Wstęp do programowania w C w systemach wbudowanych

Szkielet programu

Program typu “Witaj świecie” można napisać w języku C w następujący sposób:

/* Wklejenie zawartości pliku nagłówkowego stdio.h,
   który zawiera deklarację funkcji printf(). */
#include <stdio.h>

/* Definicja funkcji main() - funkcji wywoływanej jako pierwszej po uruchomieniu programu */
int main(void)
{
    /* Wywołanie funkcji printf() z ciągiem znaków "Hello world\n"
       podanym jako pierwszy argument */
    printf("Hello world\n");

    /* Zwrócenie statusu wykonania programu do systemu operacyjnego. */
    return 0;
}

Kompilacja programu

Kod źródłowy umieszczony w pliku plik.c można skompilować za pomocą kompilatora GCC. W tym celu należy wpisać w terminalu:

$ gcc plik.c -o nazwa

W ten sposób kod źródłowy zostanie przekształcony w plik wykonywalny o nazwie nazwa. Można go uruchomić w następujący sposób:

$ ./nazwa
Hello world

Zwracanie kodu błędu

Zwrócenie 0 lub EXIT_SUCCESS oznacza, że program zakończył się sukcesem. Zwrócenie EXIT_FAILURE oznacza, że program zakończył się błędem.

#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    return EXIT_FAILURE;
}

#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    return EXIT_SUCCESS; // lub return 0;
}

Zadanie 1

Napisz program, który po uruchomieniu wyświetli twoje imię i nazwisko. Skompiluj go za pomocą gcc i uruchom z terminala.

$ ./twojprogram
Jan Kowalski

Zmienne i typy danych

Zmienne - deklaracja i inicjalizacja

Zmienne reprezentują komórki pamięci w których przechowywane są dane.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int apples = 10; /* Zmienna zainicjalizowana wartością 10 */

    unsigned int oranges; /* Zmienna niezainicjalizowana, wartość nieokreślona */

    oranges = 10; /* Wpisanie do komórki pamięci wartości 10 */

    return 0;
}

Zmienne - wykonywanie obliczeń

Zmienne wykorzystujemy do tego aby zapisywać wyniki obliczeń.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int birth_year = 1993;
    int current_year = 2023;
    int age = current_year - birth_year;
    printf("wiek to: %d\n", age);

    float time = 10.0f;
    float distance = 5.0f;
    float speed = distance / time;
    printf("szybkosc to %f\n", speed);

    return 0;
}

Wypisywanie wartości zmiennych

Do wypisywania zmiennych służy funkcja printf(). Jako pierwszy argument przyjmuje ona “format string”, który określa typy zmiennych i miejsca, w których zostaną one wypisane.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int temperature = -10;
    unsigned int money = 10000;
    float interest_rate = 0.02f;

    printf("temperatura %d bilans %u oprocentowanie %f\n",
           temperature, interest_rate, money);

    return 0;
}

Zadanie 2

Napisz program, który dla prostokąta o bokach 57 i 13:

wyświetli jego pole
wyświetli jego obwód
wyświetli długość jego przekątnej

Lokalizacja zmiennych w pamięci

Zmienne mogą być zlokalizowane w różnych obszarach pamięci:

int global_x = 34; // zmienna zainicjalizowana w sekcji .data

int global_y; // zmienna w sekcji .bss (block started by symbol) - zainicjalizowana 0

int main(void)
{
    int x; // zmienna na stosie (stack) - początkowa wartość niezdefiniowana
    int xx = 0; // zmienna na stosie (stack) - początkowa wartość zdefiniowana
    static int y; // zmienna w sekcji .bss
    static int z = 32; // zmienna w sekcji .data
    char *x; // zmienna wskaźnikowa na stosie
    x = malloc(1); // wskaźnik pokazujący do pamięci na stercie (heap)

    return 0
}

Pamięć procesu

Typy danych - liczby całkowite

Typ zmiennej określa zbiór wartości jaki może ona przyjmować oraz określa jej rozmiar w pamięci.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    char a = 'X';              // dokładnie 1 bajt [-127; 127] lub [0; 255]
    signed char a = 'X';       // dokładnie 1 bajt [-127; 127]
    short b = -30000;          // minimum 2 bajty  [-32767; 32767]
    int c = 30000;             // minimum 2 bajty  [-32767; 32767]
    long d = -3000000;         // minimum 4 bajty  [-2147483647; 2147483647]
    long long e = 32147483648; // minimum 8 bajtów [-9223372036854775807; 9223372036854775807]

    printf("%c %d %d %l %ll", a, b, c, d, e);

    return 0;
}

Typy danych - liczby całkowite bez znaku

Dodanie słowa unsigned to nazwy typu liczby całkowitej powoduje, że będzie ona przechowywać tylko dodatnie wartości.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    unsigned char a = 234;             // dokładnie 1 bajt [0; 255]
    unsigned short b = 60000;          // minimum 2 bajty  [0; 65535]
    unsigned int c = 60000;            // minimum 2 bajty  [0; 65535]
    unsigned long d = 70000;           // minimum 4 bajty  [0; 4294967295]
    unsigned long long e = 4294967295; // minimum 8 bajtów [0; 18446744073709551615]

    printf("%u %u %u %lu %llu\n", a, b, c, d, e);

    return 0;
}

Typy danych - liczby zmiennoprzecinkowe

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    float a = 0.121371f;
    double b = 0.2132;

    printf("%f %d\n", a, b);

    return 0;
}

Typy danych - inne

Do przechowywania wartości logicznych można wykorzystać bool, natomiast do przechowywania rozmiarów size_t.

#include <stdbool.h> // potrzebny dla bool
#include <stddef.h>  // potrzebny dla size_t

int main(void)
{
    bool a = true; // dokładnie 1 bajt {false, true}
    size_t b = 0;  // tyle bajtów, ile potrzeba do zapisania rozmiaru dowolnego obiektu

    printf("%d %zu\n", a, b);

    return 0;
}

Zadanie 3

Napisz program który wypisze rozmiary następujących typów danych:

char, unsigned char
short, unsigned short
int, unsigned int
long, unsigned long
long long, unsigned long long
bool, size_t

Sprawdzić rozmiar zmiennej można za pomocą operatora sizeof(). Operator sizeof() zwraca wartość typu size_t, do której wypisania należy użyć specyfikatora %zu.

printf("%zu\n", sizeof(char));

Kompilacja programu w wszystkimi ostrzeżeniami

$ gcc -Wall -Wextra -Wconversion -Wfloat-conversion -Wsign-compare -Wpedantic \
      -Wsign-conversion -Werror plik.c -o nazwa

float amount = -10;
int number = amount;          /* -Wfloat-conversion */
unsigned int x = 1;           /* -Wunused-variable, (-Wall) */
printf("-10 = %f\n", number); /* -Wformat, (-Wall) */

unsigned int one = 1;
if (number > one)             /* -Wsign-compare */
    printf("-10 > 1\n");

one = number;                 /* -Wsign-conversion */
unsigned short s = one;       /* -Wconversion */
(void)s;
int uninitialized;
printf("%d", uninitialized);  /* -Wuninitialized (-Wextra) */

void *p = &one;
printf("%p", p + 2);          /* -Wpedantic */

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Warning-Options.html

Instrukcje warunkowe

Instrukcja `if`

Jedną z podstawowych instrukcji służących do sterowania programem jest if.

if (wyrazenie) {
    printf("prawda\n");   // wykona się gdy wyrażenie to prawda, czyli wartość różna od zera 
} else {
    printf("fałsz\n");    // wykona się gdy wyrażenie to fałsz, czyli wartość równa zero
}

int b = 0;
if (b) {
    printf("foo\n");      // nie wykona się, ponieważ b jest fałszem
}                         // "else" jest opcjonalne

if (b >= 0)               // gdy jest tylko jedna instrukcja, można pominąć {}
    printf("baz\n");      
else if (b == -1)         // możemy zagnieżdzać "if", w celu obsługi kilku przypadków
    printf("bad\n");
else if (b == -2)
    printf("bak\n");          
else
    printf("bax\n");

Instrukcja `if` - przykład - rzut monetą

Przykład programu symulującego rzut monetą:

#include <stdio.h>   // printf()
#include <stdlib.h>  // rand()
#include <time.h>    // time()

int main(void)
{
    srand(time(NULL));     // ustawiamy ziarno dla generatora liczb losowych
    int number = rand();   // rand() zwraca wartość od 0 do RAND_MAX (przynajmniej 32767)
    if (number % 2)        // jeżeli reszta z dzielenia przez 2 jest rózna od 0
        printf("heads\n");
    else
        printf("tails\n");
    return 0;
}

$ ./coin_toss
heads
$ ./coin_toss
tails

Instrukcja `switch`

Instrukcja switch pozwala na selekcję gałęzi kodu w zależności od wartości wyrażenia.

int option = 1;
switch (option) {
case 0:
    printf("option 0\n");
    break;
case 1:
    printf("option 1\n");
    break;
case 2:
    printf("option 2\n");
    break;
default:
    printf("default\n");
    break;
}

$ ./program
option 1

Instrukcja `switch` - słowo kluczowe `break`

Switch powoduje przeskok do etykiety case dla odpowiedniej wartości. Jeżeli nie użyjemy break, wykonywanie będzie miało miejsce dalej.

int option = 1;
switch (option) {
case 0:
    printf("option 0\n");
case 1:
    printf("option 1\n");
case 2:
    printf("option 2\n");
default:
    printf("default\n");
}

$ ./program
option 1
option 2
default

Instrukcja `switch` vs `if`

Porównanie instrukcji switch z if:

int animal = 1;
switch (animal) {
case 0:
    printf("dog\n");
    break;
case 1:
    printf("cat\n");
    break;
case 2:
    printf("rabbit\n");
    break;
}

int animal = 1;
if (animal == 0)
    printf("dog\n");
else if (animal == 1)
    printf("cat\n");
else if (animal == 2)
    printf("rabbit\n");

Zadanie 4

Napisz program symulujący grę w papier, kamień, nożyce.

$ ./rps
player 1: rock
player 2: paper
result: player 2 wins the game

$ ./rps
player 1: scissors
player 2: scissors
result: draw

$ ./rps
player 1: rock
player 2: scissors
result: player 1 wins the game

Funkcja rand() - informacja

Funkcja rand() ma kilka problemów:

Nie jest bezpieczne wywoływanie jej z kilku wątków - zależy od globalnego stanu.
Rozkład prawdopodobieństwa zwracanych liczb nie jest w żaden sposób zdefiniowany w standardzie języka C.
Ograniczanie zakresu zwracanych liczb za pomocą operatora % wprowadza “Modulo Bias” https://research.kudelskisecurity.com/2020/07/28/the-definitive-guide-to-modulo-bias-and-how-to-avoid-it/
Można przewidzieć jakie wartości będą zwracane znając ziarno lub dokonująć analizy za pomocą metod statystycznych.

Dlatego, nie należy jej używać w zastosowaniach, gdzie potrzebne są nieprzewidywalne liczby losowe (np. kryptografia).

Zamiast funkcji rand(), lepiej wykorzystać do takich zastosowań generator liczb /dev/urandom lub sprzętowy generator liczb losowych jeżeli platforma, na którą tworzone jest oprogramowanie go dostarcza.

Wczytywanie wejścia

Funkcja scanf()

Funkcja scanf() pozwala na odczytywanie danych ze standardowego wejścia

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int age;

    printf("Ile masz lat?: ");
    scanf("%d", &age);
    printf("Masz %d lat!\n", age);

    return 0;
}

$ ./program
Ile masz lat?: 29
Masz 29 lat!

Funkcja scanf() - format

Funkcja scanf() odczytuje standardowe wejście zgodnie z “formatem” podanym jako pierwszy argument. Przykładowe wejście:

xyz   abc 1 2

scanf("xyz   abc %d %d", &x, &y); // x = 1, y = 2

scanf("xyz abc %d %d", &x, &y);   // x = 1, y = 2 (biały znak oznacza "jeden lub więcej")

scanf("xyz abc%d%d", &x, &y);     // x = 1, y = 2 (% ignoruje biała znaki wystepujące przed)

scanf("xyzabc %d %d", &x, &y);    // x = ?, y = ? (nie dopasowaliśmy spacji po xyz)

Funkcja scanf() - wartość zwracana

Funkcja scanf() zwraca liczbę poprawnie przypisanych zmiennych.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int age;

    printf("Ile masz lat?: ");
    if (scanf("%d", &age) != 1)
        return -1;
    printf("Masz %d lat!\n", age);

    return 0;
}

Zadanie 5

Napisz program który wczytuje 3 zmienne: liczbę, znak działania (-, +, /, *) i drugą liczbę i zwraca wynik.

$ ./program
1
+
2
3

Pętle

Pętla `while`

Pętle pozwalają na kilkukrotne wykonanie tego samego kawałka kodu, dopóki warunek pętli jest spełniony.

int i = 0;
while (i < 10) {        // wykonuj instrukcje dopóki i < 10
    printf("%d", i);
    i++;
}
printf("\n");

$ ./program
0123456789

Pętla `for`

Pętla for pozwala na iterację ograniczoną.

int i;

// i = 0  jest wykonywane najpierw
// i < 9  jest wykonywane przed każdą iteracją pętli
// i += 1 jest wykonywane po każdej iteracji pętli
for (i = 0; i < 10; i += 1) {
    printf("%d", i);
}

Przykład: Wypisanie liczb od 10 do 1

for (int j = 10; j > 0; --j)
    printf("%d", j);

Pętla `for` vs `while`

Następująca pętla for:

for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    printf("%d\n", i);
}

Jest równoważna następującej pętli while:

{
    int i = 0;
    while (i < 10) {
        printf("%d\n", i);
        i++;
    }
}

Kompilują się do identycznego kodu (https://godbolt.org/z/reKn78MTj)

Instrukcja `break`

Instrukcja break przerywa wykonywania pętli.

// Wczytuj kolejne liczby tak długo jak odczytana wartość jest liczbą
while (1) {
    int number;
    int ret = scanf("%d", &number);
    if (ret != 1)
        break;
}

Instrukcja `continue`

Instrukcja continue powoduje przeskok do następnej iteracji pętli

// Wypisz tylko parzyste liczby
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    if (i % 2)
        continue;
    printf("%d\n", i);
}

Zadanie 6

Napisz program który odczytuje dwie liczby - wysokość i szerokość. Program powinien narysować kontur prostokąta o zadanej wysokości i szerokości.

$ ./rect
3
5
*****
*   *
*****

Tablice

Tablice pozwalają na tworzenie zmiennych odpowiadającym wielu komórkom pamięci.

float velocity[2];

velocity[0] = 5.0f;
velocity[1] = 1.0f;

int days[12] = { 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31 };

for (int i = 0; i < 12; ++i)
    printf("%d\n", days[i]);

float grades[] = { 3.0f, 4.0f, 5.0f };
float sum = 0.0f

for (int i = 0; i < 3; ++i)
    sum += grades[i];

printf("result: %f\n", sum / 3.0f);

Tablice - inicjalizacja

Tablice można zainicjalicować w następujący sposób

// Wszystkie wartości zainicjalizowane 0
int g[10];
int main(void)
{
    // Wszystkie wartości niezainicjalizowane
    int a[10];
    // Wszystkie wartości zainicjalizowane 0
    int b[10] = {0};
    // Pierwsza wartosć zainicjalizowana 1, reszta 0
    int c[10] = {1};
    // Pierwszych 5 wartosci zainicjalizowane liczbami, reszta 0
    int d[10] = {1, 2, 3, 4, 5};
    // Szósta wartość zanicjalizowana 1, ósma 2, reszta 0 (C99)
    int e[10] = { [5] = 1, [7] = 2, };
    // Wszystkie wartości zainicjalizowane 0 (C23)
    int f[10] = {};
}

Tablice - rozmiar

Tablica posiada statyczny rozmiar. Nie jest możliwa jego zmiana w trakcie działania programu.

int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5}
for (int i = 0; i < 5; ++i)
    printf("%d\n", a[i]);

Jednak kod może zostać zmieniony, dlatego zapisywanie rozmiaru na sztywno nie jest dobrą praktyką.

int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5}
for (size_t i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); ++i)
    printf("%d\n", a[i]);

Często definiuje się makro o nazwie ARRAY_SIZE, które zwraca rozmiar tablicy.

#define ARRAY_SIZE(x) (sizeof(x) / sizeof((x)[0]))

for (size_t i = 0; i < ARRAY_SIZE(a); ++i)
    printf("%d\n", a[i]);

Tablice - kopiowanie

Kopiowanie tablicy wymaga skopiowania jej każdego elementu.

int a[] = {1, 2, 3, 4};
int b[4];

for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); ++i)
    a[i] = b[i];

Można do tego wykorzystać funkcję memcpy() pochodzącą z nagłówka string.h

memcpy(a, b, sizeof(a));

Tablice dwuwymiarowe

Tablice mogą mieć wiele wymiarów.

// Tablica o 3 wierszach i 6 kolumnach
int array[3][6] = {
    { 0, 1, 2, 1, 4, 1 },
    { 0, 1, 2, 2, 4, 2 },
    { 0, 1, 2, 3, 4, 3 },
};

printf("%d", array[1][4]);

Wewnętrzny wymiar można pominąć

int array[][6] = {
    { 0, 1, 2, 1, 4, 1 },
    { 0, 1, 2, 2, 4, 2 },
};

Nazwa tablicy

Nazwa tablicy zwraca adres jej pierwszego elementu

int digits[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
int *digit_pointer = NULL;

digit_pointer = digits;
digit_pointer = &digits[0];

Zadanie 7

Napisz program, który od użytkownika będzie wczytywał liczby całkowite do momentu aż liczba podana przez użytkownika nie będzie liczbą. Następnie wypisze średnią arytmetyczną z podanych liczb.

$ ./program
1
2
3
q
2.0

Ciągi znaków

Język C nie ma dedykowanego typu służącego do przedstawiania ciągów znaków. Do operowania na ciągach znaków wykorzystuje się tablice znaków zakończone zerem.

char text[] = { 'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 0 };
printf("%s", text);

char text[] = "Hello";         // zero automatycznie dodane na końcu
printf("%s", text);

char text[6] = "Hello";
const char *ptext = text;
printf("%s", ptext);

const char *ptext = "Hello";
printf("%s", ptext);

Ciągi znaków - odczytywanie ze standardowego wejścia

char name[32] = {0};
scanf("%31s", &name[0]);

char name[32] = {0};
scanf("%31s", name);

char name[32] = {0};
fgets(name, sizeof(name), stdin);

Ciągi znaków - kopiowanie

Ciągi znaków są tablicami, więc żeby je skopiować musimy podobnie jak w przypadku tablic przekopiować każdy element. Do kopiowania ciągów znaków można wykorzystać funkcję snprintf.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    char src[] = "Hello";
    char dst[64];

    int written = snprintf(dst, sizeof(dst), "%s", src);
    if (written < 0 || written >= (int)sizeof(dst))
        return -1;

    return 0;
}

Ciągi znaków - porównywanie

Do porównywania ciągów znaków służy funkcja strcmp(), która zwraca 0 gdy ciągi znaków są równe.

#include <string.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    char str[] = "hello";

    if (strcmp("hello", str) == 0)
        printf("ok\n");

    return 0;
}

Ciągi znaków - tablica ciągów znaków

Ciąg znaków to zwykła tablica znaków. Oznacza to, że może być również wielowymiarowa.

char todo_list[][255] = {
    "Buy milk",
    "Buy coffee",
    "Buy sugar",
};

for (int i = 0; i < 3; ++i)
    printf("%s\n", todo_list[i]);

Zadanie 8

Napisz program realizujący grę polegającą na odgadywaniu nazw miast.

$ ./guess
________
> w
______w_
> a
_a___awa
> z
_a__zawa
> Warszawa
Congratulations

Jeżeli użytkownik poda jeden znak, wtedy należy spróbować go uzupełnić. Jak poda więcej niż jeden znak, to znaczy, że próbuje odgadnąć całe hasło. Jeżeli je odgadnie do gra się kończy. Jeżeli nie to gra toczy się dalej.

Funkcje

Funkcje pozwalają na podział programu na mniejsze “podprogramy”, co ułatwia jego zrozumienie oraz pozwala wykorzystywać wielokrotnie podobne kawałki kodu.

int factorial(int n)
{
    int value = 1;
    for (int i = 1; i <= n; ++i)
        value = value * i;
    return value;
}

int main(void)
{
    int n = factorial(4);
    printf("4! = %d\n", n);
    return 0;
}

$ ./prog
4! = 24

Funkcje - definicja i deklaracja

Deklaracja funkcji (typ zwracany, nazwa + argumenty), może być napisana odrębnie od definicji, co pozwala jej użyć zanim została zdefiniowana.

void print_version(int major, int minor, int patch); // Deklaracja

void print_name_with_version(void)
{
    printf("useless program ");
    print_version(1, 0, 1);
    printf("\n");
}

void print_version(int major, int minor, int patch) // Definicja
{
    printf("v%d.%d.%d", major, minor, patch);
}

int main(void)
{
    print_name_with_version(); // useless program v1.0.1
    return 0;
}

Zadanie 9

Napisz funkcję rysującą wisielca. Poniżej przedstawiono kolejne fazy:

   .----.   .----.   .----.   .----.   .----.   .----.   .----. 
        |   O    |   O    |   O    |   O    |   O    |   O    |
        |        |    \   |   |\   |  /|\   |  /|\   |  /|\   |
        |        |        |        |        |  /     |  / \   |
       / \      / \      / \      / \      / \      / \      / \

void draw_hangman(int mistakes)
{
    /* ... */
}

I wykorzystaj ją w grze. Gra powinna rysować wisielca przed wyświetleniem aktualnego stanu gry oraz dorysowywać kolejne kończyny w przypadku podania przez użytkownika znaku którego nie ma w haśle lub błędnego podania całego hasła. Gdy zostanie narysowany cały wisielec, gracz przegrywa i gra ulega zakończeniu.

Wskaźniki

Wskaźniki do zmiennych

Wskaźnik to zmienna, która może zawierać adres do innej zmiennej. Przykład:

int age = 20; /* zmienna */
int *age_pointer = &age; /* wskaźnik pokazujący do zmiennej */

Za pomocą takiego wskaźnika możemy następnie modyfikować oraz odczytywać wartość zmiennej:

int age = 20; /* zmienna */
int *age_pointer = &age; /* wskaźnik pokazujący do zmiennej */

*age_pointer = 80;
printf("%d", age);
printf("%d", *age_pointer);

age = 15;

printf("%d", age);
printf("%d", *age_pointer);

Wskaźnik 0

Ustawiając wskaźnik na wartość NULL, sprawiamy, że będzie on przechowywał adres zerowy

int *x = NULL;
int *y;
y = NULL;

/* Dereferencja takich wskaźników najprawdopodobniej skończy się naruszeniem
   ochrony pamięci (Segmentation fault) */
int liczba = *x; /* Problem */

Wskaźnik `void *`

Pomimo tego że rozmiary zmiennych wskaźnikowych są zawsze takie same, nie powinno się mieszać typów:

int x = 1;
float *y = &x; /* Ostrzeżenie przy kompilacji */
printf("%f", *y); /* Niezdefiniowane zachowanie (ang. Undefined behavior) */

Wskaźnik void *, jest wyjątkiem. Może on przechowywać adres do zmiennej dowolnego typu.

int x = 1;
float y = 1.0f;
int *z = &x;
void *ptr = &x; /* Można mu przypisać dowolny adres */
ptr = z; /* Można mu przypisać dowolny wskaźnik */
ptr = &y;
float *py = ptr; /* Można go przypisywać do wskaźnika innego typu */

Nie można wykonać dereferencji na wskaźniku void. Czyli *ptr, nie działa. Trzeba go przypisać do konkretnego typu i dopiero potem wykonać dereferencje.

Przekazywanie zmiennych do funkcji przez wskaźnik a przez wartość

Przykład - funkcja która zwiększa wartość zmiennej o 1:

void increment(int *x)              void increment(int x)
{                                   {
    *x = *x + 1;                        x = x + 1;
}                                   }

Wywołanie:

int x = 17;                         int x = 17;

increment(&x);                      increment(x);
increment(&x);                      increment(x);
increment(&x);                      increment(x);

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

Jaka jest różnica?

Tablice i wskaźniki

Tablica może zostać przypisana do zmiennej wskaźnikowej. W poniższym przykładzie p będzie pokazywać na pierwszy element tablicy:

int x[3] = {1, 2, 3}

int *p = x; // ma taki sam efekt jak p = &x[0]

printf("%d\n", *p);

Tablice - przekazywanie do funkcji

int print_numbers(int *array, int n)
{
    for (int i = 0; i < n; ++i)
        printf("%d\n", array[i]);
}

int array[3] = { 1, 2, 3 };
print_numbers(array, 3);

Tablice - zamiana tablicy na wskaźnik

Nie ma praktycznej róznicy pomiędzy poniższymi definicjami funkcji.

void foo(int *bar)
{
    printf("%zu\n", sizeof(bar)); // rozmiar wskaźnika
}

void foo(int bar[3])
{
    printf("%zu\n", sizeof(bar)); // rozmiar wskaźnika (sic!)
}

void foo(int bar[])
{
    printf("%zu\n", sizeof(bar)); // rozmiar wskaźnika (sic!)
}

Tablice - wskaźnik do tablicy

Jeżeli chcemy, aby było można przekazać do funkcji tylko tablice o określonym rozmiarze, musimy użyć wskaźnika do tablicy.

int print_numbers(int (*array)[3])
{
    for (int i = 0; i < sizeof(*array) / sizeof((*array)[0]); ++i)
        printf("%d\n", (*array)[i]);
}

int array[3] = { 1, 2, 3 };
print_numbers(&array);

Ciągi znaków - argumenty przekazywane do programu

Funkcja main() może mieć alternatywną sygnaturę, która umożliwia odczytywanie argumentów przekazywanych do programu.

#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    for (int i = 1; i < argc; ++i)
        printf("%s\n", argv[i]);
    return 0;
}

$ ./program hello world
hello
world

Struktury

Struktury pozwalają na definiowanie typów złożonych.

struct vec3 {
    float x;
    float y;
    float z;
};

struct vec3 position;
position.x = 5.0f;
position.y = 10.0f;
position.z = 5.0f;

Struktury - inicjalizacja

struct color {
    unsigned char red;
    unsigned char green;
    unsigned char blue;
};

struct color white = { 255, 255, 255 };
struct color black = { 0 };
struct color yellow = {
    .red = 255,
    .green = 255,
};

struct color yellow = (struct color) {
    .red = 255,
    .green = 255,
};

Struktury - kopiowanie

Kopiowanie struktur odbywa się poprzez operator =.

struct color green = { 0, 255, 0 };
struct color tmp;
tmp = green;

Można to wykonać również za pomocą funkcji memcpy().

#include <string.h>

void *memcpy(void *restrict dst, const void *restrict src, size_t n);

memcpy(&tmp, &green, sizeof(tmp));

Struktury - wskaźniki do struktur

struct led_light {
    struct color color;
    bool on;
};

void led_light_init(struct led_light *light)
{
    light->color.red = 255;
    light->on = false;
}

void led_light_switch(struct led_light *light)
{
    light->on = !light->on;
}

int main(void)
{
    struct led_light light;
    led_light_init(&light);
    led_light_switch(&light);
    return 0;
}

Zadanie 10

Zamiplementuj strukturę gracza i funkcję:

struct character {
    char c;
    int x;
    int y;
};

/* Jeżeli dir to 'w', 's', 'a' lub 'd' to rusz graczem o jedną jednostkę w odpowiednim kierunku.
 * Pamiętaj że gracz nie może wyjść poza granice planszy (5x5) */
void character_move(struct character *ch, char dir);

Zadanie 11

Zaimplementuj strukturę bufora ramki ekranu.

struct frame {
    char cells[5][5];
};
/* wyczyść bufor znakami '.' */
void frame_clear(struct frame *frame);
/* umieść gracza buforze */
void frame_add(struct frame *frame, struct character *ch);
/* wypisz bufor */
void frame_draw(struct frame *frame);

Zadanie 12

Napisz funkcję main(), w której będzie pętla główna, która:

Wyczyści bufor ramki za pomocą frame_clear().
Doda gracza do bufora ramki za pomocą frame_add().
Wyświetli bufor ramki za pomocą frame_draw().
Odczyta znak od użytkownika i jeżeli będzie to w, s, a lub d to poruszy graczem za pomocą character_move().

Zadanie 13

Dodaj do gry 3 przeciwników - czyli kolejne instancje struktury struct character.

struct character player = {
    '&', 0, 0,
};
struct character enemies[] = {
    {'X', 4, 0},
    {'Y', 0, 4},
    {'Z', 4, 4},
};

Dodaj umieszczanie ich co klatke w buforze ramki.

Zadanie 14

Dodaj “AI” przeciwników.

void character_random_move(struct character *c)
{
    /* wylosuj liczbę */
    /* wykonaj character_move() z 'w', 's', 'a', 'd' w zależności od wyniku losowania */
}

Po każdym ruchu gracza powinni oni się losowo poruszyć.

Zadanie 15

Jeżeli gracz zderzy się z przeciwnikiem, to przeciwnik powinien zginąć. W tym celu dodaj pole do struktury informujące o tym czy przeciwnik dalej żyje.

#include <stdbool.h>
...

struct character {
    ...
    bool dead;
    ...
};

Jeżeli wszyscy przeciwnicy zginą, gra powinna się zakończyć.

Podział projektu na wiele plików

Kilka plików `.c`

Definicje funkcji i zmiennych możemy umieszczać w osobnych plikach.

// calculator.c
int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

// main.c
int add(int a, int b);
int main(void)
{
    printf("%d\n", add(1, 2));
    return 0;
}

gcc main.c calculator.c -o program

Pliki nagłówkowe

Najczęściej deklaracje funkcji umieszczane są w osobnych plikach nagłówkowych, które następnie dołączane są w plikach, w których chcemy z tych deklaracji skorzystać.

// calculator.c
int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

// calculator.h
int add(int a, int b)

// main.c
#include "calculator.h"
int main(void)
{
    printf("%d\n", add(1, 2));
    return 0;
}

Zapobieganie ponownemu dołączeniu

// calculator.h
#ifndef __calculator_h__
#define __calculator_h__
int add(int a, int b);
#endif

// other.h
#ifndef __other_h__
#define __other_h__
#include "calculator.h"
#endif

// main.c
#include "other.h"
#include "calculator.h"
int main(void)
{
    printf("%d\n", add(1, 2));
    return 0;
}

Zadanie 16

Połącz trzy poprzednie programy (movement, wisielec, papier-kamien-nożyce) w jeden:

program “movement” umieść w movement.c;
program “papier-kamien-nozyce” umieść w rps.c;
program “wisielec” umieść w hangman.c;
podaj odpowiednie pliki nagłówkowe;
w pliku main.c umieść kod integrujący trzy poprzednie programy, który będzie wyświetlał menu umożliwiające wybór programu.

.
├── movement.c
├── movement.h
├── rps.c
├── rps.h
├── main.c
├── hangman.c
└── hangman.h

Systemy budowania

GNU Make

Systemy budowania umożliwiają automatyzację budowania kodu. Jednym z najbardziej podstawowych systemów budowania jest make. Proces budowania jest opisywany w pliku Makefile, który jest następnie wykonywany przez make.

program: main.o foo.o
    gcc main.o foo.o -o program

main.o: main.c
    gcc -c main.c -o main.o

foo.o: foo.c
    gcc -c foo.c -o foo.o

clean:
    rm main.o foo.o program

Umożliwia to zbudowanie kodu jednym poleceniem

$ make

Zadanie 17

Rozszerz projekt z poprzedniego zadania w następujący sposób:

dodaj plik Makefile opisujący kroki budowania;
zbuduj projekt za pomocą make.

$ make

CMake

Innym często stosowanym systemem budowania jest CMake. Do opisu procesu budowania używa on plików CMakeLists.txt. Zaletą stosowania CMake jest to, że posiada on lepsze wsparcie kompilacji kodu na wiele platform (m. in Linux, MacOS i Windows) niż GNU Make.

cmake_minimum_required(VERSION 3.19)

project(twojprogram VERSION 1.0.0)

add_executable(twojprogram main.c foo.c)

$ mkdir build
$ cd build
$ cmake ..
$ cmake --build .

Zadanie 18

Rozszerz projekt z poprzedniego zadania w następujący sposób:

dodaj plik CMakeLists.txt;
zbuduj projekt za pomocą cmake.

$ mkdir build
$ cd build
$ cmake ..
$ cmake --build .

Raspberry Pi Pico

Toolchain ARM - instalacja

Raspberry Pi Pico posiada procesor ARM Cortex-M0+. Żeby móc kompilować na niego programy, musimy zainstalować toolchain dla ARM.

$ sudo apt install gcc-arm-none-eabi libnewlib-arm-none-eabi libstdc++-arm-none-eabi-newlib

Instalacja SDK

Raspberry Pi Pico SDK może zostaać pobrane w następujący sposób:

$ cd ~
$ git clone https://github.com/raspberrypi/pico-sdk
$ cd pico-sdk
$ git submodule update --init

Projekt CMake

W celu kompilacji programu na platformę Raspberry Pi Pico można dodać linijki oznaczone poniżej znakami + do pliku CMakeLists.txt

Plik CMakeLists.txt umożliwiający kompilację programu na Raspberry Pi Pico.

cmake_minimum_required(VERSION 3.19)

+include ($ENV{PICO_SDK_PATH}/pico_sdk_init.cmake)

project(twojprogram VERSION 1.0.0)

+pico_sdk_init()

add_executable(twojprogram main.c)

+if (NOT PICO_PLATFORM STREQUAL "host")
+   target_link_libraries(twojprogram pico_stdlib)
+endif()

+pico_enable_stdio_usb(twojprogram 1)
+pico_enable_stdio_uart(twojprogram 0)
+pico_add_extra_outputs(twojprogram)

Adaptacja programu do Raspberry Pi Pico

Jeżeli chcemy korzystać z funkcjonalności wejścia i wyjścia, należy wywołać funkcję inicjalizującą o nazwa stdio_init_all(), specyficzną dla platformy Raspberry Pi Pico

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

// ...

+#if PICO_ON_DEVICE
+#include "pico/stdlib.h"
+#endif

int main(void)
{
+#if PICO_ON_DEVICE
+   stdio_init_all();
+#endif

    // ...
    return 0;
}

Kompilacja na Raspberry Pi Pico

Inicjalizacja projektu przed zbudowaniem na platforme Raspberry Pi Pico

$ mkdir build
$ cd build
$ PICO_SDK_PATH=~/pico-sdk cmake ..

Budowanie.

$ cd build
$ cmake --build .

Wskazówka: żeby nie ustawiać co chwilę zmiennej środowiskowej PICO_SDK_PATH, można ją wyeksportować:

$ export PICO_SDK_PATH=~/pico-sdk

Kompilacja na maszynę developerską - w celach testowych

Inicjalizacja projektu przed zbudowaniem na maszynie deweloperskiej w celach testowych.

$ mkdir build_host
$ cd build_host
$ PICO_SDK_PATH=~/pico-sdk cmake .. -DPICO_PLATFORM=host

Dzięki temu, że wszystkie specyficzne wywołania otoczyliśmy makrami preprocesosowa #if PICO_ON_DEVICE, możliwa jest kompilacja projektu na maszynę hosta w celach testowych.

$ cd build_host
$ cmake --build .
$ ./twojprogram

Programowanie Raspberry Pi Pico

Programowanie Raspberry Pi Pico odbywa się w następujący sposób

Trzymając przycisk BOOTSEL, należy podłączyć płytkę do portu USB.
Płytka zamontuje się jako dysk USB.
Należy skopiować plik .uf2 na urządzenie USB.
Płytka zaprogramuje się i wyjdzie z trybu programownia.

Łączenie się z portem szeregowym

Komunikowanie z Raspberry Pi Pico może odbywać się za pomocą portu szeregowego, przy użyciu programu picocom.

Instalacja picocom:

$ sudo apt install picocom

Podłączanie do portu szeregowego:

$ picocom --echo --omap crlf /dev/ttyACM0

Zamknięcie picocom odbywa się poprzez naciśnięcie kombinacji Ctrl+A, a następnie klawisza X.

Picocom - tryb “linii” przy pomocy `rlwrap`

Picocom działa w trybie “raw” - wysyła znaki natychmiast do portu szeregowego.

Żeby osiągnąć zachowanie podobne do terminala - wysyłanie znaków na standardowe wejście tylko po naciśnięciu klawisza <Enter>, można wykorzystać program rlwrap.

$ sudo apt install rlwrap

$ rlwrap -aeN picocom --echo --baud 115200 /dev/ttyACM0

Tryb “linii” przy pomocy programu `cat`

Podobny efekt jak połączenie programów rlwrap i picocom można osiągnąć również za pomocą wykonując następujące komendy:

# Ustawienia początkowe portu szeregowego
stty -F /dev/ttyACM0 raw -echo
# Wyświetlanie danych z portu szeregowego w tle
cat /dev/ttyACM0 &
# Zapisywanie danych do portu szeregowego
cat > /dev/ttyACM0

Lub można posłużyć się skryptem catcom.sh, który wykonuje powyżej zaprezentowane komendy.

$ wget czarnota.github.io/wpcsw/catcom.sh
$ chmod u+x ./catcom.sh
$ sudo ./catcom.sh /dev/ttyACM0

Zadanie 19

Zbuduj projekt z poprzedniego zadania na Raspberry Pi Pico. Zaprogramuj płytke. Połącz się z nią za pomocą portu szeregowego i zweryfikuj czy aplikacja działa poprawnie.

Typy wyliczeniowe

Słowo kluczowe enum pozwala na definicję typu poprzez wymienienie możliwych jego wartości oraz nadanie im nazwy. Pozwala to uniknać tzw magicznych wartości (ang. Magic numbers) w kodzie.

enum operation { ADD, SUB, DIV, MUL };

int perform(enum operation op, int a, int b)
{
    if (op == ADD)
        return a + b;
    if (op == SUB)
        return a - b;
    if (op == DIV && b != 0)
        return a / b;
    if (op == MUL)
        return a * b;
    return op;
}

printf("%d\n", perform(MUL, 2, 4));

Typy wyliczeniowe jako indeks tablicy

enum operation { ADD, SUB, DIV, MUL, OPERATION_COUNT };

const char *names[OPERATION_COUNT] = {
    [ADD] = "+",
    [SUB] = "-",
    [DIV] = "/",
    [MUL] = "*",
};

void print_operation(enum operation op, int a, int b)
{
    printf("%d %s %d = %d\n", names[op], perform(op, a, b));
}

print_operation(ADD, 1, 1); // 1 + 1 = 2

Preprocesor

Używanie makr

Makra preprocesora pozwalają na zautomatyzowane zmienianie i generowanie kodu w trakcie kompilacji.

#include <stdio.h>

#define BUFFER_SIZE 16

int main(void)
{
    char buf[BUFFER_SIZE];

    while (fgets(buf, BUFFER_SIZE, stdin))
        printf("%s", buf);

    return 0;
}

Makra z argumentami

Makra, podobnie jak funkcje mogą przyjmować argumenty.

#include <stdio.h>

#define ARRAY_SIZE(x) (sizeof(x) / ssizeof(*(x)))

int main(void)
{
    int numbers[] = {1, 2, 3, 4};

    for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE(numbers); ++i)
        printf("%d\n", i);

    return 0;
}

Makra operują na tekście

Makra preprocesora są wykonywane przed kompilacją programu i operują na tekscie programu - nie są elementem języka programowania

#include <stdio.h>

#define ARRAY_SIZE(x) (sizeof(x) / ssizeof(*(x)))
#define for_each(var, array) for (var = array; var < array + ARRAY_SIZE(array); ++array)

int main(void)
{
    int numbers[] = {1, 2, 3, 4};

    int *number;
    for_each(number, numbers)
        printf("%d\n", *number);

    return 0;
}

Preprocesor - kompilacja warunkowa

Za pomocą dyrektyw preprocesora #ifdef i #endif, można sprawdzić czy makro jest zdefiniowane.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
#ifdef DEBUG_INFO
    printf("program is started\n");
#endif

    for (int i = 0; i < 10; ++i)
        printf("%d\n", i)

#ifdef DEBUG_INFO
    printf("program is finished\n");
#endif

    return 0;
}

$ gcc main.c -DDEBUG_INFO -o program

Wstęp do programowania w C w systemach wbudowanych

Szkielet programu

Kompilacja programu

Zwracanie kodu błędu

Zadanie 1

Zmienne i typy danych

Zmienne - deklaracja i inicjalizacja

Zmienne - wykonywanie obliczeń

Wypisywanie wartości zmiennych

Zadanie 2

Lokalizacja zmiennych w pamięci

Pamięć procesu

Typy danych - liczby całkowite

Typy danych - liczby całkowite bez znaku

Typy danych - liczby zmiennoprzecinkowe

Typy danych - inne

Zadanie 3

Kompilacja programu w wszystkimi ostrzeżeniami

Instrukcje warunkowe

Instrukcja if

Instrukcja if - przykład - rzut monetą

Instrukcja switch

Instrukcja switch - słowo kluczowe break

Instrukcja switch vs if

Zadanie 4

Funkcja rand() - informacja

Wczytywanie wejścia

Funkcja scanf()

Funkcja scanf() - format

Funkcja scanf() - wartość zwracana

Zadanie 5

Pętle

Pętla while

Pętla for

Pętla for vs while

Instrukcja break

Instrukcja continue

Zadanie 6

Tablice

Tablice

Tablice - inicjalizacja

Tablice - rozmiar

Tablice - kopiowanie

Tablice dwuwymiarowe

Nazwa tablicy

Zadanie 7

Ciągi znaków

Ciągi znaków

Ciągi znaków - odczytywanie ze standardowego wejścia

Ciągi znaków - kopiowanie

Ciągi znaków - porównywanie

Ciągi znaków - tablica ciągów znaków

Zadanie 8

Funkcje

Funkcje

Funkcje - definicja i deklaracja

Zadanie 9

Wskaźniki

Wskaźniki do zmiennych

Wskaźnik 0

Wskaźnik void *

Przekazywanie zmiennych do funkcji przez wskaźnik a przez wartość

Tablice i wskaźniki

Tablice - przekazywanie do funkcji

Tablice - zamiana tablicy na wskaźnik

Tablice - wskaźnik do tablicy

Ciągi znaków - argumenty przekazywane do programu

Struktury

Struktury

Struktury - inicjalizacja

Struktury - kopiowanie

Struktury - wskaźniki do struktur

Zadanie 10

Zadanie 11

Zadanie 12

Zadanie 13

Zadanie 14

Zadanie 15

Podział projektu na wiele plików

Kilka plików .c

Instrukcja `if`

Instrukcja `if` - przykład - rzut monetą

Instrukcja `switch`

Instrukcja `switch` - słowo kluczowe `break`

Instrukcja `switch` vs `if`

Pętla `while`

Pętla `for`

Pętla `for` vs `while`

Instrukcja `break`

Instrukcja `continue`

Wskaźnik `void *`

Kilka plików `.c`

Picocom - tryb “linii” przy pomocy `rlwrap`

Tryb “linii” przy pomocy programu `cat`