Linguagens e Ambientes de Programação (2016/2017)



Teórica 11 (11/abr/2017)

Operadores.
Avaliação de expressões.
Tipos derivados.
Passagem de parâmetros.
Apontadores e sua utilidade.
Apontadores: Parâmetros de saída de funções.
Apontadores: Manipulação de vetores e relação entre vetores e apontadores.
Apontadores: Manipulação de memória a baixo nível.

Operadores

Eis a lista completa dos operadores do C que podem ser usados em expressões: Note que em C (tal como em Java), a atribuição produz um resultado e por isso é considerada uma expressão, não um comando. O valor da expressão v = exp é o valor que fica na variável v depois da expressão exp ter sido avaliada e depois da atribuição ter sido concretizada.

O C suporta sobrecarga (overloading) de alguns operadores. Por exemplo, o operador + é usado para denotar três operações diferentes: a soma inteira; a soma real; a soma entre um apontador e um inteiro.

Precedências e associatividades

Precedências dos operadores por ordem decrescente de prioridade: Exemplo. A complexa expressão logica abaixo não precisa de nenhum parêntesis:

Avaliação de expressões

Ordem de avaliação

O compilador tem a liberdade de rearranjar as expressões por forma a otimizar a eficiência da sua avaliação mesmo que esta envolva efeitos laterais. Os parêntesis podem mesmo não ser respeitados. O que é importante é que não se viole nenhuma das regras da álgebra. O compilador também ter a liberdade de avaliar os argumentos nas chamadas das funções por qualquer ordem.

Portanto a ordem de avaliação não está geralmente definida e devemos evitar escrever expressões cujos efeitos ou resultados dependam da ordem de avaliação. Exemplos:

O último exemplo só é problemático se as duas funções produzirem efeitos laterais que sejam dependentes da ordem de avaliação.

Pontos de sequenciação

Mas nem tudo está indefinido na ordem de avaliação de expressões. Temos os pontos de sequenciação para nos ajudar. São pontos dentro das expressões que garantem que os efeitos laterais das expressões anteriores já foram completamente concretizados.

Os pontos de sequenciação do C estão associados aos seguintes operadores:

Hierarquia dos tipos numéricos

Os tipos numéricos podem ser livremente misturados em expressões. Quando isso acontece, são efetuadas promoções automáticas de tipo de acordo com a seguinte hierarquia:

Conversões automáticas de tipos numéricos

Aplicam se sempre sucessivamente as seguintes regras na avaliação de uma expressão:
  1. char, short, enum -> int; float -> double
  2. Para cada operando binário com operandos de tipo diferente, o menos importante é convertido no tipo do mais importante, antes de se efetuar a operação.
  3. Nas atribuições (v = exp) o tipo do valor da direita é convertido num valor do tipo da esquerda antes de se fazer a atribuição. Muitas vezes isso implica uma despromoção de tipo e uma truncagem de valor.
Exemplos:

Tipos derivados

Há 4 variedades de tipos derivados: Podem ser usados diretamente, como na seguinte definição de variável mas muitas vezes usa-se a construção typedef para lhes associar um nome. Exemplos: Eis algumas definições de variáveis usando os tipos definidos anteriormente:

Um tipo soma

Agora exemplo maior, que combina diversos tipos derivados e que mostra como é que se definem habitualmente tipos soma em C. Analise bem.

Passagem de parâmetros para funções

Tipos primitivos e tipos registo

Os parâmetros de tipos primitivos e de tipos-registo são passados por "valor", sendo portanto sempre parâmetros de entrada: os valores dos parâmetros circulam apenas de fora da função para dentro da função.

Do ponto de vista técnico, os parâmetros de tipos primitivos e de registos são implementados como simples variáveis locais que têm a particularidade de serem inicializadas no momento da chamada da função. Se, porventura, dentro duma função se fizer uma atribuição a um desses parâmetro, está-se apenas a alterar a variável local; nada está a ser alterado no exterior da função.

Tipos vetores

Sobre a passagem de vetores como parâmetro há duas particularidades especiais. Para se trabalhar em C com vetores, é preciso realmente assimilar estas duas ideias:

  1. Quando se define um parâmetro de tipo vetor numa função, nunca se deve indicar o tamanho da primeira dimensão, pois as funções do C aceitam vetores em que essa primeira dimensão pode ter um tamanho qualquer. O tamanho da primeira dimensão é normalmente passado num argumento inteiro, ao lado do vetor.

    Esta opção da linguagem C tem a seguinte justificação: assim a função fica mais geral e torna-se útil em mais situações.

  2. Os parâmetros de tipo vetor são parâmetros de entrada e saída. Dentro duma função, um parâmetro de tipo vetor representa sempre o vetor original que foi passado, porque a passagem é implementada usando um apontador.
Exemplo: Leitura e preenchimento integral dum vetor de tamanho n.

Apontadores

Introdução: Variáveis e apontadores

Os programas processam dados armazenados na memória do computador. O mecanismo mais simples que permite aceder a essa memória são as variáveis. Cada variável tem um nome e um tipo e representa um pedaço da memória do computador onde podem ser guardados valores desse tipo.

Através da utilização de variáveis, é possível ir muito longe na escrita de programas em C. Mas há algumas situações em que o uso de variáveis não é suficiente e é necessário usar mecanismo mais flexível de manipulação da memória:

Conceitos básicos sobre apontadores

Portanto os apontadores constituem uma segundo mecanismo de acesso à memória: Normalmente os apontadores são guardados em variáveis de tipo apontador.

Em C há tipos específicos para representar apontadores. O tipo dos apontadores que apontam para valores de tipo T escreve-se:

Para exemplificar, eis a definição duma variável de tipo apontador para inteiro: Em C, há duas operações principais para manipular apontadores: o operador & permite obter um apontador para uma variável qualquer, assim e o operador * permite aceder ao valor apontado por um apontador, assim:

Vejamos um exemplo. Abaixo, define-se uma variável inteira normal v. A seguir define-se uma variável de tipo apontador para inteiros x e fazemo-la apontar para a variável v. Depois, usamos o apontador para colocar o valor 42 na zona de memória apontada por x.

A seguinte figura, ilustra a situação após a atribuição do valor 42 a *x.

Repare que a variável v pode ser acedida de duas formas: (1) usando o nome v; (2) usando a expressão *x.

Para perceber melhor as possibilidades dos apontadores vamos definir agora um segundo apontador, y a fazê-lo também apontar para a variável v:

Obtém-se a seguinte situação:

Agora o conteúdo da variável v pode ser acedido de três formas diferentes: (1) usando o nome v; (2) usando a expressão *x; (3) usando a expressão *y.

O operador & chama-se operador endereço. O operador * chama-se operador de desreferenciação.

Repare na seguinte curiosa equivalência, que é válida em C para qualquer variável v:

Falta ainda uma referência à constante predefinida de tipo apontador, NULL. Garante-se que este apontador constante não aponta para sítio nenhum. Pode ser atribuído a uma variável de tipo apontador, por exemplo assim:

Neste caso serve para assinalar que a variável z não está a apontar para sítio nenhum, de momento.

O apontador NULL também pode ser usado em testes, assim:

O apontador NULL não pode ser desreferenciado, pois não aponta para sítio nenhum.

Apontadores para registos

O seguinte tipo registo permite representar datas: Vamos definir agora uma variável de tipo Date e coloquemos um apontador de tipo Date * a apontar para a primeira: Para aceder, através do apontador, ao ano da data d, podemos escrever: Mas a utilização de apontadores para registos em C é tão frequente, que foi criada uma notação mais compacta e sugestiva para fazer isso: o operador ->. A seguinte expressão é equivalente à anterior: Em geral, a seguinte notação geral permite aceder a campos de registos através de apontadores:

Compatibilidade entre apontadores

Em C, tipos de apontadores que apontem para valores de tipos diferentes são incompatíveis entre si. Com uma exceção: o tipo especial void * - o tipo void * é compatível com todos os tipos de operadores.

Utilidade dos apontadores

Os exemplos anteriores são interessantes, mas não mostram ainda as situações práticas em que a utilização de apontadores é essencial na linguagem C. As situações práticas em que se usam apontadores em C são as seguintes:
  1. Implementação de parâmetros de saída nas funções.
  2. Manipulação de vetores.
  3. Manipulação de memória a baixo nível.
  4. Manipulação de variáveis criadas dinamicamente usando a função de biblioteca malloc.
  5. Programação genérica através de apontadores de tipo void *.

Apontadores: Parâmetros de saída de funções

Vamos tentar programar uma função para trocar o valor de duas variáveis inteiras. Este é um exemplo clássico que ilustra a necessidade de suportar parâmetros de saída na linguagem C.

Esta primeira tentativa não funciona:

A chamada de swap(x,y) não muda nada, porque os parâmetros das funções são implementados usando variáveis locais, inicializadas com cópias dos valores que aparecem na chamada. A função swap faz a troca das cópias locais, mas não troca o conteúdo das variáveis originais. Diz-se que os parâmetros a e b são parâmetros de entrada, porque eles permitem apenas transferir dados de fora para dentro da função.

Para resolver este problema, temos de usar apontadores. A função swap precisa de aceder às variáveis originais através dos apontadores para efetuar a troca. Fica assim:

Agora a chamada escreve-se swap(&x,&y) e a troca é realmente efetuada. Diz-se que os parâmetros a e b são parâmetros de saída, porque eles permitem passar dados de dentro para fora da função.

Repare que agora ficámos a conhecer duas maneiras de fazer uma função produzir dados para o seu exterior:

  1. Através do seu resultado.
  2. Através de parâmetros de saída (usando apontadores).
O seguinte exemplo mostra uma função com dois resultados, sendo os resultados implementados usando parâmetros de saída. A função faz o seguinte: dado um vetor de reais e o respetivo comprimento, a função calcula o máximo e o mínimo do vetor, ao mesmo tempo: Exemplo de chamada: Algumas funções de biblioteca também usam parâmetros de saída. Por exemplo, é o caso da função de biblioteca scanf. Veja um exemplo de utilização:

Apontadores: Manipulação de vetores e relação entre vetores e apontadores

Provavelmente você vai ficar surpreendido(a), mas em C o nome duma variável de tipo vetor representa um apontador constante para a primeira componente do vetor guardado na variável.

Considere o seguinte vetor

Para aceder ao primeiro elemento do vetor, normalmente nós escrevemos: Mas também podemos escrever o que está a seguir, pois o resultado é exatamente o mesmo.

A linguagem C também permite a seguinte atribuição:

e, inclusivamente, permite-se a aplicação de operações sobre vetores a argumentos de tipo apontador. Por exemplo as seguintes expressões são legítimas: Note que, quando de passa um vetor como parâmetro para uma função, o que realmente se passa é um apontador para a primeira componente do vetor. Portanto um parâmetro de tipo vetor é sempre um parâmetro de saída, apesar de não ser explicitamente declarado como apontador.

Aritmética de apontadores

Do ponto de vista dum apontador de tipo T*, toda a memória apontada é um grande vetor de valores de tipo T.

Os operadores + e - podem ser aplicados a apontadores para T e inteiros nos seguintes casos:

Para o vetor abaixo são verdadeiras as equivalências indicadas:

Fazer v = v + 1 é proibido pois v é um apontador constante.

Exemplo - Duas formas diferentes de copiar vetores (neste caso bidimensionais)

Repare que a primeira forma envolve um ciclo embutido noutro e que, durante a execução, é necessário fazer muitas contas para repetidamente determinar quais as localizações correspondentes às expressões i2[i][j] e i1[i][j].

Quanto à segunda forma, envolve um único ciclo e evita a necessidade de se fazerem as contas atrás referidas.

A segunda forma é mais difícil de perceber, mas é um pouco mais eficiente do que a primeira.


Apontadores: Manipulação de memória a baixo nível

Para interpretar uma zona de memória como um valor dum tipo T, basta fazer um apontador de tipo T* apontar para lá e ler.

Por exemplo, no código abaixo, define-se um bloco de memória chamado b, e usa-se um apontador de tipo double* para ler um valor real que se encontra guardado a partir do byte 5.

Repare como a variável pt é inicializada: obtém-se o endereço do byte 5 (esse endereço é um apontador de tipo Byte*) e depois aplica-se um cast para o converter num apontador de tipo double*.



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