Раздел 1 — Языки и инструменты

Сайт на PHP или Python кажется далёким от C. Но под ним почти всё написано на C и C++:

C — язык, на котором видно, как программа работает с памятью: где лежит число, сколько байт занимает строка, кто и когда освобождает память. Поэтому он и выбран для курса алгоритмов: сортировка, список или хеш-таблица на C пишутся целиком, без готовых «чёрных ящиков». Когда устройство понятно, курс переходит к C++ (раздел 20): там те же структуры данных уже есть в стандартной библиотеке, и на нём пишутся оконные и игровые приложения (разделы 25–28).

Процессор выполняет машинные команды — числа в памяти. Программа — текст. Перевести текст в команды можно двумя способами.

Компилятор переводит текст программы целиком, заранее, один раз — и записывает результат в исполняемый файл (.exe в Windows, файл без расширения в Linux). Запускается потом только этот файл; ни исходный текст, ни компилятор для запуска не нужны. Языки, программы на которых обычно компилируют: C, C++, Go, Rust.

Интерпретатор читает текст программы при каждом запуске и сразу выполняет его. Без интерпретатора программа не запустится. Так работают Python, PHP, JavaScript в браузере.

Граница размыта: Java и C# компилируются в промежуточный код, который выполняет виртуальная машина; JavaScript в браузере сначала интерпретируется, а часто выполняемые функции компилируются прямо во время работы. Но для C всё просто: исходный текст → компилятор → исполняемый файл.

Язык C описан международным стандартом ISO/IEC 9899. Стандарт говорит, что значит каждая конструкция языка и что обязана уметь стандартная библиотека. Компилятор, который выполняет стандарт, соберёт одну и ту же программу одинаково в Windows, Linux и на микроконтроллере.

У C++ свой стандарт (ISO/IEC 14882) и свои версии: C++98, C++11, C++14, C++17 (стандарт курса с раздела 20), C++20, C++23. Стандарт выбирается ключом компилятора: -std=c11 для C, -std=c++17 для C++.

Для работы нужны три программы. Редактор — в нём пишут текст программы. Компилятор — собирает программу. Отладчик — выполняет программу по шагам и показывает значения переменных. Интегрированная среда разработки (IDE — Qt Creator, CLion, Visual Studio) объединяет их в одном окне, но внутри у неё те же компилятор и отладчик. В курсе используется компилятор gcc (GNU Compiler Collection) и отладчик gdb; редактор — любой, например VS Code или Notepad++.

Windows. gcc для Windows называется MinGW-w64. Удобнее всего ставить его через MSYS2:

1. Скачать установщик с msys2.org и установить в C:\msys64 (путь без пробелов и кириллицы).
2. Открыть из меню «Пуск» терминал MSYS2 UCRT64 и выполнить:

pacman -Syu
pacman -S mingw-w64-ucrt-x86_64-gcc mingw-w64-ucrt-x86_64-gdb make

3. Добавить в переменную среды Path папку C:\msys64\ucrt64\bin — тогда gcc запускается из любой консоли Windows, а не только из терминала MSYS2.

Linux (Debian, Ubuntu):

sudo apt install gcc gdb make

Проверка — в новом окне консоли:

gcc --version
gdb --version

Обе команды должны вывести номер версии (gcc 13 и новее). Сообщение "gcc" не является внутренней или внешней командой (или gcc: command not found в Linux) значит, что компилятор не установлен или папка не добавлена в Path; после правки Path консоль нужно открыть заново.

Создайте папку для курса без пробелов и кириллицы в пути (например, C:\alg\01), в ней — файл hello.c:

/* Первая программа на C */
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("Hello, world!\n");
    return 0;
}

• #include <stdio.h> — подключить заголовочный файл стандартной библиотеки ввода-вывода: в нём объявлена функция printf.
• int main(void) — функция main, с которой начинается выполнение программы. void в скобках означает «без параметров». int перед именем — функция возвращает целое число.
• printf("Hello, world!\n"); — вывести строку. \n — перевод строки. Каждая простая инструкция заканчивается точкой с запятой.
• return 0; — завершить программу с кодом возврата 0, «всё в порядке». Ненулевой код означает ошибку; его видит тот, кто запустил программу (консоль, скрипт, другая программа).

Сборка и запуск — в консоли, в папке с файлом:

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -pedantic hello.c -o hello
hello

Hello, world!

В Linux и в терминале MSYS2 программа из текущей папки запускается как ./hello — без ./ оболочка ищет команду только в папках из PATH. В cmd и PowerShell Windows — hello или .\hello.

Код возврата последней программы можно посмотреть: echo $? в Linux и MSYS2, echo %errorlevel% в cmd, $LASTEXITCODE в PowerShell. Для hello это 0.

Одна команда gcc на самом деле запускает по очереди четыре программы:

  hello.c ──► препроцессор ──► hello.i ──► компилятор ──► hello.s
  исходный      #include,           текст          C →                ассемблер
  текст         #define             без #          ассемблер

  hello.s ──► ассемблер ──► hello.o ──► компоновщик ──► hello.exe
                              объектный      + код библиотек     исполняемый
                              файл           (printf и др.)      файл

Откройте hello.i в редакторе: в нём сотни строк — это содержимое stdio.h и заголовков, которые подключает он сам, а ваша функция main — в самом конце. В stdio.h только объявление printf — её имя, параметры и тип результата. Код функции уже скомпилирован и лежит в библиотеке; его подставляет компоновщик.

Зачем знать этапы: по сообщению об ошибке видно, на каком этапе она случилась, а значит — где искать.

Сообщение компилятора имеет вид файл:строка:столбец: вид: текст. error — программа написана не по правилам языка, исполняемый файл не создан. warning — по правилам, но подозрительно; исполняемый файл создан. Под сообщением gcc печатает саму строку и знак ^ под местом ошибки.

Пропущена точка с запятой.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("Hello\n")
    return 0;
}

semicolon.c: In function 'main':
semicolon.c:5:22: error: expected ';' before 'return'
    5 |     printf("Hello\n")
      |                      ^
      |                      ;
    6 |     return 0;
      |     ~~~~~~

Компилятор заметил ошибку, только увидев следующее слово return, но указывает место точно: строка 5, после закрывающей скобки — и даже подсказывает, что вставить. Когда ошибка в конце строки, сообщение часто указывает на начало следующей: смотрите и на строку выше.

Опечатка в имени.

int count = 5;
printf("%d\n", cout);

undeclared.c:6:20: error: 'cout' undeclared (first use in this function); did you mean 'count'?

Забыт #include. Без <stdio.h> компилятор не знает, что такое printf. С версии 14 gcc считает это ошибкой (раньше было предупреждение):

noinclude.c:3:5: error: implicit declaration of function 'printf' [-Wimplicit-function-declaration]
noinclude.c:1:1: note: include '<stdio.h>' or provide a declaration of 'printf'

Ошибка компоновщика. Опечатка в имени main — int mian(void). Компилятор доволен: функцию mian написать можно. Но компоновщик не находит, с чего начинать программу:

Linux:    undefined reference to `main'
Windows:  undefined reference to `WinMain'
          collect2: error: ld returned 1 exit status

Номера строки нет — компоновщик работает с объектными файлами, а не с текстом. WinMain в Windows — потому что, не найдя main, библиотека пробует точку входа оконного приложения.

Предупреждение, которое нельзя пропускать. %d в printf означает «вывести целое», а передано вещественное число:

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("%d\n", 3.5);
    return 0;
}

format.c:5:14: warning: format '%d' expects argument of type 'int', but argument 2 has type 'double' [-Wformat=]

Exe создан, и он выводит не 3 и не 3.5, а случайное число — разное на разных компьютерах и запусках. Предупреждение в квадратных скобках называет ключ, который его включил: -Wformat= входит в -Wall. Без -Wall предупреждения не было бы, а ошибка осталась бы.

Программа собралась без предупреждений, но выводит не то. Отладчик позволяет остановить её на нужной строке, выполнять дальше по одной строке и смотреть значения переменных. Программа считает сумму 1 + 2 + … + n и ошибается:

/* Сумма 1 + 2 + ... + n — с ошибкой, для отладчика */
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int n = 4;
    int sum = 0;
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        sum = sum + i;
    }
    printf("sum = %d\n", sum);
    return 0;
}

sum = 6

Ожидалось 10. Цикл for будет в разделе 6; сейчас достаточно знать, что строка 9 выполняется несколько раз. Для отладки программа собирается с ключом -g — в exe записываются номера строк и имена переменных — и запускается под gdb:

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -pedantic -g debugsum.c -o debugsum
gdb debugsum

(gdb) break 9                    остановиться перед строкой 9
Breakpoint 1 at ...: file debugsum.c, line 9.
(gdb) run                        запустить программу
Breakpoint 1, main () at debugsum.c:9
9               sum = sum + i;
(gdb) print i                    значение переменной
$1 = 1
(gdb) continue                   выполнять до следующей остановки
(gdb) print i
$2 = 2
(gdb) continue
(gdb) print i
$3 = 3
(gdb) continue
sum = 6                          остановок с i = 4 не было
[Inferior 1 (process ...) exited normally]
(gdb) quit

Вывод gdb здесь сокращён: многоточия и строки после continue убраны. Видно главное: при i = 4 тело не выполнилось — условие i < n не пускает последнее слагаемое. Исправление: i <= n.