Лекции по информатике
Подождите немного. Документ загружается.
задание для микропроцессора. Например, функция языка Си puts() указывает
компьютеру, что некая информация должна быть выведена на дисплей. Для выполнения
этой же функции может потребоваться использование большого количества
мнемонических кодов ассемблера и сотен бит.
Разумеется, сам по себе компьютер не понимает, что означает функция puts() и
другие инструкции языков высокого уровня, поэтому, прежде чем компьютер реально
сможет выполнить задание, оно должно быть переведено на его собственный язык—
язык двоичных кодов.
Операцию по переводу человеческих слов в двоичные коды можно выполнить
двумя способами, которые называют компиляцией и интерпретацией.
Компиляторы
Компилятор переводит сразу весь текст программы и сохраняет результат на
диске, так что программу можно запустить в любое время.
В сущности, компилятор— это компьютерная программа, которая (с помощью
другой программы, называемой компоновщиком) преобразует все ваши инструкции в
двоичные коды таким образом, чтобы программа могла быть выполнена компьютером.
Прежде всего компилятор убеждается, что программа написана в соответствии с
правилами языка программирования, затем создает промежуточную форму программы—
объектный файл. Если во время работы компилятор встретит непонятную ему
инструкцию, он сообщит об этом, и вам придется решить возникшую проблему и
повторить компиляцию. Компоновщик программ преобразует объектные коды в
исполняемую программу (это не означает, что программа сразу же и выполняется).
При работе с компилятором программа существует как бы в трех состояниях.
Сначала создается исходный файл, который содержит текст программы, написанный на
Си. Его можно распечатывать и читать так же, как любой текстовый файл, созданный при
помощи текстового процессора. Этот файл можно редактировать, тем самым изменяя
программу. Программа, прошедшая компиляцию, содержится в объектном файле, а
окончательный результат представляет собой исполняемый файл, который можно
запустить на выполнение.
Си, Си++, Паскаль, Кобол и Фортран— это примеры компилирующих языков.
Интерпретатор
Интерпретатор переводит компьютеру все инструкции непосредственно в момент
их выполнения.
Программа, обрабатываемая интерпретатором, существует только в виде
исходного текстового файла. Язык BASIC, который поставляется с операционной
системой MS-DOS, является примером интерпретирующего языка.
Почему имеет смысл использовать интерпретаторы? Например, когда вы еще
только учитесь программировать, интерпретатор позволяет без труда писать и сразу же
тестировать программу строка за строкой. Компилятору же, чтобы приступить к переводу,
необходимо иметь полностью завершенный текст всей программы, или, как минимум,
отдельной исполняемой ее части.
Почему же в таком случае пользуются компилятором? В силу того, что
интерпретатор делает процесс создания программы очень легким, у пользователя
появляется искушение пренебречь стадией предварительного планирования и
проектирования, необходимой для того, чтобы создать работающую программу. Он
уверенно приступает к делу, пытаясь писать программу с налету, а затем проводить
долгие бесполезные часы, внося изменения методом проб и ошибок. Это не лучший
способ работы, и поскольку вы только приступаете к изучению программирования, вам
лучше учиться работать грамотно с самого начала.
Кроме того, интерпретируемые языки работают медленнее. Необходимо загрузить
интерпретатор в память компьютера, затем переводить и выполнять каждую отдельную
строку программы. Компилятор преобразует весь текст программы сразу, а после этого
откомпилированная запускаемая программа существует в виде двоичных кодов,
адресованных непосредственно компьютеру.
Язык С. История развития. Основные свойства языка
Язык Си (C) был создан в начале 70-х годов Дэннисом Ритчи, который работал в
компании Bell Telephone Laboratories. Родословная языка Си (C) берет свое начало от
языка Алгол и включает в себя Паскаль и ПЛ/I.
В 1978 году Ричи и Керниган опубликовали первую редакцию книги «Язык
программирования Си». Эта книга, известная среди программистов как «K&R», служила
многие годы неформальной спецификацией языка.
В конце 1970-х годов Си начал вытеснять Бейсик с позиции ведущего языка для
программирования микрокомпьютеров. В 1980-х годах он был адаптирован для
использования в IBM PC, что привело к резкому росту его популярности. В то же время
Бьярне Страуструп и другие в лабораториях Bell Labs начали работу по добавлению в Си
возможностей объектно-ориентированного программирования. Язык, который они в итоге
сделали, C++, в настоящее время является самым распространённым языком
программирования для платформы Microsoft Windows. Си остаётся более популярным в
UNIX-подобных системах.
В 1983 году Американский Национальный Институт Стандартизации (ANSI)
сформировал комитет для разработки стандартной спецификации Си. По окончании этого
долгого и сложного процесса в 1989 году он был наконец утверждён как «Язык
программирования Си» ANSI X3.159-1989. Эту версию языка принято называть ANSI C.
ANSI C сейчас поддерживают почти все существующие компиляторы. Почти весь
код Си, написанный в последнее время, соответствует ANSI C.
Язык программирования, известный как Си++— это надмножество языка Си.
Реально он не является новым языком, так как включает все операторы и средства языка
Си, добавив только некоторые новые. Изучая Си, вы по большей части одновременно
изучаете и язык Си++. Преимущество Си++ в том, что он позволяет с большей легкостью
разрабатывать большие сложные программы за счет более модульного подхода и
некоторых других усовершенствований. Кроме того, Си++ является языком объектно-
ориентированного программирования.
Отличительные особенности языка C
Си— компилирующий язык программирования. Это набор ключевых слов и
функций, представленных привычными словами, которые для выполнения их
компьютером должны быть переведены в двоичные коды. За последние годы Си стал
наиболее популярным среди всех компьютерных языков, и обусловлено это тремя
вескими причинами. Эти причины: скорость, переносимость и структурирование.
Скорость
Можно сказать, что Си является языком более близким к ассемблеру, чем другие
языки высокого уровня, так как многие инструкции Си адресованы непосредственно
аппаратной части компьютера. Поэтому программа на Си выполняется очень быстро.
Фактически, она работает настолько быстро, что Си может быть использован для
написания операционных систем, коммуникационных и инженерных приложений и даже
компиляторов.
Кроме того, большинство компиляторов Си генерируют высоко оптимизированные
коды. Вы помните, что компьютеру необходимы двоичные коды? Чем меньше этих кодов
генерирует компилятор, тем более оптимизированным является код и тем быстрее
работает программа. Многие компиляторы других языков генерируют менее
оптимизированные коды, так что их программы работают медленнее.
Переносимость
Разумеется, можно создавать очень быстро работающие программы, если писать
их на ассемблере. Однако мнемонические ассемблерные коды не одинаковы для каждого
семейства микропроцессоров. Если бы вы написали на ассемблере программу для IBM
PC или совместимого с ним компьютера, а затем решили выполнить те же самые
процедуры на Apple Macintosh, вам пришлось бы переписать всю программу.
Си использует стандартные наборы ключевых слов. В общем случае вы пишете
программу один раз, безотносительно того на какой платформе (с каким компьютером
или операционной системой) собираетесь ее использовать. Тем не менее, хотя исходный
файл сохраняется без изменений, необходимы два компилятора: один, чтобы перевести
программу в двоичные коды, которые понимает IBM, другой, чтобы перевести программу
в двоичные коды для Apple. Но сам текст программы вы создали раз и навсегда.
Вышесказанное также означает, что раз уж вы изучили Си, то вам не надо изучать
другие языки, чтобы программировать на других компьютерах. Вы легко перенесете свои
навыки с одной платформы на другую без переобучения. В конце концов, трудно
предсказать заранее, куда вас заведет только что начатое изучение программирования, и
лучше быть готовым ко всему.
Структурирование
Каким бы легким для изучения ни был язык Си, у него есть свои требования. Делая
программу на интерпретирующем языке BASIC, можно сидеть у компьютера и писать
текст прямо «из головы». В Си это не так-то просто. Язык Си имеет свою структуру и
правила создания программы, которые заставляют программиста мыслить логически.
Можно обойтись без серьезного структурирования и быстро написать «корявую»
программу, сравнительно простую и небольшого размера, но чтобы создать
действительно серьезную программу на Си, требуется прежде всего хорошо подумать.
Необходимость структурирования, однако, далеко не является обузой. Благодаря этому
качеству программу на Си очень легко проектировать, поддерживать и отлаживать.
Библиотеки функций
Язык Си как таковой содержит небольшое количество операций. В отличие от
других языков, Си не имеет встроенных средств ввода и вывода информации или работы
со строками (строка— это последовательность символов, образующих слово или фразу).
Например, первоначальный стандарт языка Си имел только 27 ключевых слов (keywords)
или команд.
Вся мощь языка Си обеспечивается библиотеками функций, которые
поставляются вместе с компилятором. Функцией называют последовательный набор
инструкций для решения специальной задачи. Библиотека — это отдельный файл,
прилагающийся к компилятору и содержащий функции для решения распространенных
задач. Некоторые библиотечные файлы содержат предварительно откомпилированные
коды. Когда компилятор сталкивается с именем функции из такой библиотеки, ему не
приходится заниматься преобразованием информации в двоичные коды, так как это
преобразование уже выполнено. Во время процесса компоновки программы двоичные
коды функции (инструкции для выполнения функции, содержащиеся в библиотеке)
объединяются с объектным файлом и создается исполняемая программа. Поскольку
функции были откомпилированы заранее, они представляют собой очень эффективные
коды. Производитель компилятора уже «очистил» функции, так что они полностью
оптимизированы.
Существуют функции, которые используются так часто, что вместе со многими
компиляторами поставляются их исходные тексты. Они содержатся в файлах, которые
называются файлами заголовков (header file) и обычно имеют расширение .H. Файлы
заголовков также содержат директивы компилятору и инструкции, указывающие
использовать конкретные определения. Во время процесса компиляции содержимое
файла заголовков добавляется к вашей собственной программе и для него также
создаются объектные коды.
Файлы заголовков, в отличие от библиотечных файлов, не откомпилированы. Так
же как и ваш исходный файл с текстом программы на Си, их можно читать, печатать на
принтере и редактировать. Однако вам следует остерегаться вносить изменения в файлы
заголовков, поставляемые с компилятором. Если вы сделаете ошибку, то компилятор
больше не сможет генерировать для них объектные коды.
Именно использование библиотечных файлов делает Си легко переносимым.
Компилятор - программа, преобразующая текст, написанный на алгоритмическом
языке, в программу, состоящую из машинных команд. Компилятор создает законченный
вариант программы на машинном языке.
Транслятор - в широком смысле - программа, преобразующая текст, написанный
на одном языке, в текст на другом языке.
Лексема - единица текста программы, которая при компиляции воспринимается,
как единое целое и по смыслу не может быть разделена на более мелкие элементы.
Элементы языка C
Под элементами языка понимаются его базовые конструкции, используемые при
написании программ.
Элементы языка Си:
символы;
константы;
идентификаторы;
ключевые слова;
комментарии.
Используемые символы
Множество символов используемых в языке СИ можно разделить на пять групп.
1. Символы, используемые для образования ключевых слов и идентификаторов
(табл.1). В эту группу входят прописные и строчные буквы английского алфавита, а также
символ подчеркивания. Следует отметить, что одинаковые прописные и строчные буквы
считаются различными символами, так как имеют различные коды.
Таблица 1
Прописные буквы латинского
алфавита
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S
T U V W X Y Z
Строчные буквы латинского
алфавита
a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x
y z
Символ подчеркивания _
2. Группа прописных и строчных букв русского алфавита и арабские цифры
(табл.2).
Таблица 2
Прописные буквы русского
алфавита
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х
Ц Ч Ш Щ Ы Ь Э Ю Я
Строчные буквы русского
алфавита
а б в г д е ж з и к л м н о п р с т у ф х ц ч ш
щ ъ ы ь э ю я
Арабские цифры 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
3. Знаки нумерации и специальные символы (табл. 3). Эти символы используются
с одной стороны для организации процесса вычислений, а с другой - для передачи
компилятору определенного набора инструкций.
Таблица 3
Символ Наименование Символ Наименование
, запятая ) круглая скобка правая
. точка ( круглая скобка левая
; точка с запятой } фигурная скобка правая
: двоеточие { фигурная скобка левая
? вопросительный знак < меньше
' апостроф > больше
! восклицательный знак [ квадратная скобка
| вертикальная черта ] квадратная скобка
/ дробная черта # номер
\ обратная черта % процент
~ тильда & амперсанд
* звездочка ^ логическое не
+ плюс = равно
- мину " кавычки
4. Управляющие и разделительные символы. К той группе символов относятся:
пробел, символы табуляции, перевода строки, возврата каретки, новая страница и новая
строка. Эти символы отделяют друг от друга объекты, определяемые пользователем, к
которым относятся константы и идентификаторы. Последовательность разделительных
символов рассматривается компилятором как один символ (последовательность
пробелов).
5. Кроме выделенных групп символов в языке СИ широко используются так
называемые, управляющие последовательности, т.е. специальные символьные
комбинации, используемые в функциях ввода и вывода информации. Управляющая
последовательность строится на основе использования обратной дробной черты (\)
(обязательный первый символ) и комбинацией латинских букв и цифр (табл.4).
Таблица 4
Управляющая
последовательность
Наименование
Шестнадцатеричная
замена
\a Звонок 007
\b Возврат на шаг 008
\t Горизонтальная табуляция 009
\n Переход на новую строку 00A
\v Вертикальная табуляция 00B
\r Возврат каретки 00C
\f Перевод формата 00D
\" Кавычки 022
\' Апостроф 027
\0 Ноль-символ 000
\\ Обратная дробная черта 05C
\ddd
Символ набора кодов
ПЭВМ в восьмеричном
представлении
£
\xddd
Символ набора кодов
ПЭВМ в шестнадцатеричном
представлении
£
Последовательности вида \ddd и \xddd (здесь d обозначает цифру) позволяет
представить символ из набора кодов ПЭВМ как последовательность восьмеричных или
шестнадцатеричных цифр соответственно. Например, символ возврата каретки может
быть представлен различными способами:
\r - общая управляющая последовательность,
\015 - восьмеричная управляющая последовательность,
\x00D - шестнадцатеричная управляющая последовательность.
Следует отметить, что в строковых константах всегда обязательно задавать все
три цифры в управляющей последовательности. Например отдельную управляющую
последовательность \n (переход на новую строку) можно представить как \010 или \xA, но
в строковых константах необходимо задавать все три цифры, в противном случае символ
или символы следующие за управляющей последовательностью будут рассматриваться
как ее недостающая часть. Например:
"ABCDE\x009FGH" данная строковая команда будет напечатана с использованием
определенных функций языка СИ, как два слова ABCDE FGH, разделенные 8-ю
пробелами, в этом случае если указать неполную управляющую строку"ABCDE\
x09FGH",то на печати появится ABCDE=|=GH, так как компилятор воспримет
последовательность \x09F как символ "=+=".
Отметим тот факт, что, если обратная дробная черта предшествует символу не
являющемуся управляющей последовательностью (т.е. не включенному в табл.4) и не
являющемуся цифрой, то эта черта игнорируется, а сам символ представляется как
литеральный. Например:
символ \h представляется символом h в строковой или символьной константе.
Кроме определения управляющей последовательности, символ обратной дробной
черты (\) используется также как символ продолжения. Если за (\) следует (\n), то оба
символа игнорируются, а следующая строка является продолжением предыдущей. Это
свойство может быть использовано для записи длинных строк.
Константы
Константами называются перечисление величин в программе. В языке СИ
разделяют четыре типа констант: целые константы, константы с плавающей запятой,
символьные константы и строковыми литералы.
Целая константа: это десятичное, восьмеричное или шестнадцатеричное число,
которое представляет целую величину в одной из следующих форм: десятичной,
восьмеричной или шестнадцатеричной.
Десятичная константа состоит из одной или нескольких десятичных цифр, причем
первая цифра не должна быть нулем (в противном случае число будет воспринято как
восьмеричное).
Восьмеричная константа состоит из обязательного нуля и одной или нескольких
восьмеричных цифр (среди цифр должны отсутствовать восьмерка и девятка, так как эти
цифры не входят в восьмеричную систему счисления).
Шестнадцатеричная константа начинается с обязательной последовательности 0х
или 0Х и содержит одну или несколько шестнадцатеричных цифр (цифры
представляющие собой набор цифр шеснадцатеричной системы счисления:
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F)
Примеры целых констант:
Десятичная Восьмеричная Шестнадцатеричная
константа константа константа
16 020 0x10
127 0117 0x2B
240 0360 0XF0
Если требуется сформировать отрицательную целую константу, то используют
знак "-" перед записью константы (который будет называться унарным минусом).
Например: -0x2A, -088, -16 .
Каждой целой константе присваивается тип, определяющий преобразования,
которые должны быть выполнены, если константа используется в выражениях. Тип
константы определяется следующим образом:
- десятичные константы рассматриваются как величины со знаком, и им
присваивается тип int (целая) или long (длинная целая) в соответствии со значением
константы. Если константа меньше 32768, то ей присваивается тип int в противном случае
long.
- восьмеричным и шестнадцатеричным константам присваивается тип int, unsigned
int (беззнаковая целая), long или unsigned long в зависимости от значения константы
согласно табл 5.
Таблица 5
Диапазон шестнадцатеричных
констант
Диапазон восьмеричных
констант
Тип
0x0 - 0x7FFF 0 - 077777 int
0X8000 - 0XFFFF 0100000 - 0177777 unsigned int
0X10000 - 0X7FFFFFFF 0200000 - 017777777777 long
0X80000000 - 0XFFFFFFFF 020000000000 - 037777777777 unsigned long
Для того чтобы любую целую константу определить типом long, достаточно в конце
константы поставить букву "l" или "L". Пример:
5l, 6l, 128L, 0105L, OX2A11L.
Константа с плавающей точкой - десятичное число, представленное в виде
действительной величины с десятичной точкой или экспонентой. Формат имеет вид:
[ цифры ].[ цифры ] [ Е|e [+|-] цифры ] .
Число с плавающей точкой состоит из целой и дробные части и (или) экспоненты.
Константы с плавающей точкой представляют положительные величины удвоенной
точности (имеют тип double). Для определения отрицательной величины необходимо
сформировать константное выражение, состоящее из знака минуса и положительной
константы.
Примеры: 115.75, 1.5Е-2, -0.025, .075, -0.85Е2
Символьная константа - представляется символом заключенном в апострофы.
Управляющая последовательность рассматривается как одиночный символ, допустимо
ее использовать в символьных константах. Значением символьной константы является
числовой код символа. Примеры:
' '- пробел ,
'Q'- буква Q ,
'\n' - символ новой строки ,
'\\' - обратная дробная черта ,
'\v' - вертикальная табуляция .
Символьные константы имеют тип int и при преобразовании типов дополняются
знаком.
Строковая константа (литерал) - последовательность символов (включая
строковые и прописные буквы русского и латинского а также цифры) заключенные в
кавычки (") . Например: "Школа N 35", "город Тамбов", "YZPT КОД".
Отметим, что все управляющие символы, кавычка ("), обратная дробная черта (\) и
символ новой строки в строковом литерале и в символьной константе представляются
соответствующими управляющими последовательностями. Каждая управляющая
последовательность представляется как один символ. Например, при печати литерала
"Школа \n N 35" его часть "Школа" будет напечатана на одной строке, а вторая часть "N
35" на следующей строке.
Символы строкового литерала сохраняются в области оперативной памяти. В
конец каждого строкового литерала компилятором добавляется нулевой символ,
представляемый управляющей последовательностью \0.
Строковый литерал имеет тип char[] . Это означает, что строка рассматривается
как массив символов. Отметим важную особенность, число элементов массива равно
числу символов в строке плюс 1, так как нулевой символ (символ конца строки) также
является элементом массива. Все строковые литералы рассматриваются компилятором
как различные объекты. Строковые литералы могут располагаться на нескольких строках.
Такие литералы формируются на основе использования обратной дробной черты и
клавиши ввод. Обратная черта с символом новой строки игнорируется компилятором, что
приводит к тому, что следующая строка является продолжением предыдущей. Например:
"строка неопределенной \n
длины"
полностью идентична литералу
"строка неопределенной длинны" .
Для сцепления строковых литералов можно использовать символ (или символы)
пробела. Если в программе встречаются два или более строковых литерала,
разделенные только пробелами, то они будут рассматриваться как одна символьная
строка. Этот принцип можно использовать для формирования строковых литералов
занимающих более одной строки.
Идентификатор
Идентификатором называется последовательность цифр и букв, а также
специальных символов, при условии, что первой стоит буква или специальный символ.
Для образования идентификаторов могут быть использованы строчные или прописные
буквы латинского алфавита. В качестве специального символа может использоваться
символ подчеркивание (_). Два идентификатора для образования которых используются
совпадающие строчные и прописные буквы, считаются различными. Например: abc, ABC,
A128B, a128b .
Важной особенностью является то, что компилятор допускает любое количество
символов в идентификаторе, хотя значимыми являются первые 31 символ.
Идентификатор создается на этапе объявления переменной, функции, структуры и т.п.
после этого его можно использовать в последующих операторах разрабатываемой
программы. Следует отметить важные особенности при выборе идентификатора.
Во-первых, идентификатор не должен совпадать с ключевыми словами, с
зарезервированными словами и именами функций библиотеки компилятора языка СИ.
Во-вторых, следует обратить особое внимание на использование символа (_)
подчеркивание в качестве первого символа идентификатора, поскольку идентификаторы,
построенные таким образом, что, с одной стороны, могут совпадать с именами системных
функций и (или) переменных, а с другой стороны, при использовании таких
идентификаторов программы могут оказаться непереносимыми, т.е. их нельзя
использовать на компьютерах других типов.
В-третьих, на идентификаторы, используемые для определения внешних
переменных, должны быть наложены ограничения, формируемые используемым
редактором связей (отметим, что использование различных версий редактора связей, или
различных редакторов накладывает различные требования на имена внешних
переменных).
Ключевые слова
Ключевые слова - это зарезервированные идентификаторы, которые наделены
определенным смыслом. Их можно использовать только в соответствии со значением
известным компилятору языка СИ.
Приведем список ключевых слов
auto double int struct break else long switch
register tupedef char extern return void case float
unsigned default for signed union do if sizeof
volatile continue enum short while
Кроме того, в рассматриваемой версии реализации языка СИ,
зарезервированными словами являются:
_asm, fortran, near, far, cdecl, huge, paskal, interrupt .
В языке Си++ добавлены ключевые слова:
catch
cin
class
cout
delete
friend
inline
new
operator
private
protected
Ключевые слова far, huge, near позволяют определить размеры указателей на
области памяти. Ключевые слова _asm, cdelc, fortran, pascal служат для организации
связи с функциями написанными на других языках, а также для использования команд
языка ассемблера непосредственно в теле разрабатываемой программы на языке СИ.
Ключевые слова не могут быть использованы в качестве идентификаторов.
Использование комментариев в тексте программы
Комментарий - это набор символов, которые игнорируются компилятором, на этот
набор символов, однако, накладываются следующие ограничения. Внутри набора
символов, который представляет комментарий не может быть специальных символов
определяющих начало и конец комментариев, соответственно (/* и */). Отметим, что
комментарии могут заменить как одну строку, так и несколько. Например:
/* комментарии к программе */
/* начало алгоритма */
или
/* комментарии можно записать в следующем виде, однако надо
быть осторожным, чтобы внутри последовательности, которая игнорируется
компилятором,не попались операторы программы, которые также будут
игнорироваться */
Неправильное определение комментариев.
/* комментарии к алгоритму /* решение краевой задачи */ */
или
/* комментарии к алгоритму решения */ краевой задачи */