programare:laboratoare:lab02

Tipuri de date. Operatori. Masurarea timpului de executie. Functii matematice.

Tipuri de date. Operatori. Masurarea timpului de executie. Functii matematice.

Responsabili:

Obiective

În urma parcurgerii acestui laborator studentul va fi capabil să:

utilizeze în cadrul programelor variabile declarate cu tipurile standard (built-in) de date
înțeleagă și utilizeze operatorii limbajului
măsoare timpul de execuție al programelor scrise
utilizeze funcțiile matematice din C

Noţiuni teoretice

Tipuri fundamentale de date

Tipurile de date reprezintă tipul de informație care poate fi stocat într-o variabilă. Un tip de data definește atât gama de valori pe care o poate lua o variabilă de un anume tip cât și operațiile care se pot efectua asupra ei. În continuare sunt prezentate tipurile fundamentale ale limbajului C, împreună cu o scurtă descriere a acestora:

char - reprezentat printr-un număr pe 8 biți (un byte). Poate fi echivalent fie cu signed char, fie cu unsigned char. Vezi observația de mai jos cu privire la acest lucru. Este folosit în general pentru reprezentarea caracterelor ASCII.
int - stochează numere întregi. Lungimea sa (și implicit plaja de valori) este dependentă de compilator si sistemul de operare considerat. În general, pe Linux, int se reprezintă pe 32 de biți (deci 4 bytes). În acest caz, poate memora numere din intervalul [–2.147.483.648; 2.147.483.647].
float - reprezintă un număr real stocat în virgulă mobilă, în gama de valori 3.4E+/-38. În general respectă formatul IEEE 754 single-precision, ceea ce înseamnă că dimensiunea sa va fi 4 (octeți) și numărul va avea cel puțin 7 zecimale exacte.
double - reprezinta un număr real stocat în virgulă mobilă, în gama de valori 1.7E+/-308. În general respectă formatul IEEE 754 double-precision, ceea ce înseamnă că dimensiunea sa va fi 8 (octeți) și numărul va avea cel puțin 15 zecimale exacte.

Acestor tipuri fundamentale li se mai pot adăuga un număr de specificatori, după cum urmează:

short - aplicabil doar pentru int. Tipul rezultat are cel puțin 16 biți.
long - aplicabil pentru int și double. long int se garantează că are cel puțin 32 biți. Legat de long double se garantează doar că este mai mare sau egal ca dimensiune decât double, care la rândul lui este mai mare sau egal decât float.

și

signed - aplicabil pentru int și char. O variabilă declarată int este implicit signed. Cuvântul cheie există în acest caz doar pentru cazuri în care vrem să spunem acest lucru explicit. Aplicat pe char (⇒ signed char), ne garantează faptul că acea variabilă va putea avea orice valoare din intervalul [-128; 127].
unsigned - precizează faptul că valoarea variabilei este pozitivă. Aplicabil doar tipurilor întregi.

Cei 4 specificatori au fost împărțiți în 2 grupuri de specificatori complementari. Asta înseamnă că expresia long signed int a; este corectă. La fel este și unsigned short int b;. Definiția short long int c; nu este însă corectă. De asemenea, nu oricare specificator din prima categorie cu unul din a doua se pot combina. De exemplu, long signed char d; și long unsigned double e; nu sunt corecte.

Tipul char

Observație! În C există 3 “tipuri de char”: char, signed char, unsigned char. Acest lucru este diferit față de int, spre exemplu, unde se garantează că signed int este mereu același tip ca int. Pentru char acest lucru nu este adevărat: o variabilă declarată char, poate fi, în funcție de compilator/sistem de operare fie signed char, fie unsigned char. Diferența este subtilă însă importantă atunci când vrem să scriem cod C portabil. Ca best practice, folosim:

char - atunci când vrem să stocăm un caracter ASCII.
signed char - atunci când vrem să stocăm un întreg din intervalul [-128; 127].
unsigned char - atunci când vrem să stocăm orice întreg din intervalul [0; 255].

Observație! În paragraful anterior, acolo unde s-a folosit sintagma în general… înseamnă că acel lucru nu este necesar adevărat atunci când compilăm codul cu compilatorul X (gcc, clang, MSVC, Intel, XL C, etc), pe sistemul de operare Y (Linux, Windows, SunOS, AIX, etc) și pe arhitectura hardware Z (x86, ARM, PowerPC, Sparc, etc). În unele cazuri vrem să scriem cod portabil, deci nu vrem să facem prezumții cu privire la aceste lucruri. Pe parcurs o să devină clar de ce în C unele lucruri nu sunt exact specificate.

Uneori ne dorim să folosim tipuri a căror dimensiune este exact specificată (ca în cazul lucrului cu struct-uri, care va fi discutat într-un laborator viitor). Pentru asta, putem folosi tipurile definite în headerul <stdint.h>.

Câteva exemple sunt următoarele: int8_t, int16_t, int64_t, uint32_t. Pentru o listă completă consultați documentația oficială (online) a limbajului.

Atenție! Nu abuzați de aceste tipuri. Ele au fost introduse în limbaj în special pentru a permite efectuarea operațiile pe biți într-un mod portabil. Dacă aveți nevoie de un contor pentru o instrucțiune for, cel mai probabil tipul pe care îl vreți este int.

Determinarea corectă a tipurilor de date care vor fi folosite este esențială pentru securitatea și buna funcționare a aplicațiilor pe care le scrieți. În cazul în care valoarea conținută de o variabilă depașește limitele impuse de tipul de date folosit, se produce așa-numit-ul over-flow care poate cauza erori aparent inexplicabile. (Ca o anecdotă, în fiecare an (până acum trei sau patru ani), Bill Gates primea de la FISC o scrisoare prin care era somat să iși platească taxele, deoarece apărea in evidențele lor ca având datorii însemnate. Asta deoarece valoarea averii lui (mult peste 4.000.000.000$) producea un overflow în softul folosit de către FISC. În final situația a fost soluționată, introducând un câmp special pentru el în softul folosit. (A modifica softul peste tot ar fi introdus un plus de stocare nejustificat pentru fiecare din cei aproximativ 300.000.000 de cetațeni ai SUA.) )

Operatori

Operatorii limbajului C pot fi unari, binari sau ternari, fiecare având o precedenţă şi o asociativitate bine definite. Tabelul următor sintetizează operatorii limbajului C. Operatorii sunt prezentaţi în ordine descrescătoare a priorităţii.

Precedenţă	Operator	Descriere	Asociativitate
1	[]	Indexare	stanga-dreapta
	. şi ->	Selecţie membru (prin structură, respectiv pointer)	stânga-dreapta
	++ şi --	Postincrementare/postdecrementare	stânga-dreapta
2	!	Negare logică	dreapta-stânga
	~	Complement faţă de 1 pe biţi	dreapta-stânga
	++ şi --	Preincrementare/predecrementare	dreapta-stânga
	+ şi -	+ şi - unari	dreapta-stânga
	*	Dereferenţiere	dreapta-stânga
	&	Operator adresă	dreapta-stânga
	(tip)	Conversie de tip	dreapta-stânga
	sizeof()	Mărimea în octeţi	dreapta-stânga
3	*	Înmulţire	stânga-dreapta
	\/	Împărţire	stânga-dreapta
	%	Restul împărţirii	stânga-dreapta
4	+ şi -	Adunare/scădere	stânga-dreapta
5	<< si >>	Deplasare stânga/dreapta a biţilor	stânga-dreapta
6	<	Mai mic	stânga-dreapta
	<=	Mai mic sau egal	stânga-dreapta
	>	Mai mare	stânga-dreapta
	>=	Mai mare sau egal	stânga-dreapta
7	==	Egal	stânga-dreapta
7	!=	Diferit	stânga-dreapta
8	&	ŞI pe biţi	stânga-dreapta
9	^	SAU-EXCLUSIV pe biţi	stânga-dreapta
10	\|	SAU pe biţi	stânga-dreapta
11	&&	ŞI logic	stânga-dreapta
12	\|\|	SAU logic	stânga-dreapta
13	?:	Operator condiţional	dreapta-stânga
14	=	Atribuire	dreapta-stânga
	+= şi -=	Atribuire cu adunare/scădere	dreapta-stânga
	*= şi /=	Atribuire cu multiplicare/împărţire	dreapta-stânga
	%=	Atribuire cu modulo	dreapta-stânga
	&= si \|=	Atribuire cu ŞI/SAU	dreapta-stânga
	^=	Atribuire cu SAU-EXCLUSIV	dreapta-stânga
	<<= şi >>=	Atribuire cu deplasare de biţi	dreapta-stânga
15	,	Operator secvenţa	stânga-dreapta

Trebuie avută în vedere precedenţa operatorilor pentru obţinerea rezultatelor scontate. Dacă unele tipuri de precedenţă (cum ar fi cea a operatorilor artimetici) sunt evidente şi nu prezintă (aparent) probleme (şi datorită folosirii lor dese), altele pot duce la erori greu de găsit. De exemplu, următorul fragment de cod nu produce rezultatul dorit, deoarece:

if (flags & MASK == 0) {
  ...
}

se evaluează mai întai egalitatea care produce ca rezultat (0 pentru False, și 1 pentru True) după care se aplică Și pe biți între flags și 1.

Pentru a obţine rezultatul dorit se vor folosi parantezele:

if ((flags & MASK) == 0) {
  ...
}

acum mai întâi se va face ȘI pe biți între flags și MASK, după care se verifică egalitatea.

O expresie este o secventă de operanzi și operatori (validă din punct de vedere al sintaxei limbajului C) care realizează una din funcțiile: calculul unei valori, desemnarea unui obiect (variabilă) sau funcţii sau generarea unui efect lateral.

O altă greşeală frecventă este utilizarea greşită a operatorilor = şi ==. Primul reprezintă atribuire, al doilea comparaţie de egalitate. Apar deseori erori ca:

if (a = 2) {
  ...
}

Compilatorul consideră condiţia corectă, deoarece este o expresie validă în limbajul C care face atribuire, care se evaluează mereu la o valoare nenulă.

Funcții matematice

Fișierul antet math.h conține un set de funcții matematice des utilizate în programe. Câteva dintre acestea sunt:

Antet	Descriere
`double asin(double arg); double acos(double arg);`	Calculează arcsinusul/arccosinusul valorii arg; rezultatul este măsurat în radiani
`double atan(double arg); double atan2(double y, double x);`	Calculează arctangenta valorii arg, respectiv a fracției y/x
`double floor(double num);`	Întoarce cel mai mare întreg mai mic sau egal cu num (partea întreagă inferioară)
`double ceil(double num);`	Întoarce cel mai mic întreg mai mare sau egal cu num (partea întreagă superioară)
`double sin(double arg); double cos(double arg); double tan(double arg);`	Calculează sinusul/cosinusul/tangenta parametrului arg, considerată în radiani
`double sinh(double arg); double cosh(double arg); double tanh(double arg);`	Calculează sinusul/cosinusul/tangenta hiperbolică a parametrului arg
`double exp(double arg);`	Întoarce valoarea `e`^arg
`double pow(double base, double exp);`	Întoarce valoarea `base`^exp
`double log(double num);`	Calculează logaritmul natural (de bază e) al valorii num
`double log10(double num);`	Calculează logaritmul în baza 10 al parametrului
`double sqrt(double num);`	Calculează radăcina pătrată a parametrului
`double fmod(double x, double y);`	Întoarce restul împarțirii lui x la y
`double fabs(double arg);`	Întoarce valoarea absolută a lui arg

Studiu de caz

Măsurarea timpului de execuție a programelor

Uneori este utilă măsurarea timpului de execuție a unei anumite parți a unui program sau chiar a întregului program. În acest scop putem folosi funcția clock() din fișierul antet time.h. Această funcție întoarce o aproximare a numărului de cicluri de ceas trecute de la pornirea programului. Pentru a obţine o valoare în secunde, împărțim această valoare la constanta CLOCKS_PER_SEC. Funcţia are antetul:

clock_t clock(void);

Următorul fragment este un exemplu de utilizare a acestei funcții:

#include <stdio.h>
#include <time.h>
 
 
clock_t t_start, t_stop;
float seconds;
 
// Marcam momentul de inceput
t_start = clock();
 
// Executam operatia pentru care masuram timpul de executie
// [....]
 
// Marcam momentul de sfarsit
t_stop = clock();
 
seconds = ((float)(t_stop - t_start)) / CLOCKS_PER_SEC;
 
printf("Timp de executie: %.3f sec.\n", seconds);

Următorul fragment este un exemplu de funcție care are ca scop oprirea programului pentru un anumit timp:

void wait(int seconds){
  clock_t endwait;
  endwait = clock () + seconds * CLOCKS_PER_SEC ;
  while (clock() < endwait) {}
}

Generarea numerelor aleatoare

Valorile aleatoare (a căror valoare nu poate fi prezisă dinaintea rulării programului şi care diferă între 2 rulări) pot fi generate în C cu funcţia:

int rand(void);

care face parte din antetul stdlib.h. Această întoarce o valoare cuprinsă între 0 și RAND_MAX (valoare care este dependenta de librariile folosite, dar care se garantează a fi minim 32767).

Numerele generate nu sunt cu adevărat aleatoare, ci pseudo-aleatoare; aceste numere sunt uniform distribuite pe orice interval, dar șirul de numere aleatoare generate este dependent de prima valoare, care trebuie aleasă de utilizator sau programator. Această valoare, numită seed, se selectează cu funcţia:

void srand(unsigned int seed);

Cea mai întalnită utilizare a funcției de inițializare presupune setarea unui seed egal cu valoarea ceasului sistemului de la pornirea programului, prin instrucțiunea:

srand((unsigned)time(NULL)); 
d = rand(); //generează valori random.

Funcția time() din fişierul antet time.h întoarce numărul de secunde trecute de la ora 00:00, din data de 1 ianuarie 1970. Funcția primește şi un parametru de tip pointer, care reprezintă adresa unei variabile în care se salvează valoarea returnată. Pentru laboratorul curent, parametrul va avea valoarea NULL.

Exerciții Laborator CB/CD

Ne dorim să înțelegem tipurile de date. Acest exercițiu presupune rularea mai multor secvențe de cod cu scopul de a clarifica diverse aspecte. Analizați fiecare secvență și încercați să intuiți output-ul acesteia. După aceea verificați.

ex1a.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	char x = 65;
 
	printf("%u\n", x);
	printf("%c\n", x);
	printf("%d\n", x);
 
	return 0;
}

ex1b.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	char x = 130;
 
	if (x > 0)
		printf("I'm positive!\n");
	else
		printf("Not sure...\n");
 
	return 0;
}

ex1c.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	unsigned char x = 130;
 
	if (x > 0)
		printf("I'm positive!\n");
	else
		printf("Not sure...\n");
 
	return 0;
}

ex1d.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	char x = 321;
 
	printf("%u\n", x);
	printf("%c\n", x);
	printf("%d\n", x);
 
	return 0;
}

ex1e1.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	unsigned int x = ~0;
 
	printf("%u\n", x);
	printf("%u\n", x + 1);
 
	return 0;
}

ex1e2.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	unsigned int x = ~0;
 
	printf("%d\n", x);
	printf("%d\n", x + 1);
 
	return 0;
}

ex1e3.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	int x = ~0;
 
	printf("%u\n", x);
	printf("%u\n", x + 1);
 
	return 0;
}

ex1f1.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	char x = -1;
	int y = x;
 
	printf("%u\n", x);
	printf("%u\n", y);
 
	char a = 1;
	int b = a;
 
	printf("%u\n", a);
	printf("%u\n", b);
 
	return 0;
}

ex1f2.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	char x = -1;
	int y = x;
 
	printf("%d\n", x);
	printf("%d\n", y);
 
	char a = 1;
	int b = a;
 
	printf("%d\n", a);
	printf("%d\n", b);
 
	return 0;
}

ex1g1.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	float f = 1 / 3;
 
	printf("%f\n", f);
 
	return 0;
}

ex1g2.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	float f = 1.0 / 3;
 
	printf("%f\n", f);
 
	return 0;
}

ex1h1.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	float f = 0.7;
 
	if (f < 0.7)
		printf("0.7 < 0.7\n");
	else if (f == 0.7)
		printf("0.7 == 0.7\n");
	else
		printf("0.7 > 0.7\n");
 
	return 0;
}

ex1h2.c

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
	double f = 0.7;
 
	if (f < 0.7)
		printf("0.7 < 0.7\n");
	else if (f == 0.7)
		printf("0.7 == 0.7\n");
	else
		printf("0.7 > 0.7\n");
 
	return 0;
}

Următoarele două probleme vă vor fi date de asistent în cadrul laboratorului.

Tasks

Probleme

[1p] Studentul va rula împreună cu asistentul exemplele din laborator și va cere lămuriri acolo unde este cazul.
[0.5p + 0.5p] Să se verifice dacă un număr citit de la tastatură este număr par (prin două moduri).
[2p] Scrieți un program care numără descrescător de la 3→1, și după afișați START (cu interval de 1 secundă între fiecare număr). Exemplu:
```
3 //așteaptă o secundă
2 //așteaptă o secundă
1 //așteaptă o secundă
START
```
[3p] Fiind date 3 numere naturale, citite de la tastatură, să se verifice dacă ele reprezintă laturile unui triunghi, în cazul în care acestea pot forma un triunghi se va afișa mesajul “DA”, în caz contrar “NU”.
[3p] Scrieți un program care calculează 5 valori aleatoare și le afișează pe ecran, folosind ca seed ceasul sistemului, ca mai sus. Executați de mai multe ori programul. Inlocuiți apoi seed-ul cu o valoare constantă (0x1234 de exemplu) si rulați din nou programul de câteva ori la rând. Ce observaţi? Care e explicaţia?

Table of Contents