Introduzione al C. Unità 1 - Introduzione

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1 Corso di Fondamenti di Informatica Ingegneria delle Comunicazioni BCOR Ingegneria Elettronica BELR - Introduzione D. Bloisi, S. Peluso, A. Pennisi, S. Salza

2 Obiettivi del corso (parte II) Concetti di algoritmo e programma Risolvere problemi in modo algoritmico Tradurre un algoritmo in programma Sviluppare programmi in linguaggio C Pagina 2

3 Sommario : Introduzione Linguaggi macchina Linguaggi ad alto livello Traduzione ed esecuzione dei programmi Dal problema al programma Procedure ed algoritmi Paradigmi di programmazione Il linguaggio C Ambiente di sviluppo ed esecuzione dei programmi Sviluppo di un primo programma C Funzioni Pagina 3

4 L architettura di Von Neumann L hardware dei nostri calcolatori è tuttora basato sulla cosiddetta architettura di Von Neumann Pagina 4

5 L architettura di Von Neumann (2) La macchina esegue una sequenza di istruzioni Le istruzioni vengono lette dalla memoria Ciascuna istruzione esegue una specifica azione su dati che si trovano in memoria Ciascuna istruzione è una sequenza di bit che, in una opportuna codifica, specificano: a. L azione che deve essere effettuata b. Dove si trovano i dati su cui essa deve essere effettuata c. Dove mettere il risultato Pagina 5

6 Programma Un programma specifica una procedura sistematica, per risolvere un determinato problema Una procedura è una sequenza di passi elementari il cui esito porta alla soluzione del problema Un programma è una sequenza di istruzioni Un programma viene scritto con riferimento ad una determinata piattaforma di elaborazione, usando le istruzioni che essa può eseguire direttamente Un programma può essere eseguito più volte su diverse istanze del problema, cioè su dati diversi Pagina 6

7 Esempio: somma di due numeri Problema: calcolare la somma di due numeri Procedura: 1. Leggi il primo numero e mettilo in memoria all indirizzo n 2. Leggi il secondo numero e mettilo in memoria all indirizzo m 3. Carica nella ALU (Arithmetic Logic Unit) il contenuto dell indirizzo n 4. Sommagli il contenuto dell indirizzo m 5. Sposta il contenuto della ALU in memoria all indirizzo k 6. Stampa il contenuto dell indirizzo k Programma: ad ogni passo della procedura corrisponde un istruzione del programma Ma è necessario che i passi siano a livello delle operazioni elementari che la macchina può eseguire direttamente Pagina 7

8 Linguaggio macchina Programmare direttamente un sistema di elaborazione è possibile ma poco pratico: Le istruzioni effettuano operazioni molto semplici Occorrono moltissime istruzioni anche per procedure che risolvono problemi molto semplici Le istruzioni codificate in binario sono difficili da scrivere e da leggere Chi programmava i calcolatori agli inizi degli anni 60 doveva fare così: non aveva scelta! La produttività (tempo necessario a scrivere e mettere a punto i programmi ) era bassissima Pagina 8

9 Linguaggi di programmazione Soluzione del problema: definire una macchina virtuale (cioè che uno vorrebbe avere ma non ha) che sia molto più potente della macchina reale Alla macchina virtuale corrisponde un linguaggio di programmazione molto più espressivo e più leggibile: Istruzioni più potenti: effettuato operazioni più complesse Procedure più semplici: sono necessari meno passi Programmi più compatti e leggibili: più facili da sviluppare e da mettere a punto Pagina 9

10 Traduzione dei programmi Problema: visto che la macchina virtuale non esiste, allora chi esegue questi programmi? Traduzione dei programmi: Si realizza un traduttore Il traduttore è un programma esso stesso Input: il programma scritto per la macchina virtuale Output: il programma eseguibile dalla macchina reale Ma almeno il traduttore dovrà essere eseguibile sulla macchina reale! Vuol dire che (alla peggio) si scriverà il traduttore, una tantum, in linguaggio macchina Pagina 10

11 Traduzione dei programmi (2) INPUT OUTPUT TRADUTTORE Programma Sorgente: scritto nel linguaggio della macchina virtuale Eseguibile sulla macchina reale Programma Oggetto: scritto nel linguaggio della macchina reale Pagina 11

12 Tipologie di linguaggi LINGUAGGI MACCHINA Le istruzioni sono sequenze di bit Linguaggi diversi per piattaforme diverse (Pentium, ARM, Sparc) Es (istruzione a 32 bit) LINGUAGGI ASSEMBLATIVI Istruzioni binarie codificate in forma più leggibile Corrispondenza uno a uno fra le istruzioni Es. ADD alfa, beta; (istruzione per al somma di due interi) LINGUAGGI AD ALTO LIVELLO Più evocativi e simili al linguaggio naturale Es. if (i>0) i=i+1; else printf("errore"); Pagina 12

13 Portabilità dei programmi Un programma è portabile se può essere eseguito su una piattaforma diversa da quella per la quale è stato sviluppato Programmi scritti in linguaggio macchina ed assemblativo non sono portabili per definizione Programmi scritti in linguaggi ad alto livello nascono per essere portabili: I linguaggi ad alto livello non sono legati ad una specifica piattaforma Per eseguirli su una certa piattaforma basta disporre del traduttore per quella piattaforma Pagina 13

14 Sintassi e semantica In un linguaggio distinguiamo due aspetti fondamentali SINTASSI Insieme di regole che specificano come scrivere un programma formalmente corretto Ma, come in italiano, posso scrivere un testo formalmente corretto, ma senza alcun significato. SEMANTICA Regole per attribuire un significato alle istruzioni ed alla loro composizione, cioè ai programmi Analogamente in italiano assegna un significato alle parole ed una logica ai costrutti Pagina 14

15 Dati e operazioni Un linguaggio di programmazione deve consentire di descrivere due aspetti fondamentali del processo di elaborazione DATI Quali sono e come sono organizzate le informazioni sulle quali il programma opera Deve consentire di rappresentare le informazioni nel dominio di interesse: es. numeri, stringhe dicaratteri ecc. OPERAZIONI Manipolazioni delle informazioni rappresentate Deve consentire di coprire le esigenze del dominio in cui si vuole utilizzare il linguaggio Pagina 15

16 Dal problema al programma Problema La specifica del problema definisce univocamente quello che voglio Non mi dice come posso ottenerlo Procedura risolutiva Descrive, verbalmente o con qualche formalismo, i passi che devo effettuare per arrivare ala soluzione Programma Sequenza di istruzioni che codifica la procedura risolutiva in un certo linguaggio Pagina 16

17 Algoritmo Un algoritmo è una formalizzazione della procedura risolutiva Procedura sistematica seguendo la quale arriviamo alla soluzione di un problema, ovvero insieme di passi che, eseguiti nell ordine, permettono di calcolare i risultati a partire dalle informazioni che vengono date in ingresso. Informazioni in ingresso INPUT Sequenza ordinata di passi ALGORITMO Risultati OUTPUT Pagina 17

18 Esempio: Massimo Comun Divisore Problema Calcolare il massimo comun divisore di due interi m e n, cioè il più grande intero che sia fattore primo di entrambi Specifica cosa voglio, ma non mi indica come fare per trovarlo Algoritmo Poni MCD=1; sia m < n. Ripeti per tutti gli interi 1< k m, nell ordine, il seguente passo Se k è divisore sia di n che m allora MCD=k altrimenti continua Al termine MCD ha il valore del massimo comun divisore di m e n. Programma Codifica in un linguaggio di programmazione, ad esempio C, della procedura di cui sopra N.B. L algoritmo proposto non è l unico, e nemmeno il più efficiente.. Pagina 18

19 Paradigmi di programmazione I linguaggi di programmazione si ispirano a diversi paradigmi, cioè a diverse filosofie secondo cui gli algoritmi sono codificati Imperativo Enfasi sulle operazioni, intese come azioni e comandi e istruzioni che cambiano lo stato dell elaborazione Gli oggetti sono funzionali all elaborazione Funzionale Enfasi sulle operazioni, intese come funzioni che calcolano risultati Gli oggetti sono funzionali all elaborazione Orientato agli oggetti Enfasi sugli oggetti che complessivamente rappresentano il dominio di interesse Operazioni e funzioni sono definite con riferimento agli oggetti Pagina 19

20 Il linguaggio C C è un linguaggio di programmazione ad alto livello che supporta i paradigmi imperativo e funzionale Nato agli inizi degli anni 70 con l obiettivo precipuo di riscrivere il sistema operativo UNIX (ormai non più gestibile in linguaggio macchina) Gli autori Ken Thompson e Dennis Ritchie lo chiamarono C perché era il terzo tentativo: il precedente si chiamava B. Come linguaggio nativo di UNIX (il primo sistema operativo open source) si diffuse rapidamente nel mondo universitario, e di lì nelle nuove imprese che andavano nascendo E forse oggi il linguaggio di programmazione più diffuso Subisce un lungo processo di standardizzazione che si concretizza nello standard ISO/IEC Pagina 20

21 Perché studiamo il C? E molto vicino alla struttura del calcolatore e ne permette l accesso anche a basso livello Consente un eccellente controllo a basso livello: Controllo diretto degli indirizzi Gestione efficiente di stringhe Offre anche strutture di controllo ad alto livello, che consentono anche la codifica di algoritmi molto complessi Punto di partenza per altri linguaggi molto diffusi: C++ e Java Permette di sviluppare programmi molto efficienti Il trend attuale è di iniziare con un linguaggio imperativo (come il C), rimandando ad una fase successiva l apprendimento dei linguaggi orientati agli oggetti (C++ e Java) Pagina 21

22 L ambiente di sviluppo Cosa ci occorre per scrivere ed eseguire un programma C? Carta e penna (?) Ma ormai molti di noi scrivono direttamente al PC! Un Editor di testo Permette di scrivere il programma e salvarlo come file Può offrire altre funzioni (editor diretto dalla sintassi) Un Compilatore C Traduttore da C a linguaggio macchina Genera un programma direttamente eseguibile sul nostro PC Offre anche funzioni accessorie, come la segnalazione di errori sintattici (ma non di quelli semantici!) Pagina 22

23 L ambiente consigliato Editor di testo: Notapad++ Editor guidato dalla sintassi (colorazione ecc.) Oltre al C supporta molti altri formati Direttamente scaricabile Compilatore: gcc Disponibile su diverse piattaforme (Windows, Linux, Mac) Istruzioni per l installazione sul sito del corso Si tratta di software open source, non ci sono oneri di licenza. Distribuzione e libera,qualità eccellente, diffusione altissima Pagina 23

24 Il nostro primo programma C #include <stdio.h> int main() { printf("il mio primo programma C."); return 0; } Per essere semplice è semplice! Ma qualcuno vuole seriamente sostenere che è leggibile? Certo, a prima vista, non è evidente quello che fa? E poi, che stile esoterico: ma era proprio necessario? Pagina 24

25 Cosa significa? Il programma è costituito da direttive e istruzioni Le direttive sono ordini rivolti al compilatore Alle istruzioni corrispondono azioni che si chiede di effettuare in fase di esecuzione, e strutture che ne precisano l ordine e le modalità di esecuzione 1. #include <stdio.h> È una direttiva che chiede al compilatore di includere una serie di definizioni relative alle operazioni predefinite di I/O 2. int main() {...} È la definizione della funzione main che racchiude il corpo principale del programma, contenuto tra i due simboli { e } Ogni programma C deve contenere una e una sola funzione main Pagina 25

26 Cosa significa? (continua) 3. printf("il mio primo programma C."); È un istruzione che stampa su video la stringa racchiusa tra apici Più precisamente printf è una funzione predefinita, di quelle incluse a seguito della direttiva #include <stdio.h> 4. return 0; È un istruzione che termina l esecuzione della funzione main e restituisce il valore 0 (per dire che tutto è andato bene) La cosa non vi è chiara? Niente paura: è tutto normale! Non c è, purtroppo, un iter del tutto lineare per iniziare a lavorare in C L alternativa (noiosa) è spiegare tutto prima di far succedere qualcosa Occorre un po di pazienza: le cose si chiariranno presto. Pagina 26

27 Sviluppare ed eseguire il programma 1. SCRITTURA Si scrive il programma usando un editor Il programma viene salvato sul computer in un file 2. COMPILAZIONE Il file contenete il programma viene consegnato al compilatore Il compilatore, se non rileva errori sintattici, genera un file eseguibile contenete la traduzione Altrimenti segnala gli errori e termina 3. ESECUZIONE Il file eseguibile viene mandato in esecuzione Anche più volte, senza doverlo ricompilare Pagina 27

28 Scrittura del programma Per chiarire che si tratta di un programma C, salviamo con un nome di file primo.c dove: primo è il nome che vogliamo dare al nostro programma c è l estensione di file che tradizionalmente indica i programmi C La scrittura di un programma può essere effettuata con qualsiasi programma che consenta la scrittura di un testo Es. Edit, Notepad, Vim, Notepad++, Emacs,... Attenzione però che il formato di salvataggio sia quello di testo non formattato (ad esempio un file docx non va bene!) Pagina 28

29 In Notapad++ Pagina 29

30 Compilazine del programma In Windows interazione con il compilatore gcc avviene dando il comando direttamente, cioè non tramite l interfaccia grafica I comandi vengono passati nella finestra command prompt 1. Cambiare la directory corrente con quella che contiene il programma, nel mio caso: C:\Users\Utente\Desktop\ProgrammiC 2. Mandare in esecuzione il compilatore: gcc o first primo.c Manda in esecuzione gcc Nome da assegnare al file eseguibile Nome del programma da compilare Come risultato della compilazione viene creato, nella directory corrente, il file first.exe Pagina 30

31 Esecuzione del programma Se non ci sono errori il compilatore genera un file eseguibile: Viene salvato nella directory corrente, col nome che si è specificato e l estensione.exe Nel nostro caso first.exe in C:\...\Desktop\ProgrammiC Per mandare il programma in esecuzione basta passare il nome del file eseguibile come comando nella command prompt Non è necessario specificare l estensione Nel caso in esempio: first o first.exe Il risultato di ciascuna esecuzione sarà la visualizzazione nella command prompt della stringa: Il mio primo programma C. Pagina 31

32 Compilazione ed esecuzione Pagina 32

33 E se ci sono errori? INIZIO SI SCRITTURA E MODIFICA COMPILAZIONE ERRORI SINTATTICI? SI NO NO ERRORI SEMANTICI? ESECUZIONE FINE Pagina 33

34 Errori Questo programma contiene diversi errori, di diversi tipi: #include <stdio.h> int main () { printf("i miei primi errori in C...\n") Printf("...e non saranno gli ultm!!!\n"); return 0; } Tipi di errori: Sintattici: riguardano la correttezza formale Semantici: riguardano la correttezza sostanziale Manca il ; C è un errore di ortografia Pagina 34

35 Errori sintattici Legati alla violazione delle regole del linguaggio #include <stdio.h> int main () { printf("i miei primi errori in C...\n") Printf("...e non saranno gli ultm!!!\n"); return 0; } Questi errori sono individuati dal compilatore Manca il ; Non sempre però le segnalazioni sono chiare: >gcc -o errori errori.c errori.c: In function 'main': errori.c:18:4: error: expected ';' before 'Printf' > Pagina 35

36 Errori semantici Il programma non fa quello che vorrei che facesse P. es. nel caso di errori.c viene stampata una stringa contenente errori di ortografia (non è quello che vorrei): >gcc -o errori errori.c >errori I miei primi errori in C......e non saranno gli ultm!!! > Il compilatore non segnala questi errori (e non può farlo!) Lui che può saperne di quello che vorrei stampare? Gli errori semantici possono essere individuati solo eseguendo il programma e analizzando i risultati Pagina 36

37 Programma corretto #include <stdio.h> int main () { printf("i miei primi errori in C...\n"); printf("...e non saranno gli ultimi!!!\n"); return 0; } Pagina 37

38 Funzioni L organizzazione dei programmi C e fortemente basata sul concetto di funzione Gestire la complessità di un programma decomponendolo in moduli: Approccio divide et impera Definire funzioni, cioè moduli corrispondenti a parti della procedura che svolgono compiti precisi Costruire il programma utilizzando questi moduli Due tipi di funzioni: Funzioni di libreria: già definite da altri e raccolte in libreria Funzioni definite dal programmatore: la loro definizione è parte del programma Pagina 38

39 Parametri e valore di una funzione Le funzioni prevedono normalmente parametri sui quali si basa l elaborazione effettuata dalla funzione Devono essere passati ogni volta che la funzione è invocata I parametri permettono di usare una funzione per effettuare più volte la stessa elaborazione su dati diversi In C una funzione ha (quasi) sempre un valore, che viene restituito come risultato del calcolo della funzione Se la funzione non restituisce un valore di dice che il suo valore è void ESEMPIO: sin(x) x è un valore reale che viene passato alla funzione come parametro la funzione calcola un valore reale in C sin è una funzione di libreria predefinita Pagina 39

40 Definizione e invocazione Occorre distinguere chiaramente tra: DEFINIZIONE DI UNA FUNZIONE Parte del programma in cui viene definito cosa la funzione fa Non è esplicita per le funzioni di libreria Una funzione deve essere dichiarata prima di essere usata INVOCAZIONE DI UNA FUNZIONE Parte di un programma in cui viene richiesta l esecuzione della funzione Sintassi: nomefunzione(parametri) Semantica: la funzione esegue le operazioni specificate nella sua definizione sulle informazioni passate come parametri Pagina 40

41 Esempio #include <stdio.h> #include <math.h> int main() { printf("questo programma C esegue dei calcoli "); printf("usando funzioni matematiche predefinite..\n"); printf("la radice quadrata di 169: %f", sqrt(169) ); } Viene invocata la funzione di libreria sqrt che calcola la radice quadrata del numero che gli viene passato come parametro La libreria math di cui fa parte sqrt è indicata nella direttiva al compilatore Nell esempio sqrt(169)calcola la radice di 169 Il risultato è passato come valore e usato dalla printf Anche printf è una funzione di libreria: per poterla usare devo chiedere al compilatore di includere la libreria stdio Pagina 41

42 La funzione main Un programma C deve sempre contenere una funzione main La funzione main ha valore void, cioè non restituisce valore La definizione di altre funzioni segue quella della funzione main L esecuzione del programma consiste nell esecuzione della funzione main, la quale, eventualmente, invoca altre funzioni provocandone l esecuzione PROBLEMA Il compilatore, per poter tradurre il programma, deve conoscere le definizioni delle funzioni Quando trova le invocazioni deve almeno conoscere: numero e tipo dei parametri e tipo del valore della funzione Ma le definizioni vengono dopo il main.. Pagina 42

43 Prototipi di funzione Per risolvere il problema, in C prevede la dichiarazione dei prototipi di funzione Un prototipo di funzione è una dichiarazione sintetica che specifica: Il nome della funzione Il tipo del risultato Il numero ed il tipo dei parametri La dichiarazione dei prototipi precede la definizione della funzione main ESEMPIO: double sqrt(double) La funzione sqrt restituisce un valore reale in doppia precisione Ha un parametro anch esso reale in doppia precisione (tipo double) Pagina 43

44 Parametri I parametri di una funzione sono i valori passati dal modulo chiamante alla funzione per poter svolgere i calcoli In generale, i parametri passati come argomenti possono essere espressioni complesse formate a loro volta da invocazioni di altre funzioni ESEMPIO la funzione double sqrt(double)deve essere invocata passando un valore di cui vogliamo calcolare la radice quadrata la funzione double pow(double,double)calcola la potenza e i parametri sono base ed esponente La chiamata sqrt(pow(5,2)+pow(12,2))calcola la radice quadrata di e restituisce un valore reale in doppia precisione, nella fattispecie 13 Pagina 44

45 Funzioni definite in math.h Pagina 45

46 La funzione printf Visualizza (stampa) a video una sequenza di dati formattati Fa parte della libreria stdio.h e ha la forma: printf (stringa di controllo del formato, altri argomenti ) La stringa di controllo del formato descrive il formato dell output Gli altri argomenti specificano i dati che si intende visualizzare Restituisce come valore il numero di caratteri visualizzati La stringa di controllo del formato è composta da una serie di specifiche di conversione che indicano: Il tipo del dato che si vuole stampare L ampiezza del campo in cui deve essere stampato La suddivisione all interno del campo Altri caratteri nella stringa vengono stampati direttamente Pagina 46

47 Specifiche di conversione Alcune specifiche di conversione di uso frequente sono: %c singolo carattere %d intero in rappresentazione decimale %o intero in rappresentazione ottale %x intero in rappresentazione esadecimale %u intero in rappresentazione decimale senza segno %f reale in notazione virgola fissa %s stringa %e reale in notazione scientifica Tra % e la lettera si può inserire un segno meno che indica giustificazione a sinistra, un numero intero che dà l'ampiezza del campo e può essere seguito da un punto e da un altro intero che dà il numero di cifre o il numero di caratteri per una stringa. Pagina 47

48 Esempio di printf #include <stdio.h> int main() { printf("%d^ volta con il C\n", 1); printf("%.4f\n", ); return 0; } Stampa la stringa: 1^ volta con il C N.B. Il carattere speciale \n provoca l andata a capo Pagina 48

49 Escape sequence Sono sequenze di caratteri, inizianti per \ che non sono visualizzati sullo schermo, ma producono altri effetti \n newline, va a capo \t tabulazione \r posiziona il cursore all inizio della riga corrente \a emette un suono \t tabulazione \\ stampa il carattere \ \' stampa il carattere ' \" stampa il carattere Lista completa sul libro (o su Wikipedia) Pagina 49

50 Stampa di apici e virgolette #include <stdio.h> int { } main() printf("l\'apostrofo non e\' \"facile\""); printf(" da stampare\n"); return 0; Visualizza l'apostrofo non e' "facile" da stampare Attenzione alle smart quotes introdotte da molti editor! Evitare il copia e incolla (di testi formattati) Pagina 50

51 Esercizi Esercizio 1.1 Provare a scrivere, compilare ed eseguire tutti gli esempi visti finora. Introdurre piccole variazioni su tema, ricompilare e controllare l effetto. Esercizio 1.2 Scrivere un programma C che calcoli il valore 82 6 e lo visulaizzi su video, preceduto dalla frase 86 elevato alla sesta è. Esercizio 1.3 Scrivere un programma che calcoli la radice quadrata di 2, e visualizzi il risultato con 3 cifre decimali. Pagina 51

52 Esercizio 1.2 (soluzione) Esercizio 1.2 Scrivere un programma C che calcoli il valore 86 6 e lo visulaizzi su video, preceduto dalla frase 86 elevato alal sesta è. #include <stdio.h> #include <math.h> int { } main() printf("86 elevato alla sesta e\' "); printf("%f\n", pow(82.0, 6.0)); return 0; Output: 86 elevato alla sesta e' Pagina 52

53 Esercizio 1.3 (soluzione) Esercizio 1.3 Scrivere un programma che calcoli la radice quadrata di 2, e visualizzi il risultato con 3 cifre decimali. #include <stdio.h> #include <math.h> int { } main() printf("%.3f\n", sqrt(2.0)); return 0; Output: Pagina 53

54 Problemi pratici: tastiera italiana Come si scrive la graffa aperta ( { )? Alt oppure Alt Gr + Shift + è oppure Fn + Alt (per i portatili) Come si scrive la graffa chiusa ( } )? Alt oppure Alt Gr + Shift + + oppure Fn + Alt (per i portatili) Pagina 54