Язык программирования Си Брайан Керниган, Деннис Ритчи 3е издание Версия 1 Table of Contents
 Скачать 2.33 Mb.
|
|
Предисловие С момента публикации в 1978 г. книги "Язык программирования Си" в мире компьютеров произошла революция. Большие машины стали еще больше, а возможности персональных ЭВМ теперь сопоставимы с возможностями больших машин десятилетней давности. Язык Си за это время также изменился, хотя и не очень сильно; что же касается сферы применения Си, то она далеко вышла за рамки его начального назначения как инструментального языка операционной системы UNIX. Рост популярности Си, накапливающиеся с годами изменения, создание компиляторов коллективами разработчиков, ранее не причастных к проектированию языка, — все это послужило стимулом к более точному и отвечающему времени определению языка по сравнению с первым изданием книги. В 1983 г. Американский институт национальных стандартов (American National Standards Institute — ANSI) учредил комитет, перед которым была поставлена цель выработать "однозначное и машинно-независимое определение языка Си", полностью сохранив при этом его стилистику. Результатом работы этого комитета и явился стандарт ANSI языка Си. Стандарт формализует средства языка, которые в первом издании были только намечены, но не описаны, такие, например, как присваивание структурам и перечисления. Он вводит новый вид описания функций, позволяющий проводить повсеместную проверку согласованности вызовов функций с их определением; специфицирует стандартную библиотеку с широким набором функций ввода-вывода, управления памятью, манипуляций со строками символов и другими функциями; уточняет семантику, бывшую в первоначальном определении неясной, и явно выделяет то, что остается машинно-зависимым. Во втором издании книги "Язык программирования Си" представлена версия Си, принятая в качестве стандарта ANSI. Мы решили описать язык заново, отметив при этом те места, в которых он претерпел изменения. В большинство параграфов это не привнесло существенных перемен, самые заметные различия касаются новой формы описания и определения функции. Следует отметить, что современные компиляторы уже обеспечили поддержку значительной части стандарта. Мы попытались сохранить краткость первого издания. Си — небольшой язык, и чтобы его описать большой книги не требуется. В новом издании улучшено описание наиболее важных средств, таких как указатели, которые занимают центральное место в программировании на Си; доработаны старые примеры, а в некоторые главы добавлены новые. Так, для усиления трактовки сложных объявлений в качестве примеров включены программы перевода объявлений в их словесные описания и обратно. Как и раньше, все примеры были протестированы прямо по текстам, написанным в воспринимаемой машиной форме. Приложение А — это справочное руководство, но отнюдь не стандарт. В нем мы попытались уложить самое существенное на минимуме страниц. По замыслу это приложение должно легко читаться программистом- пользователем; для разработчиков же компилятора определением языка должен служить сам стандарт. В приложении В приведены возможности стандартной библиотеки. Оно также представляет собой справочник для прикладных программистов, но не для разработчиков компиляторов. Приложение С содержит краткий перечень отличий представленной версии языка Си от его начальной версии. В предисловии к первому изданию мы говорили о том, что "чем больше работаешь с Си, тем он становится удобнее". Это впечатление осталось и после десяти лет работы с ним. Мы надеемся, что данная книга поможет вам изучить Си и успешно его использовать. Мы в большом долгу перед друзьями, которые помогали нам в выпуске второго издания книги. Джон Бентли, Дуг Гуин, Дуг Макилрой, Питер Нельсон и Роб Пайк сделали четкие замечания почти по каждой странице первого варианта рукописи. Мы благодарны Алу Ахо, Деннису Аллиссону, Джою Кемпбеллу, Г. Р. Эмлину, Карен Фортганг, Аллену Голубу, Эндрю Хьюму, Дэйву Кристолу, Джону Линдерману, Дэйву Проссеру, Гину Спаффорду и Крису Ван Уику за внимательное прочтение книги. Мы получили полезные советы от Билла Чезвика, Марка Кернигана, Эндрю Коэнига, Робина Лейка, Тома Лондона, Джима Ридза, Кловиза Тондо и Питера Вайнбергера. Дейв Проссер ответил на многочисленные вопросы, касающиеся деталей стандарта ANSI. Мы широко пользовались транслятором с Си++ Бьерна Страуструпа для локальной проверки наших программ, а Дейв Кристол предоставил нам ANSI-Си-компилятор для окончательной их проверки. Рич Дрешлер очень помог в наборе книги. Мы искренне благодарим всех. Брайан В. Керниган, Деннис М. Ритчи Предисловие к первому изданию Си — это универсальный язык программирования с компактным способом записи выражений, современными механизмами управления структурами данных и богатым набором операторов. Си не является ни языком "очень высокого уровня", ни "большим" языком, не рассчитан он и на какую-то конкретную область применения. Однако благодаря широким возможностям и универсальности для решения многих задач он удобнее и эффективнее, чем предположительно более мощные языки. Первоначально Си был создан Деннисом Ритчи как инструмент написания операционной системы UNIX для машины PDP-11 и реализован в рамках этой операционной системы. И операционная система, и Си- компилятор, и, по существу, все прикладные программы системы UNIX (включая и те, которые использовались для подготовки текста этой книги 1 ) написаны на Си. Фирменные Си-компиляторы существуют и на нескольких машинах других типов, среди которых IBM/370, Honeywell 6000 и Interdata 8/32. Си не привязан к конкретной аппаратуре или системе, однако на нем легко писать программы, которые без каких- либо изменений переносятся на другие машины, где осуществляется его поддержка. Цель нашей книги — помочь читателю научиться программировать на Си. Издание включает введение- учебник, позволяющий новичкам начать программировать как можно скорее, а также главы, посвященные основным свойствам языка, и справочное руководство. В ее основу положены изучение, написание и проработка примеров, а не простое перечисление правил. Почти все наши примеры — это законченные реальные программы, а не разобщенные фрагменты. Все они были оттестированы на машине точно в том виде, как приводятся в книге. Помимо демонстрации эффективного использования языка, там, где это было возможно, мы стремились проиллюстрировать полезные алгоритмы и принципы хорошего стиля написания программ и их разумного проектирования. Эта книга не является вводным курсом по программированию. Предполагается, что читатель знаком с такими основными понятиями, как "переменная", "присваивание", "цикл", "функция". Тем не менее и новичок сможет изучить язык, хотя для него будет очень полезным общение с более знающими специалистами. Наш опыт показал, что Си — удобный, выразительный и гибкий язык, пригодный для программирования широкого класса задач. Его легко выучить, и чем больше работаешь с Си, тем он становится удобнее. Мы надеемся, что эта книга поможет вам хорошо его освоить. Вдумчивая критика и предложения многих друзей и коллег помогали нам написать книгу. В частности, Майк Бианки, Джим Блу, Стью Фелдман, Дуг Макилрой, Билл Рум, Боб Розин и Ларри Рослер со вниманием прочли все многочисленные варианты этой книги. Мы в долгу у Ала Ахо, Стива Бьерна, Дана Дворака, Чака Хейли, Марион Харрис, Рика Холта, Стива Джонсона, Джона Машея, Боба Митца, Ральфа Мухи, Питера Нельсона, Эллиота Пинсона, Билла Плейджера, Джерри Спивака, Кена Томпсона и Питера Вайнбергера за полезные советы, полученные от них на различных стадиях подготовки рукописи, а также у Майка Леска и Джо Оссанны за помощь при подготовке ее к изданию. Брайан В. Керниган, Деннис М. Ритчи 1 Имеется в виду оригинал этой книги на английском языке. — Примеч. пер. Введение Си — универсальный язык программирования. Он тесно связан с системой UNIX, так как был разработан в этой системе, которая как и большинство программ, работающих в ней, написаны на Си. Однако язык не привязан жестко к какой-то одной операционной системе или машине. Хотя он и назван "языком системного программирования", поскольку удобен для написания компиляторов и операционных систем, оказалось, что на нем столь же хорошо писать большие программы другого профиля. Многие важные идеи Си взяты из языка BCPL, автором которого является Мартин Ричарде. Влияние BCPL на Си было косвенным — через язык В, разработанный Кеном Томпсоном в 1970 г. для первой системы UNIX, реализованной на PDP-7. BCPL и В — "бестиповые" языки. В отличие от них Си обеспечивает разнообразие типов данных. Базовыми типами являются символы, а также целые и числа с плавающей точкой различных размеров. Кроме того, имеется возможность получать целую иерархию производных типов данных из указателей, массивов, структур и объединений. Выражения формируются из операторов и операндов. Любое выражение, включая присваивание и вызов функции, может быть инструкцией. Указатели обеспечивают машинно-независимую адресную арифметику. В Си имеются основные управляющие конструкции, используемые в хорошо структурированных программах: составная инструкция ( { } ), ветвление по условию ( if - else ), выбор одной альтернативы из многих ( switch ), циклы с проверкой наверху ( while , for ) и с проверкой внизу ( do ), а также средство прерывания цикла ( break ). В качестве результата функции могут возвращать значения базовых типов, структур, объединений и указателей. Любая функция допускает рекурсивное обращение к себе. Как правило, локальные переменные функции — "автоматические", т. е. они создаются заново при каждом обращении к ней. Определения функций нельзя вкладывать друг в друга, но объявления переменных разрешается строить в блочно- структурной манере. Функции программы на Си могут храниться в отдельных исходных файлах и компилироваться независимо. Переменные по отношению к функции могут быть внутренними и внешними. Последние могут быть доступными в пределах одного исходного файла или всей программы. На этапе препроцессирования выполняется макроподстановка в текст программы, включение других исходных файлов и у словная компиляция. Си — язык сравнительно "низкого уровня". Однако это вовсе не умаляет его достоинств, просто Си имеет дело с теми же объектами, что и большинство компьютеров, т. е. с символами, числами и адресами. С ними, можно оперировать при помощи арифметических и логических операций, выполняемых реальными машинами. В Си нет прямых операций над составными объектами, такими как строки символов, множества, списки и массивы. В нем нет операций, которые бы манипулировали с целыми массивами или строками символов, хотя структуры разрешается копировать целиком как единые объекты. В языке нет каких-либо средств распределения памяти, помимо возможности определения статических переменных и стекового механизма при выделении места для локальных переменных внутри функций. Нет в нем "кучи" и "сборщика мусора". Наконец, в самом Си нет средств ввода-вывода, инструкций READ (читать) и WRITE (писать) и каких-либо методов доступа к файлам. Все это — механизмы высокого уровня, которые в Си обеспечиваются исключительно с помощью явно вызываемых функций. Большинство реализованных Си-систем содержат в себе разумный стандартный набор этих функций. В продолжение сказанного следует отметить, что Си предоставляет средства лишь последовательного управления ходом вычислений: механизм ветвления по условиям, циклы, составные инструкции, подпрограммы — и не содержит средств мультипрограммирования, параллельных процессов, синхронизации и организации сопрограмм. Отсутствие некоторых из перечисленных средств может показаться серьезным недостатком ("выходит, чтобы сравнить две строки символов, нужно обращаться к функции?"). Однако компактность языка имеет реальные выгоды. Поскольку Си относительно мал, то и описание его кратко, и овладеть им можно быстро. Программист может реально рассчитывать на то, что он будет знать, понимать и на практике регулярно пользоваться всеми возможностями языка. В течение многих лет единственным определением языка Си было первое издание книги "Язык программирования Си". В 1983 г. Институтом американских национальных стандартов (ANSI) учреждается комитет для выработки современного исчерпывающего определения языка Си. Результатом его работы явился стандарт для Си ("ANSI-C"), выпущенный в 1988 г. Большинство положений этого стандарта уже учтено в современных компиляторах. Стандарт базируется на первоначальном справочном руководстве. По сравнению с последним язык изменился относительно мало. Одной из целей стандарта было обеспечить, чтобы в большинстве случаев существующие программы оставались правильными или вызывали предупреждающие сообщения компиляторов об изменении поведения. Для большинства программистов самое важное изменение — это новый синтаксис объявления и определения функций. Объявление функции может теперь включать и описание ее аргументов. В соответствии с этим изменился и синтаксис определения функции. Дополнительная информация значительно облегчает компилятору выявление ошибок, связанных с несогласованностью аргументов; по нашему мнению, это очень полезное добавление к языку. Следует также отметить ряд небольших изменений. В языке узаконены присваивание структур и перечисления, которые уже некоторое время широко используются. Вычисления с плавающей точкой теперь допускаются и с одинарной точностью. Уточнены свойства арифметики, особенно для беззнаковых типов. Усовершенствован препроцессор. Большинство программистов эти изменения затронут очень слабо. Второй значительный вклад стандарта — это определение библиотеки, поставляемой вместе с Си- компилятором, в которой специфицируются функции доступа к возможностям операционной системы (например чтения-записи файлов), форматного ввода-вывода, динамического выделения памяти, манипуляций со строками символов и т. д. Набор стандартных заголовочных файлов обеспечивает единообразный доступ к объявлениям функций и типов данных. Гарантируется, что программы, использующие эту библиотеку при взаимодействии с операционной системой, будут работать также и на других машинах. Большинство программ, составляющих библиотеку, созданы по образу и подобию "стандартной библиотеки ввода-вывода" системы UNIX. Эта библиотека описана в первом издании книги и широко используется в других системах. И здесь программисты не заметят существенных различий. Так как типы данных и управляющих структур языка Си поддерживаются командами большинства существующих машин, исполнительная система (run-time library), обеспечивающая независимый запуск и выполнение программ, очень мала. Обращения к библиотечным функциям пишет сам программист (не компилятор), поэтому при желании их можно легко заменить на другие. Почти все программы, написанные на Си, если они не касаются каких-либо скрытых в операционной системе деталей, переносимы на другие машины. Си соответствует аппаратным возможностям многих машин, однако он не привязан к архитектуре какой-либо конкретной машины. Проявляя некоторую дисциплину, можно легко писать переносимые программы, т. е. программы, которые без каких-либо изменений могут работать на разных машинах. Стандарт предоставляет возможность для явного описания переносимости с помощью набора констант, отражающих характеристики машины, на которой программа будет работать. Си не является "строго типизированным" языком, но в процессе его развития контроль за типами был усилен. В первой версии Си хоть не одобрялся, но разрешался бесконтрольный обмен указателей и целых, что вызывало большие нарекания, но это уже давным-давно запрещено. Согласно стандарту теперь требуется явное объявление или явное указание преобразования, что уже и реализовано в хороших компиляторах. Новый вид объявления функций — еще один шаг в этом направлении. Компилятор теперь предупреждает о большей части ошибок в типах и автоматически не выполняет преобразования данных несовместимых типов. Однако основной философией Си остается то, что программисты сами знают, что делают; язык лишь требует явного указания об их намерениях. Си, как и любой другой язык программирования, не свободен от недостатков. Уровень старшинства некоторых операторов не является общепринятым, некоторые синтаксические конструкции могли бы быть лучше. Тем не менее, как оказалось, Си — чрезвычайно эффективный и выразительный язык, пригодный для широкого класса задач. Книга имеет следующую структуру. Глава 1 представляет собой обзор основных средств языка Си. Ее назначение — побудить читателя по возможности быстрее приступить к программированию, так как мы убеждены, что единственный способ изучить новый язык — это писать на нем программы. Эта часть книги предполагает наличие знаний по основным элементам программирования. Никаких пояснений того, что такое компьютер, компиляция или что означает выражение вида n = n+1 не дается. Хотя мы и пытались там, где это возможно, показать полезные приемы программирования, эта книга не призвана быть справочником ни по работе со структурами данных, ни по алгоритмам; когда оказывалось необходимым выбрать, на что сделать ударение, мы предпочитали сконцентрировать внимание на языке. В главах 2-6 различные средства языка обсуждаются более подробно и несколько более формально, чем в главе 1; при этом по-прежнему упор делается на примеры, являющиеся законченными программами, а не изолированными фрагментами. Глава 2 знакомит с базовыми типами данных, с операторами и выражениями. В главе 3 рассматриваются средства управления последовательностью вычислений: if - else , switch , while , for и т. д. В главе 4 речь идет о функциях и структуре программы (внешних переменных, правилах видимости, делении программы на несколько исходных файлов и т. д.), а также о препроцессоре. В главе 5 обсуждаются указатели и адресная арифметика. Глава 6 посвящена структурам и объединениям. В главе 7 описана стандартная библиотека, обеспечивающая общий интерфейс с операционной системой. Эта библиотека узаконена в качестве стандарта ANSI, иначе говоря, она должна быть представлена на всех машинах, где существует Си, благодаря чему программы, использующие ввод-вывод и другие возможности операционной системы, без каких-либо изменений можно переносить с одной машины на другую. Глава 8 содержит описание интерфейса между программами на Си и операционной системой UNIX, в частности описание ввода-вывода, файловой системы и распределения памяти. Хотя некоторые параграфы этой главы отражают специфику системы UNIX, программисты, пользующиеся другими системами, все же найдут в них много полезных сведений, включая определенный взгляд на то, как реализуется одна из версий стандартной библиотеки, и некоторые предложения по переносимости программ. Приложение А является справочником по языку. Строгое определение синтаксиса и семантики языка Си содержится в официальном документе стандарта ANSI. Последний, однако, более всего подходит разработчикам компилятора. Наш справочник определяет язык более сжато, не прибегая к педантично юридическому стилю, которым пользуется стандарт. Приложение В — сводка по содержимому стандартной библиотеки и предназначена скорее пользователям, чем реализаторам. В приложении С приводится краткий перечень отличий от пердой версии языка. В сомнительных случаях, однако, окончательным судьей по языку остается стандарт и компилятор, которым вы пользуетесь. |