Přednášky

Podklady přednášek pro aktuální akademický rok 2021/2022. Podklady se skládají z promítaných slidů, které jsou také k dispozici ve zkrácených verzích šetrnějších k případnému tisku, bez přechodů mezi snímky a ve formátu čtyř a devíti snímků na stránku.

Podklady tvoří podpůrný materiál a jejich učelem není nahradit vlastní zápisky z přednášky, které jsou prostředkem osvojení si studované problematiky.

Tématicky je náplň přednášek pokryta v knize Stephen G. Kochan: Programming in C (3rd Edition), Sams Publishing, 2005. Před přednáškou je doporučeno pročíst si odkazované kapitoly.

V přednáškách uvedené zdrojové kódy jsou přiloženy v příslušném .zip archivu. Kromě vyzkoušení programů je též vřele doporučeno si složitější úlohy samostatně naprogramovat a přednáškové příklady využít pro inspiraci.

Otázky na přednášku pište do sdíleného dokumentu, který je přístupný z domény FEL, tj., použijte svůj přístup do Google Apps for Education (GAE).

Harmonogram přednášek

#VTýden Týden Téma Středa 16:15 (Místnost T2:D3-309)
01 38. Přednáška 01 - Informace o předmětu, Úvod do programování
S. G. Kochan: kapitoly 2 a 3
22.09. - lec01
02 39. Přednáška 02 - Základy programování v C
S. G. Kochan: kapitoly 2 a 3
29.09. - lec02
03 40. Přednáška 03 - Zápis programu v C a základní řídicí struktury
S. G. Kochan: kapitoly 3, 4, 5 a část 6
06.10. - lec03
04 41. Přednáška 04 - Řídicí struktury, výrazy a funkce
S. G. Kochan: kapitoly 4, 5, 6 a 12
13.10. - lec04
05 42. Přednáška 05 - Pole, ukazatel, textový řetězec
S. G. Kochan: kapitoly 7, 10 a 11
20.10. - lec05
06 43. Přednáška 06 - Ukazatele, paměťové třídy a volání funkcí
S. G. Kochan: kapitoly 8 a 11
27.11. - lec06
07 44. Přednáška 07 - Struktury a uniony, přesnost výpočtů a vnitřní reprezentace číselných typů
S. G. Kochan: kapitoly 9, 14, 17 a Appendix B
03.11. - lec07
08 45. Přednáška 08 - Standardní knihovny C. Rekurze.
S. G. Kochan: kapitola 16 a Appendix B
10.11. - lec08
09 46. Státní svátek - Den boje za svobodu a demokracii a Mezinárodní den studentstva 17.11. - Státní svátek
10 47. Přednáška 09 - Spojové struktury 24.11. - lec09
11 48. Přednáška 10 - Stromy 01.12. - lec10
12 49. Přednáška 11 - Abstraktní datový typ (ADT) - zásobník, fronta, prioritní fronta 08.12. - lec11
13 50. Přednáška 12 - Prioritní fronta, halda. Příklad použití při hledání nejkratší cesty v grafu 15.12. - lec12
51. Zimní prázdniny 20.12.-2.1.
52. Zimní prázdniny 20.12.-2.1.
14 01. Přednáška 13 - Rezerva 05.01. - lec13
Přednáška 13 - Stručný úvod do C++ Volitelné téma
Přednáška 14 - C++ konstrukty v příkladech Volitelné téma

1. Informace o předmětu, Procedurální programování základy programování v C

Jan Faigl 2021/09/20 23:14

2. Základy programování v C

Jan Faigl 2020/09/23 14:32

Dotazy z přednášky

Q: Proč je návratový typ programu (funkce main) int, když maximální hodnota předaná interpretu příkazu pouze 255?

Je to dáno historicky. Cčko nelimituje rozsah a definuje int, nicméně zaleží na procesu, který program spouští. V našem případě interpret příkazů. Dokonce je to tak, že GNU bash limituje rozsah na 7-bitů, POSIX shell na 8 bitů a třeba Windows na 32-bit unsigned int. V tomto kontextu stojí za zmínku speciální návratové hodnoty.

Q: Jaká je vnitřní reprezentace typu _Bool?

Norma standardu C uvádí, že dostatečná pro uložení hodnot 0 a 1. Prakticky je to char, tj. jeden byte, viz příklad lec02/bool.c.

Q: Jak vytisknu znak '%' nebo '\' ve funkci printf()?

Jako dvojici znaků, tj.

printf("%% a \\ a následně nový řádek \n");

Jan Faigl 2017/10/20 08:21 Aktualizace: Oprava překlepů, doplnění informace o unárním operátoru přetypování.

3. Zápis programu v C a základní řídicí struktury

Jan Faigl 2020/10/09 10:03

Doplnění načítání vstupu

Při načítání vstupu funkcí scanf() lze rozlišit tři případy - úspěšné načtení požadované hodnoty, detekce ukončení vstupu a vstup neodpovídající načítané hodnotě, více viz man 3 scanf.

#include <stdio.h>
 
int main(void)
{
   int v;
   int r;
   int c = 0;
   while ((r = scanf("%d", &v)) > 0) {
      c += 1;
   }
   if (r == EOF) {
      printf("End of file detected, no. of parsed values %i\n", c);
   } else {
      printf("Error occur during parsing value no. %i\n", c + 1);
   }
   return 0;
}

Při interaktivním vstupu z klávesnice lze vstup ukončit kontrolním znakem Ctrl+D (nebo Ctrl+Z na win).

4. Řídicí struktury, výrazy a funkce

Jan Faigl 2020/10/09 10:12

#define BITS 4 //number of bits to print (4 to make it readable)
 
void print_binary(char *prefix, uint8_t n) 
{
   printf(prefix, n);
   int mask = 1<<(BITS-1); // we need to shift 1 to BITS position, thus -1
   for (int i = 0; i < BITS; ++i) {
      putc((n & mask) ? '1' : '0', stdout);
      mask = mask >> 1; // 
   }
   printf("\n");
}
 
uint8_t a = 4;
print_binary("a     dec: %d bin: ", a);

Dotazy z přednášky

Q: Jak mohu porovnat dva soubory?

Kromě použítí příkazu diff existují další nástroje, např. https://meldmerge.org/, případně konzolový vimdiff nebo grafický gvimdiff editoru vim, více např. vimdiff-nastroj-drsnaku.

Q: Proč kompilátor hlásí chybu chybějícího znaku nového řádku na konci souboru?

Při kompilaci programu bez znaku konce řádku na konci souboru, např. při kompilaci clang -pedantic -Wall -Werror main.c, dojde k chybě.

 error: no newline at end of file [-Werror,-Wnewline-eof]

Je do dáno historickým rozhodnutím, že neprázdný zdrojový soubor by měl být zakončem znakem nového řádku. Je tak součástí standardu jazyka.

Dobrý důvod proč je vhodné zakončovat soubory koncem řádku je například při použit vložení souborů příkazem preprocesoru ##include, který nevkládá nový řádek, přestože to mnoho moderních kompilátorů dělá. Stále však platí, že starší kompilátory s tím mohou mít potíže a může to být velmi těžko odhalitelná chyba. V novém C++11, již tento požadevek není, stále však zůstává pro C99.

V případě VS Code, podobně jako v celé řadě jiných programů, lze chování editor nastavit, např. Insert New Line at the End of Files.

Q: Je možné umístit návěští pro příkaz goto před cyklus?

V zásadě ano, jediným zásadním omezením je pouze v rámci jedné funkce. Dále je nutné, aby za návěštím byl příkaz, například definice proměnné není příkaz.

Návěští před začátkem cyklu Návěští před začátkem cyklu před definicí proměnné (nelze) Návěští před začátkem cyklu s příkazem
int a; // začátek platnosti a
outer: 
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    goto outer;
} 
outer: // definice proměnné není příkaz
int a; 
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    goto outer;
}
outer: // po návěští je příkaz 
;
int a; 
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    goto outer;
}

Nicméně podstatnou nevýhodou umístění návěští před cyklus je horší čitelnost a tím také vyšší náchylnost k chybě a zacyklení.

5. Pole, ukazatel, textový řetězec

Jan Faigl 2020/10/21 22:18

Dotazy z přednášky

Q: Jak inicializovat hodnoty pole při definici?

Při definici proměnné typu pole můžeme rovnou nastavit jednotlivé prvky a využít tzv. designated initializers. V takovém případě jsou incializované všechny prvky. Ty uvedené na zadanou hodnotu, jinak je nastavena výchozí hodnota 0.

int a[6] = {10, 12, [3] = 3, 5}; //pole a má 6 prvků s hodnotami {10, 12, 0, 3, 5, 0}, tj. nespecifkované prvky mají hodnotu 0.
int b[] = {1, 2, 3}; // pole má pouze 3 prvky {1, 2, 3}
int c[6] = {1, 2, 3}; // pole má 6 prvků { 1, 2, 3, 0, 0, 0}
int d[4] = {}; // pole má 4 prvky incializované na 0, tj. {0, 0, 0, 0}
Q: Proč uvedený příklad načítání skončil v nekonečné smyčce?

Načítání hodnot celých čísel funkcí scanf() ve smyčce while:

#include <stdio.h>
 
int main(void)
{
   int v;
   int i = 0;
   while (scanf("%d", &v) > 0) {
      printf("%d %d\n", ++i, v); 
   }
   printf("No. of read values %d\n", i);
   return 0;
}

Skončil v nekonečné smyčce, neboť původní podmínka cyklu

 while (scanf("%d", &v)) { ... } 
je vyhodnocena jako logická pravda i v případě neúspěšného načtení nové celočíselné hodnoty. V proměnné zůstane původní hodnota. Při opravě jsem, jak někdo na přednášce zmínil, zapomněl soubor uložit.

6. Ukazatele, paměťové třídy a volání funkcí

Jan Faigl 2020/11/05 11:31

Dotazy z přednášky

Q: Snažím se načíst celé číslo do typu unsigned int funkcí scanf() a když dám na vstup celé záporné číslo, např. -10, nejen, že se hodnota načte, ale hodnota je veliká. Jak je to možné?

Minimální kód programu read_unsigned.c může být například:

#include <stdio.h>
 
int main(void)
{
   unsigned int i;
   int r = scanf("%+u", &i);
   printf("Return value %i read value %u\n", r, i);
   return 0;
}

Výstup pak například

clang read_unsigned.c && echo "-10" | ./a.out
Return value 1 read value 4294967286
Hodnota 4294967286 odpovídající maximálním hodnotě typu unsigned int bez 10 vyplývá z použití doplňkového kódu. Program nemá zřejmé očekávané chování. Při bližším pohledu na chování funkce scanf(), např. man scanf

NAME
     scanf, fscanf, sscanf, vscanf, vsscanf, vfscanf — input format conversion

LIBRARY
     Standard C Library (libc, -lc)
...
u     Matches an optionally signed decimal integer; the next pointer must
           be a pointer to unsigned int.
...
se dočteme, že konverze přes “%u” načítá znamenkový integer. Funkce se tak chová dle dokumentace. V případě, že bychom se chtěli vyhnout takovému chování můžeme buď použití větší datový typ, např. unsigned long, a kontroloval rozsah pro unsigned int nebo si napsat vlastní načítání pouze kladných hodnot a při výskytu znaku '-' na vstupu indikovat špatný vstup.

7. Struktury a uniony, přesnost výpočtů a vnitřní reprezentace číselných typů

Jan Faigl 2020/10/02 23:15

Doplnění k HW06 “přetypování” dynamického pole na statické pole

V domácím úkolu 6 na matice je povinné zadání možné realizovat pouze s využitím proměnných typu pole (VLA). V zásadě nám stačí postupně načíst dvě matice a spočítat výsledek. Matice můžeme načíst tak, že nejdříve načteme rozměry matice a následně alokujeme matici na zásobníku jako dvourozměrné VLA pole. Problém tak dekomponujeme na funkce pro

  • Načtení rozměrů matice
  • Načtení matice danných rozměrů
  • Tři funkce pro součet, rozdíl a násobení.

Celkově se vejde implememntace do cca 150 řádků a méně. Nemusíme řešit alokaci/dealokaci a celkově si procvičíme práci s polem VLA.

Při implementaci volitelného zadání vystačíme se čtyřmi proměnnými pro matice a postupně načítáme matice a co je možné spočítat můžeme rovnou vyčíslit, např. v případě tří matice v součtu můžeme první dvě sečít, v případě násobení můžeme dvě matice rovnou vynásobit. Nicméně zde se nám už může hodit dynamická alokace a funkce pro načtení matice nám přímo alokuje paměť na haldě což je pohodlnější, jen pak nesmím zapomenout na uvolnění paměti voláním free(). Jestliže jsme použili pro povinné zadání VLA pole, nemusíme funkce přepisovat, ale můžeme využít faktu, že pole i vícerozměrné je souvislý blok paměti. Proto pokud alokujeme matici dynamicky jako souvislý blok paměti o velikosti počet řádku krát počet sloupců můžeme využít faktu, že proměnná pole ukazuje na první prvek podobně jako hodnota ukazatele dynamického pole.

void print(int rows, int cols, int m[cols][rows])
{
   for (int r = 0; r < rows; ++r) {
      for (int c = 0; c < cols; ++c) {
         printf("%4d", m[r][c]);
      }
      print("\n");
   }
}
...
int *matrix_p = malloc(cols * rows * sizeof(int));
int (*matrix)[cols) = (int (*)[cols]) matrix_p; 
 
print(rows, cols, matrix); // s proměnnou matrix můžem pracovat jako s dvojrozměrným polem
 
free(matrix_p);
Výhoda tohoto přístupu je, že použijeme většinu implementace z předchozího řešení povinného zadání. Celkově se implementace vejde do 180 řádků.

V případně bonusové úlohy, ale také i volitelného zadání lze s výhodou použít složený typ struct, který bude obsahovat položky definující velikost matice a vlastní data. V tomto případě se dynamické alokaci nevyhneme, proto může být výhodné kromě struktury, implementovat též funkce pro alokaci případně dealokaci. Můžete si též vyzkoušet dynamickou alokaci jako jednorozměrnné pole (souvislý blok paměti) nebo dynamickou alokaci dvourozměrného pole jako pole ukazatelů na dynamické pole hodnot. V tomto případě však nebude matice reprezentována jako souvislý blok paměti a celkově je potřeba také více paměti, tj. rows * sizeof(int*) + rows * cols * sizeof(int), protože pole řádku je pole ukazatelů na int.

Dotazy z přednášky

Q: Je nutné nebo vhodné explicitně typovat ukazatel návratové hodnoty z volání funkce malloc()?

Vyloženě nutné to v současných verzích Cčka není, přestože pro některé kompilátory (zvláště pak před standarem) to nutné bylo. V současné době je typ void* chápan jako generický ukazatel, jehož přetypování na konktrétní typ ukazatel na proměnné příslušné typu je zřejmé dle typu proměnné a není tak nutné explicitní přetypování uvádět. Jestli je vhodné explicitně přetypovat, tak na to se názory různí. Například v knize S.G.Kochan: Programming in C (3rd Edition), Sams Publishing, 2005 je uváděn malloc vždy s explicitním přetypováním:

int *a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

Naproti tomu v knize K.N. King: C Programming A Modern Approach, Second Edition. W. W. Norton & Company, Inc., 2008 je preferována varianta bez přetypování:

int *b = malloc(10 * sizeof(int));

Obě varianty jsou přípustné, argumenty proti explicitnímu přetypování jsou uváděny například: přehlednější kód a je to zbytečné, neboť dochází k přetypování automaticky. Na druhé straně relativně silné argumenty pro explicitní přetypování uvedené v diskusi http://stackoverflow.com/questions/605845/do-i-cast-the-result-of-malloc jsou například:

You do cast, because:

  • It makes your code more portable between C and C++, and as SO experience shows, a great many programmers claim they are writing in C when they are really writing in C++ (or C plus local compiler extensions).
  • Failing to do so can hide an error: note all the SO examples of confusing when to write type * versus type **.
  • The idea that it keeps you from noticing you failed to #include an appropriate header file misses the forest for the trees. It's the same as saying “don't worry about the fact you failed to ask the compiler to complain about not seeing prototypes – that pesky stdlib.h is the REAL important thing to remember!”
  • It forces an extra cognitive cross-check. It puts the (alleged) desired type right next to the arithmetic you're doing for the raw size of that variable. I bet you could do an SO study that shows that malloc() bugs are caught much faster when there's a cast. As with assertions, annotations that reveal intent decrease bugs.
  • Repeating yourself in a way that the machine can check is often a great idea. In fact, that's what an assertion is, and this use of cast is an assertion. Assertions are still the most general technique we have for getting code correct, since Turing came up with the idea so many years ago.

Je to tak spíše věc osobního vkusu, preferencí, případně používaného kódovacího stylu.

Q: Jak funguje ukazatelová aritmetika v případě void*

Přičítá se hodnota jednoho bajtu, například pro hodnotu ukazatele void *a = 0x100; bude je hodnota (a+1) rovna 0x101.

8. Standardní knihovny C, rekurze

Jan Faigl 2020/10/04 15:13

Umístění errno.h

Chybové kódy standardní knihovny C jsou definovány v souboru errno.h, umístění souboru s definicí chyb je však na různých systémch různé. V unixovových systém se jedná zpravidla o /usr/include/errno.h případně /usr/include/sys/errno.h, popis jednotlivých konstant a hodnot lze také najít např. v man errno. V distribucích Linuxu je situace trošku složitější, neboť umístění záleží na konkrétní distribuci, např. lP5oGIqdWEU

  • /usr/include/asm/errno.h
  • /usr/include/asm-generic/errno-base.h
  • /usr/include/asm-generic/errno.h
  • /usr/lib/bcc/include/linux/errno.h
  • /usr/include/sys/errno.h
  • /usr/include/asm-i386/errno.h

Konkrétní soubor můžeme najít například příkazem

grep -R 17 /usr/include/**/errno*.h
/usr/include/asm-generic/errno-base.h:#define	EEXIST		17	/* File exists */
/usr/include/asm-generic/errno.h:#define	EUCLEAN		117	/* Structure needs cleaning *

jehož výstup nám napoví, že na tomto konkrétním Linuxu jsou rozděleny chybové kódy do souborů errno-base.h (obsahující základní kódy) a errno.h obsahující rozšířené kódy, tj. kódy s vyšší hodnotou.

Dále je většinou v Linuxu standardní knihovna libc realizována jako GNU libc (glibc ), což přináší některé zajímavé funkce , které na druhou stranu nejsou dostupné na jiných OS, nelinuxového typu, např. OS X.

9. Spojové struktury

Jan Faigl 2020/10/04 15:13

Jak úsporně napsat dynamickou alokaci bez dvojího zápisu typu proměnné od Ondřeje T.

int *array = malloc(100 * sizeof *array);
Využíváme faktu, že sizeof je operátor a zároveň, že jej můžeme použít přímo s proměnnou. Zde *array je typu int.

10. Stromy

Jan Faigl 2020/10/03 22:40

 while (!feof(f) && !exit) {                               ->          while (!exit) {
      if (g->num_edges == g->capacity) {                                    if (g->num_edges == g->capacity) {
         enlarge_graph(g);                                                      enlarge_graph(g);
      }                                                                      }
      edge_t *e = g->edges + g->num_edges;                                   edge_t *e = g->edges + g->num_edges;
      while (!feof(f) && g->num_edges < g->capacity) {     ->                while (g->num_edges < g->capacity) {
Funkce feof() vrací logickou hodnotu TRUE pouze v případě dosažení konce souboru, což je detekováná až při pokusu o čtení. Vždy je proto nutné kontrolovat návratové hodnoty čtecích funkcí více např. viz https://faq.cprogramming.com/cgi-bin/smartfaq.cgi?answer=1046476070&id=1043284351

11. Abstraktní datový typ (ADT) - zásobník, fronta, prioritní fronta

Jan Faigl 2020/10/03 22:40

12. Prioritní fronta, halda. Příklad použití prioritní fronty při hledání nejkratší cesty v grafu

Jan Faigl 2017/12/23 08:09 Aktualizace: Zjednoušení návratové hodnoty funkce dijkstra_solve() a zpřehlednění podmínky v pq_down().

Jan Faigl 2018/01/08 08:48 Aktualizace: tdijkstra verze 2.3.6. - fix segfault při pokusu testovat řešení většího grafu než je vstupní graf

Jan Faigl 2018/01/08 08:48 Aktualizace: tdijkstra verze 2.3.7. - fix návrat 0 při chybě

Jan Faigl 2020/11/11 09:51

Volitelná témata

13. Stručný úvod do C++

Jan Faigl 2021/01/12 18:39

14. C++ konstrukty v příkladech

Jan Faigl 2021/01/12 18:39

14. Přednáška na vyzvané téma

Zkouškový test

Např. systémy pro správu verzí * prezentace: b0b36prp-lec14-slides.pdf * zkrácená verze: b0b36prp-lec14-handout.pdf * zkrácená verze 2×2: b0b36prp-lec14-handout-2x2.pdf * zkrácená verze 3×3: b0b36prp-lec14-handout-3x3.pdf

Jan Faigl 2018/09/22 23:59

courses/b0b36prp/lectures/start.txt · Last modified: 2021/09/20 23:20 by faiglj