Язык Си в примерах/Учимся складывать

Язык Си в примерах

Разнообразные вычисления — моделирование, решение алгебраических и дифференциальных уравнений — это то, для чего и создавались первые компьютеры. Давайте и мы научимся использовать компьютер для вычислений. Начнём со сложения двух чисел.

Дано: два разделенных пробельными символами целых чисел (в «текстовом» десятичном представлении) на стандартном вводе программы.
Найти: значение суммы (разности, произведения, частного от деления — если имеет смысл) этих двух чисел.
Новые элементы языка: переменные; тип double; операторы &, *, ? : контекста выражения и оператор if контекста утверждения; макроподстановка assert, функции printf, scanf.

Вариант «простой»

В отличие от рассмотренной ранее простейшей программы, в данной задаче нам потребуются переменные — ячейки памяти, в которые функция ввода сохранит введенные пользователем числа, подлежащие сложению.

Как и в случае функций (в том числе main), объявление переменных в Си предполагает указание их типов. Основные числовые типы языка — int (целое число фиксированной разрядности) и double (число с плавающей запятой.) Поскольку мы уже использовали тип int в описании функции main, применим его же в данной задаче.

#include <assert.h>
#include <stdio.h>

int main ()
{
  int a, b;
  int r = scanf ("%d%d", &a, &b);
  assert (r == 2);
  printf ("%d\n", a + b);
  return 0;
}

Рассмотрим выполнение этой программы почти с ее завершения — вызова функции printf.^[1] Данная функция выведет целое число в десятичной форме (согласно указателю преобразования %d), завершая вывод переводом строки (\n).

Число, которое будет выведено, является результатом вычисления выражения a + b — или же, проще говоря, — суммой значений переменных a и b.

Вводимые пользователем числа помещаются в эти переменные функцией scanf, вызываемой в коде выше как scanf ("%d%d", &a, &b).^[2] Здесь, как и в printf, используется указатель преобразования %d, означающий на этот раз считывание числа в десятичной форме (возможно — предваряемого пробелами). Поскольку указатель повторен дважды, два числа будут считаны и помещены в упомянутые в аргументах две переменные a и b. (Необходимый здесь унарный оператор & оставим пока без внимания.)

Как и printf, функция scanf объявлена в заголовке (англ. header) stdio.h.^[3]

В простейшей программе от действий пользователя не зависело ровным счетом ничего. Каким, однако, будет результат выполнения данной программы, если ввод пользователя не будет начат двумя числами в десятичной форме?

Для проверки соответствия ввода пользователя требованиям программы мы сохраняем (=) результат выполнения scanf — количество успешно измененных переменных — в целочисленной переменной с именем r (int r), после чего требуем равенства ее значения двум (assert (r == 2);.)

Действие макроподстановки assert заключается в вычислении выражения, переданного ей первым (и единственным) аргументом и аварийном завершении программы в случае, если полученное значение — ноль («логическая ложь».)^[4]

Наконец, в самом начале функции main определены (помимо упомянутой уже r) целочисленные переменные a и b. Их значение в начале выполнения функции main может быть произвольным,^[5] но после успешного (что проверяется использованием assert) завершения scanf они будут содержать два числа, которые удалось последовательно считать со стандартного ввода.

Вариант «дробный»

Рассмотренную выше программу несложно изменить для использования чисел с плавающей запятой.

#include <assert.h>
#include <stdio.h>

int
main ()
{
  double a, b;
  int r = scanf ("%lg%lg", &a, &b);
  assert (r == 2);
  printf ("%lg\n", a + b);
  return 0;
}

Как видно, в этом случае изменяются лишь тип переменных a, b (int → double) и указатели преобразований (%d → %lg.)

Здесь следует отметить, что в случае scanf совершенно идентично будут действовать указатели преобразований %lg, %lf и %le. Напротив, в случае printf не будет разницы между %lg и %g. Причины такого поведения мы также пока оставим без внимания.

Желающим изучить использование других числовых типов в этой задаче предлагается обратиться к разделу «Числовые типы» приложения.

Л-значения и ссылки

Вызов функции в чем-то подобен отправке письма. Мы указываем на конверте имя функции, вкладываем в конверт копии значений, которые хотим передать, и отправляем письмо (вызываем функцию).

В некоторых случаях, однако, мы хотим получить от функции что-либо обратно. Иногда, для этого достаточно предусмотренного языком возвращаемого значения. Иначе, можно отправить функции своего рода конверт с обратным адресом (один или несколько). Именно для этого — для получения адреса л-значения — служит унарный оператор &.

Так, запись &a означает адрес ячейки памяти, выделенной для хранения значения переменной a, или же, проще, — ссылка (англ. reference) на переменную a.

Справа от оператора & указывается л-значение (англ. lvalue.^[6] Не вдаваясь в подробности отметим, что под л-значением понимают любое выражение, которое может стоять слева от оператора присваивания =. В частности, л-значением является любое выражение, состоящие из имени действительной в данном контексте (англ. scope) переменной.

Для обращения к ячейке памяти по ссылке используется унарный оператор *. Так, выражение *(&a) = 1 полностью равнозначно a = 1.

Вариант «произвольный»

Стандарт C11 требует от реализации языка поддержки числовых типов разрядности 8, 16, 32 и 64 бит.^[7] Если по каким-либо причинам в вычислениях требуется бо́льшая разрядность, следует использовать библиотеки операций с числами произвольной разрядности — как, например, GNU MP.^[8]

В частности, благодаря GNU MP, пример ниже выведет сумму двух введенных чисел даже если любое из них — или результат сложения — превышает 2⁶⁴.

Код имеет следующие отличия от исходного варианта:

ввод-вывод чисел произвольной разрядности выполняется функциями gmp_scanf и gmp_printf — определенными GNU MP и объявленными в gmp.h; заголовок stdio.h не требуется;
вместо оператора сложения + используется вызов функции mpz_add (a, a, b); в такой форме, действие функции подобно действию выражения a += b для переменных «встроенных» целочисленных типов;
переменные GNU MP требуют обязательной инициализации, которая в примере выполнена функцией mpz_inits ();
тип используемых для вычисления переменных — mpz_t.

#include <assert.h>
#include <gmp.h>

int
main (void)
{
  mpz_t a, b;
  mpz_inits (a, b, 0);
  int r
    = gmp_scanf ("%Zd%Zd", a, b);
  assert (r == 2);
  mpz_add (a, a, b);
  gmp_printf ("%Zd\n", a);

  return 0;
}

Вариант «арифметический»

В программе ниже мы кроме суммы вычислим разность и произведение введенных чисел, а также, если второе число отлично от нуля, — частное от деления первого числа на второе.

#include <assert.h>
#include <stdio.h>

int
main ()
{
  double a, b;
  int r
    = scanf ("%lg%lg", &a, &b);
  assert (r == 2);
  if (b != 0) {
    printf (("a + b = %lg\n"
             "a - b = %lg\n"
             "a * b = %lg\n"
             "a / b = %lg\n"),
            a + b, a - b, a * b, a / b);
  } else {
    printf (("a + b = %lg\n"
             "a - b = %lg\n"
             "a * b = %lg\n"),
            a + b, a - b, a * b);
  }
  return 0;
}

В этой программе нам потребовался условный оператор контекста утверждения (англ. if statement) — один из четырех (наряду с &&, || и ? :) условных операторов языка. Его синтаксис:^[9]

if (выражение)
  тело-если-истинно

if (выражение)
  тело-если-истинно
else
  тело-если-ложно

Где тело-если-истинно и тело-если-ложно могут быть (каждый) единственным утверждением (завершаемым ;), или же, как в примере выше, — { }-блоком.

В случае, если результат вычисления выражения — истина (другими словами — отличен от 0), выполняется тело-если-истинно; в противном случае (и если используется else) — тело-если-ложно.

Заметьте, что каждое простое утверждение (англ. statement) завершается точкой с запятой. Одна из самых популярных синтаксических ошибок начинающих программистов — не ставить точку c запятой после утверждений.

Вариант «тернарный»

Используя условный оператор контекста выражения (англ. conditional operator), а также приняв во внимание тот факт, что printf проигнорирует «избыточные» аргументы (аргументы сверх количества, требуемого указателями преобразований в указанной первым аргументом строке формата), можно незначительно сократить код предыдущего примера.

#include <assert.h>
#include <stdio.h>

int
main ()
{
  double a, b;
  int r
    = scanf ("%lg%lg", &a, &b);
  assert (r == 2);
  printf ((b != 0
           ? ("a + b = %lg\n"
              "a - b = %lg\n"
              "a * b = %lg\n"
              "a / b = %lg\n")
	   : ("a + b = %lg\n"
              "a - b = %lg\n"
              "a * b = %lg\n")),
          a + b, a - b, a * b,
	  (b != 0 ? a / b : 42));
  return 0;
}

В этом варианте, код вновь содержит те же самые строковые константы, что и в предыдущем, однако используется лишь один вызов функции printf — первым аргументом которой (в зависимости от значения переменной b) окажется одна из этих констант.

Число 42, которое передается printf пятым аргументом в случае нулевого значения b, может быть произвольным. Поскольку в этом случае функция printf получает строку формата лишь с тремя указателями формата, фактически использованы будут лишь аргументы с первого (формат) по четвертый (произведение a и b).

Общий синтаксис тернарного оператора ? : следующий:^[10]

выражение ? если-истинно : если-ложно

Где выражение вычисляется первым, после чего, если оно истинно (отлично от 0), вычисляется — и принимается результатом оператора в целом — выражение если-истинно; в противном случае — если-ложно.

Примечания

↑ 7.21.6.1 The fprintf function(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.
↑ 7.21.6.2 The fscanf function(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.
↑ 7.21 Input/output stdio.h(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.
↑ 7.2.1.1 The assert macro(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.
↑ 6.7.9 Initialization(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.
↑ 6.3.2.1 Lvalues, arrays, and function designators(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.
↑ 7.20.1.2 Minimum-width integer types(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.
↑ The GNU MP Bignum Library(англ.) Проверено 2015-04-04 г.
↑ 6.8.4.1 The if statement(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.
↑ 6.5.15 Conditional operator(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[fprintf-1] 7.21.6.1 The fprintf function(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[fscanf-2] 7.21.6.2 The fscanf function(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[stdio.h-3] 7.21 Input/output stdio.h(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[assert-4] 7.2.1.1 The assert macro(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[init-5] 6.7.9 Initialization(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[lvalues_et_al-6] 6.3.2.1 Lvalues, arrays, and function designators(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[int-least-7] 7.20.1.2 Minimum-width integer types(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[gmp-8] The GNU MP Bignum Library(англ.) Проверено 2015-04-04 г.

[if-9] 6.8.4.1 The if statement(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[conditional-10] 6.5.15 Conditional operator(англ.) WG14 N1570 Committee Draft. ISO/IEC (2011-04-12). Проверено 2012-11-19 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]