CS50-MCZ

Week 2

Preprocessing. Compiling. Assembling. Linking. Debugging. Arrays. Strings. Command-Line Arguments. Cryptography.

• Shorts
  1. Funções
  2. Variáveis e Escopo
  3. Debugging ("Step over")
  4. Debugging ("Step into")
  5. Arrays
  6. Argumentos de Linha de Comando
• Problem Set 2

• Bem-vindo!
• Compilação
• Depuração
• Arrays
• Strings
• Argumentos da linha de comando
• Status de saída
• Criptografia
• Resumindo

Bem-vindo!

• Na nossa sessão anterior, aprendemos sobre C, uma linguagem de programação baseada em texto.
• Nesta semana, vamos dar uma olhada mais profunda em blocos de construção adicionais que irão apoiar nossos objetivos de aprender mais sobre programação desde o início.
• Fundamentalmente, além do essencial da programação, este curso trata de resolução de problemas. Consequentemente, também nos concentraremos ainda mais em como abordar problemas de ciência da computação.

Compilação

• Encryption é o ato de esconder texto simples de olhos curiosos. Decryption, então, é o ato de pegar um texto criptografado e retorná-lo para uma forma legível por humanos.

• Um texto criptografado pode parecer com o seguinte:

  

• Lembre-se que na semana passada você aprendeu sobre um compilador, um programa de computador especializado que converte código fonte em código de máquina que pode ser entendido por um computador.

• Por exemplo, você pode ter um programa de computador que se parece com isto:

  #include <stdio.h>
      
  int main(void)
  {
      printf("hello, world\n");
  }
  

• Um compilador irá pegar o código acima e transformá-lo no seguinte código de máquina:

  

• VS Code, o ambiente de programação fornecido a você como estudante CS50, utiliza um compilador chamado clang ou linguagem C.
• Se você digitar make hello, ele executa um comando que executa o clang para criar um arquivo de saída que você pode executar como usuário.
• O VS Code foi pré-programado de forma que o make execute vários argumentos de linha de comando juntamente com o clang para sua conveniência como usuário.

• Considere o seguinte código:

  #include <cs50.h>
  #include <stdio.h>
  
  int main(void)
  {
      string name = get_string("What's your name? ");
      printf("hello, %s\n", name);
  }
  

• Você pode tentar entrar na janela do terminal: clang -o hello hello.c. Você receberá um erro que indica que o clang não sabe onde encontrar a biblioteca cs50.h.
• Tentando compilar novamente este código, execute o seguinte comando na janela do terminal: clang -o hello hello.c -lcs50. Isso permitirá que o compilador acesse a biblioteca cs50.h.
• Executando na janela do terminal ./hello, seu programa será executado como pretendido.
• Embora isso seja oferecido como uma ilustração, para que você possa entender mais profundamente o processo e o conceito de compilar código, usar make no CS50 é perfeitamente aceitável e esperado!
• Compilar envolve etapas importantes, incluindo as seguintes:
  • Primeiro, a pré-processamento é onde os arquivos de cabeçalho em seu código, designados por um # (como #include <cs50.h>) são efetivamente copiados e colados em seu arquivo. Durante esta etapa, o código de cs50.h é copiado para o seu programa. Da mesma forma, assim como seu código contém #include <stdio.h>, o código contido em stdio.h em algum lugar do seu computador é copiado para o seu programa. Esta etapa pode ser visualizada da seguinte forma:

  ...
  string get_string(string prompt);
  int printf(string format, ...);
  ...
  
  int main(void)
  {
      string name = get_string("What's your name? ");
      printf("hello, %s\n", name);
  }
            

  • Em segundo lugar, a compilação é onde seu programa é convertido em código de montagem. Este passo pode ser visualizado da seguinte forma:

    

  • Em terceiro lugar, o montagem envolve o compilador convertendo seu código de montagem em código de máquina. Este passo pode ser visualizado da seguinte forma:

    

  • Finalmente, durante o passo de vinculação, o código de suas bibliotecas incluídas também é convertido em código de máquina e combinado com seu código. O arquivo executável final é então gerado.

    

  Depuração

  • Todos vão cometer erros ao codificar.

  • Considere a seguinte imagem da semana passada:

    

  • Além disso, considere o seguinte código que tem um bug inserido intencionalmente:

    #include <stdio.h>
        
    int main(void)
    {
        for (int i = 0; i <= 3; i++)
        {
            printf("#\n");
        }
    }
        

  • Digite o código buggy0.c na janela do terminal e escreva o código acima.
  • Ao executar este código, quatro tijolos aparecem em vez dos três pretendidos.

  • printf é uma maneira muito útil de depurar seu código. Você pode modificar o código da seguinte forma:

    #include <stdio.h>
    
    int main(void)
    {
        for (int i = 0; i <= 3; i++)
        {
            printf("i is %i\n", i);
            printf("#\n");
        }
    }
    

  • Ao executar este código, você verá numerosas declarações, incluindo i is 0, i is 1, i is 2 e i is 3. Vendo isso, você pode perceber que o código precisa ser corrigido da seguinte forma:

    #include <stdio.h>
      
    int main(void)
    {
        for (int i = 0; i < 3; i++)
        {
            printf("#\n");
        }
    }
      

    Observe que o <= foi substituído por <.

  • Uma segunda ferramenta para depurar é chamada de debugger, uma ferramenta de software criada por programadores para ajudar a rastrear bugs no código.
  • No VS Code, um depurador pré-configurado foi fornecido para você.

  • Para utilizar este depurador, primeiro defina um breakpoint clicando à esquerda de uma linha do seu código, logo à esquerda do número da linha. Quando você clicar lá, verá um ponto vermelho aparecendo. Imagine isso como uma placa de pare, pedindo ao compilador que pause para que você possa considerar o que está acontecendo nesta parte do seu código.

    

  • Segundo, execute debug50 ./buggy0. Você notará que depois que o depurador é iniciado, uma linha do seu código será iluminada em uma cor semelhante ao ouro. Literalmente, o código foi pausado nesta linha de código. Observe no canto superior esquerdo como todas as variáveis locais estão sendo exibidas, incluindo i, que possui um valor atual de 0. Na parte superior da sua janela, você pode clicar no botão step over e ele continuará movendo-se pelo seu código. Observe como o valor de i aumenta.

  • Embora essa ferramenta não mostre onde está o seu bug, ela ajudará a diminuir a velocidade e ver como seu código está sendo executado passo a passo.

  • Para ilustrar uma terceira forma de depurar, por favor, inicie um novo arquivo executando code buggy1.c na janela do seu terminal. Escreva seu código da seguinte forma:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int get_negative_int(void);
    
    int main(void)
    {
        int i = get_negative_int();
        printf("%i\n", i);
    }
    
    // Prompt user for positive integer
    int get_negative_int(void)
    {
        int n;
        do
        {
            n = get_int("Negative Integer: ");
        }
        while (n < 0);
        return n;
    }
        

    Observe que a função get_negative_int é projetada para obter um inteiro negativo do usuário.

  • Ao executar make buggy1, você perceberá que não funciona como pretendido. Ele aceita inteiros positivos e parece ignorar os negativos.
  • Como antes, defina um ponto de interrupção em uma linha do seu código. É melhor definir um ponto de interrupção em int i = get_negative_int. Agora, execute debug50 buggy1.
  • Ao contrário do que aconteceu antes, onde você usou o botão step over na parte superior da janela, use o botão step into. Isso levará o depurador para a sua função get_negative_int. Observe como fazer isso mostrará que você está, de fato, preso no loop do while.

  • Com esse conhecimento, você pode considerar por que está preso nesse loop, levando-o a editar seu código da seguinte maneira:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int get_negative_int(void);
    
    int main(void)
    {
        int i = get_negative_int();
        printf("%i\n", i);
    }
    
    // Prompt user for positive integer
    int get_negative_int(void)
    {
        int n;
        do
        {
            n = get_int("Negative Integer: ");
        }
        while (n >= 0);
        return n;
    }
          

    Aviso n < 0 foi alterado.

  • Uma forma final de depuração é chamada de depuração com pato de borracha. Quando você está tendo desafios com o seu código, considere falar em voz alta com um pato de borracha sobre o problema de código, literalmente. Se você preferir não falar com um pequeno pato de plástico, você pode falar com um humano próximo a você! Eles não precisam entender como programar: falar com eles é uma oportunidade para você falar sobre o seu código.

    

  Arrays

  • Na Semana 0, falamos sobre tipos de dados como bool, int, char, string, etc.
  • Cada tipo de dado requer uma certa quantidade de recursos do sistema:
    • bool 1 byte
    • int 4 bytes
    • long 8 bytes
    • float 4 bytes
    • double 8 bytes
    • char 1 byte
    • string ? bytes

  • Dentro do seu computador, você tem uma quantidade finita de memória disponível.

    

  • Fisicamente, na memória do seu computador, você pode imaginar como tipos específicos de dados são armazenados no seu computador. Você pode imaginar que um char, que requer apenas 1 byte de memória, pode ser visto da seguinte forma:

    

  • Da mesma forma, um int, que requer 4 bytes, pode ser visto da seguinte forma:

    

  • Nós podemos criar um programa que explora esses conceitos. Dentro do seu terminal, digite code scores.c e escreva o código como segue:

    #include <stdio.h>
        
    int main(void)
    {
        // Scores
        int score1 = 72;
        int score2 = 73;
        int score3 = 33;
    
        // Print average
        printf("Average: %f\n", (score1 + score2 + score3) / 3.0);
    }
        

    Observe que o número à direita é um valor de ponto flutuante de 3.0, de forma que o cálculo é renderizado como um valor de ponto flutuante no final.

  • Executando o comando make scores, o programa é executado.

  • Você pode imaginar como essas variáveis são armazenadas na memória:

    

  • Arrays são uma forma de armazenar dados lado a lado na memória de modo que esses dados sejam facilmente acessíveis.

  • int scores[3] é uma forma de informar ao compilador para fornecer três locais consecutivos na memória do tamanho int para armazenar três scores. Considerando nosso programa, você pode revisar seu código da seguinte maneira:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void)
    {
        // Scores
        int scores[3];
        scores[0] = 72;
        scores[1] = 73;
        scores[2] = 33;
    
        // Print average
        printf("Average: %f\n", (scores[0] + scores[1] + scores[2]) / 3.0);
    }
          

    Observe que score[0] examina o valor neste local de memória acessando o array chamado scores na posição 0 para ver qual valor está armazenado lá.

  • Você pode ver que, embora o código acima funcione, ainda há oportunidade para melhorar nosso código. Reescreva seu código da seguinte forma:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void)
    {
        // Get scores
        int scores[3];
        for (int i = 0; i < 3; i++)
        {
            scores[i] = get_int("Score: ");
        }
    
        // Print average
        printf("Average: %f\n", (scores[0] + scores[1] + scores[2]) / 3.0);
    }
          

    Observe como indexamos em scores usando scores[i], onde i é fornecido pelo laço for.

  • Podemos simplificar ou abstrair o cálculo da média. Modifique seu código da seguinte forma:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    // Constant
    const int N = 3;
    
    // Prototype
    float average(int length, int array[]);
    
    int main(void)
    {
        // Get scores
        int scores[N];
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            scores[i] = get_int("Score: ");
        }
    
        // Print average
        printf("Average: %f\n", average(N, scores));
    }
    
    float average(int length, int array[])
    {
        // Calculate average
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < length; i++)
        {
            sum += array[i];
        }
        return sum / (float) length;
    }
          

    Observe que uma nova função chamada average é declarada. Além disso, observe que um valor const ou constante de N é declarado. Mais importante ainda, observe como a função average recebe int array[], o que significa que o compilador passa um array para esta função.

  • Não apenas os arrays podem ser contêineres: eles também podem ser passados entre funções.

  Strings

  • Uma string é simplesmente um array de variáveis do tipo char: um array de caracteres.

  • Considerando a seguinte imagem, você pode ver como uma string é um array de caracteres que começa com o primeiro caractere e termina com um caractere especial chamado de NUL character:

    

  • Imaginando isso em decimal, seu array seria parecido com o seguinte:

    

  • Implementando isso em seu próprio código, digite code hi.c na janela do terminal e escreva o código conforme abaixo:

    #include <stdio.h>
        
    int main(void)
    {
        char c1 = 'H';
        char c2 = 'I';
        char c3 = '!';
    
        printf("%i %i %i\n", c1, c2, c3);
    }
        

    Observe que isso irá exibir os valores decimais de cada caractere.

  • Para entender melhor como uma string funciona, revise seu código da seguinte forma:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void)
    {
        string s = "HI!";
        printf("%i %i %i\n", s[0], s[1], s[2]);
    }
          

    Observe como a instrução printf apresenta três valores do nosso array chamado s.

  • Vamos imaginar que queremos dizer tanto OI! quanto TCHAU!. Modifique seu código da seguinte forma:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void)
    {
        string s = "HI!";
        string t = "BYE!";
    
        printf("%s\n", s);
        printf("%s\n", t);
    }
          

    Observe que duas strings são declaradas e usadas neste exemplo.

  • Você pode visualizar isso da seguinte maneira:

    

  • Podemos melhorar ainda mais este código. Modifique-o da seguinte maneira:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void)
    {
        string words[2];
    
        words[0] = "HI!";
        words[1] = "BYE!";
    
        printf("%s\n", words[0]);
        printf("%s\n", words[1]);
    }
          

    Observe que ambas as strings são armazenadas dentro de um único array do tipo string.

  • Um problema comum na programação, e talvez mais especificamente em C, é descobrir o comprimento de um array. Como poderíamos implementar isso em código? Digite code length.c na janela do terminal e codifique como segue:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void)
    {
        // Prompt for user's name
        string name = get_string("Name: ");
    
        // Count number of characters up until '\0' (aka NUL)
        int n = 0;
        while (name[n] != '\0')
        {
            n++;
        }
        printf("%i\n", n);
    }
          

    Observe que este código faz um loop até que o caractere NUL seja encontrado.

  • Já que este é um problema tão comum na programação, outros programadores criaram código na biblioteca string.h para encontrar o comprimento de uma string. Você pode encontrar o comprimento de uma string modificando seu código da seguinte maneira:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    int main(void)
    {
        // Prompt for user's name
        string name = get_string("Name: ");
        int length = strlen(name);
        printf("%i\n", length);
    }
          

    Notice that this code uses the string.h library, declared at the top of the file. Further, it uses a function from that library called strlen, which calculates the length of the string passed to it.

  • ctype.h is another library that is quite useful. Imagine we wanted to create a program that converted all lowercase characters to uppercase ones. In the terminal window type code uppercase.c and write code as follows:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    int main(void)
    {
        string s = get_string("Before: ");
        printf("After:  ");
        for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
        {
            if (s[i] >= 'a' && s[i] <= 'z')
            {
                printf("%c", s[i] - 32);
            }
            else
            {
                printf("%c", s[i]);
            }
        }
        printf("\n");
    }
          

    Observe que este código itera por cada valor na string. O programa analisa cada caractere. Se o caractere for minúsculo, ele subtrai o valor 32 dele para convertê-lo em maiúsculo.

  • Recordando nosso trabalho anterior da semana passada, você pode lembrar desta tabela de valores ASCII:

    

  • Quando um caractere minúsculo tem o valor 32 subtraído dele, resulta em uma versão maiúscula do mesmo caractere.

  • Embora o programa faça o que queremos, há uma maneira mais fácil usando a biblioteca ctype.h. Modifique seu programa da seguinte forma:

    #include <cs50.h>
    #include <ctype.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    int main(void)
    {
        string s = get_string("Before: ");
        printf("After:  ");
        for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
        {
            if (islower(s[i]))
            {
                printf("%c", toupper(s[i]));
            }
            else
            {
                printf("%c", s[i]);
            }
        }
        printf("\n");
    }
          

    Observe que o programa usa islower para detectar se cada caractere está em maiúsculo ou minúsculo. Em seguida, a função toupper é passada com s[i]. Cada caractere (se estiver em minúsculo) é convertido em maiúsculo.

  • Novamente, embora este programa faça o que é desejado, há uma oportunidade de melhoria. Como a documentação de ctype.h afirma, toupper é inteligente o suficiente para saber que, se receber como entrada uma letra que já esteja em maiúscula, simplesmente a ignorará. Portanto, não precisamos mais de nossa declaração if. Você pode simplificar esse código da seguinte maneira:

    #include <cs50.h>
    #include <ctype.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    int main(void)
    {
        string s = get_string("Before: ");
        printf("After:  ");
        for (int i = 0, n = strlen(s); i < n; i++)
        {
            printf("%c", toupper(s[i]));
        }
        printf("\n");
    }
          

    Observe que este código é bastante simplificado, removendo a declaração desnecessária do if.

  • Você pode ler sobre todas as capacidades da biblioteca ctype nas Páginas do Manual.

  Argumentos da Linha de Comando

  • Argumentos da linha de comando são aqueles argumentos que são passados ​​para o seu programa na linha de comando. Por exemplo, todas as declarações que você digitou após o clang são considerados argumentos da linha de comando. Você pode usar esses argumentos em seus próprios programas!

  • Na janela do seu terminal, digite code greet.c e escreva o código da seguinte forma:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void)
    {
        string name = get_string("What's your name? ");
        printf("hello, %s\n", name);
    }
          

    Observe que isso imprime hello para o usuário.

  • No entanto, não seria legal poder passar argumentos antes mesmo do programa ser executado? Modifique o seu código da seguinte forma:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(int argc, string argv[])
    {
        if (argc == 2)
        {
            printf("hello, %s\n", argv[1]);
        }
        else
        {
            printf("hello, world\n");
        }
    }  
          

    Observe que este programa conhece tanto argc, o número de argumentos na linha de comando, quanto argv, que é um array de caracteres passados como argumentos na linha de comando.

  • Portanto, usando a sintaxe deste programa, executar ./greet Aldo resultaria no programa dizendo hello, Aldo.

  Status de Saída

  • Quando um programa termina, um código de saída especial é fornecido ao computador.
  • Quando um programa sai sem erro, um código de status 0 é fornecido ao computador. Frequentemente, quando ocorre um erro que resulta no término do programa, um status de 1 é fornecido pelo computador.

  • Você pode escrever um programa da seguinte forma que ilustra isso digitando código status.c e escrevendo o código como segue:

    #include <cs50.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(int argc, string argv[])
    {
        if (argc != 2)
        {
            printf("Missing command-line argument\n");
            return 1;
        }
        printf("hello, %s\n", argv[1]);
        return 0;
    }
      

    Observe que se você não fornecer ./status Aldo, você receberá um status de saída de 1. No entanto, se você fornecer ./status Aldo, você receberá um status de saída de 0.

  • Você pode imaginar como poderia usar partes do programa acima para verificar se um usuário forneceu o número correto de argumentos de linha de comando.

  Criptografia

  • Criptografia é a arte de cifrar e decifrar uma mensagem.

  • plaintext e uma key são fornecidos a um cipher, resultando em texto cifrado.

    

  • A chave é um argumento especial passado ao cipher junto com o plaintext. O cipher usa a chave para tomar decisões sobre como implementar seu algoritmo de cifra.

  Resumindo

  Nesta lição, você aprendeu mais detalhes sobre compilação e como os dados são armazenados dentro de um computador. Especificamente, você aprendeu...

  • De maneira geral, como um compilador funciona.
  • Como depurar seu código usando quatro métodos.
  • Como utilizar arrays em seu código.
  • Como os arrays armazenam dados em porções consecutivas de memória.
  • Como strings são simplesmente arrays de caracteres.
  • Como interagir com arrays em seu código.
  • Como argumentos de linha de comando podem ser passados para seus programas.
  • Os blocos básicos da criptografia.

  Até a próxima!