Особая роль языка программирования Си состоит в том, что он, с одной стороны, позволяет писать для UNIX-систем практически столь же эффективный код, что и языки ассемблера, а с другой, является основным средством переноса программ между UNIX-системами. Можно сказать, что Си является машинно-независимым языком ассемблера для UNIX-систем. Это делает его основным средством написания эффективных и переносимых программ для этого класса вычислительных систем. Стандартизация языка сначала Американским национальным институтом стандартов (ANSI), а затем и Международной организацией по стандартам (ISO) закрепила эту роль, распространив ее и на персональные компьютеры. Будем ссылаться на версию языка Си, определенную стандартом, как на язык ANSI C.
Сказанное не означает, что любая программа, написанная на ANSI C и отлаженная в одной вычислительной системе (ВС), безусловно переносима на любую другую вычислительную систему, также имеющую компилятор языка Си, отвечающий требованиям ANSI. Однако, язык ANSI C определен таким образом, чтобы можно было писать программы, подвергающиеся минимальным изменениям при их переносе на другие вычислительные системы.
Программа на ANSI C переносима из исходной ВС в целевую, если она успешно компилируется в целевой ВС и ее работа функционально эквивалентна работе в исходной ВС.
На переносимость программы влияют особенности как аппаратного, так и программного окружения языка в исходной и в целевой ВС. Можно выделить четыре фактора, влияющих на переносимость программы:
Архитектура существенно влияет на семантику языка, а, следовательно, и на переносимость программных файлов. Во-первых, архитектура определяет множества значений арифметических типов, фиксируя тем самым семантику большинства операций языка. Во-вторых, от архитектуры, а именно, от системы команд, зависит интерпретация операций языка, остающихся недоопределенными даже после фиксирования множеств значений соответствующих типов. В-третьих, от архитектуры зависит схема размещения данных тех или иных типов в соответствующих элементах памяти.
Даже если программа удовлетворяет всем ограничениям ANSI C и прошла стадию компиляции в исходной ВС, может случиться, что в целевой ВС она эту стадию не пройдет из-за того, что некоторые метрические характеристики программы не удовлетворяют ограничениям, принятым в целевой ВС. Примерами таких характеристик являются: число уровней вложенностей составных операторов, операторов цикла и операторов выбора варианта; число описателей указателя, массива и функции, модифицирующих базовый тип в описании объекта; число выражений, вложенных друг в друга по круглым скобкам и т.п.
От алгоритмов работы компилятора зависит, например, порядок вычисления выражений, что влияет как на значения выражений, так и на вырабатываемый ими побочный эффект.
Наконец, семантика многих стандартных библиотечных функций (например, функций ввода/вывода) зависит от особенностей операционной системы.
Все перечисленные факторы учтены в определении ANSI C путем фиксирования неуточняемого (стандартом) поведения программ, неопределенного поведения программ и поведения программ, определяемого реализацией.
Неуточняемое поведение (unspecified behavior) - это поведение правильных программ с корректными данными в ситуациях, для которых стандарт не выдвигает никаких требований.
Неопределенное поведение (undefined behavior) - поведение (динамически) ошибочных программ с возможно некорректными данными или объектами с неопределенными значениями, для которых стандарт не выдвигает никаких требований. Диапазон неопределенного поведения может быть очень разнообразен: от полного игнорирования ситуации с непредсказуемыми результатами до поведения (во время трансляции или выполнения) в соответствии с документацией, описывающей характеристики среды (с выдачей диагностических сообщений или без таковой); возможны случаи преждевременного завершения трансляции или вычислений (с обязательной выдачей диагностического сообщения).
Поведение, определяемое реализацией (implementation-defined behavior) - поведение правильно написанной программы с правильными данными, которое зависит от характеристик реализации и которое должно быть документировано каждой реализацией.
В качестве общей рекомендации по написанию переносимых программ можно посоветовать, во-первых, безусловно избегать использования в программах языковых конструкций с неопределенным поведением, во-вторых, избегать конструкций с неуточняемым поведением в случаях, когда результат ее работы не является однозначным, и, наконец, минимизировать число конструкций, чье поведение определяется реализацией и существенно влияет на результат работы программы.
Другая общая рекомендация заключается в использовании возможностей препроцессора Си для локализации непереносимых фрагментов программы. Это касается использования макроимен вместо явных констант, зависящих от реализации; использования условной трансляции для включения в окончательный текст программы того или иного фрагмента в зависимости от вычислительной системы (особенно это касается конструкций, чье поведение определяется реализацией и существенно влияет на результат работы программы) и т.д.
Далее мы перечисляем все случаи неуточняемого, неопределенного и зависящего от реализации поведения программ, а, кроме того, в наименее очевидных случаях объясняем их влияние на переносимость. После этого приводятся требования стандарта к метрическим ограничениям компиляторов.
Неуточняемое поведение
Не уточняются следующие вопросы:
В зависимости от того, вычисляются ли инициирующие константные выражения в окружении трансляции или в окружении выполнения программы, статические данные могут получать различные начальные значения.
Предыдущие четыре ситуации влияют на вывод текста на дисплей.
Переносимая программа не должна использовать информацию о представлении (т.е. о битовой структуре) плавающих типов, поскольку именно в реализации плавающей арифметики существенно различаются разные вычислительные системы.
За исключением тех случаев, когда порядок вычисления выражения зафиксирован синтаксическими правилами или указан в стандарте каким-либо другим образом (для операции вызова функции (), операций логического умножения, логического сложения, условной операции и операции перечисления выражений), порядок вычисления подвыражений и порядок возникновения побочных эффектов не уточняется. Выражение, содержащее более, чем одно вхождение одной и той же коммутативной и ассоциативной бинарной операции (*, +, &, ^, |), может свободно перегруппировываться, независимо от наличия скобок, при условии, что типы операндов или результаты от такой перегруппировки не изменятся. В переносимой программе следует избегать выражений, порядок вычисления которых существенно влияет на их значения или вырабатываемые побочные эффекты. Если же такое выражение возникает, то содержащий его оператор всегда можно разбить на эквивалентную последовательность из нескольких операторов, не содержащих подобных выражений. Например, оператор
x=f()+g();
можно заменить на последовательность операторов
y=f();
x=y+g();
или
y=g();
x=f()+y;
в зависимости от нужного порядка вызова функций f() и g().
Чтобы зафиксировать некоторое конкретное группирование операций, нужно присвоить значение выражения, которое требуется явно выделить, некоторому объекту данных, либо поставить перед группирующими скобками унарный оператор плюс.
Переносимая программа не должна использовать информацию о распределении памяти под формальные параметры, поскольку не только разные компиляторы по-разному решают эту задачу, но даже один компилятор может различным образом отводить память под формальные параметры при различных режимах своей работы.
Переносимая программа не использует перечисленную информацию, поскольку она либо различается для разных реализаций языка, либо даже является случайной в рамках одной реализации.