Zobrazenie zdroja stránky Úvod do programovania v C

Vysvetlíme si ako funguje programovací jazyk C, v čom sa líši od ostatných programovacích jazykov a aké má využitie. Obsahuje taktiež návod pre inštaláciu kompilátorov pre Windows a Mac.

{{Pojmová mapa}}

== Charakteristika ==
Programovací jazyk C je jednoznačne jedným z najpopulárnejších jazykov pre nízkoúrovňové programovanie počítačového softvéru. Má široké uplatnenie pre vývoj aplikácií s grafickým používateľským rozhraním, tvorbu hier, operačných systémov, programovanie logických obvodov alebo dokonca tvorbu iných programovacích jazykov vyššej úrovne (napríklad, štandardný interpreter programovacieho jazyku Python je naprogramovaný v C).

V skratke, C sa používa v situáciách keď potrebujeme mať nad nejakým softvérom čo najväčšiu kontrolu (na najnižšej úrovni) a s najvyššou výpočtovou rýchlosťou, s tým že kód zostane pre programátora ľahko čitateľný (napríklad v porovnaní s jazykom Assembly).

== Kompilátor ==
Pre prácu s jazykom C je potrebné nainštalovať kompilátor. Neexistuje štandardný kompilátor ktorý jazyk C poskytuje, preto je potrebné stiahnuť kompilátor od tretej strany. Najčastejšie sa používajú kompilátory [https://gcc.gnu.org/install/ GCC] a [https://clang.llvm.org/get_started.html CLang] (pre Linux a Mac OS) a [https://www.mingw-w64.org/ MinGW-w64] (pre Windows)<ref>https://stackoverflow.com/a/62821580/23509205</ref>.

Kompilátor potom môžeme nastaviť v našom integrovanom vývojovom prostredí, napr. [https://code.visualstudio.com/ Visual Studio Code], a spúšťať aplikácie priamo tam.

=== Inštalácia MinGW-w64 (pre 64-bitový operačný systém Windows) ===
Nasledujúci postup bol adaptovaný z [https://code.visualstudio.com/docs/cpp/config-mingw dokumentácie pre Visual Studio Code].

Pre inštaláciu GCC kompilátora použijeme softvér [https://msys2.org MSYS2], čo je sada nástrojov pre vývoj softvéru ktorý beží na operačnom systéme Windows. Pre nás je užitočný manažér balíkov Pacman, ktorý originálne pochádza od Arch Linuxu (''poznámka: nejedná sa o slávnu počítačovú hru''). Pre stiahnutie MSYS2 inštalátora klikni [https://github.com/msys2/msys2-installer/releases/download/2024-07-27/msys2-x86_64-20240727.exe tu].

Po stiahnutí a otvorení inštalátora softvér nainštalujeme a spustíme. Otvorí sa nám príkazový riadok, do ktorého vložíme nasledovný príkaz pre nainštalovanie MinGW-w64:<syntaxhighlight lang="bash">
pacman -S --needed base-devel mingw-w64-ucrt-x86_64-toolchain
</syntaxhighlight>Stlačíme "<code>Enter</code>". Po výzve, aby sme uskutočnili výber balíkov ktoré sa majú nainštalovať potvrdíme predvolený výber stlačením klávesy "<code>Enter</code>":
[[Súbor:Inštalácia MinGW-w64 prostredníctvom Pacman (Windows).jpg|alt=Okno terminálu ktoré zobrazuje výstup príkazu pre inštalovanie MinGW-w64 prostredníctvom Pacman.|žiadny|náhľad|881x881bod|Inštalácia MinGW-w64 prostredníctvom Pacman pre Windows.<ref>https://code.visualstudio.com/docs/cpp/config-mingw</ref>]]
{{Téma|Oblast=Category:Programovací jazyk C|Poradie=10}}Posledný krát sa nás terminál spýta, či naozaj chceme nainštalovať vybrané balíky. Na klávesnici napíšeme písmeno "<code>Y</code>" a potvrdíme tlačením "<code>Enter</code>". Náš C kompilátor by sa mal konečne úspešne nainštalovať.

Avšak, predtým ako môžeme začať kompilátor používať pre vývoj C programov, musíme pridať jeho binárne súbory do systémovej premennej <code>PATH</code>, aby ich našiel systémový terminál.
[[Súbor:Úprava premennej PATH.png|náhľad|285x285bod|Úprava premennej PATH v systéme Windows.]]
Do vyhľadávacieho poľa systému Windows zadáme "systémové premenné" (ak máme nastavený iný jazyk ako slovenčinu, nastavenie bude pod iným menom).

Následne sa otvorí okno ktoré bude v dolnej časti obsahovať tlačidlo "Premenné prostredia...". Kliknutím na tlačidlo sa otvorí ďalšie okno, ktoré bude v hornej časti zobrazovať premenné pre aktuálneho používateľa, a v časti nižšie budú premenné pre systém.

V hornej časti vyberieme v zozname premennú "Path" a klikneme na tlačidlo "Upraviť". Následne môžeme pridať novú položku kliknutím na tlačidlo "Nové". Ako obsah použijeme priečinok <code>bin</code> v inštalačnej ceste MinGW-w64 (predvolene to je <code>C:\msys64\ucrt64\bin</code>).

Pre overenie správnosti nastavenia otvoríme príkazový riadok:
[[Súbor:Otvorenie príkazového riadku v systéme Windows.png|žiadny|náhľad|875x875bod|Otvorenie príkazového riadku v systéme Windows.]]
Vložíme doň nasledovné príkazy:<syntaxhighlight lang="bash">
gcc --version
g++ --version
gdb --version

</syntaxhighlight>Pokiaľ bude výstup podobný tomuto, nastavenia sú správne a kompilátor je možné používať:
[[Súbor:Príkazy pre kontrolu verzií MinGW pre programovací jazyk C.png|žiadny|náhľad|883x883bod|Príkazy pre kontrolu verzií C kompilátorov MinGW-w64.]]
Pokiaľ vidíme namiesto výstupu vyššie nejakú chybu, odpoveď sa môže nachádzať [https://code.visualstudio.com/docs/cpp/config-mingw#_check-your-mingw-installation v originálnom návode pre inštaláciu], ktorý som upravil a preložil pre potreby tejto stránky.

Ak všetko funguje, môžeme skúsiť napísať náš prvý C program vo Visual Studio Code.

== Prvý program C vo VS Code ==
Spustíme VS Code, vytvoríme nový projekt a nový súbor s názvom <code>main.c</code> (môžeme zvoliť ľubovoľný názov súboru, ak obsahuje správne definovanú funkciu <code>main</code>, spustí sa). Vložíme nasledovný kód, ktorý spustíme (predvolená možnosť je debugovanie, my cez šípku zvolíme iba možnosť "Run"):<syntaxhighlight lang="c" line="1">
#include <stdio.h>

int main() {
    printf("ahoj");
    return 0;
}
</syntaxhighlight>[[Súbor:Prvý C program a jeho spustenie (VS Code).png|žiadny|náhľad|881x881bod|Prvý C program a jeho spustenie vo VS Code.]]


Pri spustení prvého programu nás VS Code vyzve pre výber nášho C kompilátora, čo potvrdíme:
[[Súbor:Výber kompilátora pre C vo VS Code.png|žiadny|náhľad|881x881bod|Výber kompilátora pre C vo VS Code.]]
Ak všetko prebehlo správne, mal by sa v spodnej časti zobraziť terminál s nasledujúcim výstupom (v závislosti od rýchlosti počítača môže kompilácia a samotné spustenie trvať dlhšie):
[[Súbor:Výstup prvého programu v C vo VS Code.png|žiadny|náhľad|879x879bod|Výstup prvého programu v C vo VS Code.]]
Náš prvý program funguje správne a vypíše do terminálu text "ahoj".

==== Čo ak sa program automaticky nespustí? ====
Ak sa na terminál nevypíše nič, pravdepodobne sa vytvoril iba build nášho programu (stáva sa to napríklad na Mac OS). V tom prípade musíme zavolať súbor cez terminál manuálne - po úspešnej kompilácií sa vytvorí v aktuálnom adresáry súbor <code>main</code> alebo <code>main.exe</code> (v závislosti od operačného systému). Vložením tejto cesty do terminálu program spustíme (napr.: napíšeme do terminálu <code>./main</code> alebo <code>./main.exe</code>).

== Štruktúra C programu ==
Teraz keď máme vytvorený základný program, môžeme si vysvetliť ako to funguje. Základnou jednotkou C programu je funkcia. Programovací jazyk C neobsahuje triedy, všetka logika je preto procedurálna - to znamená, že používame funkcie pre hierarchické vykonávanie blokov príkazov a definovanie logiky nášho programu.

Každý skompilovateľný C súbor musí obsahovať funkciu <code>main</code>. Je to funkcia, ktorá sa pri spustení programu v terminály zavolá vždy ako prvá - je to hlavný vstupný bod do programu. Táto funkcia môže potom volať ďalšie funkcie ktoré boli predtým definované, čo nám umožňuje logiku rozkúskovať na viaceré časti, pre lepšiu čitateľnosť a odstránenie opakujúceho sa kódu.

=== Hlavičkové súbory ===
Jednou zo špecifických vlastností jazyka C (a taktiež dôvod, prečo je taký rýchly) je fakt, že základná výbava neobsahuje skoro nič, dokonca ani <code>printf</code>, čo je v mnohých iných jazykoch samozrejmosťou). Tieto funkcie musíme v našom programe zahrnúť pomocou direktívy preprocesora <code>#include</code>, ktorý obsahuje cestu k hlavičkovému súboru s deklaráciami funkcií ktoré zahŕňame (špicaté zátvorky hovoria, že kompilátor má hľadať hlavičkový súbor v systémových cestách, napr.: <code>#include <stdio.h></code>).

Direktíva <code>#include</code> nefunguje rovnako ako tradičné importy v iných programovacích jazykoch (kde presúvame menný priestor jedného súboru do druhého, a sprístupníme tak definície ktoré obsahuje). Rozdiel je v tom, že <code>#include</code> prikáže preprocesoru skopírovať celý obsah súboru ktorý zahŕňame a prilepiť ho namiesto <code>#include</code> - doslova akoby sme manuálne skopírovali obsah jedného súboru a vložili ho do iného. O túto úpravu, ktorá sa vykoná pred samotnou kompiláciou programu (takzvané ''predspracovanie'' zdrojového kódu), sa stará '''preprocesor''' (viac o ňom nižšie).

Medzi <code>.h</code> (''hlavičkovými'') a <code>.c</code> (''zdrojovými'') súbormi nie je funkcionálne odlišný význam (v zmysle, že oba súbory obsahujú platný C kód), preto táto direktíva vo všeobecnosti funguje aj pre zahrnutie <code>.c</code> súborov (avšak niekedy to môže závisieť od druhu C kompilátora - niektoré povoľujú explicitne iba vkladanie hlavičkových súborov). Z hľadiska konvencie by hlavičkové (<code>.h</code>) súbory mali obsahovať iba deklarácie funkcií alebo premenných, ktoré môžu byť vložené a používané vo viacerých zdrojových (<code>.c</code>) súboroch (nemali by obsahovať samotné implementácie konkrétneho kódu, ktorý kompilujeme).

Samozrejme, v našom prípade nám iba stačí vedieť, že direktívy <code>#include</code> píšeme na začiatku nášho zdrojového kódu (tak, ako tradičné importy v iných programovacích jazykoch) a že nám do kódu vložia funkcionality, ktoré by inak neboli dostupné. Konkrétne prehľady najpoužívanejších hlavičkových súborov sa nachádzajú v tabuľke:
{| class="wikitable"
|+
!Hlavičkový súbor
!Direktíva
!Čo pridáva?
|-
|Standard I/O
|<code>#include <stdio.h></code>                 
|Funkcie pre vstupné a výstupné operácie (<code>scanf</code>, <code>printf</code>, <code>fgets</code>, <code>fputc</code>, a podobne).
|-
|Standard library
|<code>#include <stdlib.h></code>
|Všeobecne užitočné veci:

* funkcie pre správu pamäte (<code>malloc</code>, <code>free</code>, a podobne);
* funkcie pre generovanie náhodných čísel (<code>rand</code>, <code>srand</code>);
* funkcie pre kontrolu nad procesom programu (<code>exit</code>, <code>system</code>);
* funkcie pre konverziu dátových typov (<code>atoi</code>, <code>atof</code>);
|-
|String
|<code>#include <string.h></code>
|Funkcie pre manipulovanie s reťazcami (poľami znakov), ako napríklad <code>strcpy</code>, <code>strlen</code>, <code>strcat</code>, <code>strcmp</code> a operácie s pamäťou (<code>memcpy</code>, <code>memset</code>).
|-
|Character type
|<code>#include <ctype.h></code>
|Funkcie pre prácu so znakmi (<code>char</code>),  napr. <code>islower</code>, <code>isupper</code>, <code>tolower</code>, <code>toupper</code> a podobne.
|-
|Mathematics
|<code>#include <math.h></code>
|Matematické funkcie, ako napríklad <code>cos</code>, <code>sin</code>, <code>sqrt</code>, <code>pow</code>, <code>exp</code>, <code>log</code> a podobne.
|-
|Time
|<code>#include <time.h></code>
|Funkcie pre prácu s časovými a dátumovými údajmi (<code>time</code>, <code>clock</code>, <code>timediff</code>, <code>strftime</code> a podobne).
|-
|File control
|<code>#include <fcntl.h></code>
|Funkcie pre prácu so súbormi (<code>open</code>, <code>read</code>, <code>write</code> a flagy, napríklad <code>O_RDONLY</code>).
|-
|Assertions
|<code>#include <assert.h></code>
|Poskytuje makro <code>assert</code>, ktoré sa používa pre kontrolu správnosti údajov a ukončenie programu v prípade, ak sú údaje nesprávne.
|-
|Standard bool
|<code>#include <stdbool.sh></code>
|Definuje typ <code>bool</code> s konštantnými hodnotami <code>true</code> alebo <code>false</code> (tieto hodnoty aj tak predstavujú iba štandardnú jednotku a nulu, ale môže sa použiť pre lepšiu čitateľnosť kódu).
|}

=== Funkcia <code>main</code> ===
Všetky funkcie v jazyku C sú definované nasledovne:<syntaxhighlight lang="c">
<návratový typ> <identifikátor funkcie>([parametre]) {
    // príkazy
    return <návratový číselný kód>;
}
</syntaxhighlight>Napríklad, funkcia <code>main</code> je definovaná ako:<syntaxhighlight lang="c" line="1">
int main() {
    // nejaký C kód...

    return 0;
}
</syntaxhighlight>Táto funkcia sa spustí vždy ako prvá pri spustení skompilovaného programu. Jej návratovou hodnotou je číslo, ktoré určuje či sa program vykonal správne alebo nastala chyba. Vychádza to z unixovej konvencie pre číselné návratové kódy, kde nula znamená že kód zbehol v poriadku. Akákoľvek nenulová hodnota predstavuje chybu - o akú chybu sa jedná, to predstavuje samotné číslo<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Exit_status#C_language</ref>.

Pre naše vzdelávacie potreby budeme v 99 % prípadov používať <code>return 0;</code> na konci funkcie <code>main</code>, v zriedkavých prípadoch môžeme použiť <code>return 1;</code> (napríklad ak vyhodnotíme, že používateľ zadal nesprávne údaje na vstupe a program preto nemôže pokračovať, konkrétne napríklad nemôžme sčítať dva reťazce ako číslo). Jazyk C nemá presne definovanú konvenciu pre to, čo znamenajú všetky ostatné návratové čísla - záleží to od programátora alebo platformy na ktorej program beží.

Podľa môjho názoru sa aj tak jedná o archeologický nález z čias, kedy ešte terminál nevidel poriadne textové chybové hlásenia a teda programátori museli v tabuľkách hľadať čo znamenajú jednotlivé číselné kódy ak ich program nepracoval tak ako má - dnes sú už, samozrejme, chybové hlásenia oveľa detailnejšie a preto sa nekladie až taký dôraz na to aby sa týmto číselným kódom priraďoval nejaký pevne stanovený význam v rámci konvencie. Ale terminál nejaký kód dodnes napriek tomu vyžaduje, tak všeobecná konvencia je: "ak je všetko v poriadku, vráť nulu - inak vráť niečo nenulové, zvyčajne jednotku" (ktorá predstavuje všeobecnú chybu, môžeš ju doplniť o textové hlásenie s detailami, ale dôležité je aby terminál vedel že nastala nejaká chyba).

== Proces kompilácie C programu ==
Kompilovanie programu v C predstavuje súbor viacerých krokov, ktoré sú vykonávané chronologicky. Výsledkom tejto činnosti je binárny spustiteľný súbor, ktorý obsahuje strojové inštrukcie pre beh programu.

=== Zdrojový kód ===
Je to jednoducho C kód, ktorý napíše programátor a uloží do súboru ktorý má obvykle príponu <code>.c</code>.

Každý riadok príkazu musí obsahovať na konci bodkočiarku (<code>;</code>), aby kompilátor vedel kedy príkaz končí - s výnimkou direktív preprocesora (začínajúcich s mriežkou, <code>#</code> ), tieto nemusia mať na konci bodkočiarku. Bloky (scopes) sa definujú pomocou množinových zátvoriek (<code>{</code>, <code>}</code>), za ktorými taktiež nemusí nasledovať bodkočiarka.

=== Preprocesor ===
Ako sme spomenuli vyššie, preprocesor má za úlohu pred kompiláciou vyhľadať v zdrojovom kóde direktívy, ktoré začínajú so znakom mriežky (<code>#</code>), predspracovať tento kód a potom ho v takto spracovanej podobe podať kompilátoru, ktorý skompiluje kód do finálnej podoby.

Preprocesor pozná nasledovné direktívy:

* <code>#include</code> - vloží obsah iného súboru do aktuálneho súboru;
** špicaté (<code><</code>, <code>></code>) zátvorky hovoria, že chceme zahrnúť hlavičkový súbor ktorý sa nachádza v systémových cestách (jedná sa o systémové knižnice ktoré sa nainštalovali spolu s kompilátorom)
** úvodzovky (<code>""</code>) hovoria, že chceme zahrnúť súbor ktorý sa nachádza v ceste relatívne od aktuálneho adresára (teda adresára, kde sa nachádza súbor ktorý kompilujeme)
** napr.: <syntaxhighlight lang="c" line="1">
#include <nazov_suboru.h>  // Systémový súbor
#include "nazov_suboru.h"  // Vlastný súbor v aktuálnom adresári

</syntaxhighlight>
* <code>#define</code> - definuje makrá, ktoré sú v podstate textové náhrady. Môžu mať podobu jednoduchých funkcií alebo konštantných hodnôt.
** Parametre v tele funkcie by mali obsahovať zátvorky, aj keď sa to z matematického hľadiska v zápise nevyžaduje: dôvodom je to, že ak by sme makro definovali ako <code>#define OBSAH_OBDLZNIKA(a, b) (a * b)</code>, a použili ho ako <code>OBSAH_OBDLZNIKA(1 + 2, 2 - 1)</code>, tak potom by výsledkom predspracovania bolo <code>1 + 2 * 2 - 1</code>  a teda priorita operátorov by spôsobila nesprávny výsledok (čo by sa nestalo ak by sme použili klasickú funkciu).
** Makrá sú iba textové náhrady, neexistujú v pamäti rovnako ako funkcie (taktiež ako v pamäti neexistujú konštantné makrá ako tradičné premenné).
** napr.: <syntaxhighlight lang="c" line="1">
#define PI 3.14159                         // Konštantná hodnota
#define OBSAH_OBDLZNIKA(a, b) ((a) * (b))  // Jednoduchá funkcia s parametrami
</syntaxhighlight>
* <code>#undef</code> - ruší definíciu makra, čo umožňuje opätovné definovanie makra s rovnakým názvom, ak je to potrebné.
** napr.: <syntaxhighlight lang="c" line="1">
#define PI 3.14159
#undef PI
#define PI 3.14  // Predefinovanie PI s novou hodnotou

</syntaxhighlight>
* Podmienené direktívy <code>#ifdef</code>, <code>#ifndef</code> - slúžia pre kontrolu, či sa určitá časť kódu má zahrnúť do programu alebo nie. 
** Užitočné, ak vyvíjame kód pre viacero platforiem kde potrebujeme dynamicky rozhodnúť, ktoré hlavičkové súbory máme zahrnúť (implementácie niektorých funkcií závisia od operačného systému, pretože ich architektúra je iná - napríklad, niečo čo môžeme spraviť vo Windowse nevieme spraviť v Linuxe a naopak, teda musíme dynamicky rozhodnúť ktoré hlavičkové súbory sa majú vložiť).
** napr.: <syntaxhighlight lang="c" line="1">
#define DEBUG

#ifdef DEBUG
printf("túto správu uvidíš iba ak definuješ 'DEBUG'\n");
#endif

#ifndef DEBUG
// ladenie nie je povolené
#endif

</syntaxhighlight>
* Podmienky <code>#if</code>, <code>#elif</code> a <code>#else</code> - podmienené spracovanie podľa hodnoty výrazu.
** napr.: <syntaxhighlight lang="c" line="1">
#define VERSION 2

#if VERSION == 1
printf("Verzia 1\n");
#elif VERSION == 2
printf("Verzia 2\n");
#else
printf("Iná verzia\n");
#endif

</syntaxhighlight>
* <code>#error</code> - vytvorí chybu počas predspracovania, ak je táto direktíva dosiahnuteľná.
** napr.: <syntaxhighlight lang="c" line="1">
#ifndef PI
#error "PI musí byť definované!"
#endif

</syntaxhighlight>
* <code>#pragma</code> - obsahuje pokyny ktoré nie sú v jazyku C štandardizované a sú špecifické pre rôzne kompilátory.
** napr.: <syntaxhighlight lang="c" line="1">
#pragma once  // Zabraňuje viacnásobnému zahrnutiu súboru (podobne ako #ifndef ochrany)

#include <stdio.h>  // V poriadku
#include <stdio.h>  // Toto bude ignorované, obsah súboru nebude vložený dvakrát
</syntaxhighlight>

Preprocesor funguje na princípe "<code>Ctrl + C</code>", "<code>Ctrl + V</code>". Napr.: v prípade <code>#include</code> iba nájde príslušný hlavičkový (alebo zdrojový) súbor ktorý sa nachádza na disku a jeho obsah skopíruje namiesto <code>#include</code> v pôvodnom súbore. Rovnako to funguje aj s makrami a konštantami.

== Referencie ==
[[Kategória:Programovací jazyk C]]
<references />{{Kvíz}}{{Téma|Oblast=Kategória:Programovací jazyk C|Poradie=10}}