Responsabili:

• Laura Vasilescu (2015)

În urma parcurgerii acestui laborator studentul va fi capabil să:

• înțeleagă ce înseamnă noțiunile de program, limbaj de programare, compilare/interpretare
• scrie și compileze programe simple în limbajul C
• utilizeze utilitarul Make pentru a compila automat programele scrise
• utilizeze funcțiile din limbaj de citire și scriere a datelor

Calculatorul este un instrument care stochează, procesează și redă date sub forma unei secvențe de zero și unu ( un sistem binar, despre care veți învăța mai multe semstrul acesta la Proiectare Logică și Introducere în Informatică), fiind utilizat pentru rezolvarea unor probleme folosind acele date. Un program este o înșiruire de instrucțiuni pe care calculatorul le va urma întocmai în vederea îndeplinirii unei sarcini. Când calculatorul urmează instrucțiunile dintr-un program, spunem că execută programul.

Deoarece noi nu putem folosi direct sistemul binar pentru a spune unui calculator ce să facă, utilizăm un limbaj de programare, similar limbii vorbite (are o sintaxă, punctuație bine definite și cuvinte-cheie preluate în general din limba engleză) și deci ușor de asimilat. Acesta poate fi “tradus” prin compilare sau interpretare în cod-mașină, limbajul înțeles de calculator și exprimat, în general, în binar.

Compilarea (specifică limbajelor precum Java, Pascal, C - pe care îl veți folosi anul acesta la Programarea Calculatoarelor și Structuri de Date) constă în traducerea propriu-zisă de către un compilator din limbajul de programare ales în cod-mașină, care va fi executat direct de calculator. Interpretarea (Python, Ruby, JavaScript) implică faptul că programul nu va fi rulat direct de calculator, ci de un alt program, interpretor, care este deja compilat în cod-mașină.

Pentru acasă

• Puteți gândi programul ca pe o rețetă care îți spune cum să faci un sendviș cu unt de arahide. În acest model, voi sunteți calculatorul, programul este rețeta, iar limbajul de programare este, desigur, limba în care este scrisă rețeta.
• Încercați să formulați o secvență de instrucțiuni pentru a spune cuiva cum să facă un sendviș cu unt de arahide, fără să omiteți vreun pas sau să îi puneți în ordinea greșită.
• A fost ușor? V-ați amintit toți pașii? Poate ați uitat să menționați că trebuie folosit un cuțit și cine urmează instrucțiunile are mâinile pline de unt de arahide! Sigur vă veți gândi că un om nu este atât de inapt. Dar un calculator chiar este! El va face numai și numai ce îi spui să facă. Acest lucru poate fi frustrant la început, dar într-un fel este o ușurare: dacă faci totul corect, știi exact ce va face calculatorul, pentru că i-ai spus tu. (sursa)

C este un limbaj de programare structurată menit să simplifice scrierea programelor apropiate de masină. A fost creat de către Dennis Ritchie (care este și unul dintre creatorii sistemului Unix) în perioada 1968-1973 și a fost dezvoltat în strânsă legatură cu sistemul de operare Unix (cu care vă veți familiariza semestrul acesta prin materia Utilizarea Sistemelor de Operare), care a fost rescris în întregime în C. Utilizarea limbajului s-a extins cu trecerea timpului de la sisteme de operare și aplicaţii de sistem la aplicaţii generale.

Deşi în prezent, pentru dezvoltarea aplicaţiilor complexe au fost create limbaje de nivel mai înalt (Java, C#, Python), C este în continuare foarte folosit la scrierea sistemelor de operare şi a aplicațiilor de performanţă mare sau dimensiune mică (în lumea dispozitivelor embedded). Nucleele sistemelor Windows şi Linux sunt scrise în C.

Să începem prin a analiza un program simplu scris în limbajul C, al cărui scop este să afișeze în linia de comandă mesajul “Hello, World!”:

#include <stdio.h>
 
int main()
{
    //Hello from my first program!
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
} 

Prima linie reprezintă o instrucțiune de preprocesare care spune programului să includă header-ul standard input output (stdio.h) din biblioteca C, permițând utilizarea funcțiilor de bază precum printf, scanf, getc, puts etc.

Declarația int main() indică începutul funcției principale, de la care începe execuția în orice program C. Conținutul acestei funcții este încadrat de acolade {}. Conform convenției, main fiind o funcție, cele două acolade se află singure pe câte o linie. Pentru alte comenzi (if, while, do, for etc), prima acoladă se va pune pe linia comenzii.

După fiecare comandă este obligatoriu caracterul punct și virgulă ; pentru a indica sfârșitul comenzii. Din această cauză orice comandă în C se poate scrie pe oricâte rânduri, dar acest lucru nu este recomandat decât dacă linia respectivă ar fi extrem de lungă (peste 80 de caractere).

Așa cum este important să scrii frumos de mână pentru ca ceilalți care citesc să înțeleagă, este important să scrii și cod frumos ca să fie ușor de înțeles. Există niște reguli de bază numite coding style pe care le găsiți pe scurt aici.

Textul care urmează după cele două slash-uri reprezintă un comentariu dedicat exclusiv omului, pe care compilatorul nu îl citește. Comentariile sunt în general folosite pentru a explica/clarifica ce fac anumite părți din cod persoanei care citește codul (inclusiv celui care l-a scris!). Există două moduri de a scrie comentarii:

//Everything on this line is a comment.
This text is not a comment. It would cause errors when the compiler tries to translate it.
/* Comments like this can be written
   on multiple lines */

Ultima linie din funcția main, return 0; indică sfârșitul cu succes a programului în C și este obligatorie. Orice program are un exit code la sfârșitul rulării, care indică dacă programul a fost executat cu succes (acest cod este, în general, zero) sau nu (caz în care va fi returnată o altă valoare care semnifică un anumit cod de eroare). În cazul nostru, 0 este exit code.

În cadrul laboratorului și pentru testarea temelor de casă se va folosi compilatorul GCC. GCC este unul dintre primele pachete software dezvoltate în cadrul Proiectului GNU (GNU's Not Unix) de către Free Software Foundation. Deși GCC se traducea iniţial prin GNU C Compiler, acesta a devenit între timp un compilator multifrontend, multi-backend, având suport pentru o serie largă de limbaje, ca C, C++, Objective-C, Ada, Java, etc, astfel că denumirea curentă a devenit GNU Compiler Collection. În cadrul cursului de Programare ne vom referi totuşi numai la partea de C din suita de compilatoare.

Compilatorul GCC rulează pe o gamă largă de echipamente hardware (procesoare din familia: i386, alpha, vax, m68k, sparc, HPPA, arm, MIPS, PowerPC, etc.) și de sisteme de operare (GNU/Linux, DOS, Windows 9x/NT/2000, Solaris, Tru64, VMS, Ultrix, Aix ), fiind la ora actuală cel mai folosit compilator.

Compilatorul GCC se apelează din linia de comandă, folosind diferite opțiuni, în funcție de rezultatul care se dorește (specificarea de căi suplimentare de căutare a bibliotecilor/fișierelor antet, link-area unor biblioteci specifice, opțiuni de optimizare, controlul stagiilor de compilare, al avertisementelor, etc.).

Vom folosi pentru exemplificare un program simplu care tipărește la ieșirea standard un șir de caractere.

hello.c

#include <stdio.h>
 
int main() {
  printf("Hello from your first program!\n");
  return 0;
}

Pentru compilarea programului se va lansa comanda (în linia de comandă):

 gcc hello.c

presupunând că fișierul sursă se numește hello.c.

Pe un sistem de operare Linux, compilarea default va genera un executabil cu numele a.out. Pentru rularea acestuia, trebuie executată comanda:

 ./a.out

Pentru un control mai fin al comportării compilatorului, sunt prezentate în tabelul următor cele mai folosite opţiuni (pentru lista completă studiaţi pagina de manual pentru GCC - man gcc):

Despre etapele compilării puteți să citiți mai multe aici.

gcc -o tema1 tema1.c -lm -Wall

Comanda de mai sus are ca efect compilarea și link-editarea fişierului tema1.c, cu includerea bibliotecii matematice, afişând toate avertismentele. Fişierul de ieşire se va numi tema1.

Atenție!!! Dacă folosiți opțiunea -o, nu adăugați imediat după fișierele sursă. Acest lucru ar avea ca efect suprascrierea acestora și pierderea întregului conținut.

Utilitarul make determină automat care sunt părțile unui proiect care trebuie recompilate ca urmare a operării unor modificări și declanşează comenzile necesare pentru recompilarea lor. Pentru a putea utiliza make, este necesar un fișier de tip makefile (numit de obicei Makefile sau makefile) care descrie relațiile de dependenţă între diferitele fișiere din care se compune programul şi care specifică regulile de actualizare pentru fiecare fişier în parte.

În mod normal, într-un program, fişierul executabil este actualizat (recompilat) pe baza fișierelor-obiect, care la rândul lor sunt obținute prin compilarea fișierelor sursă. Totuși, acest utilitar poate fi folosit pentru orice proiect care conţine dependenţe şi cu orice compilator/utilitar care poate rula în linia de comandă. Odată creat fișierul makefile, de fiecare dată când apare vreo modificare în fișierele sursă, este suficient să rulăm utilitarul make pentru ca toate recompilările necesare să fie efectuate. Programul make utilizează fișierul Makefile ca bază de date şi pe baza timpilor ultimei modificări a fișierelor din Makefile decide care sunt fișierele care trebuie actualizate. Pentru fiecare din aceste fișiere, sunt executate comenzile precizate in Makefile. În continuare prezentăm un exemplu simplu.

# Declaratiile de variabile
CC = gcc
CFLAGS = -Wall -lm
SRC = radical.c
EXE = radical
 
# Regula de compilare
all:
	$(CC) -o $(EXE) $(SRC) $(CFLAGS)
 
# Regulile de "curatenie" (se folosesc pentru stergerea fisierelor intermediare si/sau rezultate)
.PHONY : clean
clean :
	rm -f $(EXE) *~

Atenție!!! Este obligatorie folosirea tab-urilor (nu spații!). Mai multe informații puteți găsiti pe pagina proiectului.

Pentru editarea surselor se poate folosi orice editor de text.

Exemple:

• interfața în mod text
  • Vim
  • Emacs
  • nano
• interfață grafică
  • gedit
  • Kate
• IDE
  • CLion (gratuit pentru studenți)
  • Code::Blocks

Majoritatea algoritmilor presupun introducerea unor date de intrare și calcularea unor rezultate. În cazul programelor de consolă (cele scrise la laborator), datele sunt introduse de la tastatură și afișate pe ecran (alte variante sunt folosirea fișierelor sau preluarea datelor de la un hardware periferic).

Programul dat ca exemplu mai sus folosește funcția de afișare printf. Această funcție realizează transferul și conversia de reprezentare a valorii întregi / reale in șir de caractere sub controlul unui format (specificat ca un șir de caractere):

printf("format", expr_1, expr_2, ..., expr_n);

unde expr_i este o expresie care se evaluează la unul din tipurile fundamentale ale limbajului. Este necesar ca pentru fiecare expresie să existe un specificator de format, şi viceversa.

În caz contrar, compilatorul va returna o eroare (în afara cazului în care formatul este obtinut la rulare). Sintaxa unui descriptor de format este:

% [ - ] [ Lung ] [ .frac ] [ h|l|L ] descriptor

Semnificația câmpurilor din descriptor este descrisă în tabelul următor:

Tabelul următor prezintă descriptorii și conversiile care au loc:

Citirea cu format se realizează cu ajutorul funcției scanf() astfel:

scanf("format", &var_1, &var_2, ..., &var_n);

care citește valorile de la intrarea standard în formatul precizat și le depune în variabilele var_i, returnând numarul de valori citite.

Atenție!!! Funcția scanf primește adresele variabilelor în care are loc citirea. Pentru tipuri fundamentale și/sau structuri, aceasta se obține folosind operatorul de adresă - &.

Sintaxa descriptorului de format în acest caz este:

% [*] [ Lung ] [ l ] descriptor

Semnificația campurilor din descriptor este descrisă în tabelul următor:

Pentru scrierea și citirea unui singur caracter, biblioteca stdio.h mai definește și funcțiile getchar() și putchar():

• getchar() are ca efect citirea cu ecou a unui caracter de la terminalul standard. Caracterele introduse de la tastatură sunt puse într-o zonă tampon, până la acționarea tastei ENTER, moment în care în zona tampon se introduce caracterul rând nou. Fiecare apel getchar() preia următorul caracter din zona tampon.
• putchar() afișează caracterul având codul ASCII egal cu valoarea expresiei parametru.

Nota: getchar() și putchar() nu sunt de fapt funcții, ci niște macroinstrucțiuni definite în stdio.h

Pentru citirea și scrierea unei linii biblioteca stdio.h definește funcțiile gets() și puts():

• gets(zona) - introduce de la terminalul standard un șir de caractere terminat prin acționarea tastei ENTER. Funcția are ca parametru adresa zonei de memorie în care se introduc caracterele citite. Funcția returnează adresa de început a zonei de memorie; la întalnirea sfarșitului de fișier (CTRL+Z) funcția returnează NULL.
• puts(zona) - afișează la terminalul standard șirul de caractere din zona dată ca parametru, până la caracterul null (\0), care va fi înlocuit prin caracterul linie nouă. Funcția returnează codul ultimului caracter din șirul de caractere afișate sau -1 în caz de eroare.

Urmați indicațiile împreună cu asistenul de la laborator.

1. Compilați programul din laborator (hello.c) utilizând gcc.
   • folosiți un fișier de tip makefile
   • executabilul se va numi hello
2. Într-un director care conține fișierul hello.c și nu conține niciun fișier de tip makefile rulați comanda:

   make hello

   Ce observați?

3. Se citește de la tastatură un număr natural în baza 10. Să se afișeze în bazele 8, 10 și 16.
4. Se citesc de la tastatură două numere reale. Să se afișeze suma, diferenta și media lor cu precizie de 5 zecimale exacte.
5. Să se calculeze (folosind formule matematice; nu instrucțiuni repetitive) și să se afișeze sumele (n se va citi de la tastatura):
   • \begin{eqnarray*}& & S_1 = \sum_{k=0}^n {k}\end{eqnarray*}
   • \begin{eqnarray*}& & S_2 = \sum_{k=0}^n {k^2}\end{eqnarray*}
6. Să se determine minimul și maximul a două numere folosind funcția matematiă fabs.
   • afișați rezultatul cu două zecimale
   • Atenție! Trebuie să includeți antetul math.h și să compilați cu opțiunea -lm
7. Se citesc de la tastatură două numere reale. Să se afișeze EQ dacă cele două numere sunt egale cu precizie de 4 zecimale; în caz contrar se va afișa mesajul NOT EQ.

• Cheatsheet