Предисловие
Я несколько раз в своих комментариях ссылался на книгу Эндрю Таненбаума «Operating Systems Design and Implementation» на ее первое издание и на то, как в ней представлен язык Си. И эти комментарии всегда вызывали интерес. Я решил, что пришло время опубликовать перевод этого введения в язык Си. Оно по-прежнему актуально. Хотя наверняка найдутся и те, кто не слышал о языке программировании PL/1, а может даже и об операционной системе Minix.
Это описание интересно также и с исторической точки зрения и для понимания того, как далеко ушел язык Си с момента своего рождения и IT-отрасль в целом.
Хочу сразу оговориться, что мой второй язык французский:
Но это компенсируется 46-летним программистским стажем.
Итак, приступим, наступила очередь Эндрю Таненбаума.
Введение в язык Си (стр. 350 — 362)
Язык программирования Cи был создан Деннисом Ритчи из AT&T Bell Laboratories как язык программирования высокого уровня для разработки операционной системы UNIX. В настоящее время язык широко используется в различных областях. C особенно популярен у системных программистов, потому что позволяет писать программы просто и кратко.
Основной книгой, описывающая язык Cи, является книга Брайана Кернигана и Денниса Ритчи « Язык программирования Cи» (1978). Книги по языку Си писали Bolon (1986), Gehani (1984), Hancock and Krieger (1986), Harbison и Steele (1984) и многие другие.
В этом приложении мы попытаемся дать достаточно полное введение в Cи, так что те кто знаком с языками высокого уровня, такими как Pascal, PL/1 или Modula 2, смогут понять большую часть кода MINIX, приведенного в этой книге. Особенности Cи, которые не используются в MINIX, здесь не обсуждаются. Многочисленные тонкие моменты опущены. Акцент делается на чтении программ на Си, а не на написании кода.
А.1. Основы языка Си
Программа на Cи состоит из набора процедур (часто называемых функциями, даже если они не возвращают значений). Эти процедуры содержат объявления, операторы и другие элементы, которые вместе говорят компьютеру что надо делать. На рисунке A-1 показана небольшая процедура, в которой объявляются три целочисленные переменные и присваиваются им значения. Имя процедуры — main (главная). Процедура не имеет формальных параметров, на что указывает отсутствие каких-либо идентификаторов между скобками за именем процедуры. Тело процедуры заключено в фигурные скобки ( { } ). Этот пример показывает, что Cи имеет переменные, и что эти переменные должны быть объявлены до использования. Cи также имеет операторы, в этом примере это операторы присваивания. Все операторы должны заканчиваться точкой с запятой (в отличие от Паскаля, который использует двоеточия между операторами, а не после них).
Комментарии начинаются с символов « / *» и заканчивается символами «* /» и могут занимать несколько строк.
main () /* это комментарий */
{
int i, j, k; /* объявление 3 целочисленных переменных */
i = 10; /* присвоить i значение 10 (десятичное число) */
j = i + 015; /* присвоить j значение i + 015 (восьмеричное число) */
k = j * j + 0xFF; /* установить k в j * j + 0xFF (шестнадцатеричное число) */
}
Рис. A-l. Пример процедуры в Си.
Процедура содержит три константы. Константа 10 в первом присваивании
это обычная десятичная константа. Константа 015 является восьмеричной константой
(равно 13 в десятичной системе счисления). Восьмеричные константы всегда начинаются с начального нуля. Константа 0xFF является шестнадцатеричной константой (равной 255 десятичной). Шестнадцатеричные константы всегда начинаются с 0x. Все три типа используются в Cи.
А.2. Основные типы данных
Cи имеет два основных типа данных (переменных): целое и символ, объявляемые как int и char, соответственно. Нет отдельной булевой переменной. В качестве булевой переменной используется переменная int. Если эта переменная содержит 0, то это означает ложь/false, а любое другое значение означает истина/true. Cи также имеет и типы с плавающей точкой, но MINIX не использует их.
К типу int можно применять «прилагательные» short, long или unsigned, которые определяют (зависящий от компилятора) диапазон значений. Большинство процессоров 8088 используют 16-битные целые числа для int и short int и 32-битные целые числа для long int. Целые числа без знака (unsigned int) на процессоре 8088 имеют диапазон от 0 до 65535, а не от -32768 до +32767, как это у обычных целых чисел (int). Символ занимает 8 бит.
Спецификатор register также допускается как для int, так и для char, и является подсказкой для компилятора, что объявленную переменную стоит поместить в регистр, чтобы программа работала быстрее.
Некоторые объявления показаны на рис. А — 2.
int i; /* одно целое число */
short int z1, z2; / *два коротких целых числа */
char c; /* один символ */
unsigned short int k; /* одно короткое целое без знака */
long flag_poll; /* 'int' может быть опущено */
register int r; /* переменная регистра */
Рис. А-2. Некоторые объявления.Преобразование между типами разрешено. Например, оператор
flag_pole = i;разрешен, даже если i имеет тип int, а flag_pole — long. Во многих случаях
необходимо или полезно принудительно проводить преобразования между типами данных. Для принудительного преобразования достаточно поставить целевой тип в скобках перед выражением для преобразования. Например:
р ( (long) i);предписывает преобразовать целое число i в long перед передачей его в качестве параметра в процедуру p, которая ожидает именно параметр long.
При преобразовании между типами следует обратить внимание на знак.
При преобразовании символа в целое число некоторые компиляторы обрабатывают символы как знаковые, то есть от — 128 до +127, тогда как другие рассматривают их как
без знака, то есть от 0 до 255. В MINIX часто встречаются такие выражения, как
i = c & 0377;которые преобразует с (символ) в целое число, а затем выполняет логическое И
(амперсанд) с восьмеричной константой 0377. В результате получается, что старшие 8 бит
устанавливаются в ноль, фактически заставляя рассматривать c как 8-битное число без знака, в диапазоне от 0 до 255.
А.3. Составные типы и указатели
В этом разделе мы рассмотрим четыре способа построения более сложных типов данных: массивы, структуры, объединения и указатели (arrays, structures, unions, and pointers). Массив — это коллекция/множество элементов одного типа. Все массивы в Cи начинаются с элемента 0.
Объявление
int a [10];объявляет массив a с 10 целыми числами, которые будут хранится в элементах массива от [0] до a [9]. Второе, массивы могут быть трех и более измерений, но они не используются в MINIX.
Структура — это набор переменных, обычно разных типов. Структура в Cи похож на record в Паскале. Оператор
struct {int i; char c;} s;объявляет s как структуру, содержащую два члена, целое число i и символ c.
Чтобы присвоить члену i структуры s значение 6, нужно записать следующее выражение:
s.i = 6;где оператор точка указывает, что элемент i принадлежит структуре s.
Объединение — это также набор членов, аналогично структуре, за исключением того, что в любой момент в объединение может находится только один из них. Объявление
union {int i; char c;} u;означает, что вы можете иметь целое число или символ, но никак не оба. Компилятор должен выделить достаточно места для объединения, чтобы в нем мог разместиться самый большой (с точки зрения занимаемой памяти) элемент объединения. Объединения используются только в двух местах в MINIX (для определения сообщения как объединения нескольких различных структур, и для определения дискового блока как объединения блока данных, блока i-узла, блока каталога и т. д.).
Указатели используются для хранения машинных адресов в Cи. Они используются очень и очень часто. Символ звездочка (*) используется для обозначения указателя в объявлениях. Объявление
int i, *pi, a [10], *b[10], **ppi;объявляет целое число i, указатель на целое число pi, массив a из 10 элементов, массив b из 10 указателей на целые числа и указатель на указатель ppi на целое число.
Точные правила синтаксиса для сложных объявлений, объединяющих массивы, указатели и другие типы несколько сложны. К счастью, MINIX использует только простые объявления.
На рисунке A-3 показано объявление массива z структур struct table, каждая из которых имеет
три члена, целое число i, указатель cp на символ и символ с.
struct table { /* каждая структура имеет тип таблицы */
int i; / *целое число */
char *cp, c; /* указатель на символ и символ */
} z [20]; /* это массив из 20 структур */
Рис. А - 3. Массив структур.Массивы структур распространены в MINIX. Далее, имя table можно объявить как структуру struct table, которую можно использовать в последующих объявлениях. Например,
register struct table *p;объявляет p указателем на структуру struct table и предлагает сохранить ее
в register. Во время выполнения программы p может указывать, например, на z [4] или
на любой другой элемент в z, все 20 элементов которой являются структурами типа struct table.
Чтобы сделать p указателем на z [4], достаточно написать
p = &z[4];где амперсанд в качестве унарного (монадического) оператора означает «взять адрес того, что за ним следует ». Скопировать в целочисленную переменную n значение члена i
структуры, на которую указывает указатель р, можно следующим образом:
n = p->i;Обратите внимание, что стрелка используется для доступа к члену структуры через указатель. Если мы будем использовать переменную z, то тогда мы должны использовать оператор с точкой:
n = z [4] .i;Разница в том, что z [4] является структурой, и оператор точки выбирает элементы
из составных типов (структуры, массивы) напрямую. С помощью указателей мы не выбираем участника напрямую. Указатель предписывает сначала выбрать структуру и только потом выбрать члена этой структуры.
Иногда удобно дать имя составному типу. Например:
typedef unsigned short int unshort;определяет unshort как unsigned short (короткое целое число без знака). Теперь unshort может быть использован в программе как основной тип. Например,
unshort ul, *u2, u3[5];объявляет короткое целое число без знака, указатель на короткое целое число без знака и
массив коротких целых без знака.
А.4. Операторы
Процедуры в Cи содержат объявления и операторы. Мы уже видели объявления, так что теперь мы будем рассматривать операторы. Назначение условного оператора и операторов цикла по существу такие же, как и в других языках. Рисунок А – 4 показывает несколько примеров из них. Единственное, на что стоит обратить внимание, это то, что фигурные скобки используются для группировки операторов, а оператор while имеет две формы, вторая из которых похожа на оператор repeat Паскаля.
Cи также имеет оператор for, но он не похож на оператор for в любом другом языке. Оператор for имеет следующий вид:
for (<инициализация>; <условие>; <выражение>) оператор;Тоже самое можно выразить через опертор while:
<инициализация>
while(<условие>) {
<оператор>;
<выражение>
} В качестве примера рассмотрим следующий оператор:
for (i=0; i <n; i = i+l) a[i]=0;Этот оператор устанавливает первые n элементов массива a равными нулю. Выполнение оператора начинается с установки i в ноль (это делается вне цикла). Затем оператор повторяется до тех пор, пока i < n, выполняя при этом присваивание и увеличение i. Конечно, вместо оператора присвоения значения текущему элементу массива нуля может быть составной оператор (блок), заключенный в фигурные скобки.
if (x < 0) k = 3; /* простое оператор if */
if (x > y) { /* составной оператор if */
i = 2;
k = j + l,
}
if (x + 2 <y) { /* оператор if-else */
j = 2;
k = j - 1;
} else {
m = 0;
}
while (n > 0) { /* оператор while */
k = k + k;
n = n - l;
}
do { / * другой вид оператора while */
k = k + k;
n = n - 1;
} while (n > 0);
Рис. A-4. Примеры операторов if и while в Cи.Си имеет также оператор аналогичный case-оператору в языке Pascal. Это switch-оператор. Пример представлен на рисунке А-5. В зависимости от значения выражения, указанного в switch, выбирается тот или иной оператор cаse.
Если выражение не соответствует ни одному из операторов case, то выбирается оператор по умолчанию (default).
Если выражение не связано ни с одним оператором case и оператор default отсутствует, то выполнение продолжается со следующего оператора после оператора switch.
Следует отметить, что для выхода из блока case следует использовать оператор break. Если оператор break отсутствует, то будет выполняться следующий блок case.
switch (k) {
case 10:
i = 6;
break; /* не выполнять case 20, т.е. завершить выполнение опертора switch */
case 20:
i = 2;
k = 4;
break; / * не выполнять default* /
default:
j = 5;
}
Рис. A-5. Пример оператора switchОператор break также действует внутри циклов for и while. При этом надо помнить, что если оператор break находится внутри серии вложенных циклов, выход осуществляется только на один уровень вверх.
Связанным оператором является оператор continue, который не выходит из цикла,
но вызывает завершение текущей итерации и начало следующей итерации
немедленно. По сути, это возврат к вершине цикла.
Cи имеет процедуры, которые могут вызываться с параметрами или без параметров.
Согласно Кернигану и Ричи (стр. 121), не разрешено передавать массивы,
структуры или процедуры в качестве параметров, хотя передача указателей на все это
допускается. Есть ли книга или нет ее (так и всплывет в памяти:- «Если жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе»), многие компиляторы языка Си допускают структуры в качестве параметров.
Имя массива, если оно написано без индекса, означает указатель на массив, что упрощает передачу указателя массива. Таким образом, если a является именем массива любого типа, его можно передать в процедуру g, написав
g(а);Это правило действует только для массивов, на структуры это правило не распространяется.
Процедуры могут возвращать значения, выполняя оператор return. Этот оператор может содержать выражение, результат выполнения которого будет возвращено в качестве значения процедуры, но вызвавшая процедура может смело игнорировать возвращаемое значение. Если процедура возвращает значение, то тип значение записывается перед именем процедуры, как показано на рис. A-6. Аналогично параметрам, процедуры не могут возвращать массивы, структуры или процедуры, но могут вернуть указатели на них. Это правило разработано для более эффективной реализации — все параметры и результаты всегда соответствуют одному машинному слову (в котором хранится адрес). Компиляторы, которые допускают использование структур в качестве параметров, обычно также допускают их использование в качестве возвращаемых значений.
int sum (i, j) /* эта процедура возвращает целое число */
int i, j ; /*объявление формальных параметров */
{
return (i + j); /* добавить параметры и вернуть сумму */
}
Рис. А-6. Пример простой процедуры, которая возвращает значение.C не имеет встроенных операторов ввода / вывода. Ввод/вывод реализуется путем вызова библиотечных функций, наиболее распространенные из которых проиллюстрированы ниже:
printf («x=% d y = %o z = %x \n», x, y, z);Первый параметр — это строка символов между кавычками (на самом деле это массив символов).
Любой символ, который не является процентом, просто печатается как есть.
Когда встречается процент, печатается следующий параметр в виде, определяемом буквой, следующей за процентом:
d — вывести в виде десятичного целого числаТакже допускаются буквы D, 0 и X для десятичной, восьмеричной и шестнадцатеричной печати длинных чисел.
o — печатать как восьмеричное целое
u — печатать как беззнаковое десятичное целое
x — печатать как шестнадцатеричное целое
s — печатать как строку символов
c — печатать как один символ
А.5. Выражения
Выражения создаются путем объединения операндов и операторов.
Арифметические операторы, такие как + и -, и реляционные операторы, такие как <
и > похожи на своих аналогов в других языках. Оператор %
используется по модулю. Стоит отметить, что оператор равенства это ==, а оператор неравенства это! =. Чтобы проверить равны ли a и b, можно написать так:
if (a == b) <оператор>;Си также позволяет объединять оператор присваивания с другими операторами, поэтому
a += 4;эквивалентно записи
а = а + 4;
Другие операторы также могут быть объединены таким образом.
Си имеет операторы для манипулирования битами слова. Разрешены как сдвиги, так и побитовые логические операции. Операторы сдвига влево и вправо являются <<
и >> соответственно. Побитовые логические операторы &, | и ^, которые являются логическим И (AND), включающим ИЛИ (OR) и исключающим ИЛИ (XOP) соответственно. Если i имеет значение 035 (восьмеричное), тогда выражение i & 06 имеет значение 04 (восьмеричное). Еще один пример, если i = 7, то
j = (i << 3) | 014;и получим 074 для j.
Другой важной группой операторов являются унарные операторы, каждый из которых принимает только один операнд. Как унарный оператор, амперсанд & получает адрес переменной.
Если p является указателем на целое число, а i является целым числом, оператор
p = &i;вычисляет адрес i и сохраняет его в переменной p.
Противоположным взятию адреса является оператор, который принимает указатель в качестве входных данных и вычисляет значение, находящееся по этому адресу. Если мы только что присвоили адрес i указателю p, тогда *p имеет то же значение, что и i.
Другими словами, в качестве унарного оператора за звездочкой следует указатель (или
выражение, дающее указатель), и возвращает значение элемента, на который указывает. Если i имеет значение 6, то оператор
j = *р;присвоит j число 6.
Оператор! (восклицательный знак – оператор отрицания) возвращает 0, если его операнд отличен от нуля, и 1, если его оператор равен 0.
Он в основном используется в операторах if, например
if (!x) k=0;проверяет значение х. Если x равен нулю (false), то k присваивается значение 0. В действительности, оператор! отменяет условие, следующее за ним, так же, как оператор not в Паскаль.
Оператор ~ является побитовым оператором дополнения. Каждый 0 в своем операнде
становится 1, а каждый 1 становится 0.
Оператор sizeof сообщает размер его операнда в байтах. Применительно к
массиву из 20 целых чисел a на компьютере с 2-байтовыми целыми числами, например sizeof a будет иметь значение 40.
Последняя группа операторов — это операторы увеличения и уменьшения.
Оператор
р++;означает увеличение р. На сколько увеличится p, зависит от его типа.
Целые числа или символы увеличиваются на 1, но указатели увеличиваются на
размер объекта, на который указывает Таким образом, если а является массивом структур, а р указатель на одну из этих структур, и мы пишем
p = &a[3];чтобы заставить p указать на одну из структур в массиве, то после увеличения p
будет указывать на a[4] независимо от того, насколько велики структуры. Оператор
p--;аналогичен оператору p++, за исключением того, что он уменьшает, а не увеличивает значение операнда.
В операторе
n = k++;где обе переменные являются целыми числами, исходное значение k присваивается n и
только после этого происходит увеличение k. В операторе
n = ++ k;сначала увеличивается k, затем его новое значение сохраняется в n.
Таким образом, ++ (или --) оператор может быть записан до или после его операнда, что приводит к получению различных значений.
Последний оператор – это? (знак вопроса), который выбирает одну из двух альтернатив
разделеных двоеточием. Например, оператор,
i = (x < y ? 6 : k + 1);сравнивает х с у. Если x меньше y, тогда i получает значение 6; в противном случае переменная i получает значение k + 1. Скобки не обязательны.
А.6. Структура программы
Программа на С состоит из одного или нескольких файлов, содержащих процедуры и объявления.
Эти файлы могут быть скомпилированы по отдельности в объектные файлы, которые затем линкуются друг с другом (с помощью компоновщика) для формирования исполняемой программы.
В отличие от Паскаля, объявления процедур не могут быть вложенными, поэтому все они записываются на «верхнем уровне» в файле программы.
Допускается объявлять переменные вне процедур, например, в начале файла перед первым объявлением процедуры. Эти переменные являются глобальными, и могут использоваться в любой процедуре во всей программе, если только ключевое слово static не предшествует объявлению. В этом случае эти переменные нельзя использовать в другом файле. Те же правила применяются к процедурам. Переменные, объявленные внутри процедуры, являются локальными для процедуры.
Процедура может обращаться к целочисленной переменной v, объявленной в другом файле (при условии, что переменная не является статической), объявляя ее у себя внешней:
extern int v;Каждая глобальная переменная должна быть объявленным ровно один раз без атрибута extern, чтобы выделить память под нее.
Переменные могут быть инициализированы при объявлении:
int size = 100;Массивы и структуры также могут быть инициализированы. Глобальные переменные, которые не инициализированы явно, получают значение по умолчанию, равное нулю.
А.7. Препроцессор Cи
Прежде чем исходный файл будет передан компилятору Cи, он автоматически обрабатывается
программой под названием препроцессор. Именно выход препроцессора, а не
оригинальная программа, подается на вход компилятора. Препроцессор выполняет
три основных преобразования в файле перед передачей его компилятору:
1. Включение файлов.
2. Определение и замена макросов.
3. Условная компиляция.
Все директивы препроцессора начинаются со знака числа (#) в 1-ом столбце.
Когда директива вида
#include "prog.h"встречается препроцессором, он включает файл prog.h, строка за строкой, в
программу, которая будет передана компилятору. Когда директива #include написана как
#include <prog.h>то включаемый файл ищется в каталоге /usr/include вместо рабочего каталога. В Cи распространена практика группировать объявления, используемые несколькими файлами, в заголовочном файле (обычно с суффиксом .h), и включать их там, где они необходимы.
Препроцессор также позволяет определения макросов. Например,
#define BLOCK_SIZE 1024определяет макрос BLOCK_SIZE и присваивает ему значение 1024. С этого момента
каждое вхождение строки из 10 символов «BLOCK_SIZE» в файле будет
заменяться 4-символьной строкой «1024» до того, как компилятор увидит файл с программой. По соглашению имена макросов пишутся в верхнем регистре. Макросы могут иметь параметры, но на практике немногие это делают.
Третья особенность препроцессора — условная компиляция. В MINIX есть несколько
мест, где код написан специально для процессора 8088, и этот код не должен включаться при компиляции для другого процессора. Эти разделы выглядят как так:
#ifdef i8088
<объявления только для 8088>
#endifЕсли символ i8088 определен, то операторы между двумя директивами препроцессора #ifdef i8088 и #endif включаются в выходные данные препроцессора; в противном случае они пропускаются. Вызывая компилятор с командой
cc -c -Di8088 prog.cили включив в программу заявление
#define i8088мы определяем символ i8088, поэтому весь зависимый код для 8088 быть включен. По мере развития MINIX он может приобрести специальный код для 68000s и других процессоров, которые будут обрабатываться также.
В качестве примера того, как работает препроцессор, рассмотрим программу рис. A-7 (a). Она включает в себя один файл prog.h, содержимое которого выглядит следующим образом:
int x;
#define MAXAELEMENTS 100
Представьте, что компилятор был вызван командой
cc -E -Di8088 prog.cПосле того, как файл прошел через препроцессор, вывод будет таким, как показано на Рис. A-7 (b).
Именно этот вывод, а не исходный файл, дается как вход в Cи компилятор.
#include prog.h int x;
main () main ();
{ {
int a[MAX_ELEMENTS]; int a [100];
х = 4; х = 4;
a[x] = 6; а[х] = 6;
#ifdef i8088 printf("8088. a[x]:% d\n", a[x]);
printf ("8088. a[x]:% d\n", a[x]);
#endif }
#ifdef m68000
printf ("68000. x=%d\n", x);
#endif
}
(а) (b)
Рис. А-7. (a) Содержание файла prog.c. (b) Выход препроцессора.Обратите внимание, что препроцессор выполнил свою работу и удалил все строки, начинающиеся со знаком #. Если компилятор был бы вызван так
cc -c -Dm68000 prog.cто была бы включена другая печать. Если бы он был вызван вот так:
cc -c prog.cто ни одна печать не была бы включена. (Читатель может поразмышлять о том, что случилось бы, если бы компилятор вызывался с обоими флагами -Dflags.)
А.8. Идиомы
В этом разделе мы рассмотрим несколько конструкций, которые характерны для Cи, но не распространены в других языках программирования. Для начала рассмотрим петлю:
while (n--) *p++ = *q++;Переменные p и q обычно являются символьными указателями, а n является счетчиком. Цикл копирует n-символьную строку из места, на которое указывает q, в место, на которое указывает р. На каждой итерации цикла счетчик уменьшается, пока он не доходит до 0, и каждый из указателей увеличивается, поэтому они последовательно указывают на ячейки памяти с более высоким номером.
Еще одна распространенная конструкция:
for (i = 0; i < N; i++) a[i] = 0;которая устанавливает первые N элементов а в 0. Альтернативный способ написания этого цикла выглядит так:
for (p = &a[0]; p < &a[N]; p++) *p = 0;В этой формулировке целочисленный указатель p инициализируется так, чтобы указывать на нулевой элемент массива. Цикл продолжается до тех пор, пока p не достиг адреса N-ого элемента массива. Конструкция указателя гораздо эффективнее, чем конструкция массива, и поэтому обычно используют ее.
Операторы присвоения могут появляться в неожиданных местах. Например,
if (a = f (x)) < оператор >;сначала вызывает функцию f, затем присваивает результат вызова функции a и
наконец, проверяет, является ли оно истинным (ненулевым) или ложным (нулевым). Если а не равно нулю, то условие выполнено. Оператор
if (a = b) < оператор >;также сначало значение переменной b переменной a, а затем проверяет a, не является ли значение ненулевым. И этот оператор полностью отличается от
if (a == b) < оператор >;который сравнивает две переменные и выполняет оператор, если они равны.
Послесловие
Вот и все. Вы не поверите, какое я получил огромное удовольствие, готовя этот текст. Как много я вспомнил полезного из того же языка Си. Надеюсь, вы тоже с удовольствием окунетесь в прекрасный мир языка Си.
