מבוא למדעי המחשב הרצאה 2: ראשונים בשפת C

Transcription

1 מבוא למדעי המחשב צעדים הרצאה 2: ראשונים בשפת C מבוסס על שקפים שנערכו ע"י שי ארצי, גיתית רוקנשטיין ז"ל, איתן אביאור, סאהר אסמיר,מיכאל אלעד, רון קימל ודן רביב. עדכון אחרון: יחיאל קמחי, אוקטובר 2014

2 תוכנייה משתנים קבועים ומזהים טיפוסי מידע בסיסיים ביטויים ביטויים לוגיים 2 הרצאה מבוא למדעי המחשב. כל הזכויות שמורות 2

3 דוגמת תוכנית בסיס לדיון #include <stdio.h> #define MANY 100 int main() { int sum = 0; printf("please enter %d of values\n, MANY); for (int i = 0; i < MANY; ++i) { int num; if (scanf("%d", &num) < 1) { printf( Input Error (item %d)\n, i + 1); return 1; } sum += num; } printf("the sum of %d numbers is %d\n", MANY, sum); } return 0; 3

4 משתנים ומזהים משתנה :)variable( תא בזיכרון, שערכו עשוי להשתנות במהלך התכנית, ובו נשמרים נתונים הנחוצים עבור פעולת התכנית x מזהה :)identifier( נועד כדי לתת שם למשתנה, לטיפוס או לפונקציה. מזהה יכול להיות מורכב מאותיות, ספרות והתו '_' אך אינו יכול להתחיל בספרה. מומלץ לבחור מזהים בעלי משמעות. מזהים ארוכים מדי פוגעים בקריאות. תוכן התא כתובת בזיכרון מזהה gsa = tg * hg * factor; 4

5 משתנים ומזהים משתנה :)variable( תא בזיכרון, שערכו עשוי להשתנות במהלך התכנית, ובו נשמרים נתונים הנחוצים עבור פעולת התכנית x מזהה :)identifier( נועד כדי לתת שם למשתנה, לטיפוס או לפונקציה. מזהה יכול להיות מורכב מאותיות, ספרות והתו '_' אך אינו יכול להתחיל בספרה. מומלץ לבחור מזהים בעלי משמעות. מזהים ארוכים מדי פוגעים בקריאות. תוכן התא כתובת בזיכרון מזהה grade_of_semester_a = test_grade * hw_grade * factor; 5

6 קבועים - Constants int main() { int num_of_students; double failure_rate; char success_sign, failure_sign;... num_of_students = 600; success_sign = '+'; failure_sign = 'F'; בפקודות שמשמאל מופיעים קבועי שלמים, קבועי ממשיים וקבועי תווים. מלים שמורות בסגול משמעותן קבועה! } if (failure_rate > 0.25)

7 בסיס אוקטלי (Octal) = 3 * = 26 קבועי מספרים - שלמים ו"ממשיים" דוגמאות לקבועים שלמים: x1B7 1 6 בסיס הקסדצימלי (Hexadecimal) = 1 * B * = 439 דוגמאות לקבועים ממשיים: e+9-2E7 2e-7 = 2 * 10-7 הקבוע 2.0 מיוצג בזיכרון באופן שונה מהקבוע 2 7

8 קבועי תו ומחרוזת סדרת תווים הנתונה בתוך " " נקראת קבוע מחרוזת.)string( בתוך המחרוזת, מאבדים המילים והתווים את המשמעות שיש להם מחוץ למחרוזת. למשל: לא מתבצעת פעולת חיבור לא גורם לסיום התכנית 'a' הינו קבוע תו. "a" הינו קבוע מחרוזת. מה ההבדל ביניהם? קבועי תו מיוחדים מעבר שורה גרש גרשיים סוף מחרוזת )רשימה חלקית(: "a = b + c"; printf("return 1"); '\n' '\'' '\"' '\0' 8

9 הגדרת קבועים סימבוליים ע"י #define ההוראה הבאה גורמת לכך שבשלב ה- preprocessing המופעים של MAX_SIZE בסדרת התווים מופעים של MAX_SIZE בתוך מחרוזת אינם מוחלפים. שימו לב: MAX_SIZE איננו משתנה ולא מוקצה עבורו זיכרון. סיבות לשימוש בהגדרה זו: שמות משמעותיים תורמים לקריאות התכנית יוחלפו כל הגדרת קבוע PI תורמת לקריאות התכנית )וחוסכת הקלדות חוזרות של מספר ארוך(: הגדרת הקבוע MAX_SIZE לעיל מאפשרת, באמצעות שינוי בודד, להפוך תכנית המטפלת ב נתונים לתכנית המטפלת ב נתונים. דוגמה נוספת: #define MANY 100 #define MAX_GRADE 100 #define PI #define MAX_SIZE 1000 <ערך שלילי> #define EOF EOF מחזירה scanf בעת כישלון טוטאלי 9

10 תוכנייה משתנים קבועים ומזהים טיפוסי מידע בסיסיים ביטויים ביטויים לוגיים 10

11 טיפוסי משתנים וקבועים בשפת C בדומה לקבועים, גם למשתנים טיפוסים שונים. יש להגדיר משתנים לפני שנעשה בהם שימוש. ההגדרה הינה הוראה לקומפיילר: להקצות תא בזיכרון בגודל המתאים. לקרוא לו בשם הנתון. לפרש את תוכנו לפי הטיפוס הנתון. ניתן להוסיף גם אתחול. int num, sum; double weight = 0.0; char digit = '4'; טיפוס המשתנה קובע את גודל תא הזיכרון שמוקצה עבורו, כיצד מפרשים את הסדרה הבינארית השמורה בו ואת הפעולות אותן ניתן לבצע עליו. 11

12 הטיפוסים השלמים הטיפוס הבסיסי הינו.int כל קבוע שלם הינו מטיפוס,int אלא אם מסומן אחרת..int אינה קובעת את המקום המוקצה לייצוג ערך מטיפוס ANSI-C במערכות הנפוצות כיום, מוקצים בדרך כלל 4 בתים. מציאת גודל של טיפוס/עצם גודלו של int קובע את תחום הערכים השלמים שניתן לייצג בו : -1 +1,,-2,-1,0,1,, )בד"כ גם 2 בתים bit( :) ,,-2,-1,0,1,, )בד"כ גם 4 בתים bit( :) = 32768, 2 31 = )-2 15 )-2 31 int b = 3; int a = sizeof (int), c = sizeof b; התחום המדויק תלוי גם בשיטת הייצוג של ערכים שליליים, מעבר להיותה בינארית 12

13 הטיפוסים השלמים - המשך טיפוסים שלמים נוספים:.char,short, long מבחינת הגדלים )מספר הבתים שכל טיפוס תופס( מתקיים תמיד: 1 = char short int long על ידי הוספת המילה השמורה unsigned לפני שמות הטיפוסים השלמים נוותר על ייצוג המספרים השליליים ונכפיל את תחום המספרים החיובים הניתנים לייצוג. לדוגמה: int )נניח 4 בתים(: -2 31,,-2,-1,0,1,, גודל :unsigned int גודל 0,1,, קבועים המסופקים ע"י המהדר גודל גודל )דוגמות מתוך :)<limits.h> INT_MIN, INT_MAX, UINT_MAX 13

14 ייצוג תווים קבועי תו כגון 'A' 'n\' '0' 'a' הינם מטיפוס שלם. קיימות טבלאות ידועות המשייכות לכל תו ערך שלם. הנפוצה ביניהן היא טבלת,ASCII על-פיה: \ A B... a b... DEL משתנה מטיפוס,char שגודלו בית בודד, מספיק על-מנת לשמור את כל הערכים המופיעים בטבלת.ASCII ההשמות הבאות שקולות: במחשבים בעלי קידוד אסקי char letter = 'd'; char letter = 100; 14

15 טבלת ה- ASCII : המחשה #include <stdio.h> #include <limits.h> RUN int main() { int i; { for (i = 0; i < UCHAR_MAX; i++){ char val = i; // Redundant printf("%d: %c ---> %d\n", i, i, val); } return 0; See the complete table in 15

16 הטיפוסים ה"ממשיים" FP( או "נקודה צפה"( הטיפוס הבסיסי הינו.double קבועים ממשיים הינם מטיפוס,double אלא אם מסומן אחרת. טיפוסים ממשים נוספים: גודל.float, long double מתקיים: גודל גודל float double long double גודל נפוץ עבור double הוא 8 בתים ועבור 4 float בתים. המספרים הממשיים מיוצגים בשיטת הנקודה הצפה Point(.)Floating ייצוג מספרים ממשיים במחשב הינו מקורב. גודל הטיפוס יקבע את תחום המספרים המיוצגים וכן את רמת הדיוק. printf("%g\n", ); e-17 16

17 ייצוג בשיטת הנקודה הצפה המספרים בנק' צפה מיוצגים במחשב כשברים בינאריים: sign exponent mantissa s 1 m 2 e מספרים שלמים ושברים שמנתם חזקה של 2 מיוצגים במדויק. שברים אחרים מיוצגים במקורב כאשר טיפוס מיוצג על-ידי יותר ס"ביות, היתרה מגדילה את התחום של ה- mantissa ו/או ה- exponent )וכתוצאה גדל הדיוק ו/או הטווח(. דיוק מובטח מזערי בספרות עשרוניות :(FLT_DIG, DBL_DIG in <float.h>) float => 6, double => 10, long double => 10 17

18 האופרטור sizeof sizeof (object) האופרטור sizeof מחזיר את מספר הבתים הדרוש כדי לאחסן את object בזיכרון. כאשר object הינו: שם של טיפוס.)type( או ביטוי.)expression( Show Show RUN RUN 18

19 המרת טיפוסים מפורשת )casting( להמרת טיפוסים מפורשת קוראים.casting אם exp הוא ביטוי מטיפוס int שערכו 1, אזי ערך הביטוי double)exp )הוא 1.0 וטיפוסו הוא.double לאופרטור ההמרה יש קדימות גבוהה יותר מ +, -, *, /. int i = 1, j = 2; double x; דוגמאות: x = i / j; x = (double)i / j; x = i / (double)j; x = (double)(i / j);

20 תוכנייה משתנים קבועים ומזהים טיפוסי מידע בסיסיים ביטויים ביטויים לוגיים 20

21 ביטויים )expressions( לכל ביטוי יש טיפוס ויש ערך. ביטוי הינו צירוף בעל משמעות של קבועים, משתנים ואופרטורים. לדוגמה: ביטויים לפעמים מורכבים מתתי-ביטויים. שימו לב לסוגים השונים של פעולות שיכולות להרכיב ביטוי ++i -x a * b a == b a < 0? a : a 7 x x = 3 + y (x > 0) && (x < 70) x++ found? x : y )unary )binary )ternary חד-מקומית דו-מקומית תלת-מקומית )אונארית )בינארית )טרנארית 21

22 הטיפוס של ביטוי חשבוני פעולות חשבון המתבצעות על ערכים מאותו טיפוס מובילות לתוצאות מאותו הטיפוס. אם בביטוי מעורבים משתנים/קבועים מטיפוסים שונים, מתבצעת המרה אוטומטית )conversion/promotion( של הערכים לטיפוס הכללי יותר. char short * int long float double לא להשתמש ב- float למשל: char c; int i; c + i; (int)c + i; 22

23 פעולות חשבון )וחילוק בשלמים( פעולות החשבון: עדיפות לכפל/חילוק על פני חיבור/חיסור קיבוציות )צרופיות )associativity משמאל לימין כמו הרוב המכריע של הפעולות מקרה מפתיע: תוצאת חלוקה בשלמים היא מספר שלם. עבור מונה )מחולק( ומכנה )מחלק( חיוביים: a / b is a : b a % b is a a : b * b a / b * b + a % b is a החלק השלם: השארית: מתקיים: מה קורה כשיש מספרים שליליים? / ±5 ±11 לפי שיטת השארית a b

24 פעולות השמה פעולת ה ש מ ה Operation( )Assignment מעתיקה את ערכו של הביטוי בצד הימני אל המקום אשר מצוין בביטוי שבצד השמאלי. שימו לב! בשפת = C הוא אופרטור ההשמה =( אינו מציין השוואה(. הביטוי בצד השמאלי חייב לציין מקום ואילו הביטוי מימין מציין ערך. למשל, בביטוי :z = y הביטוי z הנמצא בצד שמאל מציין את המקום )המשתנה עצמו( z. הביטוי y הנמצא בצד ימין מציין את ערכו הנוכחי של המשתנה y. האסוציאטיביות של אופרטורי השמה היא מימין לשמאל! לדוגמה, נאפס שלושה משתנים בביטוי אחד: a = b = c = 0 ביטוי השמה: טיפוסו ערכו כטיפוס העצם משמאל כערך החדש של העצם משמאל 24

25 פעולות השמה - המשך כאשר הטיפוס של הערך המושם שונה מזה של המקום אליו מתבצעת ההשמה, נדרשת המרה. שימו לב שלפעמים המרות כאלו גורמות לאובדן אינפורמציה )אם ממירים לטיפוס "קטן" יותר(. double z; int x, y = 4; x = y * 3.6; z = y / 5; z = y / 5.0; 14.4 double int 0 double int double 0.0 double 0.8 קיימת בשפת C פעולת השמה מקוצרת עבור כל: % / * - + פעולת חשבון: >> << ^ & פעולת ס"ביות: 25

26 פעולות קידום ונסיגה )Decrement( קיימים קיצורים לפעולות קידום )Increment( ונסיגה ב- C x++ x += 1 x = x x x += 1 x = x + 1 x-- x -= 1 x = x x x -= 1 x = x - 1 x = 5; y = ++x; z = x++; x y z 5 6 7? 6 6?? 6 כאשר פעולת הקידום או הנסיגה בצד שמאל - ערך הביטוי כולו כערכו לאחר השינוי בצד ימין - ערך הביטוי כולו כערכו לפני השינוי 26

27 קדימות טבלת קדימויות ואסוציאטיביות )חלקית( סוג הפעולה סימן הפעולה אסוציאטיביות ( ) סוגריים משמאל לימין פעולות אונאריות מימין לשמאל * / % פעולות כפל וחילוק משמאל לימין + - פעולות חיבור וחיסור משמאל לימין פעולות השמה %= /= *= -= += = מימין לשמאל 9 9 כיצד מחושב הביטוי הבא? )נניח 9=z( 45 5 מה הערך של z? x = y = 4 + z++ * 5 / (2 + 7)

28 המרת טיפוסים מפורשת )casting( להמרת טיפוסים מפורשת קוראים.casting אם exp הוא ביטוי מטיפוס int שערכו 1, אזי ערך הביטוי double)exp )הוא 1.0 וטיפוסו הוא.double לאופרטור ההמרה יש קדימות גבוהה יותר מ +, -, *, /. int i = 1, j = 2; double x; דוגמאות: x = i / j; x = (double)i / j; x = i / (double)j; x = (double)(i / j);

29 דוגמה - המרת טמפרטורה B c F c T Temperature F Freezing point of water B Boiling point of water Increment above F T C F f B f T F 29

30 דוגמה - המרת טמפרטורה T Temperature F Freezing point of water B Boiling point of water Increment above F T c F c B c F c T c T c = = = = T f T f F f B f F f T f T f = T c 100 (212 32)

31 תוכנית להמרה מ- F ל- C #include <stdio.h> RUN #define CEL_BOIL 100 #define FAHR_FREEZE 32 #define FAHR_BOIL 212 int main() { int cel_temp, fahr_temp; } printf("fahrenheit temperature: "); scanf("%d", &fahr_temp); cel_temp = Bug! )חלוקה בשלמים( (fahr_temp - FAHR_FREEZE) / (FAHR_BOIL - FAHR_FREEZE) * CEL_BOIL; printf("%d\370f = %d\370c\n", fahr_temp, cel_temp); return 0; 31

32 תוכנית להמרה מ- F ל- C #include 150 <stdio.h> RUN #define CEL_BOIL #define FAHR_FREEZE 32 #define FAHR_BOIL 212 int main() { 0 int cel_temp, fahr_temp; } 50 printf("fahrenheit -50 temperature: "); scanf("%d", &fahr_temp); cel_temp = Bug! )חלוקה בשלמים( (fahr_temp - FAHR_FREEZE) / (FAHR_BOIL - FAHR_FREEZE) * CEL_BOIL; printf("%d\370f = %d\370c\n", fahr_temp, cel_temp); return 0; 32

33 תוכנית להמרה מ- F ל- C ניסיון 2 #include <stdio.h> #define CEL_BOIL 100 #define FAHR_FREEZE 32 #define FAHR_BOIL 212 RUN int main() { double cel_temp, fahr_temp; } printf("fahrenheit temperature: "); scanf("%lf", &fahr_temp); cel_temp = מאיזה טיפוס כל ביטוי? (fahr_temp - FAHR_FREEZE) / (FAHR_BOIL - FAHR_FREEZE) * CEL_BOIL; printf("%.2f\370f = %.2f\370C\n", fahr_temp, cel_temp); return 0; 33

34 תוכנייה משתנים קבועים ומזהים טיפוסי מידע בסיסיים ביטויים ביטויים לוגיים 34

35 ביטויים וערכי אמת לכל ביטוי חשבוני שנכתוב ב- C ניתן גם לייחס ערך לוגי. ערכי אמת בסיסיים:.False, True בשפת C מייחסים לכל ביטוי ערך אמת באופן הבא: אם ערכו המספרי של הביטוי הינו 0 אזי ערך האמת שלו הינו.False אם ערכו המספרי של הביטוי שונה מ- 0 אזי ערך האמת שלו הינו.True int a = 3, b = -3, c = 1; a ערך אמת ביטוי True a+b a+=b a=2*c False False True 35

36 פעולות השוואה ששת אופרטורי ההשוואה: ==!= < <= > >= האסוציאטיביות של אופרטורי ההשוואה הינה משמאל לימין. int a = 0, b = -2; ערך אמת ערך שלם ביטוי a == b 0 F b == a 0 F b <= 8 1 T a!= b 1 T )*( הפתעה? 0 < b < 8 1 T a = b -2 T b = a 0 F 36

37 אופרטורים לוגיים מאפשרים ליצור ביטויים לוגיים מורכבים. לדוגמה: משמעות לוגית and שם האופרטור && (0 < b) && (b < 8) or! not exp1 exp2 exp1 && exp2 exp1 exp2!exp1!=0!= != !=

38 קדימות טבלת קדימויות ואסוציאטיביות סוג הפעולה סימן הפעולה אסוציאטיביות ( ) סוגריים משמאל לימין פעולות אונאריות (type) sizeof! מימין לשמאל * / % פעולות כפל וחילוק משמאל לימין + - פעולות חיבור וחיסור משמאל לימין < <= > >= פעולות יחס משמאל לימין ==!= פעולות השוואה משמאל לימין && פעולות "ו" )and( משמאל לימין פעולות "או" )or( משמאל לימין? : פעולת תנאי מימין לשמאל = += -= *= /= %= פעולות השמה מימין לשמאל כבר הוצג קודם 38

39 אופרטורים לוגיים חישוב עצל evaluation( )lazy האסוציאטיביות של האופרטורים הלוגיים הינה משמאל לימין. אופרטורים של השוואה קודמים לאופרטורים לוגיים. שימו לב! חישוב ערכם של ביטויים בהם מופיעים אופרטורים לוגיים נעצר ברגע שערך הביטוי אינו ניתן לשינוי. לדוגמה מתוך אתר היכרויות: is_match = (age > 21) && (eyes == BLUE hair == BLOND); אם הגיל מעל 21 והעיניים כחולות לא בודקים את צבע השיער אם הגיל אינו מעל 21 לא ממשיכים בבדיקה 39

40 bool תקן C99: בא לשכונה טיפוס חדש #include<stdio.h> #include<stdbool.h> int main() { bool drunk = true; bool has_driving_license = false; if(!has_driving_license drunk) printf("cannot drive!\n"); 40