис. 8.2. приведен без комментариев внутренний аппарат современной системы имитационного моделирования Pilgrim -5, применяемой для компьютерного моделирования экономических процессов^* , который построен на основании сложного спискового образования в оперативной памяти компьютера.

В программе, работающей со списком, обычно заводят четыре служебных переменных, которые на рис. 8.1 обозначены так:

lenth – число узлов в списке;

listbeg – указатель на первый узел в списке;

current – указатель на обрабатываемый узел.

Число служебных переменных иногда может быть и больше, и меньше: все зависит от назначения создаваемой программы.

8.3. Создание и удаление списка

Пример 8-1 . Далее рассмотрим программу createlist, которая построит линейный двунаправленный список из элементов памяти типа структуры scb. Если к ней обратиться, например, как createlist(20), то она построит список из 20 узлов (см. рис. 8.1-б ). Текст этой программы приведен ниже.

// Глобальные описания и переменные

struct scb

{

double lat; // Географическая широта пункта

double lon; // Географическая долгота пункта

struct scb *sb; // Указатель на следующий пункт

struct scb *th; // Указатель на предыдущий пункт

char village[25]; // Название населен. пункта

int number; // Номер пункта (и узла)

};

int lenth; // Число узлов в списке

struct scb *current; // Указатель на текущий узел

struct scb *listbeg; // Указатель на первый узел

struct scb *listend; // Указатель последнего узла

// createlist: создает двунаправленный список

int createlist(int n)

{

struct scb *space; // Рабочий указатель

struct scb *slast; // Предпоследний указатель

int i;

for (i=1; i <= n; i++)

{

slast = space;

if( !(space = new scb))

{

printf("Нет памяти для нового узла!\n");

return 0;

}

listend = space; // Последний узел

lenth = i; // Длина списка

space->number = i; // Порядковый номер

if( i == 1) // Выделен первый узел

listbeg = space;

else // Выделен второй или более

{

slast->sb = space; // Прямая связь

space->th = slast; // Обратная связь

}

}

current = listbeg;

return i; // Возвращается длина списка

}

Функция createlist возвращает нулевое значение (false), если список не построен, либо целое число – количество узлов в списке (true). Все узлы пронумерованы с помощью оператора присваивания:

space->number = i .

После выполнения этой функции указатель на текущий узел current показывает на узел, стоящий первым в списке и имеющий номер 1. Но далее, в процессе работы со списком, указатель current всегда показывает на последний узел, который обрабатывала главная программа (например, программа main).

Если список создан, то для работы с ним необходимо иметь и другие служебные программы:

1) программу уничтожения списка – возврата всей памяти, занимаемой им в общую «кучу» оперативной памяти компьютера (назовем её условно deletelist);

2) программу позиционирования – получения доступа к узлу списка, имеющего соответствующий признак (условное название knotpointer);

3) программу добавления нового узла, имеющего определенный признак, в соответствующее место списка (назовем её условно knotin);

4) программу исключения узла списка, имеющего соответствующий признак (условное название knotout).

Далее рассмотрим назначение этих программ.

Пример 8-2 . Программа уничтожения списка нужна обязательно. Дело в том, что программа createlist создает список, запрашивая память для его узлов у операционной системы с помощью операторов new. Эта программа – функция, к которой обращается более главная программа (например, main). Если функция createlist, создавшая список с помощью динамического распределения памяти, завершится, а память, выделенная этой программой для списка, не освобождена, то вся эта память передается операционной системой без освобождения главной программе, вызвавшей функцию createlist (т.е. программе main). Но если главная программа тоже строит списки, то доступная оперативная память компьютера (один из главных ресурсов операционной системы) может исчерпаться. – Когда это произойдет, главная программа не сможет выполняться (часто это наблюдается в виде «зависания компьютера»). Часто списки, память которых уже не нужна, называются «программным мусором», а соответствующие программы уничтожения списков называются программами-мусорщиками.

Текст программы, уничтожающей список, построенный функцией createlist, приведен ниже.

// Глобальные описания и переменные

struct scb

{

double lat; // Географическая широта пункта

double lon; // Географическая долгота пункта

struct scb *sb; // Указатель на следующий пункт

struct scb *th; // Указатель на предыдущий пункт

char village[25]; // Название населен. пункта

int number; // Номер пункта (и узла)

};

int lenth; // Число узлов в списке

struct scb *current; // Указатель на текущий узел

struct scb *listbeg; // Указатель на первый узел

struct scb *listend; // Указатель последнего узла

// deletelist: мусорщик удаляет двунаправленный список

void deletelist(int n)

{

int i;

struct scb *space; // Текущий указатель узла

space = listbeg;

for (i = 1; i <= n; i++)

{

delete spaсe;

if (i < n)

space = space->sb;

}

}

Для того, чтобы удалить список, созданный после выполнения функции createlist(20), нужно выполнить функцию deletelist(lenth) . Понятно, что в глобальной переменной lenth после выполнения createlist(20) находится число 20.

8.4. Программы позиционирования для работы со списками

Допустим, что в главной программе, работающей со списком, построенным в результате выполнения функции createlist(20), нужно в переменную с плавающей точкой double latitude поместить широту населенного пункта, название которого находится в элементе village узла с номером k, а порядковый номер узла расположен в элементе number того же узла. В результате программа сможет определить, насколько севернее экватора расположен населенный пункт. Но это можно будет сделать только после того, как будет получен адрес узла с номером k.

Пример 8-3 . Напишем соответствующую программу knotpointer, которая является функцией, возвращающей вызывающей (т.е. главной) программе адрес узла, если указать его номер в качестве аргумента.

// Глобальные описания и переменные

struct scb

{

double lat; // Географическая широта пункта

double lon; // Географическая долгота пункта

struct scb *sb; // Указатель на следующий пункт

struct scb *th; // Указатель на предыдущий пункт

char village[25]; // Название населен. пункта

int number; // Номер пункта (и узла)

};

int lenth; // Число узлов в списке

struct scb *current; // Указатель на текущий узел

struct scb *listbeg; // Указатель на первый узел

struct scb *listend; // Указатель последнего узла

// knotpointer: получает адрес k-го узла

struct scb *knotpointer(int k)

{

int n; // Счетчик позиций сдвига

int i; // Рабочая переменная

if (current->number == k)

; // Позиционер уже установлен

else if (listbeg->number == k || lenth == 1)

current = listbeg; // Установлен в начало

else if (listend->number == k)

current = listend; // Установлен в конец

else if (listbeg->number < k

&& k < listend->number)

if (k > current->number)

{ // Подвинуть к концу списка

n = k - current->number;

for (i=1; i <= n; i++)

{

space = space->sb;

current = space;

}

}

else

{ // Подвинуть к началу списка

n = current->number - k;

for (i=1; i <= n; i++)

{

space = space->th;

current = space;

}

}

else

printf(("Указан несуществующий номер узла !\n"

return(current);

}

Если указан неправильный номер узла (т.е. либо k<1, либо k>lenth), то будет сообщение об ошибке.

Возвратимся к поставленной задаче получения широты пункта. Имея программу knotpointer, можно получить широту пункта, информация о котором находится в 3-м узле, следующим образом:

void main(void)

{

int k;

double latitude;

...

k = 3;

...

latitude = (knotpointer(k))->lat;

...

}

Следует отметить, что могут быть и более сложные программы позиционирования. Если, например, нужно получить адрес узла, ближайшего в смысле координат к точке, широта и долгота которой – это аргументы программы позиционирования, то нужно запрограммировать дополнительно алгоритм получения точных расстояний между двумя произвольными точками на поверхности Земли. Для точных расчетов обычно Земля представляется в виде геометрического тела вращения, называемого эллипсоидом Красовского (в данном пособии мы это рассматривать не будем).

Списки могут расширяться за счет включения дополнительных узлов. Причем линейные списки желательно после этого перенумеровывать. Программа knotin добавления нового узла в соответствующее место может работать различным образом. Для нашего двунаправленного списка типовыми будут два способа:

1) новый узел нужно поставить в список между двумя узлами, имеющими наиболее близкие координаты на поверхности Земли (этот случай мы не будем рассматривать из-за его сложности);

2) новый узел с номером k, 1 £ k £ lenth, нужно поставить на место k в списке, подвинув последующие (lenth–k) элементов к концу списка и увеличив их номера на единицу.

Списки могут сокращаться за счет исключения имеющихся узлов. Причем линейные списки желательно после этого перенумеровывать. Программа knotout исключения узла из соответствующего места списка может работать различным образом. Для нашего двунаправленного списка типовыми будут также два способа:

1) нужно в списке найти узел, ближайший к точке, чьи географические координаты указаны в качестве аргументов knotout , и исключить его из списка;

2) нужно найти узел с номером k, 1 £ k £ lenth, исключить его из списка, подвинув последующие (lenth–k) элементов к началу списка и уменьшив их номера на единицу.

Упражнение 8-1 . Написать функцию knotin(k), которая возвращает значение true, если новый узел с номером k, успешно поставлен в список, или false, если узел с номером k поставить в список невозможно.

Упражнение 8-2 . Написать функцию knotout(k), которая возвращает значение true, если узел с номером k, успешно удален из списка, или false, если узел с номером k невозможно удалить.

9. ВВОД, ВЫВОД И ФОРМАТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ДАННЫХ

Средства ввода/вывода не являются составной частью языка «С», так что мы не выделяли их в нашем предыдущем изложении. Однако реальные программы взаимодействуют со своей окружающей средой гораздо более сложным образом, чем мы видели до сих пор. В этой главе будет описана «стандартная библиотека ввода/вывода», то есть набор функций, разработанных для обеспечения стандартной системы ввода/вывода для «С»- программ. Эти функции предназначены для удобства программного интерфейса, и все же отражают только те операции, которые могут быть обеспечены на большинстве современных операционных систем. Процедуры достаточно эффективны для того, чтобы пользователи редко чувствовали необходимость обойти их «ради эффективности», как бы ни была важна конкретная задача. И, наконец, эти процедуры задуманы быть «переносимыми» в том смысле, что они должны существовать в совместимом виде на любой системе, где имеется язык «С», и что программы, которые ограничивают свои взаимодействия с системой возможностями, предоставляемыми стандартной библиотекой, можно будет переносить с одной системы на другую по существу без изменений.

Мы здесь не будем пытаться описать всю библиотеку ввода/вывода; мы более заинтересованы в том, чтобы продемонстрировать сущность написания «С»-программ, которые взаимодействуют со своей операционной средой.

9.1. Обращение к стандартной библиотеке

Каждый исходный файл, который обращается к функции из стандартной библиотеки, должен вблизи начала содержать строку:

#include <stdio.h> .

В файле stdio.h определяются некоторые макросы и переменные, используемые библиотекой ввода/вывода. Использование угловых скобок вместо обычных двойных кавычек – указание компилятору искать этот файл в папках Visual Studio (операционная система Windous ) или в справочнике-директории, содержащем заголовки стандартной информации (в системе U nix ).

Кроме того, при загрузке программы может оказаться необходимым указать библиотеку явно:

1) на супер-компьютерах VAX или обычных PDP-11 при использовании операционной системы U nix (версия BSD-4.2, разработка Университета Беркли, Калифорния) команда компиляции программы имела бы следующий вид:

cc исходные файлы –ls ,

где флаг -ls указывает на загрузку из стандартной библиотеки;

2) компиляторы Microsoft для Windous в консольном режиме имеют аналогичную возможность:

cl –al исходные файлы ,

однако она редко используется из-за высокой степени автоматизма оболочки Visual Studio , используемой профессиональными программистами.

9.2. Стандартный ввод и вывод: функции getchar и putchar

Самый простой механизм ввода заключается в чтении по одному символу за раз из «стандартного ввода», обычно с терминала пользователя – с клавиатуры, с помощью функции getchar. Функция getchar при каждом к ней обращении возвращает следующий вводимый символ. В большинстве сред, которые поддерживают язык «С», терминал может быть заменен некоторым файлом с помощью обозначения < (символа «меньше»): если некоторая программа prog использует функцию getchar то командная строка:

prog<infile

приведет к тому, что prog будет читать из файла infile, а не с терминала. Переключение ввода делается таким образом, что сама программа prog не замечает изменения. В частности строка "<infile" не включается в командную строку аргументов в argv.

Переключение ввода оказывается незаметным и в том случае, когда вывод поступает из другой программы посредством поточного pipe-механизма^* . В этом случае командная строка:

otherprog | prog

прогоняет две программы, otherprog и prog, и организует так, что стандартным вводом для prog служит стандартный вывод otherprog.

Функция getchar возвращает значение EOF, когда она попадает на конец файла, какой бы ввод она при этом не считывала. Стандартная библиотека полагает символическую константу EOF равной -1 (посредством #define в файле stdio.h), но проверки следует писать в терминах EOF, а не -1, чтобы избежать зависимости от конкретного значения.

Вывод можно осуществлять с помощью функции putchar, помещающей символ 'с' в «стандартный ввод», который по умолчанию является терминалом. Вывод можно направить в некоторый файл с помощью обозначения > (символа «больше») : если PROG использует putchar, то командная строка:

prog>outfile

приведет к записи стандартного вывода в файл outfile, а не на терминал. Можно также использовать поточный механизм. Строка:

prog | anotherprog

помещает стандартный вывод prog в стандартный ввод anotherprog. И опять prog не будет осведомлена об изменении направления.

Вывод, осуществляемый функцией printf, также поступает в стандартный вывод, и обращения к putchar и printf могут перемежаться.

Пример 9-1 . Поразительное количество программ читает только из одного входного потока и пишет только в один выходной поток; для таких программ ввод и вывод с помощью функций getchar, putchar и printf может оказаться вполне адекватным и для начала определенно достаточным. Это особенно справедливо тогда, когда имеется возможность указания файлов для ввода и вывода и поточный механизм для связи вывода одной программы с вводом другой. Рассмотрим, например, программу lower, которая преобразует прописные буквы из своего ввода в строчные:

// Преобразование прописных букв в строчные

#include <stdio.h>

main()

{

int c;

while ((c = getchar()) != EOF)

putchar(isupper(c) ? tolower(c) : c);

}

«Функции» isupper и tolower на самом деле являются макросами, определенными в stdio.h . Макрос isupper проверяет, является ли его аргумент буквой из верхнего регистра, и возвращает ненулевое значение, если это так, и нуль в противном случае. Макрос tolower преобразует букву из верхнего регистра в ту же букву нижнего регистра. Независимо от того, как эти функции реализованы на конкретной машине, их внешнее поведение совершенно одинаково, так что использующие их программы избавлены от знания символьного набора.

Если требуется преобразовать несколько файлов, то можно собрать эти файлы с помощью программы, подобной утилите cat системы Unix ,

cat file1 file2 ... | lower>output

и избежать тем самым вопроса о том, как обратиться к этим файлам из программы (программа cat приводится позже в этой главе).

Кроме того отметим, что в стандартной библиотеке ввода/вывода «функции» getchar и putchar на самом деле могут быть макросами. Это позволяет избежать накладных расходов на обращение к функции для обработки каждого символа.

9.3. Форматный вывод: функция printf

Две функции: printf для вывода и scanf для ввода (следующий раздел) позволяют преобразовывать численные величины в символьное представлEние и обратно. Они также позволяют генерировать и интерпретировать форматные строки. Мы уже всюду в предыдущих главах неформально использовали функцию printf; здесь приводится более полное и точное описание. Функция:

printf(control, arg1, arg2, ...)

преобразует, определяет формат и печатает свои аргументы в стандартный вывод под управлением строки control. Управляющая строка содержит два типа объектов: обычные символы, которые просто копируются в выходной поток, и спецификации преобразований, каждая из которых вызывает преобразование и печать очередного аргумента printf.

Каждая спецификация преобразования начинается с символа % и заканчивается символом преобразования. Между % и символом преобразования могут находиться:

· знак минус, который указывает о выравнивании преобразованного аргумента по левому краю его поля;

· строка цифр, задающая минимальную ширину поля. Преобразованное число будет напечатано в поле по крайней мере этой ширины, а если необходимо, то и в более широком. Если преобразованный аргумент имеет меньше символов, чем указанная ширина поля, то он будет дополнен слева (или справа, если было указано выравнивание по левому краю) заполняющими символами до этой ширины. Заполняющим символом обычно является пробел, а если ширина поля указывается с лидирующим нулем, то этим символом будет нуль (лидирующий нуль в данном случае не означает восьмеричной ширины поля);

· точка, которая отделяет ширину поля от следующей строки цифр;

· строка цифр (точность), которая указывает максимальное число символов строки, которые должны быть напечатаны, или число печатаемых справа от десятичной точки цифр для переменных типа float или double;

· модификатор длины l, который указывает, что соответствующий элемент данных имеет тип long, а не int.

Ниже приводятся символы преобразования и их смысл:

d – аргумент преобразуется к десятичному виду;

o – аргумент преобразуется в беззнаковую восьмеричную форму (без лидирующего нуля);

x – аргумент преобразуется в беззнаковую шестнадцатеричную форму (без лидирующих 0x);

u – аргумент преобразуется в беззнаковую десятичную форму;

c – аргумент рассматривается как отдельный символ;

s – аргумент является строкой: символы строки печатаются до тех пор, пока не будет достигнут нулевой символ или не будет напечатано количество символов, указанное в спецификации точности;

e – аргумент, рассматриваемый как переменная типа float или double, преобразуется в десятичную форму в виде:

[-]m.nnnnnn e[+-]xx ,

где длина строки из n определяется указанной точностью. Точность по умолчанию равна 6.

f – аргумент, рассматриваемый как переменная типа float или double, преобразуется в десятичную форму в виде:

[-]mmm.nnnnn ,

где длина строки из n определяется указанной точностью. Точность по умолчанию равна 6. отметим, что эта точность не определяет количество печатаемых в формате F значащих цифр.

g – используется или формат %e или %f, какой короче; незначащие нули не печатаются.

Если идущий за % символ не является символом преобразования, то печатается сам этот символ; следовательно, символ % можно напечатать, указав %%.

Пример 9-2 . Большинство из форматных преобразований очевидно и было проиллюстрировано в предыдущих главах. Единственным исключением является то, как точность взаимодействует со строками. Следующий пример демонстрирует влияние задания различных спецификаций на печать

"Hello, World" (12 символов, включая 1 пробел).

Мы поместили двоеточия вокруг каждого поля для того, чтобы вы могли видеть его протяженность:

:%s: :Hello, World:

:%10s: :Hello, World:

:%20s: : Hello, World:

:%-20s: :Hello, World :

:%.10s: :Hello, Wor:

:%15.10s: : Hello, Wor:

Предостережение: printf использует свой первый аргумент для определения числа последующих аргументов и их типов. Если количество аргументов окажется недостаточным или они будут иметь несоответственные типы, то возникнет путаница, и вы получите бессмысленные результаты.

Упражнение 8-1 . Напишите программу, которая будет печатать разумным образом произвольный ввод. Как минимум она должна печатать неграфические символы в восьмеричном или шестнадцатеричном виде (в соответствии с принятыми у вас обычаями) и складывать длинные строки.

9.4. Форматный ввод: функция scanf

Осуществляющая ввод функция scanf является аналогом printf и позволяет проводить в обратном направлении многие из тех же самых преобразований. Функция:

scanf(control, arg1, arg2, ...)

читает символы из стандартного ввода, интерпретирует их в соответствии с форматом, указанном в аргументе control, и помещает результаты в остальные аргументы. Управляющий аргумент описывается ниже; другие аргументы, каждый из которых должен быть указателем, определяют, куда следует поместить соответствующим образом преобразованный ввод.

Управляющая строка обычно содержит спецификации преобразования, которые используются для непосредственной интерпретации входных последовательностей. Управляющая строка может содержать:

· пробелы, табуляции или символы новой строки («символы пустых промежутков»), которые игнорируются;

· обычные символы (не %), которые предполагаются совпадающими со следующими отличными от символов пустых промежутков символами входного потока;

· спецификации преобразования, каждая из которых начинается с символа % и завершается символом-спецификатором типа преобразования. Между этими двумя символами могут быть (в том порядке, в котором они здесь указаны): необязательный символ подавления присваивания *; необязательное число, задающее максимальную ширину поля; буква h или l , указывающая на размер получаемого значения, и символ преобразования (o, d, x).

Спецификация преобразования управляет преобразованием следующего поля ввода. Нормально результат помещается в переменную, которая указывается соответствующим аргументом. Если, однако, с помощью символа * указано подавление присваивания, то это поле ввода просто пропускается и никакого присваивания не производится. Поле ввода определяется как строка символов, которые отличны от символов простых промежутков; оно продолжается либо до следующего символа пустого промежутка, либо пока не будет исчерпана ширина поля, если она указана. Отсюда следует, что при поиске нужного ей ввода, функция scanf будет пересекать границы строк, поскольку символ новой строки входит в число пустых промежутков.

Символ преобразования определяет интерпретацию поля ввода; согласно требованиям основанной на вызове по значению семантики языка «С» соответствующий аргумент должен быть указателем. Допускаются следующие символы преобразования:

d - на вводе ожидается десятичное целое; соответствующий аргумент должен быть указателем на целое;

o - на вводе ожидается восьмеричное целое (с лидирующим нулем или без него); соответствующий аргумент должен быть указателем на целое;

x - на вводе ожидается шестнадцатеричное целое (с лидирующими 0x или без них); соответствующий аргумент должен быть указателем на целое.

h - на вводе ожидается целое типа short; соответсвующий аргумент должен быть указателем на целое типа short;

c - ожидается отдельный символ; соответствующий аргумент должен быть указателем на символы; следующий вводимый символ помещается в указанное место. Обычный пропуск символов пустых промежутков в этом случае подавляется; для чтения следующего символа, который не является символом пустого промежутка, пользуйтесь спецификацией преобразования %1s;

s - ожидается символьная строка; соответствующий аргумент должен быть указателем символов, который указывает на массив символов, который достаточно велик для принятия строки и добавляемого в конце символа \0.

f - ожидается число с плавающей точкой; соответствующий аргумент должен быть указателем на переменную типа float.

e - символ преобразования e является синонимом для f. Формат ввода переменной типа float включает необязательный знак, строку цифр, возможно содержащую десятичную точку и необязательное поле экспоненты, состоящее из буквы e, за которой следует целое, возможно, имеющее знак.

Перед символами преобразования d, o и x может стоять l, которая означает, что в списке аргументов должен находиться указатель на переменную типа long, а не типа int. Аналогично, буква l может стоять перед символами преобразования e или f, говоря о том, что в списке аргументов должен находиться указатель на переменную типа double, а не типа float.

Например, обращение:

int i;

float x;

char name[50];

scanf("&d %f %s", &i, &x, name);

со строкой на вводе

25 54.32e-1 thompson

приводит к присваиванию i значения 25, x – значения 5.432 и name – строки "thompson", надлежащим образом законченной символом \0. Эти три поля ввода можно разделить столькими пробелами, табуляциями и символами новых строк, сколько вы пожелаете.

Обращение:

int i;

float x;

char name[50];

scanf("%2d %f %*d %2s", &i, &x, name);

с вводом

56789 0123 45a72

присвоит i значение 56; x будет приравнено 789.0; пропустится 0123; строку "45" поместит в name. При следующем обращении к любой процедуре ввода рассмотрение начнется с буквы a. В этих двух примерах name является указателем и, следовательно, перед ним не нужно помещать знак &.

Пример 9-3 . В качестве примера перепишем теперь элементарный калькулятор из главы 5, используя для преобразования ввода функцию scanf:

// Программа-калькулятор

#include <stdio.h>

main()

{

double sum, v;

sum =0;

while (scanf("%lf", &v) != EOF)

printf("\t%.2f\n", sum += v);

}

выполнение функции scanf заканчивается либо тогда, когда она исчерпывает свою управляющую строку, либо когда некоторый элемент ввода не совпадает с управляющей спецификацией. В качестве своего значения она возвращает число правильно совпадающих и присвоенных элементов ввода. Это число может быть использовано для определения количества найденных элементов ввода. при выходе на конец файла возвращается EOF; подчеркнем, что это значение отлично от 0, что следующий вводимый символ не удовлетворяет первой спецификации в управляющей строке. При следующем обращении к scanf поиск возобновляется непосредственно за последним введенным символом.

Заключительное предостережение: аргументы функции scanf должны быть указателями. Несомненно, наиболее распространенная ошибка состоит в написании:

scanf("%d", n);

вместо

scanf("%d", &n);

9.5. Форматные преобразования в памяти

От функций scanf и printf происходят функции sscanf и sprintf, которые осуществляют аналогичные преобразования, но оперируют со строкой, а не с файлом. Обращения к этим функциям имеют вид:

sprintf(string, control, arg1, arg2, ...)

sscanf (string, control, arg1, arg2, ...)

Как и раньше, функция sprintf преобразует свои аргументы arg1, arg2 и т.д. В соответствии с форматом, указанным в control, но помещает результаты в string, а не в стандартный вывод. Конечно, строка string должна быть достаточно велика, чтобы принять результат. Например, если name – это символьный массив, а n – целое, то:

sprintf(name, "temp%d", n);

создает в name строку вида tempnnn, где nnn – это значение n.

Функция sscanf выполняет обратные преобразования – она просматривает строку STRING в соответствии с форматом в аргументе control и помещает результирующие значения в аргументы arg1, arg2 и т.д. Эти аргументы должны быть указателями. В результате обращения:

sscanf(name, "temp%d", &n);

переменная n получает значение строки цифр, следующих за temp в name.

Упражнение 8-2 . Перепишите настольный калькулятор из главы 5, используя для ввода и преобразования чисел scanf и/или sscanf.

9.6. Доступ к файлам

Все до сих пор написанные программы читали из стандартного ввода и писали в стандартный вывод, относительно которых мы предполагали, что они магическим образом предоставлены программе местной операционной системой.

Следующим шагом в вопросе ввода-вывода является написание программы, работающей с файлом, который не связан заранее с программой. Одной из программ, которая явно демонстрирует потребность в таких операциях, является cat, которая объединяет набор из нескольких именованных файлов в стандартный вывод. Программа cat используется для вывода файлов на терминал и в качестве универсального сборщика ввода для программ, которые не имеют возможности обращаться к файлам по имени. Например, команда:

cat x.cpp y.cpp

печатает содержимое файлов x.cpp и y.cpp в стандартный вывод.

Вопрос состоит в том, как организовать чтение из именованных файлов, т.е. как связать внешние имена, которыми мыслит пользователь, с фактически читающими данные операторами.

Эти правила просты. Прежде чем можно считывать из некоторого файла или записывать в него, этот файл должен быть открыт с помощью функции fopen из стандартной библиотеки. Функция fopen берет внешнее имя (подобное x.cpp или y.cpp), проводит некоторые обслуживающие действия и переговоры с операционной системой (детали которых не должны нас касаться) и возвращает внутреннее имя, которое должно использоваться при последующих чтениях из файла или записях в него.

Это внутреннее имя, называемое «указателем файла», фактически является указателем структуры, которая содержит информацию о файле, такую как место размещения буфера, текущая позиция символа в буфере, происходит ли чтение из файла или запись в него и тому подобное. Пользователи не обязаны знать эти детали, потому что среди определений для стандартного ввода-вывода, получаемых из файла stdio.h, содержится определение структуры с именем file. Единственное необходимое для указателя файла описание демонстрируется примером:

FILE *fopen(), *fp;

Здесь говорится, что fp является указателем на FILE, а fopen возвращает указатель на FILE. Oбратите внимание, что FILE является именем типа, подобным int, а не ярлыку структуры; это реализовано как typedef.

Фактическое обращение к функции fopen в программе имеет вид:

fp=fopen(name,mode);

Первым аргументом функции fopen является «имя» файла, которое задается в виде символьной строки. Второй аргумент mode («режим») также является символьной строкой, которая указывает, как этот файл будет использоваться. Допустимыми режимами являются: «r» – чтение, «w» – запись и «a» – добавление. Если вы откроете файл, который еще не существует, для записи или добавления, то такой файл будет создан (если это возможно). Открытие существующего файла на запись приводит к отбрасыванию его старого содержимого. Попытка чтения несуществующего файла является ошибкой. Ошибки могут быть обусловлены и другими причинами (например, попыткой чтения из файла, не имея на то разрешения). При наличии какой-либо ошибки функция возвращает нулевое значение указателя NULL (которое для удобства также определяется в файле stdio.h).

Другой необходимой вещью является способ чтения или записи, если файл уже открыт. Здесь имеется несколько возможностей, из которых getc и putc являются простейшими. Функция getc возвращает следующий символ из файла; ей необходим указатель файла, чтобы знать, из какого файла читать. Таким образом,

c=getc(fp)

помещает в переменную c следующий символ из файла, указанного посредством fp, или EOF, если достигнут конец файла.

Функция putc, являющаяся обращением к функции getc,

putc(c,fp)

помещает символ из переменной c в файл FP и возвращает симмол, подобно getc. Подобно функциям getchar и putchar, функции getc и putc могут быть макросами, а не функциями.

При запуске программы автоматически открываются три файла, которые снабжены определенными указателями файлов. Этими файлами являются стандартный ввод, стандартный вывод и стандартный вывод ошибок; соответствующие указатели файлов называются stdin, stdout и stderr. Обычно все эти указатели связаны с терминалом, но stdin и stdout могут быть перенаправлены на файлы или в канальный поток pipe, как описывалось в разделе 8.2.

Функции getchar и putchar могут быть определены в терминах getc, putc, stdin и stdout следующим образом:

#define getchar() getc(stdin)

#define putchar(c) putc(c,stdout)

При работе с файлами для форматного ввода и вывода можно использовать функции fscanf и fprintf. Они идентичны функциям scanf и printf, за исключением того, что первым аргументом является указатель файла, определяющий тот файл, который будет читаться или куда будет вестись запись; управляющая строка будет вторым аргументом.

Пример 9-4 . Покончив с предварительными замечаниями, мы теперь в состоянии написать программу cat для конкатенации файлов. Используемая здесь основная схема оказывается удобной во многих программах: если имеются аргументы в командной строке, то они обрабатываются последовательно. Если такие аргументы отсутствуют, то обрабатывается стандартный ввод. Это позволяет использовать программу как самостоятельно, так и как часть большей задачи.

// cat: Объединить (от англ . concatenate) файлы

#include <stdio.h>

main(int argc, char *argv[])

{

FILE *fp, *fopen();

if(argc==1) /*no args; copy standard input*/

filecopy(stdin);

else

while (--argc > 0)

if ((fp=fopen(*++argv,"r"))== NULL)

{

printf("cat: не открыть %\n",*argv);

break;

}

else

{

filecopy(fp);

fclose(fp);

}

}

// filecopy: Копирование файла в стандартный вывод

filecopy(FILE *fp)

{

int c;

while ((c=getc(fp)) != EOF)

putc(c, stdout);

}

Указатели файлов stdin и stdout заранее определены в библиотеке ввода-вывода как стандартный ввод и стандартный вывод; они могут быть использованы в любом месте, где можно использовать объект типа FILE *. Они однако являются константами, а не переменными, так что не пытайтесь им что-либо присваивать.

Функция fclose является обратной по отношению к fopen; она разрывает связь между указателем файла и внешним именем, установленную функцией fopen, и высвобождает указатель файла для другого файла. Большинство операционных систем имеют некоторые ограничения на число одновременно открытых файлов, которыми может распоряжаться программа. Поэтому, то, как мы поступили в cat, освободив не нужные нам более объекты, является хорошей идеей. Имеется и другая причина для применения функции fclose к выходному файлу - она вызывает выдачу информации из буфера, в котором putc собирает вывод. (При нормальном завершении работы программы функция fclose вызывается автоматически для каждого открытого файла).

9.7. Обработка ошибок: stderr и exit

Обработка ошибок в программе cat неидеальна. Неудобство заключается в том, что если один из файлов по некоторой причине оказывается недоступным, диагностическое сообщение об этом печатается в конце объединенного вывода. Это приемлемо, если вывод поступает на терминал, но не годится, если вывод поступает в некоторый файл или через поточный (pipeline) механизм в другую программу.

Чтобы лучше обрабатывать такую ситуацию, к программе точно таким же образом, как stdin и stdout, присоединяется второй выходной файл, называемый stderr. Если это вообще возможно, вывод, записанный в файле stderr, появляется на терминале пользователя, даже если стандартный вывод направляется в другое место.

Пример 9-5 . Давайте переделаем программу cat таким образом, чтобы сообщения об ошибках писались в стандартный файл ошибок.

// cat: Объединить (от англ . concatenate) файлы

#include <stdio.h>

main(int argc, char *argv)

{

FILE *fp, *fopen();

if(argc==1) // Нет аргументов: копировать stdin

filecopy(stdin);

else

while (--argc > 0)

if((fp=fopen(*++argv,"r"))== NULL)

{

printf(stderr, "cat: не открыть %s\n", argv);

exit(1);

}

else

{

filecopy(fp);

}

exit(0);

}

Программа сообщает об ошибках двумя способами. Диагностическое сообщение, выдаваемое функцией fprintf, поступает в stderr и, таким образом, оказывается на терминале пользователя, а не исчезает в потоке (pipeline) или в выходном файле.

Программа также использует функцию exit из стандартной библиотеки, обращение к которой вызывает завершение выполнения программы. Аргумент функции exit доступен любой программе, обращающейся к данной функции, так что успешное или неудачное завершение данной программы может быть проверено другой программой, использующей эту в качестве подзадачи. По соглашению величина 0 в качетсве возвращаемого значения свидетельствует о том, что все в порядке, а различные ненулевые значения являются признаками нормальных ситуаций.

Функция exit вызывает функцию fclose для каждого открытого выходного файла, с тем чтобы вывести всю помещенную в буферы выходную информацию, а затем вызывает функцию _exit. Функция _exit приводит к немедленному завершению без очистки каких-либо буферов; конечно, при желании к этой функции можно обратиться непосредственно.

9.8. Ввод и вывод строк

Стандартная библиотека содержит функцию fgets, совершенно аналогичную функции getline, которую мы использовали на всем протяжении книги. В результате обращения fgets(line, maxline, fp) следующая строка ввода (включая символ новой строки) считывается из файла fp в символьный массив line; самое большое maxline_1 символ будет прочитан. Результирующая строка заканчивается символом \0. Нормально функция fgets возвращает line; в конце файла она возвращает NULL. (Наша функция getline возвращает длину строки, а при выходе на конец файла – нуль).

Предназначенная для вывода функция fputs записывает строку (которая не обязана содержать символ новой строки) в файл:

fputs(line, fp) .

Пример 9-6 . Чтобы показать, что в функциях типа fgets и fputs нет ничего таинственного, мы приводим их ниже, скопированными непосредственно из стандартной библиотеки ввода-вывода:

// fgets: получить не более n символов из файла iop

#include <stdio.h>

char *fgets(char *s, int n, register FILE *iop)

{

register int c;

register char *cs;

cs = s;

while(--n>0&&(c=getc(iop)) !=EOF)

if ((*cs++ = c)=='\n')

break;

*cs = '\0';

return((c== EOF && cs==s) 7 NULL : s);

}

// fputs: посылает строку в файл iop

fputs(register char *s, register FILE *iop)

{

register int c;

while (c = *s++)

putc(c,iop);

}

Упражнение 8-3 . напишите программу сравнения двух файлов, которая будет печатать первую строку и позицию символа, где они различаются.

Упражнение 8-4 . Переделайте программу поиска заданной комбинации символов из главы 6 таким образом, чтобы в качестве ввода использовался набор именованных файлов или, если никакие файлы не указаны как аргументы, стандартный ввод. Следует ли печатать имя файла при нахождении подходящей строки?

Упражнение 8-5 . Напишите программу печати набора файлов, которая начинает каждый новый файл с новой страницы и печатает для каждого файла заголовок и счетчик текущих страниц.

9.9. Несколько разнообразных функций

Стандартная библиотека предоставляет множество разнообразных функций, некоторые из которых оказываются особенно полезными. Мы уже упоминали функции для работы со строками: strlen, strcpy, strcat и strcmp. Вот некоторые другие.

9.9.1. Проверка вида символов и преобразования . Некоторые макросы выполняют проверку символов и преобразования. Возврат ненулевого значения – это true (истина), а ненулевого значения – false (ложь). Например, для переменой int n справедливо:

;

;

;

;

;

.

Кроме того, существуют две полезные функции:

int n = oupper(c) – преобразует букву c в прописную;

int n = olower(c) – преобразует букву c в строчную.

Такие функции мы уже научились создавать сами.

9.9.2. Функция ungetc . Стандартная библиотека содержит довольно ограниченную версию функции ungetch, написанной нами в главе 5 она называется ungetch. В результате обращения:

ungetc(c,fp)

символьная переменная c возвращается в файл fp. Позволяется возвращать в каждый файл только один символ. Функция ungetc может быть использована в любой из функций ввода и с макросами типа scanf, getc или getchar.

9.9.3. Обращение к системе . Функция system(s) выполняет команду, содержащуюся в символьной строке s, и затем возобновляет выполнение текущей программы. Содержимое s сильно зависит от используемой операционной системы. В качестве тривиального примера, укажем, что на системе U nix строка:

system("date");

приводит к выполнению программы date, которая печатает дату и время дня.

9.9.4. Управление памятью . Функция calloc весьма сходна с функцией alloc, использованной нами в предыдущих главах. В результате обращения:

calloc(n, sizeof(objcct))

возвращается либо указатель пространства, достаточного для размещения n объектов указанного размера, либо NULL, если запрос не может быть удовлетворен. Отводимая память инициализируется нулевыми значениями.

Указатель обладает нужным для рассматриваемых объектов выравниванием, но ему следует приписывать соответствующий тип, как в:

char *calloc();

int *ip;

ip=(int*) calloc(n,sizeof(int));

Функция cfree(p) освобождает пространство, на которое указывает p, причем указатель p певоначально должен быть получен в результате обращения к calloc. Здесь нет никаких ограничений на порядок освобождения пространства, но будет неприятнейшей ошибкой освободить что-нибудь, что не было получено обращением к calloc.

Данные функции управления памятью есть в составе операционной системы. Однако, язык C++ предоставляет удобный оператор new, который обеспечивает то же самое. Реализация программы распределения памяти, подобной calloc, в которой размещенные блоки могут освобождаться в произвольном порядке, продемонстрирована в главе 8 с помощью операторов new и sizeof.

ЛИТЕРАТУРА

1. Болски М.И. Язык программирования Си: Справочник. – М.: Радио и связь, 2000. – 96 с.

2. Керниган Б., Пайк Р. Практика программирования. – СПб.: Невский диалект, 2001. – 381 с.

3. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си. – СПб.: Невский диалект, 2001 + М.: Финансы и статистика, 2001. – 352 с.

4. Кнут Д. Искусство программирования. Том 1. – М.: Статистика, 1975. – 568 с.

5. Круглински Д. Дж., Уингоу С., Шеферд Дж. Программирование на Microsoft Visual С++ 6.0 для профессионалов. – СПб.: Питер; М.: Русская редакция, 2001. – 864 с.

6. Крупник А.Б. Изучаем Си. – СПб.: Питер, 2002. – 256 с.

7. Крупник А.Б. Изучаем С++. – СПб.: Питер, 2002. – 251 с.

8. Шилдт Г. Программирование на С и С++ для Windows. – К.: Торгово-издательское бюро BHV, 2001. – 408 с.

* См . А. Крупник «Изучаем C++». – Глава 1. Что такое программирование. – СПб.: Питер, 2003. –
251 с.

5 Слова «ячейка» и «байт» обозначают одно и то же – восемь по­следовательных битов.

* Именно в честь Августы Ады дано название одному из современных языком программирования: АДА

* Определение деления с остатком в этом случае содержится в доказательстве, которое нужно выполнить в упражнении 1.15.

*) Конечно, «оператор» может состоять из нескольких операторов – блока, заключенного в фигурные скобки

* См. : Емельянов А.А. Власова Е.А., Дума Р.В. Имитационное моделирование экономических процессов. – М.: Финансы и статистика, 2003. – 368 с.

* Эта особенность есть только в Unix