Le langage C¶

Différents langages permettent au programmeur de construire des programmes qui seront exécutés par le processeur. En réalité, le processeur ne comprend qu'un langage : le langage machine. Ce langage est un langage binaire dans lequel toutes les commandes et toutes les données sont représentés sous la forme de séquences de bits.

Le langage machine est peu adapté aux humains et il est extrêmement rare qu'un informaticien doive manipuler des programmes directement en langage machine. Par contre, pour certaines tâches bien spécifiques, comme par exemple le développement de routines spéciales qui doivent être les plus rapides possibles ou qui doivent interagir directement avec le matériel, il est important de pouvoir efficacement générer du langage machine. Cela peut se faire en utilisant un langage d'assemblage. Chaque famille de processeurs a un langage d'assemblage qui lui est propre. Le langage d'assemblage permet d'exprimer de façon symbolique les différentes instructions qu'un processeur doit exécuter. Nous aurons l'occasion de traiter à plusieurs reprises des exemples en langage d'assemblage dans le cadre de ce cours. Cela nous permettra de mieux comprendre la façon dont le processeur fonctionne et exécute les programmes. Le langage d'assemblage est converti en langage machine grâce à un assembleur.

Le langage d'assemblage est le plus proche du processeur. Il permet d'écrire des programmes compacts et efficaces. C'est aussi souvent la seule façon d'utiliser des instructions spéciales du processeur qui permettent d'interagir directement avec le matériel pour par exemple commander les dispositifs d'entrée/sortie. C'est essentiellement dans les systèmes embarqués qui disposent de peu de mémoire et pour quelques fonctions spécifiques des systèmes d'exploitation que le langage d'assemblage est utilisé de nos jours. La plupart des programmes applicatifs et la grande majorité des systèmes d'exploitation sont écrits dans des langages de plus haut niveau.

Le langage C [KernighanRitchie1998], développé dans les années 70 pour écrire les premières versions du système d'exploitation Unix, est aujourd'hui l'un des langages de programmation les plus utilisés pour développer des programmes qui doivent être rapides ou doivent interagir avec le matériel. La plupart des systèmes d'exploitation sont écrits en langage C.

Le langage C a été conçu à l'origine comme un langage proche du processeur qui peut être facilement compilé, c'est-à-dire traduit en langage machine, tout en conservant de bonnes performances.

La plupart des livres qui abordent la programmation en langage C commencent par présenter un programme très simple qui affiche à l'écran le message Hello, world!.

/**************************************
 * Hello.c
 *
 * Programme affichant sur la sortie
 * standard le message "Hello, world!"
 *
 **************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
   // affiche sur la sortie standard
   printf("Hello, world!\n");

   return EXIT_SUCCESS;
}

Pour être exécuté, ce programme doit être compilé. Il existe de nombreux compilateurs permettant de transformer le langage C en langage machine. Dans le cadre de ce cours, nous utiliserons gcc(1). Dans certains cas, nous pourrons être amenés à utiliser d'autres compilateurs comme llvm.

La compilation du programme src/hello.c peut s'effectuer comme suit sur une machine de type Unix :

$ gcc -Wall -o hello hello.c
$ ls -l
total 80
-rwxr-xr-x  1 obo  obo  8704 15 jan 22:32 hello
-rw-r--r--  1 obo  obo   288 15 jan 22:32 hello.c

gcc(1) supporte de très nombreuses options et nous aurons l'occasion de discuter de plusieurs d'entre elles dans le cadre de ce cours. Pour cette première utilisation, nous avons choisi l'option -Wall qui force gcc(1) à afficher tous les messages de type warning (dans cet exemple il n'y en a pas) et l'option -o suivie du nom de fichier hello qui indique le nom du fichier dans lequel le programme exécutable doit être sauvegardé par le compilateur [1].

Lorsqu'il est exécuté, le programme hello affiche simplement le message suivant sur la sortie standard :

$ ./hello
Hello, world!
$

Même si ce programme est très simple, il illustre quelques concepts de base en langage C. Tout d'abord comme en Java, les compilateurs récents supportent deux façons d'indiquer des commentaires en C :

• un commentaire sur une ligne est précédé des caractères //
• un commentaire qui comprend plusieurs lignes débute par /* et se termine par */

Ensuite, un programme écrit en langage C comprend principalement des expressions en langage C mais également des expressions qui doivent être traduites par le préprocesseur. Lors de la compilation d'un fichier en langage C, le compilateur commence toujours par exécuter le préprocesseur. Celui-ci implémente différentes formes de macros qui permettent notamment d'inclure des fichiers (directives #include), de compiler de façon conditionnelle certaines lignes ou de définir des constantes. Nous verrons différentes utilisations du préprocesseur C dans le cadre de ce cours. À ce stade, les trois principales fonctions du préprocesseur sont :

• définir des substitutions via la macro #define. Cette macro est très fréquemment utilisée pour définir des constantes ou des substitutions qui sont valables dans l'ensemble du programme.

  #define ZERO  0
  #define STRING "LEPL1503"
  

• importer (directive #include) un fichier. Ce fichier contient généralement des prototypes de fonctions et des constantes. En langage C, ces fichiers qui sont inclus dans un programme sont appelés des header files et ont par convention un nom se terminant par .h. Le programme src/hello.c ci-dessus importe deux fichiers headers standards :

  • <stdio.h> : contient la définition des principales fonctions de la librairie standard permettant l'interaction avec l'entrée et la sortie standard, et notamment printf(3)

  • <stdlib.h>: contient la définition de différentes fonctions et constantes de la librairie standard et notamment EXIT_SUCCESS et EXIT_FAILURE. Ces constantes sont définies en utilisant la macro #define du préprocesseur

    #define EXIT_FAILURE    1
    #define EXIT_SUCCESS    0
    

• inclure du code sur base de la valeur d'une constante définie par un #define. Ce contrôle de l'inclusion de code sur base de la valeur de constantes est fréquemment utilisé pour ajouter des lignes qui ne doivent être exécutées que lorsque l'on veut déboguer un programme. C'est aussi souvent utilisé pour faciliter la portabilité d'un programme entre différentes variantes de Unix, mais cette utilisation sort du cadre de ce cours.

  #define DEBUG
  /* ... */
  #ifdef DEBUG
  printf("debug : ...");
  #endif /* DEBUG */
  

Il est également possible de définir des macros qui prennent un ou plusieurs paramètres [CPP].

Les headers standards sont placés dans des répertoires bien connus du système. Sur la plupart des variantes de Unix ils se trouvent dans le répertoire /usr/include/. Nous aurons l'occasion d'utiliser régulièrement ces fichiers standards dans le cadre du cours.

Le langage Java a été largement inspiré du langage C et de nombreuses constructions syntaxiques sont similaires en Java et en C. Un grand nombre de mots clés en C ont le même rôle qu'en Java. Les principaux types de données primitifs supportés par le C sont :

• int et long : utilisés lors de la déclaration d'une variable de type entier
• char : utilisé lors de la déclaration d'une variable permettant de stocker un caractère
• double et float : utilisés lors de la déclaration d'une variable permettant de stocker un nombre représenté en virgule flottante.

Notez que dans les premières versions du langage C, contrairement à Java, il n'y avait pas de type spécifique permettant de représenter un booléen. Dans de nombreux programmes écrits en C, les booléens sont représentés par des entiers et les valeurs booléennes sont définies [2] comme suit.

#define false   0
#define true    1

Les compilateurs récents qui supportent le type booléen permettent de déclarer des variables de type bool et contiennent les définitions suivantes [2] dans le header standard stdbool.h de [C99].

#define false   (bool)0
#define true    (bool)1

Au-delà des types de données primitifs, Java et C diffèrent et nous aurons l'occasion d'y revenir dans un prochain chapitre. Le langage C n'est pas un langage orienté objet et il n'est donc pas possible de définir d'objet avec des méthodes spécifiques en C. C permet la définition de structures, d'unions et d'énumérations sur lesquelles nous reviendrons.

En Java, les chaînes de caractères sont représentées grâce à l'objet String. En C, une chaîne de caractères est représentée sous la forme d'un tableau de caractères dont le dernier élément contient la valeur \0. Alors que Java stocke les chaînes de caractères dans un objet avec une indication de leur longueur, en C il n'y a pas de longueur explicite pour les chaînes de caractères mais le caractère \0 sert de marqueur de fin de chaîne de caractères. Lorsque le langage C a été développé, ce choix semblait pertinent, notamment pour des raisons de performance. Avec le recul, ce choix pose question [Kamp2011] et nous y reviendrons lorsque nous aborderons certains problèmes de sécurité.

  
  char string[10];
  string[0] = 'j';
  string[1] = 'a';
  string[2] = 'v';
  string[3] = 'a';
  string[4] = '\0';
  printf("String : %s\n", string);
  

L'exemple ci-dessus illustre l'utilisation d'un tableau de caractères pour stocker une chaîne de caractères. Lors de son exécution, ce fragment de code affiche String : java sur la sortie standard. Le caractère spécial \n indique un passage à la ligne. printf(3) supporte d'autres caractères spéciaux qui sont décrits dans sa page de manuel.

Au niveau des constructions syntaxiques, on retrouve les mêmes boucles et tests en C et en Java :

• test if (condition)  { ... } else { ... }
• boucle while (condition) { ... }
• boucle do { ... } while (condition);
• boucle for (init; condition; incr) { ... }

En Java, les conditions sont des expressions qui doivent retourner un résultat de type boolean. Le langage C est beaucoup plus permissif puisqu'une condition est une expression qui retourne un nombre entier.

La plupart des expressions et conditions en C s'écrivent de la même façon qu'en Java.

Après ce rapide survol du langage C, revenons à notre programme src/hello.c. Tout programme C doit contenir une fonction nommée main dont la signature [3] est :

int main(int argc, char *argv[])

Lorsque le système d'exploitation exécute un programme C compilé, il démarre son exécution par la fonction main et passe à cette fonction les arguments fournis en ligne de commande [4]. Comme l'utilisateur peut passer un nombre quelconque d'arguments, il faut que le programme puisse déterminer combien d'arguments sont utilisés. En Java, la méthode main a comme signature public static void main(String args[]) et l'attribut args.length permet de connaître le nombres de paramètres passés en arguments d'un programme. En C, le nombre de paramètres est passé dans la variable entière argc et le tableau de chaînes de caractères char *argv[] contient tous les arguments. Le programme src/cmdline.c illustre comment un programme peut accéder à ses arguments.

/**************************************
 * cmdline.c
 *
 * Programme affichant ses arguments
 * sur la sortie standard
 *
 **************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  int i;
  printf("Ce programme a %d argument(s)\n", argc);
  for (i = 0; i < argc; i++)
    printf("argument[%d] : %s\n", i, argv[i]);
  return EXIT_SUCCESS;
}

Par convention, en C le premier argument (se trouvant à l'indice 0 du tableau argv) est le nom du programme qui a été exécuté par l'utilisateur. Une exécution de ce programme est illustrée ci-dessous.

Ce programme a 5 argument(s)
argument[0] : ./cmdline
argument[1] : 1
argument[2] : -list
argument[3] : abcdef
argument[4] : lepl1503

Outre le traitement des arguments, une autre différence importante entre Java et C est la valeur de retour de la fonction main. En C, la fonction main retourne un entier. Cette valeur de retour est passée par le système d'exploitation au programme (typiquement un shell ou interpréteur de commandes) qui a demandé l'exécution du programme. Grâce à cette valeur de retour il est possible à un programme d'indiquer s'il s'est exécuté correctement ou non. Par convention, un programme qui s'exécute sous Unix doit retourner EXIT_SUCCESS lorsqu'il se termine correctement et EXIT_FAILURE en cas d'échec. La plupart des programmes fournis avec un Unix standard respectent cette convention. Dans certains cas, d'autres valeurs de retour non nulles sont utilisées pour fournir plus d'informations sur la raison de l'échec. En pratique, l'échec d'un programme peut être dû aux arguments incorrects fournis par l'utilisateur ou à des fichiers qui sont inaccessibles.

À titre d'illustration, le programme src/failure.c est le programme le plus simple qui échoue lors de son exécution.

/**************************************
 * failure.c
 *
 * Programme minimal qui échoue toujours
 *
 **************************************/

#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  return EXIT_FAILURE;
}

Enfin, le dernier point à mentionner concernant notre programme src/hello.c est la fonction printf. Cette fonction de la librairie standard se retrouve dans la plupart des programmes écrits en C. Elle permet l'affichage de différentes formes de textes sur la sortie standard. Comme toutes les fonctions de la librairie standard, elle est documentée dans sa page de manuel printf(3). printf(3) prend un nombre variable d'arguments. Le premier argument est une chaîne de caractères qui spécifie le format de la chaîne de caractères à afficher. Une présentation détaillée de printf(3) prendrait de nombreuses pages. À titre d'exemple, voici un petit programme utilisant printf(3)

  
  char weekday[] = "Monday";
  char month[] = "April";
  int day = 1;
  int hour = 12;
  int min = 42;
  char str[] = "LEPL1503";
  int i;
  
  // affichage de la date et l'heure
  printf("%s, %s %d, %d:%d\n", weekday, month, day, hour, min);
  
  // affichage de la valeur de PI
  printf("PI = %f\n", 4 * atan(1.0));
  
  // affichage d'un caractère par ligne
  for(i = 0; str[i] != '\0'; i++)
    printf("%c\n", str[i]);
    

Lors de son exécution, ce programme affiche :

Monday, April 1, 12:42
PI = 3.141593
L
E
P
L
1
5
0
3

Le langage C permet bien entendu la définition de fonctions. Outre la fonction main qui doit être présente dans tout programme, le langage C permet la définition de fonctions qui retournent ou non une valeur. En C, comme en Java, une fonction de type void ne retourne aucun résultat tandis qu'une fonction de type int retournera un entier. Le programme ci-dessous présente deux fonctions simples. La première, usage ne retourne aucun résultat. Elle affiche un message d'erreur sur la sortie d'erreur standard et termine le programme via exit(2) avec un code de retour indiquant un échec. La seconde, digit prend comme argument un caractère et retourne 1 si c'est un chiffre et 0 sinon. Le code de cette fonction peut paraître bizarre à un programmeur habitué à Java. En C, les char sont représentés par l'entier qui correspond au caractère dans la table des caractères utilisées (voir RFC 20 pour une table ASCII simple). Toutes les tables de caractères placent les chiffres 0 à 9 à des positions consécutives. En outre, en C une expression a priori booléenne comme a < b est définie comme ayant la valeur 1 si elle est vraie et 0 sinon. Il en va de même pour les expressions qui sont combinées en utilisant && ou ||. Enfin, les fonctions getchar(3) et putchar(3) sont des fonctions de la librairie standard qui permettent respectivement de lire (écrire) un caractère sur l'entrée (la sortie) standard.

/**************************************
 * filterdigit.c
 *
 * Programme qui extrait de l'entrée
 * standard les caractères représentant
 * des chiffres
 **************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// retourne vrai si c est un chiffre, faux sinon
// exemple simplifié, voir isdigit dans la librarire standard
// pour une solution complète 
int digit(char c)
{
  return ((c >= '0') && (c <= '9'));
}

// affiche un message d'erreur
void usage()
{
  fprintf(stderr, "Ce programme ne prend pas d'argument\n");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  char c;

  if (argc > 1)
    usage();

  while ((c = getchar()) != EOF) {
    if (digit(c))
	    putchar(c);
  }
  
  return EXIT_SUCCESS;
}

Il existe de nombreux livres consacrés au langage C. La référence la plus classique est [KernighanRitchie1998], mais certains éléments commencent à dater. Un tutoriel intéressant a été publié par Brian Kernighan [Kernighan]. [King2008] propose une présentation plus moderne du langage C.

Footnotes