PC Laborator 3

Obiective

În urma parcurgerii acestui laborator studentul va fi capabil:

• să utilizeze stream-urile standard ale unui proces în Linux și în programe C;
• să înțeleagă funcționalitatea preprocesorului și să folosească directive de preprocesare;

Stream-urile standard ale unui proces

După cum se poate observa în schema de mai sus, un proces care rulează într-un sistem de operare dispune de trei stream-uri de intrare-ieșire implicite:

• Stream-ul standard de intrare (stdin) - este utilizat pentru a introduce date în proces și este implicit atașat tastaturii;
• Stream-ul standard de ieșire (stdout) - este utilizat pentru a extrage rezultate ale execuției procesului și este implicit atașat consolei;
• Stream-ul standard de eroare (stderr) - este tradițional utilizat pentru a extrage informații legate de erorile apărute în execuția procesului și este implicit atașat consolei;

Ambele stream-uri de ieșire sunt implicit trimise către consolă, unde utilizatorul procesului le poate vedea. Motivul pentru care sunt două este acela că aceste stream-uri pot fi redirecționate către alte procese sau către fișiere, astfel se poate face o separare simplă și rapidă a mesajelor de eroare, în scopul depanării programului.

Toate aceste stream-uri sunt formatate pe octet (byte). În cele mai multe din cazuri, acești octeți reprezintă caractere codate ASCII.

Scrierea pe stdout

Pentru a scrie pe stream-ul standard de ieșire se folosește generic funcția fprintf:

Funcția fprintf este definită în header-ul stdio.h (standard input/output) și este implimentată în biblioteca standard a limbajului C. Pentru scrierea pe stream-ul standard de ieșire, se folosește în felul următor:

fprintf(stdout, "[template]", val1, val2, ...);

Observație: Deoarece scrierea pe stream-ul standard de ieșire este atât de utilizată, s-a creat o funcție specială pentru aceasta, numită printf:

printf("[template]", val1, val2, ...);

Template-ul reprezintă o secvență de caractere care specifică ce și cum dorim să afișam în consolă. Acest template poate conține două tipuri de caractere:

1. Un caracter oarecare, diferit de caracterul procent (%), se afișează ca atare pe ecran.
2. Un pattern, reprezintă o secvență de caractere care începe cu procent (%) și se termină cu un specificator de format.

Un pattern pentru fprintf, respectiv printf urmează următorul prototip:

%[flags][width][.precision][length]specifier 

unde caracterul specifier de la sfârșit este componenta cea mai importantă deoarece definește ce caractere sunt extrase din stream, interpretarea lor, și tipul de date corect al argumentului corespunzător:

specifier	Afișare	Exemplu
i, d	întreg decimal cu semn	-694
u	întreg decimal fără semn	1659
o	întreg în baza 8	254
x	întreg în baza 16 (litere mici)	1af43
X	întreg în baza 16 (litere mari)	1AF43
f	număr în virgulă mobilă	23.65
e	număr în virgulă mobilă, notație științifică (mantisa - exponent), litere mici	3.9265e+2
E	număr în virgulă mobilă, notație științifică (mantisa - exponent), litere mari	3.9265E+2
g	număr în virgulă mobilă, cea mai scurtă reprezentare (%f sau %e)	23.65
G	număr în virgulă mobilă, cea mai scurtă reprezentare (%F sau %E)	23.65
a	număr în virgulă mobilă în baza 16, litere mici	-0xc.90fep-2
A	număr în virgulă mobilă în baza 16, litere mari	-0xc.90FEP-2
c	caracter	a
s	șir de caracere	castravete
p	adresă în memorie (pointer)	00000000b8000000
n	nu se printează nimic	numărul de caractere citit până în momentul curent este stocat în variabila specificată
%	%	Un caracter % urmat de alt caracter % afișează un singur %.

Pattern-ul poate conține și sub-specificatori: flags, width, .precision și modifiers (în această ordine), care sunt opționale și respectă următoarele reguli:

flag	Descriere
-	Aliniere la stânga cu dimensiunea dată de câmpul width (implicit aliniera este la dreapta). Vezi descrierea lui width.
+	Forțează printarea unui semn (+ sau -), chiar și pentru valori pozitive (implicit se afișează semnul doar pentru numere negative).
(spațiu)	Dacă semnul nu se afișează, în locul lui se inserează un spațiu.
#	Folosit cu o, x, sau X, printează 0, 0x sau respectiv 0X în fața valorii, pentru numere diferite de 0. Folosit cu a, A, e, E, f, g sau G, forțează printarea punctului decimal, chiar dacă după el nu mai urmează alte cifre. Implicit, dacă după punct nu mai urmează alte cifre (numărul este întreg), punctul nu se mai afișează.
0	Când se specifică o dimensiune (width), numărul se completează la stânga cu 0 în loc de spațiu. Vezi descrierea lui width.

width	Descriere
(număr)	Numărul minim de caractere care trebuie scrise. Dacă lungimea numărului este mai mică decât această valoare, el este completat cu spații. Dacă lungimea este mai mare, numărul este afișat în întregime.
*	Valoarea width nu este specificată în string-ul format, ci într-un argument suplimentar al funcției, care precede argumentul ce trebuie formatat.

.precision	Descriere
(număr)	Pentru valori întregi (d, i, o, u, x, X), precision specifică numărul minim de cifre care trebuie afișate. Dacă numărul ce trebuie afișat este mai scurt decât această valoare, rezultatul este completat la stânga cu cifra 0. Dacă numărul este mai lung, el este afișat în întregime. O precizie 0 înseamnă că pentru valoarea 0 nu se va afișa nimic. Pentru specificatorii a, A, e, E, f și F, aceasta este numărul de cifre ce a fi afișat după punct (implicit valoarea aceasta este 6). Pentru specificatorii g și G, acesta este numărul maxim de cifre semnificative ce trebuie afișat. Pentru s, acesta este numărul maxim de caractere ce trebuie afișat. Implicit toate caracterele sunt afișate, până la întâlnirea unui terminator de string. Dacă punctul este scris fără o valoare pentru precizie, aceasta se consideră implicit 0.
*	Valoarea precision nu este specificată în string-ul format, ci într-un argument suplimentar al funcției, care precede argumentul ce trebuie formatat.

Specificatorul length modifică dimensunea tipului de date. Tabelul următor arată tipurile folosite pentru a interpreta argumentele corespunzătoare, cu și fără specificatorul length (dacă un alt tip este folosit, se realizează promovarea sau conversia tipului, dacă este posibil):

	specifiers
length	d i	u o x X	f F e E g G a A	c	s	p	n
(none)	int	unsigned int	double	int	char*	void*	int*
hh	signed char	unsigned char					signed char*
h	short int	unsigned short int					short int*
l	long int	unsigned long int		wint_t	wchar_t*		long int*
ll	long long int	unsigned long long int					long long int*
j	intmax_t	uintmax_t					intmax_t*
z	size_t	size_t					size_t*
t	ptrdiff_t	ptrdiff_t					ptrdiff_t*
L			long double

Observație: Tabelele de mai sus pot fi înțelese abia după parcurgerea cursurilor și laboratoarelor legate de tipuri și dimensiuni de date. Ele vor fi folosite pe parcursul cursului drept referință și nu trebuie memorate.

Observație: Rândurile marcate cu galben au fost introduse în standardul C99.

Scrierea pe stderr

Scrierea pe stream-ul standard de eroare se face identic cu scrierea pe stdout, specificând numele streamului ca prim argument al funcției fprintf:

fprintf(stderr, "[template]", val1, val2, ...);

Observație: Nu se poate folosi funcția printf pentru scrierea pe stream-ul standard de eroare.

Citirea din stdin

Pentru a citi de pe stream-ul standard de intrare se folosește generic funcția fscanf:

Funcția fscanf este definită în header-ul stdio.h (standard input/output) și se folosește în felul următor:

fscanf(stdin, "[format]", val1, val2, ...);

Observație: Deoarece citirea de pe stream-ul standard este atât de utilizată, s-a creat o funcție specială pentru aceasta, numită scanf:

scanf("[format]", val1, val2, ...);

Formatul reprezintă modelul de date pe care ne așteptăm să-l primim de la tastatură. Acesta este un șir de caractere unde fiecare caracter este tratat în următorul fel:

• caracter alb - se va citi și ignora din stream orice caractere albe până la întâlnirea unui caracter care nu este alb (caracerele albe includ spații, linie nouă, caractere tab); un singur caracter alb în format validează oricâte caractere albe extrase din stream (inclusiv nici unul).
• caracter care nu este alb, exceptând specificatorul de format (%) - orice caracter care nu este alb (spațiu, linie nouă sau tab) sau care nu face parte dintr-un specificator de format (care începe cu %) face ca următorul caracter să fie citit din stream, comparat cu acest caracter din format, iar dacă sunt identice, ele sunt ignorate și se continuă cu următorul caracter; dacă nu sunt identice, fscanf se va opri cu eroare;
• specificator de format - o secvență care începe cu caracterul "la sută" (%) indică un specificator de format, utilizat pentru a indica tipul și formatul unei date care trebuie citită și stocată într-una din variabilele specificate în apelul lui fscanf.

Specificatorul de format pentru fscanf urmează următorul prototip:

%[*][width][length]specifier 

unde caracterul specifier de la sfârșit este componenta cea mai importantă deoarece definește ce caractere sunt extrase din stream, interpretarea lor, și tipul de date corect al argumentului corespunzător:

specifier	Descriere	Caractere extrase din stream
i, u	întreg	Orice număr de cifre, opțional precedate de un semn (+ sau -). Baza zece este considerată implicit (0-9), dar un 0 ca prefix marchează baza ca fiind opt (0-7), iar "0x" ca prefix marchează baza șaisprezece (0-f).
d	întreg în baza 10	Orice număr de cifre decimale (0-9), opțional precedate de un semn (+ sau -).
o	întreg în baza 8	Orice număr de cifre octale (0-7), opțional precedate de un semn (+ sau -).
x	întreg în baza 16	Orice număr de cifre hexazecimale (0-7, a-f, A-F), opțional precedate de "0x" sau "0X", și totul opțional precedat de un semn (+ sau -).
f, e, g, a (C99)	număr în virgulă mobilă	O serie de cifre decimale, conținând opțional un punct decimal, opțional precedat de un semn (+ sau -), opțional urmat de un caracter e sau E, și un întreg în baza 10. În standardul C99 se acceptă și numere în virgulă mobilă în baza hexazecimală, precedate de 0x sau 0X.
c	caracter	Următorul caracter. Dacă width este specificat, se vor citi exact width caractere și vor fi stocate în locații succesive în vectorul primit ca argument. Nu este adăugat terminator de șir la final.
s	șir de caractere	Orice număr de caractere care nu sunt albe, oprindu-se la primul caracter alb înlâlnit. Este automat adăugat terminator de șir la final.
p	adresă în memorie	O secvență de caractere reprezentând o adresă în memorie. Formatul folosit depinde de sistem și de implementarea bibliotecii, dar este identic cu cel folosit de formatul %p în fprintf.
[characters]	set de caractere	Orice număr de caractere dintre cele specificate între parantezele drepte. O liniuță (-) care nu este pe prima poziție între paranteze poate produce comportamente nedefinite în unele implementări de bibliotecă standard.
[^characters]	set de caractere negat	Orice număr de caractere care nu sunt specificate între parantezele drepte.
n	număr caractere citite	Nu este consumat nimic din stream. Numărul de caractere citit până în momentul curent este stocat în variabila specificată.
%	%	Un caracter % urmat de alt caracter % consumă un singur % din stream.

În afară de n, cel puțin un caracter va fi consumat din stream de către oricare alt specificator. Altfel, operația eșuează și citirea se încheie în acel punct.

Specificatorul de format poate conține de asemenea și sub-specificatori: steluță (*), width și length (în această ordine), care sunt opționale și respectă următoarele specificații:

sub-specifcator	Descriere
*	O steluță ca sub-specifiator indică faptul că data citită nu este stocată într-o variabilă ci este ignorată.
width	Specifică numărul maxim de caractere ce vor fi citite din stream de operația curentă.
length	Unul din hh, h, l, ll, j, z, t, L. Acest caracter modifică tipul de date așteptat ca argument. Comportamentul acestora este identic cu cel definit la capitolul #Scrierea pe stdout

Atenție: Variabilele care nu sunt de tip vector sau pointer și sunt folosite în apelul funcției fscanf pentru a stoca date din stream, trebuie obligatoriu precedate de operatorul &. Explicația pentru această regulă va fi prezentată în cursul legat de pointeri și adrese de memorie.

Exemple

1. Scrieți următorul program într-un fișier numit exemplu_stdin.c

   #include <stdio.h>
   
   int main(){
       int integerValue;
       fprintf(stdout, "Introduceti o valoare numerica: ");
       fscanf(stdin, "%d", &integerValue);
       printf("Valoarea introdusa este %d\n", integerValue);
       return 0;
   }
   

Exerciții

1. Citiți de la tastatură două numere întregi și afișați suma lor pe stream-ul standard de ieșire (operatorul pentru sumă este +).
2. Citiți de la tastatură trei numere întregi și afișați produsul lor pe stream-ul standard de eroare (operatorul pentru produs este *).
3. Citiți de la tastatură patru numere fracționare. Primele 3 sunt coeficienții unui polinom de gradul II. Al patrulea este valoarea unui punct în care se calculează valoarea polinomului. Afișați rezultatul cu două zecimale pe stream-ul standard de ieșire.
4. Fie următoarea funcție: f(x) = (3.6 * ex + cos(2*x)) / (x + 1). Scrieți un program care să citească o valoarea fracționară de la tastatură, să calculeze valoarea funcției în punctul respectiv și sa afișeze rezultatul pe stream-ul standard de eroare în format științific. Observație: pentru a utiliza funcțiile cos și exp (exponențială), trebuie să adăugați programului vostru, pe prima linie, directiva #include <math.h> și să compilați programul adăugând comenzii de compliare flag-ul -lm. Pentru a calcula e² se folosește funcția exp: exp(2).

Preprocesorul C

Preprocesarea unui fișier cu cod C este prima etapă din lanțul de build, și reprezintă, așa cum îi spune și numele, o etapă de dinainte de procesarea (compilarea) efectivă. Motivul pentru care se realizează această etapă inițială este faptul că prin preprocesarea codului se pot elimina secțiuni din program care ori nu sunt necesare, ori nu sunt compilabile pe un anumit procesor sau sistem de operare. Spre exemplu, pentru a folosi o interfață serială, în sistemul de operare Windows, și compilatorul Visual Studio, există un tip de date care se numește HANDLE. Acest tip de date nu există în Linux, aici fiind înlocuit simplu cu int. În acest caz, compilarea unui program care folosește HANDLE pe Linux va eșua cu eroare. Aici intervin directivele de preprocesare, după cum vom vedea în continuare.

În acest laborator se va discuta despre:

• #include
• #define
• #undef
• #ifdef
• #ifndef
• #else
• #endif

Directiva #include

Probabil #include este cea mai frecvent utilizată directivă de preprocesare, dar și cea mai ușor de înțeles. Efectiv, preprocesorul caută fișierul specificat între paranteze unghiulare sau ghilimele în lista de directoare dintr-o listă cunoscută și apoi înlocuiește directiva #include cu conținutul fișierului respectiv.

Exemplu

• Scrieți un fișier nou într-un editor de text care să conțină următorul cod:

int main(){
    return 0;
}

• Salvați fișierul cu numele test_preprocessor.c în directorul ~/work/prenume_nume
• Scrieți un fișier Makefile cu o singură rețetă care să producă un fișier numit processed.c din fișierul de mai sus, apelând compilatorul C (gcc) cu fanionul corespunzător pentru a face doar preprocesare (vezi PC Laborator 1).
• Ce diferențe există între fișierul original și fișierul preprocesat?
• Scrieți un nou fișier numit header_file.h, care să conțină următorul text:

// This is the start of the header file
int variable;
// This is the end of the header file

• Modificați fișierul test_preprocesor.c prin înserția pe prima linie a unei directive include:

#include <header_file.h>
int main(){
    return 0;
}

• Rulați din nou comanda make. Observați mesajul de eroare: fișierul header_file.h nu este găsit de preprocesor, cu toate că este în directorul curent.

Atenție: Fișierele antet (header) sunt căutate doar în anumite căi predefinite în compilator (de exemplu /usr/include). Pentru a face preprocesorul să caute și în alte directoare, calea până la acestea trebuie specificată la compilare, folosind fanionul -I

• Adăugați comenzii de compilare din Makefile următorul fanion: -I. Asta va spune compilatorului (care mai departe va spune preprocesorului) să caută fișiere antet și în directorul curent (.)
• Rulați din nou comanda make.
• Afișați conținutul celor două fișiere C. Ce diferențe observați?

Directivele #define și #undef

Directiva #define este utilizată pentru a defini macro-uri de preprocesor. Acestea se folosesc în trei feluri distincte:

• #define token value - este definit macro-ul token existența acestuia putând fi testată cu directivele #ifdef și #ifndef; dacă token este utilizat în program, după definirea lui, el va fi înlocuit cu value (efectiv, această operație este identică cu un "Search and Replace" dintr-un editor de text, unde token este înlocuit cu value.

#define PI 3.1415

float a = 2 * PI;

• #define token - este definit macro-ul token, existența acestuia putând fi testată cu directivele #ifdef și #ifndef; dacă token este utilizat în program, după definirea lui, va fi șters de peste tot unde apare (este de fapt cazul de mai sus unde value este de fapt un string de lungime zero).

#include <stdio.h>
#define DEBUG

int main(){
#ifdef DEBUG
    printf("Debug is ON!\n");
#endif
    return 0;
}

• #define token(arg1,arg2,..) expression - este definit macro-ul token, existența acestuia putând fi testată cu directivele #ifdef și #ifndef; token este utilizat în program ca o funcție, iar el va fi înlocuit de expression, în care arg1,arg2,... vor fi înlocuite cu valorile din program.

#include <stdio.h>
#define MAX(a,b) (a < b ? b : a)

int main(){
    printf("Value is %d!\n", MAX(4,5)); // Replaced to: printf("Value is %d!\n", (4 < 5 ? 5 : 4));
//  printf("Value is %d!\n", MAX(4 + 1, 5 + 1)); // Replaced to: printf("Value is %d!\n", (4 + 1 < 5 + 1 ? 5 + 1 : 4 + 1));
    return 0;
}

Atenție: O greșeală frecventă în definirea macrourilor este adăugarea unui caracter ; la sfârșitul liniei. Acesta se va înlocui și el în momentul în care macro-ul se expandează în text:

#include <stdio.h>
#define PI 3.1415;

int main(){
    float f = PI * 2; // Replaced to: float f = 3.1415; * 2; 
    return 0;
}

Se vede imediat că sintaxa este greșită și compilatorul va genera o eroare.

Pentru a anula definiția unui macro, se folosește directiva #undef astfel:

#undef PI
#undef DEBUG
#undef MAX

Exemplu

• Modificați fișierul test_preprocessor.c în felul următor:

#define PI 3.1415
#define INC(x) (x + 1)
#define DEBUG

int main(){
    printf("PI is %f\n", PI);
    printf("%d comes after 4\n", INC(4));

#ifdef DEBUG
    printf("This runs in debug mode\n");
#else
    printf("This runs in release mode\n");
#endif
    return 0;
}

• Rulați comanda make în consolă.
• Afișați cele două fișiere .c. Observați diferențele.

Directivele #ifndef și #define pe post de gardă pentru dublă incluziune

Luând ca punct de plecare primul exemplu de la directiva #include, oare ce se întâmplă dacă header-ul header_file.h este inclus de două ori?

1#include "header_file.h"
2#include "header_file.h"
3int main(){
4    return 0;
5}

Răspunsul este simplu, preprocesorul va înlocui ambele linii cu conținutul fișierului, lucru care va face ca variabila variable să fie definită de două ori, lucru care sintactic greșit în C. Sigur, nimeni nu va include în mod voit un header de două ori, dar este posibil ca indirect lucrul acesta să se întâmple. Spre exemplu, dacă în fișierul header_file.h este inclus stdio.h, iar în test_preprocessor.c sunt incluse și header_file.h și stdio.h. În această situație, stdio.h ajunge să fie inclus de două ori. Pentru a evita problemele apărute în această situație, se folosește garda de incluziune (include guard). Aceasta se adaugă în fiecare fișier header:

1#ifndef _HEADER_FILE_H_
2#define _HEADER_FILE_H_
3
4// This is the start of the header file
5int variable;
6// This is the end of the header file
7
8#endif

Includerea acestui fișier de către preprocesor se realizează acum în următoarea secvență:

1. Prima directivă include din fișerul sursă C va copia conținutul fișierului de mai sus în locul unde este inclus (test_preprocesor.c, linia 1).
2. Directiva ifndef verifică dacă macro-ul _HEADER_FILE_H_ nu este definit (header_file.h, linia 1).
3. Deoarece nu este definit, tot textul dintre ifndef și endif se păstrează (header_file.h, liniile 2-7).
4. Prima linie din text-ul păstrat este o directivă define care definește macro-ul_HEADER_FILE_H (header_file.h, linia 2).
5. A doua directivă include din fișerul sursă C va copia conținutul fișierului de mai sus în locul unde este inclus (test_preprocesor.c, linia 2).
6. Directiva ifndef verifică dacă macro-ul _HEADER_FILE_H_ nu este definit (header_file.h, linia 1).
7. Deoarece el acum ESTE definit în cadrul include-ului anterior, tot textul dintre ifndef și endif se elimină (header_file.h, liniile 2-7).

Alternativă la include guards - #pragma once

Problema cu include guards este că pe lângă faptul ca este o construcție complicată care are nevoie de linii adăugate în fișierul header și la început și la sfârșit, numele macro-ului definit se poate repeta accidental în două sau mai multe fișiere, în această situație neincluzându-se decât primul din aceste fișiere.

O alternativă non-standard dar suportată de majoritatea compilatoarelor (inclusiv C++) este utilizarea directivei #pragma once:

1#pragma once
2
3// This is the start of the header file
4int variable;
5// This is the end of the header file

Exemplu

• Modificați fișierul test_preprocessor.c pentru a include header-ul header_file.h de două ori, conform exemplului de mai sus.
• Rulați comanda make și confirmați dubla declarare a variabilei variable.
• Adăugați gardă de incluziune fișierului header, conform exemplului de mai sus.
• Rulați comanda make și confirmați că variabila variable este declarată o singură dată.
• Înlocuiți garda de incluziune cu #pragma once
• Rulați comanda make și confirmați că variabila variable este declarată o singură dată.