Библиотека времени выполнения

 

В определении языков Си и C++ отсутствуют операторы ввода-вывода, операции над строковыми данными и аналогичные средства, имеющиеся в других языках программирования. Этот недостаток компенсируется добавлением в системы программирования Си и C++ библиотек функций, подключаемых к рабочим програм­мам при редактировании связей и называемых библиотеками времени выполнения. Отделение этих библиотек от компилятора позволяет в случае необходимости использовать различные вари­анты этих библиотек, например для различных компьютеров или операционных систем.

Часть функций из библиотек времени выполнения стандарти­зована, в стандарте зафиксированы имя функции, ее назначение, перечень и типы параметров, тип возвращаемого значения. Другие функции ориентированы на конкретные компьютеры и ОС, способы их вызова и использования могут быть различными в системах программирования разных фирм.

Чтобы обеспечить возможность контроля правильности вызова функций при компиляции программы, в систему программирова­ния входят файлы заголовков функций времени выполнения. В файлах заголовков определяются прототипы библиотечных функций, а также константы и типы данных, используемые этими функциями.

В Си++ определены следующие файлы заголовков:

Assert.H - содержит макросы для сообщений об ошибках при выполнении условия, задаваемого программистом.

Макрос - упорядоченная по­следовательность команд, выполняющая определенные действия.

Ctype. Н - функции для проверки и преобразования данных типа char;

Float. H - макросы для операций над числами с плавающей точкой;

Limits.H - макросы, задающие диапазоны представления целых;

Locale. Н - представление даты, времени, денежных единиц;

Math. Н - пакет стандартных математических функций;

Setjump. H - имена типов и функции для реализации опера­торов перехода, используется редко;

Signal.H - макросы для сигнализации об ошибках согласно стандарту ANSI;

Stdarg. Н - макросы для вызова функций с переменным чис­лом аргументов;

Stddef.H - определение общих типов для указателей, типов size_t и null;

Stdio. Н - стандартные функции ввода-вывода;

Stdlib.H - определение общих типов, переменных и функ­ций;

String. Н - функции для операций над строковыми данными;

Time. Н - структуры и функции для операций с датами и вре­менем.

В C++ добавлены операции с комплексными числами и деся­тичными данными:

Bcd.Н – данные из десятичной системы счис­ления;

Complex.H - функции и операции над комплексными чис­лами.

Имеются также файлы прототипов функций для распределения и освобождения динамической памяти, использования средств DOS и BIOS.

Чтобы использовать какие-либо функции из библиотек време­ни выполнения, в программу должен быть включен файл-заголовок с прототипами требуемых функций. Добавление в про­грамму файла-заголовка обеспечивается препроцессорной дирек­тивой # include < имя файла>.

Любая программа использует входные данные, осуществляя вывод результатов, поэтому файл заголовков stdio.hприсутствует во всех программах. Функции ввода-вывода используют понятие " пото­ка", рассматриваемого как последовательность байтов. Поток связывается с дисковым файлом или другим устройством ввода-вывода, в т.ч с консолью, когда ввод осуществляется с клавиатуры, а вывод - на экран монитора.

Предусмотрены не­сколько стандартных потоков:

stdin - стандартный ввод;

stdout - стандартный вывод;

stderr - для вывода сообщений об ошибках;

stdprn - стандартное устройство печати;

stdaux - стандартный последовательный порт.

Потоки stdin, stdout и stderr обычно связываются с кон­солью, но могут быть перенаправлены на другие устройства. Назначение двух последних потоков зависит от используемой аппаратуры. Стандартные потоки автоматически открываются при запуске Си-программы и закрываются при ее завершении. В свою очередь, потоки, создаваемые программистом, открываются функцией fopen и закрываются функцией fclose.

Функции ввода-вывода из stdio.h разбиваются на четыре группы: ввод-вывод байтов, ввод-вывод строк, форматный ввод-вывод и прямой (бесформатный) ввод-вывод.

Отметим отдельные элементы первых трех групп, предназначенные для ввода из потока stdin и вывода в поток stdout.

Функция ввод-вывод int getchar () служит для ввода одного символа с клавиатуры и возвращает код символа, преобразованный к типу int. Например, функция int putchar (int с) выводит сим­вол «с» в очередную позицию на экране монитора

Для ввода строки с клавиатуры служит функция char * gets (char * buf), считывающая коды нажатых клавиш (до симвода новой стро­ки или нажатия клавиши Enter) и помещает эти коды в буфер, адрес которого задается параметром buf; в конце строки добавля­ется нулевой байт.

Вывод строки выполняет функция int puts (char * string),

выводящая строку по адресу string на экран, пока в строке не встретится нулевой байт, и возвращает код последнего выве­денного символа.

Функции форматного ввода-вывода принимают в качестве па­раметров строку с описанием формата представления данных на внешнем устройстве и список вводимых или выводимых данных. Строка описания формата состоит из обычных символов, управ­ляющих символов (новой строки, возврата каретки и т.п.) и спе­цификаций полей ввода или вывода.

Спецификация начинается символом %, за которым следуют коды фла­гов, размер поля ввода (вывода), число цифр в дробной части числа, префикса данного размера и кода типа формата. Обязатель­но указывается тип формата, остальные компоненты формата задаются по необходимости.

Некото­рые коды типа формата:

d - для представления целого со знаком в десятичной системе счисления;

i - для представления целого без знака в десятичной системе счисления;

f - для представления числа с плавающей точкой в естествен­ной форме;

е или Е - представление числа с плавающей точкой в экспо­ненциальной форме;

s - ввод-вывод строковых данных;

с - ввод-вывод символов.

Для форматного вывода служит int printf (char*format..)

функция, имеющая список параметров переменной длины, при этом коли­чество дополнительных параметров должно соответствовать числу спецификаций формата в форматной строке.

Данные для вывода могут задаваться выражениями, ответственность за правильное задание спецификации формата для каждого выводимого данного лежит на программисте.

Пример применения функции Printf;

printf (" \n x=%d, у = %f %s", x, у, st);

При выполнении этой функции просматривается строка фор­мата слева направо, и символы, не являющиеся спецификациями формата, копируются на выводное устройство. Управляющий символ \n переводит курсор на экране к началу следующей строки. Когда встречается спецификация формата, выбирается очередной аргумент из списка вывода, преобразуется в соответствии с форматом и выводится в очередную позицию экрана. Для правильного вывода требуется, чтобы переменная х была типа int, у - float, а переменная st - char*.

Форматный ввод выполняет int scanf (char*format,...) функция, в которой список ввода должен задавать указатели на вводимые переменные. Если в строке формата присутствуют символы, не входящие в спецификации форматов и не являющиеся пробельны­ми, то во входном потоке должны присутствовать те же символы. Пробельными символами считаются знаки пробела, табуляции, новой строки; они считываются из потока ввода, но не участвуют в формировании входных данных. Когда в форматной строке встречается спецификация формата, во входном потоке пропуска­ются пробельные символы, а последующие символы интерпрети­руются в соответствии с типом формата, преобразуются во внут­реннее представление, после чего полученное значение записыва­ется в память по адресу очередного элемента списка ввода. Например, для ввода двух переменных целого типа и одной пере­менной вещественного типа применяется оператор вызова функции

scanf (" %d %d %f", fixl, & x2, & y);

где x1 и х2 типа int, а у - float. Во входном потоке вводимые значения должны разделяться хотя бы одним пробелом.

Недостатком функций ввода-вывода яв­ляется отсутствие контроля соответствия типов форматов и типов вводимых (выводимых) данных, часто приводящее к ошибкам в программах. В C++ есть собственные средства потокового ввода-вывода, обеспечивающие жесткий контроль типов в операциях.

Для этого определены новые стандартные потоки:

cin - для ввода данных;

cout - для вывода данных;

сеrr - вывод сообщений об ошибках без буферизации вы­вода;

clog - вывод сообщений об ошибках с буферизацией вывода.

В качестве знака операции вывода определены символы < <, азнаком операции ввода - символы», те же, что и для операции сдвига. Компилятор по контексту определяет, какую операцию задают эти символы: ввод-вывод или сдвиг.

Чтобы использовать средства ввода-вывода C++, в программу должен быть включен файл-заголовок iostream.h:

# include < iostream.h>

В операциях вывода левым операндом должен быть поток вы­вода, правым операндом - выводимое данное. Результатом опера­ции вывода является поток вывода, что позволяет записывать вывод в виде цепочки операций «, например:

cout < < " x1=" < < x1 < < " х2=" < < х2 < < " \n";

Для базовых типов данных определены их преобразования при выводе и точность представления на устройстве вывода. Эти ха­рактеристики можно менять, применяя функции, называемые манипуляторами.

В операции ввода левым операндом должен быть поток ввода, а правым операндом - имя вводимого данного для арифметиче­ских данных или указатель char*для ввода строк,

напри­мер: cin» xl» x2» st;

Операции ввода-вывода выполняются слева направо и послед­ний оператор эквивалентен оператору

((cin» xl)» x2)» st;

или трем операторам

cin» xl; cin» х2; cin» st;

Ниже приведен пример программы, запрашивающей у пользо­вателя два целых числа и выводящей на экран их сумму:

# include < iostream.h>

int x, у;

int main {) {

cout «" x - ";

cin» x; //Запрос и ввод значения х

cout «" \n у = ";

cin» у; //Запрос и ввод значения у

cout «" \n" «" х + у = " «х + у;

return 0;

 

5. ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР НА С++

Задание. Реализовать арифметические действия с целыми числами большого размера (до 10⁴⁰) без использования «больших» типов данных. В качестве примера вычислить 30!, 2¹⁰⁰, 3³⁰+5⁵⁰, (3⁵⁰-2⁴⁰)/555555.