DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Funzioni e Procedure Marco D. Santambrogio – Ver. aggiornata al 18 Aprile 2012.

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1 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Funzioni e Procedure Marco D. Santambrogio – marco.santambrogio@polimi.it Ver. aggiornata al 18 Aprile 2012

2 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEObiettivi Funzioni Scope delle variabili 2

3 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEIntroduzione Spesso alcuni gruppi di operazioni vengono ripetute in diverse parti allinterno del medesimo programma Si pensi ad esempio a un programma di gestione di matrici È plausibile pensare che una matrice dovrà essere stampata a video in numerosi momenti Il codice relativo alla stampa è sempre lo stesso (due cicli for annidati) È quindi utile definire una sola volta questo gruppo di istruzioni e dare un nome ad esso Ogni volta che si vuole stampare a video una matrice sarà sufficiente indicare il nome assegnato 3

4 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONESottoprogrammi Un sottoprogramma è: un insieme di istruzioni dotato di nome descritto (definito) una sola volta attivabile (richiamabile o invocabile) allinterno del programma o di un altro sottoprogramma Alcuni sottoprogrammi sono già definiti si pensi alla scanf e alla printf dietro a questi nomi vi sono una serie di istruzioni in grado di, rispettivamente, intercettare la pressione dei tasti e di visualizzare un carattere sullo schermo chi richiama queste funzioni non si preoccupa di come sono fatte, basta sapere solo cosa fanno (visione black box) 4

5 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Sottoprogrammi: motivazioni Astrazione e leggibilità: enucleano parti di codice, nascondendo dettagli algoritmici e di codifica il nome di programma si presenta come unoperazione elementare Strutturazione e scomposizione funzionale del programma: consentono una stesura del programma che riflette unanalisi funzionale del problema Collaudo: verifica di correttezza della soluzione facilitata dal poter verificare la correttezza prima dei singoli sottoprogrammi e poi dellintero programma visto come insieme di chiamate che si scambiano informazioni Compattezza ed efficienza del codice: si evita di ripetere sequenze di istruzioni in più parti del programma Modificabilità: una sola modifica vale per tutte le attivazioni del sottoprogramma Riuso: sottoprogrammi non troppo specifici possono essere raccolti in librerie utilizzabili da programmi diversi 5

6 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Funzioni e procedure I sottoprogrammi si differenziano per la logica di definizione per luso e per la modalità di chiamata e possono essere di tipo funzionale di tipo procedurale Sottoprogrammi di tipo funzionale (funzioni) possono essere considerati una astrazione di valore linvocazione della funzione associa al nome della funzione il valore del risultato calcolato dal sottoprogramma Sottoprogrammi di tipo procedurale (procedure) possono essere considerati una astrazione di operazioni linvocazione della procedura è associata allesecuzione delle istruzioni del sottoprogramma che realizzano loperazione specificata dal sottoprogramma Ad esempio: leggi(N);/* procedura*/ Fatt = fattoriale(N); /* funzione*/ 6

7 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Funzioni e procedure in C In C esistono solo le funzioni. Le procedure sono particolari funzioni che non restituiscono nulla Quindi parleremo solo di funzioni intendendo sia le funzioni che le procedure Definire una funzione secondo il linguaggio C implica: dichiarazione del prototipo della funzione (nella sezione dichiarativa) definizione della funzione invocazione o chiamata della funzione (nel codice che necessita della funzioni) 7

8 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Calcolare la somma dei fattoriali dei primi 100 numeri naturali: 0!+1!+2! … + 99!+100! #include int fattoriale(int); main(){ int numero; /* numero di cui voglio calcolare il fattoriale */ int fatt; /* memorizzo il fattoriale di numero */ int somma; somma = 0; for(numero=0; numero<=100; numero++) { fatt = fattoriale(numero); somma = somma + fatt; } printf(La somma dei fattoriali dei primi 100 naturali e %d, somma); 8

9 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Dichiarazione del prototipo Il prototipo definisce: il nome della funzione il tipo (funzione, procedura) il tipo dei parametri in ingresso e in uscita Chi utilizzerà la funzione dovrà rispettare la sintassi definita nel prototipo Prototipo funzione ( ); Prototipo procedura (void è una parola chiave del C che indica assenza di tipo) void ( ); 9

10 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Definizione del sottoprogramma La definizione del sottoprogramma va messa dopo il main. Ha la stessa struttura del main (in realtà anche il main è una funzione): Una parte dichiarativa Una parte esecutiva (tipo par_for1, tipo par_for2...) { parte dichiarativa locale parte esecutiva } (tipo par_for1, tipo par_for2...) è la testata della funzione par_for1, par_for2 sono i nomi dei parametri formali della funzione, il cui tipo deve corrispondere in modo ordinato ai tipi elencati nella dichiarazione del prototipo 10

11 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Definizione della funzione fattoriale e i parametri formali Parametri Formali: Rappresentano un riferimento simbolico (identificatori) a oggetti utilizzati allinterno della funzione Sono utilizzati dalla funzione come se fossero variabili dichiarate localmente Il valore iniziale di parametri formali viene definito allatto della chiamata della funzione tramite i parametri attuali (passaggio di parametri) 11 int fattoriale(int n){ int risultato=1; int i; for (i = 1; i <= n; i++) risultato = risultato * i; return risultato; } Le funzioni in C sono funzioni in senso matematico, il tipo del valore di ritorno definisce il Codominio mentre i valori possibili dei parametri in ingresso corrispondono al Dominio

12 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Invocazione o chiamata Nel corpo del main o di unaltra funzione indica il punto in cui va eseguita la parte del codice presente nella definizione di funzione Invocazione di funzione come operando in una espressione = ; Invocazione di procedura come unistruzione nomeprocedura(par_att1, …); In entrambi i casi: par_att1,… sono i parametri attuali che devono corrispondere per ordine e per tipo ai parametri formali I parametri attuali possono essere variabili, costanti o espressioni definite nellambiente chiamante, i cui valori allatto della chiamata vengono copiati nei parametri formali 12

13 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Istruzione return Parola chiave C utilizzata solo nelle funzioni Sintassi return È lultima istruzione di una funzione e indica: il punto in cui il controllo torna al chiamante il valore restituito In una funzione deve esserci almeno unistruzione di return possono esserci più istruzioni di return ma in alternativa la funzione può restituire un solo valore 13

14 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Chiamata di un sottoprogramma Allatto della chiamata, il controllo dellesecuzione passa dal chiamante al chiamato Il codice del chiamato viene eseguito Al termine dellesecuzione il controllo ritorna al chiamante, allistruzione successiva a quella della chiamata 14 Istruzione 1 Istruzione 2 Chiama funzione Istruzione 3 codice chiamante Istruzione 1 Istruzione 2 Istruzione 3 Istruzione 4 return funzione chiamata Inizio programma Passaggio del controllo Ritorno del controllo

15 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Scambio di informazioni Il chiamato deve poter ricevere dal chiamante i valori attuali sui quali eseguire le operazioni definite nel sottoprogramma Il chiamato deve poter fornire al chiamante i risultati dellelaborazione Lo scambio di informazioni tra chiamante e chiamato può avvenire: valore restituito da una funzione (dal chiamato al chiamante) vale solo per le funzioni per fornire un valore al chiamante passaggio dei parametri (dal chiamante al chiamato) per fornire i valori in ingresso al chiamato per fornire i risultati di operazioni al chiamante variabili globali (in entrambe le direzioni) fortemente sconsigliato 15

16 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Passaggio dei parametri Il passaggio dei parametri consiste nellassociare, allatto delle chiamata di un sottoprogramma, ai parametri formali i parametri attuali Se il prototipo di una funzione è float circonferenza (float raggio); Invocare questa funzione significa eseguire listruzione c = circonferenza(5.0); In questo modo la variabile raggio (il parametro formale) assumerà per quella particolare invocazione il valore 5 (il parametro attuale). Lo scambio di informazioni con passaggio dei parametri tra chiamante e chiamato può avvenire in due modi: Passaggio per valore Passaggio per indirizzo 16

17 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Passaggio per VALORE Allatto della chiamata il valore del parametro attuale viene copiato nelle celle di memoria del corrispondente parametro formale. Il parametro formale e il parametro attuale si riferiscono a due diverse celle di memoria Il sottoprogramma in esecuzione lavora nel suo ambiente e quindi sui parametri formali I parametri attuali non vengono modificati 17

18 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Esempio: passaggio per valore float circonferenza(float raggio) { float circ; circ = raggio * 3.14; raggio = 7; /*istruzione senza senso, voglio solo vedere cosa succede modificando il valore di un paramentro formale*/ return circ; } /* nel main */ float c,r=5; c=circonferenza(r); /*Attenzione! r vale sempre 5 */ 18 Ambiente della funzione circonferenza raggio circ Ambiente della funzione main r c Quando invoco la funzione in raggio viene copiato il valore di r Quando la funzione termina il valore di circ in circonferenza viene copiato in c nel main

19 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Scope delle variabili 19

20 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEIntroduzione Con le funzioni è stato introdotto un meccanismo per definire dei piccoli programmi allinterno di altri programmi Questi piccoli programmi sono autonomi con il resto del codice Al loro interno sono definite le proprie variabili ed il canale di comunicazione con il codice chiamante (passaggio paramentri, return) A supporto di questo meccanismo deve esistere una gestione degli identificatori delle variabili È infatti possibile avere due variabili con lo stesso nome a patto che abbiano raggio di visibilità disgiunto 20

21 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEVisibilità Visibilità di un identificatore: indicazione della parte del programma in cui tale identificatore può essere usato Ambiente globale del programma insieme di identificatori (tipi, costanti, variabili) definiti nella parte dichiarativa globale regole di visibilità: visibili a tutte le funzioni del programma Ambiente locale di una funzione insieme di identificatori definiti nella parte dichiarativa locale e degli identificatori definiti nella testata (parametri formali) Regole di visibilità: visibili alla funzione e ai blocchi in essa contenuti Ambiente di blocco insieme di identificatori definiti nella parte dichiarativa locale del blocco regole di visibilità: visibili al blocco e ai blocchi in esso contenuti 21

22 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE La visibilità di y si estende dal punto di dichiarazione fino alla fine del blocco di appartenenza y e z locali alla funzione g, con visibilità nel blocco racchiuso da parentesi graffe k e l hanno la stessa visibilità Errata! Si tenta di definire due volte la variabile locale x nello stesso bloccoEsempi int x; f() { int y; y=1; } int x; g(int y, char z) { int k; int l; … } f(int x) { int x; } 22

23 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Mascheramento (shadowing) Un nome ridefinito allinterno di un blocco nasconde il significato precedente di quel nome Tale significato è ripristinato alluscita del blocco più interno int x; /*nome globale*/ int f() { int x; /*x locale che nasconde x globale*/ x=1; /*assegna 1 al primo x locale*/ { int x; /* nasconde il primo x locale*/ x=2; /*assegna 2 al secondo x locale*/ } x=3; /*assegna 3 al primo x locale*/ } scanf (%d, &x); /*inserisce un dato in x globale*/ In caso di omonimia di identificatori in ambienti diversi è visibile quello dellambiente più vicino 23

24 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEVisibilità Livello globale main f1 g1,g2,g3 a,b a,c a,d d blocco1 blocco2 blocco3 char g1, g2, g3; main() { int a, b; … {/*blcco1*/ double a,c; } … } void f1(){ … {/*blocco2*/ char a,d; } … {/*blocco3*/ float d … }

25 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Ambiente di esecuzione Lambiente di esecuzione di una funzione (variabili e parametri formali) viene creato al momento della chiamata e rilasciato quando la funzione termina In una sequenza di chiamate, lultima chiamata è la prima a terminare La zona di memoria di lavoro che contiene lambiente di esecuzione di un sottoprogramma è gestito con la logica di una pila (stack) Lultimo elemento inserito nello stack è il primo ad essere estratto Logica LIFO (Last In First Out) 25

26 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Ambiente di esecuzione: esempio 26 void a (); void b(); void c(); main(){ … a(); … } void a (){ printf(Esecuzione di a\n); b(); printf(Termine di a\n); } void b(){ printf(Esecuzione di b\n); c(); printf(Termine di b\n); } void c(){ printf(Esecuzione di c\n); … printf(Termine di c\n); } Esecuzione di a Esecuzione di b Esecuzione di c Termine di c Termine di b Termine di a Ambiente a Ambiente b Ambiente c

27 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Record di attivazione Alla chiamata di una funzione si alloca uno spazio di memoria (record di attivazione) in cima allo stack per contenere i parametri formali e le variabili locali lo spazio viene rilasciato quando la funzione termina Il record di attivazione contiene: Lambiente locale della funzione Lindirizzo di ritorno al chiamante Funzionamento: Ad ogni attivazione viene allocato un record di attivazione Al termine dellattivazione il record viene rilasciato (larea di memoria è riutilizzabile) La dimensione del record di attivazione è già nota in fase di compilazione Il numero di attivazioni della funzione non è noto Il primo record di attivazione è destinato al main() 27

28 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Lo stack Nello stack, i record vengono allocati uno sopra laltro; il primo record dello stack è relativo allultima funzione attivata e non ancora terminata Lo stack cresce dal basso verso lalto Stack pointer: registro della CPU che contiene lindirizzo della cima della pila Una parte della RAM è destinata a contenere lo stack Stack overflow: quando larea della RAM destinata allo stack viene superata (troppi annidamenti di chiamate) 28 312 311 310 303... Operazione di inserimento: -incremento SP -scrittura in parola indirizzata da SP Operazione di estrazione: -lettura da parola indirizzata da SP -decremento SP SP

29 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEEsempio 29 Main P1 P2 Chiama P1 Variabili globali Act. Record Main Act. Record P1(1) Act. Record P2(1) Act. Record P1(2) Act. Record P2(2) etc....

30 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Fonti per lo studio + Credits Fonti per lo studio Credits Gianluca Palermo