مقدمه اي بر زبان C

پس از نوشتن يك الگوريتم بايد آن را با استفاده از يك زبان برنامه نويسي تبديل به يك برنامه قابل اجرا براي كامپيوتر نماييم. اين زبانها به سه دسته كلي تقسيم ميگردند :

1- زبان ماشين (سطح پايين) : اين زبان مستقيما با صفر و يك نوشته مي شود و بدون هيچ واسطه اي برروي كامپيوتر قابل اجرا است. طراحان سخت افزار هر كامپيوتر، زبان ماشين خاص خود را براي آن ماشين طراحي مي نمايند. به همين دليل هر برنامه اي كه به زبان ماشين نوشته شود، فقط برروي همان ماشين خاص كار مي كند، بهمين دليل برنامه هاي نوشته شده به زبان ماشين را غير قابل حمل مي نامند. از طرف ديگر يادگيري اين زبان بسيار مشكل بوده و برنامه نويسي با آن نيز بسيار سخت است و همچنين احتمال بروز خطا نيز در آن زياد است.

2- زبان اسمبلي : اين زبان شكل ساده تر زبان ماشين است، بدين صورت كه براي هر دستورالعمل زبان ماشين، يك اسم نمادين انتخاب شده است (مانند دستور ADD بجاي كد دودويي دستورالعمل جمع) كه بخاطر سپردن و برنامه نويسي با آنها براي انسانها ساده تر است. اما اين برنامه ها براي ماشين قابل فهم نيست و بايد قبل از اجرا شدن توسط برنامه مترجمي بنام اسمبلر به زبان ماشين تبديل شود. توجه كنيد كه از آنجا كه هر دستور زبان اسمبلي معادل يك دستور زبان ماشين است، اين زبان نيز وابسته به ماشين مي باشد و برنامه هاي نوشته شده به اين زبان فقط برروي همان كامپيوتري كه براي آن نوشته شده اند قابل اجرا است. علاوه براين كار با اين زبانها هنوز هم نسبتا مشكل بود و فقط متخصصين كامپيوتر قادر به استفاده از آنها بودند.

3- زبانهاي سطح بالا : دستورالعملهاي اين زبانها بسيار نزديك به زبان انسانها (بطور مشخص زبان انگليسي) مي باشد و بهمين دليل برنامه نويسي به آنها بسيار ساده تر بوده و مي توان الگوريتمها را به راحتي به اين زبانها تبديل كرد. از آنجا كه اين زبانها به هيچ ماشين خاصي وابسته نيستند، برنامه هاي نوشته شده با اين زبانها (تا حد زيادي) قابل حمل مي باشند. مثالهايي از اين زبانها عبارتند از :

- بيسيك (Basic): براي كاربردهاي آموزشي
- فرترن (Fortran) : براي كاربردهاي علمي و مهندسي
- پاسكال (Pascal) : براي كاربردهاي آموزشي و علمي

و بالاخره زبان برنامه نويسي C كه درمورد آن بيشتر صحبت خواهيم كرد. البته برنامه هاي نوشته شده به اين زبانها ابتدا بايد به زبان ماشين ترجمه شوند تا برروي كامپيوتر قابل اجرا باشند. براي ترجمه اين زبانها از كامپايلرها و يا مفسرها (به فصل 1 مراجعه كنيد) استفاده مي شود.

تاريخچه C

براي بررسي تاريخچه زبان C بايد به سال 1967 بازگرديم كه مارتين ريچاردز زبان BCPL را براي نوشتن نرم افزارهاي سيستم عامل و كامپايلر در دانشگاه كمبريج ابداع كرد. سپس در سال 1970 كن تامپسون زبان B را بر مبناي ويژگيهاي زبان BCPL نوشت و از آن براي ايجاد اولين نسخه هاي سيستم عامل Unix در آزمايشگاههاي بل استفاده كرد. زبان C در سال 1972 توسط دنيس ريچي از روي زبان B و BCPL در آزمايشگاه بل ساخته شد و ويژگيهاي جديدي همچون نظارت بر نوع داده ها نيز به آن اضافه شد. ريچي از اين زبان براي ايجاد سيستم عامل Unix استفاده كرد اما بعدها اكثر سيستم عاملهاي ديگر نيز با همين زبان نوشته شدند. اين زبان با سرعت بسياري گسترش يافت و چاپ كتاب "The C Programming Language" در سال 1978 توسط كرنيگان و ريچي باعث رشد روزافزون اين زبان در جهان شد.

متاسفانه استفاده گسترده اين زبان در انواع كامپيوترها و سخت افزارهاي مختلف باعث شد كه نسخه هاي مختلفي از اين زبان بوجود آيد كه با يكديگر ناسازگار بودند. در سال 1983 انستيتوي ملي استاندارد آمريكا (ANSI) كميته اي موسوم به X3J11 را را مامور كرد تا يك تعريف فاقد ابهام و مستقل از ماشين را از اين زبان تدوين نمايد.در سال 1989 اين استاندارد تحت عنوان ANSI C به تصويب رسيد و سپس در سال 1990، سازمان استانداردهاي بين المللي (ISO) نيز اين استاندارد را پذيرفت و مستندات مشترك آنها تحت عنوان ANSI/ISO C منتشر گرديد.

در سالهاي بعد و با ظهور روشهاي برنامه نويسي شي گرا نسخه جديدي از زبان C بنام C++ توسط بيارنه استراوستروپ در اوايل 1980 در آزمايشگاه بل توسعه يافت. در C++ علاوه بر امكانات جديدي كه به زبان C اضافه شده است، خاصيت شي گرايي را نيز به آن اضافه كرده است.

با گسترش شبكه و اينترنت، نياز به زباني احساس شد كه برنامه هاي آن بتوانند برروي هر ماشين و هر سيستم عامل دلخواهي اجرا گردد. شركت سان مايكروسيستمز در سال 1995 ميلادي زبان Java را برمبناي C و C++ ايجاد كرد كه هم اكنون از آن در سطح وسيعي استفاده مي شود و برنامه هاي نوشته شده به آن برروي هر كامپيوتري كه از Java پشتيباني كند(تقريبا تمام سيستمهاي شناخته شده) قابل اجرا مي باشد. شركت مايكروسافت در رقابت با شركت سان، در سال 2002 زبان جديدي بنام C# (سي شارپ) را ارائه داد كه رقيبي براي Java بشمار مي رود.

برنامه نويسي ساخت يافته

در دهه 1960 ميلادي توسعه نرم افزار دچار مشكلات عديده اي شد. در آن زمان سبك خاصي براي برنامه نويسي وجود نداشت و برنامه ها بدون هيچگونه ساختار خاصي نوشته مي شدند. وجود دستور پرش (goto) نيز مشكلات بسياري را براي فهم و درك برنامه توسط افراد ديگر ايجاد مي كرد، چرا كه جريان اجراي برنامه مرتبا دچار تغيير جهت شده و دنبال كردن آن دشوار مي گرديد. لذا نوشتن برنامه ها عملي بسيار زمان بر و پرهزينه شده بود و معمولا اشكال زدايي, اعمال تغييرات و گسترش برنامه ها بسيار مشكل بود. فعاليتهاي پژوهشي در اين دهه باعث بوجود آمدن سبك جديدي از برنامه نويسي بنام روش ساختيافته گرديد؛ روش منظمي كه باعث ايجاد برنامه هايي كاملا واضح و خوانا گرديد كه اشكال زدايي و خطايابي آنها نيز بسيار ساده تر بود.

اصلي ترين نكته در اين روش عدم استفاده از دستور پرش (goto) است. تحقيقات بوهم و ژاكوپيني نشان داد كه مي توان هر برنامه اي را بدون دستور پرش و فقط با استفاده از 3 ساختار كنترلي ترتيب، انتخاب و تكرار نوشت.

ساختار ترتيب، همان اجراي دستورات بصورت متوالي (يكي پس از ديگري) است كه كليه زبانهاي برنامه نويسي در حالت عادي بهمان صورت عمل مي كنند.

ساختار انتخاب به برنامه نويس اجازه مي دهد كه براساس درستي يا نادرستي يك شرط، تصميم بگيرد كدام مجموعه از دستورات اجرا شود.

ساختار تكرار نيز به برنامه نويسان اجازه مي دهد مجموعه خاصي از دستورات را تا زمانيكه شرط خاصي برقرار باشد، تكرار نمايد.
(براي شرح بيشتر موارد فوق به فصل 3 مراجعه نماييد).

هر برنامه ساختيافته از تعدادي بلوك تشكيل مي شود كه اين بلوكها به ترتيب اجرا مي شوند تا برنامه خاتمه يابد(ساختار ترتيب). هر بلوك مي تواند يك دستورساده مانند خواندن، نوشتن يا تخصيص مقدار به يك متغير باشد و يا اينكه شامل دستوراتي باشد كه يكي از 3 ساختار فوق را پياده سازي كنند. نكته مهم اينجاست كه درمورد دستورات داخل هر بلوك نيز همين قوانين برقرار است و اين دستورات مي توانند از تعدادي بلوك به شرح فوق ايجاد شوند و تشكيل ساختارهايي مانند حلقه هاي تودرتو را دهند.

نكته مهم اينجاست كه طبق قوانين فوق يك حلقه تكرار يا بطور كامل داخل حلقه تكرار ديگر است و يا بطور كامل خارج آن قرار مي گيرد و هيچگاه حلقه هاي روي هم افتاده نخواهيم داشت.

از جمله اولين تلاشها در زمينه ساخت زبانهاي برنامه نويسي ساختيافته، زبان پاسكال بود كه توسط پروفسور نيكلاس ويرث در سال 1971 براي آموزش برنامه نويسي ساختيافته در محيطهاي آموزشي ساخته شد و بسرعت در دانشگاهها رواج يافت. اما بدليل نداشتن بسياري از ويژگيهاي مورد نياز مراكز صنعتي و تجاري در بيرون دانشگاهها موفقيتي نيافت.

كمي بعد زبان C ارائه گرديد كه علاوه بر دارا بودن ويژگيهاي برنامه نويسي ساختيافته بدليل سرعت و كارايي بالا مقبوليتي همه گير يافت و هم اكنون سالهاست كه بعنوان بزرگترين زبان برنامه نويسي دنيا شناخته شده است.

مراحل اجراي يك برنامه C

براي اجراي يك برنامه C ابتدا بايد آن را نوشت. براي اينكار مي توان از هر ويرايشگر متني موجود استفاده كرد و سپس فايل حاصل را با پسوند .C ذخيره نمود (فايلهاي C++ با پسوند .CPP ذخيره مي گردند). به اين فايل، كد مبدا (source code) گفته مي شود. مرحله بعدي تبديل كد مبدا به زبان ماشين است كه به آن كد مقصد (object code) گفته مي شود. همانطوركه قبلا نيز گفته شد براي اينكار از يك برنامه مترجم بنام كامپايلر استفاده مي شود. كامپايلرهاي متعددي براي زبان C توسط شركتهاي مختلف و براي سيستم عاملهاي مختلف نوشته شده است كه مي توانيد برحسب نياز از هريك از آنها استفاده نماييد. اما هنوز برنامه براي اجرا آماده نيست. معمولا برنامه نويسان از در برنامه هاي خود از يك سري از كدهاي از پيش آماده شده براي انجام عمليات متداول (مانند محاسبه جذر و يا سينوس) استفاده مي كنند كه برنامه آنها قبلا نوشته و ترجمه شده است. اين برنامه ها يا در قالب كتابخانه هاي استاندارد توسط شركتهاي ارائه كننده نرم افزار عرضه شده است و يا توسط ديگر همكاران برنامه نويس اصلي نوشته و در اختيار وي قرار داده شده است. در اين مرحله بايد كد مقصد برنامه اصلي با كدهاي مربوط به اين برنامه هاي كمكي پيوند زده شود. براي اينكار نياز به يك پيوند زننده (Linker) داريم و نتيجه اين عمل يك فايل قابل اجرا خواهد بود (در ويندوز اين فايل پسوند .EXE خواهد داشت). مرحله بعدي اجراي برنامه و دادن وروديهاي لازم به آن و اخذ خروجيها مي باشد. در شكل زير اين مراحل نشان داده شده اند.

مسلما طي مراحل بالا براي اجراي هر برنامه زمانبر مي باشد، بهمين دليل اكثر توليد كنندگان كامپايلرها، محيطهايي را براي برنامه نويسي ارائه كرده اند كه كليه مراحل بالا را بطور اتوماتيك انجام مي دهند.

به اين محيطها IDE (Integrated Development Environment) يا محيط مجتمع توسعه نرم افزار گفته مي شود. اين محيطها داراي يك ويرايشگر متن مي باشند كه معمولا داراي خواص جالبي همچون استفاده از رنگهاي مختلف براي نشان دادن اجزاي مختلف برنامه مانند كلمات كليدي، و يا قابليت تكميل اتوماتيك قسمتهاي مختلف برنامه مي باشد. پس از نوشتن برنامه و با انتخاب گزينه اي مانند Run كليه عمليات فوق بطور اتوماتيك انجام شده و برنامه اجرا مي گردد. علاوه براين، اين محيطها معمولا داراي امكانات اشكالزدايي برنامه (Debug) نيز مي باشند كه شامل مواردي همچون اجراي خط به خط برنامه و يا ديدن محتويات متغيرها در زمان اجرا است. چند محيط معروف برنامه نويسي عبارتند از :

Borland C++ 3.1 براي محيط DOS
Borland C++ از نسخه 4 به بالا براي Windows
Microsoft Visual C++ براي محيط Windows
Borland C++ Builder براي محيط Windows

براي شروع ما از محيط Borland C++ 3.1 تحت Dos كه نحوه كار ساده تري نسبت به سايرين دارد استفاده مي كنيم.
پس از نصب اين نرم افزار، برنامه BC.exe را اجرا كنيد تا وارد محيط borland c شويد

همانطور كه مي بينيد، اين محيط از 3 قسمت اصلي تشكيل شده است :

- بخش ويرايش برنامه : بخش آبي رنگ وسط مي باشد كه در حقيقت يك ويرايشگر است كه برنامه در آن تايپ مي شود. همانطور كه مي بينيد در اين ويرايشگر از رنگهاي مختلف براي نشان دادن قسمتهاي مختلف برنامه استفاده مي شود. مثلا براي كلمات كليدي از رنگ سفيد استفاده شده است.

- بخش منوهاي كاري : اين بخش كه در قسمت بالا واقع شده است،- حاوي تعدادي منو (گزينه) براي انجام وظايف مختلف است. خلاصه اين عمليات عبارتند از :
o منوي File : عملياتي مانند باز كردن و يا ذخيره يك برنامه
o منوي Edit : عمليات ويرايش مانند حذف،o كپي و يا چسباندن يك قسمت از برنامه
o منوي Search : جستجوي و يا تعويض يك متن در برنامه
o منوي Run : اجراي برنامه بصورت كامل يا دستور به دستور
o منوي Compile : عمليات مربوط به كامپايل و پيوند برنامه
o منوي Debug : عمليات مربوط به اشكالزدايي مانند ديدن مقادير متغيرها در زمان اجرا
o منوي Project : عمليات مربوط به مديريت برنامه هايي كه شامل چندين فايل مستقل هستند (پروژه)
o منوي Options : عمليات مربوط به تنظيمات سيستم مانند نحوه كامپايل و يا رنگ پيش فرض محيط
o منوي Windows : عمليات مربوط به پنجره هاي باز فعلي (مربوط به چندين برنامه يا نمايش متغيرها و ... )

خطاهاي برنامه نويسي

بنظر مي رسد خطاها جزء جداناپذير برنامه ها هستند. بندرت مي توان برنامه اي نوشت كه در همان بار اول بدرستي و بدون هيچگونه خطايي اجرا شود. اما خطاها از لحاظ تاثيري كه بر اجراي برنامه ها مي گذارند، متفاوتند. گروهي ممكن است باعث شوند كه از همان ابتدا برنامه اصلا كامپايل نشود و گروه ديگر ممكن است پس از گذشت مدتها و در اثر دادن يك ورودي خاص به برنامه، باعث يك خروجي نامناسب و يا يك رفتار دور از انتظار (مانند قفل شدن برنامه) شوند. بطور كلي خطاها به دو دسته تقسيم مي شوند:

خطاهاي نحوي (خطاهاي زمان كامپايل): اين خطاها در اثر رعايت نكردن قواعد دستورات زبان C و يا تايپ اشتباه يك دستور بوجود مي آيند و در همان ابتدا توسط كامپايلر به برنامه نويس اعلام مي گردد. برنامه نويس بايد اين خطا را رفع كرده و سپس برنامه را مجددا كامپايل نمايد. لذا معمولا اين قبيل خطاها خطر كمتري را در بردارند.

خطاهاي منطقي (خطاهاي زمان اجرا): اين دسته خطاها در اثر اشتباه برنامه نويس در طراحي الگوريتم درست براي برنامه و يا گاهي در اثر درنظر نگرفتن بعضي شرايط خاص در برنامه ايجاد مي شوند. متاسفانه اين دسته خطاها در زمان كامپايل اعلام نمي شوند و در زمان اجراي برنامه خود را نشان مي دهند. بنابراين، اين خود برنامه نويس است كه پس از نوشتن برنامه بايد آن را تست كرده و خطاهاي منطقي آن را پيدا كرده و رفع نمايد. متاسفانه ممكن است يك برنامه نويس خطاي منطقي برنامه خود را تشخيص ندهد و اين خطا پس از مدتها و تحت يك شرايط خاص توسط كاربر برنامه كشف شود. بهمين دليل اين دسته از خطاها خطرناكتر هستند. خود اين خطاها به دو دسته تقسيم مي گردند:

a. خطاهاي مهلك: در اين دسته خطاها كامپيوتر بلافاصله اجراي برنامه را متوقف كرده و خطا را به كاربر گزارش مي كند. مثال معروف اين خطاها،b. خطاي تقسيم بر صفر مي باشد.

c. خطاهاي غيرمهلك: در اين دسته خطا،d. اجراي برنامه ادامه مي يابد ولي برنامه نتايج اشتباه توليد مي نمايد. بعنوان مثال ممكن است دراثر وجود يك خطاي منطقي در يك برنامه حقوق و دستمزد،e. حقوق كارمندان اشتباه محاسبه شود و تا مدتها نيز كسي متوجه اين خطا نشود!

با توجه به آنچه گفته شد، در مي يابيم كه رفع اشكال برنامه ها بخصوص خطاهاي منطقي از مهمترين و مشكلترين وظايف يك برنامه نويس بوده و گاهي حتي سخت تر از خود برنامه نويسي است! بهمين دليل است كه بسياري از شركتها(همانند مايكروسافت) ابتدا نسخه اوليه نرم افزار خود را در اختيار كاربران قرار مي دهند تا اشكالات آن گزارش شده و رفع گردد. بسيار مهم است كه در ابتدا سعي كنيد برنامه اي بنويسيد كه حداقل خطاها را داشته باشد، در گام دوم با آزمايش دقيق برنامه خود هرگونه خطاي احتمالي را پيدا كنيد و در گام سوم بتوانيد دليل بروز خطا را پيدا كرده و آنرا رفع نماييد. هر سه عمل فوق كار سختي بوده و نياز به تجربه و مهارت دارد.

آخرين نكته اينكه در اصطلاح برنامه نويسي به هر گونه خطا، bug و به رفع خطا debug گفته مي شود.

يك برنامه نمونه

در اين قسمت براي آشنايي اوليه با زبان C يك برنامه نمونه آورده شده است كه بدون هيچ تغييري در محيط BorlandCPP قابل اجرا است.

// This Program Computes the Area of a Circle
#include <stdio.h> 
void main() {
int radius ;
float area;
printf("please enter radius : ");
scanf("%d",&radius);
area = 2 * 3.14 * radius;
printf("Area is %f",area);
{
please enter radius : 10
Area is 62.8

درمورد برنامه فوق به نكات زير توجه كنيد :

- خط اول يك توضيح درمورد برنامه است. در زبان C براي توضيحات يك خطي از علامت // استفاده مي گردد. اما چنانچه توضيحات بيش از يك خط بود،- آن را با علامت /* شروع كرده و با */ پايان دهيد. كامپايلر از اين توضيحات صرفنظر خواهد كرد. اين توضيحات باعث مي شوند كه برنامه شما خواناتر شده و ديگران بهتر آن را درك كنند.

- هر دستوري كه با علامت # شروع شود،- يك دستور C نيست،- بلكه جزو دستورات پيش پردازنده محسوب مي گردد. دستورات پيش پردازنده،- دستوراتي هستند كه توسط كامپايلر قبل از شروع به كامپايل انجام مي شوند. بعنوان مثال دستور #include باعث مي شود كه تعاريف اوليه مربوط به توابعي (زيربرنامه هايي) كه قصد استفاده از آنها را داريم به برنامه اضافه شود. در مثال بالا براي استفاده از توابع printf و scanf كه در كتابخانه استاندارد C تعريف شده اند،- فايل سرآمد stdio.h را كه اين توابع در آن تعريف شده اند را استفاده كرده ايم.

- هر برنامه C بايد داراي تابعي به نام main باشد كه اجراي برنامه از آن شروع مي شود و در حقيقت همان برنامه اصلي است. البته مي توان هر تعداد ديگري تابع (زيربرنامه) نيز تعريف كرد،- اما وجود تابع main الزامي است. دقت كنيد كه گرچه اين تابع پارامتر ورودي ندارد،- اما از پرانتز باز و بسته تنها استفاده شده است.

- در زبان C هر بلوك برنامه با علامت { آغاز شده و با } پايان مي يابد. اين دو معادل دستورات begin و end در زبانهاي ديگر ازجمله پاسكال مي باشند كه براي سادگي زبان انتخاب شده اند.

- دو خط بعدي به تعريف متغيرهاي radius و area مي پردازد. در زبان C قبل از استفاده از هر متغيري بايد آن را اعلان نماييد. اعلان متغير شامل نام و نوع متغير است. در مثال فوق،- متغير radius از نوع عدد صحيح(integer) و متغير area از نوع عدد اعشاري (float) تعريف شده اند.

- توابع printf و scanf جزو كتابخانه استاندارد C محسوب مي گردند و به ترتيب براي چاپ اطلاعات در خروجي استاندارد (نمايشگر) و دريافت اطلاعات از ورودي استاندارد (صفحه كليد) استفاده مي شوند. براي چاپ رشته مورد نظر بايد آنها را در داخل علامت " قرار داد. درمورد اين توابع بعداد توضيح خواهيم داد.

- دقت كنيد كه در پايان هر دستورالعمل از علامت ; استفاده شده است. در مجموع C يك زبان قالب آزاد است و شما مي توانيد دستورات را به هر نحوي كه دوست داريد قرار دهيد (مثلا چند دستور در يك خط از برنامه). تنها چيزي كه نشاندهنده پايان يك دستور است،- علامت ; است(و نه انتهاي خط).

- از آنجا كه C يك زبان قالب آزاد است،- مي توان با استفاده از مكان نوشتن دستورات شكل بهتري به برنامه داد. بعنوان مثال دقت كنيد كه پس از شروع تابع main،- دستورات حدود 3 كاراكتر جلوتر نوشته شده اند. به اين نحوه نوشتن دستورات دندانه گذاري مي گويند. بطور كلي هربار كه بلوك جديدي آغاز مي شود،- بايد آن را كمي جلوتر برد. اين مسئله باعث جدا شدن بلوكها از يكديگر و خوانايي بهتر برنامه مي شود.

- در پايان برنامه و در داخل مستطيل خاكستري،- يك نمونه از اجراي برنامه كه شامل يك ورودي و خروجي نمونه است،- آورده شده است.


ادامه دارد ...