ВВЕДЕНИЕ. Язык программирования си для персонального компьютера

Язык программирования си для персонального компьютера

Под общей редакцией канд. техн. наук, доцента П.И.Садчикова

ВВЕДЕНИЕ

Среди современных языков программирования язык Си является одним из наиболее распространенных. Язык Си универсален, однако наиболее эффективно его применение в задачах системного программирования — разработке трансляторов, операционных систем, экранных интерфейсов, инструментальных средств. Язык Си хорошо зарекомендовал себя эффективностью, лаконичностью записи алгоритмов, логической стройностью программ. Во многих случаях программы, написанные на языке Си, сравнимы по скорости с программами, написанными на языке ассемблера; при этом они более наглядны и просты в сопровождении.

Одним из основных достоинств языка Си считается высокая переносимость написанных на нем программ между компьютерами с различной архитектурой, между различными операционными средами. Трансляторы языка Си существуют практически для всех используемых в настоящее время персональных компьютеров.

Язык Си имеет ряд существенных особенностей, которые выделяют его среди других языков программирования. В значительной степени на формирование идеологии языка повлияла цель, которую ставили перед собой его создатели, — обеспечение системного программиста удобным инструментальным языком, который мог бы заменить язык ассемблера. В результате появился язык программирования высокого уровня, обеспечивающий необычайно легкий доступ к аппаратным средствам компьютера. Иногда Си называют языком программирования " среднего" уровня. С одной стороны, как и другие современные языки высокого уровня, язык Си поддерживает полный набор конструкций структурного программирования, модульность, блочную структуру программ, раздельную компиляцию. С другой стороны, язык Си имеет ряд низкоуровневых черт.

Перечислим некоторые особенности языка Си:

В языке Си реализованы некоторые операции низкого уровня (в частности, операции над битами). Некоторые из таких операций напрямую соответствуют машинным командам.

Базовые типы данных языка Си отражают те же объекты, с которыми приходится иметь дело в программе на языке ассемблера, — байты, машинные слова, символы, строки. Несмотря на наличие в языке Си развитых средств построения составных объектов (массивов и структур), в нем практически отсутствуют средства для работы с ними как с единым целым (нельзя, например, сложить две структуры).

Язык Си поддерживает механизм указателей на переменные и функции. Указатель — это переменная, предназначенная для хранения машинного адреса некоторой переменной или функции. Поддерживается арифметика указателей, что позволяет осуществлять непосредственный доступ и работу с адресами памяти практически так же легко, как на языке ассемблера. Использование указателей позволяет создавать высокоэффективные программы, однако требует от программиста особой осторожности.

Как никакой другой язык программирования высокого уровня, язык Си " доверяет" программисту. Даже в таком существенном вопросе, как преобразование типов данных, налагаются лишь незначительные ограничения. Предшественники языка Си — языки BCPL и Би — вообще имели бестиповую структуру. Во многих случаях слабый контроль типов может помочь в повышении эффективности программ, однако программист должен очень хорошо знать используемый язык программирования и четко представлять его идеологию, иначе отладка будет крайне тяжела, а надежность создаваемых программ низка.

Несмотря на эффективность и мощность конструкций языка Си, он относительно мал по объему. В нем отсутствуют встроенные операторы для выполнения ввода-вывода, динамического распределения памяти, управления процессами и т.п., однако в системное окружение языка Си входит библиотека стандартных функций, в которой реализованы подобные действия. Вынос этих функций в библиотеку позволяет отделить особенности архитектуры конкретного компьютера и соглашений операционной системы от реализации языка, сделать программу максимально независимой от деталей реализации операционной среды. В то же время программисты могут пользоваться системными библиотечными программами, чтобы более эффективно использовать особенности конкретных операционных сред.

Язык Си был разработан в США сотрудниками фирмы Bell Laboratories на рубеже 70-х годов. Примерно в то же время он был использован для разработки операционной системы UNIX. Вопросы повышения переносимости играли большую роль с самого начала разработки как языка Си, так и операционной системы UNIX, поэтому их распространение на новые компьютеры протекало очень быстро.

Первое описание языка Си было дано его авторами, Б. Керниганом и Д. Ритчи (имеется русский перевод — [1]). К сожалению, оно не было строгим и полным и содержало ряд моментов, допускающих неоднозначное толкование. Это привело к тому, что в последующем различные разработчики систем программирования трактовали язык Си по-разному. В течение долгого времени фактическим стандартом языка Си служила его реализация в седьмой версии операционной системы UNIX, однако заявления о совместимости некоторой системы программирования с реализацией языка Си в операционной системе UNIX, как правило, не означали точного соответствия. В настоящее время число только наиболее распространенных реализаций языка Си исчисляется десятками, и все они поддерживают, по существу, разные диалекты языка. Ситуация усугубляется тем, что обычно в документации особенности реализации языка освещаются неполно и нестрого.

Для исправления этой ситуации в 1983 г. при Американском Национальном Институте Стандартов (ANSI) был образован комитет по стандартизации языка Си. В октябре 1986 г. разработанный этим комитетом проект был опубликован для общественного обсуждения. В 1989 г. окончательный вариант проекта был утвержден в качестве стандарта ANSI. Подавляющее большинство используемых в настоящее время реализаций языка Си не поддерживает стандарт ANSI в полном объеме. Тем не менее, отчетливо просматривается тенденция к созданию новых реализаций языка Си, соответствующих стандарту ANSI.

В последние годы язык Си получил в СССР широкое распространение. Вышло немало книг, посвященных ему. Некоторые из них носят учебный характер [6, 8, 10, 11], в других рассматриваются конкретные реализации [4, 8, 13], третьи дают краткую, справочную информацию по языку [2, 3, 5, 9, 14] либо дают его сравнительную характеристику [7, 12].

Кроме того, вышло большое количество книг, посвященных операционной системе UNIX, в которых, как правило, дается представление о языке Си.

Ни одна из перечисленных книг, однако, не содержит полного и точного описания языка Си и не может служить справочным пособием, особенно в трудных ситуациях. Отсутствие книги такого рода привело к тому, что основная масса отечественных пользователей не понимает идеологии и концепций построения языка и предпочитает пользоваться только традиционными, проверенными методами, избегая многих мощных и эффективных конструкций. Такие черты языка, как использование синтаксиса выражений при построении объявлений данных, или концепция области действия переменных и функций, делают его трудным для изучения. Даже квалифицированные программисты зачастую нечетко представляют себе некоторые аспекты языка. Для многих программистов единственным источником знаний по языку Си служит документация на используемую ими систему программирования. Однако не всегда эта документация оказывается полной и понятной; кроме того, она обычно написана на английском языке или является плохим переводом с английского.

Настоящая книга должна, по замыслу авторов, восполнить этот пробел и дать современное, полное и по возможности строгое описание языка Си. Книга ориентирована на широкий круг программистов, однако не является учебником по языку, а носит в основном справочный характер. Предполагается, что читатель имеет опыт работы с современными языками программирования.

В СССР наибольшее распространение на персональных компьютерах типа IBM PC/XT/AT и совместимых с ними получили система программирования фирмы Microsoft версий 4.0 и 5.0 (далее по тексту называемая СП MSC) и система программирования Турбо Си фирмы Borland International версий 1.5 и 2.0 (далее по тексту называемая СП ТО. Версия 4.0 СП MSC является наименее мощной реализацией языка Си из вышеперечисленных, поэтому описание базируется на ней. В тех случаях, когда имеются отличия для версии 5.0 СП MSC либо для СП ТС, в тексте делаются соответствующие отступления.

Описание библиотечных функций языка Си затрудняется тем, что расхождений в составе библиотек в различных системах программирования (даже в пределах разных версии одной и той же системы программирования) значительно больше, чем отличий в реализации языка. В данной книге описаны стандартные библиотечные функции версии 4.0 СП MSC и версии 1.5 и 2.0 СП ТС.

Материал книги организован следующим образом:

В разделе 1 " Элементы языка Си" описываются алфавит, лексические конструкции и правила языка Си.

В разделе 2 " Структура программы" обсуждаются структура и компоненты Си-программы, организация исходных файлов и правила доступа к программным объектам.

В разделе 3 " Объявления" описывается, каким образом объявлять переменные, функции, а также типы, определяемые пользователем. Помимо простых переменных, язык Си позволяет объявлять указатели и составные объекты—массивы, структуры, объединения.

В разделе 4 " Выражения" описываются операнды и операции, а также обсуждаются вопросы преобразования типов и побочные эффекты, которые могут возникнуть при этом.

В разделе 5 " Операторы" описываются управляющие конструкции.

В разделе 6 " Функции" обсуждаются правила построения и вызова модулей, которые в языке Си называются функциями. В частности, в этом разделе объясняется, как определять, объявлять и вызывать функции, как описывать параметры функции и возвращаемые значения.

В разделе 7 " Директивы препроцессора и указания компилятору" описываются директивы, распознаваемые препроцессором языка Си. Препроцессор представляет собой макропроцессор, автоматически вызываемый в качестве нулевого прохода компилятора языка Си.

В разделе 8 описаны модели памяти для процессора с сегментной архитектурой памяти (типа Intel 8086/8088) и правила работы с ними в программах, написанных на языке Си.