Язык программирования Си Брайан Керниган, Деннис Ритчи 3-е издание Версия 0.1 Table of Contents Предисловие .................................................................................................................................................................... 8 Предисловие к первому изданию ............................................................................................................................... 10 Введение ........................................................................................................................................................................ 11 1. Обзор языка ............................................................................................................................................................... 14 1.1. Начнем, пожалуй ................................................................................................................................................ 14 1.2. Переменные и арифметические выражения................................................................................................... 16 1.3. Инструкция for .................................................................................................................................................... 21 1.4. Именованные константы ................................................................................................................................... 22 1.5. Ввод-вывод символов........................................................................................................................................ 23 1.5.1. Копирование файла .................................................................................................................................... 23 1.5.2. Подсчет символов ....................................................................................................................................... 25 1.5.3. Подсчет строк .............................................................................................................................................. 26 1.5.4. Подсчет слов ................................................................................................................................................ 27 1.6. Массивы .............................................................................................................................................................. 29 1.7. Функции .............................................................................................................................................................. 31 1.8. Аргументы. Вызов по значению ........................................................................................................................ 33 1.9. Символьные массивы ........................................................................................................................................ 34 1.10. Внешние переменные и область видимости ................................................................................................. 37 2. Типы, операторы и выражения ................................................................................................................................ 41 2.1. Имена переменных ............................................................................................................................................ 41 2.2. Типы и размеры данных .................................................................................................................................... 41 2.3. Константы............................................................................................................................................................ 42 2.4. Объявления ......................................................................................................................................................... 45 2.5. Арифметические операторы ............................................................................................................................. 46 2.6. Операторы отношения и логические операторы ............................................................................................ 46 2.7. Преобразования типов ...................................................................................................................................... 47 2.8. Операторы инкремента и декремента ............................................................................................................. 51 2.9. Побитовые операторы ....................................................................................................................................... 52 2.10. Операторы и выражения присваивания ........................................................................................................ 54 2.11. Условные выражения....................................................................................................................................... 55 2.12. Приоритет и очередность вычислений .......................................................................................................... 56 3. Управление ................................................................................................................................................................ 59 3.1. Инструкции и блоки ........................................................................................................................................... 59 3.2. Конструкция if-else ............................................................................................................................................. 59 3.3. Конструкция else-if ............................................................................................................................................. 60 3.4. Переключатель switch ........................................................................................................................................ 61 3.5. Циклы while и for ................................................................................................................................................ 63 3.6. Цикл do-while ...................................................................................................................................................... 66 3.7. Инструкции break и continue ............................................................................................................................. 67 3.8. Инструкция goto и метки ................................................................................................................................... 68 4. Функции и структура программы............................................................................................................................. 70 4.1. Основные сведения о функциях ....................................................................................................................... 70 4.2. Функции, возвращающие нецелые значения.................................................................................................. 73 4.3. Внешние переменные ....................................................................................................................................... 75 4.4. Области видимости ............................................................................................................................................ 81 4.5. Заголовочные файлы ......................................................................................................................................... 82 4.6. Статические переменные .................................................................................................................................. 84 4.7. Регистровые переменные ................................................................................................................................. 84 4.8. Блочная структура .............................................................................................................................................. 85 4.9. Инициализация .................................................................................................................................................. 86 4.10. Рекурсия ............................................................................................................................................................ 87 4.11. Препроцессор языка Си ................................................................................................................................... 88 4.11.1. Включение файла ...................................................................................................................................... 89 4.11.2. Макроподстановка .................................................................................................................................... 89 4.11.3. Условная компиляция ............................................................................................................................... 91 5. Указатели и массивы ................................................................................................................................................. 93 5.1. Указатели и адреса............................................................................................................................................. 93 5.2. Указатели и аргументы функций....................................................................................................................... 94 5.3. Указатели и массивы .......................................................................................................................................... 96 5.4. Адресная арифметика........................................................................................................................................ 99 5.5. Символьные указатели функции .................................................................................................................... 102 5.6. Массивы указателей, указатели на указатели ............................................................................................... 105 5.7. Многомерные массивы ................................................................................................................................... 108 5.8. Инициализация массивов указателей ............................................................................................................ 110 5.9. Указатели против многомерных массивов .................................................................................................... 110 5.10. Аргументы командной строки ...................................................................................................................... 111 5.11. Указатели на функции .................................................................................................................................... 115 5.12. Сложные объявления .................................................................................................................................... 118 6. Структуры ................................................................................................................................................................. 123 6.1. Основные сведения о структурах ................................................................................................................... 123 6.2. Структуры и функции ....................................................................................................................................... 125 6.3. Массивы структур ............................................................................................................................................. 127 6.4. Указатели на структуры ................................................................................................................................... 131 6.5. Структуры со ссылками на себя ...................................................................................................................... 133 6.6. Просмотр таблиц .............................................................................................................................................. 137 6.7. Средство typedef .............................................................................................................................................. 139 6.8. Объединения .................................................................................................................................................... 141 6.9. Битовые поля .................................................................................................................................................... 142 7. Ввод и вывод ........................................................................................................................................................... 145 7.1. Стандартный ввод-вывод ................................................................................................................................ 145 7.2. Форматный вывод (printf) ............................................................................................................................... 147 7.3. Списки аргументов переменной длины ......................................................................................................... 149 7.4. Форматный ввод (scanf)................................................................................................................................... 150 7.5. Доступ к файлам ............................................................................................................................................... 153 7.6. Управление ошибками (stderr и exit) ............................................................................................................. 156 7.7. Ввод-вывод строк ............................................................................................................................................. 157 7.8. Другие библиотечные функции ...................................................................................................................... 158 7.8.1. Операции со строками .............................................................................................................................. 158 7.8.2. Анализ класса символов и преобразование символов ......................................................................... 159 7.8.3. Функция ungetc .......................................................................................................................................... 159 7.8.4. Исполнение команд операционной системы......................................................................................... 159 7.8.5. Управление памятью ................................................................................................................................ 160 7.8.6. Математические функции ........................................................................................................................ 160 7.8.7. Генератор случайных чисел...................................................................................................................... 161 8. Интерфейс с системой UNIX ................................................................................................................................... 162 8.1. Дескрипторы файлов ....................................................................................................................................... 162 8.2. Нижний уровень ввода-вывода (read и write) ............................................................................................... 163 8.3. Системные вызовы open, creat, close, unlink ................................................................................................. 164 8.4. Произвольный доступ (lseek) .......................................................................................................................... 166 8.5. Пример. Реализация функций fopen и getc ................................................................................................... 167 8.6. Пример. Печать каталогов ............................................................................................................................... 170 8.7. Пример. Распределитель памяти ................................................................................................................... 175 А. Справочное руководство ........................................................................................................................................ 180 А 1. Введение ........................................................................................................................................................... 180 А 2. Соглашения о лексике ..................................................................................................................................... 180 А 2.1. Лексемы (tokens) ....................................................................................................................................... 180 А 2.2. Комментарий ............................................................................................................................................. 180 А 2.3. Идентификаторы ....................................................................................................................................... 180 А 2.4. Ключевые слова ........................................................................................................................................ 181 А 2.5. Константы .................................................................................................................................................. 181 А 2.6. Строковые литералы ................................................................................................................................. 183 A 3. Нотация синтаксиса ......................................................................................................................................... 183 А 4. Что обозначают идентификаторы .................................................................................................................. 184 А 4.1. Класс памяти .............................................................................................................................................. 184 А 4.2. Базовые типы............................................................................................................................................. 184 А 4.3. Производные типы.................................................................................................................................... 185 А 4.4. Квалификаторы типов ............................................................................................................................... 185 А 5. Объекты и Lvalues............................................................................................................................................. 186 А 6. Преобразования ............................................................................................................................................... 186 А 6.1. Целочисленное повышение ..................................................................................................................... 186 А 6.2. Целочисленные преобразования ............................................................................................................ 186 А 6.3. Целые и числа с плавающей точкой ........................................................................................................ 186 А 6.4. Типы с плавающей точкой ........................................................................................................................ 186 А 6.5. Арифметические преобразования .......................................................................................................... 187 А 6.6. Указатели и целые .................................................................................................................................... 187 А 6.7. Тип void ...................................................................................................................................................... 188 А 6.8. Указатели на void ...................................................................................................................................... 188 А 7. Выражения........................................................................................................................................................ 188 А 7.1. Генерация указателя ................................................................................................................................. 189 А 7.2. Первичные выражения ............................................................................................................................. 189 А 7.3. Постфиксные выражения ......................................................................................................................... 190 А 7.4. Унарные операторы .................................................................................................................................. 192 А 7.5. Оператор приведения типа ...................................................................................................................... 193 А 7.6. Мультипликативные операторы .............................................................................................................. 193 А 7.7. Аддитивные операторы............................................................................................................................ 194 А 7.8. Операторы сдвига ..................................................................................................................................... 194 А 7.9. Операторы отношения ............................................................................................................................. 195 А 7.10. Операторы равенства ............................................................................................................................. 195 А 7.11. Оператор побитового И .......................................................................................................................... 195 А 7.12. Оператор побитового исключающего ИЛИ .......................................................................................... 195 А 7.13. Оператор побитового ИЛИ ..................................................................................................................... 196 А 7.14. Оператор логического И ......................................................................................................................... 196 А 7.15. Оператор логического ИЛИ .................................................................................................................... 196 А 7.16. Условный оператор ................................................................................................................................. 196 А 7.17. Выражения присваивания ...................................................................................................................... 197 А 7.18. Оператор запятая .................................................................................................................................... 197 А 7.19. Константные выражения ........................................................................................................................ 197 А 8. Объявления ...................................................................................................................................................... 198 А 8.1. Спецификаторы класса памяти ................................................................................................................ 199 А 8.2. Спецификаторы типа ................................................................................................................................ 199 А 8.3. Объявления структур и объединений ..................................................................................................... 200 A 8.4. Перечисления ............................................................................................................................................ 203 А 8.5. Объявители ................................................................................................................................................ 204 А 8.6. Что означают объявители ......................................................................................................................... 204 А 8.7. Инициализация ......................................................................................................................................... 207 А 8.8. Имена типов .............................................................................................................................................. 209 А 8.9. Объявление typedef .................................................................................................................................. 210 А 8.10. Эквивалентность типов ........................................................................................................................... 210 А 9. Инструкции ....................................................................................................................................................... 211 А 9.1. Помеченные инструкции .......................................................................................................................... 211 А 9.2. Инструкция-выражение ............................................................................................................................ 211 А 9.3. Составная инструкция ............................................................................................................................... 211 А 9.4. Инструкции выбора................................................................................................................................... 212 А 9.5. Циклические инструкции ......................................................................................................................... 213 А 9.6. Инструкции перехода ............................................................................................................................... 213 А 10. Внешние объявления ..................................................................................................................................... 214 А 10.1. Определение функции ........................................................................................................................... 214 А 10.2. Внешние объявления .............................................................................................................................. 215 А 11. Область видимости и связи ........................................................................................................................... 216 А 11.1. Лексическая область видимости ............................................................................................................... 216 А 11.2. Связи......................................................................................................................................................... 217 А 12. Препроцессирование..................................................................................................................................... 217 А 12.1. Трехзнаковые последовательности ...................................................................................................... 218 А 12.2. Склеивание строк .................................................................................................................................... 218 А 12.3. Макроопределение и макрорасширение............................................................................................. 218 А 12.4. Включение файла .................................................................................................................................... 220 А 12.5. Условная компиляция ............................................................................................................................. 221 А 12.6. Нумерация строк ..................................................................................................................................... 222 А 12.7. Генерация сообщения об ошибке ......................................................................................................... 222 А 12.8. Прагма ...................................................................................................................................................... 222 А 12.9. Пустая директива .................................................................................................................................... 222 А 12.10. Заранее определенные имена ............................................................................................................ 223 А 13. Грамматика ..................................................................................................................................................... 223 B. Стандартная библиотека ........................................................................................................................................ 230 В 1. Ввод-вывод: ...................................................................................................................................... 230 В 1.1. Операции над файлами ............................................................................................................................ 230 В 1.2. Форматный вывод ..................................................................................................................................... 232 В 1.3. Форматный ввод ....................................................................................................................................... 234 В 1.4. Функции ввода-вывода символов ........................................................................................................... 236 В 1.5. Функции прямого ввода-вывода ............................................................................................................. 237 В 1.6. Функции позиционирования файла ........................................................................................................ 237 В 1.7. Функции обработки ошибок .................................................................................................................... 238 В 2. Проверки класса символа: ............................................................................................................. 238 В 3. Функции, оперирующие со строками: .......................................................................................... 239 В 4. Математические функции: ............................................................................................................. 240 В 5. Функции общего назначения: ....................................................................................................... 242 В 6. Диагностика: .................................................................................................................................. 244 В 7. Списки аргументов переменной длины: ..................................................................................... 244 В 8. Дальние переходы: ...................................................................................................................... 245 В 9. Сигналы: .......................................................................................................................................... 245 В 10. Функции даты и времени: .............................................................................................................. 246 В 11. Зависящие от реализации пределы: и ......................................................................... 248 C. Перечень изменений .............................................................................................................................................. 251 Предисловие С момента публикации в 1978 г. книги "Язык программирования Си" в мире компьютеров произошла революция. Большие машины стали еще больше, а возможности персональных ЭВМ теперь сопоставимы с возможностями больших машин десятилетней давности. Язык Си за это время также изменился, хотя и не очень сильно; что же касается сферы применения Си, то она далеко вышла за рамки его начального назначения как инструментального языка операционной системы UNIX. Рост популярности Си, накапливающиеся с годами изменения, создание компиляторов коллективами разработчиков, ранее не причастных к проектированию языка, — все это послужило стимулом к более точному и отвечающему времени определению языка по сравнению с первым изданием книги. В 1983 г. Американский институт национальных стандартов (American National Standards Institute — ANSI) учредил комитет, перед которым была поставлена цель выработать "однозначное и машинно-независимое определение языка Си", полностью сохранив при этом его стилистику. Результатом работы этого комитета и явился стандарт ANSI языка Си. Стандарт формализует средства языка, которые в первом издании были только намечены, но не описаны, такие, например, как присваивание структурам и перечисления. Он вводит новый вид описания функций, позволяющий проводить повсеместную проверку согласованности вызовов функций с их определением; специфицирует стандартную библиотеку с широким набором функций ввода-вывода, управления памятью, манипуляций со строками символов и другими функциями; уточняет семантику, бывшую в первоначальном определении неясной, и явно выделяет то, что остается машинно-зависимым. Во втором издании книги "Язык программирования Си" представлена версия Си, принятая в качестве стандарта ANSI. Мы решили описать язык заново, отметив при этом те места, в которых он претерпел изменения. В большинство параграфов это не привнесло существенных перемен, самые заметные различия касаются новой формы описания и определения функции. Следует отметить, что современные компиляторы уже обеспечили поддержку значительной части стандарта. Мы попытались сохранить краткость первого издания. Си — небольшой язык, и чтобы его описать большой книги не требуется. В новом издании улучшено описание наиболее важных средств, таких как указатели, которые занимают центральное место в программировании на Си; доработаны старые примеры, а в некоторые главы добавлены новые. Так, для усиления трактовки сложных объявлений в качестве примеров включены программы перевода объявлений в их словесные описания и обратно. Как и раньше, все примеры были протестированы прямо по текстам, написанным в воспринимаемой машиной форме. Приложение А — это справочное руководство, но отнюдь не стандарт. В нем мы попытались уложить самое существенное на минимуме страниц. По замыслу это приложение должно легко читаться программистомпользователем; для разработчиков же компилятора определением языка должен служить сам стандарт. В приложении В приведены возможности стандартной библиотеки. Оно также представляет собой справочник для прикладных программистов, но не для разработчиков компиляторов. Приложение С содержит краткий перечень отличий представленной версии языка Си от его начальной версии. В предисловии к первому изданию мы говорили о том, что "чем больше работаешь с Си, тем он становится удобнее". Это впечатление осталось и после десяти лет работы с ним. Мы надеемся, что данная книга поможет вам изучить Си и успешно его использовать. Мы в большом долгу перед друзьями, которые помогали нам в выпуске второго издания книги. Джон Бентли, Дуг Гуин, Дуг Макилрой, Питер Нельсон и Роб Пайк сделали четкие замечания почти по каждой странице первого варианта рукописи. Мы благодарны Алу Ахо, Деннису Аллиссону, Джою Кемпбеллу, Г. Р. Эмлину, Карен Фортганг, Аллену Голубу, Эндрю Хьюму, Дэйву Кристолу, Джону Линдерману, Дэйву Проссеру, Гину Спаффорду и Крису Ван Уику за внимательное прочтение книги. Мы получили полезные советы от Билла Чезвика, Марка Кернигана, Эндрю Коэнига, Робина Лейка, Тома Лондона, Джима Ридза, Кловиза Тондо и Питера Вайнбергера. Дейв Проссер ответил на многочисленные вопросы, касающиеся деталей стандарта ANSI. Мы широко пользовались транслятором с Си++ Бьерна Страуструпа для локальной проверки наших программ, а Дейв Кристол предоставил нам ANSI-Си-компилятор для окончательной их проверки. Рич Дрешлер очень помог в наборе книги. Мы искренне благодарим всех. Брайан В. Керниган, Деннис М. Ритчи Предисловие к первому изданию Си — это универсальный язык программирования с компактным способом записи выражений, современными механизмами управления структурами данных и богатым набором операторов. Си не является ни языком "очень высокого уровня", ни "большим" языком, не рассчитан он и на какую-то конкретную область применения. Однако благодаря широким возможностям и универсальности для решения многих задач он удобнее и эффективнее, чем предположительно более мощные языки. Первоначально Си был создан Деннисом Ритчи как инструмент написания операционной системы UNIX для машины PDP-11 и реализован в рамках этой операционной системы. И операционная система, и Сикомпилятор, и, по существу, все прикладные программы системы UNIX (включая и те, которые использовались для подготовки текста этой книги1) написаны на Си. Фирменные Си-компиляторы существуют и на нескольких машинах других типов, среди которых IBM/370, Honeywell 6000 и Interdata 8/32. Си не привязан к конкретной аппаратуре или системе, однако на нем легко писать программы, которые без какихлибо изменений переносятся на другие машины, где осуществляется его поддержка. Цель нашей книги — помочь читателю научиться программировать на Си. Издание включает введениеучебник, позволяющий новичкам начать программировать как можно скорее, а также главы, посвященные основным свойствам языка, и справочное руководство. В ее основу положены изучение, написание и проработка примеров, а не простое перечисление правил. Почти все наши примеры — это законченные реальные программы, а не разобщенные фрагменты. Все они были оттестированы на машине точно в том виде, как приводятся в книге. Помимо демонстрации эффективного использования языка, там, где это было возможно, мы стремились проиллюстрировать полезные алгоритмы и принципы хорошего стиля написания программ и их разумного проектирования. Эта книга не является вводным курсом по программированию. Предполагается, что читатель знаком с такими основными понятиями, как "переменная", "присваивание", "цикл", "функция". Тем не менее и новичок сможет изучить язык, хотя для него будет очень полезным общение с более знающими специалистами. Наш опыт показал, что Си — удобный, выразительный и гибкий язык, пригодный для программирования широкого класса задач. Его легко выучить, и чем больше работаешь с Си, тем он становится удобнее. Мы надеемся, что эта книга поможет вам хорошо его освоить. Вдумчивая критика и предложения многих друзей и коллег помогали нам написать книгу. В частности, Майк Бианки, Джим Блу, Стью Фелдман, Дуг Макилрой, Билл Рум, Боб Розин и Ларри Рослер со вниманием прочли все многочисленные варианты этой книги. Мы в долгу у Ала Ахо, Стива Бьерна, Дана Дворака, Чака Хейли, Марион Харрис, Рика Холта, Стива Джонсона, Джона Машея, Боба Митца, Ральфа Мухи, Питера Нельсона, Эллиота Пинсона, Билла Плейджера, Джерри Спивака, Кена Томпсона и Питера Вайнбергера за полезные советы, полученные от них на различных стадиях подготовки рукописи, а также у Майка Леска и Джо Оссанны за помощь при подготовке ее к изданию. Брайан В. Керниган, Деннис М. Ритчи Имеется в виду оригинал этой книги на английском языке. — Примеч. пер.