Файл: Современные языки программирования (Машинный язык).pdf

Примером ошибки является обращение к несуществующему элементу массива. Несмотря на то, что Си непосредственно поддерживает статические массивы, он не имеет средств проверки индексов массивов (проверки границ). Например, возможна запись в шестой элемент массива из пяти элементов, что, естественно, приведёт к непредсказуемым результатам. Частный случай такой ошибки называется ошибкой переполнения буфера. Ошибки такого рода приводят к большинству проблем с безопасностью.

Другим потенциальным источником опасных ситуаций служит механизм указателей. Указатель может ссылаться на любой объект в памяти, включая и исполняемый код программы, и неправильное использование указателей может порождать непредсказуемые эффекты и приводить к катастрофичным последствиям. К примеру, указатель может быть неинициализированным или, в результате неверных арифметических операций над указателем, указывать в произвольное место памяти; на некоторых платформах работа с таким указателем может вызвать аппаратную остановку программы, на незащищённых же платформах это может привести к порче произвольных данных в памяти, причём эта порча может проявиться в самые произвольные моменты времени и намного позже момента порчи. Также, область динамической памяти, на которую ссылается указатель, может быть освобождена (и даже выделена после этого под другой объект) — такие указатели называются «висячими». Или, наоборот, после манипуляций с указателями на область динамической памяти может не остаться ссылок, и тогда эта область, называемая «мусором» (garbage), никогда не будет освобождена, что может приводить к «утечкам памяти» в программе. В других языках подобные проблемы пытаются решить введением более ограниченных ссылочных типов.

Проблемой является также то, что автоматически и динамически создаваемые объекты не инициализируются и они могут содержать значения, оставшееся в памяти от ранее удалённых объектов. Такое значение полностью непредсказуемо, оно меняется от одной машины к другой, от запуска к запуску, от вызова функции к вызову. Современные компиляторы пытаются диагностировать эту проблему некоторым анализом исходного кода, хотя в общем случае статическим анализом это решить нельзя.

Ещё одной распространённой проблемой является то, что память не может быть использована снова, пока она не будет освобождена программистом с помощью функции free(). В результате программист может случайно забыть освобождать эту память, но продолжать её выделять, занимая всё большее и большее пространство. Это обозначается термином утечка памяти. Наоборот, возможно освободить память слишком рано, но продолжать её использовать. Из-за того, что система выделения может использовать освобождённую память по-другому, это ведёт к непредсказуемым последствиям. Эти проблемы решаются в языках со сборкой мусора. С другой стороны, если память выделяется в функции и должна освобождаться после выхода из функции, данная проблема решается с помощью автоматического вызова деструкторов в языке C++, или с помощью локальных массивов, используя расширения С99.

Функции с переменным количеством аргументов также являются потенциальным источником проблем. В отличие от обычных функций, имеющих прототип, стандартом не регламентируется проверка функций с переменным числом аргументов. Если передаётся неправильный тип данных, то возникает непредсказуемый, если не фатальный результат. Например, семейство функций printf стандартной библиотеки языка Си, используемое для генерации форматированного текста для вывода, хорошо известно за его потенциально опасный интерфейс с переменным числом аргументов, которые описываются строкой формата. Проверка типов в функциях с переменным числом аргументов является задачей каждой конкретной реализации такой функции, однако многие современные компиляторы в частности проверяют типы в каждом вызове printf, генерируя предупреждения в случаях, когда список аргументов не соответствует строке формата. Следует заметить, что невозможно статически проконтролировать даже все вызовы функции printf, поскольку строка формата может создаваться в программе динамически, поэтому как правило никаких проверок других функций с переменным числом аргументов компилятором не производится.

Для помощи программистам на Си в решении этих и многих других проблем было создано большое число отдельных от компиляторов инструментов. Такими инструментами являются программы дополнительной проверки исходного кода и поиска распространённых ошибок, а также библиотеки, предоставляющие дополнительные функции, не входящие в стандарт языка, такие как проверка границ массивов или ограниченная форма сборки мусора.

История

Язык программирования Си был разработан в лабораториях Bell Labs в период с 1969 по 1973 годы. Согласно Ритчи, самый активный период творчества пришёлся на 1972 год. Язык назвали «Си» (C — третья буква латинского алфавита), потому что многие его особенности берут начало от старого языка «Би» (B — вторая буква латинского алфавита). Существует несколько различных версий происхождения названия языка Би..

Существует несколько легенд, касающихся причин разработки Си и его отношения к операционной системе UNIX, включая следующие:

Разработка Си стала результатом того, что его будущие авторы любили компьютерную игру, подобную популярной игре Asteroids (Астероиды). Они уже давно играли в неё на главном сервере компании, который был недостаточно мощным и должен был обслуживать около ста пользователей. Томпсон и Ритчи посчитали, что им не хватает контроля над космическим кораблём для того, чтобы избегать столкновений с некоторыми камнями. Поэтому они решили перенести игру на свободный PDP-7, стоящий в офисе. Однако этот компьютер не имел операционной системы, что заставило их её написать. В конце концов, они решили перенести эту операционную систему ещё и на офисный PDP-11, что было очень тяжело, потому что её код был целиком написан на ассемблере. Было вынесено предложение использовать какой-нибудь высокоуровневый портируемый язык, чтобы можно было легко переносить ОС с одного компьютера на другой. Язык Би, который они хотели сначала задействовать для этого, оказался лишён функциональности, способной использовать новые возможности PDP-11. Поэтому они и остановились на разработке языка Си.

Самый первый компьютер, для которого была первоначально написана UNIX, предназначался для создания системы автоматического заполнения документов. Первая версия UNIX была написана на ассемблере. Позднее для того, чтобы переписать эту операционную систему, был разработан язык Си.

К 1973 году язык Си стал достаточно силён, и большая часть ядра UNIX, первоначально написанная на ассемблере PDP-11/20, была переписана на Си. Это было одно из самых первых ядер операционных систем, написанное на языке, отличном от ассемблера; более ранними были лишь системы Multics (написана на ПЛ/1) и TRIPOS (написана на BCPL).

K&R C

В 1978 году Ритчи и Керниган опубликовали первую редакцию книги «Язык программирования Си». Эта книга, известная среди программистов как «K&R», служила многие годы неформальной спецификацией языка. Версию языка Си, описанную в ней, часто называют «K&R C». (Вторая редакция этой книги посвящена более позднему стандарту ANSI C, описанному ниже.)

K&R ввёл следующие особенности языка:

1. структуры (тип данных struct);
2. длинное целое (тип данных long int);
3. целое без знака (тип данных unsigned int);
4. оператор += и подобные ему (старые операторы =+ вводили анализатор лексики компилятора Си в заблуждение, например, при сравнении выражений i =+ 10 и i = +10).

K&R C часто считают самой главной частью языка, которую должен поддерживать компилятор Си. Многие годы даже после выхода ANSI C, он считался минимальным уровнем, которого следовало придерживаться программистам, желающим добиться от своих программ максимальной портативности, потому что не все компиляторы тогда поддерживали ANSI C, а хороший код на K&R C был верен и для ANSI C.

После публикации K&R C в язык было добавлено несколько возможностей, поддерживаемый компиляторами AT&T и некоторых других производителей:

функции, не возвращающие значение (с типом void) и указатели, не имеющие типа (с типом void *);

функции, возвращающие объединения и записи;

имена полей данных записей в разных пространствах имён для каждой записи;

присваивания записей;

спецификатор констант (const);

стандартная библиотека, реализующая большую часть функций, введённых различными производителями;

перечислимый тип (enum);

дробное число одинарной точности (float).

ISO C

В конце 1970-х годов Си начал вытеснять Бейсик с позиции ведущего языка для программирования микрокомпьютеров. В 1980-х годах он был адаптирован для использования в IBM PC, что привело к резкому росту его популярности. В то же время Бьярне Строуструп и другие в лабораториях Bell Labs начали работу по добавлению в Си возможностей объектно-ориентированного программирования. Язык, который они в итоге сделали, C++, в настоящее время является самым распространённым языком программирования. Си остаётся более популярным в UNIX-подобных системах.

В 1983 году Американский Национальный Институт Стандартизации (ANSI) сформировал комитет для разработки стандартной спецификации Си. По окончании этого долгого и сложного процесса в 1989 году он был наконец утверждён как «Язык программирования Си» ANSI X3.159-1989. Эту версию языка принято называть ANSI C или C89. В 1990 году стандарт ANSI C был принят с небольшими изменениями Международной Организацией по Стандартизации (ISO) как ISO/IEC 9899:1990.

Одной из целей этого стандарта была разработка надмножества K&R C, включающего многие особенности языка, созданные позднее. Однако комитет по стандартизации также включил в него и несколько новых возможностей, таких как прототипы функций (заимствованные из С++) и более сложный препроцессор.

ANSI C сейчас поддерживают почти все существующие компиляторы. Почти весь код Си, написанный в последнее время, соответствует ANSI C. Любая программа, написанная только на стандартном Си, гарантированно будет правильно выполняться на любой платформе, имеющей соответствующую реализацию Си. Однако большинство программ написаны так, что они будут компилироваться и исполняться только на определённой платформе, потому, что:

они используют нестандартные библиотеки, например, для графических дисплеев;

они используют специфические платформо-зависимые средства;

они рассчитаны на определённое значение размера некоторых типов данных или на определённый способ хранения этих данных в памяти для конкретной платформы.

C99

После стандартизации в ANSI спецификация языка Си оставалась относительно неизменной в течение долгого времени, в то время как Си++ продолжал развиваться (в 1995 году в стандарт Си была внесена Первая нормативная поправка, но её почти никто не признавал). Однако в конце 1990-х годов стандарт подвергся пересмотру, что привело к публикации ISO 9899:1999 в 1999 году. Этот стандарт обычно называют «С99». В марте 2000 года он был принят и адаптирован ANSI.

Вот некоторые новые особенности С99:

• подставляемые функции (inline);
• отсутствие ограничений на место объявления локальных переменных (как и в С++);
• новые типы данных, такие как long long int (для облегчения перехода от 32- к 64-битным числам), явный булевый тип данных _Bool и тип complex для представления комплексных чисел;
• массивы переменной длины;
• поддержка ограниченных указателей (restrict);
• именованная инициализация структур: struct { int x, y, z; } point = { .y=10, .z=20, .x=30 };
• поддержка однострочных комментариев, начинающихся на //, заимствованных из C++ (многие компиляторы Си поддерживали их и ранее в качестве дополнения);
• несколько новых библиотечных функций, таких как snprintf;
• несколько новых заголовочных файлов, таких как stdint.h.

Интерес к поддержке новых особенностей С99 в настоящее время смешан. В то время как GCC, компилятор Си от Sun Microsystems и некоторые другие компиляторы в настоящее время поддерживают большую часть новых особенностей С99, компиляторы компаний Borland и Microsoft не делают этого, причём похоже, что две эти компании и не думают их добавлять.

Связь с C++

Язык программирования С++ произошёл от Си. Однако в дальнейшем Си и C++ развивались независимо, что привело к росту несовместимостей между ними. Последняя редакция Си, С99, добавила в язык несколько конфликтующих с С++ особенностей. Эти различия затрудняют написание программ и библиотек, которые могли бы нормально компилироваться и работать одинаково в компиляторах Си и C++, что, конечно, запутывает тех, кто программирует на обоих языках.

Бьёрн Страуструп, придумавший С++, неоднократно выступал за максимальное сокращение различий между Си и C++ для создания максимальной совместимости между этими языками. Противники же такой точки зрения считают, что так как Си и C++ являются двумя различными языками, то и совместимость между ними не так важна, хоть и полезна. Согласно этому лагерю, усилия по уменьшению несовместимости между ними не должны препятствовать попыткам улучшения каждого языка в отдельности.

Вот различия между этими языками, существующие на сегодня:

inline — подставляемые функции существуют в глобальном пространстве С++, а в Си — в пространстве файла (статическом пространстве). Другими словами, это значит, что в С++ любое определение подставляемой функции (независимо от переопределения функций) должно соответствовать правилу одного определения, требующего того, чтобы любая подставляемая функция была определена только один разВ отличие от C++, макрос bool в С99 требует включения соответствующего заголовочного файла stdbool.h. В стандарте C99 определен собственный тип логических данных _Bool. Предыдущий стандарт Си (C89) не определял булевый тип вообще, поэтому для этого часто использовались различные (а значит, несовместимые) методы.

Символьные константы (заключённые в одинарные кавычки) имеют тип int в Си и тип char в C++. Поэтому в Си справедливо равенство sizeof('a') == sizeof(int), а в C++ — равенство sizeof('a') == sizeof(char).^[3]

Некоторые новые возможности C99, в первую очередь, restrict, не включены в стандарт С++.

Си перенял от C++ ряд особенностей:

прототипы объявления функций;

однострочные комментарии, начинающиеся на // и заканчивающиеся символом перевода строки;

более сильную проверку типов, включая добавление типа void, спецификатора const и удаление принятия по умолчанию типа int в качестве возвращаемого значения.