1/4
PB111 Nízkoúrovňové programování (shrnutí jazyka C)
P. Ročkai
Část 1: Výpočetní stroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Část 2: Lokální proměnné, řízení toku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Část 1: Výpočetní stroj
Tato kapitola jazyk C nepoužívá.
2/4 PB111 Nízkoúrovňové programování (shrnutí jazyka C), 18. února 2025
Část 2: Lokální proměnné, řízení toku
Počínaje touto kapitolou budeme většinu programů psát ve zjednodušené
verzi jazyka C. V tomto kurzu budeme psát programy do jednoho souboru,
který bude sestávat z definic typů (uvidíme později) a podprogramů. Na
diskusi o sémantice podprogramů zatím nejsme připraveni, proto je budeme
chápat jako syntaktickou obálku pro kód, který budeme psát.
Program bude typicky vypadat takto:
int podprogram( int parametr₁, int parametr₂ )
{
…
}
int main()
{
assert( podprogram( 1, 2 ) == 3 );
…
}
Podprogram s názvem main bude v tomto kurzu vždy obsahovat testy, které
ověřují základní funkcionalitu ostatních podprogramů. Můžete si do něj vždy
přidat svoje vlastní testy. Zápis podprogram( 1, 2 ) je volání (použití)
podprogramu – prozatím jej nebudeme mimo testy potřebovat, protože jediné
podprogramy, které budeme moct v tomto předmětu použít, jsou ty, které
si sami napíšeme.
1 Hodnoty, objekty a proměnné Proměnné znáte již z kurzu IB111 – proměnné
v jazyce C mají s těmi v Pythonu mnoho společného, ale mají také
důležité odlišnosti. Prvním, v zásadě syntaktickým, rozdílem je, že v jazyce
C musíme každou proměnnou deklarovat – to provedeme zápisem typ jméno;
případně typ jméno = výraz;. První forma proměnnou pouze deklaruje, ale
její počáteční hodnotu ponechá neurčenu – tuto hodnotu není dovoleno
použít.
Typ proměnné určuje, jakých hodnot může nabývat – k dispozici máme prozatím
tyto zabudované typy:
• unsigned – celé číslo v rozsahu 0 až 65535,1
• int – celé číslo v rozsahu -32768 do 32767,2
• bool – celé číslo, 0 nebo 1, které typicky reprezentuje pravdivostní
hodnotu – 0 pro false, 1 pro true,
• signed char – celé číslo v rozsahu -128 až 127,
1
Pro typy int a unsigned je konkrétní rozsah přípustných hodnot daný implementací – na mnoha
systémech jsou tyto typy 32bitové.
2
Starší standardy jazyka C neurčují, jaké kódování se použije pro znaménkové typy, novější
již požadují dvojkový doplňkový kód (viz také předchozí kapitola).
• unsigned char – celé číslo v rozsahu 0 až 255,
• char – typ se stejným rozsahem jako jeden z předchozích dvou (který
z nich je určeno implementací), ale přesto z pohledu kontroly typů od
obou odlišný.
Proměnná je v jazyce C pevně svázaná3
s objektem. Objekt je abstrakce
paměti – reprezentuje entitu, která je schopna pamatovat si hodnotu, již
můžeme z objektu přečíst nebo do objektu uložit novou (a tím tu předchozí
přepsat). Objekt tak můžeme chápat jako dvojí zobecnění paměťové buňky:
• místo jednoho bajtu si pamatuje hodnotu (která může mít potenciálně
složitou vnitřní strukturu, i když takové zatím neumíme v jazyce C
sestrojit),
• místo adresy má identitu – objekt můžeme „uchopit“ a pracovat s ním –
obvykle tak, že tento objekt svážeme s proměnnou.
Realizace objektů je důležitým prvkem implementace programovacího jazyka
a může se případ od případu lišit. Zejména není pravda, že by byl objekt
pevně svázán s nějakou adresou nebo registrem – překladač může objekt
transparentně přesouvat dle potřeby výpočtu.4
2 Živost a rozsah platnosti Objekt, který je s proměnnou svázaný, vznikne
právě deklarací, a zanikne opuštěním rozsahu platnosti této proměnné. Čtení
objektu je implicitní – provede se kdykoliv proměnnou použijeme jako hodnotu
ve výrazu, zápis do objektu pak provedeme operátorem přiřazení (viz
také další sekce).
Podobně jméno proměnné je platné počínaje deklarací, a konče pravou složenou
závorkou, která ukončuje nejbližší uzavírající blok (složený příkaz
nebo tělo funkce – podrobněji rozebereme dále). Například:
{
// zde x ještě není deklarováno
int x;
{
int y;
… // zde můžeme použít jak x tak y
} // zde končí rozsah platnosti y
… // zde již y není lze použít
} // zde končí rozsah platnosti x
3
Na rozdíl od jazyka Python, kde je možné vazbu proměnné na objekt změnit přiřazením. To
v jazyce C možné není.
4
Překladače jazyka C například běžně přesouvají objekty mezi registry a zásobníkem podle
aktuální situace. Tentýž objekt může být tedy v různých fázích výpočtu fyzicky uložen na
různých místech.
U proměnných je tak syntakticky zaručeno, že jsou svázány s živým objektem
– kdykoliv můžeme jméno proměnné použít, objekt, který tato proměnná
pojmenovává, existuje.
3 Výrazy Na úrovni jazyka C je základní jednotkou výpočtu výraz – podobně
jako v jazyce Python můžeme výrazy tvořit induktivně. Jsou-li:
• e1, e2 … en výrazy,
• var jméno proměnné,
• lit číselný literál (konstanta),
existují také výrazy tvaru:5
1. lit (konstanta) je výraz,
2. var (jméno proměnné) je výraz,
3. použití aritmetického operátoru (binární v infixovém zápisu, unární
v prefixovém):
∘ e1 + e2, e1 - e2,
∘ e1 * e2, e1 / e2, e1 % e2 (modulo)
∘ unární mínus -e1,
4. relační operátory:
∘ e1 == e2 (rovnost), e1 != e2 (nerovnost)
∘ e1 <= e2, e1 >= e2, e1 < e2, e1 > e2
5. bitové logické operace a posuvy:
∘ binární e1 & e2 (and), e1 | e2 (or), e1 ^ e2 (xor),
∘ unární ~e1 – bitová negace,
∘ bitové posuvy zapisujeme e1 >> e2, e1 << e2,
6. operátory přiřazení (pozor na změnu oproti jazyku Python – v jazyce C
je přiřazení výraz, nikoliv příkaz):
∘ jednoduché var = e1,
∘ složené var += e1, var -= e1,
∘ dále var *= e1, var /= e1, var %= e1,
∘ s bitovým posuvem var <<= e1, var >>= e2,
∘ s bitovou operací var &= e1, var ^= e1, var |= e1,
7. operátory zvýšení a snížení proměnné o jedničku:
∘ prefixové ++var, --var,
∘ postfixové var++, var--,
8. operátor čárka, e1, e2,
9. booleovské logické operace:
∘ binární e1 && e2 (and), e1 || e2 (or),
∘ unární !e1,
∘ ternární e1 ? e2 : e3,
5
S dalšími operátory se setkáme v pozdějších kapitolách.
3/4
4 Vyhodnocení výrazu Nyní víme, jak výrazy vypadají (jakou mají syntaxi),
můžeme tedy přistoupit k otázce, co takové výrazy znamenají (jakou mají
sémantiku). Všechny zde uvedené výrazy6
popisují nějakou hodnotu a výraz
samotný je návodem, jak tuto hodnotu získat.
Vyhodnocení výrazu (provedení výpočtu tímto výrazem popsaného) budeme
samozřejmě realizovat pomocí již zavedeného výpočetního stroje tiny.
Abychom mohli výpočet skutečně provést, musíme určit registr, do kterého
má být výsledek zapsán – budeme mluvit o vyhodnocení výrazu E do registru
R.7
1. Výraz lit se vyhodnotí přímo na číselnou hodnotu zapsanou ve zdrojovém
kódu. Například vyhodnocení výrazu 7 do registru rv se realizuje
instrukcí put 7 → rv.
2. Výraz var se vyhodnotí na hodnotu, která je v momentě vyhodnocení
tohoto výrazu uložena v objektu svázaném s proměnnou var. Prozatím
uvažujeme pouze situace, kdy je objekt svázaný s var uložen přímo
v registru. Je-li např. var uloženo v l1, vyhodnocení výrazu var do
registru rv realizujeme instrukcí copy l1 → rv.
3. Uvažme nyní výraz tvaru e1 + e2. Víme, že e1 a e2 popisují nějaké hodnoty.
Abychom mohli vyčíslit hodnotu e1 + e2, budeme nejprve potřebovat tyto
hodnoty. Na to použijeme dočasné registry – vyhodnocení e1 + e2 do rv
bude vypadat takto:
a. vyhodnoť e1 do registru t1,
b. vyhodnoť e2 do registru t2,
c. proveď add t1, t2 → rv.
Musíme samozřejmě zabezpečit, že výpočet e2 nepřepíše registr t1 – jak
přesně se toho dosáhne budeme zkoumat později.8
Analogicky se vypočtou ostatní aritmetické, bitové, atd. operátory
(k hodnotám s/bez znaménka a operacím dělení se ještě vrátíme).
4. Výrazy tvaru var = e1 mají krom hodnoty také vedlejší efekt – zápis
do objektu svázaného s proměnnou var. Jejich realizace vypadá takto –
vyhodnocujeme do registru rv, objekt svázaný s var nechť žije v l1:
a. vyhodnoť e1 do registru rv
b. proveď copy rv → l1.
Všimněte si, že hodnota e1 je zároveň hodnotou celého výrazu, a zůstává
uložená v registru rv, jak bylo požadováno.
6
Toto tvrzení v jazyce C neplatí obecně pro všechny výrazy – existují i takové, které hodnotu
nemají.
7
Tato konstrukce skutečně tvoří základ překladu výrazů v překladači jazyka C. Rozdílem je, že
překladač pracuje s dočasnými registry mnohem hospodárněji, než naivní překlad zde popsaný
– tím šetří nejen volné registry, ale i instrukce, které by hodnoty mezi registry zbytečně
přesouvaly. Toto platí i pro velmi jednoduché překladače (např. také tinycc).
8
Prozatím si vystačíme s představou, že při překladu udržujeme množinu volných dočasných
registrů (takových, které jsme zatím nepoužili, nebo kterých hodnotu už jsme upotřebili,
a nebudeme ji v dalším výpočtu potřebovat). Je asi jasné, že ať začneme s jakkoliv velkou
konečnou množinou dočasných registrů, při výpočtu dostatečně složitého výrazu nám musí
dojít – jak se s tímto problémem vypořádat si ukážeme v příští kapitole.
5. Složené přiřazení var += e1 je analogické, pouze je operaci copy předřazena
příslušná aritmetická nebo logická operace:9
a. vyhodnoť e1 do registru t1
b. proveď add t1, l1 → rv,
c. proveď copy rv → l1.
Výrazy zvýšení a snížení o jedničku jsou analogické, liší se pouze ve
výsledné hodnotě. Prefixové verze, ++var, --var jsou pouze syntaktické
zkratky pro var += 1 resp. var -= 1, ale postfixové se liší – vyhodnocení
var++ do rv proběhne takto (var je svázáno s l1):
a. proveď copy l1 → rv,
b. proveď add l1, 1 → l1.
Hodnota výrazu var++ je tedy původní hodnota var, předtím, než bylo
provedeno zvýšení proměnné o jedničku.
6. Výraz e1, e2 představuje „zapomenutí hodnoty“ výrazu e1 – výraz e1 je
proveden pouze pro svoje vedlejší efekty (např. výše uvedené přiřazení).
Vyhodnocení e1, e2 do registru rv lze realizovat např. takto:
a. vyhodnoť e1 do rv,
b. vyhodnoť e2 do rv.
7. Zbývá zatím nejsložitější typ výrazů, a to jsou booleovské logické
operace. XXX
Uvažme nyní několik konkrétních příkladů:
1. var + 1 se vypočte XXX
5 Příkazy
• výraz + středník
• složený příkaz
• if, else
• for
• while
• break
• continue
9
Pro výrazy tvarů, které jsme zatím zavedli, je var += e1 ekvivalentní výrazu var = var +
e1. V obecném případě, kdy je na levé straně složeného přiřazení složitější výraz (a nikoliv
pouze název proměnné), to už ale neplatí!