Cours ebook : langage C un premier langage de Jacques le maitre

Cours ebook : langage C un premier langage de Jacques le Maitre

1.1 C, son origine et son importance

Le langage C a été créé au début des années 70 par des chercheurs du laboratoire de la compagnie Bell aux USA. Il a été conçu, à l'origine, pour être le langage de programmation du système d'exploitation UNIR.

C est un langage très largement diffusé, en tant que tel, mais aussi comme noyau des langages C++, un langage de programmation objet et Java, le langage de programmation du Web .

1.2 Exemple de programme C

Le programme suivant est écrit en C. Il demande à son utilisateur d'entrer deux nombres x et y, puis calcule le plus grand, max, de ces deux nombres et l'affiche.

(1) #include

(2) /*

(3) * Maximum de deux nombres entiers

(4) */

(5) main()

(6) {

(7) int x, y, max;

(8) printf("x ? ");

(9) scanf("%d", &x);

(10) printf("y ? ");

(11) scanf("%d", &y);

(12) if (x >= y)

(13) max = x;

(14) else

(15) max = y;

(16) printf("max = %d", max);

(17) }

Ce programme est construit de la façon suivante ;

• A la ligne 1 on indique que les fonctions printf et scanf des lignes 8, 9, 10, 11 et 16 ont le type déclaré dans le fichier « stdio.h ». Ces fonctions permettent respectivement, d'afficher ou de saisir des valeurs.
• Les lignes 2 à 4 contiennent un commentaire qui, ici, indique ce que calcule le programme.
• Les lignes 7 à 17 contiennent la définition de la fonction main. Un programme C est constitué d'une suite de définitions de fonctions. Parmi elles, la fonction main qui doit toujours être présente et qui est exécutée la première. Le corps de cette fonction est le bloc qui commence à la ligne 6 et se termine à la ligne 17.
• La ligne 7 contient la déclaration de trois variables x, y et max de type int (nombre entier). A la suite de cette déclaration trois cases désignées par x, y et max sont alloués dans la mémoire du programme. Elles contiendront chacune un nombre entier.
• La ligne 8 contient une instruction dont l'exécution (en abrégé, nous dirons : «une instruction qui ») affiche un message indiquant que le programme attend la saisie de la valeur qui sera affectée à la case mémoire désignée par x. L'instruction de la ligne 9 saisit cette valeur. Les instructions des lignes 10 et 11 agissent de même pour la variable y.
• L'instruction if qui commence à la ligne 12 et se termine à la ligne 15 compare les deux valeurs saisies. Si la valeur affectée à la case mémoire désignée par (en abrégé, nous dirons : « la valeur de ») x est supérieure à celle de y, alors (ligne 13) la valeur de x est enregistrée dans la case mémoire désignée par (en abrégé nous dirons : « est affectée à ») max. Sinon (ligne 14), c'est la valeur de y qui est affectée à max (ligne 15).

1.3 Réalisation d'un programme C

La réalisation d'un programme C se déroule en trois étapes :

1. Saisir le texte du programme, appelé texte source, sous un éditeur de texte et le sauvegarder dans un fichier, appelé fichier source.
2. Soumettre le fichier source à un compilateur C qui traduit le programme en code machine et produit un fichier exécutable. Sous UNIX cela peut être réalisé par la commande cc qui produira un fichier exécutable a.out.
3. Pour exécuter le programme sous UNIX, taper la commande a.out.

1.4 Livres sur C

Nous conseillons tout particulièrement les deux livres suivants :

• B. Kernighan et D. Ritchie, Le langage C, norme ANSI, Dunod ;
• H. Garetta, C : Langage, bibliothèque, applications, InterEditions.

Le premier est celui des inventeurs de C. Le second, que nous avons largement utilisé pour rédiger ce cours, est le fruit de nombreuses années d'enseignement de la programmation à l'Université de la Méditerranée.

2 Données

Un programme C manipule des données. Une donnée a un type et une valeur, elle peut avoir un nom et peut être constante ou modifiable. La valeur d'une donnée modifiable peut changer au cours de l'exécution d'un programme alors que celle d'une donnée constante ne le peut pas.

On peut voir une donnée modifiable comme une case de la mémoire accessible à partir du nom de la donnée et qui contient la valeur de cette donnée.

Supposons que l'on veuille écrire un programme qui calcule le volume d'une sphère dont le rayon est donné par l'utilisateur du programme. Le nombre n sera représenté comme une donnée constante. Le rayon et le volume d'une sphère seront représentées comme des données modifiables. On considérera donc qu'il y a dans la mémoire du programme une case nommée rayon dans laquelle sera enregistrée le rayon de la sphère dont le volume doit être calculé et une case nommée volume dans laquelle le volume de la sphère sera enregistré une fois qu'il aura été calculé.

Une valeur peut être :

• un nombre entier ou un nombre flottant,
• une valeur composée : une structure ou un tableau,
• un pointeur (ou une adresse).

Les valeurs sont classées par types. Toute valeur a un et un seul type.

Il n'existe pas de type spécifique pour les booléens, les caractères et les chaines de caractères. Le booléen « faux » est représenté par le nombre 0 et le booléen « vrai » par toute valeur non nulle. Un caractère est codé par un nombre entier (en ASCII, en général). Une chaine de caractères est représentée comme un tableau de caractères (c.-à-d. comme un tableau de nombres entiers).

Dans ce chapitre, nous n'étudierons que les types numériques. Les structures et les tableaux seront étudiés au chapitre 5 et les pointeurs au chapitre 9.

2.1 Types numériques

Le tableau suivant présente les types numériques du langage C.

...

3 Expressions

3.1 Qu'est-ce qu'une expression ?

Une expression est une phrase formée à l'aide de constantes littérales, de noms de variables et d'opérateurs. Par exemple, dans un environnement où la variable x est visible, les phrases suivantes :

12x(x + 12) - 3

(x > 4) && (x > 10)

sont des expressions. Les deux premières sont des expressions simples et les deux dernières sont des expressions composées.

En C, toute expression a obligatoirement:

• un type,
• une valeur, et éventuellement :
• une adresse qui est celle de la case mémoire qui contient la valeur de cette expression,
• un effet de bord qui change l'état du programme.

On distingue deux catégories d'expression:

• les valeurs gauches qui sont des noms de donnée modifiable. Une valeur gauche est donc associée à une case de la mémoire et a une adresse.
• valeur droite, qui sont des expressions qui ne sont pas associées à une case de la mémoire et qui donc qui n'ont pas d'adresse. Une valeur gauche peut être vue comme une valeur droite.

Si e est une expression nous noterons :

• type(e), le type de e,
• val(e) la valeur de e.

Une expression peut être mise entre parenthèses. Si exp est une expression, alors (exp) est une expression de même type et de même valeur que exp.

3.2 Expressions atomiques

• Si v est un nom de variable, alors v est une expression telle que :

- type(v) = type déclaré pour v,

- val(v) = valeur de v dans l'environnement courant.

Un nom de variable est une valeur gauche, puisqu'il est le nom d'une donnée modifiable.

3.3 Expressions composées

Les expressions composées, le sont à l'aide d'opérateurs. Dans ce chapitre nous étudierons :

• les opérateurs arithmétiques,
• les opérateurs booléens,
• l'affectation,
• le changement de type.

Les opérateurs de manipulation des valeurs composées (structures et tableaux) seront étudiés au chapitre 5 et ceux de manipulation des pointeurs seront étudiés au chapitre 9.

3.3.1 Moins unaire

L'opérateur — calcule l'opposé d'un nombre.

Si exp est une expression de type numérique, alors : -exp est une expression telle que :

• type(-exp) = type(exp),
• val(-exp) = -val(exp),

3.3.2 Opérateurs arithmétiques binaires

Les opérateurs + - * / calculent respectivement la somme, la différence, le produit et le quotient de deux nombres. L'opérateur % calcule le reste de la division de deux nombres entiers.

Si expl et exp2 sont des expressions de type numérique, alors

expl + exp2 expl - exp2 expl * exp2 expl / exp2 expl % exp2

sont des expressions telles que :

• type(expl op exp2) = T, où T est le plus grand des types int, type(expl) et type(exp2) (voir ci-dessous §3.4.2).
• val(expl op exp2) = vl op v2, où vl et v2 sont le résultat des conversions de val(expl) et de val(exp2) en T.

Par exemple :

val(((4.0 + 2.25) * 2.0)) = 12.5

val(15 / 2) = 7

val(15 % 2) = 1

3.3.3 Comparateurs

Les opérateurs == != < <= > >= testent respectivement l'égalité, la différence, l'infériorité, l'infériorité ou l'égalité, la supériorité et la supériorité ou l'égalité de deux nombres.

Si expl et exp2 sont des expressions de type numérique, alors :

expl == exp2 expl != exp2 expl < exp2 expl <= exp2 expl > exp2 expl >= exp2

• type(expl op exp2) = int (ou op est l'un des comparateurs).
• val(expl op exp2) = vl op v2, où vl et v2 sont le résultat des conversions de val(expl) et de val(exp2) dans le plus grand des types int, type(expl) et type(exp2) (voir ci-dessous §3.4.2.l).

Par exemple: val(1 == 9) = 0

3.3.4 Négation

L'opérateur ! calcule la négation d'un booléen. Si exp est une expression, alors : !exp est une expression telle que :

• type(exp) = int.
• val(!exp) = 0 si val(exp) = 0, l sinon.

3.3.5 Conjonction et disjonction.

Les opérateurs || et && calculent respectivement la conjonction et la disjonction de deux booléens.

Si expl et exp2 sont des expressions, alors :

expl || exp2 expl && exp2

sont des expressions telles que :

• type(expl op exp2) = int.
• val(expl || exp2) =

si val(expl) 7É 0 alors

l

sinon

si val(exp2) 7É 0 alors

l

sinon

0

fin-si

fin-si

• val(expl && exp2) =

si val(expl) = 0 alors

0

sinon

si val(exp2) 7É 0 alors

l

sinon

0

fin-si

fin-si

• Le deuxième opérande n'est pas évalué si ce n'est pas nécessaire, c.-à-d. si le premier opérande a la valeur l dans le cas de l'opérateur || ou la valeur 0 dans le cas de l'opérateur &&.

Par exemple :

val(!((1 || 0) && (0 || 1))) = 0

3.3.6 Affectation

L'opérateur = affecte une valeur à une donnée modifiable. Plus exactement, il enregistre cette valeur dans la case mémoire attachée à cette donnée.

Si expl est une expression qui est le nom d'une donnée modifiable (une valeur gauche) et exp2 est une expression expressions, alors :

expl = exp2

est une expression telle que :

• type(expl = exp2) = type(expl).
• val(expl = exp2) = val(exp2) convertie en type(expl) (voir ci-dessous §3.4.2.2).
• Il y a un effet de bord: val(exp2) est stockée dans la case mémoire désignée par expl.

Par exemple, si x et y sont des variables telles que type(x) = type(y) = int et val(y) = 5, l'expression :

(x = y) > 2

Attention ! il ne faut pas confondre l'opérateur d'affectation = avec l'opérateur d'égalité ==.

 Signalons enfin deux abréviations classiques. Si ident est un nom de variable numérique, alors :

ident++ = ident = ident + 1 ident-- = ident = ident - 1

3.4 Conversion de type

On distingue :

• les conversions explicites réalisées par l'opérateur de "cast",
• les conversions implicites réalisées avant l'application d'opérateurs dont les opérandes ne sont pas du type attendu.

3.4.1 Conversion explicite : opérateur de "cast"

Si T est un nom de type et exp est une expression dont la valeur est convertible en T, alors : (T) exp

est une expression telle que :

• type((T) exp) = T.
• val((T) exp) = val(exp) convertie en T.

3.4.1.1 Conversion entier - entier

Les types entiers sont ordonnés de la façon suivante :

char < unsigned char < short < unsigned short < long < unsigned long

Soit deux types entiers Ti et T2 et une valeur v de type Ti. La conversion de v en une valeur de type T2 est réalisée :

• sans perte, si Tl < T2 ou si Tl > T2 et que v est inférieure ou égale à la plus grande valeur représentable en T2.
• avec troncature si Tl > T2 et que v est supérieure à la plus grande valeur représentable en T2.

3.4.1.2 Conversion entier - flottant et flottant - entier

• La conversion d'une valeur v de type entier en une valeur de type flottant produit le flottant le plus proche de v.
• La conversion d'une valeur v de type flottant en une valeur de type entier produit la partie entière de v.

3.4.2 Conversion implicite

3.4.2.1 Opérations arithmétiques et opérations de comparaison

Si op est un opérateur arithmétique, l'expression: expl op exp2

est évaluée de la façon suivante :

Si l'un des opérandes est de type Tl et l'autre de type T2 et que Tl < T2 alors l'opérande de type Tl est converti en T2, puis l'opérateur est appliqué fournissant une valeur de type T2.

3.4.2.2 Affectation

L'expression : expl = exp2

où expl est une expression de type Tl et exp2 est une expression de type T2, est évaluée de la façon suivante :

1. L'expression exp2 est évaluée, puis sa valeur est convertie en Tl si T2 7É Tl.
2. Cette valeur est affectée à la case mémoire désignée par expl.

Par exemple, l'évaluation de l'expression: y = 5.0 + 3 * x

dans l'état :

 (float) x

(int) y

 produit la valeur 12 de type int et le nouvel état :

 (float) x

(int) y

3.5 Priorité et associativité des opérateurs

La priorité des opérateurs est utilisée lors de l'évaluation d'expressions dans lesquelles l'ordre des opérations n'a pas été explicitement indiquée par des paires de parenthèses.

Le tableau suivant indique la priorité et l'associativité des opérateurs qui ont été ou seront étudiés dans ce cours.

...

Si opl et ope sont des opérateurs infixes, on a :

• x opl y ope z ≡ (x opl y) ope z, si la priorité de op, est supérieure à la priorité de ope ou si la priorité de op, est égale à la priorité de ope et que op, est associatif à gauche.
• x opl y ope z ≡ x opl (y ope z), sinon.

Si op, est un opérateur préfixe et ope est un opérateur infixe, on a :

• opl x ope y ≡ (opl x) ope y, si la priorité de op, est supérieure à la priorité de ope ou bien si la priorité de op, est égale à la priorité de ope et que op, est associatif à gauche.
• opl x ope y ≡ opl (x ope y), sinon. Par exemple :
• 6 + 3 * 4 ≡ 6 + (3 * 4), car la priorité de * est supérieure à celle de +.
• 6 * 3 + 4 ≡ (6 * 3) + 4, pour la même raison.
• !a && b || x > 3 

≡

≡

≡ (!a) && b ||

((!a) && b)

(((!a) && b) x >

|| x

> 3, car la priorité de && est supérieure à celle de ||, (x > 3)), car la priorité de > est supérieure à celle de ||.

• 3 + 4 - 5 ≡ (3 + 4) - 5, car + et - ont la même priorité et + est associatif à gauche.
• x = y = 5 ≡ x = (y = 5), car = est associatif à droite.

3.6 Ordre d'évaluation des opérandes

L'ordre d'évaluation des opérandes n'est pas spécifié par la norme ANSI excepté pour les opérateurs || et && (voir ci-dessus §3.3.5). Il faut en tenir compte lorsque ces opérandes contiennent des opérateurs à effet de bord, car l'ordre dans lequel se produiront ces effets est indéterminé.

4 Instructions

4.1 Qu'est-ce qu'une instruction

Une instruction est un ordre donné à l'ordinateur de réaliser une suite d'actions dont chacune a pour effet de modifier le déroulement du programme, son environnement ou son état.

Les instructions offertes par C sont les suivantes :

• instruction vide,
• instruction « expression »,
• bloc,
• conditionnelle,
• itération,
• choix multiple,
• interruption d'une instruction de contrôle,
• retour de fonction.

4.2 Présentation des instructions

Chaque instruction sera définie par sa syntaxe et par l'action que déclenche son exécution.

4.2.1 Instruction vide

L'instruction :

;

est une instruction vide qui ne réalise aucune action.

4.2.2 Instruction "expression"

Si exp est une expression, alors exp;

est une instruction qui réalise l'effet de bord de l'expression exp. Une telle instruction n'a donc de sens que si cet effet de bord n'est pas nul.

Par exemple :

12 + 4;

est une instruction qui ne déclenche aucune action. Elle est équivalente à une instruction vide. Par contre, l'instruction :

x = 12 + 4;

en déclenche une: affecter 16 à x.

4.2.3 Bloc d'instructions

Si decl1, ..., declm sont des déclarations de variables et inst1, ..., instn sont des instructions, alors :

{ decl1

decln

inst1 ...

instn

}

Un bloc est composé d'une suite, éventuellement vide, de déclarations, suivie d'une suite d'instructions qui peuvent elles-mêmes être des blocs d'instructions.

Les variables déclarées dans un bloc sont des variables locales à ce bloc. Elles sont visibles dans ce bloc et dans tous les blocs englobés qui ne les redéfinissent pas. La valeur initiale d'une variable locale non initialisée dans sa déclaration, est indéterminée.

L'exécution d'un bloc d'instructions se déroule de la façon suivante :

1. Les données déclarées dans le bloc sont empilées au sommet de l'environnement dans l'ordre de leur déclaration.
2. Les instructions sont exécutées séquentiellement jusqu'à la sortie du bloc déclenchée :

- soit parce que la fin du bloc a été atteinte,

- soit par l'exécution de l'instruction break ou return (voir ci-dessous §4.2.7 et §4.2.8).

3. A la sortie du bloc, les variables locales à ce bloc sont enlevées de la pile. La sortie du bloc de la fonction main provoque l'arrêt du programme.

Considérons par exemple le bloc suivant:

{

int x = 5, d = 1;

float y;

{

float d = 0.5;

y = x + d;

}

...

}

Les déclarations de x et y dans le bloc externe sont visibles dans le bloc interne. La déclaration de d dans le bloc interne masque celle du bloc externe : d est un entier dans le bloc externe et un flottant dans le bloc interne. Notons que la valeur initiale de y est indéterminée. L'évolution de l'état du programme lors de l'exécution du bloc interne est le suivant :

...

4.2.4 Instruction conditionnelle

Une instruction conditionnelle permet de choisir l'instruction à exécuter parmi deux possibles, en fonction de la valeur d'une expression booléenne de choix.

Si exp est une expression et inst, inst~ et inst2 sont des instructions alors

if (exp) inst

if (exp)

inst~ else

inst2

sont des instructions conditionnelles. La première réalise l'action :

si val(exp) 7É 0 alors

exécuter l'instruction inst fin-si

si val(exp) 7É 0 alors

exécuter l'instruction inst~ sinon

exécuter l'instruction inst2 fin-si

Par exemple :

if (mois >= 4 && mois < 10)

saison = "chaude" else

saison = "froide"

Lorsque des instructions conditionnelles sont imbriquées, la règle suivante s'applique : chaque clause else se rapporte au dernier if ayant une condition suivie d'exactement une instruction. En application de cette règle, dans l'instruction :

Jacques Le Maitre, Université de Toulon et du Var

if (condl) if (cond2)

inst2l else

inst22

la clause else est celle du if interne. Cette règle a pour conséquence qu'un if sans clause else imbriqué dans la clause then d'un if avec clause else, devra être inséré dans un bloc, pour éviter toute ambiguité. Dans l'instruction :

if (condl) {

if (cond2)

inst2l

}

else

inst12

la clause else se rapporte bien au if externe, en application de la règle d'imbrication des instructions conditionnelles. On aurait pu aussi ajouter au if interne une clause else vide :

if (condl) if (cond2)

inst2l else

;

else

inst12

4.2.5 Itération

Une instruction d'itération, permet de répéter l'exécution d'une instruction tant qu'une condition est vérifiée. Par exemple, ajouter 2 à la valeur d'une variable tant que cette valeur est inférieure à 100.

Trois instructions d'itération sont disponibles : while, do...while et for.

4.2.5.1 while

Si exp est une expression et inst est une instruction alors :

while (exp) inst

est une instruction d'itération (on dit aussi une boucle) dans laquelle exp est le test de continuation et inst, le corps de la boucle, est une instruction à répéter.

L'action réalisée est la suivante :

boucle :

si val(exp) 7É 0 alors

exécuter inst

aller-à boucle fin-si

Le corps de la boucle est exécuté tant que le test de continuation est vrai. Il peut donc ne jamais être exécuté.

Par exemple, l'instruction suivante calcule la somme s des entiers de 1 à 9.

{

int s, i;

s = 0;

i = 1;

while (i <= 9)

{

s = s + i;

i = i + 1;

}

}

4.2.5.2 do... while

Si inst est une instruction et exp est une expression alors :

do

inst

while (exp);

est une instruction d'itération. Comme dans l'instruction while, inst est le corps de la boucle et exp est le test de continuation.

L'action réalisée est la suivante :

boucle :

exécuter inst

si val(exp) 7É 0 alors

aller-à boucle

fin-si

Le corps de la boucle est exécuté jusqu'à ce que le test de continuation soit faux. Il est donc exécuté au moins une fois.

De même qu'une instruction while, une instruction do...while doit être précédée d'une initialisation des variables dont dépend le test de continuation et dont les valeurs évolueront à chaque exécution du corps de la boucle.

Par exemple, l'instruction suivante calcule le plus petit entier n tel que la somme des entiers de 1 à n soit supérieure à 50.

{

int s, n;

s = 0;

n = 0;

do

{

n = n + 1;

s = s + n;

}

while(s <= 50);

}

4.2.5.3 for

Si exp1, exp2, exp3 sont des expressions et inst est une instruction, alors

for (expl; exp2; exp3) inst

est une instruction d'itération équivalente, par définition, à : expi;

while (exp2) {

inst

exp3; }

Cette instruction intègre donc l'initialisation (exp,) et l'évolution (exp2) de la variable dont dépend le test de continuation (exp3).

Par exemple, l'instruction suivante calcule la somme s des 10 premiers entiers.

{

int s, n;

s = 0;

for (n = 1; n <= 10; n = n + 1)

s = s + n;

}

Les expressions exp, et exp3 peuvent être absentes. Le test de continuation (exp2) peut lui-aussi être absent, on considère alors qu'il est toujours vrai. Par exemple, l'instruction :

for (;;) inst

est une boucle infinie.

4.2.6 Choix multiple

Une instruction de choix multiple a la forme suivante :

switch (exp-choix) {

inst-switch, ...

inst-switchn }

où :

• exp-choix est une expression.
• Le bloc constitue le corps de l'instruction.
• Chaque inst-switch a l'une des trois formes suivantes :

case exp-cas: inst-switch default: inst-switch inst

où case exp-cas: et default: sont des étiquettes de cas, exp-cas est une expression constante et inst est une instruction.

L'action réalisée par une instruction switch est la suivante :

Jacques Le Maitre, Université de Toulon et du Var

 si dans le corps il existe une étiquette case exp-cas: telle que val(exp-cas) = val(exp  choix) alors  se brancher à l'instruction qui suit immédiatement cette étiquette.

sinon

si dans le corps il existe une étiquette default: alors

se brancher à l'instruction qui suit immédiatement cette étiquette.

sinon

ne rien faire.

fin-si

fin-si

Une fois qu'un branchement a été effectué, les instructions sont exécutées en séquence jusqu'à la dernière instruction du corps. Pour éviter d'enchaîner l'exécution de deux cas exclusifs consécutifs, il faut terminer le premier par une instruction break (voir ci-dessous §4.2.7) qui a pour effet d'abandonner l'exécution de l'instruction.

Par exemple, l'instruction suivante calcule le nom du jour (jour) correspondant à un numéro de jour (num_jour) dans la semaine:

switch(num_jour)

{

case 1:

jour = "lundi";

break;

case 2:

jour = "mardi";

break;

...

case 7:

jour = "dimanche";

break;

default:

printf("Il n’y a que 7 jours dans la semaine !");

}

Il est possible de définir des cas à plusieurs étiquettes. Par exemple, l'instruction suivante détermine si un jour de la semaine est un jour d'activité ou de repos :

switch(num_jour)

{

case 6:

case 7:

activite = "repos";

break;

default:

activite = "travail";

}

4.2.7 Rupture de séquence

L'instruction : break;

4.2.8 Retour d'une fonction

Si exp est une instruction alors

Jacques Le Maitre, Université de Toulon et du Var

return exp;

est une instruction qui provoque, comme nous le verrons au chapitre 6, l'abandon de l'exécution du bloc qui constitue le corps d'une fonction et retourne la valeur val(exp) de l'application de cette fonction.