Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.Ι. Κρήτης Προγραμματισμός Η/Υ (ΤΛ2007 ) Δρ. Μηχ. Νικόλαος Πετράκης (npet@chania.teicrete.gr) Ιστοσελίδα Μαθήματος: https://eclass.chania.teicrete.gr/ Εξάμηνο: Εαρινό 2015-16
Γενικά περί μεταβλητών H μνήμη RAM ενός Η/Υ αποτελείται από πολλά εκατομμύρια διαδοχικές θέσεις αποθήκευσης και κάθε θέση προσδιορίζεται από μία μοναδική διεύθυνση. Όταν δηλώνουμε μία μεταβλητή σε ένα πρόγραμμα της C, o μεταγλωττιστής δεσμεύει μία περιοχή μνήμης (κατάλληλου μεγέθους), η οποία ξεκινάει από μια θέση μνήμης με μοναδική διεύθυνση για να αποθηκεύσει αυτή τη μεταβλητή. Ο μεταγλωττιστής συσχετίζει αυτή τη διεύθυνση με το όνομα της μεταβλητής. 2
Μεταβλητές τοπικής εμβέλειας Στο σώμα μίας συνάρτησης μπορούμε να ορίσουμε μεταβλητές. Οι μεταβλητές αυτές έχουν περίοδο ζωής όσο διαρκεί η λειτουργία της συνάρτησης. Οι μεταβλητές αυτές έχουν εμβέλεια και δικαίωμα χρήσης μόνο στο σώμα της συγκεκριμένης συνάρτησης που ορίζονται. Αυτό ισχύει ακόμα και αν υπάρχει μεταβλητή σε άλλο σημείο στο πρόγραμμα με το ίδιο όνομα. Είναι γενικά κακό προγραμματιστικό στυλ να χρησιμοποιούμε το ίδιο όνομα για μία τοπική μεταβλητή (local variable) και για μία καθολική μεταβλητή (global variable). 3
#include <stdio.h> int sum(int, int); int i, j, k; Παράδειγμα void main() Μεταβλητές καθολικής εμβέλειας { printf( Enter two numbers: ); scanf( %d%d, &i, &j); k = sum( i, j ); } printf( The sum of %d, %d is: %d, i, j, k); int sum(int number1, int number2) { int m; m = number1 + number2; return m; } Μεταβλητή τοπικής εμβέλειας 4
Κλήση της συνάρτησης Μία συνάρτηση μπορεί να κληθεί με δύο τρόπους: 1. χρησιμοποιώντας το όνομά της και τη λίστα των ορισμάτων της σε μια αυτόνομη πρόταση π.χ.... wait(12);... Εδώ θεωρούμε ότι η συνάρτηση δεν επιστρέφει κάποιο αποτέλεσμα αλλά έχει κάποιες παράπλευρες λειτουργίες 2. χρησιμοποιώντας το όνομά της και τη λίστα των ορισμάτων της σε μια έκφραση π.χ.... k = sum(2, 10);... Εδώ θεωρούμε αποτέλεσμα ότι η συνάρτηση επιστρέφει κάποιο 5
Μηχανισμός κλήσης Ο μηχανισμός κλήσης μιας συνάρτησης βασίζεται: 1. Στην συσχέτιση του ονόματος τής συνάρτησης στο σημείο ορισμού της με το όνομα της συνάρτησης στο σημείο κλήσης 2. Στη συσχέτιση του πλήθους των παραμέτρων της συνάρτησης στο σημείο ορισμού της με το πλήθος των παραμέτρων της συνάρτησης στο σημείο κλήσης 3. Στη συσχέτιση του τύπου επιστροφής της συνάρτησης στο σημείο ορισμού της με τη χρήση του αποτελέσματος της συνάρτησης στην έκφραση που υπάρχει η κλήση της συνάρτησης Όπως θα δούμε αργότερα, υπάρχουν δύο τρόποι διοχέτευσης δεδομένων προς τις συναρτήσεις Μεταβίβαση κατά αξία (Pass by value) Μεταβίβαση κατά αναφορά (Pass by reference) 6
Επιστροφή αποτελέσματος Όταν μία συνάρτηση καλείται: Ο κώδικας στο σημείο κλήσης της συνάρτησης σταματά. Ο κώδικας στο σώμα της συνάρτησης εκτελείται. Εάν η συνάρτηση που καλείται έχει παραμέτρους οι παράμετροι παίρνουν τιμές από τις τιμές των ορισμάτων στο σημείο κλήσης. Τα ορίσματα και οι παράμετροι αντιστοιχίζονται ανάλογα με τη θέση τους και το τύπο τους (το πρώτο όρισμα με τη πρώτη παράμετρο, το δεύτερο όρισμα με τη δεύτερη παράμετρο κ.ο.κ.). Το αποτέλεσμα της συνάρτησης επιστρέφεται στο σημείο κλήσης με την βοήθεια της εντολής return return <έκφραση> ; Ο κώδικας ακριβώς μετά από το σημείο κλήσης συνεχίζει την λειτουργία του. 7
Παράδειγμα #include <stdio.h> int x, y, z; int larger_of(int, int); main() { printf( Enter two different integer values : ); } scanf( %d%d, &x, &y); z = larger_of(x, y); printf( \nthe larger value of %d, %d is %d, x, y, z); int larger_of(int a, int b) { if (a > b) return a; else return b; } Η διοχέτευση των παραμέτρων της συνάρτησης larger_of γίνεται με την αντιστοίχιση των μεταβλητών x, y στο σημείο κλήσης με τις παραμέτρους a, b αντίστοιχα στο σημείο ορισμού της συνάρτησης 8
Παράδειγμα x = half(third(square(half(y)))); a = half(y); b = square(a); c = third(b); x = half(c); Το πρόγραμμα καλεί πρώτα τη half() διοχετεύοντάς της την y ως όρισμα. Όταν η εκτέλεση επιστρέψει από τη half(), το πρόγραμμα καλεί την square() διοχετεύοντάς της την τιμή επιστροφής τής half() ως όρισμα, κτλ. 9
Καλή πρακτική Μην επιστρέφετε μία τιμή με διαφορετικό τύπο από τον τύπο της συνάρτησης. Μην αφήνετε συναρτήσεις να γίνονται μακροσκελείς. Κάθε συνάρτηση για μία εργασία. 10
Εισαγωγή στους δείκτες διεύθυνσης (pointers) Οι μεταβλητές που έχουμε δει μέχρι τώρα: 1. Είναι ή απλού τύπου (short int, int, float, double, long double, char), ή πιο σύνθετου τύπου όπως διατάξεις τις οποίες όμως και πάλι τις είδαμε στην απλή τους μορφή, δηλαδή διανύσματα και πίνακες από στοιχεία απλών τύπων 2. Η διεύθυνση της μνήμης στην οποία βρίσκονται τα δεδομένα στα οποία αναφέρεται η μεταβλητή δεν μας ενδιέφερε Το ερώτημα είναι τι πρέπει να χρησιμοποιήσουμε εάν θελήσουμε να αναφερθούμε σε θέσεις μνήμης αντί να αναφερθούμε απλά σε δεδομένα. Είναι προφανές ότι πρέπει να χρησιμοποιήσουμε πάλι κάποιο είδος μεταβλητής (άλλωστε όπως έχουμε δει το πρόγραμμα δουλεύει με μεταβλητές). Όμως αυτές οι μεταβλητές δεν παίρνουν τιμές ανάλογα με τον τύπο τους όπως οι άλλες οι «συνηθισμένες» μεταβλητές. Οι τιμές αυτών των «ειδικών» μεταβλητών είναι πάντα διευθύνσεις θέσεων μνήμης. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι οι τιμές αυτές είναι σαν κάποιοι ειδικοί ακέραιοι αριθμοί που αναφέρονται σε θέσεις μνήμης του Η/Υ μας. Αυτές οι μεταβλητές που οι τιμές τους είναι θέσεις μνήμης του Η/Υ ονομάζονται δείκτες διεύθυνσης (pointers) Είναι επίσης προφανές ότι χρειαζόμαστε κάποιο τρόπο να ξεχωρίσουμε τις δηλώσεις των «απλών» μεταβλητών, από τις δηλώσεις αυτών των «ειδικών» μεταβλητών 11
Δείκτες διεύθυνσης (pointers) Πριν όμως προχωρήσουμε ας δούμε τι αντιπροσωπεύουν οι δείκτες διεύθυνσης. Στους περισσότερους μοντέρνους υπολογιστές η μνήμη τυχαίας προσπέλασης (RAM) είναι κατανεμημένη σε «κελιά» μήκους μιας ψηφιολέξης (byte), καθένα από τα οποία συνήθως μπορεί να αποθηκεύσει 8 bits. Δηλαδή ένας Η/Υ με 4GΒ RAM, έχει περίπου 4 δισεκατομμύρια bytes. Κάθε byte έχει μία μοναδική διεύθυνση ώστε να ξεχωρίζει από κάθε άλλο byte της μνήμης. Εάν υποθέσουμε ότι η μνήμη έχει μέγεθος κ bytes τότε οι διευθύνσεις είναι αριθμοί από το 0 μέχρι το (κ-1). 12
Παράδειγμα Διεύθυνση Περιεχόμενο 0 1 01010011 01101101 2 3 4... rate p_rate 11100101... Η p_rate είναι μια μεταβλητή που περιέχει τη θέση που είναι αποθηκευμένη η rate στη μνήμη. Δηλαδή, δείχνει στην rate ή είναι δείκτης της rate. κ-1 01110010 Για να γίνει αυτό θα πρέπει να αποθηκεύσουμε τη διεύθυνση της μεταβλητής rate στη μεταβλητή p_rate. 13
Παράδειγμα x Εάν υποθέσουμε ότι η μεταβλητή x είναι τύπου int, που απαιτεί 4 bytes, τότε η διεύθυνσή της είναι η διεύθυνση του πρώτου byte της. Η τιμή της x είναι 2 (10) (δηλ. στο δυαδικό: 00 00010) 32bits 2000 2001 2002 2003 00000000 00000000 00000000 00000010 14
Δήλωση δεικτών διεύθυνσης Είπαμε προηγουμένως ότι χρειαζόμαστε κάποιο τρόπο να ξεχωρίσουμε τις δηλώσεις των «απλών» μεταβλητών, από τις δηλώσεις αυτών των «ειδικών» μεταβλητών που ονομάζονται δείκτες διεύθυνσης (pointers). Ένας δείκτης διεύθυνσης πρέπει να δηλωθεί πριν χρησιμοποιηθεί. Η εντολή που δηλώνει μια μεταβλητή σαν δείκτη διεύθυνσης είναι: π.χ.: <τύπος> * <όνομα μεταβλητής> ; int * ptr_var; Ο αστερίσκος είναι ο τελεστής έμμεσης διευθυνσιοδότησης (ή τελεστής έμμεσης αναφοράς) και δηλώνει ότι ο ptr_var είναι ένας δείκτης σε int και όχι μία μεταβλητή τύπου ακέραιου. O μεταγλωττιστής δεν τον μπερδεύει με τον τελεστή του πολλαπλασιασμού! 15
Παράδειγμα int a_var; int * ptr_var; Δηλώνει μία «απλή» μεταβλητή με όνομα a_var Δηλώνει μία «ειδική» μεταβλητή δείκτη διεύθυνσης (pointer) με όνομα ptr_var Τι όμως σημαίνει η δήλωση για την ptr_var?;? Σημαίνει μία μεταβλητή : 1. στην οποία μπορούμε να αναφερθούμε στο πρόγραμμά μας με το συμβολικό όνομα ptr_var, 2. η μεταβλητή αυτή παίρνει τιμές που είναι διευθύνσεις μνήμης, και 3. αυτές οι διευθύνσεις μνήμης πρέπει να αποθηκεύουν δεδομένα που είναι τύπου int 16
Δείκτες - Σχηματικά int i, * p; p = &i; Διεύθυνση : 4000 p Διεύθυνση : 2000 i Εδώ η p είναι μεταβλητή τύπου δείκτη διεύθυνσης και η τιμή της είναι μια διεύθυνση, η διεύθυνση 2000, (στη προκειμένη περίπτωση η διεύθυνση αυτή περιέχει τα δεδομένα της μεταβλητής i). Προφανώς και η μεταβλητή δείκτη p έχει και αυτή μία διεύθυνση!! Στις περισσότερες περιπτώσεις όμως δεν μας ενδιαφέρει αυτή η διεύθυνση της μεταβλητής δείκτη. Απλά ας σκεφτούμε ότι μπορούμε να έχουμε μεταβλητές δείκτη σε δείκτες. Ευτυχώς σπάνια θα χρειαστούμε κάτι τέτοιο. 17
Παράδειγμα int *p; /* Δείκτης μόνο σε μεταβλητή τύπου int */ float *q ; /* Δείκτης μόνο σε μεταβλητή τύπου float */ char *r ; /* Δείκτης μόνο σε μεταβλητή τύπου char */ char *ch1, *ch2 ; float *value, *percent; Μπορούν να δηλωθούν μεταβλητές τύπου δείκτη διεύθυνσης σε οποιοδήποτε τύπο δεδομένων. Το σύμβολο * χρησιμοποιείται είτε ως τελεστής έμμεσης αναφοράς είτε ως τελεστής γινομένου. Ο μεταγλωττιστής μπορεί να τους διαχωρίζει από τα συμφραζόμενα. 18
Τελεστές σχετικοί με δείκτες Έχουμε δύο τελεστές σχετικούς με δείκτες: 1. Τελεστής διεύθυνσης (address operator) & 2. Τελεστής έμμεσης διευθυνσιοδότησης (ή αναφοράς) (indirection) * 19
Τελεστής διεύθυνσης (&) Όταν δηλώνουμε μία μεταβλητή δείκτη το μόνο που κάνουμε είναι να κρατάμε μνήμη αρκετά μεγάλη για την τιμή της μεταβλητής δείκτη (όχι την τιμή της μεταβλητής που «δείχνει» η μεταβλητή δείκτη). Στην αρχή η μεταβλητή δείκτη δεν έχει καμία τιμή (όπως άλλωστε θα περιμέναμε και από κάθε άλλη δήλωση μεταβλητής χωρίς αρχική τιμή). Ένας τρόπος να θέσουμε μία αρχική τιμή σε μία μεταβλητή δείκτη είναι να δώσουμε τη διεύθυνση μιας μεταβλητής του προγράμματος. 20
Τελεστής διεύθυνσης (&) Ένας τρόπος να θέσουμε μία αρχική τιμή σε μία μεταβλητή δείκτη διεύθυνσης είναι να της δώσουμε τη διεύθυνση μιας μεταβλητής του προγράμματος. Η διεύθυνση μιας μεταβλητής ενός προγράμματος υπολογίζεται από το τελεστή διεύθυνσης & Δηλαδή εάν: int i; Τότε &i επιστρέφει τη διεύθυνση της μεταβλητής i Οπότε εάν έχουμε τις δηλώσεις: int *p; int i; Μπορούμε να αποθέσουμε τη διεύθυνση της μεταβλητής i, στη μεταβλητή p ως εξής: p = &i; 21
Τελεστής έμμεσης αναφοράς (*) Αντίστροφα με τον τελεστή διεύθυνσης &, ο τελεστής έμμεσης διευθυνσιοδότησης *, επιστρέφει την τιμή των δεδομένων που βρίσκονται σε μια θέση μνήμης. Οπότε εάν: int *p, y = 0, i = 10; p = &i; /* Καταχωρώ τη διεύθυνση της i στη p άρα *p είναι η τιμή της i */ y = *p; printf( %d, i); /* Ισοδύναμες προτάσεις στη C */ printf( %d, *p); printf( %d, &i); /* Ισοδύναμες προτάσεις στη C */ printf( %d, p); Η έκφραση *p επιστρέφει τη τιμή που βρίσκεται στη θέση μνήμης που η μεταβλητή δείκτη διεύθυνσης p «δείχνει» (δηλαδή η έκφραση *p επιστρέφει τη τιμή 10, ενώ η p επιστρέφει την διεύθυνση της i (δηλαδή &i). 22
Δείκτες διεύθυνσης και τύποι μεταβλητών Η διεύθυνση μιας μεταβλητής είναι πραγματικά η διεύθυνση του πρώτου byte (χαμηλότερου) που καταλαμβάνει. Στην πραγματικότητα, ο μεταγλωττιστής της C αποθηκεύει μεταβλητές σε γειτονικές θέσεις μνήμης ανάλογα με τα πόσα bytes καταλαμβάνει η κάθε μεταβλητή. 23
Δείκτες διεύθυνσης και scanf Εάν ανατρέξουμε στη χρήση της scanf θα προσέξουμε ότι χρησιμοποιούσαμε το τελεστή διεύθυνσης! π.χ. scanf( %d, &i); Σ αυτή την περίπτωση, η συνάρτηση scanf λαμβάνει ως δεύτερο όρισμα ένα δείκτη (ουσιαστικά τη διεύθυνση της μεταβλητής που θέλουμε να της αποδώσουμε τιμή συγκεκριμένα εδώ την διεύθυνση της μεταβλητής i). Τι γίνεται όμως εάν η μεταβλητή π.χ. (i) είναι δείκτης? H scanf θα διαβάσει το δεδομένο και (δυστυχώς) χωρίς προειδοποίηση θα το αποθέσει ως τιμή του δείκτη. Γενικά όταν χρησιμοποιούμε δείκτες σαν παραμέτρους θα πρέπει να είμαστε σίγουροι ότι τα ορίσματα είναι διευθύνσεις και όχι οποιαδήποτε ακέραια τιμή. Η χρήση των πρωτότυπων μας επιτρέπει να είμαστε σίγουροι ότι ο μεταφραστής θα καταλάβει τέτοιου είδους λάθη στις περισσότερες περιπτώσεις. 24
Σύνοψη Εάν έχετε έναν δείκτη διεύθυνσης με όνομα ptr που έχει δεχθεί αρχική τιμή τη διεύθυνση της μεταβλητής var ισχύουν τα εξής: Τα *ptr και var αναφέρονται και τα δύο στα περιεχόμενα της var (οποιαδήποτε τιμή έχει αποθηκεύσει εκεί το πρόγραμμα). Τα ptr και &var αναφέρονται στη διεύθυνση της var. Ένα όνομα δείκτη χωρίς τον τελεστή * προσπελαύνει στην τιμή του δείκτη που είναι η διεύθυνση της μεταβλητής στην οποία δείχνει. Μελετήστε τους δείκτες, είναι πολύ σημαντικοί. Μη χρησιμοποιείτε έναν δείκτη που δεν έχει αρχική τιμή. Αν χρησιμοποιήσω τον τελεστή & σε ένα δείκτη θα πάρω τη διεύθυνση του δείκτη. 25
Οι πίνακες ως ορίσματα Τι γίνεται όμως όταν χρησιμοποιούμε το όνομα ενός πίνακα σαν πραγματική παράμετρο; Μεταβιβάζεται ολόκληρος ο πίνακας; ΟΧΙ. Μεταβιβάζεται στην συνάρτηση μόνο η διεύθυνση της αρχής του πίνακα. Έτσι, δεικτοδοτώντας την τιμή αυτή η συνάρτηση μπορεί τόσο να διαβάσει όσο και γράψει οποιοδήποτε στοιχείο του πίνακα. 26
Πίνακες χαρακτήρων Είναι από τους συνηθέστερους πίνακες στην C Κάθε στοιχείο τού πίνακα αποτελείται από έναν χαρακτήρα (μία ψηφιολέξη = 1 byte) Με αυτόν τον τρόπο αποθηκεύονται στην C οι αλφαριθμητικές ακολουθίες (strings), και μάλιστα στο τέλος κάθε τέτοιας ακολουθίας αποθηκεύεται ακόμα ένας χαρακτήρας, ο μηδενικός χαρακτήρας ( \0 ), για την οριοθέτηση της αλφαριθμητικής ακολουθίας. Π.χ. η συμβολοσειρά Computers απεικονίζεται: C o m p u t e r s \0 27
Παράδειγμα Να γίνει ένα πρόγραμμα το οποίο θα διαβάζει ένα αρχείο κειμένου γραμμή-γραμμή και όταν φτάσει στο τέλος να εμφανίζει την μεγαλύτερη γραμμή καθώς και το μήκος της. Περίγραμμα προγράμματος ενόσω (υπάρχει άλλη γραμμή, διάβασέ την) εάν (είναι μεγαλύτερη από την μέχρι στιγμής μεγαλύτερη) αποθήκευσέ την αποθήκευσε το μήκος της εμφάνισε την μεγαλύτερη γραμμή και το μήκος της. Θα βρείτε την λύση, που δόθηκε στον πίνακα, στις σημειώσεις της θεωρίας. 28