Algorithmes et C appliqués aux Systèmes Numériques
Les pointeurs, les structures et les fonctions

John Samuel
CPE Lyon

Année: 2019-2020
Courriel: john(dot)samuel(at)cpe(dot)fr

Objectifs

• Les pointeurs
• Les structures
• Les unions
• Introduction aux fonctions

Architecture

• 16 bits: E.g., Intel C8086
• 32 bits: E.g., Intel 80386,Intel Pentium II/III, AMD Athlon
• 64 bits: E.g., AMD Athlon 64, Intel Core 2

Une architecture n-bit peut adresser une mémoire de taille 2ⁿ.

Architecture

• 16 bits: 65,536 adresses (octets)
• 32 bits: 4 Gio (2³²:4,294,967,295)adresses (octets)
• 64 bits: 16 Eio (2⁶⁴) adresses (octets)

La capacité de la mémoire vive d'un ordinateur est de 4GO, 8GO, 16GO etc.

Mémoire virtuelle

• Mémoire virtuelle permet l'utilisation de la mémoire de masse comme extension de la mémoire vive.
• Adresses: Les adresses virtuelles et les adresses physiques
  • Les adresses virtuelles sont utilisées par un programme
  • Les adresses physiques sont utilisées par une puce mémoire
• L'unité de gestion mémoire traduit des adresses virtuelles en adresses physiques.

Dans une représentation binaire donnée,

• Le bit de poids fort (MSB): le bit qui représente la plus grande puissance de 2

• Le bit de poids faible (LSB): le bit qui représente la plus petite puissance de 2

Dans une représentation binaire donnée (16 bit),

Endianness (Boutisme)

est l'ordre dans lequel les octets sont organisés en mémoire.

• Big-endian (grand-boutiste)
• Little-endian (petit-boutiste)

Remarque: On va utiliser petit-boutiste dans notre cours

char c = 'a';
char *my_char_addr = &c;


Remarque: my_char_addr = 0xab71

short s = 0xa478;
short *my_short_addr = &s;


Remarque: my_short_addr = 0xab71

int i = 0xa47865ff;
int *my_int_addr = &i;


Remarque: my_int_addr = 0xab71

long int li = 0xa47865ff;
long int *my_long_int_addr = &li;


Remarque: my_long_int_addr = 0xab71

float (32-bit)

• signe: bit 31
• exposant: bits 23-30
• mantisse: bits 0-22

Remarque: IEEE 754

double (64-bit)

• signe: bit 63
• exposant: bits 52-62
• mantisse: bits 0-51

Remarque: IEEE 754

float f = 2;
float *my_float_addr = &f;


Remarque: my_float_addr = 0xab71

float f = 1;
float *my_float_addr = &f;


Remarque: my_float_addr = 0xab71

double d = 2;
double *my_double_addr = &d;


Remarque: my_double_addr = 0xab71

double d = 2;
double *my_double_addr = &d;


Remarque: my_double_addr = 0xab71

Type	Code de conversion
pointeur	%p


  printf("char : %p\n", my_char_addr);
  printf("short : %p\n", my_short_addr);
  printf("int : %p\n", my_int_addr);
  printf("long int : %p\n", my_long_int_addr);
  printf("float : %p\n", my_float_addr);
  printf("double : %p\n", my_double_addr);

L'opérateur de déréférenciation * désigne l'objet pointé par un pointeur

char c = 'a';
char *my_char_addr = &c;
printf ("%c", *my_char_addr);


L'opérateur * est utilisé pour manipuler un objet pointé

Exemple

char c = 'a';
char *my_char_addr = &c;
c = 'b';
*my_char_addr = 'c';
printf ("%c", c);


Résultat

c //le caractère pointé par my_char_addr prend la valeur 'c'

L'opérateur * est utilisé pour manipuler un objet pointé

Exemple

int i = 0x20;
int *my_int_addr = &i;
*my_int_addr = 1;
*my_int_addr = *my_int_addr + 1; //i = 0x2
i = i + 3; //i = 0x5
printf ("%x", *my_int_addr);


Résultat

5

Un tableau est un ensemble d'éléments homogènes.

char a[8] = {0xff,0x65,0x78,
 0xa4,0x0,0x0,0x0,0x0};
char *ptr = &a[0];


char a[8] = {0xff,0x65,0x78,
 0xa4,0x0,0x0,0x0,0x0};
char *ptr = &a[0];
ptr = ptr + 1;


short s[4] = {0x65ff,0xa478}
short *sptr = &s[0];


short s[4] = {0x65ff,0xa478}
short *sptr = &s[0];
sptr = sptr + 1;


Remarque: Notez-bien la position de sptr.

Imaginez les trois variables suivantes: int *iptr, float *fptr, double *dptr . Elles ont toutes la même valeur (0x4).

iptr = iptr + 2;
fptr = fptr + 2;
dptr = dptr + 2;


Donnez les valeurs de iptr, fptr, dptr.

short s[4] = {0x65ff,0xa478}
short *sptr = &s[0];


ou

short *sptr = s;


short s[4] = {0x65ff,0xa478}
short *sptr = s;


printf( "%hd", *(sptr+3))


ou

printf( "%hd", *(s+3))


ou

printf( "%hd", s[3])


ou

printf( "%hd", sptr[3])


short s[2] = {0x65ff,0xa478}


Les notations équivalents

Notation indicielle	Notation pointeur
&s[0]	s
&s[i]	s+i
s[0]	*s
s[i]	*(s+i)

short *sptr1, *sptr2;

Opérateur	Exemple
pointeur + entier	sptr1 + 2
pointeur - entier	sptr1 - 2
pointeur1 - pointeur2	sptr1 - sptr2

void *

char a = 'a';
char *cptr = &a;
int i = 1;
cptr = &i;

$ gcc ...
warning: assignment from incompatible pointer type [-Wincompatible-pointer-types]
cptr = &i;

void *

char a = 'a';
char *cptr = &a;
void *vptr = &a;

int i = 1;
vptr = &i;

float f = 1;
vptr = &f;



Sans perte d'information

• char-> short
• short-> int
• int-> long int
• int-> float

Exemple

short s = 0xffff;
int i = s


Remarque: N'oubliez pas d'utiliser sizeof.

Les conversions explicites

short s = 0xffff;
float f = 30.999;
int i = (int) s;
int j = (int) f;


Remarque: Une conversion explicite (typecasting): (type)

void *

char a = 'a';
char b = 'b';
char *cptr = &a;
void *vptr = &b;

cptr = (char *)vptr;



Écrivez un programme en utilisant char * et les opérateurs de pointeurs pour voir les octets d'une variable long int.

Tableau

est un ensemble d'éléments homogènes

Mais comment travailler avec un ensemble d'éléments hétérogènes?

Base de données de gestion des étudiants

char prenom[135][30];
char nom[135][30];
char rue[135][30];
char ville[135][30];
short notes[135];



Question: Quelles sont les problèmes?

Une structure

est un ensemble d'éléments hétérogènes.

struct etudiant{
 char prenom[30];
 char nom[30];
 char rue[30];
 char ville[30];
 short notes;
};

La déclaration et l'utilisation d'une structure

struct etudiant dupont;

strcpy(dupont.prenom, "Dupont");
strcpy(dupont.nom, "Pierre");
strcpy(dupont.rue, "Boulevard du 11 novembre 1918");
strcpy(dupont.ville, "Villeurbanne");
dupont.notes = 19;

Tableaux de structures

struct etudiant etudiant_cpe[135];

strcpy(etudiant_cpe[0].prenom, "Dupont");
strcpy(etudiant_cpe[0].nom, "Pierre");
strcpy(etudiant_cpe[0].rue, "Boulevard du 11 novembre 1918");
strcpy(etudiant_cpe[0].ville, "Villeurbanne");
etudiant_cpe[0].notes = 19;

Une structure dans une structure

struct adresse{
 char rue[30];
 char ville[30];
};
struct etudiant{
 char prenom[30];
 char nom[30];
 struct adresse adresse;
 short notes;
};

Une structure dans une structure

struct etudiant{
 char prenom[30];
 char nom[30];
 struct adresse{
  char rue[30];
  char ville[30];
 } adresse;
 short notes;
};

Une structure dans une structure

struct etudiant etudiant_cpe[135];

strcpy(etudiant_cpe[0].prenom, "Dupont");
strcpy(etudiant_cpe[0].nom, "Pierre");
strcpy(etudiant_cpe[0].adresse.rue, "Boulevard du 11 novembre 1918");
strcpy(etudiant_cpe[0].adresse.ville, "Villeurbanne");
etudiant_cpe[0].notes = 19;

Créer (et Renommer) un type

typedef struct etudiant{
 char prenom[30];
 char nom[30];
 struct adresse{
  char rue[30];
  char ville[30];
 } adresse;
 short notes;
} etudiant;

La déclaration

etudiant dupont;

Renommer un type

typedef int integer;
integer i = 10;

/* Fichier: bonjour2.c
* affiche un message à l'écran en utilisant un variable
* auteur: John Samuel
* Ceci est un commentaire sur plusieurs lignes
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)

int main() {
  int year = 2017; //déclaration d'un variable
  printf("Bonjour le Monde!!! C'est l'annee %d", year);
  return 0;
}

Prototype

int add( int, int);

L'implémentation

int add( int a, int b ) {
 return a + b;
}

Prototype (operators.h)

int add( int, int);

L'implémentation (operators.c)

int add( int a, int b ) {
 return a + b;
}

Prototype

type fonction( [type,]*);

L'implémentation

type fonction( [type variable,]*) {
 [return valeur];
}

Remarque: type: void, les types de base, les types composés

L'utilisation

#include "operators.h" // en-têtes(headers)

int num1 = 20, num2 = 60;
int sum = add( num1, num2);


Remarque: Regardez l'utilisation de " " dans en-têtes

Prototype (nom.h)

void print( char *, int);

L'implémentation (nom.c)

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)

void print( char * nom, int size ) {
 int i;
 for( i = 0; i < size; i++) {
   printf( "%c", nom[i]);
 }
}

Remarque: Il n'y a pas de return

/* Fichier: bonjour3.c
* affiche un message à l'écran en utilisant print
* auteur: John Samuel
*/

#include "nom.h" // en-têtes(headers)

int main() {
 print( "Bonjour le Monde!!!");
 char message[] = "Pierre";
 print("Je suis ");
 print(message);
 return 0;
}

La compilation

$ gcc -o bonjour bonjour3.c nom.c

L'exécution

$./bonjour
Bonjour le Monde!!! Je suis Pierre

Remarque: un seul fichier C peut avoir une fonction nommée 'main'.

Les outils Linux

• $ ls -l
• $ cd dossier
• $ cat fichier
• ..

/* Fichier: bonjour4.c
* affiche un message à l'écran en utilisant les arguments de la ligne de commandes.
* auteur: John Samuel
*/

#include "nom.h" // en-têtes(headers)

int main(int argc, char ** argv) {
 print("Bonjour le Monde. Je suis ");
 print(argv[1]);
 print(argv[2]);
 print(argv[3]);
 print(argv[4]);
 return 0;
}

La compilation

$ gcc -o bonjour bonjour4.c nom.c

L'exécution

$./bonjour Pierre Dupont Lyon 69001
Bonjour le Monde. Je suis Pierre Dupont Lyon 69001

/* Fichier: bonjour4.c
* affiche un message à l'écran en utilisant les arguments de la ligne de commandes.
* auteur: John Samuel
*/

#include "nom.h" // en-têtes(headers)

int main(int argc, char ** argv) {
 print("Bonjour le Monde. Je suis ");
 if ( argc == 2 ) {
  print(argv[1]);
 }
 return 0;
}

Remarque: argv[0] est toujours le nom de la fichier exécutable (e.g., bonjour)

/* Fichier: addition.c
* affichage de la somme des nombres saisis par l'utilisateur
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)

int main(int argc, char ** argv) {
 int num1, num2;
 printf("Tapez numéro 1");
 scanf("%d", &num1);
 printf("Tapez numéro 2");
 scanf("%d", &num2);
 printf("La somme: %d\n", num1 + num2);
 return 0;
}

Remarque: Regardez l'opérateur &.

/* Fichier: addition.c
* affiche la somme de deux numéros saisis par l'utilisateur
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)

int main(int argc, char ** argv) {
 int num1, num2;
 printf("Tapez deux numéros: ");
 scanf("%d %d", &num1, &num2);
 printf("La somme: %d\n", num1 + num2);
 return 0;
}

Remarque: Regardez l'opérateur &.

/* Fichier: bonjour5.c
* affiche un message à l'écran en utilisant scanf.
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)

int main(int argc, char ** argv) {
 char nom[50];
 printf("Bonjour. Votre nom? ");
 scanf("%s", nom);
 printf("Bonjour %s!", nom);
 return 0;
}

Remarque: Regardez s sans l'opérateur &.

Mots clés	Code de conversion
char	c
unsigned char	hhu
short	hd
unsigned short	hu
int	d, i
unsigned int	u
long int	ld
unsigned long int	lu

Mots clés	Code de conversion
long long int	lld
unsigned long long int	llu
float	f, F
double	g, G
long double	Lg
string of characters	s

/* Fichier: fgets-message.c
* affichage d'une phrase entrée par un utilisateur
* la phrase peut contenir un espace
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)

int main(int argc, char ** argv) {
 char message[50];
 printf("Tapez votre message: ");
 fgets(message, sizeof(message), stdin);
 printf("Votre message: %s\n", message);
 return 0;
}

Remarque: Regardez le paramètre stdin.

$ man ls
$ man 3 scanf
$ man 3 printf
$ man 2 open
$ man fopen
..

NAME
 scanf
 ...
SYNOPSIS
 ...
DESCRIPTION
 ...
RETURN VALUE
 ...
..

/* Fichier: string.c
* manipulation d'une chaine de caractères.
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char nom[10];
 printf("Bonjour. Votre nom? ");
 scanf("%s", nom);
 printf("La taille: %lu\n", strlen(nom));
 return 0;
}

Remarque: strlen calcule la taille d'une chaine de caractères.

La compilation

$ gcc -o strlen string.c

1^ere Exécution

$./strlen
Bonjour. Votre nom? John
La taille: 4


2^eme Exécution

$./strlen
Bonjour. Votre nom? : ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
*** stack smashing detected ***: ./strlen terminated


/* Fichier: string.c
* manipulation d'une chaine de caractères.
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char nom[10];
 printf("Bonjour. Votre nom? ");
 scanf("%9s", nom);
 printf("La taille: %lu\n", strnlen(nom, 10));
 return 0;
}

Remarque: strnlen calcule la taille d'une chaine de caractères (taille maximum).

/* Fichier: string.c
* sprintf.
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char nom[10];
 printf("Bonjour. Votre nom? ");
 scanf("%9s", nom);
 printf("La taille: %lu\n", strnlen(nom, 10));
 return 0;
}

Remarque: strnlen calcule la taille d'une chaine de caractères (taille maximum).

/* Fichier: string.c
* sprintf.
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char nom[10];
 printf("Bonjour. Votre nom? ");
 scanf("%9s", nom);
 printf("La taille: %lu\n", strnlen(nom, 10));
 return 0;
}

Remarque: strnlen calcule la taille d'une chaine de caractères (taille maximum).

/* Fichier: string.c
* atoi
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char numstr[10] = "1024";
 int num = atoi(numstr);
 printf("Numéro: %d", num);
 return 0;
}

/* Fichier: string.c
* sscanf
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 int inum1, inum2;
 float fnum3 = 20;
 char numstr[10] = "10 20 30.33";
 sscanf(numstr, "%d %d %f", &inum1, &inum2, &fnum3);
 printf("Numéros: %d %d %f\n", inum1, inum2, fnum3);
 return 0;
}

/* Fichier: string.c
* sscanf
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 int inum1, inum2;
 float fnum3 = 20;
 char numstr[10] = "10;20;30.33";
 sscanf(numstr, "%d;%d;%f", &inum1, &inum2, &fnum3);
 printf("Numéros: %d %d %f\n", inum1, inum2, fnum3);
 return 0;
}

La compilation

$ gcc -o strnlen string2.c

1^ere Exécution

$./strnlen
Bonjour. Votre nom? John
La taille: 4


• strcat concatene deux chaines de caractères
• strncat concatene deux chaines de caractères avec une taille maximum donnée par l'utilisateur.
• strcpy copie deux chaines de caractères
• strncpy copie deux chaines de caractères avec une taille maximum donnée par l'utilisateur
• strcmp compare deux chaines de caractères
• strncmp compare deux chaines de caractères avec une taille maximum donnée par l'utilisateur

/* Fichier: string3.c
* manipulation d'une chaine de caractères.
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char message[]= {"Bonjour"}, nom[]= {"John"}, string[20] = "";
 strncat(string, message, 19);
 strcat(string, " ");
 strncat(string, nom, 19);
 printf("%s", message));
 return 0;
}

/* Fichier: string4.c
* manipulation d'une chaine de caractères.
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <string.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char message[]= {"Bonjour"}, nom[]= {"John"}, string[20] = "";
 strncpy(string, message, 19);
 strcpy(string, " ");
 strncpy(string, nom, 19);
 printf("%s", message));
 return 0;
}

La compilation

$ gcc -o strncat string3.c
$ gcc -o strncpy string4.c

1^ere Exécution

$./strncat
Bonjour John


2^eme Exécution

$./strncpy
John


/* Fichier: file.c
* Lecture d'un fichier
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char content[1000];
 int fd, count, size;

 fd = open ("./file.c", O_RDONLY);
 size = read(fd, content, 1000);
 for (count = 0; count < size; count ++) {
  printf("%c", content[count]);
 }
 close(fd);
 return 0;
}

/* Fichier: file.c
* Lecture d'un fichier
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char content;
 int fd, count, size;
 fd = open ("./file.c", O_RDONLY);
 while (1) {
  size = read(fd, &content, 1);
  if (size < 1) {
   break;
  }
  printf("%c", content);
 }
 close(fd);
 return 0;
}

/* Fichier: file.c
* Écriture dans un fichier en mode ajout
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char content[] = "Bonjour";
 int fd, count, size;

 fd = open ("./message.txt", O_CREAT|O_WRONLY, S_IRUSR|S_IWUSR);
 size = write(fd, content, sizeof(content));
 close(fd);
 return 0;
}

/* Fichier: file.c
* Écriture dans un fichier en mode ajout
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char content[] = "Bonjour";
 int fd, count, size;

 fd = open ("./message.txt", O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND, S_IRUSR|S_IWUSR);
 size = write(fd, content, sizeof(content));
 close(fd);
 return 0;
}

#include <stdlib.h>

void * malloc( size_t size);
void * calloc( size_t nmemb, size_t size);
void free( void * ptr); // désallocation ou libération de mémoire


/* Fichier: memory.c
* Allocation dynamique de mémoire
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char *content = malloc(10 * sizeof(char));
 strncat(content, "Bonjour", 10);
 free(content); //libération de mémoire
 return 0;
}

/* Fichier: memory.c
* Allocation dynamique de mémoire
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 char *content = calloc(10, sizeof(char));
 strncat(content, "Bonjour", 10);
 free(content); // libération de mémoire
 return 0;
}

Écrivez un programme qui réserve et libère un espace mémoire pour un tableau d'entiers (int, long int, short ou long long int) et un tableau de nombres en flottant (float, double ou long double) en utilisant malloc, calloc et free.

Une union

est declarée comme une structure.

union etudiant{
 char prenom[30];
 char nom[30];
 char rue[30];
 char ville[30];
};

Remarque: La taille d'une union est égale la taille du élément plus grand.

La déclaration et l'utilisation d'une union

union etudiant dupont;

strcpy(dupont.nom, "Dupont");
printf("%s", dupont.prenom);
printf("%s", dupont.rue);
printf("%s", dupont.ville);


L'affichage

Dupont
Dupont
Dupont


Remarque: Tous les élements partagent la même espace de mémoire.

struct content{
 char type[30];
  union{
  char * ccontent;
  int * icontent;
  float * fcontent;
 };
};

/* Fichier: memory3.c
* Allocation dynamique de mémoire
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char ** argv) {
 struct content c;
 strcpy(c.type, "char", 10);
 if (strcmp(c.type, "char") == 0) {
   c.ccontent = calloc(10, sizeof(char));
 }
 else if (strcmp(c.type, "int") == 0) {
   c.icontent = calloc(10, sizeof(int));
 }
 return 0;
}

union point3d{
 int value[3];
  struct{
  int x;
  int y;
  int Z;
 };
};

/* Fichier: union.c
* la déclaration et l'utilisation d'une union
* auteur: John Samuel
*/

#include <stdio.h> // en-têtes(headers)

int main(int argc, char ** argv) {
 union point3d p;
 p.value[0] = 0x10;
 p.value[1] = 0x45;
 p.value[2] = 0x78;

 printf("%x %x %x\n", p.x, p.y, p.z);
 return 0;
}

Écrivez une structure pour la répresentation d'une couleur RGB (rouge, vert, bleu: chaque couleur prend un octet) en utilisant union et struct.

Références

• Langage C, Claude Delannoy
• https://fr.wikipedia.org/wiki/Architecture_32_bits
• https://en.wikipedia.org/wiki/X86
• https://fr.wikipedia.org/wiki/Endianness
• https://fr.wikipedia.org/wiki/IEEE_754

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