Вам не потрібно використовувати C щодня, щоб поважати цю мову. Він повсюдний. Він забезпечує роботу ядра вашої операційної системи, керує вбудованими пристроями та служить фундаментальним шаром для таких гігантів, як Python, Java та C++. Якщо ви програміст, швидше за все, більшу частину часу ви пишете код мовами вищого рівня. Це нормально. Але знання того, як вивчати C, дає перевагу, яку мало які інші навички можуть зрівнятися з ним. Йдеться як про написання ефективного коду; це про розуміння роботи машини.
Коли ви розумієте C, ви перестаєте сприймати свій комп’ютер як «чорну скриньку». Ви починаєте бачити управління пам’яттю, складання сміття та апаратні обмеження як відчутні концепції. Ця видимість допомагає вам писати найкращий код будь-якою мовою. Це різниця між умінням водити машину та вмінням лагодити її двигун.
Для ІТ-фахівців переваги ще очевидніші. Системне адміністрування часто включає написання скриптів і підтримку складних середовищ. Більшість оболонок – керованих середовищ виконання, де запускаються скрипти, – створені на базі C. ** C shell ** (або csh) залишається популярним вибором для ІТ-фахівців, яким необхідно керувати операційними системами на низькому рівні. Розуміння внутрішньої структури цих інструментів прискорює усунення несправностей і знижує роль інтуїтивних припущень.
Походження C і UNIX
Щоб зрозуміти, чому C влаштований саме так, потрібно звернутися до його джерел. Початок 1970-х був хаотичним часом для програмування. Якщо ви хотіли взаємодіяти з “залізом”, ви використовували асемблер. То була громіздка мова. Налагодження перетворювалося на жах. Додавання нових функцій вимагало ручної роботи, яка сповільнювала розробку до мінімуму.
Кен Томпсон і Денніс Рітчі з Bell Labs шукали найкращий спосіб. Вони працювали над операційною системою UNIX. Їхня перша спроба створити мову високого рівня отримала назву B, побудована на основі системної мови програмування BCPL. Коли Bell Labs отримала комп’ютер Digital Equipment Corporation PDP-11, Томпсон адаптував B до вимог нового обладнання. Результатом став C.
То справді був не просто новий синтаксис. Це було зрушення у філософії. До 1973 C став досить стабільним, щоб все ядро UNIX було переписано на ньому. То був сміливий крок. Він довів, що мови високого рівня можуть виконувати низькорівневі завдання без втрати продуктивності.
Стандартизація та «Біла книга»
На ранніх етапах С був трохи як Дикий Захід. Різні програмісти створювали свої власні діалекти. Щоб виправити це, розробники протягом 1980-х працювали над створенням стандартів. Першим великим досягненням стала книга “Мова програмування C” (The C Programming Language) Браяна Кернігана та Денніса Рітчі. Фанати C називають її K&R чи «Білою книгою».
Оригінальна версія C, заснована на книзі K&R, досі називається K&R C.
Ця книга стала визначальним посібником. Друге видання, опубліковане 1988 року, залишається довідковим орієнтиром для багатьох. Але книжки не є стандартами. Американський національний інститут стандартів (ANSI) випустив стандарт X3.159-1989 у 1989 році. Міжнародна організація зі стандартизації (ISO) пішла за цим, випустивши ISO/IEC 9899:1990 у 1990 році.
Ці стандарти надали З його сучасного вигляду. У документації можна зустріти згадки C89, C90 або C99. Це просто скорочення для стандартів, випущених у відповідні роки. Коли хтось говорить «ANSI C», зазвичай мають на увазі стандарт 1989 року. Ця стандартизація дозволила C поширитися межі Bell Labs. Він став універсальним інструментом, а чи не пропрієтарним.
Спадщина: C++ та Java
Успіх С викликав ефект доміно. Комп’ютери ставали швидше. Програми ставали складнішими. Програмістам потрібні були способи керування цією складністю, не вигадуючи велосипед заново.
На сцену вийшов C++. Він взяв C та додав можливості об’єктно-орієнтованого програмування (ООП). Це дозволило розробникам ефективніше перевикористовувати код. Це оптимізувало здатність керувати великомасштабними програмними проектами з безліччю взаємодіючих компонентів. Java пішла аналогічним шляхом, активно запозичуючи синтаксис C, але спрощуючи управління пам’яттю.
Ці мови не замінили C. Вони спиралися нею. C залишався мостом між кодом додатків та «залізом». Це невидимий фундамент. Без мови C високого рівня, які ви використовуєте щодня, не мали б узгодженого способу спілкування з машиною.
Чому C все ще актуальний
Аргумент проти C у тому, що він застарів. Він потребує ручного керування. Він небезпечний. Ви можете “впустити” систему одним рядком коду, якщо помилитеся з вказівником. Але це небезпека — це й його сила. C дає повний контроль. Він нічого від вас не приховує.
Для розробників це глибше розуміння. Коли ви знаєте, як виділяється пам’ять у C, ви розумієте, чому ваш скрипт на Python працює повільно. Ви бачите накладні витрати. Ви бачите складання сміття у реальному часі. Ці знання дозволяють оптимізувати код. Вони дають змогу писати програми, які не просто працюють, але працюють ефективно.
Для ІТ-фахівців це питання контролю. Мови скриптів зручні. Їх швидко писати. Але коли щось ламається глибоко у стеку, вам потрібно розуміти, що відбувається під капотом. C надає цей контекст. Він пояснює, чому оболонка поводиться певним чином. Він пояснює, як операційна система керує ресурсами.
Вивчення C – це не про те, щоб стати програмістом на C. Це про те, щоб стати кращим програмістом. Це про те, щоб бачити «дроти». І як тільки ви побачите дроти, ви вже ніколи не зможете цього не помічати.
Мова C не виконується безпосередньо. Ви не можете двічі клацнути по вихідному файлу і побачити, як він «танцює» на екрані. Це мова, що компілюється. Це означає, що спочатку необхідно перекласти читаний людиною текст в інструкції машини. Цей процес включає компілятор. Компілятор сканує ваш код, перевіряє наявність синтаксичних помилок і, якщо все гаразд, видає файл, що виконується. Саме цей бінарний файл фактично запускає комп’ютер.
Ви можете писати код C в будь-якому текстовому редакторі. За промовчанням користувачі Windows можуть використовувати Блокнот. Користувачі Mac часто вибирають TextEdit. Користувачі Linux можуть віддати перевагу gedit. Інструмент не такий важливий, як результат. Ви створюєте звичайний текстовий файл. Магія відбувається на наступному етапі.
Пошук та налаштування компілятора
Перш ніж написати хоч один рядок складної логіки, вам знадобляться правильні інструменти. Якщо ви використовуєте macOS або дистрибутив Linux, такий як Ubuntu, у вас є все необхідне. Вам просто потрібно встановити інструменти розробки для вашої операційної системи. Це дасть вам доступ до компілятора C.
Це інструменти командного рядка. Ви не знайдете блискучу кнопку для натискання в меню програм. Вам потрібно відчинити вікно терміналу. Звідти ви вводите команди. Стандартною командою зазвичай є cc або gcc. Після команди ви вводите опції та аргументи. Це інструкції, які говорять компілятор, що робити.
`
Або, якщо ви використовуєте GCC:
`
Це просто. Але це також не вибачає помилок.
IDE для Windows та кросплатформових завдань
Командний рядок підходить не всім. Якщо ви віддаєте перевагу гратичному інтерфейсу або працюєте в Windows, вам може знадобитися інтегроване середовище розробки (IDE). IDE об’єднує все у собі. Ви пишете код. Ви компілюєте його. Ви налагоджуєте його. Ви робите все в одному вікні. Помилки підсвічуються. Виправлення знайти простіше.
Для Windows найкращим варіантом є Microsoft Visual C++. Він підтримує як C, і C++. Він сильний. Однак він також є дорогим, якщо ви не використовуєте безкоштовну версію Community.
Eclipse – ще один популярний вибір. Він безкоштовний. Він заснований на Java, але розширюється для підтримки C та багатьох інших мов. Він працює у Windows, Mac та Linux. Якщо ви використовуєте екосистему Eclipse, додавання плагіна C/C++ є логічним кроком.
Чому версії компілятора мають значення
Версія компілятора, що використовується вами, – це не дрібна деталь. Це дуже важливо. Ви повинні використовувати версію компілятора, яка дорівнює або новіша за стандарт мови C, на який спирається ваш код. Якщо ви спробуєте скомпілювати сучасний код C99 або C11 за допомогою стародавнього компілятора, це не вдасться. Він зрозуміє новий синтаксис.
Якщо ви використовуєте IDE, перевірте параметри проекту. Переконайтеся, що IDE налаштовано на цільову версію C, яку ви використовуєте. Якщо ви працюєте в терміналі, ви надсилаєте цю інформацію через аргументи командного рядка.
Розбір команди GCC
Розгляньмо реальний приклад. Ця команда дозволяє управляти процесом компіляції.
`
Цей рядок говорить компілятору, що робити. Розберемо її:
gcc: Це викликає GNU Compiler Collection. Це двигун.-std=c99: Це встановлює стандарт. Він каже gcc використовувати версію мови C99. Без цього він може за умовчанням використовувати старіший, більш обмежувальний стандарт.-o myprogram.exe: Це задає ім’я вихідного файлу. Без прапора-ogcc за промовчанням назве ваш виконуваний файлa.out. Це не дуже описово.myprogram.c: Це ваш вихідний файл. Вхідні дані
Команда по суті каже: «Візьми ‘myprogram.c’, скомпілюй його, використовуючи правила C99, і збережи результат як ‘myprogram.exe’».
Навігація за опціями
Існують сотні опцій для gcc та інших компіляторів. Вам не потрібно запам’ятовувати їх усі. Вам не потрібно використовувати їх усі. Але ви повинні знати, що вони є.
Перегляньте документацію для вашого конкретного компілятора. Шукайте прапори, які оптимізують продуктивність. Шукайте прапори, які підвищують рівень попереджень. Кожна додана опція змінює поведінку підсумкового бінарного файлу.
Написання вашої першої програми на C
Тепер, коли компілятор встановлено та налаштовано, ви готові до програмування. Низький поріг входу. Концепції є фундаментальними.
Почніть з базової структури. Кожній програмі на C потрібна функція main. Їй потрібні файли заголовків. Їй потрібний оператор return. Це є основою.
`
Це найпростіша допустима програма на C. Вона включає стандартну бібліотеку вводу/виводу. Вона визначає функцію main. Вона виводить рядок. Вона повертає нуль, вказуючи на успіх.
Збережіть цей файл як hello.c. Скомпілюйте його.
`
Запустіть його.
`
Ви повинні побачити Hello, World на екрані. Ви щойно написали, скомпілювали та
Анатомія програми Hello World
Почніть із порожнього текстового файлу. Назвіть його sample.c. Не називайте його sample.txt. Якщо ваш редактор за промовчанням використовує розширення .txt, компілятор відхиляє його. Вам необхідно розширення .c, щоб вказати, що це вихідний код мовою C, а не текстовий документ.
Ось код. Він голий. Мінімалістичний.
`
Скомпілюйте його. Запустіть. Комп’ютер виводить рядок та завершує роботу. Все досить просто. Але подивіться уважніше. Кожен символ тут виконує своє завдання.
Перший рядок – це коментар. Теги /* та */ повідомляють компілятору ігнорувати все, що знаходиться всередині них. Ці коментарі читають люди. Машина їх не опрацьовує. Вони призначені для вас або для тих, хто підтримуватиме цей код у майбутньому.
Другий рядок – тут починається реальна робота. #include підключає бібліотеку. А саме, стандартну бібліотеку вводу/виводу. Цей файл містить визначення функцій, таких як printf. Ви не пишете логіки для виведення на екран. Ви просто вказуєте компілятор, де знайти вже існуючі інструкції.
Третій рядок визначає точку входу. int main(). Кожна програма C повинна мати цю функцію. Це перше, що викликає операційна система. Ключове слово int означає, що функція повертає ціле число. Дужки тут порожні, але це деталь, яку ми розглянемо пізніше.
Четвертий і сьомий рядки — це фігурні дужки. { та }. Вони обертають тіло функції. Деякі розробники поміщають дужку, що відкриває, на тому ж рядку, що і main(). Інші, як у цьому прикладі, поміщають її на окремому рядку. Це не впливає на виконання коду. Це впливає лише на його зовнішній вигляд. І в C читання має значення, тому що ви довго дивитися на цей код. Використовуйте відступи. Використовуйте пробіли.
П’ятий рядок викликає printf. Ця функція знаходиться в бібліотеці stdio.h, яку ви підключили раніше. Вона приймає рядковий аргумент. Зверніть увагу на \n наприкінці. Це послідовність, що управляє (escape sequence). Вона не виводить зворотний слеш і літеру n. Вона переміщує курсор на наступний рядок. Без нього ваш командний рядок був би ніяково відразу після вашого висновку. І зверніть увагу на крапку з комою. ;. Кожне твердження (statement) має закінчуватися нею. Пропустіть її і компілятор видасть помилку.
Шостий рядок – сигнал виходу. return 0;. Коли main завершує роботу, вона повертає значення операційної системи. Нуль означає успіх. Ненульове значення зазвичай означає, що щось пішло негаразд. Ви можете не використовувати це значення в коді, але система використовує його. Коли ви тестуєте скрипти або запускаєте програми у пакетних завданнях, ОС перевіряє цей нуль. Це зелене світло, яке підтверджує, що процес завершився без збоїв.
Компіляція з командного рядка
Тепер, коли у вас є код, вам потрібно перетворити його на щось, що розуміє процесор. Вам потрібний компілятор. Припустимо, ви використовуєте gcc.
Відкрийте термінал. Перейдіть до папки, де ви зберегли sample.c. Введіть цю команду:
`
Розберемо команду. gcc – це інструмент компілятора. -o означає output (висновок). Ви вказуєте, як назвати результуючий файл. sample.exe – це ім’я. sample.c – вхідний файл.
Якщо ви неправильно ввели крапку з комою, ця команда завершиться помилкою. Висновок буде стіною червоного тексту. Це синтаксична помилка. Ви допустили друкарську помилку. Можливо, ви забули лапку. Можливо, пропустили фігурну дужку. Виправте код. Збережіть. Запустіть команду знову. Це – цикл.
Якщо все працює, з’являється новий файл. sample.exe. Це виконуваний файл. Це текст, що більше не читається людиною. Це машинний код.
Запуск виконуваного файлу
Не просто дивіться новий файл. Запустіть його.
`
./ важливо. Це вказує на оболонку шукати виконуваний файл у поточному каталозі. Якщо ви опустите його, система може шукати його в змінному шляху і не знайти його, або, що гірше, знайти не той файл.
Коли він починається, ви бачите текст. Потім курсор рухається. Потім ви знову опиняєтеся в командному рядку.
Це життєвий цикл. Напишіть. Скомпілюйте. Запустіть. Зламайте. Виправте. Повторюйте.
Не магія. Це просто дуже строгий набір правил. Ви слідуєте їм, і комп’ютер робить саме те, що ви йому кажете. Ви ігноруєте їх і він нічого не робить.
Але це лише поверхня. Ви побачили функцію. Ви побачили бібліотеку. Ви побачили значення, що повертається. Блоки будови вже є. Справжня складність починається, коли ви починаєте пов’язувати їх разом.
Якщо ви намагаєтеся розібратися в концепціях програмування на C, ви не самотні. Це мова, яка потребує точності. Ви не просто пишете код; ви керуєте пам’яттю, визначаєте типи даних і вказуєте процесору (CPU), що робити. Тут нема магії. Лише логіка.
Нижче наведено опис того, що відбувається при компіляції програми C.
Як працюють функції в C
Почнемо з функцій у C. Багато сучасних мовах вони називаються методами. У C вони називаються функціями. Функція – це блок коду, який виконує одну дію. Коли програма запускається, вона виконує ці блоки.
Можна визначити кілька функцій. Ви можете викликати їх із інших функцій. Це дозволяє розбити величезну програму на керовані секції, що повторно використовуються.
Базова структура виглядає так:
`
Кожна програма на C повинна мати хоча б одну функцію: main. Компілятор шукає саме це ім’я, щоб розпочати виконання. Навіть якщо main викликає інші функції, вона є точкою входу.
Розглянемо цей простий приклад:
`
Вона має цілісний тип значення, що повертається. Без параметрів. Два оператори. Команда printf надсилає текст на екран. Return 0 повідомляє системі, що програма завершилася успішно.
Передача параметрів у функції
Інші функції потребують визначень та дзвінків. Виклик функції – це оператор всередині іншої функції. Він вказує ім’я функції. Він включає круглі дужки. Якщо функція очікує на дані, ви повинні їх надати. Це називається передачею параметрів.
Що таке параметр? Це дані конкретного типу. Функції потрібні дані для роботи. Функції C можуть приймати необмежену кількість параметрів. Їх також називають аргументами.
Кожен параметр вимагає вказівки типу даних та імені змінної. Декілька параметрів розділяються комами.
Подивіться на цю функцію:
`
Вона приймає два цілих числа. Подвоює їх. Складає їх. Повертає результат. Просто. Ефективно.
Змінні та типи даних
Змінні – це заповнювачі. Вони є значення, які вам поки невідомі. Вам потрібна гнучкість. Ви не хочете жорстко прописувати числа у своїй логіці. C обробляє це подібно до алгебри.
Але C більш суворий. Ви повинні визначити типи даних. Це повідомляє компілятор, скільки пам’яті виділити. Це повідомляє процесору, як інтерпретувати біти.
Кожен тип даних має розмір. Він вимірюється у двійкових бітах чи байтах. Він має свої правила. Якщо ви оберете неправильний тип, ваша програма може аварійно завершити роботу або видати некоректні результати. Вибір правильних ** типів даних у C ** критично важливий для продуктивності та коректності.
Операції та управління потоком виконання
Ви виконуєте арифметичні операції над числами. Ви поєднуєте рядки. C є вбудовані операції для цих завдань.
Але саме в управлінні потоком виконання є логіка.
Цикли повторюють дії. Вони повторюються з урахуванням умов. C надає кілька структур циклів:
– while
– do/while
– for
– continue /break
– goto (використовувати з обережністю)
Він також має умовні конструкції:
– if/then/else
– switch/case
Ці структури дозволяють спрямовувати шлях до виконання програми. Зробіть щось. Перевірте умову. Повторіть. Перервіть, якщо необхідно.
Структури даних та пам’ять
Коли у вас багато даних, вам потрібні структури даних у C. Вам потрібно їх сортувати. Шукати у них.
Структура даних – це структурований спосіб представлення кількох фрагментів даних одного типу. Найбільш поширеною є масив. Це індексований перелік заданого розміру.
C є бібліотеки для загальних структур. Але ви можете також написати свої власні. Ви можете визначити власні функції. Ви маєте повний контроль.
Цей контроль має власну ціну. C вимагає від вас роботи з покажчиками. Він вимагає від вас керування пам’яттю. У C немає збирача сміття. Якщо ви виділяєте пам’ять, ви повинні її звільнити. Забудьте про це і у вас виникне витік пам’яті.
Операції препроцесора
Перед тим, як компілятор навіть побачить ваш код, запускається препроцесор. Він надає вам інструкції.
Він підставляє константні значення. Він включає код із бібліотек. Ви бачили це за допомогою ‘#include’. Він підтягує стандартні визначення.
Це не частина фінального файлу. Це фаза налаштування. Вона готує код до компіляції.
Чому це важливо
Цей огляд може здатися складним. Якщо ви новачок у програмуванні, це багато для сприйняття. Але це будівельні блоки.
Ви не можете писати на C, не розуміючи функції у C. Ви не можете керувати даними без типів даних. Ви не можете контролювати потік виконання без циклів.
Мова не тримає вас за ручку. Він надає вам інструменти. Ви вирішуєте, як їх використати.
Далі ми глибше поринемо у те, як ці частини поєднуються у більшій програмі. Структура має значення. Синтаксис має значення. Але логіка має найбільше значення.
Як ви підходите до вивчення нової мови? Ви починаєте зі змінних? Чи одразу переходите до функцій? Шлях визначається вами.
Ви можете розмістити визначення функції в будь-якому місці програми C, за умови, що вона не вкладена всередину іншої функції. Але є одне суворе правило: ви повинні повідомити компілятор про існування функції до того, як він спробує її використовувати. Тут на сцену виходить прототип функції. Це оголошення, яке розміщується на початку вашого коду. Воно дзеркально відбиває перший рядок вашого фактичного визначення функції. У C вам не потрібно вказувати імена параметрів у цьому оголошенні на початку файлу. Достатньо вказати лише типи даних. Ось як виглядає прототип для doubleAndAdd :
int doubleAndAdd(int, int);
Уявіть прототипи функцій як список комплектуючих для нових меблів. Ви б не почали збирати книжкову шафу, не перевіривши наявність всіх гвинтів та полиць у коробці. Компілятор робить те саме. Він перевіряє прототип перед збиранням вашої програми. Він гарантує, що всі деталі на місці.
Якщо ви працюєте з файлом sample.c, додайте прототип, визначення та виклик для doubleAndAdd. Скомпілюйте його. Запустіть. Спостерігайте, як все працює. Код виглядає так:
`
Ми розглянули базову структуру. Тепер нам потрібно поговорити про дані. Які види даних ви можете обробляти у C? Які операції з них дозволені?
Оголошення функцій проти прототипів
Старі програмісти C називають їх оголошеннями функцій. Ви часто чутимете цей термін. Ми використовуємо тут термін «прототип», тому що ця різниця має значення. Традиційне оголошення не вимагало вказівки параметрів. Достатньо було лише типу значення, що повертається, імені та порожніх дужок. Прототип відрізняється від цього. Він надає компілятор конкретні деталі. Він повідомляє компілятор, скільки параметрів існує, і які типи даних у цих параметрів. Ця додаткова інформація запобігає помилкам. Це сучасна найкраща практика. Вона застосовується як у C, так і в багатьох інших мовах. Без неї компілятор діє наосліп. З нею компілятор точно знає, на що чекати.
Типи даних – це будівельні блоки. Операції – це інструменти. Ми переходимо від структури до змісту.
Комп’ютери сприймають дані як необроблений двійковий код. Це просто потік одиниць та нулів. Жорсткий диск, пам’ять та процесор не дбають про сенс, закладений у ці біти. Контекст цим мільярдам цифр надає лише програмне забезпечення, що працює на машині.
C виділяється у цьому плані. Це одна з небагатьох мов високого рівня, що дозволяє маніпулювати даними на бітовому рівні, одночасно інтерпретуючи їх відповідно до певних правил.
Як C визначає типи даних
Тип даних – це, по суті, зведення правил. Він повідомляє компілятор, як інтерпретувати послідовність бітів. Він визначає розмір даних і те, як такі операції, як додавання або множення, повинні виконуватися над ними.
Розмір типу даних C залежить від процесора. Це не фіксована величина.
Розглянемо стандартний тип int. У 16-бітному процесорі ціле число має довжину 16 біт. Якщо перейти до 32-бітного або 64-бітного процесора, той самий int стає 32-бітовим. Ця варіативність є ключовою частиною розуміння ** типів даних у C **.
Знакові та беззнакові числа: проблема діапазону
Ще одним критичним аспектом є те, як C обробляє позитивні та негативні числа.
Знаковий тип резервує один біт для вказівки на знак. Це скорочує діапазон удвічі. У 16-бітовій системі:
unsigned intмає діапазон від 0 до 65535.signed intмає діапазон від -32768 до 32767.
Якщо ваш розрахунок виводить змінну за межі цих обмежень, C не завжди запобігає цьому. Це може спричинити переповнення. Доводиться писати додатковий код для ручної обробки цієї ситуації. Ігнорування цього призводить до помилок.
Примітивні типи та масиви
Програмісти C вибирають типи даних залежно від потреб програми. Мова надає примітивні типи даних. Вони є вбудованими та становлять основу.
Щоб отримати повний список цих типів та правил перетворення, вам знадобиться довідковий посібник. Однак є одна структура, що пов’язує примітивні типи зі складною організацією: масив.
Масив – це віртуальний список. Усі елементи повинні мати той самий тип даних. Ви не можете змінити розмір масиву після його створення. Ви можете скопіювати його вміст у масив більшого або меншого розміру.
Рядки та заголовні файли
Хоча числові масиви поширені, символьні масиви мають унікальні особливості. Ми називаємо їх рядками.
Рядок зберігає текст. Вона дозволяє вашій програмі зберігати введення користувача або виводити результат. Оскільки маніпуляції з рядками вимагають специфічного набору операцій, C включений спеціальний заголовний файл: string.h. Він містить типові функції, необхідних роботи з текстом.
Важливість пріоритету операторів
У C є вбудовані операції, які зустрічаються у більшості мов. Але порядок виконання операцій не завжди інтуїтивно зрозумілий, якщо ви прийшли з іншого мовного середовища.
Вам потрібно знати пріоритет операторів. Це порядок, у якому компілятор оцінює математичні висловлювання.
Розгляньте цей приклад:
(2+5)*3 дорівнює 21.
2+5*3 дорівнює 17.
C виконує множення перед додаванням. Дужки скасовують цю поведінку за умовчанням. Неправильне розуміння пріоритету призводить до неправильної логіки.
Практичні кроки для тих, хто вивчає
Якщо ви вивчаєте C, не обмежуйтесь поверхневим знайомством.
- Ознайомтеся з усіма примітивними типами даних.
- ** Вивчіть пріоритет операцій.**
- Експериментуйте з операціями змішаних типів.
Спробуйте змішувати цілі числа та числа з плаваючою комою. Перегляньте, як C обробляє перетворення. Це єдиний спосіб засвоїти правила.
Це охоплює основи того, як C обробляє дані та операції. Однак писати програми з нуля щоразу неефективно. Наступним логічним кроком є перевикористання коду.
Вам не потрібно винаходити велосипед для кожної програми C. Ви не повинні починати з нуля.
C – це мінімалістична мова. Він залишає лише найнеобхідніше. Він не має вбудованих функцій для введення з клавіатури або виведення на екран. Якщо ви хочете вивести текст у консоль, вам доведеться робити це самостійно, якщо ви не використовуєте бібліотеку.
Бібліотеки вирішують цю проблему. Вони містять блоки коду, що перевикористовуються. Використовуйте їх.
Стандартні та користувальницькі бібліотеки в C
Ми вже бачили стандартну бібліотеку вводу-виводу. Вона називається stdio. Компілятор підключає її за допомогою директиви #include. Дані беруться із заголовного файлу stdio.h.
Розробники C об’єднують стандартні бібліотеки для введення-виводу, математики, роботи з часом та рядковими операціями. Подробиці про стандартну бібліотеку C89 можна знайти у будь-якому хорошому довіднику. Стандарт C99 додав нові можливості. Шукайте інформацію про ці оновлення, якщо вам потрібні сучасні функції.
Але ви також можете написати власні бібліотеки.
Поділ коду на модулі, що перевикористовуються, має свої переваги. Короткі файли легко читати. Налагодження стає менш болючим. Тестування стає більш ізольованим.
Щоб підключити бібліотеку, додайте рядок #include.
Для стандартних бібліотек використовуйте кутові дужки. Це вказує компілятор шукати файли в системних каталогах.
`
Для власних бібліотек користувача використовуйте подвійні лапки. Компілятор спочатку перевіряє локальний каталог.
`
Зверніть увагу на синтаксис. Наприкінці інструкції #include не потрібна точка з комою. Це не виклик функції. Це директива препроцесора.
Написання бібліотеки – це не магія. Визначення функцій у ній ідентичні тим, що використовуються в основній програмі. Різниця полягає в процесі збирання.
Ви компілюєте код бібліотеки до об’єктного файлу. Він має розширення .o. Ви створюєте заголовний файл. Він має розширення .h. Заголовок містить прототипи функцій. Він оголошує, що виконують функції, без реалізації.
Під час складання основної програми ви посилаєтеся на заголовний файл у рядку #include. Ви передаєте об’єктний файл у команду компіляції. Лінкер пов’язує їх разом.
Цей модульний підхід зберігає чистоту коду. Він поділяє інтерфейс та реалізацію.
Вказівники: основа управління пам’яттю в C
Ми розглянули основи. Тепер перейдемо до пам’яті.
Коли програма на C виконується, вона перебуває у оперативної пам’яті (RAM). Кожному фрагменту даних відповідає конкретна адреса. Змінні – це не просто контейнери. Це місця у пам’яті.
Коли ви функцію, код завантажується в пам’ять. Він виконується. Потім він повертає керування.
За замовчуванням C передає параметри значення. Він копіює дані. Функція працює із копією. Оригінальна змінна в основній програмі залишається постійною.
Іноді це те, що вам потрібно.
В інших випадках вам потрібно змінити вихідні дані. Вам необхідно модифікувати змінну її початковому місці в пам’яті.
Щоб зробити це, ви передаєте вказівник. Ви передаєте адресу. Це називається “передача за посиланням”.
Покажчики всюди C. Без них неможливо ефективно використовувати C.
Покажчик – це змінна. Але вона зберігає адресу. Вона вказує на інший фрагмент даних. Вона також має тип. Тип повідомляє комп’ютеру, скільки байт потрібно прочитати на цій адресі.
Виявлення покажчиків у коді може бути складним. Навіть експерти можуть пропустити їх.
Коли ви повідомляєте покажчик, це очевидно. Ви використовуєте зірочку. Це оператор розіменування (непрямої адресації).
`
Тут i – це ціле число. p – це покажчик на ціле число.
Жодна з них ще не має значення.
Надайте i число.
`
Тепер змусіть p вказувати на i. Для цього використовується оператор отримання адреси. Це амперсанд (&).
`
Знак & означає “адресу об’єкта”. Вам не потрібно знати фактичну адресу в пам’яті. Він змінюється під час кожного запуску програми. Компілятор визначає її самостійно.
Якщо ви пропустите &, ви надаєте вказівнику значення 3. Це є помилка. Покажчик тепер зберігає число 3, а не адресу i.
Правильне використання покажчиків у C
Використання покажчиків додає складності. Ви керуєте пам’яттю безпосередньо.
Компілятор не врятує вас від помилок.
Якщо ви розіменуєте нульовий покажчик, програма аварійно завершить роботу. Якщо ви звернетеся до пам’яті, якої не володієте, ви отримаєте помилку сегментації (segmentation fault). Це неприємно.
Але реальна міць полягає у можливостях. Ви можете передавати великі структури даних без копіювання. Ви можете змінювати змінні за межами функції. Ви можете створювати зв’язкові списки, дерева та складні структури даних.
Володіння покажчиками – це різниця між написанням простих скриптів та створенням надійних систем. Це не є опціональним. Це є фундамент.
Передавайте покажчик, а чи не саме значення.
Ви можете підставити покажчик замість змінної у будь-який момент, коли вони мають один і той самий тип даних. Це важливо при виклику функцій та виконанні математичних операцій. Візьмемо int b. Ви можете записати b=*p+2;. Зірочка повідомляє компілятор розіменувати p. Вона отримує фактичне значення за адресою пам’яті, а чи не сам адресу. Ця різниця має вирішальне значення.
Без покажчиків поділ коду на функції поза ‘main’ практично неможливий. Вам довелося б задовольнятися спагеті-кодом або глобальними змінними. Розглянемо змінну h для висоти сантиметрах. Ви хочете, щоб функція setHeight запитувала введення користувача.
`
Це виглядає розумно. Але це негаразд. Функція отримує копію h. Вона змінює копію. Оригінальна h залишається без змін. Коли функція завершує роботу, копія зникає. Ваша висота залишається неініціалізованою або рівною нулю.
Щоб фактично оновити h, функції потрібне посилання. А саме покажчик. Змініть список параметрів, щоб він приймав адресу.
`
Тепер у вас є два способи викликати цю функцію.
По-перше, використовуйте оператор отримання адреси & безпосередньо на h.
setHeight(&h);
По-друге, створіть проміжний покажчик.
`
Обидва варіанти працюють. Вони вказують на ту саму область пам’яті. Це розкриває одну із ключових особливостей покажчиків. Декілька покажчиків можуть посилатися на те саме значення. Змініть один, і всі вони побачать цю зміну.
Добре це чи погано? Залежить від ваших намірів. Це для оновлення загального стану. Це небезпечно, якщо ви втрачаєте контроль над тим, який покажчик керує даними. Одна випадкова зміна зіпсує все, що на неї посилається.
Володіння покажчиками – це не опція. Це різниця між написанням коду на C та написанням коду «як у C». Практикуйтеся, поки структура пам’яті стане інтуїтивно зрозумілою. Поки що ви не зможете бачити стек та купу без звернення до діаграм.
Мовні функції, які ми досі розглянули, існують у більшості сучасних мов. У Python є посилання. Java має дескриптори об’єктів. У C++ є розумні покажчики. Але C вимагає чогось іншого. Він потребує самостійного управління пам’яттю. Жодного збирача сміття для очищення безладу. Жодного середовища виконання, яке врятувало б вас від витоків пам’яті. Далі ми розглянемо, як C змушує вас із хірургічною точністю керувати виділенням та звільненням пам’яті.
Чому контроль пам’яті все ще важливий у C
Універсальність мови C обумовлена її здатністю масштабуватись вниз. Мова дозволяє оптимізувати програму настільки, що вона може працювати на мінімальному обладнанні. Це було не просто ностальгією. Ранні комп’ютери були слабкими. Сьогодні попит на енергоефективну електроніку – мобільні телефони, мініатюрні медичні пристрої – повертає ці обмеження у фокус. C залишається вибором номер один, коли потрібний детальний контроль використання пам’яті.
Розуміння цього починається із того, як програма існує в оперативній пам’яті (RAM). При запуску виконуваного файлу він завантажується на згадку і починає виконувати інструкції через процесор. Функції завантажуються в певні блоки пам’яті в міру виконання. Вони звільняють ці блоки після завершення роботи. Кожна нова одиниця даних споживає простір протягом усього життя програми.
Пояснення динамічного розподілу пам’яті
Щоб керувати цим хаосом, необхідний динамічний розподіл пам’яті. Це означає резервування пам’яті лише тоді, коли вона потрібна, та звільнення її відразу після використання. Багато мов роблять це автоматично за допомогою збирача сміття. У цьому немає. C вимагає явного керування.
Стандартна бібліотека пропонує необхідні інструменти. Ви контролюєте життєвий цикл пам’яті.
- malloc : Абревіатура від memory allocation (розподіл пам’яті). Резервує блок пам’яті певного розміру. Повертає покажчик цього блоку. Використовується для структур даних, таких як масиви, а не одиночних цілих чисел, наприклад
int i. - calloc : схожий на malloc, але також очищує пам’ять при резервуванні.
- realloc : Змінює розмір попередньо виділеного блоку пам’яті.
- free : Примусово звільняє пам’ять, призначену конкретному покажчику.
Найкраща практика проста: виділяйте пам’ять за допомогою malloc, звільняйте за допомогою free.
Якщо ви виділяєте пам’ять навіть тимчасово, вона залишається в оперативній пам’яті, поки операційна система не очистить її. Щоб зменшити обсяг пам’яті, звільняйте її перед виходом з функції. Це запобігає витоку пам’яті. Витік пам’яті виникає, коли програма споживає дедалі більше пам’яті, доки зависає чи аварійно завершує роботу. Однак не звільняйте пам’ять, якщо вона буде потрібна пізніше в тій же функції. Втрата даних гірша, ніж витік.
C проти C++ та основні концепції
Чи є C тим самим, що і C++? Ні. C++ розширює можливості C. Це не той самий мову. Програмування на C – це концепція створення переносного та ефективного програмного забезпечення. Воно спирається на мову C, розроблену в Bell Labs у 1970-х роках.
C потужний та універсальний. Він підходить для різних програм. Розуміння його структури та історії розкриває причини, через які він залишається унікальним. Мова пропонує функції, яких немає в інших мовах.
Для отримання додаткових рекомендацій вивчіть інші ресурси програмування. Вони поглиблять ваше занурення у вивчення C.
