6385

Информационные технологии

У программистов есть свой собственный покровитель - святой Исидор.

К сожалению, больше ничего святого у них нет...

4

5

Информационные технологии

- Назовите Ваш родной язык. - Как это - родной язык?

- Ну, который Вы с детства знаете...

- Basic.

- Да нет, настоящий.

- А! Настоящий! - Тогда Си!

1.Основы программирования на С++

Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык, который должен быть настолько «близок к машине», что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. С таким умыслом первоначально задумывался C.

Второй цели идеально отвечает язык, который настолько «близок к решаемой задаче», чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко. Именно для этого разрабатывались средства, добавленные к C для создания С++. [1, 2]

1.1.Процесс создания программного кода

Центральный процессор компьютера способен выполнять достаточно небольшой набор команд, представленных в виде последовательностей двоичных цифр, называемый машинным кодом. Но писать программу в машинных кодах для человека весьма не просто. В программировании применяется концепция, при которой программист пишет программу на языке высокого уровня, затем осуществляется перевод (трансляция) нашего (исходного) кода в машинный код. Специализированная программа – компилятор, производит трансляцию и генерирует исполняемый файл, содержащий весь необходимый машинный код, требующийся компьютеру для выполнения задания.

В самом общем, приблизительном смысле процесс компиляции состоит из нескольких стадий.

1 этап. Препроцессирование

На данном этапе работа идёт только с текстовыми файлами (*.c, *.cpp). Здесь препроцессор вставляет в наш исходный текстовый файл и все заголовочные файлы (*.h, *.hpp) подключаемых при помощи директивы (#include) библиотек.

Листинг 1

//макроопределения

#define CONST_A 10

//макроопределения с условием

#if CONST_A > 3 #define CONST_B 20 #else

#define CONST_B 0 #endif

//основная программа

void main ()

{int a= CONST_A;

int b= CONST_B; int c;

c= a+b; // результат

}

Кроме того, препроцессор заменяет все константы (#define) их значениями, осуществляет условную обработку макроопределение исходного файла (#ifdef, #endif и

6

Глава 1. Основы программирования на С++

др.) и уничтожает комментарии.

Например, текст, приведенный на листинге (Листинг 1) будет препроцессирован компилятором к следующему виду (см. Листинг 2):

Листинг 2

void main ()

{int a= 10; int b= 20;

int c= a+b;

}

Можно видеть, что препроцессор заменил макроопределения CONST_A и CONST_B их значениями и удалил комментарии. В программе остались только переменные a, b и c целого типа (int). Переменные (именованные ячейки памяти определенного типа) используются в языках высокого уровня исключительно для удобства программиста, ассемблерные программы и тем более, машинные коды, в переменных не нуждаются. Подробно об использовании переменных и их типах будет рассказано ниже (см. п.п. 1.4, 1.5).

2 этап. Трансляция

Полученный после препроцессирования единый текстовый файл программы передается транслятору. Транслятор – это часть отладочной среды, проверяющая текст на отсутствие синтаксических ошибок, преобразующая конструкции языка C в конструкции ассемблера, выполняющая оптимизацию программного кода и генерирующая при необходимости отладочную информацию.

На выходе транслятора получается файл на языке ассемблера (*.asm), содержащий откомпилированный текст – прообраз машинного кода.

В ассемблерном тексте содержатся символьные имена меток – переходов к внутренним и внешним подпрограммам. У каждой метки есть так называемая область видимости: локальная или глобальная. Локальные метки видны только внутри данного модуля, глобальные метки видны из других модулей. Например, метка _main (та входная точка, с которой начнется выполнение программы) является глобальной, т.к. она должна быть видна извне.

_main proc near push bp

mov bp, sp sub sp, 6

mov word ptr [bp-2], 10 mov word ptr [bp-4], 20 mov ax, word ptr [bp-2] add ax, word ptr [bp-4] mov word ptr [bp-6], ax mov sp, bp

pop bp ret

_main endp

Рис. 1. Приблизительный ассемблерный код программы (Листинг 2)

На Рис. 1 показан ассемблерный код рассматриваемой нами программы. Пояснения со стрелками указывают, как команды ассемблера заменяют команды языка

С++.

7

Информационные технологии

Как было сказано, ассемблер не нуждается в переменных. Для хранения данных будет использован стек оперативной памяти (ОЗУ), в этом стеке вместо переменных a, b и c будут использованы ячейки памяти размером 2 байта (word) не имеющие имен. Но как же к ним обращаться? – По смещению (сдвигу) относительно вершины стека. Переменной a будет соответствовать ячейка, сдвинутая относительно вершины стека bp на 2 байта, ее адрес word ptr [bp-2], переменной b – на 4 байта word ptr [bp-4], а переменной c – ячейка, сдвинутая на 6 байт: word ptr [bp-6].

Для хранения данных процессор использует стек, а для произведения операций, в нашем случае – сложения, используются регистры центрального процессора. Регистры – это ячейки памяти, расположенные непосредственно в самом процессоре, поэтому доступ к ним наиболее быстрый по сравнению со всеми остальными видами памяти ПК. Регистров не много, все они имеют собственные имена. В нашем примере используется один двухбайтовый регистр AX.

3 этап. Ассемблирование

Полученный ассемблерный текст далее передаётся программе-ассемблеру, которая преобразует его в объектный файл (*.obj). Объектный файл представляет собой бинарные коды процессора, дополненные информацией о метках и их использовании. Информация, содержащаяся в объектном файле, принципиально ничем не отличается от информации, содержащейся в ассемблерном тексте. Только весь код вместо мнемоник, понятных человеку, содержит двоичный код, понятный машине. А вместо меток ассемблерного текста, объектный файл содержит специальную таблицу символов (symbol table), описывающую все метки из нашего ассемблерного текста и таблицу перемещений (relocations table), описывающую точки, где метки использовались.

Важным моментом является то, что в объектном файле адреса глобальных (внешних) меток ещё не настроены, т.к. они будут известны только на этапе линковки. А все обращения к локальным меткам ассемблер меняет на смещения внутри объектного файла.

Рис. 2. Фрагмент программы (Листинг 2) в машинных кодах

На Рис. 2 приведен полученный ассемблированием фрагмент нашей программы в машинных кодах (для просмотра использован редактор бинарных файлов). Выделенная на рисунке область соответствует рассматриваемому фрагменту программы в файле *.obj (это результат процесса компиляции ассемблерного кода *.asm). На следующем ниже рисунке показано как команды ассемблера записываются в виде машинных кодов.

Можно видеть (Рис. 3), что машинные команды и данные сгруппированы в пары шестнадцатеричных чисел. Каждая такая пара – один байт, описывающий выполняемую процессором команду или данные – параметры команды.

8

Глава 1. Основы программирования на С++

_main endp

Рис. 3. Соответствие команд ассемблера машинным кодам

4 этап. Линковка (компоновка)

Полученный объектный файл (а их может быть несколько) отдаётся линковщику (link). Линковщик склеивает между собой все поданные ему (*.obj)-файлы и формирует один большой исполняемый файл. Помимо объектных файлов компилятор подаёт в линковщик ещё и библиотеки (заранее откомпилированные). Какие-то библиотеки компилятор подаёт невидимым для пользователя образом (т.е. пользователь непосредственно в этом процессе не участвует). Какие-то библиотеки пользователь сам просил компилятор передать линкеру (при помощи директив #include).

Упрощенно к библиотекам можно относиться следующим образом. Где-то ктото написал реализации некоторых нужных нам функций, далее все эти реализации были откомпилированы до объектного файла, названы словом "библиотека" и помещены в файл с расширением *.lib, или *.dll. Т.е. библиотека - это набор уже откомпилированных кодов. Далее эту библиотеку, совместно с заголовочными файлами к ним (*.h, *.hpp), включили в состав компилятора или в состав операционной системы.

Помимо склеивания файлов линковщик ещё и занимается настройкой адресов. В соответствии с таблицей перемещений линковщик однозначно определяет, по какому адресу будет располагаться каждая функция или переменная уже с учетом адресов внешних подпрограмм во внешних библиотеках. Для каждого импортируемого имени находится его определение в других модулях, упоминание имени меняется на его адрес.

Линковщик (также редактор связей, компоновщик) – программа, которая принимает на вход один или несколько объектных модулей и библиотек и собирает по ним исполнимый модуль. (*.exe, *.com).

1.2.Программирование на Visual С

Современные отладочные программные средства – компиляторы, производят все описанные выше этапы трансляции и генерируют исполняемый файл. Но, помимо этого, имеют возможности для удобного написания программного кода, его отладки и тестирования. К наиболее популярным средам разработки программ на языке С++

относятся Visual Studio (Microsoft) и C++Builder (Borland). Использование этих сред имеет свои особенности, с которыми можно будет познакомиться позже.

Рассмотрим процесс создания программы в программной среде Visual Studio. Первый шаг – создание проекта (Рис. 4). Среда Visual Studio представляет собой интегрированный комплекс разработки программных продуктов, объединяющий несколько языков программирования, при создании проекта в нашем случае, разумеется, следует выбрать в качестве среды разработки Visual C++.

После этого в диалоговом режиме пользователю будет предложено выбрать шаблон (Template) и ввести имя проекта (Name, Location). При выборе шаблона Visual Studio автоматически создает проект с указанным именем и помещает в главный рабочий файл первые строки программного кода основной программы int _tmain().

В созданном файле (*.cpp) и предстоит писать вашу первую программу.

9

Информационные технологии

Рис. 4. Создание проекта на Visual C: Выбор шаблона, задание имени проекта

1.3.Структура программы на языке С++

Программа на языке С++ имеет следующую структуру [1, 2]:

Листинг 3

#include "stdafx.h" // подключение библиотек

#include <stdio.h>

int _tmain(int argc, char* argv[]) // заголовок основной программы

{

// тело основной программы

}

Функция main (или _tmain) – главная функция, с нее начинается выполнение программы. Если имеются другие подпрограммы-функции, то они вызываются из главной функции. Именно функция main( ) определяет входную точку – метку main. Фигурные скобки { } служат для обозначения блока последовательно выполняемых команд, в данном примере – тела функции.

Директива #include используется для подключения библиотек. После служебного слова в треугольных скобках < > или в двойных кавычках " " указывается имя заголовочного файла библиотеки.

Листинг 4 содержит пример простейшей программы на С++. Рассмотрим его. В первой строке – подключение библиотеки <stdio.h> форматного ввода-вывода. Во второй строке – главная функция int main( ) – в круглых скобках нет никаких параметров – входных переменных, но служебное слово int обозначает, что сама функция должна иметь возвращаемое значение целого типа.

Втеле главной функции – между фигурными скобочками { } – в третьей строке задается переменная str – строка из 30 символов и заполняется следующим текстом: "Всем привет! Это программа...". Каждая команда в С++ заканчивается символом точка с запятой – ";". Четвертая строка начинается с символов "//" – комментарий, это означает, что всё написанное правее символа "//" не воспринимается и не обрабатывается компилятором, комментарии нужны для удобства программиста.

Впятой строке программы стоит вызов подпрограммы printf( ), осуществляющей форматный вывод строки str на экран. В круглых скобках функции printf("%s\n", str) указан формат вывода строки "%s\n" и, через запятую, имя

10