Введение в программирование

Аннотация

Что есть программирование. Откуда что берется.

Цель: Научится писать простейшие программы, которые могут вводить числа в консоли, выполнять арифметические действия, в частности, над введенными числами, сохранять промежуточный результат в переменные и выводить что-то в консоль, например, результат вычисления.

Внимание! Данная заметка является предварительной!

1 Введение

Раньше каждое устройство делалось с нуля... С увеличением количества входов увеличивалось в размерах само устройство. С точки зрения пользователя и раньше существовали по отдельности: калькулятор, портативный музыкальный проигрыватель, портативный (по размеру как крупный сотовый телефон) телевизор, устройство спутниковой навигации GPS и тому подобное. Сейчас за счет унификации узлов их эквивалент обеспечивается одним устройством – сотовым телефоном.

Как вычислить 2*3+5*7 на калькуляторе? Нужна память, а именно – сначала вычисляем 2*3 и сохраняем в памяти. Далее вычисляем 5*7, а потом прибавляем к этой величине сохраненное в памяти. Без памяти это выражение не вычислить.

Упражнение: придумайте арифметическое выражение, для вычисления которого потребуется две ячейки памяти.

Существует парадигма функционального программирования. Мы же фактически рассматриваем императивное программирование. В данном подходе необходимо указать последовательность действий, приводящих к достижению цели. Как следствие, необходима память для хранения промежуточных результатов.

1.1 Первая программа

Работающая программа – это программа, которая как-то о себе дала знать: чем-то мигнула, что-то включила или выключила и тому подобное. В противном случае отсутствовал бы смысл в запуске программы. Так, если она что-то и вычислила и уж тем более вычислила правильно, то пока она это не «покажет» пользователю, бессмысленно говорить о работе программы.

Первая программа В связи с выше описанным, простейшая программа – это программа, которая что-то выводит на «экран», а точнее в консоль. Поэтому традиционно программировать начинают со следующего примера программы:

1//Программа с которой принято начинать программирование.
2//Предыдущая строчка как и эта являются комментариями.
3//Комментарий - текст идущий после двух косых черт (//).
4//Они не влияют на результат работы самой программы.
5//Они пишутся для человека, читающего твой код.
6//В тексте программы допустимы также и пустые строки:
7
8#include <stdio.h>//Ссылка на вспомогательный код,
9//отвечающий за ввод и вывод.
10//stdio - расшифровывается как STandarD Input/Output.
11//Есть и другие, например: math.h, stdlib.h и так далее.
12
13//Программа состоит из одного единственного "блока".
14int main()
15{
16  //Следующая строчка выполнит печать текста.
17  printf("Hello world!\n");//Выполняем печать.
18  //В консоли будет напечатана строчка: "Hello world!"
19  //и будет курсор перемещен в начало следующей строчки.
20  return 0;//Завершаем работу программы.
21  //Отмечу, что после всех действий используется
22  //точка с запятой (;).
23}

Отмечу, что числа, расположенные слева от текста, не являются частью программы, а необходимы для удобства пояснения её устройства. Так, всюду далее при необходимости будет даваться ссылка на номера соответствующих строчек. Иногда возможно применение сокращения «стр.».

Пробелы, форматирование текста, в частности, отступы не влияют на работоспособность программы. Тем не менее, в случае нарушения принятого форматирования текста программы оная не будет зачтена.

Строчки 1-6 являются комментарием к программе. Они применяются для пояснения происходящего в программе человеку, читающего код твоей программы. Смысл комментария строчки 3 заключается в том, что текст комментария начинается с двойного символа косая черта («//») и не обязательно с начала строки (см. строчка 17).

Простейший вывод в консоль Написать программу на чистом Си, которая бы чего-то выводила, например, на экран невозможно. Необходим вспомогательный код, который обеспечивает связь программы с "реальным миром"(с операционной системой). Базовый набор такого рода вспомогательного кода находится в библиотеке stdio.h, название которой расшифровывается как standard input/output, т.е. стандартный ввод/вывод. Данная библиотека содержит вспомогательный код, отвечающий за ввод данных (например, чисел) в программу и вывод из программы текста, численного результата (тех же чисел). В частности, в строчке 17 вызывается вспомогательный код printf , который обеспечивает печать в консоль строчки указанной в соответствующих кавычках, например, как в "Hello world!".

Помимо ввода и вывода, при написании программ необходимо вызвать функции, которые в принципе можно написать самому, но на это может уйти много времени и, главное, усилий, что может привести к её провалу. В таких случаях также прибегают к вспомогательному коду из различных библиотек, например, для вычисления тригонометрических функций. Последнее означает, что в программах чуть посложнее строчек на подобии 8ой становится все больше и больше.

Блок действий Любая программа начинает свою работу с «блока» кода под названием main. Отмечу, что именно такие именные блоки кода (как в обсуждаемой программе) в языке Си называются функциями, так как в общем случае такие блоки имеют входные аргументы, которые указываются в скобках, и возвращают некий результат работы, где возвращаемый тип указывается перед названием функции. В общем случае данное обсуждение является предметом отдельной заметки.

В простейшем случае (как в рассматриваемой программе), функция состоит только из списка подряд идущих действий (в нашей первой программе см. строчки 17 и 20). Подчеркну, что каждое из действий в Си завершается точкой с запятой (;). При этом блок кода (состоит из списка действий) сам по себе не является действием, поэтому и не завершается этим символом.

Результат выполнения программы (в данном случае, единственной функции main) заключается в выполнении перечисленных действий в теле блока (см. стр. 16–22 ). Завершением (выходом из) функции считается выполнение действия return (по сути, возврат из функции её значения), которое возвращает вычисленное значения функции, т.е., в данном случае, результат выполненной работы.

В сложных функциях (т.е. речь идет не от sin, cos и тому подобное) принято возвращать отрицательное число в случае ошибки и неотрицательное число в случае успеха. Бывает, что величина самого значение характеризует дополнительную информацию. Например, объем успешно обработанных данных или причину возникновения ошибки. Ноль (

0

) возвращается в случае успеха, но без каких либо подробностей.

Контрольные упражнения Упражнение. Запусти указанную программу. Поиграйся с выводимым текстом. Размножь строчку 17, поизменяй текст, находящийся в кавычках.

Упражнение. Что произойдет, если убрать комбинацию «\n»? Что произойдет, если добавить «\n», «\t» или «\r» внутри/в конце текстовой строчки?

1.2 Язык Си в качестве калькулятора

Выводить просто текст не интересно, тем более, что он фактически в точности повторяет то, что написано в самой программе. Нужно заставить компьютер «поработать», ведь именно в этом заключается его основной смысл. Например, сделать то, что человеку не всегда просто: выполнить некоторые арифметические вычисления.

Тип числа С точки зрения компьютера (точнее, процессора входящего в его состав) числа бывают целыми и вещественными. Указанные типы чисел преследуют разные цели: целые для счетчиков, т.е. целочисленного подсчета чего либо, например, степень многочлена, а вещественные для численных вычислений, т.е., в согласии с предыдущем, поиск корней многочлена.

Последнее оказало влияние и на язык Си, так, в нем вещественные числа имеют десятичную точку (именно точку, а не запятую, язык Си же не русифицирован): например,

и тому подобное, а целые – не имеют оную: например,

и так далее. Как будет ясно из ниже написанного, крайне важно отмеченные типы чисел не путать.

Над указанными числами доступны (встроены в сам язык Си, т.е. являются его частью) как минимум следующие стандартные арифметические операции: +, -, * и /. Сразу отмечу, что в отличии других языков программирования, в СИ отсутствует встроенная операция возведению числа в степень.

Если тип хотя бы одного из операндов (у каждой операции их два) – вещественное число, то второе преобразуется в вещественное. Последнее крайне важно, так как смысл отмеченных вычислительных операций зависит от типа операндов, при этом, численный результат может существенно различаться. Так, для вещественных чисел вычислительные операции +, -, * и / действуют в соответствие с общепринятыми математическими законами, а для целых имеется своя специфика.

В текущих заметках для обозначения операции вычисления выражения (т.е. приведения его к числовому значению) будет использоваться символ

\sim

. Подчеркну, что данная операция не имеет отношение к языку Си. Она будет использоваться исключительно для пояснения сути происходящего в программе, а именно – для рассмотрения внутреннего устройства программы. В виду последнего, для следующей программы будет уместно прояснить, что

(7 . + 4 .) ∕ 5 . \sim 2.2

, ровно как это и сделано в строчке 8 самого текста программы.

Вывод чисел в консоль Приведем пример программы, которая выводит (печатает) числа в консоль:

1//Программа-калькулятор.
2#include <stdio.h>
3#include <math.h>//Добавлено ради математических функций:
4//sqrt, pow, sin, cos, asin, acos, tan, atan и других.
5
6int main()
7{
8  //Печать значения выражения (7.+ 4.)∕5.∼2.2:
9  printf("Value ~ %f\n", (7.+4.)/5.);//Вещественное число
10  //В консоль напечатается:
11  //Value ∼ 2.2
12  printf("Value ~ %f\n",//Команды можно разбивать.
13    3∗sqrt(1.8+.5) );//Вызов функции sqrt.
14  //В консоль напечатается 4.5497, а именно:
15  //Value ∼4.5497
16  //Печать значения выражения (7+ 4)∕5∼2:
17  printf("Value ~ %d\n", (7+4)/5);//Числа целые!
18  //В консоль напечатает число 2.
19  return 0;//!!Все команды завершаются символом ;!
20}

Печать вещественных чисел осуществляется комбинацией символов %f (см. 9), где %f от слова float (плавающая точка). Причем, число фактически вставляется в то место, где и находится эта самая комбинация символов (%f). Поясню, что при выполнении действия строчки 9, сначала вычисляется значение выражения

(7 . + 4 .) ∕ 5 .

, а уже потом вычисленное значение (

2.2

) вместе с самой строчкой («"Value %d\n"») передается в функцию printf, т.е. передается её управление, что приводит к печать указанной информации в консоли.

1.3 Арифметические выражения

В выражениях вместо чисел можно использовать и математически функции (берущиеся, например, из библиотеки math.h, для этого нам и нужна строчка 3). Например, в выражении

3 * s q r t (1.8 + . 5)

(см. строчку 13), сначала будет вычислено значение

1.8 + . 5 \sim 2.3

, далее оно будет подставлено в

s q r t

и вычислено

s q r t (2.3)

( квадратный корень из числа

2.3

), а потом и оно будет использовано (подставлено) в самом выражении. Система далее продолжит приводить выражение к числу (как в точности как в математике) ровно как и в прошлом (см. строчку 9) варианте. Такой способ вызова вспомогательного кода (функций) называется вызов по значению, т.е. сначала вычисляются значения всех аргументов функции, а уже потом к ним производится применение вспомогательного кода (вызов функции).

Вещественные числа Другие функции указаны в комментарии под строчкой 4. Отмечу, что, во-первых, все указанные функции выполняют действия над вещественными числами, т.е. и аргументы и возвращаемое значение имеет вещественный тип. Во-вторых, функции acos, atan и тому подобные являются обратными соответственно к функциям cos, tan, и, в-третьех, у всех тригонометрических функций (sin, asin, cos, tan и тому подобных) угол измеряется в радианах.

Функция

pow (a, b)

возводит число

a

в степень

b

, т.е.

pow (a, b) = a^{b}

. log, ln.

Целые числа При вычислениях с целыми числами имеется определенная тонкость, а именно – хоть первые 3 операции действуют ровно также как и для вещественных – в соответствие с ожиданием – (точнее они производятся в соответствующем кольце вычетов), последняя имеет особенность. Так, деление выполняется в целочисленной арифметике, т.е., например,

11 ∕ 5 \sim 2

, а

(- 11) ∕ 5 \sim - 2

. Для целых чисел доступно также и крайне важная и отличительная операция % – деление с остатком. Приведем примеры для прояснения сути:

В конце концов отметим, что печать целых чисел осуществляется комбинацией %d (см. строчку 17), где %d от слова decimal (число).

Контрольные упражнения Упражнение 1. Поиграйся с вещественным арифметическим выражением, а именно – замени выражение

(7 . + 4 .) ∕ 5 .

, используемое в программе, на собственное.

Упражнение 2. Поиграйся с целочисленным арифметическим выражением. Убедись в правильном понимании операции взятия остатка (%).

Упражнение 3. Воспользуйся отмеченными ранее математическими функциями. Вычисли длину гипотенузы, зная катет и угол.

Упражнение 4. Какую ошибку выдаст компилятор, если перепутать %d с %f и наоборот? Запомни выводимую ошибку на будущее.

1.4 Переменные

Обсудим конструкцию языка Си, соответствующую памяти (как это было в примере с калькулятором). В языке Си памяти соответствует понятие переменной, причем, именной, дабы можно было указывать, о какой именно переменной идет речь. В отличии от некоторых других языков программирования, в Си перед тем как переменную можно будет использовать её нужно сначала создать (объявить). Замечу, что с точки зрения компьютера/процессора имен нет, есть адреса/индексы в памяти. Имена у ячеек памяти появляются благодаря языкам программирования.

Создание переменных Начнем с переменных по своему типу соответствующих обсуждаемым ранее вещественным и целым числам. Вещественным числам соответствует тип double (или ﬂoat, имеющих меньший диапазон/точность), а целым – тип int.

Переменная объявляется (создается, т.е. выделяется память) следующей конструкцией (фрагмент кода):

1//Объявление переменной:
2//тип данных имя переменной;
3//например:
4int a;//Объявление переменной, a, целочисленного типа.
5double b;//Объявление переменной, b, вещественного типа.
6int c;//Объявления можно чередовать.
7int d, e, f;//Объявлять можно сразу несколько переменных.

После создания переменной её можно использовать, а именно – главное, что для переменных вводится операция присвоения, т.е. сохранение некой величины в переменную, и неявная операция считывания/извлечения значения из переменной. Для присвоения в языке Си используется операция

=

Отмечу, что первоначального значения переменные не имеют. В конкретных реализациях (т.е. в компиляторе) обычно содержат мусор(произвольное числовое значение, но могут и 0). На конкретное значение рассчитывать не стоит. При вычислениях нарушение последнего может привести к странным итоговым значениям, а то и к принудительному (иначе, странному) завершению программы операционной системой.

Присвоение Для присвоения используется конструкция:

1int a;//Объявление переменной a целочисленного типа.
2//переменной a ещ̈e не было ничего присвоено, поэтому
3//a∼мусор, т.е. a содержит мусор!
4a=3;//Переменной a присвоено значение 3.
5//a∼3, т.е. содержит значение 3.
6double b = 7.2;//Значение можно присвоить при объявлении.
7//b∼7.2.
8a=9;//В переменную можно сохранить новое значение!
9//Теперь, a∼9. Значение, которое ранее было в a, затерто.
10b+2=4;//Так нельзя. Это будет ошибкой. Уравнение не будет
11//решено! Слева должна быть именно переменная.
125=a;//Аналогично, и это будет ошибкой, то куда
13//присваиваем, должно быть с лево от знака =.
14a+b=7;//Уж тем более это ошибочно.

На любом шаге программы в переменную можно сохранить новое значение. Следовательно, в отличии от выкладок из математики, механики и др., бессмысленно говорить о значении переменной без указания номера шага хода выполнения программы. В принципе, можно построить график из значений переменных, где по вертикали значение, а по горизонтали номер шага. Забегая вперед можно уточнить, что в таком случае также нужно указывать и вычислительный блок, о котором идет речь. Просто в данной программе он пока один. Но подобные графики почти никогда явно не строятся.

Извлечение значения Если переменная используется в математическом выражении, то при вычислении используется значение ранее сохраненное в этой переменной. При применении оператора присвоение (

=

), сначала вычисляется значение правой части, а потом результат присваивается левой. Поэтому одна и та же переменная может фигурировать и справа и с лева от оператора

=

. При применении переменных в выражениях справа от оператора присвоения производится только извлечение самих значений.

1double a, b, c, d;//Объявление переменных.
2//a, b, c, d ∼ мусор.
3a=2.1;//Присвоили переменной a значение 2.1
4//a ∼ 2.1
5b=a;//Присвоили переменной b значение переменной a.
6//b ∼ 2.1
7//Переменный a и b никак с друг другом не связаны:
8a=1.5;//Присвоили новое значение переменной a.
9//a ∼ 1.5, но
10//b ∼ 2.1
11//С правой стороны равенства можно использовать выражения:
12c=a+1.1;
13//c ∼ 2.6
14//в том числе сложные арифметические выражения:
15c=a+1.1∗с−b;
16//c ∼ 2.26.
17//В арифметическом выражение справа от знака присвоения
18//может быть применена и сама переменная из левой части.
19c=c+a;//Сначала вычисляется значение правой части ∼ 3.76.
20//c ∼ 3.76, и потом присваивается левой части.

1.5 Ввод/вывод

Ввод Помимо вывода программа должна уметь вводить данные, т.е. в нашем случае числа. В противном случае, результат работы программы фактически неизменяемый и поэтому неинтересен. Более того, иначе результат можно было бы подтасовать...

Как выполнить ввод, а фактически – как присвоить значение переменной уже после запуска программы? Делается это посредством функции scanf:

1double a;
2//Считываем число введенное пользователем,
3//обращаем внимание на &.
4scanf("%lf", &a);//%lf используется для double.
5//a ∼ введенное пользователем значение.
6int b;
7scanf("%d", &b);//%d используется для int.
8//b ∼ введенное пользователем второе значение.

Символ амперсант (&) перед переменной обязателен. Пока пускай это будет как элемент магии. Обращаю внимание на отличие от функции printf – комбинация «%d» используется как и ранее для целых чисел, а вот для вещественных теперь уже – «%lf».

Вывод Вывод можно делать достаточно сложным. Частично это уже было показано ранее. В частности, одним вызовом функции printf можно вывести не только значение больше одной переменной, но и ещё и сопутствующий текст. Следующий код показывает эквивалентность.

1double a=1.1;
2int b=4;
3printf("a ravno %lf, ",a);
4printf("b ravno %d\n",b);
5//Эквивалентно можно переписать как
6printf("a ravno %lf, b ravno %d \n", a, b);

Первый аргумент функции printf – текстовая строка – называется форматной. Она указывает, какой текст необходимо вывести. Символ процент (%) является экскейпным, т.е. он не выводится на печать. Вместо этого он указывает на дополнительное действие, а именно – сюда нужно вставить значение соответствующей переменной из списка аргументов (после форматной строки). Последовательно идущие процентные комбинации символов заменяются на значения в соответствие с их порядком в списке аргументов.

Контрольные упражнения Упражнение. Напиши программу, которая по известной формуле что-либо считает, а именно – программа приветствует пользователя, запрашивает необходимые числа, вводит числа, выполняет некие вычисления и выводит результат.

1.6 Итого

Выжимка По итогам данной заметки теперь ты имеешь/знаешь как:

Эталонная программа Приведем в согласии с данной заметкой фрагмент эталонной программы:

1//При запуске программа должна написать в чем ёe цель.
2//В данном случае, вычислить периметр и площадь круга.
3printf("Calculate the perimiter and area of a circle\n");
4printf("Please enter the radius:");//Приглашение на ввод.
5double r;
6scanf("%lf", &r);//Считываем введенный радиус. см. &!
7int area = r∗r∗M_PI;//Результат можно сохранить в
8//переменную, а можно сразу подать на печать.
9printf("area ~ %f, perimiter ~ %f\n", area, 2∗M_PI∗r);