1 Objectivos. 2 Linguagem C. Arquitecturas e Sistemas Operativos (2 a Parte) AT 1: Programação em C. Rever alguns aspectos da programação em C

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1 Arquitecturas e Sistemas Operativos (2 a Parte) AT 1: Programação em C 3 o Ano MIEEC 1 Objectivos Rever alguns aspectos da programação em C 2 Linguagem C A linguagem C é uma linguagem imperativa. Todos os programas têm que ter uma e uma só função de nome main. De facto, o programa mais simples em C (main.c) é: Para o compilar em Linux basta executar o comando: gcc -Wall main.c -o main Por momentos vamos ignorar o aviso: main.c: In function main : main.c:2: warning: control reaches end of non-void function e executá-lo:./main Nota: A substring./ que precede o nome do programa indica ao interpretador de comandos, vulgo shell, onde pode encontrar o programa main. E o resultado desta execução é... nada visível terminando o programa de imediato. De facto, outra coisa não seria de esperar porque a função main() não inclui qualquer instrução. Antes de avançar para um programa que faz alguma coisa, conviria eliminar o aviso do compilador. Para isso basta acrescentar a linha à função main():

2 O programa mais famoso O programa C mais famoso é o Hello, World! : printf("hello, World!\n"); O qual invoca a função printf() para imprimir a string Hello, World! na consola (mais correctamente, na saída standard). A primeira linha é uma directiva para incluir um ficheiro do tipo header com a declaração da função printf() (entre outras): Em C todas as funções têm que ser declaradas (ou definidas) antes de serem invocadas. (Ver mais à frente o que são a declaração, a definição e a invocação duma função.) Para saber que header file deverá incluir quando usa uma função da biblioteca C poderá executar o utilitário man, como se segue; man 3 printf Obviamente, se estiver interessado noutra função deverá substituir a string printf pelo nome dessa função. O número 3 especifica que se pretende a página do manual de programação, o qual é, por assim dizer, o 3 o volume do manual disponível através de man. Mais sobre printf() É claro que a função printf() da biblioteca C permite imprimir muito mais do que uma constante do tipo string, i.e. uma string cujo valor não varia, como é o caso de Hello, World!\n. (A propósito, o último carácter desta string, o carácter \n, representa o carácter nova linha e faz com que o cursor se desloque para o início da linha seguinte. Outro carácter especial de interesse é o carácter \t, o qual representa um tab, i.e. um número pré-definido de espaços em branco.) De facto, printf() permite imprimir um n o variável de argumentos. O primeiro é, digamos, a string principal, a qual especifica não só a parte fixa do que se pretende imprimir como o formato da parte variável, se alguma, sendo por isso designada por string de formatação. O formato da parte variável é descrito por uma string que consiste no carácter % seguido por um conversion specifier, o qual especifica o formato de representação da parte variável da string a imprimir. Em princípio, deverá haver um conversion specifier, e correspondente carácter %, por cada argumento de printf() que segue a string de formatação. O ficheiro digits.c ilustra o uso de printf() para imprimir os 10 algarismos um por linha. void main() { int i;

3 for(i = 0; i < 10; i++) { printf("%d\n", i); Neste caso como pretendemos imprimir apenas números inteiros usamos a string %d. Para uma especificação do formato e do significado dos conversion specifiers pode consultar a man page de printf() retornada por man 3 printf. A printf_format_placeholderspginadawikipediasobre\texttt{printf apresenta um sumário dessa informação duma forma mais legível recorrendo a tabelas. Após compilar: gcc -Wall digits.c -o digits A execução de digits (dando o comando./digits) produz o resultado esperado: [...] 8 9 Onde [...] indica que omiti algumas linhas. Tipos Na linguagem C, variáveis e constantes podem ser dum conjunto de tipos básicos, ou primitivos, tais como: char, para um carácter ou um inteiro de 8 bits com sinal; short int, int e long int para inteiros com sinal usando um n o diferente de bytes (a linguagem C não define o tamanho de cada um destes tipos, o que obriga a algum cuidado para garantir portabilidade do código). Para permitir uma escrita mais eficiente, C permite que se omita a string int em short int e em long int. float e double para números de vírgula flutuante de precisão simples e dupla, respectivamente. Além dos tipos inteiros com sinal descritos acima, C suporta ainda tipos inteiros sem sinal que se especificam precedendo as key words correspondentes com a string unsigned. Por exemplo: unsigned char ou unsigned long. (Note-se que neste último caso, estamos a usar apenas long em vez de long int.) Essencialmente, um tipo determina: 1. O conjunto de valores que uma constante ou variável pode assumir;

4 2. O conjunto de operações que se pode aplicar a uma constante ou variável desse tipo. Além disso, um tipo determina a forma como uma constante ou variável é representada internamente, i.e. ao nível do processador e da memória. O programa div em div.c ilustra o efeito do tipo duma variável no resultado da operação aritmética divisão: int m = 10; int n = 3; int q; double x = 10.0; double y = 3.0; double z; q = m/n; z = x/y; printf(" %d / %d = %d \n %f / %f = %f \n", m, n, q, x, y, z); Compilando-o e executando-o, obtém-se: 10 / 3 = / = Um dos aspectos mais subtis da linguagem C é a conversão entre tipos. De facto, C realiza conversão entre tipos quando numa expressão se usa constantes/variáveis de tipos diferentes. Contudo, os resultados nem sempre são os que se esperam, como ilustra o seguinte programa que se encontra no ficheiro conv.c: int m = 10; int n = 3; int q; double z; q = m/n; z = m/n; printf(" %d / %d = %d \n %d / %d = %f \n", m, n, q, m, n, z);

5 O qual produz: 10 / 3 = 3 10 / 3 = Tente alterar este programa para que a segunda expressão produza de facto o resultado da divisão não inteira. (Pode encontrar uma solução no ficheiro casts.c) Além dos tipos básicos, C permite ainda especificar tipos compostos tais como vectores (ou arrays) e estruturas de dados: int a[10]; // a is an array of 10 integers (not initialized) struct { double re, im; z; // z is a struct composed of two doubles Funções Uma função em C é muito semelhante a uma função matemática: tal como esta última, pode ser usada para mapear os valores dum determinado domínio, especificados no seu argument, em valores dum contradomínio, o valor retornado pela função. Em C, as funções aparecem no contexto de 3 construções, ou usos: Definição especifica as instruções que deverão ser executadas, sempre que a função é invocada, para produzir o resultado desejado a partir dos argumentos. Invocação determina a execução das instruções que constam na sua definição para um determinado valor de cada um dos seus argumentos. Declaração declara o nome da função bem como os tipos dos seus argumentos e dos valores de retorno. A declaração é usada essencialmente para simplificar a compilação. De notar que a declaração duma função nem sempre é necessária, nomeadamente se a invocação da função for precedida pela sua definição. O programa fdiv em fdiv.c ilustra precisamente este facto: double div(double x, double y) { double z; // Definition of div() z = x/y; return z; double u = 10.0; double v = 3.0;

6 printf("%f / %f = %f \n", u, v, div(u,v)); // Invocation of div() A compilação e a execução deste programa produzem os resultados esperados. Se definirmos a função div() depois da função main() (ver ficheiro no_decl.c) de forma a que a função div() é invocada antes de ser definida e sem que tenha sido previamente declarada obteremos o seguinte erro de compilação: gcc -Wall no_decl.c -o no_decl decl.c: In function main : decl.c:7: warning: implicit declaration of function div decl.c:7: warning: format %f expects type double, but argument 4 has type i decl.c: At top level: decl.c:12: error: conflicting types for div O que acontece aqui é que o compilador ao encontrar a invocação de div assume que retorna um inteiro e infere que os seus argumentos são do tipo double. Contudo, mais à frente, quando encontra a definição de div(), detecta que há um conflito, pois o valor de retorno é do tipo double e assinala um erro. Neste caso, tudo o que temos que fazer é declarar a função div() antes da primeira invocação, como ilustrado em decl.c: double div(double, double); // declaration of div() double u = 10.0; double v = 3.0; printf("%f / %f = %f \n", u, v, div(u,v)); // invocation of div() double div(double x, double y) { // definition of div() double z; z = x/y; return z; IMP.- Nem sempre a invocação duma função antes da sua definição e sem a sua declaração prévia dá origem a erros de compilação. Contudo, mesmo nestes casos o comportamento do programa pode ser diferente do desejado. Assim, é importante que sempre que usa uma função antes de a definir (ou se ela estiver definida noutro ficheiro, como é o caso de printf()) a declare previamente, ou de forma explícita ou incluindo um header file com essa declaração.

7 Passagem de argumentos duma função Um aspecto essencial da linguagem C é que os argumentos são passados por valor. I.e., quando da invocação duma função com argumentos, os valores dos argumentos especificados nessa invocação são copiados para uma região de memória apropriada e que será usada pela função invocada sempre que as suas instruções acederem (i.e. lerem ou escreverem) aos seus argumentos. Este aspecto da linguagem C pode ser determinante na correcção dum programa. O programa seguinte fun_args.c ilustra uma implementação errada duma função que troca o valor das variáveis que lhe são passadas como argumento: void swap(int a, int b) { int t; printf("in swap, before swap: a = %d b = %d\n", a, b); t = a; a = b; b = t; printf("in swap, after swap: a = %d b = %d\n", a, b); int n = 5; int m = 1; printf("before calling swap: n = %d m = %d\n", n, m); swap(n,m); printf("after calling swap: n = %d m = %d\n", n, m); De facto, o problema é que o que é passado à função swap() são os valores das variáveis m e n, os quais são atribuídos aos argumentos a e b. Depois, a função swap() opera apenas sobre estas variáveis e não sobre as variáveis m e n. Para conseguir o efeito desejado temos que usar apontadores. Apontadores Um apontador é uma variável que toma como valor um endereço. De facto, em C, apontadores não são apenas endereços, são endereços de variáveis/constantes dum determinado tipo, ou de forma mais breve endereços dum determinado tipo, o que tem algumas vantagens como veremos. Para suportar a manipulação de endereços, a linguagem C oferece 2 operadores: & o qual retorna o endereço da variável que é o seu operando; * o qual retorna o valor na posição de memória cujo endereço é o seu operando; O programa ptr em ptr.c ilustra o uso destes 2 operadores:

8 0: 1: 2: 3: int m = 10; 4: int *ptr; // pointer to integer 5: 6: ptr = &m; // initialize ptr with the address of m 7: printf("ptr = %p \t *ptr = %d \t m = %d \n", ptr, *ptr, m); 8: return 0 9: De notar, a linha 4 é a declaração da variável ptr como um apontador para inteiro. Esta declaração pode ser lida como: ptr é uma variável cujo valor apontado é um inteiro. Compilando-o e executando-o, obtém-se: ptr = 0xbfccc73c *ptr = 10 m = 10 Ou seja, à variável inteira m foi atribuída uma região de memória começando na posição de endereço 0xbfccc73c. E o valor dessa região de memória obtido usando a expressão *ptr está de acordo com o valor da variável m. Agora que sabemos como funcionam os apontadores poderemos corrigir a função swap() apresentada acima (ver ficheiro swap.c): void swap(int* a, int* b) { int t; printf("in swap, before swap: *a = %d *b = %d\n", *a, *b); t = *a; *a = *b; *b = t; printf("in swap, after swap: *a = %d *b = %d\n", *a, *b); int n = 5; int m = 1; printf("before calling swap: n = %d m = %d\n", n, m); swap(&n,&m); printf("after calling swap: n = %d m = %d\n", n, m); As alterações são menores, mas a diferença no resultado é imensurável: entre um resultado correcto e outro que não o é. De facto, a solução consiste em passar como argumentos a swap() não o valor

9 das variáveis cujos valores pretendemos trocar, mas os endereços dessas variáveis. Estes endereços são usados então dentro da função swap() para alterar os valores das posições de memória correspondentes. IMP.- Note-se que C continua a passar os argumentos por valor, apenas estes argumentos são endereços, o que permite produzir um efeito semelhante ao modo de passagem de argumentos por referência. O programa swap ilustra um dos principais usos de apontadores na linguagem C: a possibilidade de alterar o valor duma variável de forma visível fora da função que faz essa alteração. Um dos exemplos mais comuns do uso desta funcionalidade é a função scanf() da biblioteca C. A função scanf() é dual da função printf() no sentido de que enquanto esta última permite escrever na saída standard (normalmente a consola), scanf() permite ler da entrada standard (normalmente o teclado). O programa input em input.c ilustra o uso de scanf() para ler um inteiro do teclado: int n; printf("enter an integer... "); scanf("%d", &n); printf("\nread %d \n", n); Ou seja, neste caso, scanf() inicializa a região de memória apontada pelo endereço que lhe é passado como argumento, neste caso o endereço da variável n, com o inteiro introduzido através do teclado, inicializando desta forma a variável n com esse valor. Note-se que scanf() usa strings de formatação com um formato semelhante ao destas strings em printf(). É assim possível ler não só inteiros mas também números de vírgula flutuante bem como valores de outros tipos. Para uma explicação detalhada do uso desta função pode consultar a sua man page dando o comando man 3 scanf. Para um sumário mais legível pode consultar a página correspondente da Wikipedia Strings Em C, há uma relação estreita entre strings e endereços/apontadores. De facto, C não tem um tipo string, mas apenas um tipo char. Contudo, atendendo a que uma string é tipicamente guardada em memória com cada um dos seus carácteres em posições consecutivas, é possível referir uma string pelo endereço da sua primeira posição de memória. Contudo tal não basta. Como é que sabe qual é o último carácter duma string? A solução adoptada em C, é usar um carácter especial, conhecido por end of string character, o carácter de código 0, para marcar o fim duma string. O programa string em string.c ilustra este aspecto da linguagem C: // Strings are represented as pointers to their first character // The end of string is marked by the \0 character

10 char *str, *p; %p\n", "Hello World!\n"); str = "Hello World!\n"; for( p = str; *p!= \0 ; p++) %p: %c\n", p, *p); O que é que este programa faz? Verifique a sua resposta compilando-o e executando-o. Arrays A linguagem C suporta também arrays/vectores. O programa array em array.c ilustra alguns dos aspectos relacionados com a sintaxe de manipulação de vectores em C: 0: 1: 2: 3: int a[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9; 4: int i; 5: 6: for( i = 0; i < 10; i++ ) 7: printf("a[%d] = %d\n", i, a[i]); 8: 9: Em particular note o uso de [] na declaração dum vector (na linha 3), bem como na referência a um elemento particular desse vector na linha 7. Note-se que os indíces dum vector começam em 0. De notar ainda, a inicialização dos elementos do vector na linha 3 usando-se para o efeito {,. Os elementos dum vector não inicializado terão um valor arbitrário. Quando não se faz a inicialização dos elementos do vector na sua declaração, é necessário especificar o n o de elementos do vector. Quando se faz a inicialização, o compilador assume que o vector tem um n o de elementos iguais ao n o de valores usados na inicialização. Tal como uma string consiste numa sequência de carácteres, também um array/vector consiste numa sequência de elementos dum determinado tipo. Assim, em C há uma relação estreita entre arrays e endereços/apontadores. Nomeadamente, o nome dum vector é de facto o endereço da primeira posição de memória desse vector. Como ilustra o programa array ptr em array ptr.c: int a[] = {0, 1, 2; int i; int *p;

11 printf("array %p\n", a); for( i = 0, p = a; i < 3; i++, p++) { printf("a[%d] (@ %p) = %d\n", i, &a[i], a[i]); printf("a[%d] (@ %p) = %d\n", i, p, *p);