Набор полезных программ

    

Теперь мы собираемся рассмотреть семейство родственных программ, предназначенных для выполнения простых операций над символьными данными. В дальнейшем вы обнаружите, что многие программы являются просто расширенными версиями тех прототипов, которые мы здесь обсуждаем.

2.5.1. Ввод и вывод символов. Стандартная библиотека включает функции для чтения и записи по одному символу за один раз. функция getchar() извлекает следующий вводимый символ каждый раз, как к ней обращаются, и возвращает этот символ в качестве своего значения.

Это значит, что после c=getchar() переменная c содержит следующий символ из входных данных. Символы обычно поступают с терминала, но это не должно нас касаться до главы 9.

Функция putchar(c) является дополнением к getchar: в результате обращения putchar(c) содержимое переменной c выдается на некоторый выходной носитель, обычно опять на терминал. Обращение к функциям putchar и printf могут перемежаться; выдача будет появляться в том порядке, в котором происходят обращения.

Как и функция printf, функции getchar и putchar не содержат ничего экстраординарного. Они не входят в состав языка «C», но к ним всегда можно обратиться.

        

2.5.2. Копирование файла. Имея в своем распоряжении только функции getchar и putchar вы можете, не зная ничего более об операциях ввода-вывода, написать удивительное количество полезных программ.

Пример 2-4. Простейшим примером может служить программа посимвольного копирования вводного файла в выводной. Общая схема имеет вид:

 

ввести символ;

while (символ не является признаком конца файла)

{

вывести только что прочитанный символ;

ввести новый символ;

}

 

Программа, написанная на языке «C», выглядит следующим образом:

 

main() // Копировать ввод-вывод; 1-я версия

{

int c;

c = getchar();

while (c != eof)

{

putchar(c);

c = getchar();

}

}

 

Оператор отношения != означает «не равно».

Основная проблема заключается в том, чтобы зафиксировать конец файла ввода. Обычно, когда функция getchar наталкивается на конец файла ввода, она возвращает значение, не являющееся действительным символом; таким образом, программа может установить, что файл ввода исчерпан. Единственное осложнение, являющееся значительным неудобством, заключается в существовании двух общеупотребительных соглашений о том, какое значение фактически является признаком конца файла. Мы отсрочим решение этого вопроса, использовав символическое имя eof для этого значения, каким бы оно ни было. На практике eof будет либо -1, либо 0, так что для правильной работы перед программой должно стоять собственно либо

#define eof -1 ,

 либо

#define eof 0 .

 

    Использовав символическую константу eof для представления значения, возвращаемого функцией getchar при выходе на конец файла, мы обеспечили, что только одна величина в программе зависит от конкретного численного значения.

Мы также описали переменную c как int , а не char , с тем чтобы она могла хранить значение, возвращаемое getchar. Как мы увидим в главе 3, эта величина действительно int, так как она должна быть в состоянии в дополнение ко всем возможным символам представлять и eof.

Программистом, имеющим опыт работы на «C», программа копирования была бы написана более сжато. В языке «C» любое присваивание, такое как

c = getchar()

может быть использовано в выражении; его значение – просто значение, присваиваемое левой части.

    Пример 2-5. Если присваивание символа переменной c поместить внутрь проверочной части оператора while , то программа копирования файла запишется в виде:

main()  // Копировать ввод-вывод; 2-я версия

{

int c;

while ((c = getchar()) != eof)

putchar(c);

}

 

Программа извлекает символ, присваивает его переменной c, и затем проверяет, не является ли этот символ признаком конца файла. Если нет – выполняется тело оператора while, выводящее этот символ. Затем цикл while повторяется. Когда, наконец, будет достигнут конец файла ввода, оператор while завершается, а вместе с ним заканчивается выполнение и функции main .

В этой версии централизуется ввод – в программе только одно обращение к функции getchar – и ужимается программа. Вложение присваивания в проверяемое условие – это одно из тех мест языка «C», которое приводит к значительному сокращению программ. Однако, на этом пути можно увлечься и начать писать недоступные для понимания программы. Эту тенденцию мы будем пытаться сдерживать.

Важно понять, что круглые скобки вокруг присваивания в условном выражении действительно необходимы. Старшинство операции != выше, чем операции присваивания =, а это означает, что в отсутствие круглых скобок проверка условия != будет выполнена до присваивания =. Таким образом, оператор

c = getchar() != eof

эквивалентен оператору

c = (getchar() != eof)

 

Это, вопреки нашему желанию, приведет к тому, что c будет принимать значение 0 или 1 в зависимости от того, натолкнется или нет getchar на признак конца файла. Подробнее об этом будет сказано в главе 3.

        

2.5.3. Подсчет символов.

Пример 2-6. Следующая программа подсчитывает число символов; она представляет собой небольшое развитие программы копирования.

 

main() // Подсчет вводимых символов

{

long nc;

nc = 0;

while (getchar() != eof )

++nc;

printf("%1d\n", nc);

}

 

Оператор

++nc;

демонстрирует новую операцию, ++, которая означает увеличение на единицу. Вы могли бы написать nc=nc+1, но ++nc более кратко и зачастую более эффективно. Имеется соответствующая операция -- уменьшение на единицу. Операции ++ и -- могут быть либо префиксными (++nc), либо постфиксными (nc++); эти две формы, как будет показано в главе 3, имеют в выражениях различные значения, но как ++nc, так и nc++ увеличивают nc. Пока мы будем придерживаться префиксных операций.

Программа подсчета символов накапливает их количество в переменной типа long, а не int . На PDP-11 максимальное значение равно 32767, и если описать счетчик как int, то он будет переполняться даже при сравнительно малом файле ввода; на языке «C» для HONEYWELL и IBM типы long и int являются синонимами и имеют значительно больший размер. Спецификация преобразования %1d указывает printf, что соответствующий аргумент является целым типа long. Чтобы справиться с еще большими числами, вы можете использовать тип double (float двойной длины).

Пример 2-7. Используем оператор for вместо while с тем, чтобы проиллюстрировать другой способ записи цикла.

 

main()   // Подсчет вводимых символов

{

double nc;

for (nc = 0; getchar() != eof; ++nc)

;

printf("%.0f\n", nc);

}

 

Функция printf использует спецификацию %f как для float, так и для double. Спецификация %.0f подавляет печать несуществующей дробной части. Тело оператора цикла for здесь пусто, так как вся работа выполняется в проверочной и реинициализационной частях. Но грамматические правила языка «C» требуют, чтобы оператор for имел тело. Изолированная точка с запятой, соответствуюшая пустому оператору, появляется здесь, чтобы удовлетворить этому требованию. Мы выделили ее на отдельную строку, чтобы сделать ее более заметной.

Прежде чем мы распростимся с программой подсчета символов, отметим, что если файл ввода не содержит никаких символов, то условие в while или for не выполнится при самом первом обращении к getchar , и, следовательно, программа выдаст нуль, т.е. Правильный ответ. Это важное замечание. Одним из приятных свойств операторов while и for является то, что они проверяют условие в начале цикла, т.е. До выполнения тела. Если делать ничего не надо, то ничего не будет сделано, даже если это означает, что тело цикла никогда не будет выполняться. программы должны действовать разумно, когда они обращаются с файлами типа «никаких символов». Операторы while и for помогают обеспечить правильное поведение программ при граничных значениях проверяемых условий.

        

2.5.4. Подсчет строк.  

Пример 2-8. Напишем программу подсчета количества строк в файле ввода. Предполагается, что строки ввода заканчиваются символом новой строки \n, скрупулезно добавленным к каждой выписанной строке.

 

main()    // Подсчет вводимых строк

{

int c,nl;

nl = 0;

while ((c = getchar()) != eof)

if (c =='\n')

    ++nl;

printf("%d\n", nl);

}

 

Тело while теперь содержит оператор if , который в свою очередь управляет оператором увеличения ++nl. Оператор if проверяет заключенное в круглые скобки условие и, если оно истинно, выполняет следующий за ним оператор (или группу операторов, заключенных в фигурные скобки). Мы опять использовали сдвиг вправо, чтобы показать, что чем управляет.

Удвоенный знак равенства == является обозначением в языке «C» для «равно» (аналогично .EQ. в ФОРТРАНЕ). Этот символ введен для того, чтобы отличать проверку на равенство от одиночного =, используемого при присваивании. Поскольку в типичных «C»-программах знак присваивания встречается примерно в два раза чаще, чем проверка на равенство, то естественно, чтобы знак оператора был вполовину короче.

Любой отдельный символ может быть записан внутри одиночных кавычек, и при этом ему соответствует значение, равное численному значению этого символа в машинном наборе символов; это называется символьной константой. Так, например, 'A' - символьная константа; ее значение в наборе символов ASCII (американский стандартный код для обмена информацией) равно 65, внутреннему представлению символа A. Конечно, 'A' предпочтительнее, чем 65: его смысл очевиден и он не зависит от конкретного машинного набора символов.

Условные последовательности, используемые в символьных строках, также занимают законное место среди символьных констант. Так в проверках и арифметических выражениях '\n' представляет значение символа новой строки. Вы должны твердо уяснить, что '\n' – отдельный символ, который в выражениях эквивалентен одиночному целому; с другой стороны "\n" – это символьная строка, которая содержит только один символ. Вопрос о сопоставлении строк и символов обсуждается в главе 3.

Упражнение 2-6. Напишите программу для подсчета пробелов, табуляций и новых строк.

Упражнение 2-7. Напишите программу, которая копирует вводимые символы в выходной поток, заменяя при этом каждую последовательность из одного или более пробелов на один пробел.

Упражнение 2-8. Напишите программу, копирующую вводимые символы в выходной поток с заменой символа табуляции /t и символа забоя \b на символ обратной косой черты \\ . Это сделает видимыми все символы табуляции и забоя.

 

2.5.5. Подсчет слов.

Пример 2-9. Следующая программа из нашей серии полезных программ подсчитывает количество строк, слов и символов, используя при этом весьма широкое определение, что словом является любая последовательность символов, не содержащая пробелов, табуляций или новых строк.

 

#define yes 1

#define no 0

main() // Подсчет строк, слов и символов

{

int c, nl, nw, inword;

inword = no;

nl = nw = nc = 0;

while((c = getchar()) != eof) 

{

++nc;

if (c == '\n')

    ++nl;

if (c==' ' || c=='\n' || c=='\t')

    inword = no;

else if (inword == no) 

    {

    inword = yes;

    ++nw;

    }

}

printf("%d %d %d\n", nl, nw, nc);

}

 

Каждый раз, когда программа встречает первый символ слова, она увеличивает счетчик числа слов на единицу. Переменная inword следит за тем, находится ли программа в настоящий момент внутри слова или нет; сначала этой переменной присваивается «не в слове», чему соответствует значение no. Мы предпочитаем символические константы yes и no литерным значениям 1 и 0, потому что они делают программу более удобной для чтения. Конечно, в такой крошечной программе, как эта, это не приводит к заметной разнице, но в больших программах увеличение ясности вполне стоит тех скромных дополнительных усилий, которых требует следование этому принципу с самого начала. Вы также обнаружите, что существенные изменения гораздо легче вносить в те программы, где числа фигурируют только в качестве символьных констант.

Строка:

nl = nw = nc = 0;

 

полагает все три переменные равными нулю. Это не особый случай, а следствие того обстоятельства, что оператору присваивания соответствует некоторое значение и присваивания проводятся последовательно справа налево. Таким образом, дело обстоит так, как если бы мы написали:

nc = (nl = (nw = 0));

 

операция || означает OR (логическое «или») , так что строка:

if( c==' ' || c=='\n' || c=='\t')

 

говорит «если в символьной переменной с – пробел, или символ новой строки, или табуляция ...» (условная последовательность \t является изображением символа табуляции).

Имеется соответствующая операция && для AND (логического И). Выражения, связанные операциями && или || , рассматриваются слева направо, и при этом гарантируется, что оценивание выражений будет прекращено, как только станет ясно, является ли все выражение истинным или ложным. Так, если символ в символьной переменной c оказывается пробелом, то нет никакой необходимости проверять, является ли он же символом новой строки или табуляции, и такие проверки действительно не делаются. В данном случае это не имеет принципиального значения, но, как мы скоро увидим, в более сложных ситуациях эта особенность языка весьма существенна.

Этот пример также демонстрирует оператор else языка «C», который указывает то действие, которое должно выполняться, если условие, содержащееся в операторе if, окажется ложным. Общая форма такова:

 

if (выражение)

оператор-1;

else

оператор-2;

 

Выполняется один и только один из двух операторов, связанных с конструкцией if-else.

Если выражение истинно, то выполняется оператор-1; если нет – выполняется оператор-2. Фактически каждый оператор может быть довольно сложным. В программе подсчета слов оператор, следующий за else , является опертором if, который управляет двумя операторами в фигурных скобках.

Упражнение 2-9. Как бы вы стали проверять программу подсчета слов? Kакие имеются ограничения?

Упражнение 2-10. Напишите программу, которая будет печатать слова из файла ввода, причем по одному на строку.

Упражнение 2-11. Переделайте программу подсчета слов, используя лучшее определение «слова»; считайте, например словом последовательность букв, цифр и апострофов, начинающуюся с буквы.

 

Массивы

 

Пример 2-10. Давайте напишем программу подсчета числа появлений каждой цифры, символов пустых промежутков (пробел, табуляции, новая строка) и всех остальных символов. Конечно, такая задача несколько искусственна, но она позволит нам проиллюстрировать в одной программе сразу несколько аспектов языка «C».

Мы разбили вводимые символы на двенадцать категорий, и нам удобнее использовать массив для хранения числа появлений каждой цифры, а не десять отдельных переменных. Вот один из вариантов программы:

 

// Подсчет всех цифр,

// промежутков (пробел, табуляции, новая строка)

// и всех остальных символов

main()

{

int c, i, nwhite, nother;

int ndigit[10];

nwhite = nother = 0;

for (i = 0; i < 10; ++i)

ndigit[i] = 0;

while ((c = getchar()) != eof)

if (c >= '0' && c <= '9')

    ++ndigit[c-'0'];

else if(c== ' ' || c== '\n' || c== '\t')

    ++nwhite;

else

    ++nother;

printf("digits =");

for (i = 0; i < 10; ++i)

printf(" %d", ndigit[i]);

printf("\nwhite space = %d, other = %d\n",

nwhite, nother);

}

Описание:

int ndigit[10];

 

объявляет, что ndigit является массивом из десяти целых. В языке «C» индексы массива всегда начинаются с нуля (а не с 1, как в ФОРТРАНЕ или PL/1/, так что элементами массива являются:

ndigit[0], ndigit[1], ..., ndigit[9].

 

Эта особенность отражена в циклах for , которые инициализируют и печатают массив.

Индекс может быть любым целым выражением, которое, конечно, может включать целые переменные, такие как I , и целые константы.

Эта конкретная программа сильно опирается на свойства символьного представления цифр. Так, например, в программе проверка:

if( c >= '0' && c <= '9')...

 

определяет, является ли символ в символьной переменной c цифрой, и если это так, то численное значение этой цифры определяется по формуле:

c - '0' .

 

Такой способ работает только в том случае, если значения символьных констант '0', '1' и т.д. Положительны, расположены в порядке возрастания и нет ничего, кроме цифр, между константами '0' и '9'. К счастью, это верно для всех общепринятых наборов символов.

По определению перед проведением арифметических операций, вовлекающих переменные типа char и int, все они преобразуются к типу int, Tак что в арифметических выражениях переменные типа CHAR по существу идентичны переменным типа int. Это вполне естественно и удобно. Например:

c - '0'

 

- это целое выражение со значением между 0 и 9 в соответствии с тем, какой символ от '0' до '9' хранится в переменной c, и, следовательно, оно является подходящим индексом для массива ndigit.

 

Выяснение вопроса, является ли данный символ цифрой, символом пустого промежутка или чем-либо еще, осуществляется последовательностью операторов

 

if (c >= '0' && c <= '9')

++ndigit[c-'0'];

else if(c == ' ' || c == '\n' || c == '\t')

++nwhite;

else

++nother;

Конструкция

 

if (условие)

оператор-1;

else if (условие)

оператор-2;

else

оператор-3;

часто встречаются в программах как средство выражения ситуаций, в которых осуществляется выбор одного из нескольких возможных решений.

 

Программа просто движется сверху вниз до тех пор, пока не удовлетворится какое-нибудь условие; тогда выполняется соответствующий «оператор»^*), и вся конструкция завершается.

Если ни одно из условий не удовлетворяется, то выполняется «оператор», стоящий после заключительного else, если оно присутствует. Если последнее else и соответствующий «оператор» опущены (как в программе подсчета слов), то никаких действий не производится. Между начальным if и конечным else может помещаться произвольное количество групп:

 

else if (условие)

 оператор .

 

С точки зрения стиля целесообразно записывать эту конструкцию так, как мы показали, с тем, чтобы длинные выражения не залезали за правый край страницы.

Оператор switch (переключатель), который рассматривается в главе 4, представляет другую возможность для записи разветвления на несколько вариантов, этот оператор особенно удобен, когда проверяемое выражение является либо просто некоторым целым, либо символьным выражением, совпадающим с одной из некоторого набора констант. Версия этой программы, использующая оператор switch, будет для сравнения приведена также в главе 4.

Упражнение 2-12. Напишите программу, печатающую гистограмму длин слов из файла ввода. Самое легкое – это начертить гистограмму горизонтально; вертикальная ориентация требует больших усилий.

Функции

 

В языке «C» функции эквивалентны подпрограммам или функциям в ФОРТРАНЕ или процедурам в PL/1, ПАСКАЛЕ и т.д. Функции дают удобный способ заключения некоторой части вычислений в черный ящик, который в дальнейшем можно использовать, не интересуясь его внутренним содержанием. Использование функций является фактически единственным способом справиться с потенциальной сложностью больших программ. Если функции организованы должным образом, то можно игнорировать то, как делается работа; достаточно знание того, что делается. Язык «C» разработан таким образом, чтобы сделать использование функций легким, удобным и эффективным. Вам будут часто встречаться функции длиной всего в несколько строчек, вызываемые только один раз, и они используются только потому, что это проясняет некоторую часть программы.

До сих пор мы использовали только предоставленные нам функции типа printf, getchar и putchar; теперь пора написать несколько наших собственных. так как в «C» нет операции возведения в степень, подобной операции ** в ФОРТРАНЕ или PL/1.

Давайте проиллюстрируем механику определения функции на примере функции power(m,n), возводящей целое m в целую положительную степень n. Так значение power(2,5) равно 32. Конечно, эта функция не выполняет всей работы операции **, поскольку она действует только с положительными степенями небольших чисел, но лучше не создавать дополнительных затруднений, смешивая несколько различных вопросов.

Пример 2-11. Ниже приводится функция power и использующая ее основная программа, так что вы можете видеть целиком всю структуру.

 

main() // Испытание функции возведения в степень

{

int i;

for(i = 0; i < 10; ++i)

printf("%d %d %d\n",i,power(2,i),power(-3,i));

}

 

power(int x, int n) // Возведение x в степень n, n>0

{

int i, p;

p = 1;

for (i =1; i <= n; ++i)

p = p * x;

return (p);

}

 

Все функции имеют одинаковый вид:

 

имя (список аргументов, если они имеются)

описание аргументов, если они имеются

{

описания

операторы

}

 

Эти функции могут быть записаны в любом порядке и находиться в одном или двух исходных файлах. Конечно, если исходная программа размещается в двух файлах, вам придется дать больше указаний при компиляции и загрузке, чем если бы она находилась в одном, но это дело операционной системы, а не атрибут языка. В данный момент, для того чтобы все полученные сведения о прогоне «C»- программ, не изменились в дальнейшем, мы будем предполагать, что обе функции находятся в одном и том же файле.

Функция power вызывается дважды в строке

printf("%d %d %d\n",i,power(2,i),power(-3,i));

 

при каждом обращении функция power, получив два аргумента, возвращает целое значение, которое печатается в заданном формате. В выражениях power(2,i) является точно таким же целым, как 2 и i. (Однако не все функции выдают целое значение; мы займемся этим вопросом в главе 5).

 

Аргументы функции power должны быть описаны соответствующим образом, так как их типы известны. Это сделано в строке 

int x,n;

 

которая следует за именем функции.

 

Описания аргументов помещаются между списком аргументов и открывающейся левой фигурной скобкой; каждое описание заканчивается точкой с запятой. Имена, использованные для аргументов функции power, являются чисто локальными и недоступны никаким другим функциям: другие процедуры могут использовать те же самые имена без возникновения конфликта.

Это верно и для переменных i и p; i в функции power никак не связано с i в функции main.

Значение, вычисленное функцией power, передаются в main с помощью оператора return, точно такого же, как в PL/1. Внутри круглых скобок можно написать любое выражение. Функция не обязана возвращать какое-либо значение; оператор return, не содержащий никакого выражения, приводит к такой же передаче управления, как «сваливание на конец» функции при достижении конечной правой фигурной скобки, но при этом в вызывающую функцию не возвращается никакого полезного значения.

Упражнение 2-13. Напишите программу преобразования прописных букв из файла ввода в строчные, используя при этом функцию ower(c), которая возвращает значение – переменную c, если символ в c – не буква, и значение соответствующей строчной буквы, если c – это буква.