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Corso di Fondamenti di InformaticaIngegneria delle Comunicazioni – BCORIngegneria Elettronica – BELR
Introduzione al C
Unità 1 - Introduzione
D. Bloisi, S. Peluso, S. Salza
Obiettivi del corso (parte II)
• Concetti di algoritmo e programma
• Risolvere problemi in modo algoritmico
• Tradurre un algoritmo in programma
• Sviluppare programmi in linguaggio C
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Sommario – Unità 1: Introduzione
• Linguaggi macchina• Linguaggi ad alto livello• Traduzione ed esecuzione dei programmi• Dal problema al programma• Procedure ed algoritmi• Paradigmi di programmazione• Il linguaggio C• Ambiente di sviluppo ed esecuzione dei programmi• Sviluppo di un primo programma C• Funzioni
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L’architettura di Von Neumann
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L’hardware dei nostri calcolatori è tuttora basato sulla cosiddetta architettura di Von Neumann
L’architettura di Von Neumann (2)
• La macchina esegue una sequenza di istruzioni• Le istruzioni vengono lette dalla memoria• Ciascuna istruzione esegue una specifica azione su dati
che si trovano in memoria• Ciascuna istruzione è una sequenza di bit che, in una
opportuna codifica, specificano:a. L’azione che deve essere effettuatab. Dove si trovano i dati su cui essa deve essere
effettuatac. Dove mettere il risultato
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Programma
• Un programma specifica una procedura sistematica, per risolvere un determinato problema
• Una procedura è una sequenza di passi elementari il cui esito porta alla soluzione del problema
• Un programma è una sequenza di istruzioni • Un programma viene scritto con riferimento ad una
determinata piattaforma di elaborazione, usando le istruzioni che essa può eseguire direttamente
• Un programma può essere eseguito più volte su diverse istanze del problema, cioè su dati diversi
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Esempio: somma di due numeri
• Problema: calcolare la somma di due numeri• Procedura:
1. Leggi il primo numero e mettilo in memoria all’indirizzo n2. Leggi il secondo numero e mettilo in memoria all’indirizzo m3. Carica nella ALU (Arithmetic Logic Unit) il contenuto dell’indirizzo n4. Sommagli il contenuto dell’indirizzo m5. Sposta il contenuto della ALU in memoria all’indirizzo k6. Stampa il contenuto dell’indirizzo k
• Programma: ad ogni passo della procedura corrisponde un’istruzione del programma
Ma è necessario che i passi siano a livello delle operazioni elementari che la macchina può eseguire direttamente
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Linguaggio macchina
• Programmare direttamente un sistema di elaborazione è possibile ma poco pratico:− Le istruzioni effettuano operazioni molto semplici− Occorrono moltissime istruzioni anche per procedure
che risolvono problemi molto semplici− Le istruzioni codificate in binario sono difficili da
scrivere e da leggere • Chi programmava i calcolatori agli inizi degli anni ‘60
doveva fare così: non aveva scelta!• La produttività (tempo necessario a scrivere e mettere a
punto i programmi ) era bassissima
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Linguaggi di programmazione
• Soluzione del problema: definire una macchina virtuale (cioè che uno vorrebbe avere ma non ha) che sia molto più potente della macchina reale
• Alla macchina virtuale corrisponde un linguaggio di programmazione molto più espressivo e più leggibile:− Istruzioni più potenti: effettuato operazioni più
complesse− Procedure più semplici: sono necessari meno passi− Programmi più compatti e leggibili: più facili da
sviluppare e da mettere a punto
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Traduzione dei programmi
• Traduzione dei programmi:− Si realizza un traduttore − Il traduttore è un programma esso stesso− Input: il programma scritto per la macchina virtuale− Output: il programma eseguibile dalla macchina reale
• Ma almeno il traduttore dovrà essere eseguibile sulla macchina reale!
• Vuol dire che (alla peggio) si scriverà il traduttore, una tantum, in linguaggio macchina
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Problema: visto che la macchina virtuale non esiste, allora chi esegue questi programmi?
Traduzione dei programmi (2)
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TRADUTTORE
INPUT OUTPUT
Programma Sorgente: scritto nel linguaggio della macchina virtuale
Programma Oggetto: scritto nel linguaggio della macchina reale
Eseguibile sulla macchina reale
Tipologie di linguaggi
• LINGUAGGI MACCHINA− Le istruzioni sono sequenze di bit− Linguaggi diversi per piattaforme diverse (Pentium, ARM, Sparc)Es. 01001010111000100100101011100010 (istruzione a 32 bit)
• LINGUAGGI ASSEMBLATIVI− Istruzioni binarie codificate in forma più leggibile− Corrispondenza uno a uno fra le istruzioniEs. ADD alfa, beta; (istruzione per al somma di due interi)
• LINGUAGGI AD ALTO LIVELLO− Più evocativi e ‘simili’ al linguaggio naturaleEs. if (i>0) i=i+1; else printf("Errore");
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Portabilità dei programmi
• Programmi scritti in linguaggio macchina ed assemblativonon sono portabili per definizione
• Programmi scritti in linguaggi ad alto livello nascono per essere portabili:− I linguaggi ad alto livello non sono legati ad una specifica
piattaforma− Per eseguirli su una certa piattaforma basta disporre del
traduttore per quella piattaforma
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Un programma è portabile se può essere eseguito su una piattaforma diversa da quella per la quale è stato sviluppato
Sintassi e semantica
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• In un linguaggio distinguiamo due aspetti fondamentali
• SINTASSI− Insieme di regole che specificano come scrivere un
programma formalmente corretto− Ma, come in italiano, posso scrivere un testo
formalmente corretto, ma senza alcun significato ….• SEMANTICA
− Regole per attribuire un significato alle istruzioni ed alla loro composizione, cioè ai programmi
− Analogamente in italiano assegna un significato alle parole ed una logica ai costrutti
Dati e operazioni
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• Un linguaggio di programmazione deve consentire di descrivere due aspetti fondamentali del processo di elaborazione
• DATI− Quali sono e come sono organizzate le informazioni sulle
quali il programma opera− Deve consentire di rappresentare le informazioni nel
dominio di interesse: es. numeri, stringhe dicaratteri ecc.• OPERAZIONI
− Manipolazioni delle informazioni rappresentate− Deve consentire di coprire le esigenze del dominio in cui
si vuole utilizzare il linguaggio
Dal problema al programma
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• Problema− La specifica del problema definisce univocamente quello
che voglio− Non mi dice come posso ottenerlo
• Procedura risolutiva− Descrive, verbalmente o con qualche formalismo, i passi
che devo effettuare per arrivare ala soluzione• Programma
− Sequenza di istruzioni che codifica la procedura risolutiva in un certo linguaggio
Algoritmo
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Procedura sistematica seguendo la quale arriviamo alla soluzione di un problema, ovvero insieme di passi che, eseguiti nell’ordine, permettono di calcolare i risultati a partire dalle informazioni che vengono date in ingresso.
Informazioni in ingresso
INPUT
Sequenzaordinata di passi
ALGORITMO
RisultatiOUTPUT
Un algoritmo è una formalizzazione della procedura risolutiva
Esempio: Massimo Comun Divisore
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• Problema− Calcolare il massimo comun divisore di due interi m e n, cioè il più
grande intero che sia fattore primo di entrambi− Specifica cosa voglio, ma non mi indica come fare per trovarlo
• Algoritmo− Poni MCD=1; sia m < n.− Ripeti per tutti gli interi 1< k £m, nell’ordine, il seguente passo− Se k è divisore sia di n che m allora MCD=k altrimenti continua− Al termine MCD ha il valore del massimo comun divisore di m e n.
• Programma− Codifica in un linguaggio di programmazione, ad esempio C, della procedura
di cui sopra
N.B. L’algoritmo proposto non è l’unico, e nemmeno il più efficiente..
Paradigmi di programmazione
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I linguaggi di programmazione si ispirano a diversi paradigmi, cioè a diverse filosofie secondo cui gli algoritmi sono codificati
• Imperativo− Enfasi sulle operazioni, intese come azioni e comandi e istruzioni che
cambiano lo stato dell’elaborazione− Gli oggetti sono funzionali all’elaborazione
• Funzionale− Enfasi sulle operazioni, intese come funzioni che calcolano risultati− Gli oggetti sono funzionali all’elaborazione
• Orientato agli oggetti− Enfasi sugli oggetti che complessivamente rappresentano il dominio di
interesse− Operazioni e funzioni sono definite con riferimento agli oggetti
Il linguaggio C
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• C è un linguaggio di programmazione ad alto livello che supporta i paradigmi imperativo e funzionale
• Nato agli inizi degli anni ‘70 con l’obiettivo precipuo di riscrivere il sistema operativo UNIX (ormai non più gestibile in linguaggio macchina)
• Gli autori Ken Thompson e Dennis Ritchie lo chiamarono Cperché era il terzo tentativo: il precedente si chiamava B ….
• Come linguaggio nativo di UNIX (il primo sistema operativo open source) si diffuse rapidamente nel mondo universitario, e di lì nelle nuove imprese che andavano nascendo
• E’ forse oggi il linguaggio di programmazione più diffuso• Subisce un lungo processo di standardizzazione che si
concretizza nello standard ISO/IEC 9899-1990
Perché studiamo il C ?
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• E’ molto vicino alla struttura del calcolatore e ne permette l’accesso anche a basso livello
• Consente un eccellente controllo a basso livello:− Controllo diretto degli indirizzi− Gestione efficiente di stringhe
• Offre anche strutture di controllo ad alto livello, che consentono anche la codifica di algoritmi molto complessi
• Punto di partenza per altri linguaggi molto diffusi: C++ e Java• Permette di sviluppare programmi molto efficienti
Il trend attuale è di iniziare con un linguaggio imperativo (come il C), rimandando ad una fase successiva l’apprendimento dei linguaggi
orientati agli oggetti (C++ e Java)
L’ambiente di sviluppo
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Cosa ci occorre per scrivere ed eseguire un programma C?• Carta e penna (?)
Ma ormai molti di noi scrivono direttamente al PC!• Un Editor di testo
− Permette di scrivere il programma e salvarlo come file− Può offrire altre funzioni (editor diretto dalla sintassi)
• Un Compilatore C− Traduttore da C a linguaggio macchina− Genera un programma direttamente eseguibile sul nostro PC− Offre anche funzioni accessorie, come la segnalazione di
errori sintattici (ma non di quelli semantici!)
L’ambiente consigliato
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• Editor di testo: Notapad++− Editor guidato dalla sintassi (colorazione ecc.)− Oltre al C supporta molti altri formati− Direttamente scaricabile http://notepad-plus-plus.org/
• Compilatore: gcc− Disponibile su diverse piattaforme (Windows, Linux, Mac) − Istruzioni per l’installazionehttp://www.dis.uniroma1.it/~bloisi/didattica/fondinf1112.html#Software
Si tratta di software open source, non ci sono oneri di licenza. Distribuzione e libera,qualità eccellente, diffusione altissima
Il nostro primo programma C
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#include <stdio.h>
int main() {printf("Il mio primo programma C.");return 0;
}
• Per essere semplice è semplice!• Ma qualcuno vuole seriamente sostenere che è leggibile?• Certo, a prima vista, non è evidente quello che fa?• E poi, che stile esoterico: ma era proprio necessario?
Cosa significa?
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• Il programma è costituito da direttive e istruzioni• Le direttive sono ordini rivolti al compilatore • Alle istruzioni corrispondono azioni che si chiede di effettuare in
fase di esecuzione, e strutture che ne precisano l’ordine e le modalità di esecuzioni
1. #include <stdio.h>−È una direttiva che chiede al compilatore di includere una serie di
definizioni relative alle operazioni predefinite di I/O 2. int main() {...}−È la definizione della funzione main che racchiude il corpo
principale del programma, contenuto tra i due simboli { e }−Ogni programma C deve contenere una e una sola funzione main
Cosa significa? (continua)
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3. printf("Il mio primo programma C.");−È un’istruzione che stampa su video la stringa racchiusa tra apici−Più precisamente printf è una funzione predefinita, di quelle
incluse a seguito della direttiva #include <stdio.h>4. return 0;−È un’istruzione che termina l’esecuzione della funzione main e
restituisce il valore 0 (per dire che tutto è andato bene)
• La cosa non vi è chiara? Niente paura: è tutto normale!• Non c’è, purtroppo, un iter del tutto lineare per iniziare a lavorare in C• L’alternativa (noiosa) è spiegare tutto prima di far succedere qualcosa• Occorre un po’ di pazienza: le cose si chiariranno presto.
Sviluppare ed eseguire il programma
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1. SCRITTURA− Si scrive il programma usando un editor− Il programma viene salvato sul computer in un file
2. COMPILAZIONE− Il file contenete il programma viene consegnato al compilatore− Il compilatore, se non rileva errori sintattici, genera un file
eseguibile contenete la traduzione− Altrimenti segnala gli errori e termina
3. ESECUZIONE− Il file eseguibile viene mandato in esecuzione − Anche più volte, senza doverlo ricompilare
Scrittura del programma
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Per chiarire che si tratta di un programma C, salviamo con un nome di file primo.c dove:
− primo è il nome che vogliamo dare al nostro programma
− c è l’estensione di file che tradizionalmente indica i programmi C
• La scrittura di un programma può essere effettuata con qualsiasi programma che consenta la scrittura di un testoEs. Edit, Notepad, Vim, Notepad++, Emacs,...
• Attenzione però che il formato di salvataggio sia quello di testo non formattato (ad esempio un file docx non va bene!)
In Notapad++
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Compilazine del programma
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• In Windows ’interazione con il compilatore gcc avviene dando il comando direttamente, cioè non tramite l’interfaccia grafica
• I comandi vengono passati nella finestra ‘command prompt’1. Cambiare la directory corrente con quella che contiene il
programma, nel mio caso:C:\Users\Utente\Desktop\ProgrammiC
2. Mandare in esecuzione il compilatore:gcc –o first primo.c
Manda in esecuzione gccNome da assegnare al file eseguibile
Nome del programma da compilare
Come risultato della compilazione viene creato, nella directory corrente, il file first.exe
Esecuzione del programma
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• Se non ci sono errori il compilatore genera un file eseguibile:− Viene salvato nella directory corrente, col nome che si è
specificato e l’estensione .exe
− Nel nostro caso first.exe in C:\...\Desktop\ProgrammiC
• Per mandare il programma in esecuzione basta passare il nome del file eseguibile come comando nella command prompt− Non è necessario specificare l’estensione− Nel caso in esempio: first o first.exe
• Il risultato di ciascuna esecuzione sarà la visualizzazione nella command prompt della stringa:Il mio primo programma C.
Compilazione ed esecuzione
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E se ci sono errori?
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SI
ERRORI SINTATTICI
?COMPILAZIONE
SCRITTURA E
MODIFICA
ERRORI SEMANTICI
?ESECUZIONE
INIZIO
FINE
SI NO
NO
Errori
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Questo programma contiene diversi errori, di diversi tipi:#include <stdio.h>int main () {
printf("I miei primi errori in C...\n")Printf("...e non saranno gli ultm!!!\n");return 0;
}
Tipi di errori:• Sintattici: riguardano la correttezza formale• Semantici: riguardano la correttezza sostanziale
Manca il ;
C’è un errore di ortografia
Errori sintattici
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• Legati alla violazione delle regole del linguaggio#include <stdio.h>int main () {
printf("I miei primi errori in C...\n")Printf("...e non saranno gli ultm!!!\n");return 0;
}• Questi errori sono individuati dal compilatore• Non sempre però le segnalazioni sono chiare:>gcc -o errori errori.cerrori.c: In function 'main':errori.c:18:4: error: expected ';' before 'Printf'>
Manca il ;
Errori semantici
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• Il programma non fa quello che vorrei che facesse• P. es. nel caso di errori.c viene stampata una stringa
contenente errori di ortografia (non è quello che vorrei):>gcc -o errori errori.c>erroriI miei primi errori in C......e non saranno gli ultm!!!>
• Il compilatore non segnala questi errori (e non può farlo!)• Lui che può saperne di quello che vorrei stampare?
Gli errori semantici posso essere individuati solo eseguendo il programma e analizzando i risultati
Programma corretto
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#include <stdio.h>
int main () {printf("I miei primi errori in C...\n");printf("...e non saranno gli
ultimi!!!\n");return 0;
}
Funzioni
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• L’organizzazione dei programmi C e fortemente basata sul concetto di funzione
• Gestire la complessità un programma decomponendolo in moduli:− Approccio divide et impera− Definire funzioni, cioè moduli corrispondenti a parti della
procedura che svolgono compiti precisi− Costruire il programma utilizzando questi moduli
• Due tipi di funzioni:− Funzioni di libreria: già definite da altri e raccolte in libreria− Funzioni definite dal programmatore: la loro definizione è
parte del programma
Parametri e valore di una funzione
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• Le funzioni prevedono normalmente parametri sui quali si basa l’elaborazione effettuata dalla funzione
• Devono essere passati ogni volta che la funzione è invocata• I parametri permettono di usare una funzione per effettuare più
volte la stessa elaborazione su dati diversi• In C una funzione ha (quasi) sempre un valore, che viene
restituito come risultato del calcolo della funzione• Se la funzione non restituisce un valore di dice che il suo valore
è voidESEMPIO: sin(x)
• x è un valore reale che viene passato alla funzione come parametro• la funzione calcola un valore reale • in C sin è una funzione di libreria predefinita
Definizione e invocazione
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• Occorre distinguere chiaramente tra:
• DEFINIZIONE DI UNA FUNZIONE− Parte del programma in cui viene definito cosa la funzione fa− Non è esplicita per le funzioni di libreria− Una funzione deve essere dichiarata prima di essere usata
• INVOCAZIONE DI UNA FUNZIONE− Parte di un programma in cui viene richiesta l’esecuzione
della funzione− Sintassi: nomeFunzione(Parametri)− Semantica: la funzione esegue le operazioni specificate nella
sua definizione sulle informazioni passate come parametri
Esempio
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#include <stdio.h>#include <math.h>
int main() {printf("Questo programma C esegue dei calcoli ");printf("usando funzioni matematiche predefinite..\n");printf("la radice quadrata di 169: %f", sqrt(169) );
}• Viene invocata la funzione di libreria sqrt che calcola la radice
quadrata del numero che gli viene passato come parametro• La libreria math di cui fa parte sqrt è indicata nella direttiva al
compilatore• Nell’esempio sqrt(169)calcola la radice di 169• Il risultato è passato come valore e usato dalla printf• Anche printf è una funzione di libreria: per poterla usare devo
chiedere al compilatore di includere la libreria stdio
La funzione main
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• Un programma C deve sempre contenere una funzione main• La funzione main ha valore void, cioè non restituisce valore• La definizione di altre funzioni segue quella della funzione main• L’esecuzione del programma consiste nell’esecuzione della
funzione main, la quale, eventualmente, invoca altre funzioni provocandone l’esecuzione
PROBLEMA− Il compilatore, per poter tradurre il programma, deve conoscere
le definizioni delle funzioni− Quando trova le invocazioni deve almeno conoscere: numero
e tipo dei parametri e tipo del valore della funzione− Ma le definizioni vengono dopo il main …..
Prototipi di funzione
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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• Per risolvere il problema, in C prevede la dichiarazione dei prototipi di funzione
• Un prototipo di funzione è una dichiarazione sintetica che specifica:− Il nome della funzione− Il tipo del risultato− Il numero ed il tipo dei parametri
• La dichiarazione dei prototipi precede la definizione della funzione main
ESEMPIO: double sqrt(double)• La funzione sqrt restituisce un valore reale in doppia precisione• Ha un parametro anch’esso reale in doppia precisione (tipo double)
Parametri
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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• I parametri di una funzione sono i valori passati dal modulo chiamante alla funzione per poter svolgere i calcoli
• In generale, i parametri passati come argomenti possono essere espressioni complesse formate a loro volta da invocazioni di altre funzioni
ESEMPIO• la funzione double sqrt(double)deve essere invocata passando
un valore di cui vogliamo calcolare la radice quadrata• la funzione double pow(double,double)calcola la potenza e i
parametri sono base ed esponente• La chiamata sqrt(pow(5,2)+pow(12,2))calcola la radice
quadrata di 52+122 e restituisce un valore reale in doppia precisione, nella fattispecie 13
Funzioni definite in math.h
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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La funzione printf
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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• Visualizza (stampa) a video una sequenza di dati formattati• Fa parte della libreria stdio.h e ha la forma:
printf (stringa di controllo del formato, altri argomenti )• La stringa di controllo del formato descrive il formato dell’output • Gli altri argomenti specificano i dati che si intende visualizzare• Restituisce come valore il numero di caratteri visualizzati• La stringa di controllo del formato è composta da una serie di
specifiche di conversione che indicano:− Il tipo del dato che si vuole stampare− L’ampiezza del campo in cui deve essere stampato− La suddivisione all’interno del campo
• Altri caratteri nella stringa vengono stampati direttamente
Specifiche di conversione
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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• Alcune specifiche di conversione di uso frequente sono:%c singolo carattere%d intero in rappresentazione decimale%o intero in rappresentazione ottale%x intero in rappresentazione esadecimale%u intero in rappresentazione decimale senza segno%f reale in notazione virgola fissa%s stringa%e reale in notazione scientifica
Tra % e la lettera si può inserire un segno meno che indica giustificazione a sinistra, un numero intero che dà l'ampiezza del campo e può essere seguito da un punto e da un altro intero che dà il numero di cifre o il numero di caratteri per una stringa.
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Esempio di printf#include <stdio.h>
int main(){
printf("%d^ volta con il C\n", 1);printf("%.4f\n", 123.987654);return 0;
}
• Stampa la stringa:1^ volta con il C123.9877
N.B. Il carattere speciale \n provoca l’andata a capo
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Escape sequence
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Sono sequenze di caratteri, inizianti per \ che non sono visualizzati sullo schermo, ma producono altri effetti
\n newline, va a capo\t tabulazione\r posiziona il cursore all’inizio della riga corrente\a emette un suono\t tabulazione\\ stampa il carattere \\' stampa il carattere '\" stampa il carattere “
Lista completa sul libro (o su Wikipedia)
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Stampa di apici e virgolette …
2012/2013Introduzione al CUnità 1
#include <stdio.h>
int main(){
printf("l\'apostrofo non e\' \"facile\"");printf(" da stampare\n");return 0;
}
Visualizzal'apostrofo non e' "facile" da stampare
Attenzione alle “smart quotes” introdotte da molti editor!Evitare il copia e incolla (di testi formattati)
Esercizi
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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Esercizio 1.1 • Provare a scrivere, compilare ed eseguire tutti gli esempi visti
finora. Introdurre piccole variazioni su tema, ricompilare e controllare l’effetto.
Esercizio 1.2 • Scrivere un programma C che calcoli il valore 826 e lo visulaizzi
su video, preceduto dalla frase 86 elevato alla sesta è .
Esercizio 1.3 • Scrivere un programma che calcoli la radice quadrata di 2, e
visualizzi il risultato con 3 cifre decimali.
Esercizio 1.2 (soluzione)
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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Esercizio 1.2 – Scrivere un programma C che calcoli il valore 866
e lo visulaizzi su video, preceduto dalla frase 86 elevato alalsesta è .
#include <stdio.h>#include <math.h>
int main(){
printf("86 elevato alla sesta e\' ");printf("%f\n", pow(82.0, 6.0));return 0;
}
Output:86 elevato alla sesta e' 304006671424.000000
Esercizio 1.3 (soluzione)
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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Esercizio 1.3 – Scrivere un programma che calcoli la radice quadrata di 2, e visualizzi il risultato con 3 cifre decimali.#include <stdio.h>#include <math.h>
int main(){
printf("%.3f\n", sqrt(2.0));return 0;
}
Output:1.414
Problemi pratici: tastiera italiana
2012/2013Introduzione al CUnità 1
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Come si scrive la graffa aperta ( { ) ?Alt + 123oppureAlt Gr + Shift + èoppureFn + Alt + 123 (per i portatili)
Come si scrive la graffa chiusa ( } ) ?Alt + 125oppureAlt Gr + Shift + +oppureFn + Alt + 125 (per i portatili)