WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» Кафедра информатики А.А. Мелещенко Основы ...»

-- [ Страница 2 ] --

Поскольку программы, использующие много операторов goto, как правило, трудны для понимания и отладки, использовать goto не рекомендуется.

Обзор функций Таблица 2. Математические функции (math.h) Функция Прототип и краткое описание 1 int abs(int i);

abs() Возвращает абсолютное значение целого аргумента i.

double acos(double x);

acos() Функция арккосинуса. Значение аргумента должно находиться в диапазоне от –1 до +1.

double asin(double x);

asin() Функция арксинуса. Значение аргумента должно находиться в диапазоне от –1 до +1.

double atan(double x);

atan() Функция арктангенса.

double atan2(double y, double x);

atan2() Функция арктангенса от значения y / x.

double ceil(double x);

ceil() Вычисляет ближайшее целое, не меньшее, чем аргумент x.

double cos(double x);

cos() Функция косинуса. Угол (аргумент) задается в радианах.

double exp(double x);

exp() Экспоненциальная функция ex.

Окончание табл. 2. 1 double fabs(double x);

fabs() Возвращает абсолютное значение вещественного аргумента x.

double floor(double x);

floor() Находит наибольшее целое, не превышающее значение х.

Возвращает его в форме double.

double fmod(double x, double y);

fmod() Возвращает остаток от деления нацело x на y.

long labs(long x);

labs() Возвращает абсолютное значение аргумента типа long.

double log(double x);

log() Возвращает значение натурального логарифма (ln x).

double log10(double x);

log10() Возвращает значение десятичного логарифма (log10x).

double pow(double x, double y);

pow() Возвращает значение х в степени у.

double sin(double x);

sin() Функция синуса. Угол (аргумент) задается в радианах.

double sqrt(double x);

sqrt() Возвращает значение квадратного корня из х.

double tan(double x);

tan() Функция тангенса. Угол (аргумент) задается в радианах.

Таблица 2. Ввод и вывод символов (stdio.h) Функция Прототип и краткое описание int getchar(void);

getchar() Считывает следующий символ со стандартного потока ввода (обычно с клавиатуры) и возвращает его.

int putchar(int c);

putchar() Записывает символ с в стандартный поток вывода (как правило, на экран) и возвращает его.

Таблица 2. Функции проверки и преобразования символов (ctype.h) Функция Прототип и краткое описание int isalnum(int c);

isalnum() Возвращает ненулевое значение, если с – код буквы или цифры (A-Z, a-z, 0-9), и нуль – в противном случае.

int isalpha(int c);

isalpha() Возвращает ненулевое значение, если с – код буквы (A-Z, a-z), и нуль – в противном случае.

int isdigit(int c);

isdigit() Возвращает ненулевое значение, если с – код цифры (0-9), и нуль – в противном случае.

int islower(int c);

islower() Возвращает ненулевое значение, если c – код буквы в нижнем регистре (a-z), и нуль – в противном случае.

int isspace(int c);

isspace() Возвращает ненулевое значение, если c – обобщенный пробел:

пробел, символ табуляции, символ новой строки или новой страницы, символ возврата каретки (коды 0х09-0х0D, 0х20), и нуль – в противном случае.

int isupper(int c);

isupper() Возвращает ненулевое значение, если с – код буквы в верхнем регистре (A-Z), и нуль – в противном случае.

int tolower(int c);

tolower() Если аргумент является символом верхнего регистра, возвращает соответствующий символ нижнего регистра, иначе возвращает исходный аргумент.

int toupper(int c);

toupper() Если аргумент является символом нижнего регистра, возвращает соответствующий символ верхнего регистра, иначе возвращает исходный аргумент.

Примечание. В разделе «Обзор функций» в этой и следующих главах приводятся только наиболее употребительные функции ANSI C. Для получения информации обо всех доступных функциях и примерах их использования обратитесь к справочной системе (Help).

3. Функции Создание компьютерных программ подобно строительству мостов.

Нельзя сразу заливать бетон в пустоту;

прежде чем перекрыть воду, нужно поставить опоры на земле.

Функции для программистов – то же, что балки, канаты и камни для строителей мостов. Функции делят большую программу на поддающиеся более простому решению составляющие. Кроме того, они экономят память, аккумулируя в себе повторяющиеся операции.

Нисходящее программирование Чтобы написать сложную программу на С, немногие специалисты сядут за компьютер и просто начнут вводить программный текст. Опытные программисты делят большие проблемы на маленькие части и справляются с каждой из них по очереди, пока не будет выполнена вся работа.

В основу нисходящего программирования положен метод «разделяй и властвуй»: начните с главной задачи, разделите ее на более мелкие, те, в свою очередь, – на подзадачи, пока не получите относительно простые для решения проблемы. Затем для каждой из них напишите свою функцию, и дело сделано.

В следующих разделах вы узнаете, как писать функции, а затем научитесь применять их во время создания программ методом нисходящего программирования.

Функции, которые возвращают пустоту У каждой С-программы есть, по крайней мере, одна функция, а именно main(). Большинство же программ имеют много функций, каждая из которых выполняет свою задачу. И чем уже будет эта задача, тем лучше. Запомните, в данном случае золотым правилом является простота.

Листинг 3.1 показывает корректный способ написания и использования функций. Программа считает от 1 до 10, а затем вниз – от 10 до 1.

Совет. Несмотря на простоту, программы, подобные fncount, помогают демонстрировать новые понятия. Если вы сталкиваетесь с каким-то термином программирования, который не понимаете, напишите аналогичную тестовую программу. Учитесь быть своим собственным учителем, а компилятор станет вашим гидом.

Листинг 3.1. fncount.c (демонстрация функций) 1: #include 2:

3: void CountUp(void);

4: void CountDown(void);

5:

6: main() 7: { 8: CountUp();

9: CountDown();

10: return 0;

11: } 12:

13: void CountUp(void) 14: { 15: int i;

16:

17: printf(\n\nCounting up to 10\n);

18: for (i = 1;

i <= 10;

i++) 19: printf(%4d, i);

20: } 21:

22: void CountDown(void) 23: { 24: int i;

25:

26: printf(\n\nCounting down from 10\n);

27: for (i = 10;

i >= 1;

i--) 28: printf(%4d, i);

29: } Строки 3-4 объявляют прототипы функций, которые сообщают компилятору имя и форму каждой функции в программе. Внимательнее рассмотрите строку 3:

void CountUp(void);

CountUp представляет собой имя функции;

постарайтесь выбирать для функций такие имена, чтобы с первого взгляда было понятно ее назначение.

Поскольку функция CountUp() выполняет действие, но не возвращает значение, ее имени предшествует ключевое слово void (слово «void» означает «пустой»). Второе слово void внутри круглых скобок, где обычно находится список параметров, сообщает компилятору, что функции CountUp() не требуется передача аргументов. CountUp() – функция простейшего вида: она ничего не принимает и ничего не возвращает.

Чтобы использовать (вызвать) функцию типа void, просто напишите ее имя, как показано в строках 8-9. Оператор CountUp();

выполняет функцию CountUp(), временно останавливаясь в этом месте программы, пока не выполнятся операторы функции. Пустые круглые скобки в данном случае нужны обязательно, т.к. в отличие от языка Pascal С-функции всегда записываются с круглыми скобками. Когда функция будет выполнена (программисты говорят: «Когда функция вернет управление»), программа продолжит свою работу с того места, на котором она остановилась. В данном случае программа выполнит оператор в строке 9, который вызовет другую функцию, а именно CountDown(). Когда и эта функция вернет управление, будет выполнен оператор в строке 10 и программа завершится (рис. 3.1).

Каждая объявленная функция (строки 3-4) должна быть определена main() void CountUp(void) CountUp();

{...

} void CountDown(void) CountDown();

{...

} return 0;

Рис. 3.1. При вызове функций CountUp() и CountDown() управление временно передается операторам этих функций где-нибудь в программе (строки 13-29). Функция может быть определена в любом месте программы после объявления прототипа, но не внутри другой функции.

Определение функции CountUp():

void CountUp(void) { int i;

printf(\n\nCounting up to 10\n);

for (i = 1;

i <= 10;

i++) printf(%4d, i);

} напоминает функцию main(). Сначала идет заголовок функции, который должен полностью совпадать с объявленным ранее прототипом, но без завершающей точки с запятой (строки 3 и 13). В больших программах это правило заставляет вас тщательно проектировать функции и реализовать их так, как они были спланированы. Подобно обложке книги, фигурные скобки ограничивают тело функции, в котором могут объявляться переменные и выполняться операторы.

Функцию могут вызывать любые операторы, включая расположенные внутри других функций. Например, вставьте оператор CountDown();

между строками 19 и 20 в листинге 3.1. Когда вы запустите программу, в строке 8 произойдет вызов функции CountUp(), которая перед тем, как вернуть управление, вызовет функцию CountDown().

Чтобы выйти из функции в нужный момент, выполните оператор return.

void AnyFn(void) { if (условие) return;

оператор;

} Функция AnyFn() немедленно завершается, если условие будет истинным. Оператор же выполнится только в случае, если условие окажется ложным.

Локальные и глобальные переменные Любые переменные, объявленные внутри функции, имеют сравнительно короткое время жизни, существуя в памяти компьютера только тогда, когда функция работает. Такие переменные называются локальными.

Например, целая переменная i локальна для функции CountUp() в примере, рассмотренном выше. Переменная i в строке 15 и переменная i в строке листинга 3.1 являются двумя разными переменными.

Переменные, объявленные вне функций, – это глобальные переменные.

Из записи программного фрагмента:

int global;

/* global – вне функции main() */ main() { int local;

/* local – внутри main() или другой функции */...

} следует, что любые программные операторы могут пользоваться переменной global, а к переменной local имеют доступ только операторы внутри функции main(). Важная особенность: в отличие от локальных, глобальные переменные всегда инициализируются нулевыми значениями. Таким образом, значение переменной global в приведенном фрагменте равно нулю, а значение local – не определено.

Допустим, та же самая программа определяет функцию вида void AnyFn(void) { global = 5;

/* все нормально */ local = 6;

/* ??? */...

} При этом присваивание переменной local не будет скомпилировано.

Эта локальная переменная определена в функции main() и нигде больше не существует.

Умение правильно пользоваться локальными переменными определит ваш успех в программировании на С. Рассмотрим подробнее их некоторые важные характеристики.

Область видимости переменных Переменные обладают свойством, называемым областью видимости.

Операторы внутри этой области могут «видеть» значение переменной и работать с ней. Но операторы вне этой области не имеют доступа к переменной и, таким образом, не могут ее использовать.

Область видимости локальных переменных В начале работы функция выделяет память в стеке для запоминания своих локальных переменных. Эта память существует, только пока функция активна. После своего «возврата» функция удаляет выделенную стековую память, отбрасывая за ненадобностью все запомненные там переменные.

Таким образом, стек динамически то растет, то сокращается по мере того, как операторы вызывают функции и происходит возврат из них.

Сохраняясь в стеке, локальные переменные «помогают» функциям эффективно использовать память. В некоторых программах, использующих множество функций, суммарное пространство, занимаемое всеми локальными переменными, может быть очень велико (иногда даже больше доступной памяти). Однако благодаря тому, что локальные переменные заносятся и удаляются из стека по мере выполнения функций, переполнения памяти не происходит. Глобальные переменные, которые нужно хранить в памяти все время, пока выполняется программа, используют память компьютера с гораздо меньшей эффективностью.

Поскольку область видимости локальной переменной ограничена функцией, в которой она объявлена, две функции могут бесконфликтно объявлять локальные переменные с одинаковыми именами. Таким образом, нет необходимости подыскивать различные идентификаторы для ваших локальных переменных, используемых в разных функциях. Сорок функций могут объявить локальную переменную i, использующуюся в цикле for, без каких-либо проблем. Листинг 3.2 демонстрирует эту идею.

Листинг 3.2. local.c (неконфликтующие локальные переменные) 1: #include 2: #include 3:

4: void Pause(void);

5: void Function1(void);

6: void Function2(void);

7:

8: main() 9: { 10: Function1();

11: return 0;

12: } 13:

14: void Pause(void) 15: { 16: printf(Press to continue...);

17: while (getch() != ) ;

18: } 19:

20: void Function1(void) 21: { 22: char s[15] = Grodno\n;

23:

24: printf(\nBegin function #1. s = %s, s);

25: Pause();

26: Function2();

/* вызов Function2 из Function1 */ 27: printf(\nBack in function #1. s = %s, s);

28: } 29:

30: void Function2(void) 31: { 32: char s[15] = Brest\n;

33:

34: printf(\nBegin function #2. s = %s, s);

35: Pause();

36: } Скомпилируйте и запустите программу local. Программа отобразит следующее:

Begin function #1, s = Grodno Press to continue...

Begin function #2, s = Brest Press to continue...

Back in function #1, s = Grodno Как функция Function1(), так и функция Function2() объявляют и отображают свою строковую переменную s (строки 22 и 32). Function1() вызывает Function2() в строке 26. Если бы переменные конфликтовали между собой, Function2() изменила бы строковое значение другой функции и, таким образом, при выполнении строки 27 вы бы увидели “Brest” вместо “Grodno”. Но этого не происходит, так как, несмотря на то что эти две переменные имеют одинаковые имена, их область видимости охватывает только функции, в которых они объявлены. Одна переменная не зависит от другой и имеет свое собственное значение.

Кроме того, в программе есть еще одна функция – Pause() (строки 14 18), которую вы можете использовать для своих собственных разработок.

Pause() выводит сообщение «Press to continue…», которое приглашает вас нажать клавишу <Пробел>, и выполняет цикл while while (getch() != ) ;

Этот оператор циклически выполняется до тех пор, пока функция getch() не вернет символ пробела. Цикл не выполняет никаких других действий, поэтому перед точкой с запятой стоит пробел. Функция getch() не отображает введенный символ, для этого есть аналогичная функция getche().

Локальные переменные не сохраняют свои значения между вызовами функций, в которых они объявлены. В следующем фрагменте void AnyFn(void) { int anyInt;

...

} переменная anyInt создается каждый раз заново при вызове функции AnyFn(). При завершении работы функции значения переменной anyInt и других локальных переменных теряются.

Менее распространенный способ объявления локальных переменных – вставка объявления прямо в операторный блок. Например, вы можете объявить локальную переменную в операторе if следующим образом:

if (условие) { int i = 1;

...

} Целая переменная i разместится в памяти, только если условие окажется истинным. Если переменная i будет создана, ее область видимости и время жизни будут ограничены закрывающей фигурной скобкой оператора if.

Область видимости глобальных переменных Глобальные переменные запоминаются в сегменте данных программы и существуют в течение всего жизненного цикла программы. Вы можете объявлять глобальные переменные в любом месте программы, но за пределами функции main() и других функций. Обычно их объявления располагаются непосредственно перед main(). Следующий пример #include int globalInt;

double globalDouble;

main() { оператор;

} объявляет две глобальных переменных globalInt и globalDouble. Любой оператор в любой функции может работать со значениями этих переменных, другими словами, эти переменные имеют глобальную область видимости.

Совет. Используйте локальные переменные для действий, присущих только данной функции. Для действий, характерных для всей программы, используйте глобальные переменные.

Функции, которые возвращают значение Функции могут возвращать некоторое значение операторам, которые их вызвали. Функции такого вида можно сравнить со специализированными калькуляторами, которые решают уравнения, выполняют математические операции и возвращают результаты вычислений в точку вызова.

Целые функции Листинг 3.3 демонстрирует использование функции, которая возвращает целое значение, представляющее «истину» или «ложь».

Листинг 3.3. quitex.c (функция, возвращающая «истину» или «ложь») 1: #include 2: #include 3:

4: #define FALSE 5: #define TRUE 6: int UserQuits(void);

7:

8: main() 9: { 10: int i = 0;

11: int quitting = FALSE;

12:

13: printf(\nQuit example\n);

14: while (!quitting) { 15: i++;

16: printf(i = %d\n, i);

17: quitting = UserQuits();

18: } 19: return 0;

20: } 21:

22: int UserQuits() 23: { 24: char c;

25:

26: printf(Another value? (y/n) );

27: do { 28: c = toupper(getchar());

29: } while ((c != Y) && (c != N));

30: return (c == N);

31: } Если вам трудно запомнить, что нуль означает «ложь», а любое ненулевое число – «истину», определите символы TRUE и FALSE, как это делает программа quitex в строках 4-5. Кроме того, эти символы делают текст программы более читабельным.

Например, обратите внимание на строку 11 в функции main(). Здесь объявляется целая переменная quitting, и одновременно ей присваивается значение FALSE. Эта символическая константа проясняет смысл строки и напоминает вам, что переменная quitting используется в качестве булевой переменной, принимающей значения «истина» или «ложь».

Совет. При разборе любых программ с функциями, вместо того чтобы читать строка за строкой, лучше всего начать с функции main(), а затем, следуя программной логике, перейти на другие ветви. Хорошая идея – отследить работу сложной программы в пошаговом режиме отладчика.

Когда вы запустите программу quitex, она задаст вопрос, не желаете ли вы увидеть еще одно значение. Если вы введете Y, означающее «да», программа отобразит предыдущее значение, увеличенное на единицу. Если же вашим ответом будет N, программа завершится. Quitex демонстрирует обычную задачу: прием ответов типа «да» или «нет» на предложенный вопрос, и вы можете использовать этот алгоритм в своих собственных разработках.

Рассмотрите программный цикл while в строках 14-18. Работа цикла продолжается, пока значение переменной quitting не станет истинным.

Внутри цикла, после инкрементирования переменной и отображения ее значения строка 17 присваивает переменной quitting результат работы функции UserQuits().

Прототип функции находится в строке 6. Объявление int UserQuits(void);

определяет UserQuits() как функцию, которая возвращает целое значение и не требует никаких аргументов. Переменная quitting, так же как и функция UserQuits(), имеет тип int и поэтому оператор quitting = UserQuits();

непосредственно присваивает переменной quitting значение, возвращенное функцией.

Функция UserQuits() определена в строках 22-31. Как обычно, заголовок функции (строка 22) дублирует ее прототип, за исключением завершающей точки с запятой. Тело функции (строки 23-31), заключенное в фигурные скобки, содержит объявление локальной переменной (строка 24) и несколько операторов (строки 26-30), которые отображают подсказку и ожидают вашего ответа. Результат анализируется в строке 29. Только в случае, когда переменная с равна ‘Y’ или ‘N’, цикл do-while прекращает ввод и проверку символов, что обеспечивает, таким образом, прием только разрешенных ответов.

В строке 30, относящейся к функции UserQuits(), выполняется возврат результата функции. Оператор return (c == N);

вычисляет выражение в круглых скобках, принимая значение «истина» или «ложь». Если значение не равно ‘N’, возвращается нуль («ложь»), в противном случае возвращается ненулевое значение («истина»).

Замечание. Все функции, которые возвращают значения, должны выполнять, по крайней мере, один оператор return, иначе компилятор выдаст предупреждение: «Functions should return a value…» («Функции должны возвращать значение…»). Не игнорируйте это предупреждение!

Функции, которые завершаются без явного возврата значения, на самом деле возвращают значение, выбранное случайным образом, и поэтому такая функция может нанести вред.

Функции с плавающей запятой Листинги 3.4 и 3.5 демонстрируют нисходящий метод разработки на примере программы обслуживания меню. Кроме того, программа показывает, как писать и использовать функции с плавающей запятой. Metrics является незаконченной программой – хороший пример нисходящего программирования в стадии разработки. Программа синтаксически полна, и вы можете ее скомпилировать и запускать, но работает только ее первая команда. Рассмотрим сначала заголовочный файл metrics.h.

Замечание. Файл metrics.h не является полной программой – вы не сможете скомпилировать и запустить ее. Скомпилируйте листинг metrics.c, который использует заголовочный файл metrics.h.

Листинг 3.4. metrics.h (заголовочный файл для metrics.c) 1: #include 2:

3: #define FALSE 4: #define TRUE 5: #define CENT_PER_INCH 2.54;

6:

7: /* Прототипы функций */ 8:

9: void DisplayMenu(void);

10: int MenuSelection(void);

11: double GetValue(void);

12: void InchesToCentimeters(void);

Структурируйте ваши программы, запоминая директивы типа #include и #define в заголовочном файле, подобном metrics.h. Это также хорошее место для размещения прототипов функций, как это сделано в строках 9-12.

Все эти строки можно размещать и в программном модуле (например metrics.c), но тогда они будут доступны только в этом файле. Имея отдельный заголовочный файл, несколько модулей могут получить доступ к объявлениям и прототипам с помощью директивы #include metrics.h Заголовочный файл metrics.h объявляет четыре прототипа функции.

Первая и последняя – DisplayMenu() и InchesToCentimmeters() – являются функциями типа void. Вторая – MenuSelection() – возвращает значение типа int, представляющее выбранную команду. Третья – GetValue() – возвращает значение с плавающей запятой типа double. Программа metrics вызывает функцию GetValue(), чтобы предложить вам ввести значения для преобразования из одной системы в другую. Ниже представлен основной листинг.

Листинг 3.5. metrics.c (программа обслуживания меню) 1: #include 2: #include metrics.h 3:

4: main() 5: { 6: int quitting = FALSE;

7:

8: printf(Welcome to Metrics\n);

9: while (!quitting) { 10: DisplayMenu();

11: switch(MenuSelection()) { 12: case 1:

13: InchesToCentimeters();

14: break;

15: case 9:

16: quitting = TRUE;

17: break;

18: default:

19: printf(\nSelection error!\n);

20: } 21: } 22: return 0;

23: } 24:

25: /* Описание функций */ 26:

27: void DisplayMenu(void) 28: { 29: printf(\nMenu\n);

30: printf(----\n);

31: printf(1 – Inches to centimeters\n);

32: printf(2 – Centimeters to inches\n);

33: printf(3 – Feet to meters\n);

34: printf(4 – Meters to feet\n);

35: printf(5 – Miles to kilometers\n);

36: printf(6 – Kilometers to miles\n);

37: printf(9 – Quit\n);

38: } 39:

40: int MenuSelection(void) 41: { 42: printf(\nSelection? (Don’t press ENTER!): );

43: return (getche() – 0);

44: } 45:

46: double GetValue(void) 47: { 48: double value;

49:

50: printf(\nValue to convert? );

51: scanf(%lf, &value);

52: return value;

53: } 54:

55: void InchesToCentimeters(void) 56: { 57: double value;

58: double result;

59:

60: printf(\nInches to Centimeters\n);

61: value = GetValue();

62: result = value * CENT_PER_INCH;

63: printf(%.3lf inches = %.3lf cents\n, value, result);

64: } Строка 1 содержит уже привычный заголовочный файл stdio.h, а строка 2 – metrics.h – заголовочный файл из листинга 3.4.

Чтобы понять, как работает metrics, рассмотрим операторы функции main(). Оператор while в строке 9 проверяет флажок quitting, повторяя цикл до тех пор, пока его значение не станет истинным. Строка 10 вызывает функцию DisplayMenu(), которая (как нетрудно догадаться) отображает меню команд. Хорошо подобранные имена функций могут немало сообщить о том, что скрывается за их «вывеской».

В строках 11-20 разместился оператор switch. Выражение в заголовке этого оператора вызывает функцию MenuSelection(), чтобы получить информацию о выборе пользователя. Затем полученное значение сравнивается с заданными значениями селекторов case. При выборе значения 1 вызывается функция InchesToCentimeters() (строка 13);

при выборе 9 – значение флажка quitting устанавливается равным «истине» в строке 16;

наконец, для всех остальных значений отображается сообщение об ошибочном вводе (строка 19). Пропущенные значения выбора 2-8 в операторе switch иллюстрируют метод нисходящего программирования.

Несмотря на то что программа metrics не завершена, отдельные ее части уже можно выполнять и тестировать.

Функции программы описаны в строках 27-64. Следующие замечания поясняют некоторые не вполне ясные моменты листинга.

• Функция DisplayMenu() (строки 27-38) выполняет ряд операторов printf() для отображения меню программы. Управляющие символы ‘\n’ в строке 29 гарантируют, что меню начнется с новой строки.

• Функция MenuSelection() (строки 40-44) предлагает пользователю выбрать команду меню. Для получения кода нажатой клавиши вызывается объявленная в файле conio.h функция getche(), которая не требует от пользователя нажатия . Вычитание ASCII-значения символа цифры ‘0’ в строке 43 (getche() – ‘0’) преобразует введенный символ в десятичное значение в диапазоне от 0 до 9. Рассмотрим, как это происходит. ASCII-значение нуля равно 48. Таким образом, если пользователь введет символ ‘0’, то выражение ‘0’ – ‘0’ (48 – 48) дает 0.

Поскольку значения ASCII-цифр возрастают последовательно, ‘1’ – ‘0’ ( – 48) дает 1, ‘2’ – ‘0’ (50 – 48) равно 2 и т.д.

• Функция GetValue() (строки 46-53) предлагает пользователю ввести значение для последующего преобразования, вызывая функцию scanf(), чтобы прочесть число с плавающей точкой в переменную value. Строка возвращает это значение в качестве результата работы функции.

• Функция InchesToCentimeters() (строки 55-64) в строке 61 вызывает функцию GetValue(), присваивая возвращаемое ею значение переменной value. Другой переменной result присваивается результат преобразования исходного значения из дюймов в сантиметры. Оба значения отображаются на экране с помощью функции printf() в строке 63.

Упражнение. Завершите листинг 3.5. Используйте нисходящий метод программирования, т.е. добавляйте команды постепенно, сопровождая этот процесс проверкой их работы, пока полностью не завершите программу. (Подсказка: в одном сантиметре 0,3937 дюйма, в одном фунте 0,3048 метра, в одном метре 3,28084 фута, в одной миле 1,609 километра, в километре 0,621 мили.) Замечание. Нисходящее программирование позволяет локализовать ошибки в программе на начальном этапе ее создания. Не откладывайте отладку до тех пор, когда размеры создаваемой программы станут угрожающе большими. Выполняйте тестирование по мере продвижения вперед, убеждаясь в том, что каждая законченная часть работает, как задумано, и только потом переходите к следующей.

Другие типы функций Функции могут возвращать значения любого типа из описанных в главе 1. Например, вы можете объявить функцию типа long int следующим образом:

long AnyLongFn(void);

/* long и long int – синонимы */ Или у вас может быть функция, возвращающая значение типа unsigned long и объявленная как unsigned long AnyUnsignedLongFn(void);

Большинству функций с плавающей запятой следовало бы возвращать значение типа double, так как оно точнее float и занимает меньше места, чем long double. Хотя вы, конечно, можете объявлять функции следующих типов:

float AnyFloatFn(void);

double AnyDoubleFn(void);

long double AnyLongDoubleFn(void);

Функции также могут возвращать строки и указатели, о которых речь пойдет в следующих главах.

Распространенные ошибки в функциях Причиной некорректной работы вашей функции может служить одна из следующих распространенных ошибок.

• No return (нет оператора return). Компилятор делает подобное предупреждение относительно любой возвращающей значение функции (т.е. отличной от типа void), не содержащей оператора return. Если подобная функция завершается без выполнения return, она возвращает непредсказуемое значение, которое может вызвать серьезные неприятности.

• Skipped return (невыполнимый оператор return). Компилятор предупреждает о функциях, которые не смогут выполнить оператор return ни при каких условиях. Обратите особое внимание на функции, имеющие операторы if, и убедитесь, что оператор return выполняется для каждого возможного случая выхода.

• No prototype (нет прототипа). Считается, что функции, у которых нет прототипа, имеют тип int, даже если они определены как возвращающие значения другого типа. Не следует полагаться на это правило, лучше явно объявлять прототипы для всех функций.

• Side effect (побочный эффект). Эта проблема обычно вызвана функциями, которые изменяют значения глобальных переменных. Поскольку функции можно вызывать из выражений и другие операторы могут использовать те же самые переменные, то изменение значений глобальных переменных может вызвать трудно обнаруживаемые ошибки.

Первые два типа перечисленных выше ошибок, отсутствие и обход оператора return, легко устраняются при внимательном отношении к предупреждениям компилятора. Следующая запись иллюстрирует самую распространенную ошибку:

int AnyIntFn(void) { if (условие) { оператор1;

return 0;

} else оператор2;

/* ??? */ } Эта функция выполняет оператор return, только если условие истинно.

Если же условие ложно, оператор2 выполнится нормально, но функция завершится без выполнения оператора return.

Третья из представленного выше списка распространенных ошибок (отсутствие прототипа) восходит к старым С-программам. Функции без прототипов рассматриваются как имеющие тип int. Таким образом, вы могли бы без отрицательных последствий убрать прототипы, подобные представленным в строке 6 листинга 3.3, но делать это не рекомендуется.

Замечание. Функция main(), обычно записываемая без явного задания возвращаемого типа, на самом деле возвращает значение int, и, следовательно, ее можно объявить как int main(). Этим объясняется, почему функция main() должна выполнять оператор return, чтобы избежать предупреждения компилятора.

Из всех ошибок, допускаемых в функциях, наиболее коварны побочные эффекты. Изменяйте значения глобальных переменных внутри функций с большой осторожностью.

Параметры и аргументы функций Функции могут принимать входные значения при их вызове.

Предположим, вам надо вычислить куб от значения переменной r, объявленной как double. Чтобы получить результат, вы можете использовать выражение вида r = r * r * r;

Предположим, что вам нужно вычислять третью степень для многих переменных. Не стоит усложнять и загромождать программу, используя это выражение в разных местах, где требуется выполнить вычисление. Функции как раз и являются тем идеальным средством, которое поможет вам при выполнении повторяющихся операций. Вы можете объявить функцию, вычисляющую третью степень аргумента, следующим образом:

double Cube(double r);

Данная функция возвращает значение типа double. Определение в круглых скобках задает значение типа double с именем r, которое называется параметром. Реализация функции может иметь следующий вид:

double Cube(double r) { return (r * r * r);

} Если x и y – переменные типа double, то с помощью следующего оператора переменной y можно присвоить третью степень x:

y = Cube(x);

/* y = x * x * x */ Переменная x называется аргументом. Ее значение передается параметру r в момент вызова функции Cube().

Замечание. Некоторые авторы называют параметры функции «формальными параметрами», а аргументы, передаваемые в функцию, – «фактическими параметрами». Вы можете встретить эти устаревшие термины в различных изданиях.

Функции могут объявлять несколько параметров, в этом случае операторы могут передавать им несколько аргументов. Рассмотрим проблему вычисления стоимости электроэнергии на производстве. При известном тарифе (стоимости за киловатт в час), времени и мощности потребления стоимость электроэнергии в тысячах рублей равна:

cost = (rate * power * time) * 0.001;

Представить эту формулу в виде функции можно так:

double Cost(double time, double power, double rate);

Функция Cost() объявляет три параметра – time, power и rate – типа double. Параметры разделяются запятыми. Возвращает функция тоже значение типа double:

double Cost(double time, double power, double rate);

{ return (rate * power * time) * 0.001;

} Если переменная result имеет тип double, то простой вызов функции вычислит стоимость электроэнергии в тысячах рублей при мощности, равной 100 кВт, времени потребления, равном 10 часам, и тарифе 47.5:

result = Cost(10.0, 100.0, 47.5);

При вызове функции параметры получают копии значений переданных аргументов, используя механизм, подобный операторам присваивания.

Другими словами, функция начинается так, как будто сначала выполняются следующие операторы:

time = 10.0;

power = 100.0;

rate = 47.5;

Подобно локальным переменным, параметры функции Cost() (time, power, rate) запоминаются в стеке и обрабатываются аналогичным образом с единственным различием – они инициализируются значениями передаваемых функции аргументов.

Это очень важная концепция. Запишите функцию Cost() следующим образом:

double Cost(double time, double power, double rate) { power = 150.51;

/* ??? */ return (rate * power * time) * 0.001;

} При этом значение 150.51 не будет передано обратно аргументу, с которым была вызвана функция, т.к. присваивание выполнится только для локальной переменной power. Другими словами, если q, x, y, z – переменные типа double, то оператор q = Cost(x, y, z);

гарантирует неприкосновенность значений переменных x, y и z. Значения этих аргументов копируются в параметры функции, а сами аргументы остаются неизменными.

Листинг 3.6 рассчитывает стоимость электроэнергии с помощью функции Cost().

Листинг 3.6. electric.c (отображение таблицы стоимости электроэнергии) 1: #include 2: #include 3: #include 4:

5: #define MAXROW 8 /* число строк в таблице */ 6: #define MAXCOL 6 /* число столбцов в таблице */ 7:

8: /* Прототипы функций */ 9:

10: void Initialize(void);

11: double Cost(double time, double power, double rate);

12: void PrintTable(void);

13: int Finished(void);

14:

15: /* Глобальные переменные */ 16:

17: double startHours;

18: double hourlyIncrement;

19: double startWatts;

20: double wattsIncrement;

21: double costPerKwh;

22:

23: main() 24: { 25: do { 26: Initialize();

27: PrintTable();

28: } while (!Finished());

29: return 0;

30: } 31:

32: void Initialize(void) 33: { 34: printf("Cost of electricity\n\n");

35: printf("Starting number of hours....? ");

36: scanf("%lf", &startHours);

37: printf("Hourly increment............? ");

38: scanf("%lf", &hourlyIncrement);

39: printf("Starting number of KWatts...? ");

40: scanf("%lf", &startWatts);

41: printf("KWatts increment............? ");

42: scanf("%lf", &wattsIncrement);

43: printf("Cost per kilowatt hour (KWH)? ");

44: scanf("%lf", &costPerKwh);

45: } 46:

47: double Cost(double time, double power, double rate) 48: { 49: return (rate * power * time) * 0.001;

50: } 51:

52: void PrintTable(void) 53: { 54: int row, col;

55: double hours, watts;

56:

57: /* Печать верхней строки таблицы */ 58: printf("\nHrs/KWatts");

59: watts = startWatts;

60: for (col = 1;

col <= MAXCOL;

col++) { 61: printf("%10.0lf", watts);

62: watts+= wattsIncrement;

63: } 64: /* Печать строк таблицы */ 65: hours = startHours;

66: for (row = 1;

row <= MAXROW;

row++) { 67: printf("\n%7.1lf - ", hours);

68: watts = startWatts;

69: for (col = 1;

col <= MAXCOL;

col++) { 70: printf("%10.2lf", Cost(hours, watts, costPerKwh));

71: watts+= wattsIncrement;

72: } 73: hours += hourlyIncrement;

74: } 75: printf("\nCost of electricity %.2lf per KWH\n",costPerKwh);

76: } 77:

78: int Finished(void) 79: { 80: int answer;

81:

82: printf("\nAnother table (y/n) ?");

83: answer = getch();

84: putchar(answer);

85: putchar(\n);

86: return (toupper(answer) != Y);

87: } Скомпилируйте и запустите эту программу. В ответ на приглашение введите начальное значение количества часов (100 – хорошее число) и приращение по времени (например 24), начальное значение количества киловатт (попробуйте 2000) и приращение по киловаттам (возьмите число 2), а также стоимость одного киловатта (например 47.5).

Electric – это самая сложная программа среди тех, что вы встречали до сих пор. Но несмотря на свой размер, она построена в том же ключе, что и предыдущие примеры. Строки 1-3 содержат заголовочные файлы, объявляющие прототипы стандартных функций и другие необходимые для программы элементы. В строках 5-6 объявляются две символические константы – количество строк и столбцов в программе. Чтобы изменить формат таблицы, достаточно изменить эти константы, вместо того чтобы искать по всей программе операторы, связанные с выводом таблицы.

Строки 10-13 объявляют четыре прототипа функции. Хорошо подобранные имена проясняют назначение функций. Функция Initialize() выполняет различные действия в начале построения каждой таблицы. С функцией Cost() вы уже знакомы. Функция PrintTable() отображает результат работы программы (выводит таблицу). И, наконец, функция Finished() возвращает значение «истина», если пользователь не требует вывода другой таблицы.

В строках 17-21 объявляются глобальные переменные, которые доступны в любом месте программы.

Замечание. Часто бывает трудно принять решение, какой должна быть переменная – глобальной или локальной. Переменные, содержащиеся в строках 17-21, – глобальные по своей природе, так как они влияют на конечный результат. Переменные, имеющие более узкое назначение, например те, которые управляют циклами for или while, не следует делать глобальными.

Функция main() в этой программе коротка и опрятна – хороший пример того, как функции могут упрощать сложные программы. В строках 25-28 выполняется цикл do-while, пока функция Finished() не вернет истинное значение. В цикле вызываются функции Initialize() и PrintTable() (строки 26-27).

Функция Initialize() (строки 32-45) выводит название программы и предлагает пользователям ввести значения, запоминаемые в глобальных переменных. Функция PrintTable() (строки 52-76) использует цикл for для вывода строк и столбцов таблицы. Оператор в строке printf(\n%7.1lf -, hours);

выводит значение времени в формате с плавающей запятой, занимающее семь позиций, причем одна позиция отводится для десятичного знака после запятой. Оператор в строке printf(%10.2lf, Cost(hours, watts, costPerKwh));

вызывает функцию Cost(), передавая локальные переменные hours, watts и глобальную переменную costPerKwh в качестве аргументов. Оператор printf() отображает возвращаемое функцией Cost() значение в десяти позициях с двумя десятичными знаками после запятой.

Последняя функция в программе, Finished(), занимающая строки 78 87, предлагает ответить на вопрос «быть или не быть» следующей таблице («Another table (y/n) ?»). В строке 83 вызывается функция getch(), принимающая символ ответа пользователя, который затем отображается на экране операторами:

putchar(answer);

putchar(\n);

Функция putchar() полезна для отображения одиночных символов.

Вторая строка выводит символ ‘\n’, вызывающий переход на новую строку.

Безымянные параметры Прототип функции Cost() из предыдущего раздела мог бы быть объявлен с использованием безымянных параметров:

double Cost(double, double, double);

Сравните это объявление с прототипом, используемым в строке 11 листинга 3.6:

double Cost(double time, double power, double rate);

Эти две формы записи эквивалентны, поскольку компилятор игнорирует имена параметров time, power, rate в объявлении функции.

Чтобы сгенерировать вызов функции Cost(), компилятору достаточно знать только типы данных параметров, а имена присутствуют лишь для вашего удобства и удобства тех, кто будет читать программу.

Однако в отличие от прототипа определение функции должно содержать имена своих параметров, чтобы операторы функции могли к ним обращаться:

double Cost(double time, double power, double rate);

{ return (rate * power * time) * 0.001;

} Упражнение. Добавьте параметры в функции в листинге 3.1. В вашей программе оператор CountUp(10) должен отображать числа от 1 до 10;

оператор CountDown(100) должен отображать числа от 100 до 1 и т.д.

Рекурсия: то что сворачивается, должно разворачиваться Слово рекурсия буквально означает возврат. Когда вы смотрите в зеркало, имея позади себя другое зеркало, то видите бесконечно повторяющуюся серию изображений. Каждое изображение является отражением (рекурсией) света от предыдущего.

В программировании говорят о рекурсии, когда функция вызывает саму себя несколько раз. Адреса возврата таких вызовов запоминаются в стеке подобно отражениям в зеркалах, пока какое-нибудь событие не остановит этот процесс.

Некоторые алгоритмы рекурсивны по своей природе. Например, факториал числа равен произведению предшествующих ему последовательных чисел. Так, факториал числа 5 равен 1 * 2 * 3 * 4 * 5 = 120.

В общем случае факториал n равен произведению n на факториал n – 1.

Учитывая этот факт, вы можете написать рекурсивную функцию факториала следующим образом:

double Factorial(int number) { if (number > 1) return number * Factorial(number – 1);

return 1;

} Функция Factorial() возвращает значение типа double и объявляет единственный параметр number типа int. Вначале оператор if проверяет значение параметра number. Если number больше единицы, функция возвращает значение number, умноженное на факториал number – 1. Таким образом, функция Factorial() вызывает саму себя со значением аргумента меньшим на единицу. Когда number станет равен единице, выполнится оператор return 1 (факториал единицы равен 1), и рекурсия начнет «разворачиваться» (рис. 3.2).

Рекурсивные вызовы функции Развертывание рекурсии Factorial(5) = n = 5 return n * Factorial(4);

n = 4 return n * Factorial(3);

n = 3 return n * Factorial(2);

n = 2 return n * Factorial(1);

n = 1 return 1;

Рис. 3.2. Рекурсивные вызовы функции для выражения Factorial(5) Замечание. Используйте пошаговый режим отладчика, чтобы лучше понять, как работает рекурсия.

Следующая простая программа демонстрирует ключевые особенности рекурсии. Введите листинг 3.7, скомпилируйте и запустите его. На экране вы увидите счет значений от 1 до 10. Прежде чем продолжить чтение, постарайтесь понять, как программа recount использует рекурсию, чтобы справиться с этой задачей.

Листинг 3.7. recount.c (счет от 1 до 10 с использованием рекурсии) 1: #include 2:

3: void Recount(int top);

4:

5: main() 6: { 7: Recount(10);

8: return 0;

9: } 10:

11: void Recount(int top) 12: { 13: if (top > 1) 14: Recount(top – 1);

15: printf(%4d, top);

16: } В строке 7 вызывается функция Recount(), которая использует рекурсию, чтобы посчитать от 1 до 10 (никто не станет спорить, это нелегкий путь для решения простой задачи).

В строке 13 проверяется значение параметра top. Если оно больше единицы, функция рекурсивно вызывает саму себя в строке 14, передавая top – 1 в качестве нового аргумента. Когда значение top уменьшится до нуля, строка 15 отобразит значение этой переменной.

Заметьте, что на экране отображается десять значений, стало быть, оператор printf() выполнился десять раз. Это показывает, что каждый рекурсивный вызов завершается возвратом к точке вызова, выполняя оператор printf() один раз для каждого вызова функции Recount().

Если рекурсивная функция объявляет какие-нибудь локальные переменные, то эти переменные повторно создаются на каждом уровне рекурсии. Например, если функция А() объявляет локальную переменную i, то, когда А() рекурсивно вызывает саму себя, в стеке создается совершенно новая переменная i.

Замечание. Все рекурсивные функции могут быть записаны без рекурсии, хотя не всегда так просто. Рекурсия – это дорогое удовольствие. Слишком большое количество вызовов функций может истощить стековую память, вызвав ошибку переполнения. Кроме того, вызовы функций отнимают много времени, поэтому нерекурсивные алгоритмы обычно работают быстрее.

Упражнение. Напишите нерекурсивную версию функции вычисления факториала.

Резюме • Нисходящий метод – естественный способ решения больших проблем путем разбиения их на более мелкие, которые легче решить. Применяйте этот метод в программировании, разделяя задачи на подзадачи, а те, в свою очередь, представляя в виде узкоспециализированных функций.

• Функции могут возвращать значения любого типа. Функции типа void не возвращают значений.

• Переменные, объявленные внутри функций, имеют локальную область видимости и доступны операторам только внутри тех же самых функций.

• Локальные переменные запоминаются в стеке, и им отводится память каждый раз при вызове функции. Локальные переменные не сохраняют своих значений между вызовами функций, в которых они объявлены.

• Глобальные переменные объявляются вне функций и предварительно инициализируются нулевыми значениями.

• Глобальные переменные «видимы» для всех операторов в программе.

Они существуют, пока выполняется программа.

• Функции могут объявлять параметры. Операторы передают параметрам значения в виде аргументов, обеспечивая функциям входные данные.

• Рекурсией называется процесс, при котором функция вызывает саму себя.

Некоторое событие (условие) должно обязательно останавливать следующие друг за другом рекурсивные вызовы, иначе будет вызвана ошибка переполнения стека.

• Некоторые самоссылочные алгоритмы (например вычисление факториала) удобно программировать с помощью рекурсии. Однако рекурсивные функции обрабатываются медленнее и занимают больше стековой памяти, чем их нерекурсивные эквиваленты.

Обзор функций Таблица 3. Функции работы с терминалом в текстовом режиме Функция Прототип и краткое описание void clreol(void);

clreol() Стирает символы на экране от позиции курсора до конца строки.

void clrscr(void);

clrscr() Очищает экран.

void getch(void);

getch() Считывает один символ c клавиатуры без отображения на экране.

Нажатие не требуется.

void getche(void);

getche() Считывает один символ c клавиатуры, отображая его на экране.

Нажатие не требуется.

Замечание. Функции из табл. 3.1 поддерживаются только в среде MS-DOS.

4. Массивы Представьте себе программу обработки базы данных, которая запоминает всю информацию в переменных. Какая была бы путаница! Такие переменные, как alexAddress или iraSalary, засорили бы всю программу, сделав выполнение операций типа сортировки и печати архисложными.

К счастью, в языке С есть массивы, которые помогут организовать данные быстро и эффективно.

Введение в массивы В массивах объединяются элементы одного и того же типа. У вас может быть массив целых чисел, массив значений с плавающей запятой или массив символов. Массив может состоять из одного элемента, а может запомнить столько, сколько позволяет объем оперативной памяти.

Объявление int scores[100];

определяет массив с именем scores, способный хранить 100 значений типа int. Если scores – глобальная переменная, то элементы массива с именем scores инициализируются нулями. Если массив локален (т.е. объявляется внутри какой-либо функции), то его значения не инициализируются и содержат случайные значения.

Одно только имя массива scores (без скобок) представляет весь массив как единое целое. Чтобы получить доступ к конкретному элементу, после имени массива добавьте индекс в квадратных скобках. Например, оператор scores[5] = 89;

присваивает значение 89 шестому элементу массива scores. Почему шестому? Потому что первый элемент массива имеет индекс 0. Оператор scores[0] = 1000;

присваивает первому элементу массива круглую сумму.

Замечание. Поскольку первый индекс массива равен нулю, то для любого объявления вида T name[N], (где T – тип данных) допустимые значения индексов находятся в диапазоне от 0 до N – 1. Использование индекса вне этого диапазона (например name[-2]) приведет к ссылке на область памяти, не принадлежащую массиву, что может вызвать серьезные ошибки.

Элементы массива запоминаются в памяти последовательно. Как показано на рис. 4.1, массив напоминает штабель ящиков. Выражение scores[0] представляет первый ящик. Сразу за ним в памяти располагается элемент scores[1]. Затем идет scores[2], scores[3] и т.д. Последним элементом является scores[99].

Индексами массивов могут служить любые целые выражения – константы, переменные, результаты функций и т.д.

scores[0] Если у вас объявлена целая переменная i, то можно использовать следующие операторы для отображения шестого элемента массива scores[1] scores:

i = 5;

scores[2] printf(score = %d\n, scores[i]);

Чтобы обработать все элементы массива обычно используется цикл for.

Перед вами один из способов отображения значений всех элементов массива scores:

scores[99] for (i = 0;

i < 100;

i++) printf(scores[%d] = %d\n, Рис. 4.1. Массив похож i, scores[i]);

на штабель ящиков Инициализация массивов Чтобы проинициализировать массив начальными значениями, объявите массив, как обычно, но после объявления в фигурных скобках напишите список значений через запятую. Например, объявление int digits[10] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};

создает 10-элементный массив целых чисел с именем digits и последовательно присваивает значения от 0 до 9 каждому элементу массива.

Результат действия этого объявления аналогичен результату работы следующих операторов:

int i, digits[10];

/* индекс i и массив из 10 целых */ for (i = 0;

i < 10;

i++) digits[i] = i;

Вы даже можете заставить компилятор автоматически вычислять размер массива. Объявление int digits[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};

создает массив из 10 целых, как и раньше. Но в этом случае пустые скобки заставляют компилятор выделить ровно столько памяти, сколько необходимо для хранения перечисленных элементов.

При явном задании размера массива в квадратных скобках совершенно не обязательно задавать значение для каждого элемента массива. Например, объявление int digits[10] = {0, 1, 2, 3, 4};

создает массив из 10 целых, но инициализирует только первые пять.

Если количество значений в фигурных скобках больше размера массива, будет сгенерирована ошибка. Например, если компилятор «накормить» таким объявлением int digits[5] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6};

то он «поперхнется» и выдаст: «Too many initializers» («Слишком много инициализаторов»).

Листинг 4.1 имитирует бросание пары игральных костей и запоминает результаты в массиве. Затем программа использует стандартный статический метод хи-квадрат, в качестве эталонного теста генератора случайных чисел.

Скомпилируйте и запустите программу. По приглашению сообщите программе, сколько «бросков» сымитировать – лучше между 10,000 и 50,000.

Листинг 4.1. dice.c (оценка генератора случайных чисел) 1: #include 2: #include 3: #include 4:

5: void Initialize(void);

6: long GetNumThrows(void);

7: void ThrowDice(long numThrows);

8: double sqr(double r);

9: double ChiSquare(long numThrows);

10: void DisplayResult(long numThrows);

11:

12: #define MAX 13 /*индексы от 0 до 12;

0 и 1 не используются*/ 13:

14: double count[MAX];

15: double prob[MAX] = { 16: 0.0, 0.0, 1.0 / 36, 1.0 / 18, 1.0 / 12, 1.0 / 9, 5.0 / 36, 17: 1.0 / 6, 5.0 / 36, 1.0 / 9, 1.0 / 12, 1.0 / 18, 1.0 / 18: };

19:

20: main() 21: { 22: long numThrows;

23:

24: printf(\nDice – A random number benchmark\n\n);

25: numThrows = GetNumThrows();

26: if (numThrows > 0) { 27: ThrowDice(numThrows);

28: DisplayResult(numThrows);

29: } 30: return 0;

31: } 32:

33: long GetNumThrows(void) 34: { 35: long answer;

36:

37: printf(How many throws? );

38: scanf(%ld, &answer);

39: return answer;

40: } 41:

42: void ThrowDice(long numThrows) 43: { 44: long i;

45: int k;

46:

47: randomize();

48: for (i = 1;

i <= numThrows;

i++) { 49: k = (1 + random(6)) + (1 + random(6));

50: count[k]++;

51: } 52: } 53:

54: double sqr(double r) 55: { 56: return r * r;

57: } 58:

59: double ChiSquare(long numThrows) 60: { 61: double v = 0.0;

62: int i;

63:

64: for (i = 2;

i < MAX;

i++) 65: v += (sqr(count[i])) / prob[i];

66: return ((1.0 / numThrows) * v) - numThrows;

67: } 68:

69: void DisplayResult(long numThrows) 70: { 71: int i;

72:

73: printf("\n Dice Proba- Expected Actual \n");

74: printf(" Value bility Count Count \n");

75: printf("========================================\n");

76: for (i = 2;

i < MAX;

i++) { 77: printf(%5d%10.3lf%12.0lf%10.0lf\n, 78: i, prob[i], prob[i] * numThrows, count[i]);

79: } 80: printf(\nChi square = %lf\n, ChiSquare(numThrows));

81: } Строки 14 и 15-18 объявляют два массива, count и prob, каждый из которых может хранить 13 значений типа double. В строке 12 определяется символическая константа MAX, поэтому другие операторы могут легко ограничить индексы диапазоном от 0 до MAX – 1. (Поскольку значения, даваемые двумя игральными костями, находятся в диапазоне от 2 до 12, позиции 0 и 1 в массивах не используются.) Строки 15-18 объявляют и предварительно инициализируют массив prob вероятностями для каждой возможной комбинации костей. Существует три варианта выпадения значения 4: 3 + 1, 2 + 2 и 1 + 3. Поскольку существует 36 (6 * 6) различных пар выпадения костей, вероятность выпадения 4 равна 3/36 (3 комбинации из 36) или 1/12. Выражения в строках 16-17 вычисляют подобные вероятности. Индекс означает число очков. Так, элемент prob[4] содержит вероятность выпадения четырех очков.

Функция ThrowDice() (строки 42-52) имитирует выбрасывание костей.

Чтобы задать начальное значение для генератора случайных чисел, в строке 47 вызывается функция randomize(), прототип которой объявлен в файле time.h. Функция использует значение текущего времени для начальной установки генератора, что гарантирует различную последовательность значений при каждом запуске программы. Если вы хотите для каждого запуска программы получать одну и ту же последовательность случайных чисел, закомментируйте функцию randomize() – это полезный способ стабилизации результатов программы, который может помочь при отладке программ, в которых используются случайные числа.

Каждая итерация цикла for в строках 48-51 имитирует встряску и выбрасывание пары костей. В строке 49 переменной k присваивается выражение (1 + random(6)) + (1 + random(6)) Выражение random(N) возвращает случайное целое число в пределах от 0 до N – 1. Таким образом, выражение random(6) возвращает значение между 0 и 5. Прибавление единицы (1 + random(6)) даст значение в диапазоне от 1 до 6, что соответствует количеству очков при выбрасывании одной игральной кости. В этой программе функция random() вызывается дважды, чтобы дать значения в диапазоне от 2 до 12. Выражение 2 + random(11) также сгенерировало бы значения в этом диапазоне, однако все они стали бы равновероятны.

В строке 50 выполняется выражение count[k]++, которое инкрементирует значение k-го элемента массива count. Индекс k равен количеству очков при текущем выбрасывании костей. После окончания цикла for массив count будет хранить количество выпадений для каждого возможного случая.

При выполнении программы будут отображены три значения:

вероятность, ожидаемое количество выпадений и реальное количество из массива count. На рис. 4.2 показаны результаты работы программы для 50,000 выбрасываний костей – эквивалент одной недели беспрерывной игры в казино (или двух недель, если при этом еще и спать).

How many throws? Dice Proba- Expected Actual Value bility Count Count ============================================ 2 0.028 1389 3 0.056 2778 4 0.083 4167 5 0.111 5556 6 0.139 6944 7 0.167 8333 8 0.139 6944 9 0.111 5556 10 0.083 4167 11 0.056 2778 12 0.028 1389 Chi square = 8. Рис. 4.2. Результаты работы программы dice Как видно из рис. 4.2, а может быть, и из вашего личного опыта, реальные числа слегка отличаются от ожидаемых значений. Это не должно вызывать удивления – в конце концов, если бы игра в кости была полностью предсказуемой, вряд ли многочисленные казино получали прибыль.

Чтобы проанализировать результат работы генератора случайных чисел и определить, попадают ли полученные числа в пределы допустимых отклонений от ожидаемых значений, применяется критерий хи-квадрат. Для получения численного выражения критерия используется следующая формула:

K i V = - n.

n pi i= Эта формула определяет хи-квадрат как единицу, деленную на число независимо полученных выборок (n), умноженную на сумму по i от 1 до K квадратов полученных выборок( ), отнесенных к ожидаемым вероятностям i (pi ), минус число выборок.

Для числа выбрасываний костей n, диапазона значений i, реальных подсчетов и вероятностей р функция ChiSquare() (строки 59-67) вернула число 8.759116 (см. рис. 4.2). Чтобы посмотреть, как формула переводится на язык С, сравните с ней операторы этой функции.

Для того чтобы воспользоваться результатом, возвращаемым функцией, необходима таблица распределения хи-квадрат, которую можно найти в большинстве книг по статистике (в табл. 4.1 дан только фрагмент таблицы). Строки таблицы (m) представляют число степеней свободы исходных данных, уменьшенное на единицу. Для случая выбрасывания костей в диапазоне возможных значений от 2 до 12 существует 11 категорий.

11 – 1 = 10, поэтому наша строка: v = 10.

Таблица 4. Распределение хи-квадрат m 99% 95% 75% 50% 25% 5% 1% 9 2.088 3.325 5.899 8.343 11.39 16.92 21. 10 2.558 3.940 6.737 9.342 12.55 18.31 23. 11 3.053 4.575 7.584 10.34 13.70 19.68 24. Интерпретировать информацию в табл. 4.1 можно следующим образом: значения хи-квадрат между 6.737 и 12.55 должны выпадать примерно в 50% случаев. Значение, большее чем 23.21, должно встречаться не чаще чем один раз на 100 запусков программы. Значение, меньшее чем 3.940, будет означать неслучайность. (Замена реальных значений на ожидаемые даст в результате вычисления формулы хи-квадрат 0.000, что означает неправдоподобно хорошие данные.) Результат работы программы (число 8.759116) попадает где-то в середину табличного диапазона, что дает возможность оценить неплохое качество работы генератора случайных чисел.

Замечание. Лучше всего запускать программу dice, по крайней мере, три раза. Плохое значение хи-квадрат маловероятно, но этот факт не обязательно означает неудовлетворительную работу генератора случайных чисел.

Результаты работы программы dice выводятся в виде сформатированной таблицы. В строках 76-79 выполняется цикл for, который с помощью оператора printf() построчно выводит содержимое таблицы.

Строка %5d%10.3lf%12.0lf%10.0lf\n форматирует четыре переменные – одно десятичное целое и три значения с плавающей запятой. Целое число отображается в пяти позициях, значения с плавающей запятой занимают 10, 12 и 10 позиций соответственно, причем первое число может иметь три знака после запятой, а два других – нуль.

Такой сложный оператор printf() легче записать и отладить в виде отдельных операторов:

printf(%5d, i);

printf(%10.3lf, prob[i]);

printf(%12.0lf, prob[i] * numThrows);

printf(%10.0lf, count[i]);

printf(\n);

После отладки отдельных операторов объедините их в один, как показано в листинге.

Использование sizeof с массивами Если anyArray – это имя какого-то массива, то выражение sizeof(anyArray) равно числу байтов, занимаемых массивом в памяти, а sizeof(anyArray[0]) – числу байтов, занимаемых одним элементом.

Во время инициализации массива можно использовать sizeof(), чтобы точно определить число элементов. Вместо строк #define MAX 5;

int anyArray[MAX] = {0, 1, 2, 3, 4};

вы можете написать int anyArray[] = {0, 1, 2, 3, 4};

#define MAX (sizeof(anyArray) / sizeof(anyArray[0]));

В первой строке объявляется массив неопределенного размера, и элементам присваиваются начальные значения. Поскольку в скобках не указан размер массива, компилятор выделяет ровно столько памяти, сколько необходимо для запоминания перечисленных значений. Вторая строка определяет символическую константу MAX, равную размеру массива в байтах, деленному на размер одного элемента. Поскольку элементы массива запоминаются в памяти последовательно, то константа MAX теперь равна числу элементов в массиве.

Использование этого метода поможет избежать ошибки, вызванной заданием слишком малого числа элементов массива. Например, компилятор не станет жаловаться на объявление следующего вида:

#define MAX 5;

int anyArray[MAX] = {0, 1, 2, 3};

Здесь элементу anyArray[4] значение в явном виде не присваивается (этот факт легко не заметить), и в дальнейшем может быть допущена трудноуловимая ошибка.

Использование массивов констант Чтобы не допустить изменений в элементах массива, предваряйте его объявление ключевым словом const. Это особенно важно для программ, которые сопровождают несколько человек. Объявление const int anyArray[] = {0, 1, 2, 3, 4};

создает пятиэлементный массив с именем anyArray. Благодаря модификатору const любой оператор, который пытается изменить значение элементов массива, не будет компилироваться:

anyArray[4]++;

/* ??? */ Символьные массивы Строки представляют собой массивы значений типа char. Вы уже встречали много примеров строк, но теперь подумайте о них как о символьных массивах. Объявление char name[128];

задает символьный массив name, содержащий 128 элементов типа char.

Аналогично тому, как это делается в других массивах, вы можете использовать индексное выражение для доступа к конкретному элементу, в данном случае, к символу. Если a является переменной типа char, то оператор a = name[3];

присваивает четвертый символ массива name переменной a.

Чтобы инициализировать символьный массив, присвойте ему литерную строку, заключенную в кавычки:

char composer[] = Peter Tchaikovsky;

Как и в других объявлениях массивов, пустые скобки заставляют компилятор вычислять объем памяти, необходимый для запоминания инициализирующего значения. Не забывайте, что все строки заканчиваются невидимым нулевым байтом, поэтому строка composer в этом примере имеет длину 12 байтов, а не 11.

Многомерные массивы Такой массив, как count[100], является одномерным – его значения построены в одну колонку, и для получения доступа к любому элементу нужен только один индекс.

Массивы могут обладать двумя и более измерениями. Двухмерный массив, например, можно представить в виде матрицы, а трехмерный – в виде куба. На самом деле, независимо от количества измерений, элементы массивов хранятся в памяти последовательно, один за другим.

Двухмерные массивы Вы можете объявить двухмерный массив следующим образом:

int matrix[5][8];

matrix можно назвать массивом массивов. В данном случае матрица состоит из 5 строк и 8 столбцов. Выражение matrix[0] обозначает первую строку, выражение matrix[1] – вторую и т.д. Чтобы получить доступ к элементам массива, используйте две пары квадратных скобок. Оператор matrix[4][2] = 5;

присвоит значение 5 третьему элементу пятой строки матрицы (рис. 4.3).

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [0] [1] [2] [3] [4] matrix[4][2] Рис. 4.3. Двухмерный массив хранится в памяти последовательно, но его удобно рассматривать в виде матрицы Трехмерные массивы Следующая запись int cubic[10][20][4];

объявляет трехмерный массив целых чисел cubic. Можно сказать, что cubic является массивом массивов массивов. Концептуально он является трехмерной структурой (т.е. имеет высоту 10, ширину 20 и глубину 4).

Все многомерные массивы располагаются в памяти в таком порядке, что медленнее всего изменяется крайний левый индекс, а крайний справа – быстрее всего. Другими словами, чтобы отобразить значения массива cubic, соблюдая порядок расположения в памяти, вы можете использовать вложенные циклы for таким образом:

for (i = 0;

i < 10;

i++) for (j = 0;

j < 20;

j++) for(k = 0;

k < 4;

k++) printf(%d\n, cubic[i][j][k]);

Замечание. Многомерные массивы растут очень быстро. Массив двухбайтовых целых чисел с размерностью 10х10х8 занимает 1,600 байт.

Добавление четвертого измерения (10x10х10х8) потребует уже 16, байт.

Инициализация многомерных массивов Иногда инициализация многомерных массивов бывает очень полезной.

Листинг 4.2 демонстрирует типичное использование инициализированного многомерного массива для запоминания названий месяцев.

Листинг 4.2. months.c (запоминание названий месяцев в массиве) 1: #include 2:

3: #define NUMMONTHS 4:

5: char months[NUMMONTHS][4] = { 6: Jan, Feb, Mar, Apr, 7: May, Jun, Jul, Aug, 8: Sep, Oct, Nov, Dec 9: };

10:

11: main() 12: { 13: int month;

14:

15: for(month = 0;

month < NUMMONTHS;

month++) 16: printf(%s\n, months[month]);

17: return 0;

18: } Объявленный в строке 5 массив months (месяцы) запоминает трехсимвольных строк, оканчивающихся нулевым байтом. Выражение months[0] относится к Jan, months[1] – Feb и т.д. Такие выражения наталкивают нас на восприятие массива months как одномерного. Но на самом деле он имеет два измерения. Например, выражение months[1][2] ссылается на символ b строки “Feb”.

Листинг 4.3 использует многомерные массивы для отображения шахматной доски и фигур. (К сожалению, программа умеет только перемещать фигуры на доске и на самом деле не играет в шахматы.) Кроме того, программа chess демонстрирует, как ключевое слово typedef помогает сделать программу удобной для чтения.

Листинг 4.3. chess.c (пример шахматной доски в виде многомерного массива) 1: #include 2:

3: /* Символы шахматных фигур. Запоминаются в массиве board */ 4: #define NUMPIECES 5: typedef enum piece { 6: EMPTY, WPAWN, WROOK, WKNIGHT, WBISHOP, WQUEEN, WKING, 7: BPAWN, BROOK, BKNIGHT, BBISHOP, BQUEEN, BKING 8: } Piece;

9:

10: /* Новое имя для типа int */ 11: #define NUMRANKS 12: typedef int Ranks;

13:

14: /* Имена файлов */ 15: #define NUMFILES 16: typedef enum files { 17: A, B, C, D, E, F, G, H 18: } Files;

19:

20: /*Доска 8х8 с начальным расположением фигур*/ 21: Piece board[NUMRANKS][NUMFILES] = 22: { 23: {WROOK,WKNIGHT,WBISHOP,WQUEEN,WKING,WBISHOP,WKNIGHT,WROOK}, 24: {WPAWN, WPAWN, WPAWN, WPAWN, WPAWN, WPAWN, WPAWN, WPAWN}, 25: {EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY}, 26: {EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY}, 27: {EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY}, 28: {EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY, EMPTY}, 29: {BPAWN, BPAWN, BPAWN, BPAWN, BPAWN, BPAWN, BPAWN, BPAWN}, 30: {BROOK,BKNIGHT,BBISHOP,BQUEEN,BKING,BBISHOP,BKNIGHT,BROOK} 31: };

32:

33: /* Строковый массив сокращенных названий шахматных фигур */ 34: char pieceNames[NUMPIECES][3] = 35: { 36:.., wP, wR, wN, wB, wQ, wK, 37: bP, bR, bN, bB, bQ, bK 38: };

39:

40: /* Прототипы функций */ 41: void MovePiece(Files f1, Ranks r1, Files f2, Ranks r2);

42: void DisplayBoard(void);

43:

44: main() 45: { 46: DisplayBoard();

/* перед перемещением фигуры */ 47: MovePiece(D, 2, D, 4);

48: printf(\nPawn to D4 (d2-d4)\n);

49: DisplayBoard();

/* после перемещения фигуры */ 50: return 0;

51: } 52:

53: void MovePiece(Files f1, Ranks r1, Files f2, Ranks r2) 54: { 55: board[r2–1][f2] = board[r1 – 1][f1];

56: board[r1–1][f1] = EMPTY;

57: } 58:

59: void DisplayBoard(void) 60: { 61: Ranks r;

62: Files f;

63:

64: for (r = NUMRANKS;

r > 0;

r--) { 65: printf(\n%d:, r);

66: for (f = A;

f <= H;

f++) 67: printf( %s, pieceNames[board[r–1][f]]);

68: } 69: printf(\n a b c d e f g h\n);

70: } Даже без детального изучения программы chess вы можете легко заметить двухмерный массив шахматной доски board. Вместо таинственных чисел в строках 21-31 записаны имеющие смысл слова. Для белых фигур – WROOK (ладья), WKNIGHT (конь), WBISHOP (слон), WQUEEN (ферзь), WKING (король), WPAWN (пешка). Для черных – соответственно BROOK, BKNIGHT, BBISHOP, BQUEEN, BKING и BPAWN. Слово EMPTY обозначает пустую клетку. Порядок следования символов соответствует начальному расположению фигур в шахматах.

Старайтесь добиться того же уровня удобочитаемости в ваших собственных программах. Месяц, а тем более год спустя, когда вам понадобится изменить программу, вы оцените свою заботу о том, чтобы программа была понятной.

В строке 12 программы chess typedef используется для того, чтобы получить новое имя для типа int:

typedef int Ranks;

Поскольку символ Ranks (ряды) эквивалентен int, его можно использовать везде, где используется int. Например, в прототипе функции в строке void MovePiece(Ranks r1, Files f1, Ranks r2, Files f2);

параметры r1 и r2 являются номерами ряда шахматной доски. В действительности они имеют тип int, но новое имя типа данных проясняет их назначение.

Вы также можете использовать typedef с более сложным типом данных. На строках 5-8 объявляется псевдоним Piece для перечислимых символов, используемых для идентификации пустых клеток шахматной доски и играющих фигур. Объявление использует тот факт, что в языке С различаются строчные и прописные буквы. Запись typedef enum piece {...

} Piece;

объявляет псевдоним Piece для перечисления enum piece {...}. Имена Piece и piece являются здесь совершенно разными идентификаторами.

Теперь, используя typedef, вы можете объявить переменную с именем anyPiece типа Piece:

Piece anyPiece;

Она будет обозначать то же самое, что и enum piece anyPiece;

Строки 16-18 точно так же объявляют псевдоним Files для вертикалей шахматной доски от A до H. В этой программе буквы от А до Н не являются символами;

они представляют собой односимвольные перечислимые константы. Во внутреннем представлении А равно 1, В равно 2 и т.д.

Вооруженные этими символами строки 21-31 объявляют двухмерный массив Piece board, используя символические константы NUMRANKS (количество строк) и NUMFILES (количество столбцов). Это объявление также демонстрирует возможность инициализации двухмерного массива с помощью вложенных скобок.

Еще одна встреча с многомерным массивом происходит в строках 34 38, где объявляется строковый массив pieceNames (названия шахматных фигур). Строка “..” представляет пустую клетку. Порядок элементов в массиве pieceNames совпадает с порядком названий фигур в перечислении piece. Таким образом, pieceNames[WROOK] – название белой ладьи (“wR”);

а pieceNames[BQUEEN] – название черной королевы (“bQ”).

Эти взаимосвязи между элементами массива и индексами делают программу несложной для написания и сопровождения. Например, функция MovePiece() (строки 53-57), используя операторы присваивания, «передвигает» шахматную фигуру с одной клетки на другую.

Функция DisplayBoard() отображает игровую поверхность шахматной доски с помощью двух циклов for в строках 64 и 66. Строка демонстрирует пример вложенного индекса массива. Выражение pieceNames[board[r–1][f]] передает строковое имя шахматной фигуры на клетке доски в строке r – 1 и столбце f.

Замечание. Многие опытные программисты предлагают не вводить в программу никаких литеральных числовых значений за исключением 0 и 1.

Все другие литеральные значения должны быть заменены символическими константами.

Передача массивов функциям Вы можете передавать массивы функциям. Предположим, вам необходимо просуммировать значения, запомненные в массиве.

#define MAX double data[MAX];

Прототип функции, которая принимает в качестве параметра массив значений типа double, можно записать следующим образом:

double SumOfData(double data[MAX]);

Лучше оставить квадратные скобки пустыми и добавить второй параметр, означающий размер массива:

double SumOfData(double data[], int n);

Функцию SumOfData() написать нетрудно. Простой цикл while суммирует элементы массива, а оператор return возвращает результат:

double SumOfData(double data[], int n) { double sum = 0;

while (n > 0) sum += data[--n];

return sum;

} Замечание. Для экономии стековой памяти С передает функциям не содержимое массива, а лишь его адрес. Элементы массива остаются на своих местах. Такой способ экономит память стека, но приводит к тому, что изменение значений элементов массива в функции затрагивает исходные данные.

Передача многомерных массивов функциям При передаче многомерных массивов функциям вы должны также передать дополнительную информацию о размерности массива, чтобы избежать неправильной адресации. В случае двухмерного массива компилятору нужно знать количество столбцов, чтобы вычислять адреса элементов в начале каждой строки.

Этот факт имеет важные последствия при объявлении многомерных массивов в качестве параметров функции. Определив символические константы ROWS и COLS как количества строк и столбцов в двухмерном массиве, вы можете объявить функцию с двухмерным массивом в качестве параметра следующим образом:

void AnyFn(int data[ROWS][COLS]);

Вы также можете задать только количество столбцов:

void AnyFn(int data[][COLS]);

Иногда в функцию бывает удобно передать отдельным параметром количество строк:

void AnyFn(int data[][COLS], int numRows);

Параметр numRows сообщает функции, сколько строк в массиве data, реализуя тем самым способ, позволяющий передавать в одну и ту же функцию массивы с разным количеством строк. Конечно, было бы идеально передать параметрам функции AnyFn() обе размерности массива:

void AnyFn(int data[][], int numRows, int numCols);

/* ??? */ но, к сожалению, язык С не обладает такой возможностью. При передаче функциям двухмерных массивов вы должны задать, по крайней мере, количество столбцов, иначе компилятор не сможет правильно вычислить адреса элементов массива. Приведенное объявление функции не будет скомпилировано.

Листинг 4.4 демонстрирует использование многомерных массивов в качестве параметров функции. После запуска программы вы увидите две таблицы с различным количеством строк, что подтверждает способность программных функций обрабатывать массивы разной длины.

Листинг 4.4. multipar.c (передача функции многомерных массивов) 1: #include 2: #include 3: #include 4:

5: #define COLS 6:

7: void FillArray(int data[][COLS], int numRows);

8: void DisplayTable(int data[][COLS], int numRows);

9:

10: int data1[7][COLS];

11: int data2[4][COLS];

12:

13: main() 14: { 15: randomize();

16: FillArray(data1, 7);

17: DisplayTable(data1, 7);

18: FillArray(data2, 4);

19: DisplayTable(data2, 4);

20: return 0;

21: } 22:

23: void FillArray(int data[][COLS], int numRows) 24: { 25: int r, c;

26:

27: for (r = 0;

r < numRows;

r++) 28: for (c = 0;

c < COLS;

c++) 29: data[r][c] = rand();

30: } 31:

32: void DisplayTable(int data[][COLS], int numRows) 33: { 34: int r, c;

35:

36: for (r = 0;

r < numRows;

r++) { 37: printf(\n);

38: for (c = 0;

c < COLS;

c++) 39: printf(%8d, data[r][c]);

40: } 41: printf(\n);

42: } Функции FillArray() и DisplayTable() задают только число столбцов в параметре data. Реальное число строк передается отдельным параметром numRows типа int. Этот способ позволяет обеим функциям принимать массивы переменной длины при условии, что число столбцов остается фиксированным.

Указатели Вы, наверное, будете удивлены, узнав, что массивы на самом деле являются замаскированными указателями. Настало время поближе познакомиться с этими загадочными переменными.

Программы используют указатели, чтобы найти данные, подобно тому как на почте используют почтовые адреса, чтобы найти необходимых людей.

В С-программе указатель содержит адрес объекта (переменной или функции), хранящегося в памяти.

Несмотря на кажущуюся простоту, указатели – одно их самых гибких средств языка. С их помощью программы могут выполнять чтение и запись данных в любое место памяти. С другой стороны, это мощнейшее средство при неправильном обращении может разрушить данные в незащищенном месте памяти так быстро, что вы и глазом не успеете моргнуть. Но не следует из-за этой потенциальной опасности отказывать себе в удовольствии пользоваться указателями. Преодолев все трудности общения с ними, вы будете удивляться, как вообще можно было обойтись без них.

Введение в указатели Указатель – это обычная переменная, подобная переменным типа int или float. Чтобы объявить указатель, добавьте звездочку перед именем переменной при ее объявлении. Например, int p объявляет р как целую переменную, а int *p объявляет р как указатель на целую переменную.

(Расположение звездочки не является строгим правилом: можно записать int* p или int *p.) Как и все переменные, указатели требуют инициализации перед своим использованием. При инициализации указателя вы даете ему адрес, который указывает на определенное место в памяти. Никогда не используйте неинициализированные указатели. Они, подобно стрелам, выпущенным из лука наугад, часто вызывают трудно обнаруживаемые ошибки.

В этой главе описано несколько способов инициализации указателей.

Изучите эти методы и неотступно следуйте им, чтобы предотвратить возможные ошибки.

Объявление и разыменование указателей Если вы объявите целую переменную и указатель как int i;

/* целая переменная i */ int *p;

/* указатель p на целое значение */ то сможете выполнить присваивание переменной p адреса переменной i:

p = &i;

Унарный оператор взятия адреса & возвращает адрес объекта в памяти.

После присваивания указатель р указывает место в памяти, где хранится значение i. Чтобы отобразить значение переменной i, вы можете записать printf(%d, i);

Чтобы сделать то же самое, но с помощью указателя, запишите printf(%d, *p);

Использование указателя для получения доступа к адресуемому им данному называется разыменованием указателя. Выражение *р разыменовывает указатель р, возвращая целое значение, на которое он ссылается.

Из объявления указателя компилятор знает, какой тип данных адресует указатель. Поскольку указатель р объявлен как int *p, компилятор «понимает», что выражение *p возвращает значение типа int. Выражение *p может использоваться всюду, где разрешено применять целые переменные.

Указатели в качестве псевдонимов Листинг 4.5 демонстрирует принципы объявления, инициализации и разыменования указателей.

Листинг 4.5. alias.c (объявление, инициализация и разыменование указателя) 1: #include 2:

3: char c;

/* символьная переменная */ 4:

5: main() 6: { 7: char *pc;

/* указатель на символьную переменную */ 8:

9: pc = &c;

10: for (c = A;

c <= Z;

c++) 11: printf(%c, *pc);

12: return 0;

13: } Программа alias выводит алфавит. Единственный оператор вывода находится в строке 11, причем он напрямую не связан с глобальной символьной переменной с, которой в цикле for в строке 10 присваиваются символы от ‘A’ до ‘Z’. Если оператор printf() не использует символьную переменную, то как же он может отображать буквы алфавита?

Взгляните вначале на строку 7. Объявление char *pc сообщает компилятору, что рс – указатель на значение типа char. Строка 9 присваивает переменной рс адрес переменной с (рис. 4.4). В операторе printf() (строка 11) выражение *рс разыменовывает указатель, возвращая значение переменной, на которую он указывает (символ, хранящийся в переменной с).

Когда указатель адресует область памяти, где хранится значение другой переменной, то он называется псевдонимом. Подобно маске, псевдоним указателя скрывает истинное лицо объекта.

Нулевые указатели Нулевой указатель никуда не Память указывает. Он подобен стреле без Значение наконечника или дорожному знаку, указателя который упал на землю. В языке С (адрес) нулевой указатель – это указатель, который, по крайней мере в данный 03 05 pc момент, не адресует никакого допустимого значения в памяти.

05 ‘A’ c Значение нулевого указателя равно нулю – единственный адрес, до которого указатель не может …… «дотянуться». Вместо того чтобы записать литеральную цифру 0, где Рис. 4.4. Переменная с нибудь в заголовочном файле можно и указатель pc ссылаются на определить символ NULL:

одно и то же значение #define NULL Еще лучше включить один из таких заголовочных файлов, как stddef.h, stdio.h, stdlib.h или string.h, которые выполнят эту работу за вас.

Поскольку указатели являются числами, им можно присваивать целые значения. После объявления вида double *fp следующие операторы компилируются без ошибки:

fp = NULL;

fp = 0;

fp = 12345;

/* ??? */ Первые две строки дают один и тот же результат – присваивание переменной fp значения нуля. Но первая строка является самой безопасной и гарантирует корректную работу во всех моделях памяти. Последняя строка скомпилируется, но вызовет предупреждение компилятора: «Nonportable pointer conversion» («Недопустимое преобразование указателя»). Никогда не присваивайте указателям значения таким образом.

Присвоив указателю значение NULL, программа может проверить достоверность этого факта:

if (fp != NULL) оператор;

Если указатель равен NULL, следует предположить, что он не адресует достоверные данные;

это простой, но эффективный метод защиты от ошибок.

Подобно всем глобальным переменным, глобальные указатели инициализируются равными нулю. Если вы объявите указатель fp как глобальную переменную float *fp;

/* fp == NULL */ main() {...

} то fp будет равен значению NULL в начале работы программы. Но если вы объявите fp внутри функции, то, подобно всем локальным переменным, указатель будет иметь непредсказуемое значение. Для защиты от использования неинициализированных указателей лучше присвоить локальному указателю значение NULL:

void f(void) { float *fp = NULL;

...

} Указатели типа void Указатель типа void указывает на неопределенный тип данных.

Объявите указатель этого типа следующим образом:

void *nowhereLand;

Указатель nowhereLand может адресовать любое место в памяти и не ограничивается никаким определенным типом данных: он может адресовать переменную типа double, символ или произвольную область памяти, которая принадлежит операционной системе.

Замечание. Не путайте нулевой указатель с указателем типа void. Нулевой указатель не адресует достоверных данных, а указатель на void адресует данные неопределенного типа и также может быть нулевым.

При знакомстве с указателями типа void часто возникает вопрос: каким образом использовать данные, которые адресуются таким указателем? Один из способов – приведение типов. Для этого нужно предварить указатель объявлением типа данных, взятым в круглые скобки. Приведение типа заставляет компилятор рассматривать элемент одного типа (в данном случае указатель на void) как элемент другого типа (например указатель на double).

Для примера рассмотрим один из способов построения буферов данных, при котором выделяется некоторая область памяти и создается указатель для адресации этого буфера:

char buffer[1024];

/* 1024-байтовый буфер */ void *bp;

/* пока ни на что не указывает */ bp = &buffer;

/* указателю bp присвоен адрес buffer */ Если с – переменная типа char, то для присваивания ей первого символа из символьного массива buffer, адресуемого указателем bp типа void, вы можете записать:

c = *(char *)bp;

Выражение (char *)bp заставляет компилятор временно обращаться с bp как с указателем на char. Разыменование выражения вида *(char *)bp позволяет получить значение переменной типа char, которую адресует указатель bp (т.е. первый символ массива buffer).

Если буфер состоит из значений типа int и если i – переменная типа int, то с помощью аналогичного выражения приведения типов можно присвоить целое число из буфера переменной i:

i = *(int *)bp;

Указатели и функции Функции могут возвращать указатели, и вы можете передавать указатели в качестве аргументов параметрам функции.

Если функция объявляет параметр как указатель на некоторую переменную в памяти, то значение переменной может быть модифицировано внутри функции, т.к. в этом случае в стек копируется не значение переменной, а ее адрес.

Листинг 4.6. вызывает функцию, которая выполняет распространенную задачу, встречающуюся при сортировке данных – обменивает значения двух переменных.

Листинг 4.6. swapptr.c (обмен значениями внутри функции) 1: #include 2:

3: void PrintValues(void);

4: void Swap(int *a, int *b);

5: int a = 1, b = 0;

6:

7: main() 8: { 9: PrintValues();

10: Swap(&a, &b);

11: PrintValues();

12: return 0;

13: } 14:

15: void PrintValues(void) 16: { 17: printf("\na = %d, b = %d", a, b);

18: } 19:

20: void Swap(int *a, int *b) 21: { 22: int temp;

23:

24: temp = *a;

25: *a = *b;

26: *b = temp;

27: } Программа swapptr объявляет в строке 5 две глобальные переменные: a и b. Функция PrintValues() (строки 15-18) выводит на экран их значения. В программе функция вызывается дважды: до и после функции Swap(), чтобы проверить результаты работы последней.

Функция Swap() объявляет два параметра-указателя: а и b. В строке функции передаются адреса глобальных переменных, благодаря чему становится возможным их изменение внутри функции.

Внутри функции Swap() переменные обмениваются своими значениями. Так как параметры функции объявлены как указатели, в выражениях используется операция разыменования *.

Задание. Реализуйте функцию Swap() из листинга 4.6. без использования указателей:

void Swap(int a, int b);

Запустите программу на исполнение. Почему значения переменных a и b остаются без изменений?

Указатели и динамические переменные До сих пор в программных примерах мы сохраняли значения в глобальных или локальных переменных. Глобальные переменные находятся в фиксированных областях сегмента данных программы, локальные – сохраняются в стеке и существуют, пока активны функции, в которых они объявлены.

Оба вида переменных имеют одну общую черту – вы объявляете их прямо в тексте программы. Другой способ выделяет память для переменных во время выполнения программы. Такие переменные называются динамическими – они создаются в тот момент, когда это необходимо, и запоминаются в блоках памяти переменного размера, которые программисты называют кучей.

Кучу можно себе представить в виде просторной области памяти, которая может обеспечить гораздо больше места, чем глобальные или локальные переменные, и, таким образом, является прекрасным местом для запоминания больших буферов и структур данных, способных расширяться и сужаться в зависимости от размеров принимаемой информации.

Днамические переменные также называются переменными, адресуемыми указателями, т.к. только с помощью указателей можно использовать память в куче.

Резервирование памяти в куче Существует несколько способов выделения памяти в куче для динамических переменных. Самый распространенный использует библиотечную функцию с именем malloc(), являющимся сокращением от memory allocation (выделение памяти). Функция malloc() выделяет в куче заданное количество байтов. Функция возвращает адрес выделенного блока, который обычно присваивается указателю.

Чтобы воспользоваться данной функцией, включите заголовочный файл alloc.h и объявите указатель #include...

double *v;

/* v – указатель на тип double */ Затем вызовите функцию malloc(), задавая в круглых скобках число байтов для резервирования, и присвойте указателю v значение, возвращаемое функцией. Но сейчас перед вами загадка: сколько байтов вам нужно зарезервировать? Вы можете поискать размер элемента типа double в справочнике, но в целях лучшей переносимости программы используйте оператор sizeof:

v = (double *)malloc(sizeof(double));

Указатель v сейчас адресует блок памяти в куче, точно соответствующий размеру одного значения double. Функция malloc() может отказать, если куча уже заполнена или оставшаяся память не в состоянии вместить требуемое количество байтов. В этом случае malloc() возвращает нуль.

Теперь вы можете разыменовать указатель v, и использовать его как обычную переменную типа double:

*v = 3.14159;

А вот вывод значения, запомненного в куче:

printf(Value = %lf, *v);

Для резервирования памяти в куче вместо функции malloc() можно вызвать аналогичную функцию calloc(), прототип которой также объявлен в файле alloc.h. Эта функция работает подобно функции malloc(), но требует два аргумента – количество объектов, которые вы желаете разместить, и размер одного объекта. Используйте calloc() следующим образом:

long *lp;

lp = (long *)calloc(1, sizeof(long));

При этом резервируется память на одно значение long. Чтобы выделить память для 10 значений, вы должны записать:

lp = (long *)calloc(10, sizeof(long));

Кроме выделения памяти, функция calloc() устанавливает каждый зарезервированный байт равным нулю.

Удаление памяти в куче По окончании работы с выделенным блоком памяти в куче вы должны освободить его, чтобы malloc(), calloc() и другие функции выделения памяти могли снова воспользоваться этой памятью. Если вы не освободите зарезервированную память, которая вам больше не нужна, ее нельзя будет использовать до конца работы программы.

Чтобы освободить блок памяти, вызовите функцию free(). Допустим, указатель p адресует некоторый блок памяти в куче:

int *p;

p = (int *)malloc(sizeof(int));

После работы с этой памятью освободите ее, выполнив следующий оператор:

free(p);

В этом операторе вам не нужно задавать размер освобождаемой памяти – он запоминается в нескольких специальных байтах, примыкающих к каждому зарезервированному блоку.

Предупреждение. После освобождения памяти, адресуемой указателем р, ни при каких обстоятельствах не используйте этот указатель для выполнения чтения или записи значений в эту теперь незащищенную память. Некоторые программисты присваивают NULL указателям на освободившуюся память, что помогает предотвратить случайное использование незащищенных блоков памяти.

Указатели и массивы Все идентификаторы массивов на самом деле являются указателями, и все указатели могут адресовать массивы. Звучит странно? Чтобы разобраться, рассмотрим природу массива. Как вы уже знаете, массив объединяет «под одной крышей» набор переменных одного типа. Если идентификатор collection означает массив, то выражение collection[0] – его первый элемент. В известном смысле выражение collection[0] является аналогией разыменованного указателя.

Дело в том, что идентификатор collection в действительности является указателем-константой. Он указывает на первый элемент массива и не может быть переадресован. В остальном он ничем не отличается от обычных указателей. Таким образом, выражение *collection обозначает то же самое, что и collection[0] – значение первого элемента массива.

Добавление единицы к указателю увеличивает его значение на величину того типа данного, которое он адресует. Если массив collection имеет тип int, то прибавление к нему единицы (collection + 1) увеличивает получаемое значение на 2 (т.к. размер типа int – 2 байта). Если бы массив имел значение long, то значение увеличилось бы на 4 и т.д. В любом случае выражение (collection + 1) является адресом второго элемента массива.

Получаются следующие равенства:

*(collection + 1) == collection[1] /* то же значение */ collection + 1 == &collection[1] /* тот же адрес */ Не перепутайте *(collection + 1) и *collection + 1. Косвенная операция * имеет более высокий приоритет, чем операция +, поэтому последняя запись эквивалентна записи (*collection) + 1.

*(collection + 1) /* значение второго элемента массива */ *collection + 1 /* 1 добавляется к значению 1-го элемента */ Стандарт С описывает систему обозначений массива в терминах указателей, т.е. выражение collection[n] при компиляции программы переводится в *(collection + n). Квадратные скобки – лишь для удобства программистов.

Примечание. Выражение *(collection + n) можно понимать следующим образом: «Перейти к ячейке памяти с обозначением collection, переместиться на n единиц и осуществить здесь выборку значения».

Хотя обычно все эти подробности, касающиеся адресации массивов, оставляют компилятору, иногда бывает полезно взять на себя эту работу и использовать вместо индексов массивов указатели в явном виде. В качестве такого примера скомпилируйте и запустите листинг 4.7.

Листинг 4.7. ptrarray.c (адресация элементов массивов указателями) 1: #include 2:

3: #define MAX 10 /* размер массива */ 4:

5: void showFirst(void);

6:

7: int array[MAX];

/* глобальный массив из МАХ целых */ 8:

9: main() 10: { 11: int *p = array;

/* р – указатель на массив целых */ 12: int i;

13:

14: for (i = 0;

i < MAX;

i++) 15: array[i] = i;

16: for (i = 0;

i < MAX;

i++) 17: printf(%d\n, *p++);

18: p = &array[5];

19: printf(array[5] = %d\n, array[5]);

20: printf(*p...... = %d\n, *p);

21: return 0;

22: } Программа ptrarray показывает, как использовать указатели для получения доступа к элементам массива. В строке 11 объявляется указатель p типа int, которому присваивается адрес массива array того же типа. Если для вычисления адреса массива вы попытались бы использовать оператор взятия адреса вида &array, то это было бы ошибкой, которая вызвала бы предупреждение компилятора «Suspicious pointer conversion» (Подозрительное преобразование указателя). Помните, что array – это указатель, и вы можете прямо присваивать его значение другому указателю того же типа.

В строке 15 используется обычное индексное выражение array[i] для заполнения массива значениями от 0 до МАХ – 1. Затем второй цикл for в строках 16-17 отображает содержимое массива. Но на этот раз при обращении к элементам массива программа использует указатель р.

Посмотрите внимательно на выражение *р++ в строке 17. Оно содержит два действия. Разыменование *р дает значение, адресуемое указателем р. Затем оператор инкремента продвигает указатель р к следующему целому значению в массиве, заставляя цикл отобразить все его элементы.

Динамические массивы Массивы фиксированного размера могут понапрасну тратить память.

Например, если вы, желая подстраховаться, объявили 100-элементный массив типа double подобно следующему:

double myArray[100];

но используете только 70 элементов, то в этом случае память, отведенная еще для 30 значений, пропадает зря. Поскольку размер одного элемента типа double – 8 байтов, значит у других операций «отобрано» 240 байтов. В больших программах с множеством таких массивов объем зря потраченной памяти может достигать ошеломляющих размеров.

Если до начала выполнения программы определить размер массива невозможно, используйте динамические массивы, которые могут изменять свой размер во время выполнения программы. Так как массивы и указатели суть одно и то же, для этого вы можете использовать уже знакомую вам технику.

Сначала объявите указатель требуемого типа данных:

double *myArrayP;

Затем где-нибудь в программе вызовите функцию malloc(), чтобы выделить память из кучи. Например, если программа попросила пользователя ввести количество элементов массива и он ввел число 70, используйте оператор:

myArrayP = (double *)malloc(70 * sizeof(double));

Аналогичным образом вы можете также вызвать функцию calloc():

myArrayP = (double *)calloc(70, sizeof(double));

В данном случае все выделенные значения равны нулю.

В случае неудачного вызова функции malloc() и calloc() возвращают нуль, поэтому лучше всего после их вызова проверять, не равен ли указатель нулю:

myArrayP = (double *)calloc(70, sizeof(double));

if (myArrayP) /* если myArrayP не нуль, */ оператор;

/* то выполняется оператор */ Теперь вы можете использовать идентификатор myArrayP так же, как и обычный массив. Следующий оператор запоминает число 2.8 в 12-м элементе массива:

myArrayP[11] = 2.8;

/* квадратные скобки разыменовывают myArrayP*/ После использования массива освободите выделенную для него память:

free(myArrayP);

Затем вы можете вызвать функцию calloc() снова, чтобы выделить в куче другой объем памяти для другого массива типа double и присвоить новый адрес указателю myArrayP.

Резюме • Массивы содержат переменные одного и того же типа.

• Массив объявляется с помощью квадратных скобок. Например, запись int scores[100] объявляет массив scores для запоминания 100 значений типа int.

• Чтобы обратиться к конкретному элементу массива, используйте индексное выражение вида scores[9], которое возвращает десятый элемент массива scores. Первым индексом массива является нуль, таким образом, scores[0] – это первый элемент массива, scores[1] – второй и т.д.

• Строки являются массивами значений типа char. Вы можете использовать индексные выражения для доступа к отдельным символам, запомненным в строках.

• Двухмерные массивы можно рассматривать как прямоугольные матрицы, но они, как и все массивы, запоминаются в памяти последовательно. Для доступа к элементам двухмерного массива используйте выражения с двойными скобками, например point[x][y].

• Многомерные массивы могут иметь любое количество индексов. Однако их число редко превышает 3. Трехмерный массив можно объявить следующим образом: int cubic[10][20][4];

• Для экономии памяти в языке С массивы передаются параметрам функции по адресу. В функциях, которые объявляют массивы в качестве параметров, любые операторы, изменяющие элементы массивов, также изменяют и исходное содержимое массивов.

• Указатели являются переменными, которые содержат адреса других переменных и объектов в памяти.

• Объявляйте указатели с помощью оператора *. Объявление int p объявляет р как целую переменную;

int *p объявляет р как указатель на переменную типа int.

• Чтобы получить значение, на которое ссылается указатель, нужно выполнить операцию разыменования (*). Чтобы получить адрес переменной, используйте оператор взятия адреса (&).

• Нулевой указатель, имеющий значение 0, не адресует достоверных данных. Никогда не используйте нулевые указатели для чтения или записи информации в память.

• Указатель типа void, объявляемый как void *p, является указателем общего назначения, способным адресовать значения любого типа и в любом месте памяти. Не путайте нулевые указатели с указателями типа void. Нулевые указатели не адресуют допустимых данных. Указатели типа void адресуют данные неопределенного типа.

• Чтобы сообщить компилятору о типе данных, которые будет адресовать указатель типа void, используйте переопределение типов. Если указатель р имеет тип void, то выражение (int *)p заставит компилятор временно обращаться с указателем p как с указателем на значение типа int.

• Параметры функций, являющиеся указателями, позволяют изменять значение соответствующих аргументов. Указатели также могут быть возвращены в качестве результатов работы функций.

• Программы могут запоминать динамические переменные в обширной области памяти, называемой кучей. При завершении работы с динамическими переменными не забудьте освободить неиспользуемый блок памяти. Никогда не используйте освобожденный указатель для операций чтения или записи в память.

• Имя массива на самом деле является указателем-константой, который указывает на первый элемент массива и не может быть переадресован. В отличие от него обычная переменная типа указатель может принимать разные значения и указывать на различные объекты в памяти. За исключением этой особенности указатели и массивы являются эквивалентами. Указатель, подобно массиву, может быть индексирован.

• Динамические массивы могут изменять свой размер в процессе выполнения программы. Используйте динамические массивы, когда заранее неизвестно, сколько значений нужно хранить в массиве.

Обзор функций Таблица 4. Функции для работы со случайными числами (stdlib.h) Функция Прототип и краткое описание int rand(void);

rand() Функция возвращает псевдослучайное число в диапазоне от до 32767.

int random(int num);

random() Возвращает псевдослучайное число между 0 и num – 1.

void randomize(void);

randomize() Инициализирует генератор случайных чисел случайным значением, определяемым по текущему времени.

Таблица 4. Функции для выделения и освобождения памяти (alloc.h) Функция Прототип и краткое описание void *calloc(unsigned n, unsigned m);

calloc() Возвращает указатель на начало области динамически выделенной памяти для размещения n элементов по m байтов каждый. При неудачном завершении возвращает NULL.

void free(void *b1);

free() Освобождает блок динамически выделенной памяти с адресом первого байта b1.

void *malloc(unsigned n);

malloc() Возвращает указатель на блок динамически выделенной памяти длиной n байтов. При неудачном завершении возвращает значение NULL.

void *realloc(void *b1, unsigned n);

realloc() Сохраняя содержимое блока динамической памяти с адресом первого байта b1, изменяет его размер до n байтов. Если b1 равен NULL, то функция выполняется как malloc(). При неудачном завершении возвращает значение NULL.

5. Строки Благодаря строкам программы обладают даром речи. Почти каждая программа содержит одну или несколько строк. Настало время изучить эту тему глубже. В следующих разделах вы узнаете, как различные строки запоминаются в памяти, а также поближе познакомитесь с некоторыми строковыми функциями, которые могут разбивать строки, склеивать их вместе, выполнять поиск символов и т.п.

Что такое строка Как говорилось в предыдущей главе, строка представляет собой массив значений А типа char, завершающийся нулевым байтом.

Пробел Каждый символ в строке – это на самом деле целое число, представляющее собой код S ASCII.

t Как показано на рис. 5.1, символы r строки запоминаются в памяти Символы последовательно, друг за другом. Нулевой i символ (на рисунке он показан как \0) следует n сразу за последним значащим символом. Если g выделенная для строки память не до конца заполнена символами, то байты, Нулевой \ символ расположенные после нулевого символа, могут содержать произвольные значения.

Символы ASCII из стандартного набора Не исполь- имеют значения в диапазоне от 0 до 127.

зуются Стандартный набор включает управляющие последовательности, цифры и буквы английского алфавита (см. прил. 1). Символы Рис. 5.1. Размещение ASCII из расширенного набора имеют строки в памяти значения от 128 до 255. В этой части таблицы запоминаются, в частности, буквы русского алфавита. В строках ANSI C вы можете запоминать любые символы из стандартного или расширенного набора.

Управляющие последовательности – специальные символы ASCII, которые нельзя ввести в текстовых редакторах. В табл. 5.1 перечислены некоторые из них.

Таблица 5. Строковые управляющие последовательности Шестнадца Код Значение Десятичное Символ теричное \a Звонок (будильник) 7 0x07 BEL \b Шаг назад 8 0x08 BS \n Новая строка 10 0x0a LF \r Возврат каретки 13 0x0d CR \t Горизонтальная табуляция 9 0x09 HT \v Вертикальная табуляция 11 0x0b VT \\ Обратная косая черта 92 0x5c \ \ Апостроф 39 0x \ Двойная кавычка 34 0x \? Знак вопроса 63 0x3f ?

Каждая из управляющих последовательностей в табл. 5.1 представляет собой одиночный символ, запоминаемый в памяти как целое число и состоящий из обратной косой черты, за которой следует буква или знак препинания.

Управляющие последовательности допускаются всюду, где могут быть печатные символы. Символ ‘\n’, например, вам уже знаком. Чтобы закончить строку символом перехода на новую строку, нужно записать:

Эта строка заканчивается кодом новой строки\n;

Компилятор заменяет символ новой строки ‘\n’ на управляющий код конца строки, имеющий значение 10 (в шестнадцатеричном выражении 0x0a).

Поскольку управляющая последовательность начинается с обратной косой черты, для ввода самого символа обратной косой черты нужно ввести два этих символа подряд. Например, чтобы ввести в строку путь к файлу, нужно задать с клавиатуры маршрут, аналогичный следующему:

c:\\by\\test\\fun.c;

Если же вы забудете удвоить символ обратной косой, то строка c:\by\test\fun.c;

/* ??? */ при отображении может повести себя очень странно. Компилятор будет интерпретировать \b – как звонок, \t – как горизонтальную табуляцию и \f – как символ подачи бланка. Если строка вашего маршрута не работает, проверьте, нет ли там «одинокой» обратной косой черты.

Замечание. Есть одно исключение из правила относительно обратной косой черты. При разделении имен каталогов в директивах #include их не следует удваивать. Вот пример:

#include c:\anydir\anyfile.h Для ввода длинных литеральных строк ведите один символ обратной косой черты, чтобы сообщить компилятору о продолжении на следующей строке. Например, чтобы присвоить длинную строку указателю р, вы можете написать:

char *p = Эту длинную строку я \ ввел на нескольких строках, \ которые заканчиваются символами обратной косой черты.;

Строки обычно запоминаются одним из трех способов:

• Как литеральные строки, введенные непосредственно в текст программы.

• Как переменные, имеющие фиксированный размер в памяти.

• Как указатели, которые адресуют массивы символов, располагающиеся в динамической памяти.

Очень важно понять природу этих способов запоминания, чтобы знать, как использовать строки, а чуть позже вы увидите, как использовать и строковые функции.

Строковые литералы Литеральные строки вводятся непосредственно в текст программы.

Они должны быть заключены в кавычки.

#define TITLE "My program" Символическая константа TITLE ассоциируется с литеральной строкой “My program”, которая запоминается в сегменте глобальных данных программы. Всего эта строка будет занимать 11 байтов, включая как невидимый завершающий нулевой байт, добавляемый после символа ‘m’, так и пробел между двумя словами.

В выражениях компилятор обращается с литеральной строкой, подобной “My program”, как с адресом первого символа строки. Поэтому следующий оператор будет корректным:

char *stringPtr = "Mу program";

Переменная stringPtr объявляется как указатель на значение char. Данное присваивание инициализирует указатель stringPtr адресом символа ‘M’.

Этот оператор, несмотря на свой внешний вид, не копирует символы из одной области памяти в другую. Указателю stringPtr присваивается адрес, по которому запоминаются символы.

Поскольку массивы и указатели эквивалентны, то следующее выражение также будет приемлемым для компилятора:

char stringVar[] = My program;

но в этом случае литеральные символы из строки “My program” копируются в область памяти, зарезервированную для массива stringVar.

Есть еще одно различие. При сделанном объявлении char *stringPtr = "Литеральная строка";

какой-нибудь оператор может позже переприсвоить указателю stringPtr адрес другой литеральной строки:

stringPtr = "Новая литеральная строка";

Однако если вы объявляете строку следующим образом:

char stringVar[] = "Литеральная строка";

то позже уже не сможете присвоить stringVar другую строку stringVar = "Новая литеральная строка";

/* ??? */ так как stringVar является указателем-константой.

Строковые переменные Строковая переменная занимает фиксированный объем памяти.

Поскольку строки являются массивами, при их объявлении используются квадратные скобки, внутри которых находится целое значение, определяющее длину строки:

char stringVar[128];

Объявленная таким образом переменная stringVar может хранить от до 127 символов плюс завершающий нуль. Если объявление находится вне какой бы то ни было функции, то переменная stringVar глобальна, и ею могут пользоваться любые операторы. Все байты в глобальных строках (как и во всех глобальных переменных) устанавливаются равными нулю в начале выполнения программы. Если переменная stringVar была объявлена внутри функции, то ее могут использовать операторы только этой функции.

Локальные строки (как и другие локальные переменные) временно запоминаются в стеке и не обнуляются.

Строковые указатели Строковые указатели являются не строками, а указателями, которые определяют местонахождение в памяти первого символа строки. Строковые указатели объявляются как char * или, чтобы операторы не могли изменить адресуемые ими данные, как const char *.

В строковых указателях нет ничего особенного – они просто указывают на массив значений типа char и ведут себя аналогично другим указателям (см. главу 4). Существует много функций, которые обрабатывают строки, адресуемые указателями, и объявления char * очень распространены.

Чтобы выделить память в куче для строкового указателя, вызовите функцию malloc() и задайте размер, в который не забудьте включить один дополнительный байт для завершающего нуля. Оператор stringPtr = (char *)malloc(81);

резервирует 81 байт памяти в куче и присваивает указателю stringPtr адрес первого байта. Строка может содержать до 80 символов плюс завершающий нуль. По окончании работы со строкой вызовите функцию free(), чтобы вернуть зарезервированную память обратно в кучу, сделав ее доступной для будущих вызовов функции malloc():

free(stringPtr);

Чтобы обратиться к отдельным символам строки, вы можете использовать квадратные скобки. Например, чтобы отобразить третий символ в строке, адресуемой указателем stringPtr, можно написать:

printf("%c", stringPtr[2]);

При подобном индексировании строк лишь на вас лежит ответственность за то, что в указанном месте находится допустимый символ.

Если адресуемая строка содержит меньше трех значащих символов, то этот оператор выведет некорректную информацию.

Нулевые строки и нулевые символы В программировании на С нуль имеет много значений, и важно понимать различные значения нуля.

• Нулевой символ имеет ASCII-значение, равное нулю, и обычно в программах представляется символической константой NULL.

• Строка с завершающим нулем представляет собой массив с нулевым символом после последнего значащего символа в строке. Все строки должны иметь одну дополнительную позицию для завершающего нулевого символа.

• Нулевая строка – это строка, которая начинается с нулевого символа.

Длина нулевой строки равна нулю, но ее размер в памяти может занимать больше одного байта. Литеральная нулевая строка записывается как “”.

• Нулевой указатель на строку не адресует никаких достоверных данных – он не является эквивалентом нулевой строки. Чтобы создать нулевой указатель на строку, присвойте указателю значение NULL. Чтобы создать нулевую строку, присвойте NULL первому символу строки.

• Наконец, символ ‘0’ является обычным символом, содержащимся в таблице ASCII, и имеющим десятичный код 48.

Строковые функции Существует богатая библиотека строковых функций, и все они начинаются с букв str, что позволяет легко находить их в описании библиотек. Включите в начало вашего модуля заголовочный файл string.h:

#include чтобы использовать строковые функции.

Отображение строк Чтобы отобразить строку на экране, передайте ее функции printf().

Например, следующие две строки создают, инициализируют и отображают строку с именем company:

char company[] = Intel Corporation;

printf(company);

Вообще говоря, громоздкая функция printf() предназначена для решения более сложных задач форматированного вывода. Для того чтобы отобразить текст и начать новую строку, проще вызвать небольшую функцию puts() из файла stdio.h:

char processor[] = Pentium IV;

puts(processor);

А вот для вывода форматированных строк printf() незаменима:

printf(Как жаль, что у моего компьютера нет %s!, processor);

Чтение строк Кроме отображения строк, большинству программ нужно также вводить символы с клавиатуры, дисковых файлов и других источников.

Чтобы прочитать строку символов, выполните оператор типа:

scanf(%80s, string);

Спецификатор %80s указывает на то, что будет прочитано не более символов, что позволяет избежать переполнения строки. Затем вы можете отобразить результат:

puts(string);

Если вы захотите испытать этот метод ввода строк, вы можете столкнуться с одной проблемой. Функция scanf() завершит ввод на первом же пробеле или символе табуляции, или при нажатии клавиши .

Например, если вы введете “Это строка”, в строке запомнится только “Это”.

Чтобы ввести строки, содержащие пробелы, используйте библиотечную функцию gets():

puts(Введите строку: );

gets(string);

К сожалению, функция gets() не защищает пользователей от ввода большего количества символов, чем может вместить строка. Например, объявим такую строку:

char string[10];

Тогда при вводе 11-го и последующих символов функция gets() будет принимать их, записывая за пределами строки поверх данных, которые, к своему несчастью, оказались в этой области. Чтобы предотвратить подобные ошибки, используйте буферы ввода большого размера (обычно берется размер 128 байтов):

char string[128];

Преобразование строк в значения Символьные строки часто используют для ввода значений в программу с клавиатуры. Если вводятся числа, то их необходимо преобразовать в целые значения или значения с плавающей запятой.

Используйте функцию atof() для преобразования строк ASCII в значения с плавающей запятой типа double (несмотря на то, что функция называется atof(), что означает «из ASCII во float», результат будет иметь тип double). Для преобразования строк в целые значения воспользуйтесь функцией atoi() («из ASCII в integer»). А функция atol() поможет в преобразовании строк в значения типа long. Все три функции описаны в файле stdlib.h.

Два листинга демонстрируют использование этих функций. Листинг 5.1 преобразует введенную строку в целые значения в различных форматах.

Скомпилируйте и запустите эту программу, а затем введите целое число.

Листинг 5.1 convert.c (преобразование строки в целые значения) 1: #include 2: #include 3:

4: main() 5: { 6: int value;

7: char string[128];

8:

9: printf(Enter value: );

10: gets(string);

11: value = atoi(string);

12: printf(Value in decimal = %d\n, value);

13: printf(Value in hex = %#x\n, value);

14: printf(Value in octal = %o\n, value);

15: return 0;

16: } Чтобы поместить введенный с клавиатуры текст в строку, программа пользуется функцией gets(). В свою очередь, функция atoi() преобразует эту строку в целое значение, присваивая его переменной value (строка 11). Затем три оператора printf() отображают значение переменной value в десятичном (%d), шестнадцатеричном(%#x) и восьмеричном(%o) форматах.

Чтобы преобразовать строки в значения типа long int, используйте функцию atol(). Например, вы могли бы заменить объявление в строке 6 на long value, а затем в строке 11 выполнить оператор value = atol(string).

Следующая программа показывает, как преобразовать строки в значения с плавающей запятой. Листинг 5.2 предлагает ввести значение в милях и отображает эквивалентное расстояние в километрах.

Листинг 5.2 kilo.c (преобразование миль в километры) 1: #include 2: #include 3:

4: main() 5: { 6: double miles;

7: char string[128];

8:

9: printf(Convert miles to kilometers\n);

10: printf(How many miles? );

11: gets(string);

12: miles = atof(string);

13: printf(kilometers = %lf\n, miles * 1.609344);

14: return 0;

15: } В строке 12 функция atof() преобразует введенный текст в значение с плавающей запятой типа double, присваивая его переменной miles. Затем оператор printf() отображает значение miles, умноженное на приблизительное число километров в одной миле (1.609344).

Определение длины строк Длина строки определяется просто. Для этого нужно передать указатель на строку функции strlen(), которая возвратит длину строки в символах. В следующем примере char *s = "Любая строка";

int len = strlen(s);

переменная len устанавливается равной длине строки, адресуемой указателем s. Листинг 5.3 показывает, как использовать функцию strlen().

Листинг 5.3. length.c (использование функции strlen()) 1: #include 2: #include 3:

4: #define MAXLEN 5:

6: main() 7: { 8: char string[MAXLEN];

/* место для 255 символов */ 9:

10: printf ("\nEnter a string: ");

11: gets(string);

12: puts("");

/* начать новую строку */ 13: puts(string);

14: printf("Length = %d characters\n", strlen(string));

15: return 0;

16: } Строка 8 определяет строковую переменную string, которая принимает ввод. После того как вы введете строку, программа передаст переменную string функции strlen(), которая вычислит длину строки в символах (строка 14). Оператор printf() в этой же строке листинга отобразит вычисленное значение.

Копирование строк Оператор присваивания для строк не определен. Если sl и s2 – символьные массивы, вы не сможете скопировать один в другой следующим образом:

s1 = s2;

/* ??? */ Данный оператор не компилируется. Но если s1 и s2 объявить как указатели типа char *, компилятор согласится с этим оператором, хотя вряд ли вы получите ожидаемый результат. Вместо копирования символов оператор s1 = s2 скопирует значение указателя s2 в указатель s1. Указатель s1, таким образом, будет указывать на то же место в памяти, что и s2, а информация, которую он адресовал до этого, может быть утеряна.

Чтобы корректно скопировать одну строку в другую, вызовите функ цию strcpy(). Для двух указателей s1 и s2 типа char * оператор strcpy(s1, s2);

копирует символы, адресуемые указателем s2, в память, адресуемую указателем s1, включая завершающие нули. Ответственность за то, что принимающая строка будет иметь достаточно места для хранения новой, лежит на вас.

Функция strncpy() аналогична по действию функции strcpy(), однако она позволяет ограничивать количество копируемых символов. Оператор strncpy(s1, s2, 10);

скопирует 10 символов из строки, адресуемой указателем s2, в область памяти, адресуемую указателем s1. Если строка s2 имеет больше символов, то результат усекается. Если же меньше – неиспользуемые байты устанавливаются равными нулю.

Дублирование строк В больших программах с множеством строковых переменных готовить специальные буферы для функции gets() слишком утомительно. Хорошо бы иметь такую функцию, которая позволяла бы вводить строку с клавиатуры и запоминать ее в куче, чтобы строка занимала ровно столько байтов, сколько требуется. Долой напрасные затраты памяти!

Листинги 5.4 и 5.5 образуют один небольшой модуль с единственной функцией GetStringAt(), которая удовлетворяет этим требованиям. Файл gets.h – заголовочный: он содержит только объявления и прототип функции.

Файл gets.c – это отдельный модуль, в котором описана функция GetStringAt(). Ни один из этих файлов не является законченной программой.

Листинг 5.4. gets.h (заголовочный файл для gets.c) 1: /* gets.h – заголовочный файл для gets.с */ 2:

3: #define MAXLEN 128 /* максимальный размер строки */ 4:

5: char *GetStringAt(int size);

Листинг 5.5. gets.c (описание функции получения строки) 1: #include 2: #include 3: #include 4: #include "gets.h" 5:

6: /* Замечание: это не полная программа. Вы должны 7: скомпоновать этот модуль с главной программой. */ 8:

9: char *GetStringAt(int size) 10: { 11: char buffer[MAXLEN];

/* временный буфер ввода */ 12: int i = 0;

/* индекс буфера */ 13: char с;

/* принимает введенные символы */ 14:

15: if ((size > MAXLEN) || (size <= 0)) /* проверить размер */ 16: size = MAXLEN;

17: while (--size > 0) { /* ввод строки */ 18: с = getchar();

19: if (с == \n) 20: size = 0;

21: else 22: buffer[i++] = с;

23: } 24: buffer[i] = \0;

/* завершение строки нулем */ 25: return strdup(buffer);

/* возвращение копии buffer */ 26: } Модуль в листинге 5.5 включает свой собственный заголовочный файл (строка 4), который определяет константу MAXLEN и объявляет прототип функции GetStringAt().

Оператор if в строке 15 проверяет параметр size. Если его значение находится вне заданного диапазона, то ему присваивается значение MAXLEN. В строке 17 цикл while вызывает функцию getchar() (строка 18), которая ожидает, пока вы введете символ. Программа присваивает этот символ переменной с и проверяет его на совпадение с управляющим символом ‘\n’ («новая строка», означающая, что вы нажали ). Если это условие оказалось выполненным, программа устанавливает параметр size равным нулю, завершая тем самым цикл while. В противном случае программа присваивает значение переменной с элементу массива buffer с индексом i. Индекс инкрементируется оператором ++ для подготовки к вводу следующего символа Замечание. Выполните цикл while в пошаговом режиме отладчика, на блюдая при этом за значениями переменных buffer, с и i. Это хороший способ узнать, как цикл while вводит строку.

В строке 24 добавляется завершающий нулевой символ, служащий признаком конца строки. И, наконец, строка 25 возвращает результат функции GetStringAt(). Этот оператор передает строку buffer функции strdup(), которая размещает копию строки в динамической памяти.

Новая строка занимает столько памяти, сколько необходимо. Если переменная s имеет тип char *, то оператор s = strdup("Двойная тревога");

Pages:     | 1 || 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.