1

Functions and Program Structure

(K+R Ch. 4)

C program structure

F ti Functions

Categories, scope and life time of variables (and functions)

C Preprocessing

9

2

Program Structure• C programs consist of a set of variables and functions.

• we have discussed variables  expressions (ch2) and • we have discussed variables, expressions (ch2) and control flow (ch3).

• now want to combine these into a program (ch4)

• C programs consist of statements

• expression statements (ch2)

• control flow statements (ch3)

• block, function call statements (ch4)

10

Program structure ‐‐ Functions A function is a set of statements that may have:

a number of arguments ‐‐‐ values that can be passed to it

a return type that describes the value of this function in  a return type that describes the value of this function in an expression

Communication between functions

by arguments and return values

by external variable  (ch1.10, ch4.3)y ( , 4 3)

Functions can occur in any order

In a single source file

In multiple source file

11

3

Program structures ‐‐ Functionsreturn_type functionName (parameter type name, ……){block}

int sum (int i, int j){int s = i + j; return s; /* return i+j; */

}

void display (int i){ printf(“this is %d”, i);

}}

int main(){int x =2, y=3;display( sum(x, y));} /* this is 5 */

Communication by arguments and return values

Program structure ‐‐ functions  

communication by external variables#include <stdio.h>

int resu; /* external variable */

void sum (int i, int j){

resu = i + j;

}

int main(){

int x =2, y =3;

sum(x,y);

printf(“%d + %d = %d\n”, x,y, resu);

}

4

Program structure ‐‐ functions  

communication by external variables#include <stdio.h>

i t /* t l i bl */int resu; /* external variable */

void sum (int i, int j){ resu = i + j;

}display(){

printf(“this is %d\n”, resu);}}

int main(){int x =2, y =3;sum(x,y);display(); /* this is 5 */

}

Multiple source files

C program with two source filesf1 f2int sum (int x, int y){

return x + y;}

#include <stdio.h>

int sum(int, int);

int main(){int x =2 y =3;

f1.c f2.c

int x =2, y =3;printf(“%d + %d = %d\n”, x,y,sum(x,y));

}

15To compile: gcc f1.c f2.c gcc f1.o f2.c

5

Multiple source files

C program with two source filesf1 f2int resu;

int sum (int x, int y){

resu = x + y;}

#include <stdio.h>extern int resu;int sum(int, int);

int main(){int x =2 y =3;

f1.c f2.c

} int x =2, y =3;sum(x,y); printf(“%d\n”, resu);

}

16To compile: gcc f1.c f2.cTo compile: gcc f1.c f2.c gcc f1.o f2.c

C program structure

F ti Functions

Categories, scope and life time of variables (and functions)

C Preprocessing

17

6

Declaring Functions (review)

Declaring a function before using it, if it is defined in

library library

another source file of the program

later in the same source file 

Declaring a function tells us its return type and arguments but not its code.g

int sum (int i, int j);

Like a function definition but with ‘;’ instead of a block18

Declaring Functions We can omit argument names

int sum(int, int);

The type of arguments is what matters

But, good practice recommends putting names

char *strcpy(char *, char *);

char *strcpy(char *dest, char *src);

What if we don’t want any arguments?

19

7

Type conversionstype function (){

return expr;return expr;}

If expr is not of type type, compiler produces a warning

converts expr (as if by assignment) to the return type of the function

should avoid      

int function (){double x; return x; // return (int)x if you have to

}

20

Calling‐by‐Value In C, all functions are called‐by‐value

Value of the arguments are passed to functions, but not the arguments themselves (call by reference)   

int sum (int x, int y)

{

int s = x + y;

return s;

…

int i =3

int j = 4

int k 

…    call sum()

running main()

21

}

main(){

int i=3, j=4, k;

k = sum(i,j);

}

…   

int x = 3

int y = 4

int s

…

running sum()

8

Calling‐by‐Value does this code work?

#include <stdio.h>

void swap (int x, int y)

{ int temp;

temp = x;

x = y;

y = temp;

}

…

int i =3

int j = 4

… call swap()

running main()

22

}

int main(){

int i=3, j=4;

swap(i,j);

printf(“%d %d\n”, i,j);

}

int x = 3

int y = 4

int tmp

…

running swap()

C program structure

F ti Functions

Categories, scope and life time of variables (and functions)

C Preprocessing

23

9

Categories of variables

Two categories of variables Automatic (local, internal)

External (global)

Defined outside any function

Potentially available to 

ll f( , )

Defined inside a function

int main(){

int k, char arr[20];

}

getReverse (int size){

i t t 0

#include <stdio.h>int resu;

void sum(int x, int y){resu = x + y;

}

all functions

Functions? (global / local?)

24

int count = 0;

while(count < size)

……

}

int main(){int x =2, y =3;sum(x,y);printf(%d + %d = %d\n”, x,y,resu)

}

Scope

Scope of a name (variable or function) – the part of program within which the name can be used 

Functions are all global!

Automatic (local) variables: only exist within their block:{int x;{{int y; /* y defined here */

}/* y not defined here */

}/* x not defined here */

25

10

Scope –external (or global) Variables

What if we want a variable to be available to more than one function?

Declare it outside of a function:

Visible in all functions (later) in the file  (scope)

#include <stdio.h>int resu;

void sum(int x, int y){resu = x + y;

main(){….}

int sp = 0;double val[MAXVAL];

26

resu = x + y;}

int main(){int x =2, y =3;sum(x,y);printf(%d + %d = %d\n”, x,y,resu)

}

void push(double f){val[sp++] = f;

}

double pop(void){return val[--sp];

}

Scope Multiple Files External variables (as well as functions) are visible in other C files

Other files wanting to use declare it with extern before use

calc.cextern int res;

void sum(int x,int y){

main.cint res;

void sum(int,int);

27

{res = x + y;

}int main() {sum(3,4);printf(“%d\n”,res);

}

11

External Variables External variables can be overridden:

int x;void add_n_to_x(int n) {x += n;

}void set x to m(int m) {

global “x”

void set_x_to_m(int m) {int x;x = m;

}

28

local “x”

Pros and cons of external variables Clean code 

variables are always there, function argument list is short

Si l   i ti  b t  f ti Simple communication between functions

Any code can access it. Hard to trace.  Maybe changed unexpectedly

Make the program hard to understand

In function, global variables can be overridden

They make separating code into reusable libraries more difficult

Avoid using it unless necessary 29

12

Life time automatic variables

Come to life when the function it is in is invoked,

Vanishes when the function returns Vanishes when the function returns

Values are not retained between function calls.

int sum (int x, int y)

{

int s = x + y;

return s;

…

int i =3

int j = 4

int k 

30

return s;

}

main(){

int i=3, j=4, k;

k = sum(i,j);

k = sum(k,j);

}

int x = 3

int y = 4

int s

…

vanish after sum() returns

call sum()

Life time external variables

Permanent, as long as the program stays in memoryPermanent, as long as the program stays in memory

Retain values from one function to the next

Can be used as an alternative for communication data between functions

But use it with caution!

31

13

Static have different meanings

Static declaration

Static have different meanings

For global variable or function, hide it from other files. Limit the scope to the rest of the source file

static int variable;

F    l l  i bl   k  i  lif i i For a local variable, make its lifetime persistentfunction(){

static int i;

}

32

Static declaration By default, all global symbols (functions and global variables) in a source file are visible to the world.

Undesirable as it ‘pollutes’ the global namespace and may expose sensitive data.

Using static keyword in front of a global variable or function static resu;

static void sum(int)

33

14

static (Hiding global variable)

int x; /* visible to other files*/; / /

static int y; /* not visible to

other files */

void func1(void)

{

y++; /* but y can still bey++; /* but y can still be

accessed in this file */

}

34

static (Hiding global variable)

int x =5; #include <stdio.h>int y = 1;

void func1 (void){y++;

}

extern int xextern int y;void func1(void);

int main(){y = 10;} y = 10;func1()printf(“x=%d\n”, x);printf(“y=%d\n”,y)

}

35What are printed? 5 11

15

static (Hiding global variable)

int x =5; #include <stdio.h>static int y = 1

Void func1 (void){y++;

}

extern int xextern int y;void func1(void);

int main{y=10;y=10;func1()printf(“x=%d\n”, x);printf(“y=%d\n”,y)}

36What will happen? undefined reference to `y'

static (Persistent local Variables) Lifetime: External (global) variables: by their nature static.

That is they never vanish, value is persistent

Lifetime: Automatic(local) variables ‐‐ in functions

They are created when the function is called and vanish when the function returns

What if we want a local variable in a function to be persistent?

Declare it static

Alternative to a global variable

Scope does not change, still within the function 37

16

static (Persistent local Variables)

int unique int(void) {q _ ( ) {

static int counter;

return counter++;

}

The value of “counter” is preserved between calls to  The value of  counter  is preserved between calls to “unique_int”

Question: initial value of “counter”?

38

Initialization of variables For global (static or no) and static local variable

Initialization takes place at the compiling time before Initialization takes place at the compiling time before program is invoked

Initialized to 0 if no explicit initial value is given 

So the first call to unique_int() returns 0

For general (non‐static) local variables

If an explicit initial value is given, initialize it each time the function is invoked

If no explicit initial value, initial values are undefined (not initialized for you)

39

17

Summary of variables categories

Four different categoriesg External (global) variable

Static external variable

Local (automatic, internal) variable

Static local variable

What are the difference between them, in terms of  scope

Life time

40

C program structure

Functions

Categories, scope and life time of variables (and functions)

C Preprocessing

41

18

How C Programs are Compiled

C programs go through three stages to be compiled:C programs go through three stages to be compiled:

Preprocessor ‐ handles #include and #define 

Compiler ‐ converts C code into binary processor instructions (“object code”)

Linker ‐ puts multiple files together and creates an executable program

42

19

The c preprocessor Proprocess c files before compiling itProprocess c files before compiling it

Handles “#define” and “#include”

also #undefine, #if, #ifdef, #ifndef …

Removes comments Removes comments

Output c code

44

C preprocessor #include  #define

C executables are built in three stagesC executables are built in three stages

preprocessor compilerpreprocesso

r

hello.c

Handles  C t  C  Puts multiple 

hello.o a.out

Handles #include

#define

Converts C code into binary processor instructions

Puts multiple files together and creates and executable program

20

preprocessing #include  #define

# include <file> ‐‐ include <stdio.h>   library header file # include “file”  ‐‐ include “file.h”  programmer defined

“includes” another file in the current file as if contents were part of the current file Textual replace. Nothing fancy 

file.  .header file, which is just c code, usually containsF ti  D l ti Function Declarations

External variable declaration Macro definitions   #define

Do it in one spot so other files can just include the header file

int printf () ….

int sprintf () ….

#define EOF -1

extern struct _TO_FILE t*stdin

# include <stdio.h>main()

{

int i;

printf(“this is

%d\n”,i);}

21

#define #define defines macros#

Macros substitute one value for another

e.g.

#define IN 1

state = IN;

becomes

48

becomes

state = 1;

# define directive Syntax  # define name value

name called symbolic constant, conventionally written in upper case value can be any sequence of charactersvalue can be any sequence of characters

#define N 100main() {int i = 10 + N;}

#

main() {

int i = 10 + 100;

}

#define FOO barfunc(FOO, “FOO”, Foobar)

Textual replacement  try yourself by  cpp file.c or cpp file.c > outputFile

func(bar,”FOO”,Foobar)

22

#define Macros can also have argumentsMacros can also have arguments

e.g.

#define SQUARE(x) x*x

y = SQUARE(4);

becomes

y = 4*4;

50

y = 4*4;

e.g., PRINT(x,y) printf(“%d,%d\n”, x,y)

#defineBe careful with argumentsBe careful with arguments

SQUARE(5+2)

becomes

5+2*5+2 = 17 (!)

Use parentheses defensively, e.g.

#define SQUARE(x) ((x)*(x))

51

#define SQUARE(x) ((x)*(x))

((5+2)*(5+2)) = 49

23

#define How to define a macro MAX(A,B) to represent the How to define a macro MAX(A,B) to represent the maxmium value of A and B

#define MAX(A,B) ((A)>(B)? (A):(B))

52

‘#’ operator In macros, ‘#’ can be used to make a string

#define PRINT(x) printf(“%s\n”,#x)PRINT(hello there);

givesprintf(“%s\n”,“hello there”);

adds quotes, escapes double‐quotes, e.g.PRINT(“hello there”)

53

PRINT(“hello there”)givesprintf(“%s\n”,“\”hello there\””);

24

#undef A macro should only be defined once

#d fi X 5#define X 5

#define X 3 -- warning

However, what we can define, we can undefine

#define X 3

X is replaced with “3”

54

#undef X

X is not replaced

#define X 4

X is replaced with “4”    

#if ‐ Conditional Compilation We can also test to see if a macro is definedWe can also test to see if a macro is defined

#define DEBUG /* no value needed */

#if defined(DEBUG)printf(“debugging\n”);

#endif

55

#endif

#if !defined(DEBUG)

printf(“not debugging\n”);

#endif

25

#if ‐ Conditional Compilation defined() and !defined() are so common we have constructs for them:constructs for them:

#define DEBUG

#ifdef DEBUG

printf(“debugging\n”);

#endif

56

#endif

#ifndef DEBUG

printf(“not debugging\n”);

#endif

#if ‐ Conditional Compilation#define FRANCE

main()main()

{ #ifdef US printf(“compiled for USA”);

#endif

#ifdef UK printf(“compiled for UK”);

#endif

#ifd f FRANCE i tf(“ il d f FR”)

57

#ifdef FRANCE printf(“compiled for FR”);

#endif

#ifndef GERMAN printf(“no Germ version”);

#endif }

26

C preprocessor

#include <> “” #

#define

#undefine

#if defined #endif

58

#if defined #endif

#ifdef #endif

#if !defined # endif

#ifndef #endif

C preprocessorpredefined macro names_ _LINE_ _

_ _FILE_ _

_ _DATE_ _

_ _TIME_ _

main(){

printf("%s %s\n", __TIME__, __DATE__);

printf("%s %d\n", FILE , LINE );

59

p ( \ , __ __,__ __);

}

21:45:54 Jan 28 2013

macro.c 7

Useful for debugging

27

C preprocessorpredefined macro names_ _LINE_ _ _ _FILE_ _

_ _DATE_ _ _ _TIME_ _ _ _FUNCTION_ _

Useful for debugging

fprintf (stderr, "Internal error: " "negative string length " "%d at %s, line %d.", length, __FILE__, __LINE__);

60

__FUNCTION__ gcc

__fun__ c99

Recursion C functions maybe invoked recursively

int length (String s)

if (s contains one letter)

return 1;

return 1 + length(subString(s,1));

length(ABCD) 

= 1 + length(BCD)

= 1 +   ( 1 + length(CD))

= 1 +   ( 1 +    ( 1 + length(D)))

=  1 +   ( 1 +    ( 1 +   1 ))   =  4                61

28

Other small things Typedef

typedef int INTEGERtypedef int INTEGER

INTEGER x = 4;

man

man chmod  cp …

     f()    l () man 3  scanf()   strlen()

diff  youslu   myslu

62

63

29

Finished Ch1 – 4Finished Ch1  4

Other C materials before pointer

2D array,  string manipulations

Common library functionsCommon library functions

64

Declaring Arrays

As variables

int k[5]; int k[5] = {1,5,3,2,25}; /*array initializer */int k[5] = {1}; /* valid. (rest is “0”) */int k[3] = {1,4}; /*valid (k[0]=1, k[1]=4,k[2]=0)int k[3] ={1,4,2,1 } /*invalid */int k[ ] ={1,5,3,2,25}; /*valid*/[ ] { , , , , }int k[ ]; /*invalid */

30

Accessing Arrays

You can only assign to array members individually

This means you cannot assign to an arrayThis means you cannot assign to an array

Array / strings can not be copied as a whole

int i, k[4], j[4];for (i=0; i<4; i++)

j[i]= i;

k = j; /* invalid */k = {1,2,3,4 }; /* invalid */

Strings == Character Arrays ! There is no separate “string” type in C   

String s = “Hello”;

H e l l o \0

Strings are just arrays of char that end with ‘\0’

char s[]=“Hello”; /* size? length? */which is equivalent to

char s []= {‘H’,’e’,’l’,‘l’,’o’,’\0’}

char s[50];char s[50];s = “Hello”;s = {‘H’,’e’,’l’,‘l’,’o’,’\0’};

s[0]= ‘H’; s[1] = ‘e’ ….

31

Multi diminsion array, array of strings

int arr2D [3][2];

a[o][0] a[o][1]

int arr2D [3][2];

Size: type bytes * column * row

4 * 2 * 3 = 24 bytes

Initialization: 

int arr2D [3][2] = {1 1 2 4 3 9};

a[1][0] a[1][1]

a[2][0] a[2][1]

int arr2D [3][2] = {1,1,2,4,3,9};

int arr2D [3][2] = {{1,1},{2,4},{3,9}}

Access: arry[o][2] = 5; 

68

1 1

2 4

3 9

Multi dimension array, array of strings

Initialization: int arr2D [][3] = 1 1

Initialization: int arr2D [][3]   

{1,1,2,4,3,9};

int arry3D [][2][10];

Array of “strings”

char messages[3][10] 

2 4

3 9

H l l \0 char messages[3][10] 

={“Hello”,

”Hi”,”There”};

69

0

1

2

H e l l o \0

H i \0

T h e r e \0

32

Multi dimension array, array of stringsset on the fly Array of “strings”

char messages[3][10] 

={“Hello”0 H e l l o \0

={ Hello ,

”Hi”,”There”};

for (int i=0…3)

scanf(“%s”,message[i]);

printf(“%s”, message[0]);

printf(message[1]);

1

2

H i \0

T h e r e \0

printf(message[1]);

To get a line at a time:    

gets(message[o])       fgets(message[0], 10, stdin)

puts(message[0])      fputs(message[0], stdout)70

Multi dimension array, array of stringsset on the fly for int i=0…3

scanf(“%s”,message[i]);

printf(“%s”, message[0]);

0

1

H e l l o \0

H i \0p ( , g [ ])

printf(message[1]);

To get a line at a time:     gets(message[0]) fgets(message[0], 10, stdin)

1

2

H i \0

T h e r e \0

scanf(” %[^\n]s”, message[0]);

To print a string puts(message[0]) fputs(message[0], stdout)

71

Be careful the ‘\n’

33

Multi dimension array, array of stringsset in general Some very import functions

you might want to know

0

1

2

H e l l o \0

H i \0

T h e r e \0

To get from another string (literal)  <string.h>   strcpy(message[o], “hello”)

str[] = “Hi”; strcpy(message[1], str);

T h e r e \0

Defined in standard library, prototype <stdio.h> sprintf(message[2], “%s there!”, ”hi”); “hi there” sprintf(message[3], ”%s %d %f”, “john”,12,2.3);

sscanf(message[3], “%s %d %f”, name, &age, &wage );

72

String library functions

Defined in standard library, prototype <string.h>

unsigned int strlen() t ti ‘/0’ not counting‘/0’

strcpy() strcpy(toStr, fromStr); strncpy(toStr,fromStr,n)

strcat() strcat(s1, s2); s1s2strcat() strcat(s1, s2); s1s2 strncat (s1, s2, n)

int strcmp() strcmp(s1, s2); 0 if equal strncmp(s1,s2,n)

73

34

character library functions Defined in standard library, prototype <ctype.h>

i t i l h (i t h) t int isalpha(int ch) return non-zero, zero

int isdigit(int ch)

int isalnum(int ch)

int islower(int ch)

int isupper(int ch)

int tolower(int ch)

int toupper(int ch)

74

Utility library functions Defined in standard library, prototype <stdlib.h>

d bl f( i ) double atof(‘string’ s)

int atoi(‘string’ s)

long atol (‘string’s)

int rand(void) void srand(unsigned seed)

void abort(void)

void exit() EXIT SUCESS EXIT FAILURE void exit() EXIT_SUCESS, EXIT_FAILURE

int system(commandString)

int abs(int)

memloc, calloc, free 75

35

void say(char *path)

{

char buf[1024];

sprintf(buf, “aplay ./sounds/%s &", path);

system(buf);

}}

void initializeHardware(void)

{ /* initialize hardware */

if(connect_robot(1, MODEL_SCOUT2, "/dev/ttyUSB0", 38400) == FALSE){

(void) fprintf(stderr,"reactived: unable to connect to robot hardware\n");

say(“sth_wrong.wav");

exit(1);

}

enableSonars();

say(“wakingUp.wav”);

} 76

Diagnostics library functions Defined in standard library, prototype <assert.h>

id t(i t i ) void assert(int expression)

int x = -1;

assert(x > 0)print Assertion failed: expression, file file, line

lnumi f 20 i i `i 5'

Then abort()

Look at <time.h>

77

a.out: sprintf.c:20: main: Assertion `i < 5' failed.

Abort

36

math library functions Defined in standard library, prototype <math.h>

Need to link by -lm

double sin(x), cos(x), tan(x)

double asin(x) acos(x) atan(x) …

exp(x) ex

log(x) ln(x)

log10(x) log10(x)

pow(x,y)int

sqrt(x)

ceil(x), floor(x)

78

Some complier options

Option: ‐llibraryp y

Link with object library   gcc main.c –lm

Links math object library (if use pow() round() sin()etc)

Don’t forget to use #include <math.h> at the beginning

79

37

80