Внешние переменные
Программа на Си обычно оперирует с множеством внешних объектов: переменных и функций. Прилагательное "внешний" (external) противоположно прилагательному "внутренний", которое относится к аргументам и переменным, определяемым внутри функций. Внешние переменные определяются вне функций и потенциально доступны для многих функций. Сами функции всегда являются внешними объектами, поскольку в Си запрещено определять функции внутри других функций. По умолчанию одинаковые внешние имена, используемые в разных файлах, относятся к одному и тому же внешнему объекту (функции). (В стандарте это называется редактированием внешних связей (линкованием) (external linkage).) В этом смысле внешние переменные похожи на области COMMON в Фортране и на переменные самого внешнего блока в Паскале. Позже мы покажем, как внешние функции и переменные сделать видимыми только внутри одного исходного файла.
Поскольку внешние переменные доступны всюду, их можно использовать в качестве связующих данных между функциями как альтернативу связей через аргументы и возвращаемые значения. Для любой функции внешняя переменная доступна по ее имени, если это имя было должным образом объявлено.
Если число переменных, совместно используемых функциями, велико, связи между последними через внешние переменные могут оказаться более удобными и эффективными, чем длинные списки аргументов. Но, как отмечалось в главе 1, к этому заявлению следует относиться критически, поскольку такая практика ухудшает структуру программы и приводит к слишком большому числу связей между функциями по данным.
Внешние переменные полезны, так как они имеют большую область действия и время жизни. Автоматические переменные существуют только внутри функции, они возникают в момент входа в функцию и исчезают при выходе из нее. Внешние переменные, напротив, существуют постоянно, так что их значения сохраняются и между обращениями к функциям. Таким образом, если двум функциям приходится пользоваться одними и теми же данными и ни одна из них не вызывает другую, то часто бывает удобно оформить эти общие данные в виде внешних переменных, а не передавать их в функцию и обратно через аргументы.
В связи с приведенными рассуждениями разберем пример. Поставим себе задачу написать программу-калькулятор, понимающую операторы +, -, * и /. Такой калькулятор легче будет написать, если ориентироваться на польскую, а не инфиксную запись выражений. (Обратная польская запись применяется в некоторых карманных калькуляторах и в таких языках, как Forth и Postscript.) В обратной польской записи каждый оператор следует за своими операндами. Выражение в инфиксной записи, скажем
(1 - 2) * (4 + 5)
в польской записи представляется как
1 2 – 4 5 + *
Скобки не нужны, неоднозначности в вычислениях не бывает, поскольку известно, сколько операндов требуется для каждого оператора.
Реализовать нашу программу весьма просто. Каждый операнд посылается в стек; если встречается оператор, то из стека берется соответствующее число операндов (в случае бинарных операторов два) и выполняется операция, после чего результат посылается в стек. В нашем примере числа 1 и 2 посылаются в стек, затем замещаются на их разность -1. Далее в стек посылаются числа 4 и 5, которые затем заменяются их суммой (9). Числа -1 и 9 заменяются в стеке их произведением (т. е. -9). Встретив символ новой строки, программа извлекает значение из стека и печатает его.
Таким образом, программа состоит из цикла, обрабатывающего на каждом своем шаге очередной встречаемый оператор или операнд:
while (следующий элемент не конец-файла) if (число) послать его в стек
else if (оператор) взять из стека операнды выполнить операцию результат послать в стек
else if (новая-строка) взять с вершины стека число и напечатать
else ошибка
Операции "послать в стек" и "взять из стека" сами по себе тривиальны, однако по мере добавления к ним механизмов обнаружения и нейтрализации ошибок становятся достаточно длинными. Поэтому их лучше оформить в виде отдельных функций, чем повторять соответствующий код по всей программе. И конечно необходимо иметь отдельную функцию для получения очередного оператора или операнда.
Главный вопрос, который мы еще не рассмотрели, - это вопрос о том, где расположить стек и каким функциям разрешить к нему прямой доступ. Стек можно расположить в функции main и передавать сам стек и текущую позицию в нем в качестве аргументов функциям push ("послать в стек") и pop ("взять из стека"). Но функции main нет дела до переменных, относящихся к стеку, - ей нужны только операции по помещению чисел в стек и извлечению их оттуда. Поэтому мы решили стек и связанную с ним информацию хранить во внешних переменных, доступных для функций push и pop, но не доступных для main.
Переход от эскиза к программе достаточно легок. Если теперь программу представить как текст, расположенный в одном исходном файле, она будет иметь следующий вид:
#include /* могут быть в любом количестве */ #define /* могут быть в любом количестве */
объявления функций для main
main() {...} внешние переменные для push и pop
void push (double f) {...} double pop (void) {...}
int getop(char s[]) {...}
подпрограммы, вызываемые функцией getop
Позже мы обсудим, как текст этой программы можно разбить на два или большее число файлов.
Функция main - это цикл, содержащий большой переключатель switch, передающий управление на ту или иную ветвь в зависимости от типа оператора или операнда. Здесь представлен более типичный случай применения переключателя switch по сравнению с рассмотренным в параграфе 3.4.
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> /* для atof() */
#define MAXOP 100 /* макс. размер операнда или оператора */ #define NUMBER '0' /* признак числа */
int getop (char []); void push (double); double pop (void);
/* калькулятор с обратной польской записью */ main() { int type; double op2; char s[MAXOP];
while ((type = getop (s)) != EOF) { switch (type) { case NUMBER: push (atof(s)); break; case '+': push (pop() + pop()); break; case '*': push (pop() * pop()); break; case '-': op2 = pop(); push (pop() - op2); break; case '/': pop2 = pop(); if (op2 != 0.0) push (pop() / op2); else printf("ошибка: деление на нуль\n"); break; case '\n': printf("\t%.8g\n", pop()); break; default: printf("ошибка: неизвестная операция %s\n", s); break; } } return 0; }
Так как операторы + и * коммутативны, порядок, в котором операнды берутся из стека, не важен, однако в случае операторов - и /, левый и правый операнды должны различаться. Так, в
push(pop() – pop()); /* НЕПРАВИЛЬНО */
очередность обращения к pop не определена. Чтобы гарантировать правильную очередность, необходимо первое значение из стека присвоить временной переменной, как это и сделано в main.
#define MAXVAL 100 /* максимальная глубина стека */
int sp = 0; /* следующая свободная позиция в стеке */ double val[MAXVAL]; /* стек */
/* push: положить значение f в стек */ void push(double f) { if (sp < MAXVAL) val[sp++] = f; else printf("ошибка: стек полон, %g не помещается\n", f); }
/* pop: взять с вершины стека и выдать в качестве результата */ double pop(void) { if (sp > 0) return val[--sp]; else { printf ("ошибка: стек пуст\n"); return 0.0; } }
Переменная считается внешней, если она определена вне функции. Таким образом, стек и индекс стека, которые должны быть доступны и для push, и для pop, определяются вне этих функций. Но main не использует ни стек, ни позицию в стеке, и поэтому их представление может быть скрыто от main.
Займемся реализацией getop - функции, получающей следующий оператор или операнд. Нам предстоит решить довольно простую задачу. Более точно: требуется пропустить пробелы и табуляции; если следующий символ - не цифра и не десятичная точка, то нужно выдать его; в противном случае надо накопить строку цифр с десятичной точкой, если она есть, и выдать число NUMBER в качестве результата.
#include <ctype.h>
int getch(void); void ungetch(int);
/* getop: получает следующий оператор или операнд */ int getop(char s[]) { int i, с; while ((s[0] = с = getch()) == ' ' || с == '\t') ; s[1] = '\0; if (!isdigit(c) && с != '.') return c; /* не число */ i = 0; if (isdigit(c)) /* накапливаем целую часть */ while (isdigit(s[++i] == с = getch())) ; if (с =='.') /* накапливаем дробную часть */ while (isdigit(s[++i] = с = getch())) ; s[i] = '\0'; if (c != EOF) ungetch(c); return NUMBER; }
Как работают функции getch и ungetch? Во многих случаях программа не может "сообразить", прочла ли она все, что требуется, пока не прочтет лишнего. Так, накопление числа производится до тех пор, пока не встретится символ, отличный от цифры. Но это означает, что программа прочла на один символ больше, чем нужно, и последний символ нельзя включать в число.
Эту проблему можно было бы решить при наличии обратной чтению операции "положить-назад", с помощью которой можно было бы вернуть ненужный символ. Тогда каждый раз, когда программа считает на один символ больше, чем требуется, эта операция возвращала бы его вводу, и остальная часть программы могла бы вести себя так, будто этот символ вовсе и не читался. К счастью, описанный механизм обратной посылки символа легко моделируется с помощью пары согласованных друг с другом функций, из которых getch поставляет очередной символ из ввода, a ungetch отправляет символ назад во входной поток, так что при следующем обращении к getch мы вновь его получим.
Нетрудно догадаться, как они работают вместе. Функция ungetch запоминает посылаемый назад символ в некотором буфере, представляющем собой массив символов, доступный для обеих этих функций; getch читает из буфера, если там что-то есть, или обращается к getchar, если буфер пустой. Следует предусмотреть индекс, указывающий на положение текущего символа в буфере.
Так как функции getch и ungetch совместно используют буфер и индекс, значения последних должны между вызовами сохраняться. Поэтому буфер и индекс должны быть внешними по отношению к этим программам, и мы можем записать getch, ungetch и общие для них переменные в следующем виде:
#define BUFSIZE 100
char buf[BUFSIZE]; /* буфер для ungetch */ int bufp = 0; /* след. свободная позиция в буфере */
int getch(void) /* взять (возможно возвращенный) символ */ { return (bufp > 0) ? buf[--bufp] : getchar(); }
void ungetch(int c) /* вернуть символ на ввод */ { if (bufp >= BUFSIZE) printf("ungetch: слишком много символов\n"); else buf[bufp++] = с; }
Стандартная библиотека включает функцию ungetc, обеспечивающую возврат одного символа (см. главу 7). Мы же, чтобы проиллюстрировать более общий подход, для запоминания возвращаемых символов использовали массив.
Упражнение 4.3. Исходя из предложенной нами схемы, дополните программу- калькулятор таким образом, чтобы она "понимала" оператор получения остатка от деления (%) и отрицательные числа.
Упражнение 4.4. Добавьте команды, с помощью которых можно было бы печатать верхний элемент стека (с сохранением его в стеке), дублировать его в стеке, менять местами два верхних элемента стека. Введите команду очистки стека.
Упражнение 4.5. Предусмотрите возможность использования в программе библиотечных функций sin, ехр и pow. См. библиотеку <math.h> в приложении B (параграф 4).
Упражнение 4.6. Введите команды для работы с переменными (легко обеспечить до 26 переменных, каждая из которых имеет имя, представленное одной буквой латинского алфавита). Добавьте переменную, предназначенную для хранения самого последнего из напечатанных значений.
Упражнение 4.7. Напишите программу ungets(s), возвращающую строку s во входной поток. Должна ли ungets "знать" что-либо о переменных buf и bufp, или ей достаточно пользоваться только функцией ungetch?
Упражнение 4.8. Предположим, что число символов, возвращаемых назад, не превышает 1. Модифицируйте с учетом этого факта функции getch и ungetch.
Упражнение 4.9. В наших функциях не предусмотрена возможность возврата EOF. Подумайте, что надо сделать, чтобы можно было возвращать EOF, и скорректируйте соответственно программу.
Упражнение 4.10. В основу программы калькулятора можно положить применение функции getline, которая читает целиком строку; при этом отпадает необходимость в getch и ungetch. Напишите программу, реализующую этот подход.
