Tällä sivulla otetaan ensiaskelet Ohjelmoinnin alkeiden tutusta ja turvallisesta Pythonista kohti uusia valloituksia: C-ohjelmointikieltä. Samalla kerrotaan hieman tästä kurssista ja sen suhteesta ohjelmoinnin alkeisiin sekä tietenkin C-kieleen työkaluna.

Tällä kertaa tarkoitus on oppia miten C-kieli liittyy tähän kurssiin ja miksi ylipäätään on katsottu tarpeelliseksi vaihtaa kieltä. Keskeistä opittavaa ovat näiden kielten periaatteelliseet erot, jotka vaikuttavat vahvasti ohjelmointikokemukseen. Lisäksi opimme ensimmäiset erot näiden kahden kielen välillä.

Ennen kielten väliseen vertailuun ryhtymistä on tarpeen kertoa hieman lisää siitä mikä on tämän kurssin, ohjelmoinnin ja C-kielen suhde.

Ihan alkuun on hyvä korostaa, että tämä kurssi jatkaa siitä mihin Ohjelmoinnin alkeet jäi. Oletuksena on siis, että ohjelmoinnin perusasiat ovat jo kunnossa eikä niitä ole tarkoitus käydä uudestaan läpi. Kertausta materiaaliin on jonkin verran päätynyt, mutta pääasiassa sen tarkoitus on palautella mieliin miten asiat toimivat Pythonissa, jotta voidaan sitä kautta korostaa miten C-kielessä niitä käsitellään eri tavalla. Jos siis jokin osa-alue tuntuu täysin vieraalta, kertausta kannattaa hakea Ohjelmoinnin alkeiden materiaalista. Asiakokonaisuuksien etenemisjärjestys on suurinpiirtein sama, ja joka käänteessä keskitytään siihen miten ennestään tutut asiat kääntyvät C-kielelle.

Toinen tärkeä korostus on se, että tällä kurssilla C toimii työvälineenä jota tarvitaan, jotta päästään kiinni kurssin varsinaiseen sisältöön. C:tä opetetaan siis nimenomaan laiteläheisen ohjelmoinnin näkökulmasta. Kurssilla siis sivutaan paljon sellaisia C-kieleen liittyviä asioita, jotka ovat lähinnä relevantteja kun ohjelmoidaan suuria ohjelmistoja tietokoneille. C-kielen standardeja materiaalissa sivutaan, silloin kun se on tarkoituksemukaista.

Tämä kurssi yhdistää kaksi vanhaa kurssia: Laiteläheinen ohjelmointi ja Tietokonetekniikka - näistä osista jälkimmäinen tosin näkyy vain 8 opintopisteen version suorittajille. Osio jota luet juuri nyt kuuluu 5 opintopisteen osaan, eli menee kokonaan tuon vanhan Laiteläheinen ohjelmointi -otsikon alle. Luennoilla puhutaan tästä laiteläheisyydestä paljon tarkemmin, mutta todettakoon tässä pikaselityksenä: tällä kurssilla puljataan selkeästi ohjelmoinnin alkeita syvemmällä ja vieläpä siten, että keskitytään pieniin laitteisiin, joissa on rajallisesti prosessoritehoa ja muistia (toki tietokoneissakin on rajallisesti, mutta käytännössä kuitenkin resursseja on niin paljon, että niistä ei tarvitse huolehtia). C tarjoaa työkalut joilla voimme paremmin hallita järjestelmän käyttöä ja päästä tarpeen mukaan työntämään sorkat suoraan tietokoneen ja matalan tason toimintaan.

Se mitä tämä tarkempi hallinta ja muistin sörkkiminen käytännössä tarkoittavat ja miten ne tapahtuvat selviää vähitellen materiaalin edetessä. Tässä vaiheessa voidaan lähinnä muistuttaa eräästä peukalosäännöstä: mitä tarkemman hallinnan jokin työkalu tarjoaa, sitä enemmän sen kanssa joutuu likaamaan käsiään.

Tässä osiossa käydään läpi kielten välisiä perusteellisia eroja. Tarkoitus ei ole vielä tässä vaiheessa täysin sisäistää mitä nämä erot tarkoittavat käytännön ohjelmointikokemuksen kannalta, mutta niiden olemassaolo on hyvä tiedostaa heti alkuun. On myös hyvä muistaa, että vaikka erot saattavat kuulostaa jokseenkin semanttisilta, niillä on pääasiassa - erityisesti laiteläheisessä ohjelmoinnissa - hyvin vahva vaikutus siihen miten ohjelmia kirjoitetaan. Nämä eroavaisuudet myös toivon mukaan avaavat näkemystä siihen miksi Python valikoitui alkeiskurssin kieleksi, mutta vaihtuu nyt C:hen. Äärimmäisen tiivistettynä Pythonissa on paljon ohjelmointia mukavoittavaa automaatiota, jolloin likaisten yksityiskohtien kanssa joutuu räpeltämään vähemmän. Hintana on kuitenkin suorituskyky (jolla ei nykytietokoneiden kanssa ole juuri merkitystä) ja tarkemman hallinnan puute (jolle ei tietokoneille ohjelmoitaessa yleensä ole tarvetta).

Ohjelmoinnin alkeissa puhuttiin toistuvasti , ohjelmasta joka suorittaa Python-koodia. Tällä kurssilla ei tämän osion jälkeen erityisemmin tulkista puhuta, koska C-kieltä ei tulkata - sitä . Oli kieli mikä tahansa, ennen pitkää kaikki koodi päätyy tavalla tai toisella muotoon. Tämä kieli muodostuu käskyistä, jotka löytyvät prosessorin . Tämä käskykanta on ihmisen näkökulmasta varsin rajallinen, mutta silläkin on ohjelmoitu - ja ohjelmoidaan erikoistapauksissa edelleen, mistä kurssin jälkipuoliskolle osallistuvatkin pääsevät nauttimaan. Ohjelmointikielet ovat käytännössä konekielen päälle rakennettuja , jotka tarjoavat ihmisystävällisemmän kokoelman käskyjä. Sekä kääntäminen että tulkkaaminen ovat kumpikin prosesseja, joilla ohjelmointikielellä kirjoitettu koodi käännetään prosessorille lähettävälle konekielelle. Sanavalinnat eivät ole sattumaa - niiden analogiset vastineet kuvaavat hyvin prosessien eroja. Kuten oikeassakin elämässä, kun kieltä käännetään, koko teksti käännetään kerralla jonka jälkeen lähettää valmiin tuotoksen eteenpäin. Vastaavasti tulkkaaminen tapahtuu reaaliajassa - käännettävät lauseet tulkataan yksi kerrallaan sitä mukaa kun niitä tulee ulos.

Tulkkauksen luonne ilmenee erityisen hyvin kun käytetään Pythonin : jokaisen kirjoitetun koodirivin lopputulos saadaan heti:

>>> 5 + 5
10
>>>

Toinen selkeä ilmenemistapa on se, että virheellinen Python-ohjelma usein suorittuu johonkin pisteeseen asti ennen kaatumista - siis toimii osittain. Erityisesti aloittelijan näkökulmasta tämä on hyödyllistä, koska viallisen ohjelman toimintaa voi tutkia helposti. Tulkkaamisen varjopuolena on kuitenkin se, että koska konekieltä tuotetaan ns. lennosta, siihen kuluu suorituksen aikana. Toiseksi tulkatessa täytyy varautua siihen, että seuraava koodirivi voi olla ihan mitä tahansa. Myös tämä varautuminen vaatii resursseja. Testiajossa alla oleva äärimmäisen yksinkertainen Python-ohjelma kulutti 8 megatavua :

input(": ")

Parikymmentä vuotta sitten 8 megatavua olisi ollut tietokoneen koko keskusmuistin koko. Suurin osa tästä muistista menee Pythonin ajonaikaisen ympäristön käyttöön. Siihen kuuluvat tulkki sekä muut Python-ohjelmien suorittamiseen tarvittavat mekanismit. Tätä ylimääräistä muistinkulutusta havainnollistaa se, että esimerkkimiinaharava ei käytä juuri enempää muistia kuin yllä oleva äärimmäisen yksinkertainen ohjelma. Pythonin suorituskykyä voidaan erilaisilla työkaluilla ja toteutuksilla (esim. PyPy), mutta se ei ole tämän kurssin kannalta kovin relevanttia.

kanssa elämä on varsin erilaista. Tällöin ohjelman suorittamiseen liittyy kaksi erillistä vaihetta. Ensin koodi ajetaan kääntäjän läpi, jolloin tuloksena syntyy , joka sisältää suoritettavan ohjelman. Suoritettava ohjelma sisältää koodin muodossa, jonka prosessori voi suorittaa suoraan. Käännetty C-ohjelma ei tarvitse tulkkia suorituksen aikana, joten sen ajonaikainen kuormitus voi olla huomattavasti pienempi.

Suorituksen aikana voi myös tulla vastaan vähemmän sellaisia virheitä, jotka havaitaan vasta ohjelmaa ajettaessa, koska kääntäjä on analysoinut lähdekoodin ennen suoritettavan ohjelman muodostamista. On kuitenkin hyvä muistaa, että onnistuneesti käännetty ohjelma voi silti sisältää ajonaikaisia virheitä ja loogisia virheitä. Kääntäjät voivat myös tehdä optimointeja kääntäjän asetuksista riippuen, koska koko ohjelma on tiedossa ennen suoritusta. Yllä olevaa Python-esimerkkiä vastaava C-ohjelma käytti vain 640 kilotavua muistia kirjoittajan virtuaali-Ubuntussa ajettuna. Sen koodia voidaan katsoa hieman myöhemmin.

Kääntäjän kanssa virheiden etsintä ja ratkominen muuttuu oleellisesti. Useimmiten viallista koodia ei voi lainkaan suorittaa, koska se hylätään jo käännösvaiheessa. Tällöin virhe ja tapa jolla se korjataan täytyy osata lukea kääntäjän antamista . Se, että ohjelma kääntyy ei kuitenkaan tarkoita etteikö se voisi mennä rikki myös käytössä. Virheviestien lisäksi kääntäjä antaa potentiaalisista ongelmista. Yleensä myös nämä on syytä korjata ennen ohjelman suoritusta, mutta sekään ei takaa ohjelman toimivuutta. Loppujen lopuksi koodia siis täytyy joka tapauksessa testata myös kääntämisen jälkeen. Tällöin testaamiseen tulee aina ylimääräinen työvaihe, kun koodi pitää jokaisen muutoksen jälkeen kääntää uudestaan. Jos ohjelma on suurempi kokonaisuus, kääntämiseen kuluu havaittava määrä aikaa. Yhden asian voi tässä vaiheessa sanoa varmuudella: kaikkeen tähän tutustutaan kurssin aikana useaan otteeseen.

Python on monien asioiden suhteen varsin avoin. Kuten toivoin mukaan muistamme, Pythonille ominainen tapa käsitellä oli "kokeile ensin, kadu myöhemmin". Python on dynaamisesti tyypitetty. Tämä tarkoittaa sitä, että sama muuttuja voi eri tilanteissa viitata erityyppisiin arvoihin. Tyyppi kuuluu arvolle, eikä se ole pysyvästi sidottu itse muuttujaan, ja se tarkistetaan ohjelman suorituksen aikana. Tämän vuoksi Pythonissa käytetään usein myös : monissa tilanteissa arvon tarkkaa tyyppiä tärkeämpää on se, tukeeko arvo tarvittavia operaatioita. Jos eläin kävelee kuin ankka, ui kuin ankka ja ääntelee kuin ankka, sitä voidaan käsitellä ankkana riippumatta siitä, onko se oikeasti ankka.

Esimerkiksi matemaattista saattaa kiinnostaa ainoastaan se, voidaanko sille annetuilla argumenteilla suorittaa tarvittava laskutoimitus, eikä niiden tarkka tyyppi. Saatat myös muistaa, että Pythonin muuttujilla itsellään ei ole kiinteää tyyppiä. Muuttuja voi viitata yhdessä vaiheessa merkkijonoon ja toisessa vaiheessa listaan:

>>> rivi = "aasi,svengaa,5,10.0"
>>> rivi = rivi.split(",")

C taas on . Tämä tarkoittaa sitä, että jokaisen muuttujan tyyppi täytyy määritellä koodissa. Tämä pätee myös ja funktioiden . varmistaa, että missään vaiheessa ei yritetä tunkea pyöreää palikkaa nelikulmaiseen reikään - ei vaikka se olisi niin pieni että mahtuisi. C:ssä muuttujan tyyppi ei muutu sen jälkeen, kun muuttuja on määritelty tietyn tyyppiseksi. Joskus arvoa täytyy kuitenkin käyttää eri tyyppisenä, esimerkiksi kun se annetaan funktion argumenttina. Tällöin arvo saatetaan joutua muuntamaan koodissa eksplisiittisesti toiseen tyyppiin, tai operaatio on laiton. Tavallisten muuttujien kohdalla tämä ero ei ole sinänsä yhtä merkittävä kuin edellinen, koska muuttujien käyttö on vain vähän kankeampaa ja vaatii vain hieman enemmän lisätyötä. Löytyy ohjelmoijia jotka ovat ehdottomasti tämän tiukemman tyypityksen kannalla ja heillä on siihen syynsäkin: se estää tietynlaiset mysteerivirheet joita syntyy, kun jotain luullaan alustavaksi ankaksi mutta myöhemmin osoittautuu että se olikin hanhi (ts. muuttujan sisältämällä arvolla olikin vain osa tarvituista ominaisuuksista - esimerkiksi monikko toimii joissain tilanteissa kuin lista, mutta ei kaikissa). Alla pari esimerkkiä muuttujan määrittelystä C:ssä, jossa näkyy tyypin määrittäminen.

int jalkojen_lkm = 4;
float korvien_vali = 30.15;

Valitettavasti asiat muuttuvat monimutkaisemmiksi, kun siirrytään yksinkertaisista tietotyypeistä . Pythonin erittäin joustavaa ei ole C:ssä samassa muodossa. Lähin perusrakenne on . Toisin kuin Pythonin listalla, C:n taulukolla on kiinteä määrä alkioita, ja kaikkien alkioiden on oltava samaa tyyppiä. Tähän on toki mahdollista kehittää erilaisia ratkaisuja, mutta ne eivät ole yksinkertaisia eivätkä yleensä yllä Pythonin listojen monipuolisuuden tasolle. Onneksi niitä ei tällä kurssilla juuri tarvita.

Tyypitykseen liittyy vielä yksi ero: Python-kurssilla painotettiin jatkuvasti, että ei sisällä arvoa, ainoastaan osoittaa siihen. Kaikki muuttujat toimivat siis samalla tavalla. C:ssä sen sijaan erotellaan toisistaan jotka sisältävät arvon, ja muuttujat jotka sisältävät arvoon. Tämä erottelu on yksi hankalimpia asioita oppia C-ohjelmoinnissa, koska sillä voi saada aikaan todella mystisiä virheitä kun käsitellään tietokoneen muistia suoraan, eikä muuttujien arvojen kautta. Siksipä paneudumme asiaan kunnolla sille varatussa materiaalissa.

Kenties vähäpätöisin ero ainakin ongelmanratkaisun kannalta on se, että C näyttää hieman erilaiselta kuin Python. Lähdetään helpoimmasta: C:ssä - eli yleensä yksittäiset koodirivit - päättyvät aina puolipisteeseen siinä missä Pythonissa ne yksinkertaisesti päättyivät rivinvaihtoon. osaa huomautella puuttuvista puolipisteistä varsin innokkaasti. Toinen ero liittyy merkitsemiseen. Pythonissa koodilohkot eroteltiin toisistaan sisennystason avulla. C:ssä sisennyksellä ei ole syntaksin kannalta merkitystä, ja koodilohkot merkitään sen sijaan aaltosulkeilla – eli kaikki aaltosulkeiden sisällä oleva kuuluu samaan lohkoon. Luonnollisesti lohkon sisällä voi olla uusia lohkoja. Aaltosulkeita käytetään sekä yhteydessä. Se, että sisennys ei ole merkitsevä ei tosin tarkoita etteikö sitä kannattaisi käyttää - Pythonista opitut sisennyskäytännöt tekevät C-koodista nimittäin huomattavasti luettavampaa. Muita hyvin pieniä eroja ovat mm. se, että ehtolauseissa ja vastaavissa ehdon ympärille tulee sulut ja että jotkut symbolit vaihtuvat.

C:ssä ei myöskään ole samalla tavalla kuin Pythonissa. Sen sijaan C:ssä on erityinen , josta ohjelman suoritus oletuksena alkaa. Yksinkertaisessa C-ohjelmassa on tästä syystä hieman enemmän tavaraa:

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("aasisvengaa!\n");
    return 0;
}

Vastaava ohjelma Pythonissa olisi ollut…

print("aasisvengaa")

Esimerkissä näkyy pari muutakin eroa. #include vastaa käyttötarkoitukseltaan jossain määrin Pythonin import-lausetta. Sitä tarvitaan, koska printf-funktio löytyy stdio- (standard input/output). Vastaavasti int main() on funktiomäärittely. Erillistä kuten Pythonin def ei C:ssä ole. Funktion määrittely tunnistetaan funktion määrittelyksi nimen perässä olevista suluista - muuten rivi näyttää samalta kuin määrittely - funktioiden määrittelyssä nimittäin kuuluu määrittää myös niiden tyyppi.

Ennen syvemmälle sukeltamista tähän esittelysivun loppuun on hyvä katsoa perusteet C-ohjelman suorituksesta. Kuten oli puhetta, Pythoniin verrattuna koodin "käynnistykseen" tulee uusi välivaihe: se paljon puhuttu kääntäminen. Työkaluna tässä on siis , joka tässä vaiheessa pitäisi olla asennettuna. Tässä materiaalissa kääntäjää ja ohjelmia suoritetaan alkeista tutussa . Esimerkkinä olkoon vaikka ylläoleva svengauskoodi. Tuttuun tapaan terminaalissa navigoidaan hakemistoon, jossa koodi sijaitsee. Sen jälkeen lausutaan tämä perusloitsu (Windowsissa):

C:\polku\johonkin>gcc -Wall -o svengaa.exe svengaa.c

…tai Linuxissa:

opiskelija@tietokone:~$ gcc -Wall -o svengaa svengaa.c

Tässä rimpsussa gcc on yksinkertaisesti kääntäjän nimi. Loput ovat sille annettuja komentoriviparametreja, joista viimeinen on lähdekooditiedoston nimi. Kolmas ja neljäs eli -o svengaa.exe kuuluvat yhteen: -o kertoo, että sitä seuraava parametri määrittää käännetylle ohjelmalle annettavan nimen. Lopuksi -Wall ottaa käyttöön laajan joukon kääntäjän varoituksia, jotka auttavat havaitsemaan mahdollisia ongelmia koodissa.

Linuxissa loitsu on muuten sama, mutta kohdetiedoston nimestä jätetään .exe pois - Linuxissa suoritettavilla tiedostoilla ei tyypillisesti ole lainkaan päätettä. Tämän jälkeen ohjelma voidaan suorittaa (Windowsissa):

C:\polku\johonkin>svengaa.exe
aasisvengaa!

…tai Linuxissa:

opiskelija@tietokone:~$ ./svengaa
aasisvengaa!

Kääntäjä on todella monimutkainen värkki ja -o on vain yksi sen todella lukuisista . Tällä kurssilla kääntäjän sielunelämään ei perehdytä kovinkaan tarkasti, mutta kuitenkin jonkin verran muitakin asetuslippuja nähtäneen käytössä.

Tällä kertaa lähinnä käytiin läpi C-kieltä hyvin yleisellä tasolla. Alleviivasimme joitain periaatteellisia tapoja joilla se eroaa Pythonista. Tarkoitus oli pääasiassa valmistautua tulevaan, ja näiden erojen merkitys avautuu paremmin kun päästään yksityiskohtiin. Kuitenkin näin aluksi on hyvä tiedostaa ylipäätään, että kyseessä todellakin on hieman erilainen eläin. Eipähän tule täysin yllätyksenä se, että asioita tehdään hieman eri tavalla. C-ohjelmoinnissa koodari joutuu hieman enemmän säätämään yksityiskohtien kanssa. Vastavuoroisesti koodari saa toisaalta myös lisää supervoimia, joilla hallita tietokoneen toimintaa.