Introduzione al linguaggio C

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1 INFORMATICA B Ingegneria Elettrica Introduzione al linguaggio C

2 Introduzione Linguaggio di programmazione ad alto livello Sviluppato negli anni 70 (C standard ANSI) Molto diffuso e adatto ad un ampio spettro di applicazioni: Scientifiche Gestionali Industriali, es. acquisizione dei dati, controllo dei processi Informatiche, es. SW di base (SO Unix), strumenti (CAD), pacchetti applicativi Sistemi dedicati, es. microcontrollori, computer di bordo, domotica 2

3 Alcune proprietà del C È un linguaggio imperativo il programma è composto come un insieme di istruzioni (dette anche direttive o comandi), ciascuna delle quali può essere pensata come un ordine che viene impartito al calcolatore È un linguaggio dichiarativo L intenzione di utilizzare una variabile o una funzione deve essere dichiarata a priori È un linguaggio strutturato Fornisce i costrutti base per la definizione di sequenza, selezione ed iterazione È un linguaggio case sensitive Discrimina tra caratteri maiuscoli e minuscole e.g., Main è diverso da main! 3

4 Struttura di un programma C Un programma scritto in C è un file di testo strutturato in modo opportuno Il programma scritto in modo corretto può essere compilato, cioè tradotto in linguaggio macchina Le fasi di compilazione ed esecuzione saranno approfondite durante le ore di laboratorio Imparare a programmare in C significa impararne la sintassi e la semantica per fare in modo che esso: Sia compilabile (verifica sintattica) Si comporti come atteso (verifica semantica) 4

5 Hello world! Un esempio molto semplice di programma: #include <stdio.h> void main() { printf("hello World!"); } 5

6 Hello world! Un esempio molto semplice di programma: Il codice inizia qui Parte dichiarativa globale Parte dichiarativa locale Parte esecutiva #include <stdio.h> void main() { } printf("hello World!"); L esecuzione inizia qui In questo esempio la parte dichiarativa locale è vuota 6

7 Hello world! Un esempio molto semplice di programma: Parte dichiarativa globale Parte dichiarativa locale Parte esecutiva #include <stdio.h> void main() { } printf("hello World!"); Specifica l inclusione della libreria stdio che permette di utilizzare le funzioni di input/output Il main indica l inizio del programma vero e proprio Il programma contiene una sola istruzione che deve terminare con ; L istruzione specificata stampa a video il messaggio specificato tra gli apici: «Hello world» 7

8 Hello world! Un esempio molto semplice di programma: Parte dichiarativa globale Parte dichiarativa locale Parte esecutiva #include <stdio.h> /* Il mio primo programma */ void main() { } printf("hello World!"); Possiamo aggiungere commenti dove si vuole (testo tra /* */). Servono ai programmatori per rendere il codice più leggibile; sono ignorati dal compilatore Possiamo mettere quanti a-capo e spazi vogliamo perché vengono ignorati. In realtà utilizzeremo una convenzione detta indentazione per rendere il codice leggibile 8

9 E ora che abbiamo il codice? Dobbiamo trovare un elaboratore in grado di eseguirlo Problema: il calcolatore è in grado di elaborare istruzioni in linguaggio macchina Dobbiamo quindi trovare anche un modo per trasformare il C (linguaggio di alto livello) in linguaggio macchina (linguaggio di basso livello) 9

10 Perché linguaggio macchina? Un elaboratore è un insieme di circuiti Si basa su logica binaria Il linguaggio C è vicino al modo di pensare umano È infatti un linguaggio di alto livello Il linguaggio macchina è vicino al modo di lavorare di un elaboratore È infatti un linguaggio di basso livello 10

11 Il flusso di sviluppo di un programma Analisi Del problema Definizione dell algoritmo Codifica del programma (linguaggio C) Compilazione del programma (linguaggio macchina) Esecuzione sul calcolatore 11

12 Hello world! Un esempio molto semplice di programma: #include <stdio.h> /* Il mio primo programma */ void main() { printf("hello World!"); } L esecuzione del programma porta al seguente output sul terminale: Hello World! 12

13 La macchina astratta del C Quando si scrive un programma in C si immagina di avere una macchina un po più astratta rispetto al calcolatore reale BUS CPU MEM. Standard Input Standard Output a B pluto somma_1... La tastiera Il terminale video 13

14 La macchina astratta del C Memoria Divisa in celle elementari Ogni cella può contenere un dato I dati possono essere Numeri Caratteri Stringhe (sequenze di caratteri in celle adiacenti) Semplificazioni / idealizzazioni / approssimazioni / astrazioni Nessun limite al numero delle celle Nessun limite ai valori numerici contenuti (rilasseremo molto presto questa ipotesi) MEM. 3 4 a 7... a B pluto somma_

15 La macchina astratta del C Standard I/O La macchina astratta del C ha due periferiche standard di ingresso e uscita stdin : standard input che acquisisce i dati da tastiera stdout : standard output che visualizza i messaggi nel terminale video che possono essere viste come sequenze (flussi) di byte, normalmente interpretati come caratteri 15

16 La macchina astratta del C CPU L unità centrale di elaborazione (CPU) è in grado di eseguire una alla volta in sequenza le istruzioni specificate nel programma Ciascuna istruzione può contenere: Espressioni aritmetico/logica/relazionali aventi come operandi variabili contenute nella memoria centrale e salvando ciascun risultato in una variabile in memoria Letture dallo standard input che salvano i dati acquisiti in variabili contenute in memoria Scritture sullo standard output di messaggi contenenti anche i dati salvati nelle variabili in memoria Istruzioni di controllo che modificano il flusso sequenziale di esecuzione 16

17 Organizzazione di un programma Nella parte dichiarativa globale vengono specificati (nell ordine) Le direttive include con cui si specifica quali librerie vengono usate Le direttive define per definire costanti da utilizzare nel programma La definizione di nuovi tipi di dato (vedremo più avanti) La dichiarazione di variabili globali (non le useremo in questo corso) Nella parte dichiarativa locale vengono dichiarate le variabili Nella parte esecutiva vengono specificate le istruzioni che implementano l algoritmo 17

18 Direttiva include Le direttive: sono istruzioni particolari rivolte al compilatore iniziano con il carattere # La direttiva include indica l intenzione di utilizzo di una libreria esterna (cioè una collezione di funzioni, cioè sottoprogrammi che svolgono un compito più complesso di una singola istruzione) Esempio #include <stdio.h> richiede la libreria di gestione degli input e degli output (e.g., printf(), scanf(), ) #include <math.h> richiede la libreria con le principali funzioni matematiche (e.g., abs(), sin(), ) Una volta inclusa una libreria è possibile utilizzare tutte le funzioni definite al loro interno 18

19 main È una parola chiave e indica l inizio del programma vero e proprio Le istruzioni che seguono saranno quelle effettivamente eseguite dal calcolatore Le istruzioni che compongono il programma principale (cioè il main) sono racchiuse all interno di parentesi graffe { } 19

20 Dichiarazione di variabili Sintassi C per la dichiarazione di variabili tipo_variabile nome_var; Possiamo anche dichiarare più variabili dello stesso tipo separandole con una virgola Esempi: int raggio, circonferenza; char carattere; tipo_variabile nome_var1, nome_var2; Le variabili devono essere dichiarate prima di qualsiasi istruzione eseguibile Il nome di una variabile deve essere univoco (cioè non deve essere già stato utilizzato) e non deve essere una parola riservata 20

21 Dichiarazione di variabili La dichiarazione di variabile indica che e come una variabile verrà utilizzata dal programma Definisce l identificatore simbolico (nome) univoco Definisce il tipo, adatto ai valori da rappresentare (intero, carattere, ) Riserva (alloca) una locazione di memoria di dimensione adeguata a contenere il tipo Associa in modo univoco l indirizzo di memoria al nome Consente di rilevare, durante la compilazione, errori sull uso improprio della variabile nel programma 21

22 Perché dichiarare una variabile? Una variabile rappresenta uno spazio di memoria centrale Prima dell esecuzione del programma deve essere chiaro quanto spazio serve al programma Quindi devono essere note tutte le variabili che un programma intende utilizzare Tutti gli accessi alla variabile indicano un accesso alla memoria Quindi deve essere chiaro quale spazio di memoria è associato alla variabile Durante l esecuzione del programma le variabili hanno sempre un valore ben definito Può essere significativo o non significativo, ma c è 22

23 Tipi di dato Un tipo identifica la classe dei valori ammissibili, le operazioni lecite, e la modalità con cui agiscono le operazioni Esistono due macro-classi di tipi: Tipi built-in (predefiniti) Tipi definiti dall utente (prossime lezioni ) Sia quelli built-in che quelli definiti dall utente possono essere: Semplici Composti (prossime lezioni ) 23

24 Tipi semplici built-in char Occupa 8 bit (1 byte) Rappresenta i caratteri in codifica ASCII (American Standard Code for Information Interchange) I caratteri sono rappresentati in memoria tramite un valore numerico nell intervallo da 0 a 255 I caratteri sono rappresentati nel codice di un programma tra apici semplici: '1', 'a' Caratteri speciali sono rappresentati mediante una specifica sequenza di due caratteri che inizia con \ '\n': a capo, '\t': tab Esempio: char carattere1; char carattere2, carattere3; 24

25 Tipi semplici built-in TABELLA ASCII 25

26 Tipi semplici built-in int Occupa almeno 16 bit (2 byte). L occupazione dipende dal tipo di architettura del calcolatore Rappresenta gli interi relativi. Valori in complemento a 2 da a Nei calcolatori moderni occupa 32 bit (4 byte) e rappresenta i valori da a Esempio: int n01; int numero5, num5; 26

27 Tipi semplici built-in float Occupa 32 bit (4 byte) Rappresentano i razionali in virgola mobile. Valori espressi tramite mantissa e esponente. Valori da -10E-38 a 10E+38 double Occupa 64 bit (8 byte) Rappresentano i razionali in virgola mobile. Valori espressi tramite mantissa e esponente. Valori da -10E-308 a 10E+308 Esempio: float num7; double base, altezza; 27

28 Costanti Esistono due tipi di costanti Esplicite: esprimono direttamente dei valori 'A' Simboliche costante di tipo int costante di tipo double costante di tipo char Sono nomi simbolici che il programmatore adotta per indicare dei valori prefissati (maggiore leggibilità) Hanno un tipo espresso implicitamente nel valore Devono essere precedentemente dichiarate 28

29 Dichiarazione di costanti Dichiarare una costante significa associare un simbolo ad un valore A differenza delle variabili tale valore non cambierà mai durante tutto il programma Per dichiarare una costante utilizziamo la direttiva #define 29

30 Direttiva #define La direttiva associa un nome ad un valore di qualunque tipo Ogni direttiva (specificata nella parte delle dichiarazioni) definisce una costante Esempi #define NMMAZ 10 #define VMAX #define FALSE 0 #define TRUE 1 ATTENZIONE: la direttiva non deve terminare con il ; In questo caso l andare a capo indica la fine dell istruzione Il nome della costante viene anche detta macro 30

31 Il compilatore e le macro In fase di compilazione ogni riferimento a macro viene sostituito con il valore corrispondente Alla fine di questa sostituzione la costante è come se non fosse stata dichiarata Per questo motivo il compilatore non riserva alcuna zona di memoria ad una macro #define PI 3.14 void main() { float area; int raggio;... area = raggio * raggio * PI; } void main() { float area; } int raggio;... area = raggio * raggio * 3.14; 31

32 Parte esecutiva Contiene le istruzioni da eseguire: Istruzioni di assegnamento (=) Istruzioni di input/output Strutture di controllo: Condizionali (if-else) Iterative, o cicli (while, do-while e for) #include <stdio.h> void main() { int j; printf("hello World"); } Parte dichiarativa locale Parte esecutiva 32

33 Sequenza un esempio introduttivo Si disegni il diagramma di flusso di un algoritmo che chiede all utente un lunghezza del raggio di un cerchio, calcola l area del cerchio e visualizza il risultato Inizio Leggi(r) a = r*r*3.14 Sequenza Scrivi(a) Fine 33

34 Istruzioni semplici e composte Sequenze di istruzioni semplici Ogni istruzione semplice è un espressione che termina con ; ; è detto il terminatore dell istruzione Si possono raggruppare più istruzioni in sequenza tra { e } a costituire un blocco Il blocco costituisce una super-istruzione Non è necessario il ; dopo }, in quanto il blocco è già una istruzione 34

35 Operatori Nelle istruzioni è possibile utilizzare i seguenti operatori: Aritmetici + (somma) - (sottrazione) * (prodotto) / (divisione) % (resto) Assegnamento = Esistono anche operatori di confronto e logici (prossime lezioni) NOTA: Tra valori di tipo int e char viene effettuata la divisione intera. L operatore % calcola il resto della divisione intera tra valori interi. char, int, float e double sono anche detti tipi aritmetici 35

36 Assegnamento È un operatore e si indica con il simbolo = (uguale) A sinistra dell operatore deve sempre esserci una variabile A destra può esserci una costante una variabile un espressione Esempi di istruzioni di assegnamento: x = 23; w = 'a'; w = a; alfa = x + y; x=x+1; Attenzione! le variabili devono essere inizializzate Bisogna sempre assegnare un valore ad una variabile prima di leggerne il contenuto in un altra istruzione 36

37 Esecuzione degli assegnamenti 1. Valutazione dell espressione Il valore delle variabili che vi compaiono si trova memorizzato nelle celle corrispondenti, e da lì è letto 2. Memorizzazione del risultato dell'espressione nella variabile a sinistra del simbolo = Operatori C Operazioni Precedenza ( ) Parentesi Valutate per prime. Se ci sono degli annidamenti, si valuta prima la coppia più interna. Se ci sono più coppie allo stesso livello, si valuta da sinistra a destra. *, /, % Moltiplicazione, Divisione, Modulo +, Addizione, Sottrazione Valutate per seconde. Se ce ne sono diverse, si valutano da sinistra a destra. Valutate per terze. Se ce ne sono diverse, si valutano da sinistra a destra. = Assegnamento Valutate per ultime. Se ce ne sono diverse, si valutano da destra a sinistra. 37

38 Funzioni di Ingresso e Uscita In C, l ingresso e l uscita avviene tramite chiamate a due istruzioni particolari (in realtà sono due sottoprogrammi) disponibili nella libreria stdio.h printf() scanf() Per poterle utilizzare è necessario aggiungere la direttiva #include <stdio.h> 38

39 Stampa su video printf(stringa di controllo, elementi da stampare); printf() è l identificatore riservato alla funzione stringa di controllo (racchiusa tra doppi apici ""), contiene: caratteri alfanumerici da stampare a video caratteri di conversione e/o di formato (preceduti dal simbolo %): utilizzati per interpretare i valori degli elementi da stampare %d %f %c numero intero numero in virgola mobile carattere caratteri di controllo della stampa: caratteri ASCII a cui non corrisponde alcun simbolo stampabile, hanno effetti di formato di stampa, come linea nuova (\n), tabulazione (\t), ecc. 39

40 Stampa su video SEMANTICA e FUNZIONAMENTO: printf (stringa di controllo, elementi da stampare); è la chiamata alla funzione, che fa partire l attivazione del sottoprogramma associato stampa i caratteri alfanumerici tra doppi apici e al posto dei caratteri di conversioni stampa il valore dell identificatore corrispondente nella lista da stampare I caratteri di controllo stampa posizionano il cursore nella posizione opportuna 40

41 Esempio #include <stdio.h> void main() { int num1; float num2; char car1; num1=1; num2=0.2; car1='r ; printf("intero: %d\nrazionale: %f\ncarattere: %c\n", num1, num2, car1); } intero: 1 razionale: 0.2 carattere: r 41

42 Ingresso da tastiera scanf(stringa di controllo, lista di variabili); scanf() è l identificatore riservato alla funzione stringa di controllo (racchiusa tra doppi apici ""), contiene: caratteri di conversione e/o di formato (preceduti dal simbolo %): utilizzati per interpretare i valori degli elementi letti da tastiera, che devono essere memorizzati nelle variabili %d %f %c numero intero numero in virgola mobile carattere variabili a cui associare il valore letto: lista di identificatori di variabili. Le variabili devono essere precedute dal simbolo &. La lista è ordinata rispetto ai caratteri di conversione 42

43 Ingresso da tastiera SEMANTICA e FUNZIONAMENTO scanf(stringa controllo, lista di variabili); è la chiamata alla funzione che attiva l esecuzione del programma associato ad ogni pressione di un tasto, la funzione visualizza su video il carattere alfanumerico premuto la sequenza di tasti premuti deve terminare con la pressione del tasto Invio la funzione assegna alle variabili il valore binario del carattere letto 43

44 Esempio #include <stdio.h> void main() { } int num1; float num2; char car1; scanf("%d %f %c", &num1, &num2, &car1); printf("intero: %d\nrazionale: %f\ncarattere: %c\n", num1, num2, car1); r intero: 1 razionale: 0.2 carattere: r 44

45 Sequenza un esempio introduttivo Si disegni il diagramma di flusso di un algoritmo che chiede all utente un lunghezza del raggio di un cerchio, calcola l area del cerchio e visualizza il risultato Inizio Leggi(r) a = r*r*3.14 Scrivi(a) Fine #include <stdio.h> #define PI 3.14 void main(){ } int r, a; scanf( %d, &r); a = r * r * PI; printf( %d, a); 45

46 Compatibilità tra i tipi Attenzione! I tipi di dato delle variabili coinvolte in un operazione devono essere identici (o almeno compatibili) Il compilatore controlla la compatibilità tra i tipi In alcune situazioni risolve la non compatibilità tramite delle regole di conversione automatica tra i tipi (cast) 46

47 Compatibilità tra i tipi Operazioni di assegnamento Il valore alla destra dell operatore verrà convertito nel tipo della variabile alla sinistra La conversione del tipo è indolore se il tipo di dato a destra è inferiore al tipo della variabile a sinistra dell operatore, secondo la seguente gerarchia: char < int < float Altrimenti non è esclusa perdita di informazione Operazioni aritmetiche Il valore di tipo inferiore viene convertito nel tipo superiore 47

48 Compatibilità tra i tipi Esempio La conversione di un valore a float in un valore int comporta la perdita della parte frazionaria int i; float f; f = 4.3; /*OK!*/ i = 4.3; /*assegnamento incongruente con perdita di informazione*/ f = 10; /*assegnamento incongruente senza perdita di informazione*/ i = 10; /*OK!*/ 48

49 Compatibilità tra i tipi Si può anche forzare la conversione di un valore da un tipo all altro mediante l operatore di cast () Si specifica tra parentesi tonde il tipo a cui convertire davanti al nome della variabile/costante int a, b; float f1, f2; a = 5; b = 2; f1 = a / b; f2 = (float) a / b; La divisione viene effettuata tra numeri interi e poi il risultato è automaticamente convertito durante l assegnamento CAST f1 contiene 2.0 f2 contiene 2.5 Il valore di a viene convertito a float prima della divisione; quindi la divisione sarà tra due valori float L operazione di cast ha priorità maggiore rispetto a qualsiasi altra 49

50 Esempi di assegnamenti, cast ed espressioni #define D 5.0 void main(){ float a; float b, c=0; int e; b = 11; a = D; /* OK */ D = a; /* NO */ a = 4 / 5; /* Che cosa succede? Perché? */ b = 4 / 5.0; /* Che cosa succede? Perché? */ b = 4 / 5 / 6.0; /* Che cosa succede? Perché? */ b = 3 / (float)5 / 6; /* Che cosa succede? Perché?*/ e = (float)4 / 5; /* Che cosa succede? Perché? */... 50

51 Esempi di assegnamenti, cast ed espressioni void main(){ char a; char b, c = 'Q'; a = '\n'; /* OK: i caratteri di escape sono caratteri a tutti gli effetti */ c = 'ps'; /* NO: 'ps' non è una costante valida*/ a = '7'; /* Che cosa succede? */ a = b; /* Che cosa succede? */ b = 7; /* Che cosa succede? */ a = 'g'; a = a+1; /* La var a contiene h */ a = 'a'+1; /* La var a contiene b */ a = 'g'; a = a 'a' + 'A'; /* La var a contiene G */... 51

52 Tipi semplici built-in TABELLA ASCII 52

53 Una considerazione sul tipo char Il tipo char è rappresentato attraverso una codifica numerica intera (interi a 1 byte) Attenzione! c = 1 è diverso da c = '1' Nel primo caso a c è assegnato il valore 1 Nel secondo caso a c è assegnata la codifica del carattere 1 e quindi 49 Supponendo che c=='1' con c di tipo char printf("%c", c); stampa il carattere 1 printf("%d", c); è valido e stampa il numero 49 Supponendo che i==90 con i di tipo int printf("%c", i); è valido e stampa il carattere 'Z' printf("%d", i); stampa il numero 90 53