C_Kurs_Lekt / C_II_семестр / 11-4_ФУНКЦИИ_4

return rez; } #include <stdio.h> void main( )

{

double * array; int j; int n=5; printf("\n");

array=set_array (n, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0); if (array == NULL) return;

for lj=0; j<n; j++)

printf ("\t%f", array [j.]); free(array); }

Результат выполнения программы:

1.000000 2.000000 3.000000 4.000000 5.000000

В теле функции обратите внимание на применение функции calloc(), позволяющей выделить память для массива. Первый параметр функции calloc() - количество элементов массива, второй -

размер в байтах одного элемента. При неудачном выделении памяти функция calloc() возвращает нулевое значение адреса, что проверяет следующий ниже условный оператор.

Âфункциях с переменным количеством параметров есть один уязвимый пункт - если при "чтении" параметров с помощью макроса va_arg() указатель выйдет за пределы явно использованного списка фактических параметров, то результат, возвращаемый макросом va_arg(), не определен. Таким образом, в нашей функции set_array() количе- ство явно заданных параметров переменного списка ни в коем случае не должно быть меньше значения первого фактического параметра (заменяющего int k).

Âосновной программе main() определен указатель double * array, которому присваивается результат (адрес динамического массива), возвращаемый функцией set_array(). Затем с помощью указателя array в цикле выполняется доступ к элементам массива, и их значения выводятся на экран дисплея.

Âследующей программе в качестве еще одной иллюстрации механизма обработки переменного списка параметров используется функция для конкатенации любого коли- чества символьных строк. Строки, предназначенные для соединения в одну строку, передаются в функцию с помощью списка указателей-параметров. В конце списка неоп-

ределенной длины всегда помещается нулевой указатель NULL.

#include <stdlib.h> /* Для функции malloc( ) */ char *conoat(char *sl, ...)

{

va_list par;/* Указатель на параметры списка */ char *cp = sl;

char * s tring;

int len = strlen(sl);/* Длина 1-го параметра */ va_start(par, sl); /* Начало переменного

списка */ /* Цикл вычисления общей длины параметров-

строк: */ while (cp « va_arg(par, char *)) len += strlen(cp);

/* Выделение памяти для результата: */ string = (char *)malloc(len + 1); strcpy(string, sl); /* Копируем 1-й параметр */ va_start(par, sl); /* Начало переменного

списка */

/* Цикл конкатенации параметров строк: */ while (cp = va_arg(par, char *)) strcat(string, cp); /* Конкатенация двух

","Sine ", "Linea'",

NULL); s = concat(s,

При каждом обращении к рекурсивной функции создается новый набор объектов автоматической памяти, локализованных в теле функции.

Рекурсивные алгоритмы эффективны, например, в тех задачах, где рекурсия использована в определении обрабатываемых данных. Поэтому серьезное изучение рекурсивных методов нужно проводить, вводя динамические структуры данных с рекурсивной структурой. Рассмотрим вначале только принципиальные возможности, которые предоставляет язык Си для организации рекурсивных алгоритмов.

Еще раз отметим, что различают прямую и косвенную рекурсии. Функция называется косвенно рекурсивной в том случае, если она содержит обращение к другой функции, содержащей прямой или косвенный вызов определяемой (первой) функции. В этом случае по тексту определения функции ее рекурсивность (косвенная) может быть не видна. Если в теле функции явно используется вызов этой же функции, то имеет место прямая рекурсия, т.е. функция, по определению, рекурсивная (иначе -самовызываемая или самовызывающая: self-calling). Классический пример - функция для вычисления факториала неотрицательного целого числа.

long fact(int k)

{ if (k < 0} return 0; if (k == 0) return 1;

return k * fact(k-l); }

Для отрицательного аргумента результат (по определению факториала) не существует. В этом случае функция возвратит нулевое значение. Для нулевого параметра функция возвращает значение 1, так как, по определению, 0! равен 1. В противном случае вызывается та же функция с уменьшенным на 1 значением параметра и результат умножается на текущее значение параметра. Тем самым для положительного значения параметра k организуется вычисление произведения

k * (k-1) * (k-2) *...*3*2*1*1

Обратите внимание, что последовательность рекурсивных обращений к функции fact() прерывается при вызове fact(O). Именно этот вызов приводит к последнему значению 1 в произведении, так как последнее выражение, из которого вызывается функция, имеет вид: l*fact(l-l)

В языке Си отсутствует операция возведения в степень, и следующая рекурсивная функция вычисления целой степени вещественного ненулевого числа может оказаться полезной (следует отметить, что в стандартной библиотеке есть функция pow() для возведения в степень данных типа double. См. Приложение 3):

double expo(double a, int n) { if (n == 0) return 1; if (a == 0.0) return 0;

if (n > 0) return a * expo(a, n-l); if (n < 0) return expo(a, n+l) / a; }

При обращении вида ехро(2.0, 3) рекурсивно выполняются вызовы функции ехро() с изменяющимся вторым аргументом: ехро(2.0,3), ехро(2.0,2), ехро(2.0,1), ехро(2.0,0). При этих вызовах последовательно вычисляется произведение

2.0 * 2.0 * 2.0 * 1

и формируется нужный результат.

Вызов функции для отрицательного значения степени, например,

expo(5.Î,-2)

эквивалентен вычислению выражения expo(5.0,0) /5.0/5.0

Отметим математическую неточность. В функции ехро( ) для любого показателя при нулевом основании результат равен нулю, хотя возведение в нулевую степень нулевого основания должно приводить к ошибочной ситуации.

В качестве еще одного примера рекурсии рассмотрим функцию определения с заданной точностью eps корня уравнения J(x) - О на отрезке [à, Ü]. Предположим для простоты, что исходные данные задаются без ошибок, т.е. eps > Q,J(a) * fib) < Î, b > à, и вопрос о возможности существования нескольких корней на отрезке [à, Ü] нас не интересует. Не очень эффективная рекурсивная функция для решения поставленной задачи содержится в следующей программе:

#include <stdio.h>

#include <math.h> /*Для математических функций*/ #include <stdlib.h> /* Для функции exit{) */

/* Рекурсивная функция для определения корня математической функции методом деления попо-

лам: */ double recRoot(double f(double), double а, double Ь, double eps) {

double fa = f(a), fb = f(b), с, fc; if (fa * fb > 0) { printf("\nHeaepeH интервал локали-

зации "

"корня!"); exit(l);

}

с = (а + b)/2.0; fc = f(c) ; if (fc == 0.0 || b - а < eps) return с;

return {fa * fc < 0.0) ? recRoot(f, а, c,eps):

recRoot(f, с, b,eps); } int counter=0; /*Счетчик обращений к

тестовой

функции */ void main() {

double root,

A=0.1, /* Левая граница интервала */

В = 3.5, /* Правая граница интервала */ EPS = 5e-5; /* Точность локализации корня */ double giper(double); /* Прототип тестовой

функции */

root = recRoot(giper, А, В, EPS); printf("\n4Mono обращений к тестовой функ-

ции "

"= %d",counter); printf{"\nKopeHb = %f",root); }

/* Определение тестовой функции: */ double giper(double x) { counter++; /*Счетчик обращений-- глобальная

переменная */

return (2.0/x * cos(x/2.0)); }

Результат выполнения программы:

Число обращений к тестовой функции = 54 Корень = 3.141601

Âрассматриваемой программе пришлось использовать библиотечную функцию exit(), прототип которой размещен в заголовочном файле stdlib.h Функция exit() позволяет завершить выполнение программы и возвращает операционной системе значение своего параметра.

Неэффективность предложенной программы связана, например, с излишним количеством обращений к программной реализации функции, для которой определяется корень. При каждом рекурсивном вызове recRoot() повторно вычисляются значения f(a), f(b), хотя они уже известны после предыдущего вызова. Предложите свой вариант исключения лишних обращений к f() при сохранении рекурсивности.

Âлитературе по программированию рекурсиям уделено достаточно внимания как в теоретическом плане, так и в плане рассмотрения механизмов реализации рекурсивных алгоритмов. Сравнивая рекурсию с итерационными методами, отмечают, что рекурсивные алгоритмы наиболее пригодны в случаях, когда поставленная задача или используемые данные определены рекурсивно (см., например, Вирт Н. Алгоритмы + структуры данных = программы - М: Мир, 1985. - 406 с.). В тех случаях, когда вычисляемые значения определяются с помощью простых рекуррентных соотношений, гораздо эффективнее применять итеративные методы. Таким образом, определение корня математической функции, возведение в степень и вычисление факториала только иллюстрируют схемы организации рекурсивных функций, но не являются примерами эффективного применения рекурсивного подхода к вычислениям.

Âследующей главе, посвященной структурам и объединениям, мы рассмотрим (§6.4) динамические информационные структуры, которые включают рекурсивность в само определение обрабатываемых данных. Именно для таких данных применение рекурсивных алгоритмов не имеет конкуренции со стороны итерационных методов.

5.7. Классы памяти и организация программ

Локализация объектов. До сих пор в примерах программ мы использовали в основном только два класса памяти - автоматическую и динамическую память. (В последнем примере из §5.6 использована глобальная переменная int counter, которая является внешней по отношению к функциям программ main(), giper().) Для обозначения автоматической памяти могут применяться спецификаторы классов памяти auto èëè register. Однако и без этих ключевых слов-спецификаторов класса памяти любой объект (например, массив или перемен-'. ная), определенный внутри блока (например, внутри тела функции), воспринимается как объект автоматической памяти. Объекты автоматической памяти существуют только внутри того блока, где они определены. При выходе из блока память, выделенная объектам типа auto.èëè register, освобождается, т.е. объекты исчезают. При повторном входе в блок для тех же объектов выделяются новые участки памяти, содержимое которых никак не зависит от "предыстории". Говорят, что объекты автомагической памяти ло-

Некоторая небрежность предыдущей программы - выделенный функцией malloc() уча- сток памяти явно не освобождается функцией free().

В следующей программе указатель на динамический участок памяти - глобальный объект:

#include <stdio.h>

#include <alloc.h> /* Для функций malloc( ), free( ) */

Динамический объект создается â основной функции и связывается с указателем uk. Там же он явным присваиванием получает начальное значение 'А'. За счет глобальности указателя динамический объект доступен в обоих функциях main() и dynam 1 ( ). При выполнении цикла в функции main( ) и внутри функции dynam 1 () изменяется значение динамического объекта.

Приводить пример для случая, когда указатель, адресующий динамически выделенный участок памяти, является объектом автоматической памяти, нет необходимости. Заканчи- вая обсуждение этой темы, отметим, что динамическая память после выделения доступна везде (в любой функции и в любом файле), где указатель, связанный с этой памятью, определен или описан как внешний объект. Следует только четко определить понятие внешнего объекта, к чему мы сейчас и перейдем.

Внешние объекты. Здесь в конце главы, посвященной функциям, самое подходящее время, чтобы взглянуть в целом на программу, состоящую из набора функций, размещенных в нескольких текстовых файлах. Именно такой вид обычно имеет более или менее серьезная программа на языке Си. Отдельный файл с текстами программы иногда называют программным модулем, но нет строгих терминологических соглашений относительно модулей или файлов с текстами программы. На рис. 5.3 приведена схема программы, текст которой находится в двух файлах. Программа, как мы уже неоднократно говорили, представляет собой совокупность функций. Все функции внешние, так как внутри функции по правилам языка Си нельзя определить другую функцию. У всех функций, даже размещенных в разных файлах, должны быть различные имена. Одинаковые имена функций должны относиться к одной и той же функции.

Кроме функций, в программе могут использоваться внеш-ние_объекты - переменные, указатели, массивы и т.д. Внешние объекты должны быть определены вне текста функций.

Внешние объекты могут быть доступны из многих функций программы, однако эта доступность не всегда реализуется автоматически - в ряде случаев нужно дополнительное вмешательство программиста. Если объект определен в начале файла с программой, то он является глобальным для всех функций, размещенных в файле, и доступен в них без всяких дополнительных предписаний. (Ограничение - если внутри функции имя глобального объекта использовано в качестве имени внутреннего объекта, то внешний объект становится недостижимым, т.е. "невидимым" в теле именно этой функции.) На рис. 5.3:

•объект X: доступен в fl 1(), П2() как глобальный; доступен как внешний в файле 2 только в тех функциях, где будет помещено описание extern X;

•объект Y: доступен как глобальный в f21( ) и f22(); доступен как внешний в тех функциях файла 1, где будет помещено описание extern Y;

•объект Z: доступен как глобальный в f22( ) и во всех функциях файла 1 и файла 2, где помещено описание extern Z.

Рис. 5.3. Схема программы, размешенной в двух файлах

Если необходимо, чтобы внешний объект был доступен для функций из другого файла или функций, размещенных выше определения объекта, то он должен быть перед обращением дополнительно описан с использованием дополнительного ключевого слова extern. (Наличие этого слова по умолчанию предполагается и для всех функций, т.е. не требуется в их прототипах.) Такое описание, со спецификатором слова extern, может помещаться в начале файла, и тогда объект доступен во всех функциях файла. Однако это описание может быть размещено в теле одной функции, тогда объект доступен именно'в ней.

Описание внешнего объекта не есть его определение. Помните: в определении объекту всегда выделяется память, и он может быть инициализирован. Примеры определений:

double summa [5];

char D_Phil [ ]="Doctor of Philosophy"; long M=1000;

В описаниях инициализация невозможна, нельзя указать и количество элементов массивов:

externdouble summa [ ]; extern char D_Phil [ ]; extern long M;

Содержательные примеры, иллюстрирующие особенности применения внешних объектов в "многофайловых" программах, приведены в главе 8.

5.8.Параметры функции main( )

Âсоответствии с синтаксисом языка Си основная функция каждой программы может иметь такой заголовок:

int main (int argc, char *argv [ ], char *envp[ ])

Параметр argv - массив указателей на строки; argc - параметр типа int, значение которого определяет размер массива argv, т.е. количество его элементов, envp - параметрмассив указателей на. символьные строки, каждая из которых содержит описание одной из переменных среды (окружения). Под средой понимается та программа (обычно это опера-

ционная система), которая "запустила" на выполнение функцию main().

Назначение параметров функции main() - обеспечить связь выполняемой программы с операционной системой, точнее, с командной строкой, из которой запускается программа и в которую можно вносить данные и тем самым передавать исполняемой программе любую информацию.

Если внутри функции main() нет необходимости обращаться к информации из командной строки, то параметры обычно опускаются.

Если программист "запускает" программу на языке Си из интегрированной среды разработки (например, Turbo С), то он редко использует командную строку и должен предпринимать специальные меры, чтобы увидеть эту строку или внести в нее нужную информацию. (В Turbo С нужно в главном меню выбрать пункт RUN, а затем в ниспадающем меню выбрать пункт ARGUMENTS...).

При запуске программы из операционной системы командная строка явно доступна, и именно в ней записывается имя выполняемой программы. Вслед за именем можно разместить нужное количество "слов", разделяя их друг от друга пробелами. Каждое "слово" из командной строки становится строкой-значением, на которую указывает очередной элемент параметра argv[i], где 0<i<argc. Здесь нужно сделать одно уточнение.

Как и в каждом массиве, в массиве argvf ] индексация элементов начинается с нуля, т.е. всегда имеется элемент argvfO]. Этот элемент является указателем на полное название запускаемой программы. Например, если из командной строки выполняется обращение к программе EXAMPLE из каталога CATALOG, размещенного на диске С, то вызов в MSDOS выглядит так:

С:\CATALOG\EXAMPLE.ЕХЕ

Значение argc в этом случае будет равно 1, а строка, которую адресует указатель argv[0], будет такой:

"C:\CATALOG\EXAMPLE.EXE"

В качестве иллюстрации сказанного приведем программу, которая выводит на экран дисплея всю информацию из командной строки, размещая каждое "слово" на новой строке экрана.

В главной программе main( ) разрешено использовать и третий параметр char * envp[ ]. Его назначение - передать в программу всю информацию об окружении, в котором выполняется программа. Следующий пример иллюстрирует возможности этого третьего параметра основной функции main( ).

#include <stdio.h>

void main (int argc, char *argv[], char *envp[])

{

int n; printf("\nnporpaMMa '%a' "

"ХпЧисло параметров при запуске: %d", argv[0], argc-l); for (n=l; n<argc; n++) printf("\n%d-u параметр: %s", n, argv[n]); printf("\n\nCnMCOK переменных окружения:"); for

(n=0; envp[n]; n++) printf("\n%s", envp[n]); }

Пусть программа "запущена" на выполнение в MS-DOS под Windows 95 из такой командной строки: C:\WWP\TESTPROG\MAINENVP.EXE qqq www

Результаты выполнения программы:

Программа 'С: \WWP\ТЕSTPROG\MAINENVP.EXE' Число параметров при запуске: 2 1-й параметр: qqq 2-é параметр: www

Список переменных окружения:

TMP=C: \WINDOWS\TEMP PROMPT=$p$g winbootdir=C: \WINDOWS

COMSPEC=C: \WINDOWS\COMMAND. COM TEMP=c:\windows\temp CLASSPATH=.;c:\cafe\java\lib\classes.zip HOMEDRIVE=a:

HOMEPATH=\cafe\java JAVA_HOME=c:\cafe\j ava windir=C:\WINDOWS NWLANGUAGE-English

PATH=C:\CAFE\BIN;C:\CAFE\JAVA\BIN;C:\BC5\BIN; C: \WINDOWS; C: \WINDOWS \ COMMAND;C:\NC;

C:\ARC;C:\DOS;C:\VIM;C:\TC\BIN CMDLINE=tc

Через массив указателей envpf] программе доступен набор символьных строк, образующих окружение программы. Чаще всего каждая строка содержит такую информацию:

шля_перемешой = значение_переменной

Например, в приведенных результатах имя переменной ТМР связано с именем каталога для временных данных. Изменив значение переменной ТМР, можно "заставить" программу использовать для хранения временных данных другой каталог. Для работы

со строками окружения в программах на языке Си используют функции getenvQ è putenvQ-

Не рассматривая смысл остальных переменных окружения, выведенных программой mainenvp.exe, отметим, что переменные окружения широко используются при исполнении программ в операционной системе Unix.