Структура программы

Общая структура программы на языке Си

Всякая программа на языке Си представляет собой совокупность
одной или более функций, каждая из которых есть независимый набор
описаний и операторов, заключенных между заголовком функции и ее
концом

Та функция, с которой начинается выполнение программы, называется
главной функцией. Она по существу является входной точкой
программы и должна иметь предопределенное имя main()

Все остальные функции, возможно входящие в состав программы и
выполняющие конкретную часть работы по реализации алгоритма
решения задачи, играют подчиненную роль и запускаются в работу
путем их прямого или опосредованного (через другие функции)
вызова из главной функции

Работа всей программы обычно заканчивается по достижении конца
главной функции, однако ее выполнение может быть прекращено
путем передачи управления операционной системе из произвольной
точки программы

Любая функция, в том числе и главная, может иметь один или более
формальных параметров, которые используются для передачи в ее
тело необходимых числовых значений в момент вызова

Наличие параметров у главной функции является специфической
особенностью языка Си и используется для обработки аргументов
командной строки при обращении к программе

Несмотря на то, что функции в языке Си представляют собой
основные строительные блоки всякой программы, при рассмотрении
примеров и задач предыдущих лекций нам уже приходилось
встречаться с определением переменных, констант и литерных
цепочек вне какой бы то ни было функции, или, иначе говоря, на
внешнем уровне

Именно так мы поступали при работе с включаемыми файлами,
содержащими определения системных констант и предварительные
описания функций, или желая сделать какую-либо переменную
доступной сразу нескольким функциям

Определенные на внешнем уровне объекты уже теряют свойство
локальности по отношению к функциям и формируют программную
оболочку, называемую глобальной средой

Для дальнейшего изучения структуры Си-программы, нам необходимо
определить понятия времени существования и видимости
различных объектов, участвующих в ее работе

Под временем существования переменной или функции обычно
понимают продолжительность их реального нахождения в памяти
компьютера

Те объекты программы, которые создаются в момент начала ее работы
и существуют вплоть до полного завершения последней, принято
называть объектами с глобальным временем существования

Переменные и структуры данных, создающиеся динамически в
процессе работы программы и ликвидируемые раньше ее
фактического завершения, будем называть объектами с локальным
временем существования

Память под представление локальных объектов выделяется
компилятором в момент входа в ту программную компоненту, которая
содержит описания этих объектов, и возвращается назад
операционной системе по достижении ее конца

Под видимостью переменной или функции следует понимать ту
область исходной программы, в пределах которой разрешена работа с
этой переменной или обращение к соответствующей функции

Объекты программы, обращение к которым разрешено из любой ее
точки, называют объектами с глобальной видимостью

Таковыми, например, являются все функции, входящие в состав
программы, а также переменные и структуры данных, определенные
вне какой-либо функции

Те переменные, область доступа к которым ограничена некоторой
частью исходной программы, мы будем называть переменными с
локальной видимостью

Так, локальную видимость имеют любые объекты, описанные в теле
функции, если только не принято специальных мер для расширения
области доступа к ним

Общее правило, определяющее время существования и видимость
объектов программы, основывается на фундаментальном понятии
блока

Под блоком в языке Си понимается совокупность описаний и
операторов, заключенных в фигурные скобки

Это понятие является прямым обобщением введенного понятия
составного оператора

Принципиальное их отличие состоит в том, что состав блока наряду с
исполняемыми операторами входят описания переменных или
структур данных

Согласно семантическим правилам языка, всякий элемент данных,
определенный внутри блока, имеет локальную видимость и время
существования в пре делах этого блока

Иными словами, элемент данных создается в момент входа в блок и
ликвидируется при выходе из него, причем доступ к этому элементу
ограничен рамками текущего блока

Тело всякой функции в смысле новой терминологии представляет
собой правильный блок со всеми вытекающими отсюда
ограничениями на время существования и видимость внутренних
переменных данной функции

Об описаниях объектов программы в каком-либо блоке мы будем
говорить как об определяющих этот объект на внутреннем уровне

Описания констант, переменных, структур данных или функций вне
всякого блока будем называть внешними описаниями или описаниями
на внешнем уровне

Мы уже говорили о том, что описание переменных в Си-программах
допустимо как на внешнем, так и на внутреннем уровнях, причем
время существования и видимость внутренних переменных
ограничена текущим блоком

В случае же внешнего описания, переменная имеет глобальное время
существования, а ее видимость ограничена частью программы от той
точки, где встретилось это описание, до конца текущего файла

В отличие от описаний переменных, определения функций могут
размещаться лишь на внешнем уровне, и поэтому всякая функция
имеет глобальное время существования и глобальную видимость по
отношению к программе в целом

Никакая функция не может содержать внутри себя определение
другой функции с локальной видимостью

В то же время, внутри любого блока допустимо предварительное
описание функций, используемых в этом блоке, что, однако, не сужает
области видимости таких функций

Правильные блоки в программе на языке Си могут быть вложены
один в другой, порождая тем самым нелокальную среду ссылок

При этом внутренний блок может содержать описания переменных с
теми же именами, что и во внешнем блоке

Это ведет к локальному переопределению соответствующих
переменных во внутреннем блоке. Прежние значения этих
переменных восстанавливаются после передачи управления какомулибо оператору внешнего блока

В следующем фрагменте программы, выполняющем суммирование
элементов двух целочисленных массивов, идентификатор sum во
внутреннем и внешнем блоках обозначает различные объекты,
каждый из которых имеет свое собственное размещение в памяти
компьютера:
void summa(int *tab_1, int m, int *tab_2, int n)
{ int i, sum; sum = 0;
for (i = 0; i < m; i++) sum = sum + tab_1[i];
{ int sum;
for (i = 0; i < n; i++) sum = sum + tab_2[i];
printf("\nСумма элементов второго массива = %d", sum);
}
printf("\nСумма элементов первого массива = %d", sum);
}

Аналогичная ситуация возникает и в том случае, когда какая-либо
переменная, определенная внутри блока, имеет то же самое имя, что и
некоторая внешняя переменная. Здесь, так же как и ранее, локальное
описание замещает внешнее описание переменной, восстанавливая ее
прежнее значение по завершении работы блока

Исходный текст Си-программы допускается подразделять на
несколько файлов, каждый из которых содержит необходимые
описания переменных и определения функций

Компиляция всех таких файлов должна производиться раздельно с
последующей сборкой соответствующих объектных модулей на этапе
построения готовой к выполнению программы

Ниже, будут сформулированы условия, при которых разрешены
ссылки на объекты за пределами текущего файла

В качестве примера программы, содержащей как внешние, так и
внутренние описания, приведем реализацию алгоритма сортировки
числового массива по возрастанию элементов методом перестановки:
MAX 100
float mas[MAX]; /* Внешнее описание числового массива */
void main()
{ int i, n=0;
FILE *fp;
if ((fp = fopen("mas.dat", "r")) == NULL) return;
while (fscanf(fp, "%f", &mas[n]) != EOF) n++;
fclose(fp);
{ int mind; float buf;
for (i = n-1; i > 0; i--)
{ mind=maxind(i); buf=mas[i];
mas[i] = mas[mind]; mas[mind] = buf; }
}
printf("\t\t\t*** Массив упорядочен по возрастанию ***\n\n");
for (i = 0; i < n; i++) printf("%7.3f", mas[i]);
}
void maxind(m) int m;
{ int i, mind=0; float max = mas[0];
for (i = 1; i <= m; i++)
if (mas[i] > max) { max = mas[i]; mind = i; }
return (mind);
}

В этом примере массив вещественных чисел mas определен на
внешнем уровне и поэтому доступен обеим функциям программы

Переменные mind и buf определены локально во внутреннем блоке
функции main() и область их видимости ограничена одним этим
блоком

То же самое имя mind использовано в теле функции maxind() для
обозначения текущего значения индекса максимального элемента и
никоим образом не связано с его определением функции main()

Аналогичное замечание можно сделать и относительно параметра
цикла i в главной и вспомогательной функциях
Классы памяти

Понятие классов памяти дает возможность определить, с какими
функциями связаны какие переменные и как долго тот или иной
объект программы сохраняется в памяти компьютера

Назначая класс памяти для какого-либо элемента, программист
определяет тем самым время существования этого элемента
(глобальное или локальное)

Область же видимости элемента данных характеризуется уровнем
(внешним или внутренним), на котором он определен в программе

Существуют четыре основных класса памяти:
auto extern static register
называемые описателями класса памяти

Описателями класса памяти обычно появляются в инструкциях описания
данных перед именем типа, модифицируя семантику соответствующего
описания. Они оказывают влияние не только на время существования, но и на
область видимости того или иного объекта программы

Значения описателей класса памяти будут различными в зависимости от
уровня программы (внешнего или внутреннего), на котором они встречаются,
а также от того, применены ли они при описании переменной или функции

Ниже рассмотрены четыре возможных случая назначения класса памяти для
различных объектов программы
Автоматические переменные
(класс памяти auto)

Объекты программы, принадлежащие классу памяти auto и
именуемые обычно автоматическими переменными, имеют
локальное время существования и область их видимости
ограничена тем блоком, в котором они определены

Память для их представления выделяется динамически из
программного стека в момент входа в этот блок и возвращается
назад системе по достижении его конца

По умолчанию все переменные, описанные на внутреннем уровне (т.
е. в теле функции), являются автоматическими. Однако это можно
явно подчеркнуть, используя ключевое слово auto:
void main()
{ auto int alpha, beta;
auto char line[81];
... }

Поскольку любые переменные, описанные на внешнем уровне,
должны иметь глобальное время существования и размещаются
поэтому в статической памяти, использование описателя auto вне
какого-либо блока является недопустимым и приводит к ошибке

По этой же причине не разрешается назначать класс памяти auto для
функций, ибо их определения не могут быть помещены в тело
программного блока

Инициализация простых автоматических переменных задается
обычным образом и выполняется при каждом входе в
соответствующий блок

В случае же отсутствия инициализирующего выражения в инструкции
описания данных, значение любой такой переменной считается
неопределенным

Инициализация любых агрегатированных данных (например,
массивов), имеющих класс памяти auto, не поддерживается
компилятором языка Си

Замечание
Поскольку память под представление автоматических переменных
выделяется из программного стека, при построении готовой к
выполнению программы из объектных модулей необходимо задать
размер стека таким, чтобы его хватило для размещения всех этих
переменных в самой большой по объему данных программной
компоненте
Внешние объекты программы
(класс памяти extern)

Внешними объектами программы принято называть переменные,
определенные вне какой-либо функции, и сами эти функции,
поскольку определение одной функции в теле другой не является
допустимым

По умолчанию всякая внешняя переменная имеет глобальное время
существования, а область ее видимости лежит между точкой описания
в программе и концом текущего файла

Это означает, что любая функция, определенная после описания
некоторой внешней переменной в пределах одного файла, может
использовать эту переменную без каких-либо дополнительных
объявлений

Если же возникает необходимость в использовании внешних
переменных до их фактического определения в текущем или даже
другом файле, их нужно явным образом описать как имеющие класс
памяти extern в теле соответствующей функции

В следующем примере:
void main()
{ extern int number; ... }
...
int number = 17;
....

переменная number используется функцией main() раньше, чем она
определена в программе

Ее начальное значение в этой функции равно 17

С точки зрения рассмотренных понятий времени существования и
видимости объектов программы, важно различать описания внешних
переменных и их определения

Так, описания начинаются с ключевого слова extern и могут
встречаться многократно на внешнем и внутреннем уровнях, задавая
тем самым область видимости соответствующих переменных

Отсутствие описателя extern при определении внешней переменной
требует от системы фактического выделения памяти для ее
размещения. Любая такая переменная может быть определена лишь
один раз во всей совокупности файлов, образующих исходную
программу

Инициализация внешних переменных и структур данных всегда
допустима в инструкциях, определяющих эти объекты в программе, и
выполняется один раз перед началом ее работы

Те элементы данных, для которых инициализирующие выражения
явным образом не заданы, по умолчанию инициализируются нулем

Инструкции описания внешних переменных, начинающиеся с
ключевого слова extern, не могут содержать инициализирующих
выражений

Использование внешний переменных в программах на языке Си часто
оказывается полезным в тех случаях, когда возникает необходимость в
передаче больших объемов информации между отдельными
функциями или когда множество функций используют одни и те же
данные

Однако неоправданное расширение области видимости большого
количества переменных путем их обобществления может снизить
надежность программного обеспечения.
Статические переменные и функции
(класс памяти static)

Описатель класса памяти static может использоваться в
инструкциях определения данных как на внешнем, так и на
внутреннем уровнях

Внешние статические переменные имеют глобальное время
существования, однако в отличие от обычных внешних переменных,
доступ к ним ограничен частью текущего файла, лежащей после
определения любой такой переменной в программе

Ссылка на статические переменные из другого файла или их
использование до фактического определения в текущем файле не
допустимо

Таким образом, описатель static позволяет сузить область
видимости внешней переменной

Внутренние статические переменные, как и переменные класса auto,
имеют локальную видимость в пределах текущей функции (или
блока), однако они сохраняются в памяти компьютера на протяжении
всего времени работы программы

Это позволяет создавать объекты с глобальным
существования, ограничивая их видимость в программе

Так, например, переменная count, определенная в теле функции
calc:
временем
void main() { ... }
void calc() { static int count; ... }

может быть использована только в пределах этой функции, хотя она и
сохраняет свое значение после завершения работы последней

Класс памяти static можно также назначать и при определении
функций, ограничивая тем самым возможность доступа к ним
пределами одного файла

Это позволяет иметь в разных файлах функции с одинаковыми
именами, не опасаясь возникновения конфликтной ситуации

Инициализация статических переменных и структур данных
допустима как на внешнем, так и на внутреннем уровнях, и
выполняется по тем же правилам, что и для обычных внешних
переменных
Регистровые переменные
(класс памяти register)

Регистровые переменные с точки зрения видимости, времени
существования и возможностей инициализации полностью
равносильны автоматическим переменным

Однако они сохраняются не в оперативной памяти машины, а на
рабочих регистрах центрального процессора, что повышает
эффективность выполнения программы

Если возможность такого хранения отсутствует (скажем, по причине
занятости
этих
регистров),
они
становятся
обычными
автоматическими переменными

Этот класс памяти может назначаться только лишь для внутренних
переменных и формальных параметров функций при помощи
описателя register

Например:
void func(p, q) register int p, q;
{ register char sym;
...
}

Операция получения адреса для регистровых переменных не
допустима

На многих типах компьютеров этот класс памяти не может быть
назначен переменным типа float
Классы имен

В программах на языке Си идентификаторы используются для
именования большого числа различных объектов, таких как
константы, переменные, функции, теги и элементы структур,
метки и т. д.

С целью облегчения выбора имен и снижения вероятности
возникновения
конфликтных
ситуаций,
компилятор
языка
подразделяет все множество идентификаторов на несколько взаимно
не пересекающихся классов

В пределах одного и того же класса всякое имя должно быть
уникальным с учетом области видимости и времени существования
связанного с этим именем объекта программы
С другой стороны, одинаковые имена могут обозначать множество
объектов, принадлежащих различным классам, не приводя при этом
к противоречию на этапах компиляции, сборки и выполнения
программы. Ниже приводится описание классов памяти,
поддерживаемых компилятором.
1. Наиболее крупный и важный класс составляют имена переменных,
функций, формальных параметров, перечисляемых констант и
типов данных, определенных с помощью инструкции typedef.
Идентификаторы, обозначающие соответствующие объекты, не
должны совпадать между собой на одном и том же уровне
программы
2. Другой существенный класс образуют теги структур, объединений
и перечислений, имена которых должны быть различными в
пределах одного уровня видимости. Однако допускается
совпадение имен тегов с именами переменных, функций, элементов
структур и прочих объектов из смежных классов
3. В отдельный класс выделяются имена элементов индивидуальных
структур и объединений. Это означает, что они должны быть
уникальными в пределах каждой конкретной структуры или
объединения, однако могут совпадать с именами, принадлежащими
другим классам или различным структурам и объединениям
4. Последний и самый малочисленный класс образуют имена меток
инструкций программы. Они не должны совпадать между собой в
пределах одной программной компоненты (функции), однако не
обязаны отличаться от имен, принадлежащих другим классам или
определенных в различных программных единицах