Язык С (Керниган, Ричи). Язык сиБ. В. Керниган, Д. М. Ричи
 Скачать 1.46 Mb.
|
|
0.1. ВВЕДЕНИЕ. Язык “C” является универсальным языком программирования. Он тесно связан с операционной системой “UNIX” , так как был развит на этой системе и так как “UNIX” и ее программное обеспечение написано на “C”. Сам язык , однако, не связан с какой-либо одной операционной системой или машиной; и хотя его называют языком системного программирования, так как он удобен для написания операционных систем, он с равным успехом использовался при написании больших вычислительных программ, программ для обработки текстов и баз данных. Язык “C” - это язык относительно “низкого уровня”. В такой характеристике нет ничего оскорбительного; это просто означает, что “C” имеет дело с объектами того же вида, что и большинство ЭВМ, а именно, с символами, числами и адресами. Они могут объединяться и пересылаться посредством обычных арифметических и логических операций, осуществляемых реальными ЭВМ. В языке “C” отсутствуют операции, имеющие дело непосредственно с составными объектами, такими как строки символов, множества, списки или с массивами, рассматриваемыми как целое. Здесь, например, нет никакого аналога операциям PL/1, оперирующим с целыми массивами и строками. Язык не предоставляет никаких других возможностей распределения памяти, кроме статического определения и механизма стеков, обеспечиваемого локальными переменных функций; здесь нет ни “куч”(HEAP), ни “сборки мусора”, как это предусматривается в АЛГОЛЕ-68. Наконец, сам по себе “C” не обеспечивает никаких возможностей ввода-вывода: здесь нет операторов READ или WRITE и никаких встроенных методов доступа к файлам. Все эти механизмы высокого уровня должны обеспечиваться явно вызываемыми функциями. Аналогично, язык “C” предлагает только простые, последовательные конструкции потоков управления: проверки, циклы, группирование и подпрограммы, но не мультипрограммирование, параллельные операции, синхронизацию или сопрограммы. Хотя отсутствие некоторых из этих средств может выглядеть как удручающая неполноценность (“выходит, что я должен обращаться к функции, чтобы сравнить две строки символов ?!”), но удержание языка в скромных размерах дает реальные преимущества. Так как “C” относительно мал, он не требует много места для своего описания и может быть быстро выучен. Компилятор с “C” может быть простым и компактным. Кроме того, компиляторы легко пишутся; при использовании современной технологии 10 «Язык С» Б.В. Керниган, Д.М. Ричи можно ожидать написания компилятора для новой ЭВМ за пару месяцев и при этом окажется, что 80 процентов программы нового компилятора будет общей с программой для уже существующих компиляторов. Это обеспечивает высокую степень мобильности языка. Поскольку типы данных и стуктуры управления, имеющиеся в “C”, непосредственно поддерживаются боль- шинством существующих ЭВМ, библиотека, необходимая во время прогона изолированных программ, оказывается очень маленькой. На PDP -11, например, она содержит только программы для 32-битового умножения и деления и для выполнения программ ввода и вывода последовательностей. Конечно, каждая реализация обеспечивает исчерпывающую, совместимую библиотеку функций для выполнения операций ввода-вывода, обработки строк и распределения памяти, но так как обращение к ним осуществляется только явно, можно , если необходимо, избежать их вызова; эти функции могут быть компактно написаны на самом “C”. Опять же из-за того , что язык “C” отражает возможности современных компьютеров, программы на “C” оказываются достаточно эффективными, так что не возникает побуждения писать вместо этого программы на языке ассемблера. Наиболее убедительным примером этого является сама операционная система “UNIX”, которая почти полностью написана на “C”. Из 13000 строк программы системы только около 800 строк самого низкого уровня написаны на ассемблере. Кроме того, по существу все прикладное программное обеспечение системы “UNIX” написано на “C”; подавляющее большинство пользователей системы “UNIX”(включая одного из авторов этой книги) даже не знает языка ассемблера PDP-11. Хотя “C” соответствует возможностям многих ЭВМ, он не зависит от какой-либо конкретной архитектуры машины и в силу этого без особых усилий позволяет писать “переносимые” программы, т.е. программы, которые можно пропускать без изменений на различных аппаратных средствах. В наших кругах стал уже традицией перенос программного обеспечения, разработанного на системе “UNIX”, на системы ЭВМ: HONEYWELL, IBM и INTERDATA. Фактически компиляторы с “C” и программное обеспечение во время прогона программ на этих четырех системах, по-видимому, гораздо более совместимы, чем стандартные версии фортрана американского национального института стандартов (ANSI). Сама операционная система “UNIX” теперь работает как на PDP-11, так и на INTERDATA 8/32. За исключением программ, которые неизбежно оказываются в некоторой степени машинно-зависимыми, таких как компилятор, ассемблер и отлад- чик. Написанное на языке “C” программное обеспечение идентично на обеих машинах. Внутри самой операционной системы 7000 строк программы, исключая математическое обеспечение языка ассемблера ЭВМ и управления операциями ввода-вывода, совпадают на 95 процентов. Программистам, знакомым с другими языками, для сравнения и противопоставления может оказаться полезным упоминание нескольких «Язык С» Б.В. Керниган, Д.М. Ричи 11 исторических, технических и философских аспектов “C”. Многие из наиболее важных идей “C” происходят от гораздо более старого, но все еще вполне жизненного языка BCPL , разработанного Мартином Ричардсом. Косвенно язык BCPL оказал влияние на “C” через язык “B”, написанный Кеном Томпсоном в 1970 году для первой операционной системы “UNIX” на ЭВМ PDP-7. Хотя язык “C” имеет несколько общих с BCPL характерных особенностей, он никоим образом не является диалектом последнего. И BCPL и “B” - “безтипные” языки; единственным видом данных для них являются машинное слово, а доступ к другим объектам реализуется специальными операторами или обращением к функциям. В языке “C” объектами основных типов дан- ных являются символы, целые числа нескольких размеров и числа с плавающей точкой. Кроме того, имеется иерархия производных типов данных, создаваемых указателями, массивами, структурами, объединениями и функциями. Язык “C” включает основные конструкции потока управления, требуемые для хорошо структуированных программ: группирование операторов, принятие решений (IF), циклы с проверкой завершения в начале (WHILE, FOR) или в конце (DO) и выбор одного из множества возможных вариантов (SWITCH). (Все эти возможности обеспечивались и в BCPL, хотя и при несколько отличном синтаксисе; этот язык предчувствовал наступившую через несколько лет моду на структурное программирование). В языке “C” имеются указатели и возможность адресной арифметики. Аргументы передаются функциям посредством копирования значения аргумента , и вызванная функция не может изменить фактический аргумент в вызывающей программе. Если желательно добиться “вызова по ссылке”, можно неявно передать указатель, и функция сможет изменить объект, на который этот указатель указывает. Имена массивов передаются указанием начала массивов, так что аргументы типа массивов эффективно вызываются по ссылке. К любой функции можно обращаться рекурсивно, и ее локальные переменные обычно “автоматические”, т.е. Создаются заново при каждом обращении. Описание одной функции не может содержаться внутри другой, но переменные могут описываться в соответствии с обычной блочной структурой. Функции в “C” - программе могут транслироваться отдельно. переменные по отношению к функции могут быть внутренними, внешними, но известными только в пределах одного исходного файла, или полностью глобальными. Внутренние переменные могут быть автоматическими или статическими. Автоматические переменные для большей эффективности можно помещать в регистры, но объявление регистра является только указанием для компилятора и никак не связано с конкретными машинными регистрами. Язык “C” не является языком со строгими типами в смысле паскаля или 12 «Язык С» Б.В. Керниган, Д.М. Ричи алгола 68. Он сравнительно снисходителен к преобразованию данных, хотя и не будет автоматически преобразовывать типы данных с буйной непринужденностью языка PL/1. Существующие компиляторы не предусматривают никакой проверки во время выполнения программы индексов массивов, типов аргументов и т.д. В тех ситуациях, когда желательна строгая проверка типов, используется специальная версия компилятора. Эта программа называется LINT очевидно потому, она выбирает кусочки пуха из вашей программы. Программа LINT не генерирует машинного кода, а делает очень строгую проверку всех тех сторон программы, которые можно проконтролировать во время компиля- ции и загрузки. Она определяет несоответствие типов, несовместимость аргументов, неиспользованные или очевидным образом неинициализированные переменные, потенциальные трудности переносимости и т.д. Для программ,которые благополучно проходят через LINT, гарантируется отсутствие ошибок типа примерно с той же полнотой, как и для программ, написанных, например, на АЛГОЛЕ-68. Другие возможности программы LINT будут отмечены, когда представится соответствующий случай. Наконец, язык “C”, подобно любому другому языку, имеет свои недостатки. Некоторые операции имеют неудачное старшинство; некоторые разделы синтаксиса могли бы быть лучше; сушествует несколько версий языка, отличающихся небольшими деталями. Тем не менее язык “C” зарекомендовал себя как исключительно эффективный и выразительный язык для широкого разнообразия применений программирования. Содержание книги организовано следующим образом. Глава 1 является учебным введением в центральную часть языка “C”. Цель - позволить читателю стартовать так быстро,как только возможно, так как мы твердо убеждены, что единственный способ изучить новый язык - писать на нем программы. При этом , однако, предполагается рабочее владение основными элементами программирования; здесь не объясняется, что такое ЭВМ или компилятор, не поясняется смысл выражений типа N=N+1. Хотя мы и пытались, где это возможно, продемонстрировать полезную технику программирования. Эта книга не предназначается быть справочным руководством по структурам данных и алгоритмам; там, где мы вынуждены были сделать выбор, мы концентрировались на языке. В главах со 2-й по 6-ю различные аспекты “C” излагаются более детально и несколько более формально, чем в главе 1, хотя ударение по-прежнему делается на разборе примеров законченных, полезных программ, а не на отдельных фрагментах. В главе 2 обсуждаются основные типы данных, операторы и выражения. В главе 3 рассматриваются управляющие операторы: IF-ELSE ,WHILE ,FOR и т.д. Глава 4 охватывает функции и структуру программы - внешние переменные, правила определенных областей действия описания и т.д. В главе «Язык С» Б.В. Керниган, Д.М. Ричи 13 5 обсуждаются указатели и адресная арифметика. Глава 6 содержит подробное описание структур и объединений. В главе 7 описывается стандартная библиотека ввода-вывода языка “C”, которая обеспечивает стандартный интерфейс с операционной системой. Эта библиотека ввода-вывода поддерживается на всех машинах, на которых реализован “C”, так что программы, использующие ее для ввода, вывода и других системных функций, могут переноситься с одной системы на другую по существу без изменений. В главе 8 описывается интерфейс между “C” - программами и операционной системой “UNIX”. Упор делается на ввод-вывод, систему файлов и переносимость. Хотя некоторые части этой главы специфичны для операционной системы “UNIX”, программисты, не использующие “UNIX”, все же должны найти здесь полезный материал, в том числе некоторое представление о том, как реализована одна версия стандартной библиотеки и предложения для достижения переносимости программы. Приложение A содержит справочное руководство по языку “C”. Оно является “официальным” изложением синтаксиса и семантики “C” и (исключая чей-либо собственный компилятор) окончательным арбитром для всех двусмысленностей и упущений в предыдущих главах. Так как “C” является развивающимся языком, реализованным на множестве систем, часть материла настоящей книги может не соответствовать текущему состоянию разработки на какой-то конкретной системе. Мы старались избегать таких проблем и предостерегать о возможных трудностях. В сомнительных случаях, однако, мы обычно предпочитали описывать ситуацию для системы “UNIX” PDP-11 , так как она является средой для большинства программирующих на языке “C”. В приложении а также описаны расхождения в реализациях языка “C” на основных системах. 14 «Язык С» Б.В. Керниган, Д.М. Ричи 1. УЧЕБНОЕ ВВЕДЕНИЕ. Давайте начнем с быстрого введения в язык “C”. Наша цель - проде- монстрировать 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 довес- ти 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”, кото- рые имеют первостепенное значение при написании больших программ, в том числе указатели, сртуктуры, 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 ввиду. 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 2. 1.1. Hачинаем. Единственный способ освоить новый язык программирования - писать на нем программы. Первая программа, которая должна быть написана, - одна для всех языков: напечатать слова : HELLO, WORLD. 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. Программа печати “HELLO, WORLD” на языке “C” имеет вид: MAIN () «Язык С» Б.В. Керниган, Д.М. Ричи 15 PRINTF(“HELLO, WORLD\N”); Как пропустить эту программу - зависит от используемой вами системы. В частности, на операционной системе “UNIX” вы должны завести исходную программу в файле, имя которого оканчивается на “.C” , 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 A.OUT приведет к выводу HELLO, WORLD На других системах эти правила будут иными; проконсультируйтесь с местным авторитетом. Упражнение 1-1. 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 маIN - функция без аргументов, что указывается как (). Операторы, составляющие функцию, заключаются в фигурные скобки и , 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. 16 «Язык С» Б.В. Керниган, Д.М. Ричи Строка PRINTF(“HELLO, WORLD\N”); является обращением к функции, которое вызывает функцию с именем PRINTF и аргуметом “HELLO, WORLD\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(“HELLO, WORLD “); 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(“HELLO, “); PRINTF(“WORLD”); PRINTF(“\N”); Подчеркнем, что \N представляет только один символ. Условные ‘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: \т - для табуляции, \B - для возврата на одну позицию, \” - для двойной кавычки и \\ для самой обратной косой черты. |