Základy

Tato kapitola obsahuje základní informace o programování v jazyce C. Předpokládáme, že čtenář má již nějaké zkušenosti s programováním v procedurálním jazyce. Čtenář musí zkousnout situaci, kdy narazíme na programovací konstrukt, který je vysvětlen až později.

Předpokládáme, že program bude běžet na platformě x86/x86-64.

Normy jazyka C

Jazyk C je popsán mezinárodní normou ISO/IEC 9899. Ta se přibližně jednou za deset let reviduje, takže „jazyk C“ ve skutečnosti označuje několik příbuzných jazyků, které se v detailech liší. Než napíšeme první program, je proto potřeba říct, o kterém z nich se tu vlastně bude mluvit.

Přehled dosavadních verzí vypadá zhruba takto.

Bezne oznaceni   Rok    Co prineslo
------------------------------------------------------------------------
C89 / C90        1989   Prvni norma. Deklarace promennych museli byt
                        na zacatku bloku, komentare jen /* ... */.
 
C99              1999   Komentare //, deklarace kdekoliv v bloku
                        (tedy i v hlavicce cyklu for), typ long long,
                        typ _Bool, slozene literaly, pole promenne delky.
 
C11              2011   Anonymni struktury a uniony, staticka tvrzeni,
                        vlakna. Pole promenne delky se stala volitelnymi.
 
C17              2018   Zadne nove vlastnosti, jen opravy nejasnosti
                        v textu normy C11.
 
C23              2024   Klicova slova bool, true, false. Zavazne
                        pouziti dvojkoveho doplnku pro znamenkove typy.
                        Mnoho dalsich noveho.
------------------------------------------------------------------------

V tomto textu předpokládáme normu C17. Je to dnes nejrozšířenější volba, podporují ji všechny běžné překladače a od C11 se liší jenom formulacemi. Na místech, kde novější C23 něco mění, na to upozorníme poznámkou; takových míst není mnoho, ale některá jsou důležitá.

Norma nepopisuje jazyk úplně do posledního detailu. Řadu věcí nechává záměrně otevřených, aby šlo C efektivně přeložit na různém hardwaru. Setkáme se přitom se třemi různými druhy „otevřenosti“ a budeme je pečlivě rozlišovat.

Chování určené implementací znamená, že si překladač smí vybrat z několika možností, ale musí svou volbu zdokumentovat a držet se jí. Takto je určena například velikost typu int nebo to, zda je typ char znaménkový. Na takové chování se lze spolehnout, ale jenom v rámci jedné platformy.
Nespecifikované chování znamená, že si překladač vybere z několika možností a dokumentovat to nemusí. Sem patří třeba pořadí, ve kterém se vyhodnotí argumenty funkce.
Nedefinované chování (anglicky undefined behaviour) znamená, že norma neklade na chování programu žádná omezení. Program může spadnout, může vypsat nesmysl, ale také může zdánlivě fungovat správně — a přestat fungovat po přidání nesouvisejícího řádku nebo po zapnutí optimalizací. Nedefinované chování není chyba, kterou překladač ohlásí; je to chyba, kterou musíme sami neudělat. Budeme na ně v textu opakovaně narážet a pokaždé je označíme.

Několik konkrétních hodnot, které norma nechává na implementaci, v textu používáme napevno, aby se o příkladech dalo mluvit srozumitelně: velikosti typů a podobné údaje uvádíme tak, jak vypadají na 64-bitovém unixovém systému s překladačem gcc. Na jiných platformách mohou být jiné a vždy, když na tom bude záležet, to zdůrazníme.

Překladače gcc i clang implicitně nepoužívají čistou normu, ale její rozšířenou variantu (gnu17, u novějších verzí gnu23), která obsahuje navíc vlastní rozšíření. Kód, který se přeloží, tak nemusí být přenositelný. Normu je proto lepší uvést výslovně.

# preklad podle normy C17 se zapnutymi varovanimi
gcc -std=c17 -Wall -Wextra -g program.c -o program
 
# spusteni prelozeneho programu
./program

Přepínač -std=c17 vybírá normu. Přepínače -Wall a -Wextra zapínají varování; ta nejsou chyby a překlad nezastaví, ale téměř vždy upozorňují na něco, co jsme nemysleli vážně. Berte je vážně vy. Přepínač -g přidá do programu informace pro ladicí nástroje.

Chceme-li si vyzkoušet něco z novější normy, stačí přepínač změnit na -std=c23. Starší překladače ji nemusí znát celou.

První program

/*
	Toto je víceřádkový komentář.
	Nelze je vnořovat.	
*/

// Toto je jednořádkový komentář, platí do konce řádku 

//
// je potřeba kvůli funkci printf, přesný mechanismus je vysvětlen později
//
#include <stdio.h>

//
// definice funkce main, provedení programu odpovídá provedení funkce main
//
int main()
{
	//
	// volání funkce printf
	// argument "Ahoj svete" je řetězcový literál.
	//
	printf("Ahoj svete!!\n");
	return 0;
}

Proměnné, funkce, pole

Proměnné

Proměnnou definujeme následovně.

typ identifier;            // bez inicializace
typ identifier = init;     // s inicializací

Při definici je nutné specifikovat typ proměnné pomocí klíčového slova. Inicializace je nepovinná. Při inicializaci platí pravidla jako při provádění operátoru přiřazení. Přístup k neinicializované proměnné vede k nedefinovanému chování. Neinicializovaná proměnná totiž nějakou hodnotu má, jenom není dopředu na úrovni popisu jazyka definováno jakou.

int x;
int y = 10;

printf("%i\n", y);     // toto volání printf vypíše hodnotu proměnné y
printf("%i\n", x);     // nedefinované chování, přístup k neinicializované proměnné

Blok je část kódu uzavřená mezi { }, které si odpovídají: Bloky lze vytvářet jenom tak, aby se zanořovali, otevírací i uzavírací závorka bloku musí být uvnitř nadřazeného bloku. Takto bloky přirozeně vytváří stromovou hierarchii, jejím kořenen je úroveň samotného souboru, tj. obsah souboru mimo všechny bloky.

C je jazyk s lexikálním rozsahem platnosti proměnných. Proměnná existuje od místa své definice do konce bloku, ve kterém je definována. Pokud je v nějakém bloku použita proměnná (např. součást výrazu atd.), je hledána v aktuálním bloku a poté v blocích nadřazených. Hledání končí na úrovni souboru, pokud tam není proměnná nalezena, vyhlásí překladač chybu. Proměnné, které jsou definovány na úrovni souboru označujeme jako globální. Ve stejném bloku, mimo podbloky, nemohou být definovány dvě proměnné stejného jména.

Důsledkem mechanismu vyhledávání proměnných je jejich shadowing.

int x = 10;
{
	int x = 100;
	printf("%i\n", x);      // vytiskne 100
}
printf("%i\n", x);          // vytiskne 10

Funkce

Funkci definujeme následujícím způsobem.

type identifier (parameter_list)
{
	// body
}

První řádek je tzv. hlavička funkce, kde je postupně typ návratové hodnoty funkce, jméno funkce a v závorkách seznam argumentů funkce: čárkami oddělená posloupnost dvojic typ id, specifikujíc typ argumentů a jejich jména. Příkaz return val; ukončí vykonávání funkce a jako návratovou hodnotu vrátí hodnotu výrazu val. Pokud chceme funkci bez návratové hodnoty, napíšeme na místo typu návratové hodnoty klíčové slovo void a používáme return bez val, nebo jej nepoužijeme vůbec a funkce končí, když kód doběhne na konec těla funkce.

int sum(int a, int b)
{
	return a + b;
}

void print_numbers(int a, int b, int c)
{
	printf("%i %i %i\n", a, b, c);
}

Funkci voláme následovně.

identifier(list_of_values)

Tady je identifier jméno funkce a list_of_values je čárkami oddělený seznam výrazů. Ty se vyhodnotí a výsledky těchto vyhodnocení se přířadí argumentům funkce (hodnoty se kopírují, argumenty se předávají hodnotou). Pokud má funkce návratovou hodnotu, je výsledkem vyhodnocení volání funkce hodnota, kterou funkce vrátí.

int z = sum(1 + 4, 7);
printf("%i\n", z);        // vytiskne 12

print_numbers(z, z, 3);    // vytiskne 12 12 3

Pole

Pole je indexovaná kolekce hodnot stejného typu. Indexujeme pomocí čísel 0, 1, 2 …

Pole lze definovat následujícími způsoby.

type a[no_els]; 
type b[no_els] = init; 
type c[] = init;

Výraz type je typ prvků, a, b, c jsou jména polí, no_els je počet prvků pole: toto musí být hodnota známá v době překladu, například literál. Výraz init je inicializační výraz pro pole.

{ val_0, val_1, ..., val_n }

Výrazy val_ se vyhodnotí a výsledky vyhodnocení se po řadě přiřadí na indexy 0, 1, …. Pokud je počet výrazů menší než velikost pole, jsou zbylé hodnoty vynulovány. Další možností je

{ [0] = val_0, [3] = val_3, [5] = val_5 }

Výrazy v hranatých závorkách jsou indexy, na které se při inicializaci zapíše hodnota na pravé straně =. Prvky na indexech, které v inicializačním výrazu nejsou, jsou vynulovány. Pokud v definici pole není uveden počet prvků, je převzat z inicializačního výrazu.

Pole s velikostí, která není známa v době překladu (tzv. pole proměnné délky, VLA), jazyk C od normy C99 umožňuje, ale my je používat nebudeme. Takové pole se alokuje na zásobníku a není žádný způsob, jak zjistit, že se tam nevešlo — program místo toho spadne. (A existují i další problémy s nimi.) Pro pole, jejichž velikost známe až za běhu, budeme používat malloc, viz kapitola Paměť.

K jednotlivým prvků pole přistupujeme pomocí indexu zapsaného do hranatých závorek za jméno pole.

Pole si nenese informaci o své velikosti a jazyk nekontroluje, zda při přístupu k poli používáme korektní index. Přístup k poli pomocí neplatného indexu vede k nedefinovanému chování.

Pole lze předat jako argument funkci, obvykle je s ním nutné předat i jeho velikost.

/* n je velikost pole a */
int find_max(int a[], int n)
{
	int max = a[0];
	for (int i = 1; i < n; i += 1)
	{
		if (a[i] > max)
		{
			max = a[i];
		}
	}
	return max;
}

Tisk

K tisku budeme používat funkci printf ze standardní knihovny. Její hlavička je

int printf(format_string, values)

Argument format_string je řetězec, který může obsahovat speciální instrukce pro tisk. Tyto instrukce jsou ve tvaru %instr, kde instr je vlastní instrukce. Každé instrukci ve format_string odpovídá ve values, seznami výrazů oddělených čárkami, jedna hodnota, která se pomocí dané instrukce vytiskne (bráno zleva doprava). Instrukce se většinou týkají toho, jaký typ hodnoty se tiskne, podrobnosti lze nalézt v manuálu ke standardní knihovně. Základní instrukce jsou v příkladu níže.

printf("hello");     // žádné speciální instrukce, vytiskne se hello
printf("%i", -2);    // instrukce %i -- tisk celého znaménkového čísla
printf("%u", 15);    // instrukce %u -- tisk celého bezznaménkového čísla

instrukce     popis
-------------------
%c            znak
%s            řetězec
%f            číslo s desetinnou čárkou

Typový systém

Jazyk C je staticky typovaný (typy se kontrolují při překladu) a slabě typovaný (děje se mnoho implicitních typových konverzí).

Skalární typy

Pro celá čísla máme char, short, int, long, long long. Tyto typy mají ještě bezznaménkovou variantu uvozenou klíčovým slovem unsigned. Pro čísla s desetinnou čárkou máme typy float, double, long double.

Standard jazyku zaručuje minimální velikosti a rozsahy hodnot jednotlivých typů. (Velikost typu lze zjistit pomocí sizeof(typ).) Dále je zaručeno

sizeof(char) <= sizeof(short) <= sizeof(int) <= sizeof(long) <= sizeof(long long)

sizeof(float) <= sizeof(double) <= sizeof(long double)

Skutečné velikosti se liší podle překladače a platformy. Například na 64 bitovém unixovém OS s překladačem gcc je

typ          sizeof(typ)
------------------------
char             1
short            2
int              4
long             8
long long        8
float            4
double           8
long double     16
------------------------

přičemž celá čísla jsou typicky uložena ve dvojkové (doplňkové) soustavě a čísla s desetinnou čárkou podle IEEE 754 standardu. Pokud jsou potřeba typy s garantovanou velikostí a znaménkovostí, lze použít typy definované v hlavičkovém souboru stdint.h.

Jazyk C historicky neměl typ pro pravdivostní hodnotu, platila konvence, že 0 je nepravda a ostatní hodnoty jsou pravda. V C99 by přidán typ _Bool a <stdbool.h> obsahující bool, true, false, v C23 je bool klíčovým slovem. Příkazy testující podmínku např. if, while se drží i historické konvence.

Typ char je z historických důvodů trochu speciální. Standard definuje tři typy signed char, unsigned char a char. Typ char je různý od obou těchto typů, na některých platformách se chová jako signed char (x86, budeme tedy toto chování předpokládat) na jiných jako unsigned char (např. ARM).

Desetinná čísla se ukládají ve dvojkové soustavě a s omezeným počtem bitů. Většinu zlomků proto nelze uložit přesně — stejně jako nelze v desítkové soustavě přesně zapsat jednu třetinu. Hodnota 0.1 je v paměti uložena jako číslo velmi blízké jedné desetině, nikoliv jako jedna desetina.

//
// s vetsim poctem desetinnych mist je videt, ze ulozena hodnota
// neni presne 0.1
//
printf("%.17f\n", 0.1);         // vytiskne 0.10000000000000001
 
printf("%.17f\n", 0.1 + 0.2);   // vytiskne 0.30000000000000004
printf("%i\n", 0.1 + 0.2 == 0.3);   // vytiskne 0

Z toho plyne důležité praktické pravidlo: desetinná čísla neporovnávejte operátorem ==. Místo toho zjišťujeme, zda se od sebe liší méně než o zvolenou toleranci.

#include <math.h>  // je potřeba překládat s flagem -lm
 
double a = 0.1 + 0.2;
double b = 0.3;
 
//
// fabs vraci absolutni hodnotu
// hodnota tolerance zavisi na tom, s jak velkymi cisly pocitame
//
if (fabs(a - b) < 1e-9) { printf("prakticky stejne\n"); }

Ze stejného důvodu nikdy neřídíme cyklus podmínkou na přesnou rovnost desetinných čísel. Následující cyklus by nikdy neskončil, protože se po deseti přičteních dostaneme na 0.99999999999999989, nikoliv na 1.0.

// spatne, nekonecny cyklus
for (double x = 0.0; x != 1.0; x += 0.1) { /* ... */ }
 
// dobre, ridime celociselnym citacem
for (int i = 0; i < 10; i += 1)
{
	double x = i / 10.0;
	/* ... */
}

Kolik číslic si typ zapamatuje, závisí na jeho velikosti: float zhruba 6 platných číslic, double zhruba 15. Proto v C počítáme s double, pokud nemáme důvod pro opak. Pro peněžní částky se desetinné typy nehodí vůbec — bývá lepší ukládat je jako celý počet haléřů v typu long long.

Desetinné typy umí kromě běžných čísel uložit ještě tři zvláštní hodnoty: kladné nekonečno, záporné nekonečno a NaN (z anglického not a number). Vznikají tam, kde výsledek operace nelze vyjádřit číslem — a na rozdíl od celočíselných typů přitom nejde o chybu ani o nedefinované chování. Program běží dál a zvláštní hodnota se dalšími výpočty šíří.

printf("%f\n", 1.0 / 0.0);     // vytiskne inf
printf("%f\n", -1.0 / 0.0);    // vytiskne -inf
printf("%f\n", 0.0 / 0.0);     // vytiskne nan
printf("%f\n", 1e308 * 10);    // vytiskne inf, vysledek je prilis velky
 
double x = 0.0 / 0.0;
printf("%f\n", x + 1);         // vytiskne nan, NaN se siri dal

Hodnota NaN má jednu vlastnost, která překvapí: není rovna ničemu, ani sama sobě. Všechna porovnání s ní kromě != jsou nepravdivá. Test x == x je proto jediný přenositelný způsob, jak zjistit, že proměnná NaN neobsahuje — a zároveň důvod, proč se na výsledky porovnávání desetinných čísel nelze slepě spoléhat.

#include <math.h>
 
double x = 0.0 / 0.0;
 
printf("%i\n", x == x);      // vytiskne 0
printf("%i\n", x != x);      // vytiskne 1
printf("%i\n", isnan(x));    // vytiskne 1, citelnejsi zapis tehoz
 
double y = 1.0 / 0.0;
printf("%i\n", isinf(y));    // vytiskne 1

Makra isnan, isinf a isfinite jsou v hlavičkovém souboru math.h, kde najdeme i konstanty INFINITY a NAN. Na rovnost s NAN ovšem nikdy netestujeme pomocí ==; k tomu slouží právě isnan.

Znaky a řetězce

Typ char je používán uložení znaků podle ASCII tabulky (která znaky kóduje pomocí čísel). Znakové literály jsou mezi apostrofy. Některé speciální znaky je nutné v literálech zapisovat pomocí escapování, například znak nového řádku je \n.

/*
	x a y níže se rovnají
*/
char x = 'A';      // znakový literál
char y = 65;       // numerický literál

Řetězec v C je uložen v poli typu char. Přitom znaky čteme od začátku pole až po hodnotu 0. Poslední znak řetězce je tak znak na indexu o jedna menším, než na kterém je hodnota 0. Pole, ve kterém je řetězec uložen, tak musí být alespoň o jedna větší, než samotný řetězec (potřebujeme jedno místo pro hodnotu 0), může být ovšem větší. Řetězcové literály píšeme do uvozovek.

char string[] = "hellope";
/*
pole je velikosti 8
string[0] je znak 'h'
string[1] je znak 'e'
...
string[6] je znak 'e'
string[7] je znak '\0' (hodnota 0)
*/

Alias typu

Alias vytvoříme typu následujím způsobem.

typedef def_expr;

Výraz def_expr je ve tvaru definice proměnné, k typu v něm vytvoříme alias tvořený identifikátorem proměnné v něm. V následujícím příkladu vytvoříme k typu int alias number.

typedef int number;

Strukturovaný datový typ

Položky různých typů lze spojit do strukturovaného typu, který vytvoříme

struct type_id 
{
	item_1;
	item_2;
	...
	item_n;
};

kde jednotlivé položky item_1 až item_n jsou zápisy ve formě type item_id, type je tu typ položky a item_id je jméno položky. Nově vytvořený typ je struct type_id. Ke kratšímu pojmenování lze použít alias, je možný i následující zápis.

typedef struct type_id
{
	item_1;
	item_2;
	...
	item_n;
} type_id;

Tímto vytvoříme typ pojmenovaný jenom type_id. (Pokud ponecháme první výskyt type_id, vytvoříme typy struct type_id a type_id současně; první výskyt type_id jde vynechat, potom vytvoříme pouze type_id.)

Předchozí funguje protože

struct type_id 
{
	item_1;
	item_2;
	...
	item_n;
};

s případným vynecháním type_id je platným zápisem typu. Ten lze používat na místech, kde se obvykle píše jméno typu. Můžeme například vytvořit proměnné typu, který nemá jméno.

struct 
{
	item_1;
	item_2;
	...
	item_n;
} var1, var2.;

Inicializační výraz strukturovaného typu vytvoříme následovně.

{ init_1, init_2, ..., init_n }

Výrazy init_1 až init_n jsou inicializační výrazy jednotlivých položek. Pokud některé položky vynecháme, jsou vynulovány. Alternativně lze použít zápis

{ 
	.item_id_1 = init_1,
	.item_id_2 = init_2,
	...
	.item_id_n = init_n,
}

přičemž lze opět vynechat některé položky. Chceme-li vynulovat všechny položky, lze použít následující výraz.

{ 0 }

Pro přístup k jednotlivým položkám použijeme operátoru . (tečka).

var.item_id

Příklad

/*
	Příklad ukazuje použití struktury pro reprezentaci
	vektoru ve dvourozměrném euklidovkém prostoru.
	Funkce počítají skalární součin a násobení skalárem.
*/
typedef struct 
{
	float x;
	float y;
} vec2f;

float dot_product(vec2f a, vec2f b)
{
	return a.x * b.x + a.y * b.y;
}

vec2f product(vec2f a, float b)
{
	return (vec2f){b * a.x, b * a.y};	
}

int main()
{
	/* inicializace */
	vec2f u = { .x = 0.3, .y = 0.5 };
	vec2f v = { .x = 1.2, .y = 10.5 };
	
	/* zápis do položek */
	u.x += 10;
	v.y = 6;

	/* volání funkcí */
	float dp = dot_product(u, v);
	vec2f p  = product(v, 4.1);
	
	return 0;
}

Velikost strukturovaného typu se nemusí rovnat součtu velikostí jeho položek, může být i větší. Překladač se může rozhodnout, že mezi dvěma položkami ponechá nějaké prázdné místo. (Překladač lze přinutit, aby to nedělal, ale tím se zabývat nebudeme).

Výčtový typ

Hodnotami výčtového typu je množina pojmenovaných celočíselných konstant. Typ spolu s konstantami vytvoříme následovně

enum type_id
{
	id_1,
	id_2,
	id_3,
	...
	id_n
};

Vytvoříme typ enum type_id (pro kratšího aliasu lze jako u strukturovaného typu použít typedef). Jména jednotlivých konstant jsou id_1, id_2, ..., jejich hodnoty jsou po řadě 0,1,2 .... Konstantám lze v definici typu přiřadit explicitní hodnoty.

enum type_id
{
	id_1 = value_1,
	id_2,
	id_3 = value_3,
	...
	id_n
};

Přiřazení hodnot není povinné. Pokud nemá konstanta v definici přiřazenu hodnotu, je její hodnota o jedna větší, než hodnota předchozí konstanty. Pokud nemá hodnotu přiřazenu první konstanta, je její hodnota 0.

Typické využití je pro určování druhů entit (například chyb, tokenů apod).

/*
	Následující enum lze použit pro určení typu chyby,
	která se může stát při zpracování souboru. 
*/

typedef enum
{
	FE_NONE,
	FE_NOT_FOUND,
	FE_PERMISSION_DENIED,
	FE_BAD_FORMAT,
} file_error;

/*
	První konstantou je FE_NONE pro žádnou chybu, toto je výhodný
	trik, protože FE_NONE má hodnotu 0, která je jediná nepravda,
	ostatní položky mají hodnotu indikující pravdu.
*/	

file_error err = process_file(filename);
if (err) 
{
	// tady ošetříme chybu
}

/*
	V následujícím výčtovém typu má poslední konstanta
	hodnotu, která se rovná počtu konstant. Toho lze 
	použít pro vytvoření pole, kde jednotlivá políčka
	indexujeme pomocí konstant.
*/

typedef enum
{
	TT_OPERATOR,
	TT_IDENTIFICATOR,
	TT_BRACE,
	TT_TOKEN_TYPE_COUNT,
} token_type;
	
int last_token_offsets[TT_TOKEN_TYPE_COUNT];
last_token_offsets[TT_BRACE] = 10;

Jména konstant jsou globální (pro soubor, ve kterém jsou definována), na začátek těchto jmen většinou dáváme zkratku jména typu, abychom zmenšili pravděpodobnost konfliktu jména konstanty se jménem nečeho jiného. Jména konstant jsou často kapitálkami.

Union

Definice unionu je podobná definici strukturovaného typu

union type_id
{
	item_1;
	item_2;
	...
};

Všechny položky (hodnoty) unionu jsou ovšem v paměti začínají na jednom místě a překrývají se tak (velikost unionu je pak velikostí jeho největší položky zvětšení o vycpávku kvůli zarovnání, podobně jako u struct). Za platnou tak můžeme považovat pouze hodnotu jedné položky. Lze využít při potřebě šetřit pamět, spolu s výčtovým typem lze vytvořit obdobu tzv. tagged unionu.

typedef enum 
{
	RT_INT,
	RT_STRING,
	RT_FLOAT,
	
} result_type;


typedef struct
{
	result_type type;
	union 
	{
		int int_value;
		char *string;
		float float_value;
		
	} value;
} tagged;

/*
	při zpracování hodnoty typu tagged potom nejdříve zkontrolujeme
	položky type a podle ní víme, kterou položku z unionu value máme
	zpracovat.
*/

tagged x = function_that_returns_tagged();
if (x.type == RT_INT)
{
	// zpracujeme int
	process_int(x.value.int_value);
}
else if (x.type == RT_STRING)
{
	// zpracujeme string
	process_string(x.value.string);
}
else 
{
	// zpracujeme float
	process_float(x.value.float_value);
}

Konverze a přetypování

Přiřadíme-li hodnotu jednoho typu do proměnné typu jiného, převede překladač hodnotu automaticky. Takové konverzi se říká implicitní a už jsme ji nevědomky několikrát použili.

double d = 3;      // z celeho cisla 3 se stane 3.0
int    i = 3.9;    // desetinna cast se zahodi, i ma hodnotu 3
char   c = 65;     // c ma hodnotu znaku 'A'

Někdy ale potřebujeme konverzi vynutit tam, kde by k ní sama od sebe nedošlo. K tomu slouží přetypování (anglicky cast), které zapisujeme tak, že před výraz uvedeme v kulatých závorkách cílový typ.

(typ) výraz

Přetypování skutečně potřeba, když dělíme dvě celá čísla, např. int, a chceme výsledek jako desetinné číslo.

int a = 7;
int b = 2;
 
double wrong = a / b;
double right = (double)a / b;
 
printf("%f\n", wrong);   // vytiskne 3.000000
printf("%f\n", right);   // vytiskne 3.500000

Ve druhém případě je a převedeno na double ještě před dělením, a protože operátor dělení pak pracuje s jedním operandem typu double, převede se na double i b. Výsledek dělení je proto 3.5.

V prvním případě proběhne konverze na double také, ale až po dělení, kdy už je desetinná část ztracena. Přetypování má vyšší prioritu než binární operátory, takže v zápisu (double)a / b se přetypovává pouze a, nikoliv celý výraz a / b.

Podle toho, mezi jakými typy převádíme, může, ale nemusí dojít ke ztrátě informace. Rozhodující přitom není „šířky“ (cca velikost) cílového typu, ale to, zda dokáže zdrojovou hodnotu reprezentovat. To jsou dvě různé věci a právě jejich zaměňování bývá zdrojem chyb.

Připomeňme také, že norma o velikostech typů zaručuje jenom nerovnosti sizeof(int) <= sizeof(long) <= sizeof(long long), nikoliv ostré nerovnosti. Typy int a long mohou být na některých platformách stejně velké, takže o převodu mezi nimi nelze bez znalosti platformy mluvit jako o „rozšíření“.

Pro přesné určení pravidel potřebujeme hodnost (anglicky rank) typu. Hodnost je uspořádání celočíselných typů podle „šířky“ v tomto pořadí

long long  >  long  >  int

přičemž znaménkový a bezznaménkový typ téhož jména mají hodnost stejnou: například unsigned long a long jsou si v hodnosti rovny, stejně tak unsigned int a int. Převody se řídí následujícími pravidly.

Mezi celočíselnými typy téže znaménkovosti je převod na typ vyšší hodnosti vždy bezpečný. Znaménkový typ obsahuje všechny hodnoty užšího znaménkového typu, bezznaménkový všechny hodnoty užšího bezznaménkového.

Z bezznaménkového typu na znaménkový je převod bezpečný jenom tehdy, je-li cílový typ skutečně širší. Jsou-li oba stejně velké, největší hodnoty se do cílového typu nevejdou.

//
// na 64-bitovem unixu, kde ma unsigned int 4 bajty a long 8 bajtu
//
unsigned int u = 4000000000u;
long         l = u;       // bez ztraty, l ma hodnotu 4000000000

//
// unsigned long i long long tam ale maji oba 8 bajtu
//
unsigned long long ull = 18446744073709551615ull;
long long          ll  = ull;   // hodnota se nevejde, vysledek je -1

Ze znaménkového typu na bezznaménkový není převod bezpečný nikdy, je-li hodnota záporná — a to bez ohledu na to, o kolik je cílový typ širší. Bezznaménkové typy prostě žádné záporné hodnoty neobsahují, takže se výsledek počítá modulo 2^N.
```
int                x = -1;
unsigned long long u = x;

//
// prevod na sirsi typ, presto se hodnota nezachovala
// -1 + 2^64 == 18446744073709551615
//
printf("%llu\n", u);   // vytiskne 18446744073709551615
```
Mezi desetinnými typy je převod na širší typ (float na double, double na long double) vždy bezpečný.
Převod z desetinného typu na celočíselný desetinnou část zahodí, a to směrem k nule, nikoliv zaokrouhlením.
```
printf("%i\n", (int)3.9);    // vytiskne 3
printf("%i\n", (int)-3.9);   // vytiskne -3, nikoliv -4
```
Nevejde-li se výsledek do cílového typu, jde o nedefinované chování. Výraz (int)1e30 tedy není „nějaké velké číslo“, ale chyba.
Převod z celočíselného typu na desetinný může ztratit přesnost, i když se hodnota do rozsahu vejde. Typ double má na uložení mantisy 53 bitů, takže celá čísla větší než 2^53 už reprezentovat nedokáže.
```
long long big = 9007199254740993LL;   // 2^53 + 1
double    d   = big;

printf("%lld\n", (long long)d);   // vytiskne 9007199254740992
```
Převod na užší celočíselný typ hodnotu ořízne. Je-li cílový typ bezznaménkový, počítá se výsledek modulo 2^N, kde N je počet bitů cílového typu.
```
int i = 300;
printf("%u\n", (unsigned char)i);   // vytiskne 44, protoze 300 - 256 == 44
```
Je-li cílový typ znaménkový a hodnota se do něj nevejde, je výsledek v normě C17 implementačně definovaný. Norma C23 už předepisuje ořezání ve dvojkovém doplňku, tedy chování, které mají všechny běžné překladače.

Kdy přetypovat nepotřebujeme

Přetypování překladači říká „vím, co dělám“. Tím ale zároveň umlčí případné varování, které by nás na skutečnou chybu upozornilo. Než přetypování napíšete, ověřte si proto, že varování opravdu nemá pravdu.

char *s = "";
 
//
// pretypovani tady jenom umlci varovani prekladace
// chyba zustava: strlen(s) - 1 se pocita v size_t
// a pro prazdny retezec da SIZE_MAX
//
if ((int)(strlen(s) - 1) >= 0) { /* ... */ }
 
//
// spravne je opravit vyraz, ne ho pretypovat
//
if (strlen(s) >= 1) { /* ... */ }

Na co si dát pozor

Zápis (vec2f){ .x = 1.0f, .y = 2.0f } z podsekce Struktury vypadá jako přetypování, ale není jím. Jde o složený literál, tedy o zápis nové hodnoty daného typu. Přetypování má vždy vpravo od závorky výraz, složený literál složené závorky.

Přetypovávat lze i pointery, tam ale platí další pravidla a omezení, kterými se budeme zabývat v kapitole Paměť.

Operátory

Operátory (= akce, výpočet) aplikujeme na operandy (= data), a získáme tím nějaký výsledek (= data). Ve složitějších výrazech se operátory vyhodnocují v pořadí podle priority, toto pořadí lze změnit uzávorkováním. Operátory se stejnou prioritou jsou vyhodnocování podle associativity (zleva či zprava), opět to jde změnit pomocí uzávorkování.

Implicitní konverze operandů

Většina binárních operátorů počítá s hodnotami stejného typu a téhož typu je i výsledek. Pokud je v kódu takový operátor aplikován na hodnoty různých typů, jsou operandy nejdříve implicitně převedeny na společný typ. Těmto konverzím se říká obvyklé aritmetické konverze (anglicky usual arithmetic conversions).

Obvyklé aritmetické konverze se provádějí u těchto operátorů.

Operátory                       Poznámka
------------------------------------------------------------------
+  -  *  /  %                   binární tvary
<  >  <=  >=                    porovnání
==  !=                          rovnost a nerovnost
&  |  ^                         bitové, kromě posuvů
------------------------------------------------------------------

U následujících operátorů se obvyklé aritmetické konverze neprovádějí. Tyto výjimky jsou zdrojem časných nedorozumění, proto je uvádíme přehledně.

Operátory        Co se deje misto toho
------------------------------------------------------------------
<<  >>           Kazdy operand se povysi ZVLAST (viz nize).
                 Typ vysledku je typem povyseneho LEVEHO operandu.
 
&&  ||           Operandy se pouze testuji na nulovost,
                 zadny spolecny typ nevznika.
 
!                Operand se testuje na nulovost, vysledek je int.
 
~                Provede se pouze celociselne povyseni
   -  +          jednoho operandu (unarni tvary).
 
=                Prava strana se prevede na typ leve strany,
                 to je uplne jine pravidlo (viz Operator prirazeni).
------------------------------------------------------------------

Pro porovnávání pointerů platí vlastní pravidla, o kterých mluvit nebudeme.

Je-li aspoň jeden operand neceločíselného typu, postupuje se podle následujících pravidel (aplikovaných seshora dolů).

Je-li jeden operand long double, je druhý konvertován na long double.
Je-li jeden operand double, je druhý konvertován na double.
Je-li jeden operand float, je druhý konvertován na float.

Jsou-li oba operandy celočíselné, provede se nejdříve na každém z nich zvlášť tzv. celočíselné povýšení (anglicky integer promotion).

Typy menší než int (znaménkové i bezznaménkové verze char a short) jsou přetypovány na int, pokud int dokáže reprezentovat všechny hodnoty původního typu. Jinak jsou přetypovány na unsigned int.

Na běžných platformách (kde je int větší než short) to znamená, že se všechny typy menší než int povýší na int, tedy i ty bezznaménkové. To je důležité: po povýšení už žádný bezznaménkový operand nemusí zbýt.

short          a = -1;
unsigned short b = 1;
 
//
// oba operandy se povysi na int, vysledek je typu int
// vyraz a < b je proto pravdivy, jak bychom cekali
//
printf("%i\n", a < b);   // vytiskne 1
printf("%i\n", a + b);   // vytiskne 0

Na povýšené operandy se aplikují následující pravidla (seshora dolů).

Mají-li oba operandy stejný typ, nekonvertuje se nic.
Jsou-li oba operandy znaménkové, nebo oba bezznaménkové, je operand nižší hodnosti převeden na typ operandu vyšší hodnosti.
Je-li hodnost bezznaménkového operandu větší nebo rovna hodnosti znaménkového operandu, je znaménkový operand převeden na typ toho bezznaménkového.
Jinak: dokáže-li znaménkový typ reprezentovat všechny hodnoty bezznaménkového typu, je bezznaménkový operand převeden na tento znaménkový typ. Pokud to nedokáže, jsou oba operandy převedeny na bezznaménkovou variantu onoho znaménkového typu.

Bod 4 závisí na skutečných velikostech typů na dané platformě. Tentýž zdrojový kód proto může dát na různých platformách různý výsledek. Nelze tedy celou věc shrnout do jediného pevného pořadí typů — a právě proto je tu popsána takto podrobně.

Příklady

Typy int a unsigned int mají stejnou hodnost, takže se uplatní bod 3 (nerovnost „větší nebo rovna“ je splněna rovností). Znaménkový operand je převeden na unsigned int a výsledkem je hodnota typu unsigned int.

Analogicky pro long s unsigned long a pro long long s unsigned long long.

Převod záporného čísla na bezznaménkový typ není nedefinované chování. Je definován jako výpočet modulo 2^N, kde N je počet bitů cílového typu. Prakticky to znamená, že se k záporné hodnotě tak dlouho přičítá 2^N, až padne do rozsahu cílového typu — u čísel v rozsahu int tedy právě jednou.

int x = -1;
 
//
// -1 + 2^32 == -1 + 4294967296 == 4294967295
// coz je UINT_MAX, tedy nejvetsi hodnota typu unsigned int
//
printf("%u\n", (unsigned)x);   // vytiskne 4294967295

Samotný součet se počítá také modulo 2^N.

int      x = -1;
unsigned u = 1;
 
//
// 1. x se prevede na unsigned int, tedy na 4294967295
// 2. 4294967295 + 1 == 4294967296, coz je modulo 2^32 rovno 0
//
printf("%u\n", x + u);   // vytiskne 0

Obě konverze modulo 2^N se zde navzájem vyrušily a výsledek 0 odpovídá tomu, co bychom čekali od -1 + 1 ve znaménkové aritmetice. To není náhoda.

Modulo se řídí cílovým typem, nikoliv zdrojovým.

int x = -1;
 
printf("%u\n",   (unsigned int)x);        // -1 + 2^32, vytiskne 4294967295
printf("%llu\n", (unsigned long long)x);  // -1 + 2^64, vytiskne 18446744073709551615

Obě konverze modulo 2^N v příkladu výše se zde navzájem vyrušily a výsledek 0 odpovídá tomu, co bychom čekali od -1 + 1 ve znaménkové aritmetice. To není náhoda. Pokud výsledek hned převedeme zpět na znaménkový typ, aritmetika obvykle „vyjde“, protože počítání modulo 2^N je vratné.

unsigned u = 3;
int      x = -5;
 
//
// (unsigned)-5 == -5 + 4294967296 == 4294967291
// 4294967291 + 3 == 4294967294  (modulo 2^32)
//
printf("%u\n", u + x);   // vytiskne 4294967294
 
int r = u + x;
printf("%i\n", r);       // vytiskne -2, tedy vysledek, ktery jsme chteli

(Zpětný převod velké bezznaménkové hodnoty na int je v C17 implementačně definovaný, na všech běžných platformách se ale chová jako zde. Norma C23 už jej definuje závazně.)

Problém nastane ve chvíli, kdy je bezznaménkový mezivýsledek použit jako bezznaménkový. To se děje ve třech situacích.

Porovnávání. Tady se nic nevrací zpět, výsledkem je rovnou pravda nebo nepravda.

int      x = -1;
unsigned u = 1;

if (x < u) { printf("ano\n"); }
else       { printf("ne\n");  }

//
// vytiskne "ne"
// x je prevedeno na 4294967295, coz je vetsi nez 1
//

Dělení a bitové posuvy. Tady se „vratnost“ ztratí.

unsigned u = 3;
int      x = -5;

printf("%u\n", (u + x) / 2);   // vytiskne 2147483647

//
// spravna odpoved je -1
// 4294967294 / 2 == 2147483647, coz uz neodpovida zadne zaporne hodnote
//

Cokoliv, kde vystupuje size_t Návratový typ operátoru sizeof i funkce strlen je size_t, což je bezznaménkový typ. Následující je pravděpodobně nejčastější varianta této chyby.

char *s = "";

//
// strlen(s) je 0, typu size_t
// 0 - 1 se pocita v size_t a da SIZE_MAX, tedy 18446744073709551615
// podminka je splnena a cyklus cte daleko za konec retezce
//
for (int i = 0; i <= strlen(s) - 1; i += 1)
{ 
    printf("%c", s[i]);   // nedefinovane chovani
}

Stejná past číhá i v opačně běžícím cyklu přes pole.

size_t n = 0;

//
// i je bezznamenkove, podminka i >= 0 je proto splnena vzdy
// jde o nekonecny cyklus, ktery navic hned v prvni iteraci
// pristupuje na index SIZE_MAX
//
for (size_t i = n - 1; i >= 0; i -= 1)
{
    // telo
}

Příklady, kde selže intuitivní pořadí typů

Mohlo by se zdát, že si vystačíme s jednoduchým pořadím, kde je každý bezznaménkový typ „větší“ než odpovídající znaménkový a zároveň menší než následující větší znaménkový. Následující dva příklady ukazují, že to tak není.

//
// prvni priklad
// na 64-bitovem unixu s gcc, kde ma long long i unsigned long 8 bajtu
//
long long     a = -1;
unsigned long b = 1;
 
//
// unsigned long ma NIZSI hodnost nez long long, bod 3 se tedy neuplatni.
// Bod 4: long long ma maximum 2^63-1, unsigned long ma maximum 2^64-1,
// takze long long vsechny hodnoty unsigned long nereprezentuje.
// Oba operandy se proto prevedou na unsigned long long
// a z -1 se stane 18446744073709551615.
//
printf("%i\n", a < b);   // vytiskne 0

//
// druhy priklad
//
long         a = -1;
unsigned int b = 1;
 
//
// Na 64-bitovem unixu ma long 8 bajtu a unsigned int 4 bajty.
// Bod 4: long vsechny hodnoty unsigned int reprezentuje,
// b se prevede na long, vysledek je 1.
//
// Na 32-bitove platforme (nebo na 64-bitovych Windows) ma long
// 4 bajty a vsechny hodnoty unsigned int reprezentovat nedokaze.
// Oba operandy se prevedou na unsigned long a vysledek je 0.
//
printf("%i\n", a < b);   // vytiskne 1 nebo 0 podle platformy

Druhý příklad je dobrou ilustrací toho, proč se u přenositelného kódu vyplatí míchání znaménkových a bezznaménkových typů rovnou vyloučit, místo abychom pro každý výraz zjišťovali, co se stane.

Dobré zvyky

Nemíchejte ve výrazu znaménkové a bezznaménkové typy. To je jediné pravidlo, které si skutečně potřebujete zapamatovat.

Sjednoťte typ řídicí proměnné s typem meze. Buď obojí bezznaménkové, nebo obojí znaménkové s explicitním přetypováním na jednom místě.

char *s = "ahoj";

// varianta 1: obojí bezznaménkově
for (size_t i = 0; i < strlen(s); i += 1)
{
    printf("%c", s[i]);
}

// varianta 2: obojí znaménkově, pretypovani na jednom miste
int len = (int)strlen(s);
for (int i = 0; i < len; i += 1)
{
    printf("%c", s[i]);
}

Neodečítejte od bezznaménkových hodnot, dokud nevíte, že jsou dostatečně velké. Místo i <= n - 1 pište i < n.

// spatne pro n == 0
for (size_t i = 0; i <= n - 1; i += 1) { /* telo */ }

// dobre
for (size_t i = 0; i < n; i += 1) { /* telo */ }

Pro pozpátku běžící cyklus s bezznaménkovým indexem použijte následující idiom.

//
// podminka i-- > 0 nejdriv porovna, potom snizi
// v tele cyklu ma i postupne hodnoty n-1, n-2, ..., 0
// pro n == 0 se telo neprovede ani jednou
//
for (size_t i = n; i-- > 0; )
{
    printf("%i\n", array[i]);
}

Bezznaménkové typy používejte tam, kde k tomu máte důvod, tedy pro bitové operace, pro hodnoty, kde skutečně chcete počítání modulo, a pro velikosti a indexy, když pracujete s knihovními funkcemi vracejícími size_t. Nepoužívejte je jenom proto, že „záporné číslo nedává smysl“ — to samo o sobě žádný problém neřeší, jenom přesune chybu z rozpoznatelné záporné hodnoty na obrovské kladné číslo. Viz poznámka v sekci Poznámka k úkolům.
Hodnoty typu size_t tiskněte pomocí %zu, nikoliv %lu.
```
printf("velikost int: %zu\n", sizeof(int));
```

Zapněte si varování překladače. Naprostou většinu chyb popsaných výše překladač odhalí sám, pokud mu to dovolíte.

# -Wextra zahrnuje -Wsign-compare, ktere hlasi porovnani
# znamenkoveho a bezznamenkoveho operandu
gcc -std=c17 -Wall -Wextra -g program.c

# prisnejsi varianta, hlasi i implicitni konverze menici znamenko
gcc -std=c17 -Wall -Wextra -Wsign-conversion -g program.c

Například pro cyklus s strlen z předchozí podsekce vypíše gcc s -Wextra zhruba následující.

warning: comparison of integer expressions of different signedness:
'int' and 'long unsigned int' [-Wsign-compare]

Aritmetické operátory

Aritmetické operátory počítají s hodnotami stejného typu a téhož typu je i výsledek. Jsou-li operandy různých typů, jsou nejdříve převedeny na společný typ podle pravidel v podsekci Implicitní konverze operandů.

Níže je tabulka aritmetických operátorů.

Operátor    Arita     Popis
-----------------------------------------------------------------------
 -            1       Prefixový unární operátor, mění znaménko
 +            1       Prefixový unární operátor, nemění hodnotu
+,-,*,/       2       Binární operátory, klasické aritmetické operace
%             2       Binární operátor,  zbytek po celočíselném dělení

Priorita a associativita se řídí stejnými pravidly jako v matematice.

Jsou-li oba operandy operátoru / celočíselné, jde o celočíselné dělení: desetinná část výsledku se zahodí (ořízne se směrem k nule). Chceme-li dělit s desetinnou částí, musí být aspoň jeden operand neceločíselného typu.

printf("%i\n", 7 / 2);          // vytiskne 3, nikoliv 3.5
printf("%f\n", 7 / 2.0);        // vytiskne 3.500000
printf("%i\n", -7 / 2);         // vytiskne -3, orezani je smerem k nule
printf("%i\n", -7 % 2);         // vytiskne -1

Dělení nulou (operátory / i %) vede k nedefinovanému chování.

Přetečení a podtečení

Celočíselné typy mají omezený rozsah. Výsledek aritmetické operace se do něj nemusí vejít, a to i tehdy, když jsou oba operandy zcela běžná čísla. Mluvíme pak o přetečení (výsledek je větší než maximum typu), případně o podtečení (výsledek je menší než minimum typu). Obojí se v C řeší stejně a zásadně přitom záleží na tom, zda je typ znaménkový.

Bezznaménkové typy podle normy přetéct nemohou. Veškerá aritmetika se u nich počítá modulo 2^N, kde N je počet bitů typu, přesně tak, jak jsme to popsali u konverzí. Výsledek je tedy vždy jednoznačně daný.

unsigned int u = 4294967295u;   // UINT_MAX
 
//
// 4294967295 + 1 == 4294967296, coz je modulo 2^32 rovno 0
//
printf("%u\n", u + 1);   // vytiskne 0
 
unsigned int v = 0;
 
//
// 0 - 1 == -1, coz je modulo 2^32 rovno 4294967295
//
printf("%u\n", v - 1);   // vytiskne 4294967295

Že je chování definované ovšem neznamená, že je správné. Druhý příklad je přesně ta chyba, na kterou jsme narazili u cyklů s size_t: program nespadne, jenom počítá s číslem 4294967295 tam, kde jsme chtěli -1.

Přeteče-li výsledek u znaménkového typu, jde o nedefinované chování. Norma neříká, že se hodnota „přetočí“ do záporných čísel — neříká vůbec nic.

int i = 2147483647;   // INT_MAX
 
//
// nedefinovane chovani
// NELZE spolehat na to, ze vyjde -2147483648
//
printf("%i\n", i + 1);

Překladač smí při optimalizaci předpokládat, že k přetečení nedojde, a na tomto předpokladu stavět. Následující funkce proto s přepínačem -O2 vrací vždy 1, přestože „ručním dosazením“ INT_MAX bychom čekali 0.

int is_increasing(int x)
{
	//
	// prekladac uvazuje takto: kdyby x + 1 pretekalo, slo by
	// o nedefinovane chovani, ktere v korektnim programu nenastava.
	// Muze tedy predpokladat, ze x + 1 > x plati vzdy,
	// a cely vypocet nahradit konstantou 1.
	//
	return x + 1 > x;
}

Ze stejného důvodu se z následujícího cyklu může stát cyklus nekonečný.

//
// prekladac smi predpokladat, ze i nikdy nepretece,
// tedy ze podminka i > 0 plati porad
//
for (int i = 1; i > 0; i *= 2)
{
	printf("%i\n", i);
}

Testovat přetečení až po výpočtu proto nemá smysl. Test se buď vyhodnotí jinak, než čekáme, nebo ho překladač odstraní úplně.

Přetečení nezpůsobuje jenom sčítání a násobení.

#include <limits.h> // hlavičkový soubor obsahující max a min hodnoty typu
 
int i = INT_MIN;
 
printf("%i\n", -i);       // nedefinovane, |INT_MIN| je o 1 vetsi nez INT_MAX
printf("%i\n", i / -1);   // nedefinovane, ze stejneho duvodu
printf("%i\n", i % -1);   // nedefinovane, i kdyz je vysledek zjevne 0

Rozsah znaménkových typů totiž není symetrický: INT_MIN je -2147483648, ale INT_MAX je jen 2147483647. Záporných hodnot je o jednu více. (předpokládáme 32 bitový int).

Připomeňme také, že dělení nulou (operátory / i %) je nedefinované chování vždy, bez ohledu na znaménkovost.

Aritmetika s typy menšími než int k přetečení nevede, protože se operandy nejdříve povýší na int. Přetéct může teprve výsledné přiřazení zpět do užšího typu, a to je běžná konverze, nikoliv nedefinované chování.

signed char a = 100;
signed char b = 100;
 
//
// a + b se pocita v typu int a da 200, k pretecení nedochazi
//
printf("%i\n", a + b);   // vytiskne 200
 
//
// teprve tady se 200 nevejde do signed char
// jde o konverzi, ktera je v C17 implementacne definovana
//
signed char c = a + b;
printf("%i\n", c);       // typicky vytiskne -56

Jak se přetečení bránit.

Kontrolujte předem, ne potom. Test se musí zapsat tak, aby k přetečení vůbec nedošlo. Pro sčítání dvou hodnot typu int vypadá takto.
```
#include <limits.h>

//
// vraci 1, pokud lze a + b spocitat bez pretecení
//
int can_add(int a, int b)
{
    if (b > 0 && a > INT_MAX - b) { return 0; }
    if (b < 0 && a < INT_MIN - b) { return 0; }
    return 1;
}
```
Meze jednotlivých typů najdete v hlavičkovém souboru limits.h jako makra INT_MIN, INT_MAX, LONG_MAX, UINT_MAX a podobně.
Volte dostatečně velký typ. Přetečení často není potřeba ošetřovat, stačí mu předejít. Padesáté Fibonacciho číslo se do int nevejde (fib(47) je 2971215073, zatímco INT_MAX je 2147483647), do long long ano.
Používejte nástroje. Překladače gcc i clang umí přetečení znaménkových typů odhalit za běhu.
```
# program pri pretecení vypise, kde k nemu doslo
gcc -std=c17 -Wall -Wextra -fsanitize=undefined -g program.c -o program
```
Tento přepínač odhalí i řadu dalších druhů nedefinovaného chování, se kterými se setkáme v kapitole Paměť. Vyplatí se ho zapínat vždy, když program ladíme.

U desetinných typů k nedefinovanému chování nedochází. Výsledek, který je příliš velký, se uloží jako nekonečno; výsledek příliš malý na to, aby se dal rozlišit od nuly, se uloží jako nula.

Operátor přiřazení

Slouží k přiřazení hodnoty na nějaké zapisovatelné místo. Syntax je následující.

lvalue = rvalue

Výraz lvalue musí označovat místo, kam se dá zapisovat (například proměnnou, položku struktury, prvek v poli), rvalue je výraz, který se vyhodnotí, a výsledek je zapsán do lvalue. Dochází k implicitní konverzi typu rvalue na typ lvalue. (Tato konverze je něco jiného než obvyklé aritmetické konverze z podsekce Implicitní konverze operandů. Tam se hledá společný typ obou operandů; tady se pravá strana vždy převede na typ levé strany, ať už je jakýkoliv.) Tato konverze může být ztrátová: například dojde k zaokrouhlování, ztrátě desetinné části čísla, zachování pouze spodních bajtů celého čísla. (Některé konverze typů jsou zakázány, operátor provádí pouze konverze mezi kompatibilními typy, detaily lze nalézt ve standardu.) Výsledkem operátoru přiřazení je hodnota levého operandu po přiřazení, tedy až po provedení případné konverze. Výsledek není lvalue, nelze mu proto znovu přiřadit.

char c;
int  i = (c = 300);
//
// do c se ulozi 300 orezane na typ char
// vysledkem prirazeni je tato orezana hodnota, nikoliv 300
//
printf("%i\n", i);   // netiskne 300

Operátor přiřazení lze kombinovat s binárními operátory, analogicky následujícímu příkladu, kde jej kombinujeme s operátorem +.

int x = 10;
/* místo  */
x =  x + 3;
/* můžeme psát */
x += 3;

Operátory porovnání

Následující operátory porovnávají číselné typy. Výsledek je 1 pokud je porovnání pravdivé, nebo 0 jinak. Operátory jsou následující.

<, >, <=, >=, ==, !=

Test rovnosti je tvořen dvěma rovnítky, nikoliv jedním. Jedno rovnítko je operátor přiřazení. Test nerovnosti je zapisuje !=

Jsou-li operandy různých typů, jsou před porovnáním převedeny na společný typ podle pravidel v podsekci Implicitní konverze operandů. U porovnání je to podstatně zrádnější než u aritmetiky: výsledkem je rovnou pravda nebo nepravda, takže se případná konverze nemá jak „vrátit zpět“.

int      x = -1;
unsigned u = 1;
//
// x se prevede na unsigned int, tedy na 4294967295
// porovnani je proto nepravdive
//
printf("%i\n", x < u);   // vytiskne 0

Logické operátory

Operátory pro konjunkci (logická spojka a), disjunkci (logická spojka nebo) a negaci.

Operátor    Popis
--------------------------------------
&&          konjunkce
||          disjunkce
!           negace, unární, prefixový
--------------------------------------

Operátory konjunkce a disjunkce jsou asociativní zleva a vyhodnocují se líně. Uveďme si to na příkladu konjunkce.

/* 
	Uvažme následující konjunkci 
*/
x && y && z && w

/* 
	Díky asociativitě zleva je to vlastně
*/
((x && y) && z) && w

/*
   Pokud je x == 1, y == 1, z == 0, w == 1, probíhá výpočet následovně:

	1. x && y  dá  výsledek 1
	2. 1 && z  dá  výsledek 0, výpočet hodnoty výrazu končí s výsledkem 0
   
    V tomto vyhodnocení líné, 0 && w už se nepočítá.	
	
	Líného vyhodnocení lze s výhodou využít, pokud je ve výrazu 

	(pred && op)
	
	výraz pred kontrolou toho, jestli můžeme výraz op bezpečně vyhodnotit.
	Pokud se totiž pred vyhodnotí na 0, výraz op už se nevyhodnocuje.
*/

U operátorů &&, || a ! k obvyklým aritmetickým konverzím nedochází. Operandy se pouze testují na nulovost, žádný společný typ nevzniká. Výsledkem je vždy 0 nebo 1 typu int.

Bitové operátory

Bitové operátory aplikujeme na celočíselné operandy. Umožnují pracovat s jednotlivými bity těchto operandů. Jedná se logické operátory aplikované po bitech, nebo bitové posuvy. Operátory si vysvětlíme na následujících příkladech.

Předpokládejme, že x == 100 a y == 50 jsou jednobajtová čísla (typu unsigned char). Ve dvojkové soustavě máme

x ==  0 1 1 0 0 1 0 0
y ==  0 0 1 1 0 0 1 0

Potom máme

konjunkce po bitech
x       0 1 1 0 0 1 0 0
y       0 0 1 1 0 0 1 0
-----------------------
x & y   0 0 1 0 0 0 0 0


disjunkce po bitech 
x       0 1 1 0 0 1 0 0
y       0 0 1 1 0 0 1 0
-----------------------
x | y   0 1 1 1 0 1 1 0

nonekvivalence po bitech
x       0 1 1 0 0 1 0 0
y       0 0 1 1 0 0 1 0
-----------------------
x ^ y   0 1 0 1 0 1 1 0

negace po bitech
x       0 1 1 0 0 1 0 0
-----------------------
~x      1 0 0 1 1 0 1 1

bitový posuv doleva, tady o 2 bity, lze o obecný počet bitů
(zprava nahrazujem prázná místa 0)
x       0 1 1 0 0 1 0 0
-----------------------
x << 2  1 0 0 1 0 0 0 0

bitový posuv doprava o 2 bity, lze o obecný počet bitů 
(zleva nahrazujeme prázdná místa 0 pro unsigned typy, 
u signed typů je nahrazen znaménkovým bitem: 1 u záporných
hodnot, 0 u kladných)
x       0 1 1 0 0 1 0 0
-----------------------
x >> 2  0 0 0 1 1 0 0 1

U operátorů &, | a ^ se provádějí obvyklé aritmetické konverze podle podsekce Implicitní konverze operandů.

U operátorů posuvu << a >> tomu tak není. Každý operand se povýší zvlášť a typem výsledku je typ povýšeného levého operandu. Na pravý operand se typ levého operandu nijak nepřenáší. Druhý operand posuvu musí být nezáporný a zároveň ostře menší než počet bitů povýšeného levého operandu. Jinak jde o nedefinované chování. Při posuvu doprava se zleva doplňují nuly, je-li levý operand bezznaménkový nebo je-li znaménkový a nezáporný. Je-li levý operand znaménkový a záporný, je výsledek v normě C17 implementačně definovaný (na běžných překladačích se doplňuje znaménkový bit, tedy jedničky); norma C23 už toto chování předepisuje závazně.

Příklady výše ukazují pro přehlednost pouze spodní bajt výsledku. Ve skutečnosti se x typu unsigned char nejdříve povýší na int, takže například

unsigned char x = 100;
printf("%i\n", ~x);        // vytiskne -101, nikoliv 155
printf("%i\n", x << 2);    // vytiskne 400, zadne bity se neztraci
//
// chceme-li vysledek zpet v jednom bajtu, musime pretypovat
//
printf("%u\n", (unsigned char)~x);       // vytiskne 155
printf("%u\n", (unsigned char)(x << 2)); // vytiskne 144

Kontrola běhu programu

Větvení

if (tval)
{
	// blok při nenulovém tval
}
else 
{
	// blok při nulovém tval
}

Větev else je nepovinná. Pokud blok obsahuje pouze jeden příkaz, lze závorky vynechat. Při vynechávání závorek bloků, nemusí být na první pohled patrné, ke kterému if patří dané else: toto je dáno pravidlem, že patří k nejbližššímu if, které připadá v úvahu (tj. není obsazeno jiným else podle struktury bloků). Toto pravidlo se zhusta používá v konstrukci známé jako žebřík.

if (tval_1)
{
	// tval_1 je pravda (tj. není 0)
}
else if (tval_2)
{
	// tval_1 je nepravda (tj. je 0)
	// tval_2 je pravda
}
else if (tval_3)
{
	// tval_1 a tval_2 jsou nepravda
	// tval_3 je pravda
}
else 
{
	// tval_1, tval_2, tval_3 jsou nepravda
}

Není špatným zvykem psát závorky pro bloky skoro vždy (mimo speciálních idiomů, například žebříku).

Dalším příkazem pro větvení je switch. Tuto konstrukci si nastudujte z literatury jako cvičení.

Cykly

Základní cyklus.

while (tval)
{
	// tělo
}

Běh je následující

Vyhodnotíme tval, pokud není pravdivý, cyklus končí
Provedeme tělo cyklu a přejdeme k bodu 1.

Krokovací cyklus.

for (iter; tval; incr)
{
	// tělo
}

Běh je následující

Když cyklus začíná, provede se část iter. Ta může obsahovat i definici proměnné, tato proměnná je potom platná jenom v cyklu, uchovává si ale hodnotu mezi jednotlivými iteracemi.
Potom se vyhodnotí tval. Pokud je pravdivá, provede se tělo cyklu, jinak cyklus skončí.
Provede se výraz incr a přechází se k bodu 2.

Části iter, tval i incr lze vynechat (středníky musí zůstat), pokuch chybí tval je brán jako pravdivý.

Cyklus s alespoň jednou iterací.

do 
{
	// tělo
} while (tval);

Podobné cyklu while, pouze vyhodnocujeme tval na konci těla cyklu, nikoliv na začátku. V důsledku toho tělo cyklu provede vždy aspoň jednou.

/*
	Příklad: výpis čísel od 0 do n (n už se netiskne)
*/
int n = 10;

{ 
	// pomocí while
	int i = 0;
	while(i < n)
	{
		printf("%i\n", i);
		i += 1;
	}
}

{
	// pomocí for
	for(int i = 0; i < n; i += 1)
	{
		printf("%i\n", i);
	}	
}

{ 
	// pomocí do while
	// nefunguje pro n == 0 
	int i = 0;
	do
	{
		printf("%i\n", i);
		i += 1;
	} while(i < n);
}

Vykonávání libovolného cyklu lze přerušit provedením příkazu break. Ukončit provádění aktuální iterace cyklu a skočit dopředu na konec těla cyklu lze příkazem continue.

Poznámka k úkolům

Pokud se v úkolech vyskytují čísla, vhodně zvolte typ. Většinou stačí int, případně float. Můžete předpokládat, že funkce dostanou správné argumenty: pokud je například v úkolu napsáno, že argumentem funkce má být přirozené číslo, můžete pro ně zvolit typ int a přitom ve funkci nekontrolovat, že argument je nezáporný. Nemusíte volit unsigned int.

/* funkce zjišťující, jestli je n prvočíslo */
int is_prime(int n)
{
	/* následující test není potřeba */
	if (n <= 0) 
	{
		// a very bad error !!!!
	}
}

Úkoly

Ve vybraném vývojovém prostředí vytvořte program, který vytiskne větu: Ahoj světe. Program zkompilujte a spusťte.
Napište funkce pro výpočet obsahu obdélníka a kruhu.
Napište funkci pro převod malého písmena na velké.
Napište program, který vypíše velikosti všech skalárních typů.
Napište program, který vytiskne první a poslední číslici tříciferného čísla.
Napište funkci, která zvlášť vytiskne celou a desetinnou část desetinného čísla.
Napište funkci, která vrátí i-tý bit čísla (bezznaménkového typu).
Napište funkci, která vypíše hodnoty všech bitů čísla typu unsigned char.
Pomocí unsigned char lze reprezentovat podmnožinu množiny {0,..,7} následovně: bit na indexu i je roven 1, pokud i patří do podmnožiny, jinak je roven 0. Naprogramujte funkce pro test podmnožinovosti a výpočet rozdílu.
Napište funkci, která spočítá minimum tří čísel.
Napište funkci, která rozhodne, zda je daný rok přestupný.
Napište funkci, která vypočítá a-té Fibonacciho číslo.
Napište funkci, která vytiskne všechna čtyřciferná čísla, jejichž součet číslic je dělitelný 7.
Napište funkci, který pro přirozená čísla x, y vypíše všechna čísla větší než x a menší než y taková, že se čtou stejně zepředu jako zezadu (např. 12321, 1001).
Napište funkci, která pro přirozené číslo vytiskne jeho rozklad na prvočísla.
Napište funkci, která rozhodne, zda jsou dvě pole stejná, když * pole jsou stejná, pokud na všech indexech mají stejné hodnoty. * pole jsou stejná, pokud můžeme proházet prvky v prvním poli tak, aby bylo stejné jako druhé pole podle definice z předchozího bodu.
Napište funkci, která ověří, zda-li jsou prvky v poli uspořádány vzestupně.
Napište funkci, který určí maximální počet znaků, na kterých konec řetězce r1 stejný jako začátek řetězce r2.
```
Například pro "ahoj" a "hojnost" jsou to tři znaky, odpovídající řetězci "hoj".
a h o j
h o j n o s t
```
Napište funkci, která pro řetězce x, y spočítá, kolikrát se x vyskytuje jako podřetězec y. Jednotlivé výskyty se mohou překrývat.
Napište program, který pro dvojice typů (int, unsigned int), (long, unsigned int) a (long long, unsigned long) vytiskne, zda je výraz a < b pravdivý pro a == -1 a b == 1. Výsledky porovnejte s pravidly z podsekce o implicitních konverzích.
Následující funkce má vrátit počet prvků pole, které jsou menší než zadaná mez. Pro některé vstupy nefunguje. Najděte chybu, vysvětlete ji pomocí pravidel o konverzích a opravte ji.

int count_below(int array[], size_t n, int limit)
{
	int count = 0;
	for (int i = 0; i <= n - 1; i += 1)
	{
		if (array[i] < limit) { count += 1; }
	}
	return count;
}

Napište funkci, která pro zadaný celočíselný typ vytiskne, zda je znaménkový, a jeho minimální a maximální hodnotu — bez použití hlavičkového souboru limits.h. (Nápověda: využijte toho, že převod na bezznaménkový typ je definován modulo 2^N.)
Napište funkci double average(int array[], int n), která vrátí aritmetický průměr prvků pole. Ověřte, že pro pole {1, 2} vrací 1.5 a nikoliv 1.0.

Paměť

Pointery

Z pohledu programu se pamět jeví jako pole bajtů, kde indexu říkáme adresa. Je-li v paměti uložen nějaký objekt, jsou jeho jednotlivé bajty uloženy za sebou, přičemž první bajt je uložen na nejmenší adrese. Za adresu vícebajtového objektu považujeme právě adresu jeho prvního bajtu.

Adresní prostor je množina adres a je typicky dána velikostí adresy. Je-li například adresa 64-bitová, jak tomu je na moderních počítačích, obsahuje adresní prostor adresy od 0 do 2^64 - 1. Díky virtuální paměti pracuje každý proces s vlastním adresním prostorem: tatáž adresa znamená v různých procesech různé místo ve fyzické paměti a jeden proces se k paměti druhého nedostane. Naprostá většina adres z tohoto prostoru ovšem platná není. Operační systém procesu zpřístupní jen ty oblasti, o které si řekne. Přístup na kteroukoliv jinou adresu program ukončí (např. chybou segmentation fault).

Základní operace, které můžeme s pamětí dělat, je zjištění adresy na níž je konkrétní objekt (např. proměnná). To se provádí pomocího unárního prefixového operátoru adresy: &.

int x = 10;
printf("%p\n", &x);  // vypiseme adresu, na ktere je promenna x

Pomocí %p vypisuje printf adresy, obvykle v hexadecimální soustavě.

Adresu můžeme uložit i do proměnné, k tomu ale potřebujeme znát její typ. Ke každému existujícímu typu z je v programu automaticky i typ adresa, na které je uložena hodnota typu z. Proměnným a často i hodnotám tohoto nového typu programátoři říkají pointer na z. Klíčovým slovem pro tento nový typ je pak z*.

// typ 'pointer na int' zapisujeme int*
int x = 10;
int* ptr_x = &x;

Při definici pointeru se znak * ve skutečnosti váže ke jménu proměnné, to se ovšem projevuje pouze při definici více proměnných na jednom řádku. To ovšem v kurzu nepovažujeme za dobrý styl a nebudeme to dělat. Stejně tak mohou být před * bílé znaky.

Je nutné si uvědomit, že samotná proměnná ptr_x je v paměti a operátorem adresy lze zjistit na jaké adrese.

int x = 10;
int* ptr_x = &x; 
int** ptr_ptr_x = &ptr_x;

Druhou základní operací je přístup k hodnotě na dané adrese. To se dělá pomocí unárního prefixového operátoru dereference: *. Tímto způsobem můžeme hodnotu číst i na dané místo zapisovat.

int x = 10;
int* ptr_x = &x; 
printf("%i\n", *ptr_x); // vytiskne 10
*ptr_x = 20;            // zapise na adresu ptr_x hodnotu 20
printf("%i\n", x);      // vytiskne 20

Je nutné si uvědomit, že k přístupu k hodnotě na dané adrese je nutné znát typ této hodnoty. To je zajištěno typovým systémem, kdy je v typu pointeru zachycen typ hodnoty na dané adrese.

Dereferencování pointeru, které vede k přístupu na adresu paměti, která není programu přidělena, vede k nedefinovanému chování. O takovém pointeru řekneme, že je neplatný. Obecně nelze testovat, jesli je pointer neplatný. Existuje ovšem jedna výjimka a tou je adresa 0 (jakéhokoliv typu). Ta je vždy neplatná a jako obecná pravdivostní hodnota odpovídá nepravdě. Je proto dobrým zvykem udržovat hodnoty neplatných pointerů rovny 0. V cizím kódu se místo 0 často píše makro NULL z stddef.h. Znamená to totéž a lze je pro účely testování platnosti pointeru zaměňovat. (Nemusí ovšem být totožné, NULL nemusí mít všechny bity rovny 0.)

// pokud udrzujeme neplatne pointery rovny 0, nasledujici nevede k nedefinovanemu chovani
int* ptr_x = 0;

// nejaky kod, ktery mozna manipuluje s ptr_x

if (ptr_x) 
{ 
	printf("%i\n", *ptr_x);
}

Pole, pointery a pointerova aritmetika

Jméno pole je konstantní pointer s adresou prvního prvku pole. Jméno pole se ve výrazech konvertuje na pointer na jeho první prvek (tzv. degenerace). Výjimkou je sizeof a operátor &.

int a[] = { 0,1,2,3,4,5 };
int* ptr_3 = a;
printf("a[0] = %i\n", *a);   // tiskne 0
*ptr_3 = 10;
printf("a[0] = %i\n", a[0]);  // tiskne 10

Pointer je konstatní, nelze tak měnit jeho hodnotu.

int b[] = { 10, 20 };
a = b;  // Chyba: a je konstantni pointer a nelze do nej priradit jinou hodnotu.

Při předání pole jako argumentu funkce pole degeneruje na pointer.

void fce(int array[]) 
{
	// array je typu int*
	// size je tedy sizeof(int*) / sizeof(int)
	int size = sizeof(array)/sizeof(array[0]); 
	printf("ve funkci: %i\n", size);
}

int main() 
{
	int a[] = { 0,1,2,3,4,5 };
	int size = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
	printf("v mainu: %i\n", size);
	fce(a);
}

Kvůli degeneraci tak vlastně můžeme do funkce předat přímo pointer.

void fce(int* array)

Jak je to s přístupem k prvkům pole? To řeší pointerová aritmetika. Protože pole je v paměti v souvislém bloku, lze adresu prvku na indexu i získat tak, že adresu začátku pole zvětšíme o i-krát velikost jednoho prvku pole. Tím se v paměti posuneme z prvního bajtu prvku na indexu 0 na první bajt prvku na indexu i. V programu počet bajtů, o které je nutno se posunout nemusíme počítat, aritmetické operace s pointery to udělají za nás. K pointeru lze totiž přičíst, nebo od něj odečíst, celé číslo. Výsledkem přičtení čísla c k pointeru ptr je pointer, který získáme zvětšením ptr o c-krát velikost typu, na který ptr ukazuje. Pokud by byl například ptr pointer na int, tak bychom je zvětšili o c-krát sizeof(int). Odečítání celého čísla funguje analogicky.

int a[] = {0,1,2};
int* ptr = a;
printf("velikost int: %lu\n", sizeof(int));
for (int i = 0; i < 3; i += 1) {
	printf("index: %i, adresa: %p\n", i, a + i);
}

Pointerové aritmetiky v kombinaci s operátorem dereference můžeme využít pro přístup k prvkům pole. Použití [] je totiž jenom syntaktický cukr pro pointerovou aritmetiku a následnou dereferenci.

int array[] = { 1, 2, 3, 4 };
int* ptr = array + 1;    
printf("array[2] = %i\n", array[2]);      // vytiskne 3
printf("*(array+2) = %i\n", *(array+2));  // vytiskne 3
printf("ptr[1] = %i\n", ptr[1]);          // vytiskne 3

Operátor dereference má větší prioritu než sčítání, je proto nutné použít závorky. Protože je navíc operátor sčítání komutativní, je korektní i následující kuriózní přístup k prvku na indexu 2.

printf("array[2] = %i\n", 2[array]);        // vytiskne 3

Všimněme si také přístupu pomocí pointeru ptr. Ten ukazuje, že pole v C skutečně jsou adresou prvního prvku a současně každý pointer můžeme chápat jako adresu prvního prvku v poli (i když je toto pole vlastně jednoprvkové). Přístup k jednotlivým prvkům je potom realizován pomocí pointerové aritmetiky. V našem případě se můžeme na ptr dívat jako na pole, která začíná druhým prvkem array.

Pointery stejného typu můžeme od sebe odečíst, výsledkem je čísle, jehož absolutní hodnota je rovna počtu prvků daného typu, který se mezi obě adresy vejde. Je to tedy rozdíl adres (v bajtech) dělený velikostí typu (je použito celočíselné dělení). Výsledek je typu ptrdiff_t: je to znaménkový celočíselný typ, jehož šířka závisí na implementaci (může to bý například long). Operace je definována pouze pro adresy ukazující do stejného pole, jinak výsledek není definován.

Pointery také můžeme mezi sebou porovnávat.

Pointery a struktury

Pointeru na strukturu lze použít k přístupu k položkám struktury s pomocí operátoru ->, alternativně lze použít dereference následované operátorem . (tečka).

typedef struct 
{
	int pol1;
	float pol2;
} My_Str;

My_Str str = {10, 13.1};
My_Str* ptr = &str;
// oba radky vytisknou totez
printf("polozka1: %i, polozka2: %f\n", ptr->pol1, ptr->pol2);
printf("polozka1: %i, polozka2: %f\n", (*ptr).pol1, (*ptr).pol2);

Operátory adresy a dereference mají menší prioritu než operátor tečky, proto jsme v příkladu museli použít závorky. V opačném případě bychom udělali dvě chyby: přistupovali bychom k položce struktury pomocí tečky a přitom ptr je pointer na strukturu; a dereferencovali bychom int a float. Naopak, při použití operátorů adresy a dereference na položky struktury závorky můžeme vynechat (můžeme je psát kvůli čitelnosti, nebo “pro jistotu”).

printf("adresa prvni polozky: %p\n", &str.pol1);

Struktura nemůže obsahovat položku stejného typu jako je sama. Může ovšem obsahovat položku, která je pointerem na typ, které je sama. Toho často využíváme při kostrukci datových struktur, například spojového seznamu.

typedef struct _node 
{
	int key;               // data v uzlu
	struct _node* next;    // pointer na dalsi prvek v seznamu 
} Node;


Node storage[10];
for(int i = 0; i < 10; i += 1) 
{
	// naplnime seznam
	storage[i].key = i;
	if (i < 9) 
	{
		storage[i].next = &storage[i+1];
    }
    else 
	{
		storage[i].next = 0;       // posledni prvek nema souseda
    }
}

// projdeme seznam a vytiskneme jej
Node *first = storage;
while(first) 
{
	printf("%i ", first->key);
	first = first->next;
}
printf("\n");

Parametry předané odkazem

Už víme, že pokud předáme funkci pole jako argument a funkce změní některé jeho prvky, zachovají se tyto změny i po skončení funkce na místě, ze kterého jsme ji volali. Děje se tak proto, že volané funkci nepředáváme jako argument pole, ale jeho adresu.

Tohoto mechanismu můžeme využít i pro jiné argumenty než pole, pokud chceme umožnit, aby funkce mohla změnit jejich hodnotu. Stačí předat adresu argumentu, místo jeho hodnoty. Toho se často používá, potřebujeme-li z funkce vrátit více než jednu hodnotu.

// funkce pro celociselne deleni
// argument rem je predan odkazem, je to adresa, na kterou funkce zapisuje

int division(int a, int b, int* rem) {
	*rem = a % b;
	return a / b;
}

int main() {
	int x = 0;
	int y = 0;
	x = division(10, 3, &y);  // tady predame adresu promenne y
	printf("vysledek %i, zbytek %i\n", x, y); // vypise: vysledek 3, zbytek 1
}

void pointer, přetypování

V jazyce C existuje pointer bez informace o typu hodnoty, na kterou pointer ukazuje. To je užitečné například v situaci, kdy pracujeme čistě s pamětí (a nepotřebujeme znát typ hodnot tam uložených). Například při kopírování, porovnávání apod. Typ takového pointeru je void*, programátoři mu říkají void pointer.

Void pointer lze implicitně přetypovat na pointer jakéhokoliv typu, a pointer jakéhokoliv typu lze implicitně přetypovat na void pointer. Přetypování mezi ostatními typy pointerů je nutno provádět explicitně (jinak překladač vypíše warning nebo chybu).

Příkladem jednoduché funkce pracující s pamětí je tisk jejího obsahu na obrazovku. Jako argumenty funkce postačuje adresa začátku paměti a její velikost v bajtech.

void dump_mem(void *mem, size_t size);

Pamět budeme tisknout po bajtech do tabulky, která bude mít na každém řádku 8 bajtů. Jeden bajt vytiskneme jako dvouciferné hexadecimální číslo (zamyslete se proč je to vhodné). Ve funkci využijeme toho, že typ unsigned char má vždy velikost jeden bajt. Na začátku funkce (implicitně) přetypujeme pointer mem na pointer na unsigned char a můžeme se na pamět dívat jako na pole bajtů. Poté stačí toto pole projít a vytisknout.

void dump_mem(void *mem, size_t size) {
	unsigned char *bytes = mem; // tady pretypujeme
	for (size_t i = 0; i < size; i += 1, bytes += 1) {
		if (i && !(i % 8)) {
			printf("\n"); 
		}
		printf("%.2X ", *bytes); 
  }
  printf("\n");
}

Chceme-li funkci použít, musíme získat její argumenty: získat adresu začátku paměti a její velikost.

int x = 300;
dump_mem(&x, sizeof(x));  // tady dochazi k implicitnimu pretypovani int* na void*

float f = 2.4;
dump_mem(&f, sizeof(f));

struct { char c; int a; } s = {'x', 55 };
dump_mem(&s, sizeof(s));

char a[] = "ahoj svete";
dump_mem(a, strlen(a) + 1);

double b[5] = { 1.1, 2.2, 3.3, 0, 4.4 };
dump_mem(b, sizeof(b));

Přetypování z void* na unsigned char* je vždy bezpečné. Jinde může dojít k nedefinovanému chování. Prvním důvodem jsou tzv. trap reprezentace. Mohou existovat typy, kde ne každý obsah paměti odpovídá platné hodnotě daného typu. Takový obsah paměti, který neodpovídá platné hodnotě je past: pokus o dereferenci vede k nedefinovanénu chování. Podle standardu je jediný typ, který zaručeně nemá trap reprezentaci, právě unsigned char. Ostatní typy trap reprezentaci mít mohou, ale nemusí. Dalším problémem může být tzv. zarovnání (anglicky alignment): na některých architekturách je vyžadováno, aby vícebajtové objekty začínaly na adrese s určitou vlastností, například na adrese dělitelné velikostí objektu. Dereference nezarovnané adresy vede k nedefinovanému chování.

Pro explicitní konverze mezi pointery jiných typů existují ve standardu pravidla (strict aliasing rules), která svým rozsahem do kurzu nepatří. Doporučuji se prozatím takovým konverzím vyhýbat.

Některé funkce ze standardní knihovny

Pro manipulaci s pamětí lze využít některé funkce ze string.h. Jsou to zejména:

void* memcpy(void* dest, void* src, size_t count)

Zkopíruje count bajtů z adresy src na adresu dest. Oblasti paměti odkud a kam se kopíruje se nesmí překrývat.
void* memmove(void* dest, void* src, size_t count)

Zkopíruje count bajtů z adresy src na adresu dest. Oblasti paměti odkud a kam se kopíruje se mohou překrývat.
void* memset(void* dest, int ch, size_t count)

Zkopíruje hodnotu (unsigned char)ch do count bajtů paměti začínajících adresou dest.
int memcmp(void* lhs, void* rhs, size_t count)

Lexikograficky porovná prvních count bajtů paměti na adresách lhs a rhs. Vrací znaménko rozdílu mezi hodnotami prvních dvou bajtů na kterých se lhs a rhs liší. Pokud takové bajty neexistují, vrací 0.

Další podrobnosti o zmíněných funkcích si čtenář nastuduje z referenční příručky. Důležité je podívat zejména okrajové chování (např. když je některý argument 0).

Životnost objektů za běhu programu

Pro nás význam: kdy je objekt v paměti během běhu programu? (anglicky storage duration). Když je pamět objektu přidělena, říkáme, že je pro něj alokována. Uvolnění paměti objektu někdy říkáme dealokace.

Existují tři typy životnosti, statická, automatická a manuální. (Manuální životnosti se někdy také říká alokovaná, od C11 přibyla životnost pro vlákna, ale tou se zabývat nebudeme.)

Pro objekty se statickou životností je paměť alokována při startu programu, uvolněna na konci běhu programu. O její alokaci je rozhodnuto při překladu programu. Statickou zprávu paměti mají zejména

objekty definované na úrovni souboru, například globální proměnné, složené literály.
lokální proměnné definované se storage class static,
řetězcové literály (globální i uvnitř funkcí).

Objekty lze inicializovat na hodnotu známou v době překladu. Bez explicitní inicializace v kódu jsou automaticky inicializovány na 0.

Storage class static se u proměnné specifikuje při definici, píše se na první místo. Proměnná si uchovává hodnotu mezi jednotlivými zavoláními funkce.

int fce() {
	static int count;  // inicializace na 0 pri startu programu
	count += 1;
	return count;      // vraci kolikrat byla zavolana
}

Řetězcové literály jsou pouze ke čtení, pokus o jejich změnu vede k nedefinovanému chování. Mohou být uloženy tak, že se překrývají a sdílejí svůj konec.

char *r = "retezcovy literal";
r[0] = 'x';  // nedefinovane chovani

Složené literály lze měnit.

typedef struct {
	float x;
	float y;
} vec2f;

// globalni promena
vec2f *ptr = &(vec2f){.x=3.2f, .y=2.1f};

// nekde uvnitr funkce
ptr->x = 2.4;   // OK

Alokace a dealokace objektů s automatickou životností se děje automaticky za běhu programu. Mezi objekty s automatickou životností patří

lokální proměnné, které nemají storage class static,
lokální složené literály,
dočasné objekty vytvořené jako návratové hodnoty funkcí (navíc jsou pouze ke čtení)

Objekty typicky vznikají v momentě vstupu do bloku, ve kterém jsou definovány a zanikají při výstupu z tohoto bloku. Lokální proměnné nejsou automaticky inicializovány, je nutné je inicializovat explicitně. Je chyba vracet z funkce adresu objektu s automatickou životností, objekt je totiž po skončení funkce dealokován. Dereference adresy pak vede k nedefinovanému chování.

int* fce() {
  int array[] = {1,2,3};
  return array;            // chyba !!!!!
}

// nekde v kodu
int *a = fce();
a[0] = 5;    // nedefinovane chovani

K manuální správě paměti aplikační programátor většinou využije nejakou knihovnu, kde je implementován alokátor paměti (ten se stará o přidělování paměti, který ji sám získává od operačního systému, případně spravuje paměť se statickou životností). Rozhraní alokátoru ze standardní knihovny je dáno funkcemi z hlavičkového souboru stdlib.h.

alokační funkce malloc, calloc,
dealokační funkce free,
realokační funkce realloc.

Princip použití alokačních funkcí je následující: funkci předáme počet bajtů, které chceme alokovat. Funkce vrátí adresu prvního bajtu souvislého kusu paměti požadované velikosti. V případě, že se alokace nepovede, vrací funkce 0.

Funkci free předáme jako argument adresu, kterou někdy předtím vrátila některá alokační nebo realokační funkce, a která ukazuje na doposud neuvolněnou paměť.free tuto paměť uvolní. Pokud jí předáme 0, nedělá free nic. Pokud jí ovšem předáme jakoukoliv jinou adresu, vede to nedefinovanému chování.

Funkce realloc umožňuje změnit velikost již alokované paměti.

Podrobnosti k jednotlivým funkcím si čtenář najde v referenční příručce.

Alokace paměti je první operace, se kterou jsme se setkali a která může za běhu selhat, aniž by na tom bylo cokoliv nelegálního. Její návratovou hodnotu je proto potřeba kontrolovat. Nejjednodušší způsob, jak to udělat, je makro assert z hlavičkového souboru assert.h.

#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
 
int *array = malloc(sizeof(int) * 10);
 
//
// pokud je array nulovy pointer, program se ukonci
// a vypise, ve kterem souboru a na kterem radku k tomu doslo
//
assert(array);

Makro dostane jeden výraz. Je-li výraz pravdivý, neudělá assert nic a program pokračuje. Je-li nepravdivý, vypíše se na chybový výstup zpráva s názvem souboru, číslem řádku a zněním výrazu a program se okamžitě ukončí.

Je-li při překladu definováno makro NDEBUG, všechna volání assert z programu zmizí. Toho se využívá pro finální, odladěnou verzi programu, u které už kontroly nechceme platit. Jak přesně to udělat je v kapitole Preprocesor. Z toho plyne pravidlo, které je nutné dodržet bez výjimky: do assert nikdy nedávejte výraz s vedlejším účinkem. Zmizí-li totiž assert, zmizí i ten vedlejší účinek.

Primárně slouží assert pro odhalování chyb programátora, tedy situací, o kterých tvrdíme, že nastat nemohou. Například ověření předpokladů na začátku funkce nebo o kontrolu, že jsme někde nespočítali nesmysl.

void set_element(int *array, int n, int index, int value)
{
	//
	// tvrdime, ze funkce nikdy nebude volana se spatnym indexem
	// pokud bude, chceme se to dozvedet hned
	//
	assert(index >= 0 && index < n);
 
	array[index] = value;
}

Naopak se assert nehodí na situace, které za běhu legitimně nastat mohou: neexistující soubor, neplatný vstup od uživatele, nedostatek paměti. Ty je potřeba ošetřit a nějak na ně zareagovat, ne program ukončit. (Během vývoje můžeme dát assert i na místa, kam ošetření chyb doplníme později.)

V tomto textu assert používáme i nesprávně v situacích, na které se nehodí. Je to proto, aby příklady kódu zůstaly krátké. Makro lze ze stejného důvodu používat i při řešení úkolů.

Nyní následují příklady použití typického použití alokačních funkcí a častých chyb.

int m = 20;
int* array = malloc(m * sizeof(int)); // alokace pro pole int velikosti m
assert(array);  // pro ucely kurzu staci tato kontrola, 
                // obecne muze byt potreba komplikovanejsi test uspechu alokace

// pracuj s polem array

free(array);   // uvolnime pamet
array = 0;     // nastavime pointer na neplatny

Funkce realloc muze při změně velikosti alokovane paměti přesunout její obsah na jinou adresu a původní paměť uvolnit.

int realloc_size[] = {10, 12, 512, 32768, 65536, 32768};
int m = sizeof(realloc_size)/sizeof(realloc_size[0]);
int *next = 0;

for (int i = 0; i < m; i += 1) {
	int *ret = realloc(next, sizeof(int) * realloc_size[i]);
    assert(ret);
    printf("%p -> %p\n", next, ret);   // pokud dojde k presunu, vypisi se ruzne adresy
    next = ret;
}
free(next);

Mezi hlavní chyby při manuální správě paměti patří tzv. memory leak a double free. První chyba nastane tak, že v programu zapomeneme adresu alokované paměti bez toho, abychom ji uvolnili. Tím pádem už ji nikdy uvolnit nemůžeme. Program má pak tuto paměť alokovánu zbytečně. Ke druhé chybě dojde tak, že se alokovanou paměť pokusíme uvolnit dvakrát (nebo vícekrát), mimo první pokus to vede k nedefinovanému chování.

Na závěr dodejme, že po skončení programu všechnu jeho paměť uvolní operační systém.

Existují také jiné přístupy ke správě paměti, které nahrazují nebo vylepšují manuální správu, například tzv. počítání referencí nebo garbage kolektory. Ty jsou v určité formě pro jazyk C přístupné jako knihovny (např.Boehm garbage collector).

Úkoly

Naprogramujte funkci Token parse(char string[]), určenou k převodu prvního slova řetězce string na hodnotu. (První slovo je do bílého znaku nebo do konce řetězce). Typ Token (který také definujte) přitom musí být technikou tagged unionu schopen reprezentovat následující případy
- je-li první slovo desetinným číslem, pak je hodnota typu double
- je-li první slovo celý číslem, pak je hodnota typu int
- prvním slovem je jedno z klíčových slov if for while
- string je prázdný
- nastala chyba (situace nepokryté předchozími body)
Naprogramujte vlastní verze knihovních funkcí strlen a strcmp (string.h), které nepoužijí indexů, ale pouze pointerové aritmetiky a dereference.
Vytvořte strukturu s několika položkami a aspoň jednu její proměnnou. Vypište informace o layoutu této proměnné: pro každou položku vypište její adresu a velikost. Vypište i adresu a velikost samotné proměnné.
Naprogramujte funkci pro výpočet průměru a mediánu pole čísel (např. float). Jednu z hodnot vraťte pomocí argumentu předaného odkazem. (Funkce může změnit pořadí prvků v poli.)
Napište funkci swap_int, která prohodí hodnoty dvou proměnných typu int.
Napište funkci, která v poli řetězců najde znak, který se vyskytuje v nejvíce řetězcích v tomto poli.
Uvažujme následující strukturu pro řetězec. Položka data není zakončená 0, místo toho si pamatuje svoji délku v položce len.
```
typedef struct
{
    char *data;
    size_t len;
} String;
```
Řětězce budeme vytvářet pomocí funkce (není nutno se zabývat jejím tělem, zejména ne funkcí malloc).
```
String clone_from_cstring(char *cstring)
{
    String ret = {0};
    ret.len = strlen(cstring);
    if (ret.len == 0) { ret.data = 0; }
    else 
    {
        ret.data = malloc(ret.len);
        assert(ret.data);
        memcpy(ret.data, cstring, ret.len);
    }
    return ret;
}
```
Naprogramujte následující funkce
```
String get_prefix(String str, char delimiter, String* remainder);
```
Funkce vrátí prefix řetězce str až do znaku delimiter, který ovšem do výsledku nepatří. Do argumentu remainder zapíše zbytek řetězce bez delimiteru. Tedy pokud spojíme návratovou hodnotu, delimiter, pokud jej str obsahuje, a remainder dostaneme str (vše chápáno jako řetězce). Pokud je první symbols str roven delimiter, vrací funkce prázdný řetězec. Pokud str delimiter neobsahuje, je výsledkem celý řetězec. Funkce v tomto případě musí nastavit remainder na prázdný řetězec. Funkce vytváří novou strukturu string, ovšem nealokuje novou pamět pro pole typu char, položka data je ukazatelem do pole, na které ukazuje položka str.data. Stejně tak pro remainder.
```
int string_to_long(String s, long* result);
```
Funkce převede číslo zapsané jako řetězec na long. Předpokládáme kódování v desítkové soustavě. Číslo může být záporné. Pokud je s prázdný, je výsledkem převodu 0. Výsledné číslo je zapsáno do argumentu result. Funkce vrací 1, pokud se povedlo číslo z řetězce převést, jinak vrací 0.
```
int compute_the_thing(String s, long* result);
```
s je text, který obsahuje na každém řádku mezerami oddělená celá čísla. Funkce spočítá číslo, které dostane následovně: čísla v každém řádku sečte; výsledek dostane tak, že sečte součty sudých řádků a od toho odečte součet součtů lichých řádků. Toto číslo zapíše do result. Pokud se část řetězce nepovede převést na číslo, vrátí funkce 0, jinak vrací 1. Například, pokud je s
```
2 2
2 2 2
-2 3
```
jsou součty řádků 4, 6, 1 a výsledek je -4 + 6 -1 = 1.
Upravte funkci dump_mem tak, aby na začátku každého řádku vypsala adresu prvního bajtu na tomto řádku. Přidejte možnost vypisovat bajty jako posloupnost 8 bitů (je nutné využít bitových operátorů).
Naprogramujte vlastní verze funkcí memcpy, memmove, memcmp, memset. Funkce mohou být implementovány naivně.
Najděte způsob, jak bez použití sizeof programově zjistit velikost nějakého typu, například float.
Napište funkci pro detekci endianity a pro převod mezi big endian a small endian (například pro typ unsigned int, nebo obecnou funkci). Wiki o endianitě.
Implementujte funkci, která vrátí nově alokovaný řetězec, jehož obsah vznikne spojením dvou řetězců předaných funkci jako argumenty.
Implementuje zásobník pomocí dynamického pole.
```
typedef struct 
{
	int *data;    // pole pro vlozena data
	int top;      // pocet vlozenych prvku
	int cap;	  // velikost pole data
} Stack;
  
Stack create_stack() 
{
     return (Stack){0};
}
```
Doprogramujte operaci push tak, aby v momentě, kdy je zásobník zaplněn, tato operace realokovala položku data na dvojnásobnou velikost.

Doprogramujte operaci pop tak, aby v momentě, kdy je zásobník zaplněn z jedné čtvrtiny, zmenšila položku data na polovinu.

První nenulovou velikost zásobníku vyberte jako malou mocninu 2, např. 16.

Doprogramujte funkci destroy_stack, pro uvolnění alokované paměti zásobníku.

Vytvořte strukturu struct matrix pro matici desetinných čísel (double), s položkami pro rozměry matice (počet řádků a sloupců) a data (obsah matice). O vnitřním uložení a adresování jednotlivých prvků matice rozhodněte sami.

Naprogramujte funkce:

// 
// Funkce nastaví v `m` položky pro rozměry matice a alokuje pamět pro  data.
//
void allocate_matrix(struct matrix *m, int rows, int cols);

//
// Funkce inicializuje obsah podle pole `array` v row-major pořadí:
// řádky matice jsou naskládány za sebe.  Můžete
// předpokládat, že `array` je dostatečně velké.
//
void initialize_matrix_from_array(struct matrix *m, double *array);

//
// Funkce dealokuje paměť a nastaví odpovídající pointery na 0.
//
void destroy_matrix(struct matrix *m);

//
// Funkce vynásobí matice (předpokládejme, že vynásobit jdou). Pro data
// výsledné matice alokuje novou paměť.
//
struct matrix multiply_matrix(struct matrix a, struct matrix b);

//
// Funkce vytiskne matici jako tabulku.
//
void print_matrix(struct matrix a);

Naprogramujte následující funkci.
```
char** split_string(char *str, char delimiter, int *n);
```
Funkce rozdělí řetězec str na části oddělené znakem delimiter, ten přitom do žádné části nepatří. Funkce vrátí takto vzniklé řetězce v nově alokovaném poli, každý z jeho prvků je klonem části původního řetězce, tj. jeho paměť je
nově alokována. Počet vzniklých řetězců zapíše na adresu n.

Příklady rozdělení řetězce (delimiter je '-')
```
"ahoj-svete"       -> { "ahoj", "svete" }
"ahoj--svete"      -> { "ahoj", "", "svete" }
"-ahoj-svete"      -> { "", "ahoj", "svete" }
"ahoj-svete-"      -> { "ahoj", "svete", "" }
"ahoj"             -> { "ahoj" }
```

Funkce

Variadické funkce

Variadické funkce jsou funkce s proměnným počtem parametrů. Variadické funkce mají povinné argumenty, těch je v každém zavolání stejný počet, a volitelné argumenty, jejichž počet se může mezi voláními může lišit. Každá variadická funkce musí mít alespoň jeden povinný argument.

Zjištění počtu a typu volitelných argumentů uvnitř funkce se neděje automaticky, řeší se konvencí. Existují v zásadě tři přístupy.

Předpokládáme pevný typ volitelných argumentů, v povinném argumentu předáváme jejich počet.

//hlavicka
double sum_of_doubles(int count, ...);  // hlavicka

// volani
sum_of_doubles(3, 1.2, 2.2, 3.3);  // vysledek je 6.6 
sum_of_doubles(2, 2.1, 3.3);       // vysledek je 5.4

Předpokládáme pevný typ argumentů, ale poslední nepovinný argument má speciální hodnotu, například 0.

//hlavicka
int sum_of_ints(int first, ...);  // hlavicka

// volani
sum_of_ints(1, 2, 3, 0);  // vysledek je 6
sum_of_ints(2, 2, 0);     // vysledek je 4

Informaci o typech i počtu volitelných argumentů předáme pomocí povinných argumentů. Tento přístup používá například funkce printf.

K nepovinným argumentům přistupujeme pomocí maker z stdarg.h.

typ va_list pro udržování nezpracovaných argumentů,
va_start nastaví va_list na všechny volitelné argumenty,
va_arg vrátí hodnotu prvního argumentu ve va_list, potřebuje znát typ, první argument odstraní z va_list.
va_end ukončí práci s nepovinnými argumenty.

Podrobnosti v následujících příkladech.

double sum_of_doubles(int n, ...) 
{
	va_list args;
	double ret = 0;
	va_start(args, n); // tady se musi predat va_list a posledni povinny argument 
	
	for (int i = 0; i < n; i += 1) 
	{
		ret += va_arg(args, double); // tady se musi predat va_list a typ argumentu
	}
	
	va_end(args);  // ukonceni prace s argumenty
	return ret;
}

//
// nutno volat aspon dvema argumenty !!!
// jinak UB
//
int sum_of_ints(int first, ...) 
{
	va_list args;
	int ret = first;
	va_start(args, first);

	while (1) 
	{
		int val = va_arg(args, int);
		if (!val) break;
		ret += val;
	}
	
	va_end(args);
	return ret;
}

void almost_printf(char *format, ...) 
{
	va_list args;
	int index = 0;
	va_start(args, format);
	
	while(format[index]) 
	{
		switch(format[index]) 
		{
			case 'i':
				printf("%i ", va_arg(args,int));
				break;
			case 'd':
				printf("%f ", va_arg(args,double));
				break;
		}
		index += 1;
	}

	va_end(args);
}

Při předávání variadických argumentů dochází k automatické konverzi typů: float je konvertován na double, u celočíselných typů dochází k celočíselné promoci.

Pointery na funkce

S pomocí pointerů na funkce lze v omezené míře pracovat s funkcemi vyššího řádu. Pointer na funkci sebou nese i typové informace: typ návratové hodnoty a počet a typy argumentů. Zápis tohoto typu podobný jako zápis hlavičky funkce bez jmen argumentů, pouze jméno funkce nahradíme (*).

int (*)(int*, int)   // typ pointer na fci, ktera vraci int, 
	                 // jeji argumenty jsou typu int* a int.

Při definici proměnné se identifikátor píše dovnitř závorky za *.

int (*fce_ptr)(int*, int);   // definice pointeru

Předchozí syntax je trochu nešikovná, proto se často používá typedef.

typedef int (*p_fun)(int* , int); // typ se jmenuje p_fun
p_fun ptr;   // definice promenne

nebo alternativně

typedef int fun_type(int *, int); // definujeme typ pro funkci, nikoliv pointer na funkci
fun_type* ptr;

S pointery na funkce nelze provádět aritmetiku, ani aplikovat operátory adresy a dereference (resp, tyto operátory nedělají nic). Můžeme ovšem funkci volat, syntax volání je přitom stejná jako u běžného volání funkce.

Podobně jako u polí, jméno funkce degeneruje na pointer na funkci.

typedef int p_fun(int* , int);

int array_sum(int *array, int n) {
	int r = 0;
	for (int i = 0; i < n; i += 1) {
		r += array[i];
	}
	return r;
}

int array_product(int *array, int n) {
	int r = 1;
	for (int i = 0; i < n; i += 1) {
		r *= array[i];
	}
	return r;	
}

int main() {
	int a[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	int n = sizeof(a)/sizeof(*a);
	
	p_fun* reduce = array_sum;      // reduce ukazuje na funkci array_sum
	printf("%i\n", reduce(a, n));   // vytiskne 15, vola array_sum
	reduce = array_product;
	printf("%i\n", reduce(a, n));   // vytiskne 120, vola array_product
	return 0;
}

S pointery na funkce lze pracovat jako s jinými typy v C. Lze tvořit jejich pole, předávat je do funkcí jako argumenty, mohou být návratovými hodnotami funkcí atd.

Pointer na funkci může být neplatný, v tom případě vede pokus o volání k nedefinovanému chování. Pointeru na funkci je možné přiřadit 0 a pointery na funkce lze porovnávat.

Jedno z využití pointerů na funkce je tvorba analogie generických funkcí známých z jiných jazyků. Ideou je, že funkci naprogramujeme jednou a ona poté pracuje pro více typů. Ukážeme si to na příkladu binárního vyhledávání.

typedef int compare_fn(void *, void *);  // argumenty jsou void*, aby byla funkce obecna

int compare_int(void *a, void *b) 
{ 
    int *aa = a; // tuto funkci budeme volat pouze s int*,
    int *bb = b; // muzeme bezpecne pretypovat

    if (*aa < *bb) return -1;
    if (*bb < *aa) return 1;

    return 0;
}

int compare_long(void *a, void *b) 
{
    long* aa = a;
    long* bb = b;

    if (*aa < *bb) return -1;
    if (*bb < *aa) return 1;

    return 0;
}

//
//  genericka funkce pro binarni vyhledavani
//

int binary_search(void *array,              // pole, ve kterem vyhledavame
                  void *key,                // ukazatel na hodnotu klice
                  size_t n,                 // pocet prvku pole
                  size_t element_size,      // velikost jednoho prvku v bajtech
                  compare_fn* cmp)          // funkce pro porovnani dvou prvku
{

	unsigned char *bytes = array;

	size_t lo = 0;
	size_t hi = n;          // polouzavreny interval [lo, hi)

	while (lo < hi)
	{
		size_t mid = lo + (hi - lo) / 2;

		int cmp_result = cmp(key, bytes + mid * element_size);

		if (cmp_result == 0)     { return (int)mid; }
		else if (cmp_result > 0) { lo = mid + 1; }
		else                     { hi = mid;     }
	}

	return -1;
}

//
//  pro jednotlive typy vytvorem funkce tvorici rozhrani
//
int binary_search_int(int* array, int key, size_t n) 
{
	return binary_search(array, &key, n, sizeof(int), compare_int);
}

int binary_search_long(long* array, long key, size_t n) 
{
	return binary_search(array, &key, n, sizeof(long), compare_long);
}

int main() 
{
	int array_int[20];
	long array_long[20];

	for(int i = 0; i < 20; i += 1) 
	{
		array_int[i] = i;
		array_long[i] = i;
	}

	int key_int_ok = 10;
	int key_int_fail = 30;

	long key_long_ok = 5;
	long key_long_fail = -3;

	printf("index of %i in array_int is %i\n",
		    key_int_ok,
		    binary_search_int(array_int, key_int_ok, 20));

	printf("index of %i in array_int is %i\n",
		   key_int_fail,
           binary_search_int(array_int, key_int_fail, 20));

	printf("index of %li in array_long is %i\n",
           key_long_ok,
           binary_search_long(array_long, key_long_ok, 20));

	printf("index of %li in array_long is %i\n",
           key_long_fail,
           binary_search_long(array_long, key_long_fail, 20));
		 
	return 0;
}

Úkoly

Navhněte strukturu pro komplexní číslo a naprogramujte variadickou funkci pro výpočet sumy komplexních čísel využívají prvního přístupu k určení počtu volitelných argumentů.
Napište funkci long double prumer(char* format, ...), která výpočítá aritmetický průměr ze zadaných hodnot různých datových typů. Typy předávaných hodnot jsou určeny pomocí parametru format, který může tvořit libovolná posloupnost znaků odpovídající typům následujících parametrů - i pro typ int, d pro typ double a l pro long double.
Naprogramujte vlastní verzi funkce printf, která s podporou tiskových direktiv %i, %f a %z, kde poslední direktiva vede k tisku zlomku. Při řešení lze využít funkci printf.
Napište funkci double* map(double (*fce)(double), double* input, int len), která na hodnoty pole input aplikuje funkci fce a vrátí pole výsledných hodnot. Velikost pole input parametrem len.
Napište funkci double akumulator(double (*fce)(double, double), double numbers[], int len), která zpracuje pomocí předané funkce fce hodnoty z pole numbers, jehož velikost je dána parametrem len. Můžete předpokládat, že len je vždy alespoň 2.
S použitím příkladu z kapitoly vytvořte funkci pro binární vyhledávání zlomků.

Do následujícího kódu doprogramujte generickou funkci pro třídění a s její pomocí funkce pro třídění zlomků a unsigned. (Můžete si doprogramovat libovolné pomocné funkce.) Je zakázáno použít třídicí funkci ze standardní knihovny.

typedef struct
{
    int numerator;
    int denominator;
} Fraction;

typedef int compare_fn(void*, void*);

int compare_fraction(void *a, void *b)
{
    // TODO
}

int compare_unsigned(void *a, void *b)
{
    // TODO
}

void generic_sort(void *array, size_t n, size_t element_size, compare_fn* cmp)
{
    // TODO
}

void fraction_sort(Fraction *array, int n)
{
    // TODO
}

void unsigned_sort(unsigned int* array, int n)
{
    // TODO
}

Vstup a výstup pomocí proudů

Proud je prostředek, kterým lze s pomocí standardní knihovny pracovat se soubory a dalšími vstupně-výstupními zařízeními (např. klávesnice, terminál). Existují i další prostředky, například systémová volání nebo jiné, nestandardní, knihovny. Těm se ovšem věnovat nebudeme.

Funkce, o kterých budeme mluvit, mohou skončit chybou. Uvedeme si jenom, jakým způsobem poznáme, že k chybě došlo a proč k ní mohlo dojít. Zpracování chyby a to, jak se má program chovat, pokud k chybě dojde, je mimo rozsah tohoto kurzu. V příkladech budeme možnost, že k chybě dojde buď ignorovat, nebo použijeme assert.

Proudy ze standardní knihovny

Proud je objekt, do kterého lze zapisovat nebo z něj číst. Otevřením souboru jej na proud napojíme a poté zapisování do či čtení z proudu odpovídá zapisování do souboru či čtení ze souboru. Jsou definovány i další, tzv. standardní proudy. Pomocí nich můžeme zapisovat na standardní výstup (tam zapisuje např.printf), na standardní chybový výstup a číst ze standardního vstupu.

Proud je reprezentován strukturou FILE, v programu pracujeme s ukazateli na tuto strukturu. Získáme jej pomocí funkce fopen.

FILE* fopen(char* path, char* mode);

První argument je cesta k otevíranému souboru. Ta je buď absolutní, nebo relativní vzhledem k aktuálnímu pracovnímu adresáři (např. aktuální adresář shellu, když program spouštíme). Textový řetězec mode určuje způsob otevření souboru. Jeden ze znaků mode obvykle udává režim otevření: ten je buď textový nebo binární. Další znak pak to, co se souborem můžeme dělat: číst jej, zapisovat do něj, připojit něco na jeho konec, vytvořit jej, pokud neexistuje, nebo nějaká kombinace předchozího. Nejpoužívanější možnosti ukážeme níže.

/*
POPIS ZNAKU
'r' otevreno pro cteni
'w' otevreno pro zapis, existujici soubor je prepsan
'a' otevreno pro zapis, pokud soubor existuje, zapisujeme na jeho konec
'b' otevreno v binarnim rezimu

PRIKLADY KOMBINACI
"r" cteni v textovem rezimu
"w" zapis v textovem rezimu 
"rb" cteni v binarnim rezimu 
"wb" zapis v binarnim rezimu
*/

Pokud se v řetězci nenachází znak b, otevře se proud v textovém režimu. Některé verze knihovny tolerují i t jako příznak otevření v textovém režimu, ovšem ve standardu není.

Pokud otevření souboru selže, vrátí fopen 0. Tuto situaci je potřeba ošetřit, pro účely kurzu se spokojíme s assercí. (Pro zjištění důvodu lze někdy použít kombinaci errno a strerror.)

FILE *st = fopen("path/to/file", "rt");
assert(st);

Nepoužívaný proud se zavírá funkcí fclose.

V textovém režimu čteme a zapisujeme znaky, v binárním režimu bajty. Ačkoliv se zdá, že je to totéž, rozdíl je například u konce řádku ve Windows, který končí dvojící bajtů '\r' '\n'.

Ze streamu se čte a zapisuje se do něj pomocí funkcí z stdio.h. Stream si udržuje místo, ze kterého se bude číst při příštím zavolání funkce pro čtení. Po přečtení nějakého úseku (např. znaku, řádku apod.) posune toto místo na první bajt nepřečteného obsahu.

Pokud se knihovní funkci pro čtení ze streamu čtení nepovede, programátor to pozná z návratové hodnoty, případně může zkontrolovat příznaky streamu pro konec souboru a pro chybu. To se dělá funkcemi

// vraci true, pokud byl neuspech predchozi funkce zpusoben tim, 
// ze jsme na konci souboru 
int feof(FILE* stream); 

// vraci true, pokud byl neuspech predchozi funkce zpusoben
// jinou chybou.
int ferror(FILE* stream);

Analogické úvahy platí i pro zápis.

Textový režim

Základní funkce pro čtení je

int getc(FILE *stream);

Přečte ze streamu jeden znak, jako hodnoty int získanou přetypováním z unsigned char. (Dolní bajt je naše hodnota). Při neúspěšném čtení vrací konstantu EOF, která má zápornou hodnotu (typicky -1). Pokud dojde k úspěšnému čtení, návratová hodnota getc je kladná. Srovnáním návratové hodnoty s EOF tak vždycky správně zjistíme, jesli došlo k chybě. Toto srovnání ovšem musíme provést předtím, než návratovou hodnotu přetypujeme na char, např.

int z;
while ((z = getc(in)) != EOF)
{
	char c = (char)z;   // pretypovani az po testu
	fputc(z, stdout);
}

Problém může nastat v následujícím příkladu.

char c;
while ((c = getc(in)) != EOF) { ... }
//
// pokud nacteme bajt 0xFF, ulozi se jako -1, tedy jako EOF
// cyklus skonci uprostred souboru
//

Větší část textu lze načíst pomocí funkce fgets (tu si čtenář dostuduje z referenční příručky).

Základními funkcemi pro zápis jsou

int fputc(int ch, FILE* stream);
int fputs(char *s, FILE* stream);
int fprintf(FILE* stream, char* format, ...);

Funkce fputc zapíše do streamu znak, který dostane přetypováním ch na unsigned int. Funkce fputs zapíše do streamu řetězec. V případě neúspěchu obě funkce vracejí EOF a nastaví streamu flag ferror.

Funkce fprintf funguje jako printf pouze tiskne do streamu. Při chybě vrací zápornou hodnotu, jinak počet vytistěných znaků.

Zápis do streamu je bufferovaný, zapsané změny se v napojeném souboru (či zařízení) mohou projevit později. Chceme-li si jejich okamžité projevení, můžeme k tomu použít funkci

int fflush(FILE* stream);

V případě neúspěchu vrací EOF. Tato funkce je volána (či je prováděn kód jí velmi podobný) i při zavření streamu, proto fclose také může neuspět a vrátit EOF.

Existují tři standardní proudy, přistupné jsou pomocí proměnných stdin, stdout, stderr.

Jako příklad si uvedeme funkci, která načte obsah souboru na disku a vytiskne jej na standardní výstup.

void print_file(char *filename) 
{
	FILE *in = fopen(filename, "rt");
	assert(in);

	int z = 0;
	while (1) 
	{
		z = getc(in);

	    if (z == EOF)    // konec souboru nebo chyba cteni
		{ 
			if (ferror(in)) 
			{ 
				fprintf(stderr, "chyba cteni\n");
				assert(0);
			}
			break;
		}
		fputc(z, stdout);
	}
	fclose(in);
}

Binární režim

Čteme a zapisujeme bajty, které při čtení nejsou nijak interpretovány.

Funkce pro čtení

size_t fread(void *dest, size_t element_size, size_t count, FILE *in)

Čteme count prvků, každý o velikost element_size bajtů, ze streamu in, ukládáme je do pole na adrese dest. Vrací počet přečtených prvků, pokud bylo čtení bez chyby, pak se count a návratová hodnota rovnají. Je nutné myslet na to, že na adrese dest musí být naalokováno dostatek paměti, jinak dojde k nedefinovanému chování.

Funkce pro zápis

size_t fwrite(void *src, size_t element_size, size_t count, FILE *out)

do streamu out zapise count položek, každy o velikosti element_size uložených za sebou na adrese src. Funkce vrací počet zapsaných položek.

Můžeme také pracovat s akturální pozicí, ze které v souboru čteme. Pozice je hodnota typu long a je to index bajtu od začátku. Aktuální pozici můžeme získat pomocí funkce

long ftell(FILE* stream)

Aktuální pozici také můžeme nastavit pomocí funkce

int fseek(FILE *stream, long offset, int start)

kde offset je počet bajtů, o které se chceme posunout a start určuje místo, ze kterého se chceme posunout. Pro tento účel jsou definovány konstanty

SEEK_SET zacatek souboru
SEEK_CUR aktualni pozice
SEEK_END konec souboru

V následujícím příkladu zapíšeme obsah pole do souboru a zase je načteme.

char *filename = "tmp.xx";

// zapis do souboru

float out_array[4] = { 1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f };
	
FILE *out = fopen(filename, "wb");
assert(out);

size_t written = fwrite(out_array, sizeof(float), 4, out);
assert(written == 4);

fclose(out);
	
// cteni ze souboru, od druheho prvku
FILE *in = fopen(filename, "rb");
// posuneme se o jeden float dopredu
int fail = fseek(in, sizeof(float), SEEK_SET);
assert(!fail);

float in_array[3]= { 0.0f, 0.0f, 0.0f };
size_t read = fread(in_array, sizeof(float), 3, in);
assert(read == 3);
fclose(in);	
	
for(int i = 0; i < 3; i += 1) {
	printf("%f ", in_array[i]);
}
printf("\n");

Práce s binárními soubory a čtení binárních formátů má svá specifika, musíme si dávat pozor na velikosti typů, endianitu apod.

Úkoly

Napište program, který spočítá počet znaků, řádků a slov v textovém souboru. (Analogie textové utility wc).
Napište funkci, která z proudu načte jeden řádek, když předem neznáme délky řádků. Zajistěte, aby šla funkce používat opakovaně. (Musíte vymyslet vhodné argumenty, jejich předání a vypořádat se s alokacemi).
Nastudujte v referenční příručce a vyzkoušejte funkci fgets.
Napište program, který načte textový soubor a do jiného souboru uloží kopii jeho obsahu tak, že jeden řádek bude mít maximálně 80 znaků. Přitom nerozdělí žádná slova kratší než 80 znaků a minimalizuje počet řádků.

PBM je textový formát pro uložený černobílého obrázku (každý pixel je buď černý nebo bílý).

Řádky začínající znakem # jsou komentáře
První nekomentovaný řádek obsahuje řetězec "P1".
Druhý nekomentovaný řádek obsahuje dvě čísla v desítkové soustavě oddělená mezerou, tato čísla udávají šiřku a výšku obrázku (v pixelech).
Počínaje třetím nekomentovaným řádkem obsahuje soubor pixelová data. Jeden pixel je buď 0 nebo 1. Pixely jsou zapsány za sebou po řádcích odshora obrázku, jeden řádek obrázky na jeden řádek souboru. Mezi pixely na jednom řádku je mezera.

Doplňte chybějící kód v následujícím. (Můžete si dopsat pomocné funkce atd.)

//
//  Pro jednoduchost případné chyby (nelze otevřít soubor atd.)
//  řešte pouze ukončením programu pomocí assert
//
//  Volitelně lze dopsat funkci pro dealokaci vnitřních dat
//  struktury Picture (ale není to nutné, jde o procvičení práce
//  se streamy).
//

//
// Struktura pro černobílý obrázek
//
typedef struct 
{
	// TODO
} Picture;

//
// nahraje ze souboru obrázek ve formátu pbm
// 
Picture load_from_pbm(char* filename)
{
	// TODO 
}

//
// zrcadlově obrátí obrázek podle svislé osy
//
void mirror_picture(Picture* p)
{
	// TODO
}

//
// uloží obrázek v pbm formátu
//
void save_to_pbm(char* filename, Picture src)
{
	// TODO
}

//
// příklad použití
//
int main()
{
	Picture picture = load_from_pbm("test.pbm");
	mirror_picture(&picture);
	save_to_pbm("foo.pbm", picture);
}

Uvažme ukládání řetězců do souboru v binárním formátu.

Naprogramujte funkci void append(char* string, char* filename), která na konec souboru přidá nový řetězec.

Naprogramujte funkci long search(char* string, char* filename), která prohledá soubor a pokud obsahuje záznam o daném řetězci, vrátí jeho offset od začátku souboru. Jinak vrátí -1.

V souboru odpovídá řetězci jeden záznam, záznamy jsou v souboru za sebou. Jeden záznam vypadá následovně.
```
offset  velikost   vyznam
--------------------------------------------------------------------------
     0       2          velikost retezce v bajtech

     2       ?          ulozeny retezec, chapan jako posloupnost unsigned 
                        char bez 0 na konci
--------------------------------------------------------------------------
```
Run Length Encoding (RLE) je velmi jednoduchý bezeztrátový kompresní princip. Vysvětlíme jej na posloupnostech symbolů a později si řekneme, jak jej uplatníme v jednoduchém kompresním programu.

Vstupem RLE je posloupnost symbolů (symbol je zde abstraktní pojem, který nijak nevztahujeme k jazyku C, znakům v textu atd.). Tu převedeme do komprimované podoby s pomocí následujícího principu:
- Pokud se v posloupnosti za sebou nachází n-krát symbol x, převedeme ji na dvojici (x, n).
- Předchozí bod aplikujeme na maximálně dlouhé (= nejdou prodloužit) podposloupnosti vstupní posloupnosti v pořadí, ve kterém se ve vstupní posloupnosti vyskytují.
Například posloupnost aaabaabcccccbccccd zakódujeme na
```
(a,3)(b,1)(a,2)(b,1)(c,5)(b,1)(c,4)(d,1)
```
Naprogramujte základ jednoduchého kompresního programu.

Soubor pro kompresi budeme otevírat v binárním módu. Pro RLE budeme za jeden symbol považovat jeden bajt souboru. Dvojici (x, n), kde x je symbol a n je počet jeho výskytů budeme do výsledného souboru ukládat pomocí dvou bajtů: do prvního uložíme x, do druhého uložíme n-1. Takto jsme schopni uložit pouze dvojice, kde je n <= 256. Dvojice, kde je n>256, si představíme jako posloupnost n/256 dvojic (x, 256) následovanou dvojicí (x, r), kde r = n % 256. Tuto poslední dvojici vynecháme, pokud je r == 0. Tyto dvojice poté uložíme stejným způsobem, jako dvojice s n<=256.

Kompresní program implementujte jako funkce
```
void RLE_encode(char* in_path, char *out_path);
void RLE_decode(char* in_path, char *out_path);
```

Preprocesor

Preprocesor je součást překladače, která zpracovává zdrojový kód před tím, než je dále zpracován. Na zdrojovém kódu provádí textové operace (mazání, vkládání a nahrazování textu). Tyto operace jsou prováděny s následujícími cíly

smazání komentářů,
expanze maker,
podmíněný překlad (podmíněné vynechání/vložení části kódu),
vložení obsahu jiných souborů.

Překladače umožňují prohlédnout si kód poté, co je zpracován preprocesorem. Pro překladač gcc toho lze dosáhnout pomocí

gcc -E -P source.c

Je důležité si uvědomit, že preprocesor je součástí překladu. Nemůže proto například znát hodnoty proměnných, ty jsou známy až za běhu programu. Provádí jenom textové substice.

Části kódu určené pro preprocesor, jsou uvozené znakem #. Ty, kterým preprocesor rozumí říkáme direktivy preprocesoru.

Makra

Makra definujeme pomocí #define. Lze také oddefinovat pomocí #undef macro_name.

Makra bez argumentů — definice symbolů

Makro definujeme následovně

#define name replacement

Preprocesor v kódu nahradí text name textem replacement. Nenahrazuje výskyty name, které jsou součástí identifikátorů, klíčových slov nebo se vyskytují v řetězcových literálech.

Například kód

#define PI 3.14
#define ERROR  printf("Chyba") 

double circle_perimeter(double r)
{
	if (r > 0) { return 2 * PI * r; }	
	ERROR;
	return -1;
}

předělá preprocesor na následující.

double circle_perimeter(double r)
{
	if (r > 0) { return 2 * 3.14 * r; }
	printf("Chyba");
	return -1;
}

Symbol lze definovat i bez replacement části. Říkáme tím pouze, že symbol je definován (o použití více později).

V případě, že replacement chceme napsat na více řádků, lze řádek zlomit pomocí znaku \ (zpětné lomítko), přitom je to bráno jako jeden řádek.

#define HELLO printf("%s %s", \
                     "hello", \
					 "world")

Podle standardu existují některá předdefinovaná makra, například

__LINE__, expanduje na číslo řádku, na kterém se makro nachází (celočíselný literál)
__FILE__, expanduje na jméno souboru (řetězcový literál)
__DATE__, expanduje na aktuální datum (řetězcový literál)
__TIME__, expanduje na aktuální čas (řetězcový literál)

Další makra může definovat konkrétní překladač. Například seznam maker definovaných překladačem gcc lze vytisknout pomocí následujího řádku pro shell.

echo "" | gcc -dM -E -

Makra s argumenty

#define name(parameter-list) replacement

parameter-list je čárkami oddělený seznam jmen parametrů. Při expanzi jsou jména parametrů vyskytující se v replacement (s jednou výjimkou) nahrazena argumenty makra.

// makro pro druhou mocninu
#define square(x)  x*x

// "volani" makra
square(value) 
// vede k expanzi na
value*value

Při psaní maker je nutno dávat si pozor na mnohá nebezpečí, například následující použití makra square vede k nečekanému výsledku.

square(x+1)
// expanduje na 
x+1*x+1
// a to je něco jiného, než očekáváme: hodnota výrazu je 2x + 1, nikoliv (x+1)*(x+1)

Při psaní maker je tak výhodné využívat uzávorkování v maximální míře: závorky okolo jmen argumentů a závorky okolo celého výrazu.

#define square(x) ((x)*(x))

Problémem může být také situace, kdy je parametr makra použit v jeho těle vícekrát, a příslušný argument je výraz s vedlejším efektem.

#define square(x) ((x)*(x))

int foo(int x)
{
	printf("launching %i misiles\n", x);
	return x;
}

// výraz
int y = square(foo(3));
// expanduje na 
int y = ((foo(3))*(foo(3)));
// a vedlejší efekt tak nastane dvakrát

Řešením je psát makra tak, aby se v jejich těle parametry neopakovaly, nebo jim nepředávat jako argumenty výrazy s vedlejším efektem.

int z = foo(3); // vedlejší efekt nastane pouze jednou
int y = square(z);

Výraz #par v těle makra, kde par je jméno parametru, expanduje na řetězcový literál, jehož obsahem je příslušný argument.

#define print_value(val) printf("value of " #val " is %f", val)

int main()
{
	double x = 3;
	double y = 4;
	print_value(x + y);
	return 0;
}

// expanduje na 
int main()
{
	double x = 3;
	double y = 4;
	printf("value of x + y is %f", x + y);
	return 0;
}

Výraz a ## b expanduje na ab. Toto lze využít k vytváření nových identifikátorů spojováním slov.

#define VAR(x) variable_ ## x

VAR(10)   // expanduje na variable_10
VAR(f)   // expanduje na variable_f

S výhodou to lze použít pro automatické vytváření specializovaných verzí generických funkcí (viz kapitola 3)

// funkce prohodí n bajtů na adresách a,b
void mem_swap(void *a, void *b, size_t n);

//specializacni makro
#define define_swap(type) void swap_ ## type (type *a, type *b) {\
	                        mem_swap(a, b, sizeof(type));            \
						  }
define_swap(double)
// expanduje na
void swap_double(double *a, double *b) {
	mem_swap(a, b, sizeof(double));
}

Krátké shrnutí procesu expanze maker

Pokud se jedná o makro s argumenty, nejdříve prozkoumáme jestli předané argumenty obsahují makra. Pokud ano, jsou expandována.
Do textu je vložena textová náhrada makra z jeho definice. U makra s argumenty jsou jména parametrů nahrazena expanzemi argumentů, a jsou provedeny převody na řetězcové literály a spojení pomocí ##.
Pokud se ve výsledném textu nachází nějaká makra, jsou expandována.

Variadická makra

Makra s proměnným počtem argumentů. Například

#define pprint(fmt, ...) printf("[pretty] " fmt, __VA_ARGS__)

Nepovinné argumenty v těle nahrazují __VA_ARGS__. Například

pprint("%i %i", i, j);

expanduje na

printf("[pretty] " "%i %i", i, j);

Podmíněný překlad

#if constant_expression
   // code
#endif

constant_expression je výraz obsahující literály, logické operátory a operátory porovnání, operátor defined a případně již definovaná makra, která se na ně expandují. Pokud je hodnota constant_expression nenulová, je část mezi #if a #endif v kódu ponechána, jinak je vypuštěna. Výraz lze doplnit o #else a #elif s obvyklým významem.

Lze použít se speciálním výrazem defined(symbol), který je nenulový, pokud je symbol již definované makro. Toto lze využít k zařazení či vynechání kódu určeného pro specifické situace (debug/release build atd.) nebo platformy. Definovat jednoduchá makra lze totiž i přímo pomocí přepínačů překladače, například pro gcc

// definuje makro Symbol
gcc -DSymbol

// definuje makro Symbol na literál 10
gcc -DSymbol=10

Příklad použití

#if defined(WIN)
	// kód specifický pro windows
#elif defined(UNIX)
	// kód specifický pro unix
#else
	// kód pro ostatní platformy, případně vyvolání chyby
	// viz níže
#endif

Výše používáme operátor defined, který je pravdivý, pokud je jeho argument již definované makro.

// #if defined(SYMB)  lze nahradit #ifdef SYMB
// #if !defined(SYMB) lze nahradit #ifndef SYMB

S podmíněným překladem můžeme výhodně použít dalších direktiv preprocesoru

#error message při překladu se vytiskne message a je vyvolána chyba překladu
#warning message při překladu je vypsáno message jako warning

Například v části #else předchozího příkladu bychom mohli dát

#error Won't compile on unsupported platforms. We support only windows and unix.

Vložení obsahu jiných souborů

Direktiva #include slouží k vložení obsahu jiného souboru do zdrojového kódu. Soubor, který se má vložit, lze specifikovat dvojím způsobem

#include <path-to-file>
#include "path-to-file"

V prvním případě je soubor hledán v předdefinovaných adresářích (ty jsou dány nastavením systému, případně je lze předat jako argumenty překladači) a path-to-file je brána jako relativní cesta z nějakého takového adresáře. Druhém případě se nejdříve prohledává adresář, ve kterém je uložen aktuální soubor (obsahující #include). (Někdy se poté vyhledávají předdefinované adresáře.

Obvykle je nutno zabránit tomu, aby byl obsah nějakého souboru vložen vícekrát. (To hrozí například pokud vkládáme dva různé soubory, které samy obsahují directivu #include, která vkládá stejný soubor.) K tomu lze výhodně využít podmíněného překladu (předpokládejme například, že jde o soubor myheader.h)

#if !defined(MY_HEADER_H)
#define MY_HEADER_H

// kód

#endif

U většiny překladačů také funguje vložení následující direktivy.

#pragma once

Pragma

Mimo výše zmiňované direktivy existují i další. Například direktiva #pragma, jejíž syntax i sémantika je závislá na konkrétním překladači.

Úkoly

Napište makro

is_digit(base, character)

pro testování, zda je znak určený výrazem character číslicí soustavy se základem daným base. Makro musí korektně fungovat pro základy soustav od 2 do 36 a libovolné znaky. Pro číslice s hodnotou vyšší než 9 používejte pro jednoduchost pouze velká písmena anglické abecedy.

Příklady použití

if (is_digit(8,'8') != 0) { printf("Ano\n"); } 
else                      { printf("Ne\n");  }

if (is_digit(10+6, '0'+4) != 0) { printf("Ano\n"); } 
else                            { printf("Ne\n");  }

if (is_digit(30, '@') != 0) { printf("Ano\n"); } 
else                        { printf("Ne\n");  }

//
//  vede k výpisu následujícího
//
Ne
Ano
Ne

Upravte makro
```
#define LOG(fmt, ...) printf("[LOG] " fmt "\n", __VA_ARGS__)
```
tak, aby tisklo i soubor a řádek, na kterém je použito.
K úkolu 7 z kapitoly Funkce doprogramujte makro EMIT_SORT(type), které expanduje na definici třídící funkce pro type. Přitom předpokládejte, že porovnáváci funkce pro type se jmenuje compare_type (např. pro double je to compare_double)

Další

Projekty s více soubory

Zdrojový kód lze rozdělit do více souborů. Jeden soubor (.c) lze chápat jako samostatný modul, který může ostatním modulům poskytovat některé své funkce a globální proměnné, a ostatní si přitom ponechat soukromé.

Chceme-li, aby byla funkce nebo proměnná platná pouze v souboru, ve kterém jsou definovány, použijeme k tomu static. Toto klíčové slovo se píše před definici. Pokud se v jiném souboru nachází definice proměnné nebo funkce se stejným jménem, jedná se o jinou proměnnou (nebo funkci).

//
// proměnná private_variable a funkce private_function jsou viditelné
// pouze v souboru, kde se nachází následující definice
// 

static int private_variable;

static int private_function(int a, int b)
{
	return a + b;
}

Předtím než použíjeme globální proměnnou nebo funkci z jiného souboru, musíme je deklarovat s klíčovým slovem extern. U proměnných je povinné, u funkcí je nepovinné, ale je dobré jej tam psát.

//
// následující musí být před použitím dané proměnné nebo funkce
//

extern int variable_in_different_file;
extern int function_in_different_file(int, int);

Linkage

Každý identifikátor (jméno proměnné) má v souboru, kde je definován atribut linkage, který může nabývat tří hodnot.

no linkage. Tento atribut mají lokální proměnné.
external linkage. Identifikátor je viditelný pro kód vně modulu, ve kterém je definován. Identifikátor může být s external linkage definován nejvýše jednou v celém programu. Jinde musí být definován s internal linkage nebo bez linkage.
internal linkage. Identifikátor je viditelný pouze uvnitř .c souboru, kde je definován.

Vidíme tak, že obyčejné funkce a globální proměnné mají external linkage, funkce a proměnné definované s klíčovým slovem static mají internal linkage.

Je důležité si uvědomit, že external linkage není identifikátoru přidělen použitím slova extern.

// file1.c

int x;                             // external 
static int y;                      // internal 

static int sum(int a, int b)       // internal
{
	int s = a + b;                 // no linkage
	return s;
}

int product(int a, int b)          // external
{
	int p = a * b;                 // no linkage
	return p;
}

// file2.c

extern int x;                 // je to proměnná x z file1.c
extern int product(int,int);  // funkce product z file1.c

// file3.c

static int x;                 // toto je OK, má internal linkage
static int product(int a, int b)  // toto je OK, má internal linkage
{ 
	// code
}

// V souboru uz nesmime deklarovat product s extern!!!

Klasické dělení na soubory

Definice proměnných a funkcí je v .c souborech (např. code.c). Funkce a proměnné, které nemají být viditelné vně souboru, ve kterém jsou definovány, definujeme se static. Funkční prototypy a proměnné, které mají být viditelné, deklarujeme v souboru .h (např. code.h) s extern. Soubory, které tyto funkce a proměnné chtějí používat, potom tento soubor vloží pomocí #include.

Hlavičkový soubor navíc obsahuje i definice typů a maker, které jsou pro daný .c soubor veřejné nebo potřebné, např. typy, které se vyskytují ve funkcích a proměnných v daném .h souboru.

Proces překladu

Pro každý .c soubor se provede následující.

Spustí se preprocessor.

# pouze preprocesor
gcc -E code.c      # tiskne na stdout

Překladač přeloží kód do jazyka symbolických adres.

# preprocesor + preklad do symbolickych adres
gcc -S code.c  # vytvoří soubor code.s

Assembler poté kód přeloží do objektového souboru (strojový kód a další informace, např. poskytovaná jména funkcí a proměnných.)
```
# vytvori objektovy soubour code.o
gcc -c code.c
```
Linker sloučí vytvořené objektové soubory, spojí je s knihovnami (např. standardní knihovnou) a vytvoří cílený binární soubor (spustitelný soubor, knihovnu).
```
# code1.o, code2.o jsou objektové soubory
gcc code1.o code2.o   # volá linker, např. ld
```

Argumenty funkce main

Funkce main může mít žádný nebo paramatery, její hlavička je potom

int main(int argc, char *argv[]);

Hodnoty parametrů je možné funkci předat při spuštění programu z příkazové řádky (terminálu, skriptu apod.). Do parametru argc se uloží jejich počet zvětšený o jedna, jejich hodnoty (jako řetězce) jsou v poli argv počínaje indexem 1; argv[0] je totiž řetězec odpovídající spuštěnému programu. Prvek argv[argc] je nulový pointer (to je základem idiomatického cyklu for (char **p == argv; *p, p+=1).

Úkoly

Napište program pro výpočet objemu a povrchu válce, pravidelného trojbokého, čtyřbokého a šestibokého hranolu. Parametry výpočtu by mělo být možné předávat programu při spuštění z příkazové řádky. Zdrojový kód programu by měl být rozdělen do 2 modulů. Modul hlavní funkce (soubor main.c) bude zajišťovat zpracování a případně načtení chybějící parametrů výpočtu, budou z něj volány funkce zajišťující vlastní výpočet a vypisovány vypočítané hodnoty na obrazovku. Druhý modul (soubory vypocet.h a vypocet.c) pak bude zajišťovat veškeré požadované výpočty. Při řešení úlohy dbejte všech zásad zmíněných na přednášce. zdroj
Napište v jazyku C jednoduchou knihovnu funkcí pro vykreslování obrázků pomocí znaků (tzv. ASCII art). Knihovna by měla mít tyto vlastnosti:
- Obrázky se budou vykreslovat pomocí plátna - dvojrozměrné matice, která bude obsahovat jednotlivé znaky.
- Vykreslování se tedy neprovádí přímo na výstupu, ale pouze dochází ke změně daného plátna (struktura Canvas).
- Je možné pracovat současně s několika plátny.
- Je možné “vykreslovat” i za hranicí kreslící plochy, tyto body se ale nebudou při zobrazení plátna vykreslovat. Jinými slovy, při pokusu o kreslení mimo plátno nedojde k vyjímce při běhu programu.
Knihovna by měla být samostatným modulem, bude tedy tvořena jedním zdrojovým a jedním hlavičkovým souborem. V knihovně vytvořte strukturovaný datový typ Canvas a dále definujte tyto funkce:
```
//
// Inicializuje plátno na prazdné plátno široké width a vysoké height znaků
//
void canvas_init(Canvas *c, int width, int height);

//
// Vrátí znak nacházející ve sloupci x a na radku y
//
int canvas_get_point(Canvas *c, int x, int y);

//
// Nakreslí obdélník, jehož stěna je tvořena znakem ch
//
void canvas_draw_rect(Canvas *c, int x, int y, int width, int height, char ch);

//
//  Vyprázdní plátno
//
void canvas_clear(Canvas *c);

//
//  Vykreslí obsah plátna na standardní výstup/do souboru
//
void canvas_print(Canvas *c);
void canvas_output(Canvas *c, FILE *f);

//
//  Uvolní vnitřní pamět plátna
//
void canvas_destroy(Canvas *c);
```

Keyboard shortcuts

Poznámky ke kurzům KMI/JC a KMI/XJC, ZS 2025