% Base V
% Inspirés des slides de F. Glück
% 14 octobre 2020
# Représentation des variables en mémoire (1/2)
## La mémoire
* La mémoire est:
- ... un ensemble de bits,
- ... accessible via des adresses,
+------+----------+----------+------+----------+------+------+
| bits | 00110101 | 10010000 | .... | 00110011 | .... | .... |
+======+==========+==========+======+==========+======+======+
| addr | 2000 | 2001 | .... | 4000 | .... | .... |
+------+----------+----------+------+----------+------+------+
- ... gérée par le système d'exploitation.
- ... séparée en deux parties: **la pile** et **le tas**.
## Une variable
* Une variable, `type a = valeur`{.C}, possède:
- un type (`char`{.C}, `int`{.C}, ...),
- un contenu (une séquence de bits qui encode `valeur`{.C}),
- une adresse mémoire (accessible via `&a`{.C}),
- une portée.
# Représentation des variables en mémoire (2/2)
{#fig:memory width=100%}
# Les pointeurs (1/3)
- Un pointeur est une adresse mémoire.
```C
type *id;
```
- Pour interpréter le contenu de ce qu'il pointe, il doit être typé.
- Un pointeur n'est rien d'autre qu'un entier (64bit sur x86-64, soit 8 octets).
- Un pointeur peut être **déréférencé**: on accède à la valeur située à l'adresse mémoire sur laquelle il pointe.
```C
char *c; // déclaration pointeur de char
*c = 'a'; // assign. 'a' à valeur pointée par c
c = 1000; // on modifie l'adresse pointée par c
char d = *c; // on lit la valeur pointée par c. UB!
```
- `NULL`{.C} (ou `0`{.C}) est la seule adresse **toujours** invalide.
# Les pointeurs (2/3)
{#fig:memory width=100%}
# Les pointeurs (3/3)
- Permettent d'accéder à une valeur avec une indirection.
```C
int a = 2;
int *b = &a;
*b = 7; // on met 7 dans la case pointée par b
// ici a == 7 aussi
a = -2; // ici *b == -2 aussi
```
- Permettent d'avoir plusieurs chemins d'accès à une valeur.
- Lire **et** écrire en même temps dans un bout de mémoire devient possible: **danger**.
# La fonction `sizeof()` (1/2)
- La fonction `sizeof()`{.C} permet de connaître la taille en octets:
- d'une valeur,
- d'un type,
- d'une variable.
- Soit `int a = 2`{.C}, sur l'architecture x86_64 que vaut:
- `sizeof(a)`{.C}?
- `sizeof(&a)`{.C}?
- Soit `char b = 2`{.C},
- `sizeof(b)`{.C}?
- `sizeof(&b)`{.C}?
# La fonction `sizeof()` (2/2)
- Réponses:
- `sizeof(a) == 4`{.C}, `int`{.C} entier 32 bits.
- `sizeof(&a) == 8`{.C}, une adresse est de 64 bits.
- `sizeof(b) == 1`{.C}, `char`{.C} entier 8 bits.
- `sizeof(&b) == 8`{.C}, une adresse est de 64 bits.
# Allocation dynamique de mémoire (1/8)
- La fonction `malloc`{.C} permet d'allouer dynamiquement (pendant l'exécution du programme) une zone de mémoire contiguë.
```C
#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
```
- `size`{.C} est la taille de la zone mémoire **en octets**.
- Retourne un pointeur sur la zone mémoire ou `NULL`{.C} en cas d'échec: **toujours vérifier** que la valeur retournée est `!= NULL`{.C}.
# Allocation dynamique de mémoire (2/8)
- On peut allouer un `complex_t`{.C}:
```C
complex_t *num = malloc(sizeof(complex_t));
num->re = 1.0;
num->im = -1.0;
```
- La zone mémoire **n'est pas** initialisée.
- La mémoire doit être désallouée explicitement $\Rightarrow$ **fuites mémoires**.
<!-- - Toujours garder un pointeur sur la mémoire allouée sinon **pointeur pendouillant**. -->
{#fig:compilation width=100%}
# Allocation dynamique de mémoire (3/8)
- La fonction `free()`{.C} permet de libérer une zone préalablement allouée avec `malloc()`{.C}.
```C
#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);
```
- Pour chaque `malloc()`{.C} doit correspondre exactement un `free()`{.C}.
- Si la mémoire n'est pas libérée: **fuite mémoire** (l'ordinateur plante quand il y a plus de mémoire).
- Si la mémoire est **libérée deux** fois: seg fault.
- Pour éviter les mauvaises surprises mettre `ptr`{.C} à `NULL`{.C}.
# Allocation dynamique de mémoire (4/8)
## Tableaux dynamiques
- Pour allouer un espace mémoire de 50 entiers:
```C
int *p = malloc(50 * sizeof(int));
```
- Cette espace peut alors être utilisé comme un tableau de 50 entiers:
```C
for (int i = 0; i < 50; ++i) {
p[i] = 0;
}
```
## Arithmétique de pointeurs
- On peut parcourir la mémoire différemment qu'avec l'indexation
```C
int *p = malloc(50 * sizeof(int));
// initialize somehow
double a = p[7];
double b = *(p + 7); // on avance de 7 "double"
p[0] == *p; // le pointeur est le premier élément
```
# Allocation dynamique de mémoire (5/8)
## Arithmétique de pointeurs
{#fig:compilation width=100%}
# Allocation dynamique de mémoire (6/8)
## Pointeur de pointeur
- Tout comme une valeur a une adresse, un pointeur a lui-même une adresse:
```C
int a = 2;
int *b = &a;
int **c = &b;
```
- Chaque `*`{.C} ou `&`{.C} rajoute une indirection.
# Allocation dynamique de mémoire (7/8)
## Pointeur de pointeur
{#fig:compilation height=100%}
# Allocation dynamique de mémoire (8/8)
- Avec `malloc()`, on peut allouer dynamiquement des tableaux de pointeurs:
```C
int **p = malloc(50 * sizeof(int*));
for (int i = 0; i < 50; ++i) {
p[i] = malloc(70 * sizeof(int));
}
int a = p[5][8]; // on indexe dans chaque dimension
```
- Ceci est une matrice (un tableau de tableau).
# Prototypes de fonctions (1/N)
## Principes généraux de programmation
- Beaucoup de fonctionnalités dans un code $\Rightarrow$ Modularisation.
- Modularisation du code $\Rightarrow$ écriture de fonctions.
- Beaucoup de fonctions $\Rightarrow$ regrouper les fonctions dans des fichiers séparés.
## Mais pourquoi?
- Lisibilité.
- Raisonnement sur le code.
- Débogage.
## Exemple
- Libraire `stdio.h`: `printf()`{.C}, `scanf()`{.C}, ...
# Prototypes de fonctions (2/N)
- Prototypes de fonctions nécessaires quand:
1. Utilisation de fonctions dans des fichiers séparés.
2. Utilisation de librairies.
- Un prototype indique au compilateur la signature d'une fonction.
- On met les prototypes des fonctions **publiques** dans des fichiers *headers*, extension `.h`.
- Les *implémentations* des fonctions vont dans des fichier `.c`.
# Prototypes de fonctions (3/N)
## Fichier header
- Porte l'extension `.h`
- Contient:
- définitions des types
- prototypes de fonctions
- macros
- directives préprocesseur (cf. plus loin)
- Utilisé pour décrire **l'interface** d'une librairie ou d'un module.
- Un fichier `C` (extension `.c`) utilise un header en *l'important* avec la directive `#include`{.C}:
```C
#include <stdio.h> // libraire dans LD_LIBRARY_PATH
#include "chemin/du/prototypes.h"// chemin explicite
```
# Génération d'un exécutable (1/N)
## Un seul fichier source
{#fig:compilation width=100%}
# Génération d'un exécutable (2/N)
## Un seul fichier source
```bash
gcc proc.c -o prog
```
1. **Précompilation: ** `gcc` appelle `cpp`, le préprocesseur qui effectue de la substitution de texte (`#define`, `#include`, macros, ...) et génère le code `C` à compiler, portant l'extension `.i` (`prog.i`).
2. **Compilation assembleur: ** `gcc` compile le code C en code assembleur, portant l'extension `.s` (`prog.s`).
3. **Compilation code objet: ** `gcc` appelle `as`, l'assembleur, qui compile le code assembleur en code machine (code objet) portant l'extension `.o` (`prog.o`).
4. **Édition des liens: ** `gcc` appelle `ld`, l'éditeur de liens, qui lie le code objet avec les librairies et d'autres codes objet pour produire l'exécutable final (`prog`).
Les différents codes intermédiaires sont effacés.
# Génération d'un exécutable (3/N)
## Plusieurs fichiers sources
{#fig:compilation_plusieurs width=100%}
# Génération d'un exécutable (4/N)
::: Main
## `main.c`
```C
#include <stdio.h>
#include "sum.h"
int main() {
int tab[] = {1, 2, 3, 4};
printf("sum: %d\n", sum(tab, 4));
return 0;
}
```
:::
:::::::::::::: {.columns}
::: {.column width="45%"}
## `sum.h`
```C
#ifndef _SUM_H_
#define _SUM_H_
int sum(int tab[], int n);
#endif
```
:::
::: {.column width="55%"}
## `sum.c`
```C
#include "sum.h"
int sum(int tab[], int n) {
int s = 0;
for (int i = 0; i < n; i++) {
s += tab[i];
}
return s;
}
```
:::
::::::::::::::
# Génération d'un exécutable (4/N)
La compilation séparée se fait en plusieurs étapes.
## Compilation séparée
1. Générer séparément les fichiers `.o` avec l'option `-c`.
2. Éditer les liens avec l'option `-o` pour générer l'exécutable.
## Exemple
- Création des fichiers objets, `main.o` et `sum.o`
```bash
$ gcc -Wall -Wextra -std=c11 -c main.c
$ gcc -Wall -Wextra -std=c11 -c sum.c
```
- Édition des liens
```bash
$ gcc main.o sum.o -o prog
```
# Préprocesseur (1/N)
## Généralités
- Première étape de la chaîne de compilation.
- Géré automatiquement par `gcc` ou `clang`.
- Lit et interprète certaines directives:
1. Les commentaires (`//`{.C} et `/* ... */`{.C}).
2. Les commandes commençant par `#`{.C}.
- Le préprocesseur ne compile rien, mais subtitue uniquement du texte.
## La directive `define`{.C}
- Permet de définir un symbole:
```C
#define PI 3.14159
#define _SUM_H_
```
- Permet de définir une macro.
```C
#define NOM_MACRO(arg1, arg2, ...) [code]
```
# Préprocesseur (2/N)
## La directive `include`{.C}
- Permet d'inclure un fichier.
- Le contenu du fichier est ajouté à l'endroit du `#include`{.C}.
- Inclusion de fichiers "globaux" ou "locaux"
```C
#include <file.h> // LD_LIBRARY_PATH
#include "other_file.h" // local path
```
- Les inclusions multiples peuvent poser problème: définitions multiples. Les headers commencent par:
```C
#ifndef _VAR_
#define _VAR_
/*
commentaires
*/
#endif
```