Pobierz Podstawy programowania - Wykład Dr hab. inż. Grzegorz Dudek, prof. WSTI i więcej Schematy w PDF z Kompilatory tylko na Docsity!

Podstawy

programowania

wykład

Dr hab. inż. Grzegorz Dudek, prof. WSTI

Wyższa Szkoła Technologii

Informatycznych w Katowicach

Katowice 2016

Spis treści

• 1. Informacje wstępne.........................................................................................................................
  • 1.1. Zakres tematyczny wykładu
  • 1.2. Zalecana literatura...................................................................................................................
  • 1.3. Podstawowe definicje
  • 1.4. Proces kompilacji
    • Analiza programu źródłowego
    • Fazy kompilatora
    • Zarządzanie tablicą symboli...........................................................................................................
    • Wykrywanie i zgłaszanie błędów
    • Fazy analizy
    • Generacja kodu pośredniego
    • Optymalizacja kodu
    • Generacja kodu
• 2. Język C – wiadomości wstępne......................................................................................................
     • Historia
     • Standaryzacje
     • Zastosowania i przyszłość języka C
     • Zintegrowane Środowiska Programistyczne
     • Komunikaty o błędach
• 3. Pierwszy program w C
• 4. Podstawy języka C
  • 4.1. Struktura blokowa
  • 4.2. Zasięg zmiennych
  • 4.3. Funkcje
  • 4.4. Biblioteki standardowe..........................................................................................................
  • 4.5. Komentarze i styl pisania programu
  • 4.6. Preprocesor
  • 4.7. Nazwy zmiennych, stałych i funkcji
• 5. Zmienne
  • 5.1. Czym są zmienne?
    • Deklaracja zmiennych....................................................................................................................
    • Zasięg zmiennej
    • Czas życia
    • Stałe
  • 5.2. Typy zmiennych
    • int...................................................................................................................................................
    • float
    • double............................................................................................................................................
    • char
    • void
  • 5.3. Specyfikatory
    • signed i unsigned
    • short i long
  • 5.4. Modyfikatory
    • volatile
    • register
    • static
    • extern
    • auto
• 6. Operatory
  • 6.1. Przypisanie.............................................................................................................................
  • 6.2. Skrócony zapis
  • 6.3. Rzutowanie
  • 6.4. Operatory arytmetyczne
    • Inkrementacja i dekrementacja.....................................................................................................
  • 6.5. Operacje bitowe
    • Przesunięcie bitowe
  • 6.6. Porównanie
    • Częste błędy
  • 6.7. Operatory logiczne
    • Prawda i fałsz w języku C
    • Skrócone obliczanie wyrażeń logicznych
  • 6.8. Operator wyrażenia warunkowego
  • 6.9. Przecinek
  • 6.10. Operator sizeof
  • 6.11. Inne operatory
  • 6.12. Priorytety i kolejność obliczeń
  • 6.13. Kolejność wyliczania argumentów operatora
• 7. Instrukcje sterujące
  • 7.1. Instrukcje warunkowe
    • Instrukcja if
    • Instrukcja switch
  • 7.2. Pętle.......................................................................................................................................
    • Instrukcja while
    • Instrukcja for
    • Instrukcja do..while
    • Instrukcja break
    • Break i pętle nieskończone
    • Instrukcja continue
  • 7.3. Instrukcja goto
  • 7.4. Natychmiastowe zakończenie programu — funkcja exit
• 8. Podstawowe procedury wejścia i wyjścia
  • 8.1. Wejście/wyjście
  • 8.2. Funkcje wyjścia
    • Funkcja printf()
    • Funkcja puts()
    • Funkcja fputs()
    • Funkcja putchar()
  • 8.3. Funkcje wejścia
    • Funkcja scanf()
    • Funkcja fgets()
    • Funkcja getchar()
• 9. Funkcje
  • 9.1. Tworzenie funkcji
    • Procedury
  • 9.2. Wywoływanie funkcji
  • 9.3. Zwracanie wartości................................................................................................................
  • 9.4. Funkcja main()
  • 9.5. Dalsze informacje
    • Jak zwrócić kilka wartości?
    • Przekazywanie parametrów
    • Funkcje rekurencyjne
    • Deklarowanie funkcji
    • Zmienna liczba parametrów
    • Funkcje przeciążone (C++)
    • Domyślne wartości argumentów funkcji (C++)
    • Funkcje inline (C++)
    • Ezoteryka C
• 10. Preprocesor
  • 10.1. Dyrektywy preprocesora
    • #include
    • #define...........................................................................................................................................
    • #undef
    • #if #elif #else #endif
    • #ifdef #ifndef #else #endif.............................................................................................................
    • #error
    • #warning
    • #line

    • oraz

    • Predefiniowane makra
• 11. Biblioteka standardowa.............................................................................................................
      • Czym jest biblioteka?.....................................................................................................................
      • Po co nam biblioteka standardowa?
      • Jak skonstruowana jest biblioteka standardowa?.........................................................................
      • Gdzie są funkcje z biblioteki standardowej?
      • Opis funkcji biblioteki standardowej
• 12. Obsługa plików – zapis i odczyt danych
      • Podstawowa obsługa plików
      • Dane znakowe
      • Pliki a strumienie
      • Obsługa błędów
      • Zaawansowane operacje
      • Rozmiar pliku
      • Przykład — pliki graficzny
• 13. Tablice
      • Sposoby deklaracji tablic
      • Odczyt/zapis wartości do tablicy
      • Tablice znaków
      • Tablice wielowymiarowe
      • Ograniczenia tablic
• 14. Wskaźniki
      • Co to jest wskaźnik?
      • Operowanie na wskaźnikach
      • Dostęp do wskazywanego obiektu
      • Arytmetyka wskaźników
      • Tablice a wskaźniki
      • Wskaźnik jako argument funkcji..................................................................................................
      • Pułapki wskaźników.....................................................................................................................
      • Na co wskazuje NULL?
      • Stałe wskaźniki.............................................................................................................................
      • Dynamiczna alokacja pamięci......................................................................................................
      • Wskaźniki na funkcje
      • Możliwe deklaracje wskaźników
      • Typowe błędy
      • Ciekawostki..................................................................................................................................
• 15. Napisy
  • 15.1. Jak łańcuchy są przechowywane w pamięci?
  • 15.2. Operacje na łańcuchach
    • Porównywanie łańcuchów
    • Kopiowanie napisów
    • Łączenie napisów.........................................................................................................................
  • 15.3. Konwersje
  • 15.4. Operacje na znakach***
  • 15.5. Częste błędy.....................................................................................................................
  • 15.6. Unicode[edytuj]
    • Jaki rozmiar i jakie kodowanie.....................................................................................................
• 16. Typy złożone
  • 16.1. typedef
  • 16.2. Typ wyliczeniowy
  • 16.3. Struktury
  • 16.4. Unie
  • 16.5. Pola bitowe
  • 16.6. Studium przypadku - implementacja listy wskaźnikowej
• 17. Funkcje matematyczne............................................................................................................
• 18. Przykładowe programy w C
  • 18.1. Pierwiastki równania kwadratowego
  • 18.2. Zapis daty i czasu w pliku tekstowym
  • 18.3. Zliczanie znaków w pliku tekstowym...............................................................................
  • 18.4. Sortowanie liczb
  • 18.5. Generacja dziwnego atraktora

1. INFORMACJE WSTĘPNE

1.1. Zakres tematyczny wykładu

Patrz spis treści.

Wykład oparty jest głównie na [Pro].

1.2. Zalecana literatura

[Gre] Grębosz J.: Symfonia C++ Standard. Edition 2000, 2009.

[Pra] Prata S.: Szkoła programowania. Język C. Helion.

[Har] Harris S., Ross J.: Algorytmy od podstaw. Helion.

[Wro] Wróblewski P.: Algorytmy, struktury danych i techniki programowania. Helion.

[Pro] Programowanie w C. Wikibooks. http://upload.wikimedia.org/wikibooks/pl/6/6a/C.pdf

[Pys] Pyszczuk A.: Programowanie w języku C. http://www.arturpyszczuk.pl/files/c/pwc.pdf

1.3. Podstawowe definicje

Algorytm :

 zbiór dobrze zdefiniowanych kroków prowadzących do wykonania pewnego zadania

 w matematyce skończony ciąg jasno zdefiniowanych czynności, koniecznych do wy-

konania pewnego rodzaju zadań

 skończony ciąg/sekwencja reguł, które aplikuje się na skończonej liczbie danych, po-

zwalający rozwiązywać zbliżone do siebie klasy problemów

 zespół reguł charakterystycznych dla pewnych obliczeń lub czynności informatycz-

nych

Algorytm ma przeprowadzić system z pewnego stanu początkowego do pożądanego stanu

końcowego. Badaniem algorytmów zajmuje się algorytmika. Algorytm może zostać zaim-

plementowany w postaci programu komputerowego.

#include <stdio.h> //komentarz main () { int a = 4 ; int b = 7; if (a >= b) printf("a wieksze lub rowne b\n");

Przykładowy program w JavaScript. figure('Renderer','zbuffer') Z = peaks; surf(Z); axis tight set(gca,'NextPlot','replaceChildren'); F(20) = struct('cdata',[],'colormap',[]); for j = 1: surf(.301+cos(1*pi*j/50)*Z,Z) F(j) = getframe; end Przykładowy program w Matlabie.

Ranking popularności języków programowania:

http://www.tiobe.com/index.php/content/paperinfo/tpci/index.html

Program komputerowy to sekwencja symboli opisująca obliczenia zgodnie z pewnymi regu-

łami zwanymi językiem programowania. Program jest zazwyczaj wykonywany przez kom-

puter, czasami bezpośrednio – jeśli wyrażony jest w języku zrozumiałym dla danej maszyny

lub pośrednio – gdy jest kompilowany lub interpretowany przez inny program.

Formalne wyrażenie metody obliczeniowej w postaci języka zrozumiałego dla człowieka na-

zywane jest kodem źródłowym , podczas gdy program wyrażony w postaci zrozumiałej dla

maszyny (to jest za pomocą ciągu zer i jedynek) nazywany jest kodem maszynowym bądź

postacią binarną (wykonywalną). Kompilator tłumaczy kod źródłowy zapisany w danym

języku programowania na kod maszynowy, dzięki czemu możliwe staje się jego późniejsze

uruchomienie. Interpreter natomiast odczytuje kod źródłowy na bieżąco, analizuje go i wy-

konuje kolejne porcje przetłumaczonego kodu. Programy przeznaczone do interpretacji często

nazywane są skryptami.

Programy komputerowe można zaklasyfikować według ich zastosowań. Wyróżnia się: apli-

kacje użytkowe, systemy operacyjne, gry wideo, kompilatory i inne.

W najprostszym modelu wykonanie programu polega na umieszczeniu go w pamięci opera-

cyjnej komputera i wskazaniu procesorowi adresu pierwszej instrukcji. Po tych czynnościach

procesor będzie wykonywał kolejne instrukcje programu, aż do jego zakończenia. Program

może zakończyć się w dwojaki sposób: poprawnie lub błędnie.

Program komputerowy będący w trakcie wykonania nazywany jest procesem lub zadaniem.

Program można podzielić na dwie części (obszary):

 część kodu (składającą się z instrukcji sterujących działaniem procesora),

 część danych (składającą się z danych wykorzystywanych i opracowywanych przez

program, np. adresów pamięci, stałych liczbowych, komunikatów tekstowych).

Programowanie jest procesem tworzenia programów. Jest to cykliczny proces polegający na:

Kod asemblera jest mnemonicznym zapisem kodu maszynowego, w którym używa się nazw

zamiast binarnych kodów operacji i adresów pamięci. Typowa sekwencja rozkazów w asem-

blerze może mieć postać (jest to zapis instrukcji b = a + 2;):

w asemblerze:

MOV a, R ADD #2, R MOV R1, b

w kodzie maszynowym:

(np.: „0001 01 00 00000000”) (np.: „0011 01 10 00000010”) (np.: „0010 01 00 00000100”)

Analiza programu źródłowego

W kompilacji analiza składa się z trzech faz:

 Analizy liniowej (analiza leksykalna, skanowanie) , w której strumień znaków, skła-

dający się na program wejściowy, jest wczytywany od lewej do prawej i grupowany w

symbole leksykalne ( atomy leksykalne, tokeny ), czyli ciągi znaków mających razem

pewne znaczenie. Moduł wykonujący analizę leksykalną nazywa się lekserem, skane-

rem lub analizatorem leksykalnym.

 Analizy hierarchicznej (analiza składniowa lub syntaktyczna), w której znaki lub

symbole leksykalne są grupowane hierarchicznie w zagnieżdżone struktury mające

wspólne znaczenie.

 Analizy semantycznej (analizy znaczeniowej), w której przeprowadzone są pewne

działania, mające zapewnić, że składniki programu pasują do siebie pod względem

znaczenia.

Przykładowo w analizie liniowej, znaki instrukcji przypisania:

pozycja:=poczatek+tempo*

są pogrupowane w następujące symbole leksykalne:

 identyfikator pozycja

 symbol przypisania :=

 identyfikator poczatek

 znak plus +

 identyfikator tempo

 znak mnożenia *

 liczba 60

Ewentualne odstępy rozdzielające znaki tych symboli leksykalnych zostaną wyeliminowane

podczas analizy leksykalnej.

Analiza hierarchiczna polega na grupowaniu symboli leksykalnych programu źródłowego w

wyrażenia gramatyczne, które są reprezentowane przez kompilator do syntezy kodu wyniko-

wego. Zwykle wyrażenia gramatyczne są reprezentowane przez drzewo wyprowadzenia lub

drzewo składniowe.

Drzewo wyprowadzenia lub drzewo składniowe opisują składniową strukturę wejścia.

Analiza semantyczna polega na kontroli programu źródłowego wyszukującej błędy seman-

tyczne oraz na zbieraniu informacji dla kolejnej fazy, jaką jest generacja kodu. Do analizy

semantycznej, w celu zidentyfikowania operatorów i argumentów wyrażeń i instrukcji, używa

się hierarchicznej struktury otrzymanej z analizy składniowej. Ważnym elementem analizy

semantycznej jest kontrola typów.

 optymalizator – dokonujący optymalizacji kodu pod różnymi kątami, np. szybkości

wykonywania, ilości pamięci wykorzystywanej przez program, możliwości zrównole-

glenia itp.

 konsolidator (linker) – w trakcie procesu konsolidacji łączy skompilowane pliki za-

wierające kod obiektowy lub pliki bibliotek statycznych tworząc w ten sposób plik

wykonywalny.

 debugger (odpluskwiacz) – program służący do dynamicznej kontroli nad wykona-

niem kodu, w celu odnalezienia i identyfikacji zawartych w nim błędów. Współczesne

debuggery pozwalają na efektywne śledzenie wartości poszczególnych zmiennych,

wykonywanie instrukcji krok po kroku czy wstrzymywanie działania programu w

określonych miejscach.

Zarządzanie tablicą symboli

Ważną funkcją kompilatora jest zapamiętywanie identyfikatorów używanych w programie

źródłowym i zbieranie informacji o różnych atrybutach tych identyfikatorów (rozmiarze pa-

mięci zajętej dla identyfikatora, typie, zasięgu), a w przypadku procedur podają liczbę, typy i

metodę przekazywania argumentów oraz ewentualnie typ wyniku.

Tablica symboli jest strukturą danych zawierającą dla wszystkich identyfikatorów rekordy z

ich atrybutami. Każdy identyfikator znaleziony w programie źródłowym podczas analizy lek-

sykalnej jest dodawany do tej tablicy, a jego atrybuty mogą być dodawane w kolejnych fa-

zach.

Wykrywanie i zgłaszanie błędów

Podczas każdej fazy kompilacji można napotkać błędy w programie źródłowym. Większość

błędów wykrywana jest podczas analizy składniowej i semantycznej.

W fazie analizy leksykalnej mogą zostać wykryte błędy, jeśli znaki znajdujące się na wejściu

nie stanowią żadnego symbolu leksykalnego języka. Kiedy strumień nie pasuje do zasad bu-

dowy strukturalnej (składniowej) języka, błędy są znajdowane w fazie analizy składniowej.

Podczas analizy semantycznej kompilator wykrywa konstrukcje z poprawną strukturą skła-

dniową, ale na których nie daje się zastosować użytej operacji.

Błędy więc mogą być:

 leksykalne, np. błędnie wpisany identyfikator, słowo kluczowe lub operator,

 składniowe, np. wyrażenie arytmetyczne z niewyważonymi nawiasami,

 semantyczne, np. zastosowanie operatora do niekompatybilnego argumentu,

 logiczne, np. wywołanie rekurencyjne w nieskończonej pętli.

Fazy analizy

Podczas postępu translacji zmienia się wewnętrzna reprezentacja programu źródłowego w

kompilatorze.