Введение. Язык C является универсальным языком программирова-

Язык "C" является универсальным языком программирова-

ния. Он тесно связан с операционной системой "UNIX", так

как был развит на этой системе и так как "UNIX" и ее прог-

раммное обеспечение написано на "C". Сам язык, однако, не

связан с какой-либо одной операционной системой или машиной;

и хотя его называют языком системного программирования, так

как он удобен для написания операционных систем, он с равным

успехом использовался при написании больших вычислительных

программ, программ для обработки текстов и баз данных.

Язык "C" - это язык относительно "низкого уровня". В

такой характеристике нет ничего оскорбительного; это просто

означает, что "C" имеет дело с объектами того же вида, что и

большинство ЭВМ, а именно, с символами, числами и адресами.

Они могут объединяться и пересылаться посредством обычных

арифметических и логических операций, осуществляемых реаль-

ными ЭВМ.

В языке "C" отсутствуют операции, имеющие дело непос-

редственно с составными объектами, такими как строки симво-

лов, множества, списки или с массивами, рассматриваемыми как

целое. Здесь, например, нет никакого аналога операциям PL/1,

оперирующим с целыми массивами и строками. Язык не предос-

тавляет никаких других возможностей распределения памяти,

кроме статического определения и механизма стеков, обеспечи-

ваемого локальными переменных функций; здесь нет ни

"куч"(HEAP), ни "сборки мусора", как это предусматривается в

АЛГОЛЕ-68. Наконец, сам по себе "C" не обеспечивает никаких

возможностей ввода-вывода: здесь нет операторов READ или

WRITE и никаких встроенных методов доступа к файлам. Все эти

механизмы высокого уровня должны обеспечиваться явно вызыва-

емыми функциями.

Аналогично, язык "C" предлагает только простые, после-

довательные конструкции потоков управления: проверки, циклы,

группирование и подпрограммы, но не мультипрограммирование,

параллельные операции, синхронизацию или сопрограммы.

Хотя отсутствие некоторых из этих средств может выгля-

деть как удручающая неполноценность ("выходит, что я должен

обращаться к функции, чтобы сравнить две строки символов

?!"), но удержание языка в скромных размерах дает реальные

преимущества. Так как "C" относительно мал, он не требует

много места для своего описания и может быть быстро выучен.

Компилятор с "C" может быть простым и компактным. Кроме то-

го, компиляторы легко пишутся; при использовании современной

технологии можно ожидать написания компилятора для новой ЭВМ

за пару месяцев и при этом окажется, что 80 процентов прог-

раммы нового компилятора будет общей с программой для уже

существующих компиляторов. Это обеспечивает высокую степень

мобильности языка. Поскольку типы данных и стуктуры управле-

ния, имеющиеся в "C", непосредственно поддерживаются боль-

шинством существующих ЭВМ, библиотека, необходимая во время

прогона изолированных программ, оказывается очень маленькой.

На PDP -11, например, она содержит только программы для

32-битового умножения и деления и для выполнения программ

ввода и вывода последовательностей. Конечно, каждая реализа-

ция обеспечивает исчерпывающую, совместимую библиотеку функ-

ций для выполнения операций ввода-вывода, обработки строк и

распределения памяти, но так как обращение к ним осуществля-

ется только явно, можно, если необходимо, избежать их вызо-

ва; эти функции могут быть компактно написаны на самом "C".

Опять же из-за того, что язык "C" отражает возможности

современных компьютеров, программы на "C" оказываются доста-

точно эффективными, так что не возникает побуждения писать

вместо этого программы на языке ассемблера. Наиболее убеди-

тельным примером этого является сама операционная система

"UNIX", которая почти полностью написана на "C". Из 13000

строк программы системы только около 800 строк самого низко-

го уровня написаны на ассемблере. Кроме того, по существу

все прикладное программное обеспечение системы "UNIX" напи-

сано на "C"; подавляющее большинство пользователей системы

"UNIX"(включая одного из авторов этой книги) даже не знает

языка ассемблера PDP-11.

Хотя "C" соответствует возможностям многих ЭВМ, он не

зависит от какой-либо конкретной архитектуры машины и в силу

этого без особых усилий позволяет писать "переносимые" прог-

раммы, т.е. программы, которые можно пропускать без измене-

ний на различных аппаратных средствах. В наших кругах стал

уже традицией перенос программного обеспечения, разработан-

ного на системе "UNIX", на системы ЭВМ: HONEYWELL, IBM и

INTERDATA. Фактически компиляторы с "C" и программное обес-

печение во время прогона программ на этих четырех системах,

по-видимому, гораздо более совместимы, чем стандартные вер-

сии фортрана американского национального института стандар-

тов (ANSI). Сама операционная система "UNIX" теперь работает

как на PDP-11, так и на INTERDATA 8/32. За исключением прог-

рамм, которые неизбежно оказываются в некоторой степени ма-

шинно-зависимыми, таких как компилятор, ассемблер и отлад-

чик. Написанное на языке "C" программное обеспечение иден-

тично на обеих машинах. Внутри самой операционной системы

7000 строк программы, исключая математическое обеспечение

языка ассемблера ЭВМ и управления операциями ввода-вывода,

совпадают на 95 процентов.

Программистам, знакомым с другими языками, для сравне-

ния и противопоставления может оказаться полезным упоминание

нескольких исторических, технических и философских аспектов

"C".

Многие из наиболее важных идей "C" происходят от гораз-

до более старого, но все еще вполне жизненного языка BCPL,

разработанного Мартином Ричардсом. Косвенно язык BCPL оказал

влияние на "C" через язык "B", написанный Кеном Томпсоном в

1970 году для первой операционной системы "UNIX" на ЭВМ

PDP-7.

Хотя язык "C" имеет несколько общих с BCPL характерных

особенностей, он никоим образом не является диалектом пос-

леднего. И BCPL и "B" - "безтипные" языки; единственным ви-

дом данных для них являются машинное слово, а доступ к дру-

гим объектам реализуется специальными операторами или обра-

щением к функциям. В языке "C" объектами основных типов дан-

ных являются символы, целые числа нескольких размеров и чис-

ла с плавающей точкой. Кроме того, имеется иерархия произ-

водных типов данных, создаваемых указателями, массивами,

структурами, объединениями и функциями.

Язык "C" включает основные конструкции потока управле-

ния, требуемые для хорошо структуированных программ: группи-

рование операторов, принятие решений (IF), циклы с проверкой

завершения в начале (WHILE, FOR) или в конце (DO) и выбор

одного из множества возможных вариантов (SWITCH). (Все эти

возможности обеспечивались и в BCPL, хотя и при несколько

отличном синтаксисе; этот язык предчувствовал наступившую

через несколько лет моду на структурное программирование).

В языке "C" имеются указатели и возможность адресной

арифметики. Аргументы передаются функциям посредством копи-

рования значения аргумента, и вызванная функция не может

изменить фактический аргумент в вызывающей программе. Если

желательно добиться "вызова по ссылке", можно неявно пере-

дать указатель, и функция сможет изменить объект, на который

этот указатель указывает. Имена массивов передаются указани-

ем начала массивов, так что аргументы типа массивов эффек-

тивно вызываются по ссылке.

К любой функции можно обращаться рекурсивно, и ее ло-

кальные переменные обычно "автоматические", т.е. Создаются

заново при каждом обращении. Описание одной функции не может

содержаться внутри другой, но переменные могут описываться в

соответствии с обычной блочной структурой. Функции в "C" -

программе могут транслироваться отдельно. переменные по от-

ношению к функции могут быть внутренними, внешними, но из-

вестными только в пределах одного исходного файла, или пол-

ностью глобальными. Внутренние переменные могут быть автома-

тическими или статическими. Автоматические переменные для

большей эффективности можно помещать в регистры, но объявле-

ние регистра является только указанием для компилятора и ни-

как не связано с конкретными машинными регистрами.

Язык "C" не является языком со строгими типами в смысле

паскаля или алгола 68. Он сравнительно снисходителен к пре-

образованию данных, хотя и не будет автоматически преобразо-

вывать типы данных с буйной непринужденностью языка PL/1.

Существующие компиляторы не предусматривают никакой проверки

во время выполнения программы индексов массивов, типов аргу-

ментов и т.д.

В тех ситуациях, когда желательна строгая проверка ти-

пов, используется специальная версия компилятора. Эта прог-

рамма называется LINT очевидно потому, она выбирает кусочки

пуха из вашей программы. Программа LINT не генерирует машин-

ного кода, а делает очень строгую проверку всех тех сторон

программы, которые можно проконтролировать во время компиля-

ции и загрузки. Она определяет несоответствие типов, несов-

местимость аргументов, неиспользованные или очевидным обра-

зом неинициализированные переменные, потенциальные трудности

переносимости и т.д. Для программ,которые благополучно про-

ходят через LINT, гарантируется отсутствие ошибок типа при-

мерно с той же полнотой, как и для программ, написанных,

например, на АЛГОЛЕ-68. Другие возможности программы LINT

будут отмечены, когда представится соответствующий случай.

Наконец, язык "C", подобно любому другому языку, имеет

свои недостатки. Некоторые операции имеют неудачное старшин-

ство; некоторые разделы синтаксиса могли бы быть лучше; су-

шествует несколько версий языка, отличающихся небольшими де-

талями. Тем не менее язык "C" зарекомендовал себя как исклю-

чительно эффективный и выразительный язык для широкого раз-

нообразия применений программирования.

Содержание книги организовано следующим образом. Глава

1 является учебным введением в центральную часть языка "C".

Цель - позволить читателю стартовать так быстро,как только

возможно, так как мы твердо убеждены, что единственный спо-

соб изучить новый язык - писать на нем программы. При этом,

однако, предполагается рабочее владение основными элементами

программирования; здесь не объясняется, что такое ЭВМ или

компилятор, не поясняется смысл выражений типа N=N+1. Хотя

мы и пытались, где это возможно, продемонстрировать полезную

технику программирования. Эта книга не предназначается быть

справочным руководством по структурам данных и алгоритмам;

там, где мы вынуждены были сделать выбор, мы концентрирова-

лись на языке.

В главах со 2-й по 6-ю различные аспекты "C" излагаются

более детально и несколько более формально, чем в главе 1,

хотя ударение по-прежнему делается на разборе примеров за-

конченных, полезных программ, а не на отдельных фрагментах.

В главе 2 обсуждаются основные типы данных, операторы и

выражения. В главе 3 рассматриваются управляющие операторы:

IF-ELSE,WHILE,FOR и т.д. Глава 4 охватывает функции и

структуру программы - внешние переменные, правила определен-

ных областей действия описания и т.д. В главе 5 обсуждаются

указатели и адресная арифметика. Глава 6 содержит подробное

описание структур и объединений.

В главе 7 описывается стандартная библиотека ввода-вы-

вода языка "C", которая обеспечивает стандартный интерфейс с

операционной системой. Эта библиотека ввода-вывода поддержи-

вается на всех машинах, на которых реализован "C", так что

программы, использующие ее для ввода, вывода и других сис-

темных функций, могут переноситься с одной системы на другую

по существу без изменений.

В главе 8 описывается интерфейс между "C" - программами

и операционной системой "UNIX". Упор делается на ввод-вывод,

систему файлов и переносимость. Хотя некоторые части этой

главы специфичны для операционной системы "UNIX", програм-

мисты, не использующие "UNIX", все же должны найти здесь по-

лезный материал, в том числе некоторое представление о том,

как реализована одна версия стандартной библиотеки и предло-

жения для достижения переносимости программы.

Приложение A содержит справочное руководство по языку

"C". Оно является "официальным" изложением синтаксиса и се-

мантики "C" и (исключая чей-либо собственный компилятор)

окончательным арбитром для всех двусмысленностей и упущений

в предыдущих главах.

Так как "C" является развивающимся языком, реализован-

ным на множестве систем, часть материла настоящей книги мо-

жет не соответствовать текущему состоянию разработки на ка-

кой-то конкретной системе. Мы старались избегать таких проб-

лем и предостерегать о возможных трудностях. В сомнительных

случаях, однако, мы обычно предпочитали описывать ситуацию

для системы "UNIX" PDP-11, так как она является средой для

большинства программирующих на языке "C". В приложении а

также описаны расхождения в реализациях языка "C" на основ-

ных системах.

* 1. Учебное введение *

Давайте начнем с быстрого введения в язык "C". Наша

цель - продемонстрировать существенные элементы языка на ре-

альных программах, не увязая при этом в деталях, формальных

правилах и исключениях. В этой главе мы не пытаемся изложить

язык полностью или хотя бы строго (разумеется, приводимые

примеры будут корректными). Мы хотим как можно скорее довес-

ти вас до такого уровня, на котором вы были бы в состоянии

писать полезные программы, и чтобы добиться этого, мы сосре-

дотачиваемся на основном: переменных и константах, арифмети-

ке, операторах передачи управления, функциях и элементарных

сведениях о вводе и выводе. Мы совершенно намеренно оставля-

ем за пределами этой главы многие элементы языка "C", кото-

рые имеют первостепенное значение при написании больших

программ, в том числе указатели, сртуктуры, большую часть из

богатого набора операторов языка "C", несколько операторов

передачи управления и несметное количество деталей.

Такой подход имеет, конечно, свои недостатки. Самым су-

щественным является то, что полное описание любого конкрет-

ного элемента языка не излагается в одном месте, а поясне-

ния, в силу краткости, могут привести к неправильному истол-

кованию. Кроме того, из-за невозможности использовать всю

мощь языка, примеры оказываются не столь краткими и элегант-

ными, как они могли бы быть. И хотя мы старались свести эти

недостатки к минимуму, все же имейте их ввиду.

Другой недостаток состоит в том, что последующие главы

будут неизбежно повторять некоторые части этой главы. Мы на-

деемся, что такое повторение будет скорее помогать, чем раз-

дражать.

Во всяком случае, опытные программисты должны оказаться

в состоянии проэкстраполировать материал данной главы на

свои собственные программистские нужды. Начинающие же должны

в дополнение писать аналогичные маленькие самостоятельные

программы. И те, и другие могут использовать эту главу как

каркас, на который будут навешиваться более подробные описа-

ния, начинающиеся с главы 2.