conteúdo da aula 4

aulas/04-mem-layout/README.org

@@ -1,229 +0,0 @@
-#+title: Curso Básico da Linguagem C
-#+subtitle: Aula 4: Layout de memória
-#+author: Blau Araujo
-#+startup: show2levels
-#+options: toc:3
-
-* Aula 4: Layout de memória
-
-- [[][Vídeo desta aula]]
-
-** Introdução
-
-No fundo, esta é uma aula sobre variáveis. Mas, principalmente para quem está
-iniciando na programação em C, dizer que variáveis são como gavetas onde nós
-guardamos e acessamos dados aleatoriamente é quase a mesma coisa que tentar
-formar cirurgiões com o Jogo da Operação.
-
-#+CAPTION: Jogo da Operação
-[[./jogo-taz.png]]
-
-Isso funciona muito bem com crianças em alfabetização, mas não com quem está
-se preparando para assumir responsabilidades programando numa linguagem que
-deixa por conta da pessoa que programa todos os cuidados com as potenciais
-falhas e vulnerabilidades que podem por em risco, não apenas o programa que
-está sendo escrito, como também todo o sistema em que ele será executado.
-
-Então, nós podemos definir variáveis como elementos da linguagem que serão
-associados a valores manipuláveis na memória, podemos dizer que esses valores
-serão dimensionados conforme seus tipos (assunto da aula passada), que eles
-serão encontrados em endereços específicos na memória... Enfim, mas nada
-disso fará sentido, nem dará uma noção realista das implicações do poder que
-nós temos em mãos quando somos autorizados, pela linguagem C, a manipular
-quase que livremente o espaço de memória.
-
-Em grande parte, é a falta dessa noção que nos leva a situações de risco,
-como (se prepare para o inglês):
-
-- Heap Overflow
-- Stack Overflow
-- Buffer Overflow
-- Use-After-Free (UAF)
-- Double Free
-- Dangling Pointer
-- Memory Leak
-- Uninitialized Memory Access
-- Out-of-Bounds Read/Write
-- Null Pointer Dereference
-- Stack Corruption
-- Heap Corruption
-- Race Conditions
-
-E depois, vão dizer que a linguagem C é insegura, propensa a vulnerabilidades
-de memória... E por aí vai. Sim, a linguagem C não tem mecanismos que nos
-impeçam de cometer erros, mas não é ela que comete os erros.
-
-Por isso, este talvez seja o vídeo mais longo do nosso curso. Nele, nós vamos
-demonstrar como o sistema operacional, o nosso GNU/Linux, lida com a execução
-de programas, especificamente no que diz respeito ao espaço de memória que é
-disponibilizado para eles.
-
-** Processos e memória
-
-- O kernel gerencia a execução de programas através de /processos/.
-- Processos são estruturas de dados associadas a cada um dos programas
-  que estão sendo executados.
-- Uma parte central dessa estrutura de dados é o /layout de memória/, que
-  é uma faixa de endereços mapeada pelo sistema para que os programas possam
-  acessar a memória através de endereços adjacentes.
-
-#+begin_quote
-Essa faixa de endereços é /virtual/ porque são endereços que não correspondem
-aos endereços reais da memória física e, por isso mesmo, os programas terão
-acesso a uma faixa contínua de endereços em vez de localizações espalhadas
-e dispersas ao longo dos endereços reais da memória.
-#+end_quote
-
-** O espaço de endereços (layout de memória)
-
-A faixa de endereços atribuída a um processo é dividida em vários /segmentos
-de memória/ com finalidades específicas.  
-
-#+caption: Layout de memória
-[[./mem-layout.png]]
-
-
-*** Dados copiados do binário do programa
-
-Nos endereços mais baixos da memória virtual, serão copiados os dados
-presentes nas /seções/ dos binários dos nossos programas:
-
-- =.text=: O conteúdo executável do programa (código).
-- =.rodata=: Dados constantes.
-- =.data=: Dados globais e estáticos inicializados.
-- =.bss=: Dados globais e estáticos não inicializados.
-
-*** Dados dinâmicos
-
-A região intermediária dos endereços mapeados, chamada de /heap/, é reservada
-ao uso com:
-
-- Dados que requeiram espaços alocados dinamicamente ao longo da execução
-  do programa (com a função =malloc=, por exemplo).
-- Mapeamento do conteúdo de arquivos e grandes volumes de dados.
-- Conteúdo de bibliotecas carregadas dinamicamente, como a =glibc=, o
-  carregador dinâmico (=ld-linux=) e a biblioteca =vdso=, do Linux.
-
-#+begin_quote
-A localização dos dados dinâmicos é aleatória dentro da faixa do /heap/
-que, conforme a necessidade, se expande na direção dos endereços mais
-altos, ou seja, em direção à pilha.
-#+end_quote
-
-*** Pilha (stack)
-
-Os endereços mais altos da memória virtual são reservados à /pilha de
-execução/ do programa. Uma /pilha/, ou /stack/, é uma estrutura onde os dados
-são, literalmente, empilhados uns sobre os outros. No GNU/Linux, a base
-da pilha está no seu endereço mais alto, enquanto que os novos dados serão
-empilhados na direção dos endereços mais baixos.
-
-Ao ser iniciada, a pilha recebe, da sua base para o topo:
-
-- Lista das variáveis exportadas para o processo (/ambiente/ / /envp/).
-- Lista dos argumentos de linha de comando que invocaram o programa (/argv/).
-- Um valor inteiro relativo à quantidade de argumentos (/argc/).
-
-No caso de programas escritos em C, ao serem iniciados, o dado no topo da
-pilha, a quantidade de argumentos, é removido e, a partir daí, são
-empilhados os dados locais da função =main=, o que inclui:
-
-- Variáveis declaradas nos parâmetros da função.
-- Variáveis declaradas no corpo da função.
-
-À medida em que o programa é executado, os dados das outras funções
-chamadas também serão empilhados até serem removidos após seus respectivos
-términos.  
-
-** Resumo do mapeamento de memória
-
-O kernel expõe diversas informações sobre os processos em execução na
-forma de arquivos de texto no diretório virtual =/proc=. Nele, cada processo
-terá um diretório e, nesses diretórios, nós encontramos o arquivo =maps=,
-que contém uma versão resumida de todas as faixas de endereços mapeados.
-
-Para visualizar o mapeamento de um processo de número =PID=:
-
-#+begin_example
-cat /proc/PID/maps
-#+end_example
-
-** Programa =memlo.c=
-
-Para demonstrar como os dados de um programa são mapeados na memória virtual,
-nós vamos utilizar o programma =memlo.c=:
-
-#+begin_src c
-#include <stdlib.h>
-#include <stdio.h>
-#include <unistd.h>
-
-#define APGL_HINT 0x4c475041
-#define BLAU_HINT 0x55414c42
-
-int bss_var;
-int data_var = APGL_HINT;
-const int ro_data = BLAU_HINT;
-
-int func(void) {
-    return 42;
-}
-
-int main(int argc, char **argv, char **envp) {
-
-    static int lsni_var;
-    static int lsi_var = BLAU_HINT;
-
-    int lni_var;
-    int li_var = APGL_HINT;
-
-    char *str_ptr = "Salve!";
-
-    void *heap_ptr = malloc(16);
-
-    puts("[stack]");
-    printf("%p             início do vetor envp (%s)\n", *envp, *envp);
-    printf("%p             início do vetor argv (%s)\n", *argv, *argv);
-    printf("%p  envp       ponteiro para envp (%p)\n", envp, *envp);
-    printf("%p  argv       ponteiro para argv (%p)\n", argv, *argv);
-    printf("%p  lni_var    variável não inicializada\n", &lni_var);
-    printf("%p  li_var     variável inicializada\n", &li_var);
-    printf("%p  &str_ptr   ponteiro com endereço da string (%p)\n", &str_ptr, "Salve!");
-    printf("%p  &heap_ptr  ponteiro com endereço na heap (%p)\n", &heap_ptr, heap_ptr);
-    printf("%p  argc       quantidade de argumentos (%d)\n", &argc, argc);
-
-    puts("[mmap]");
-    printf("%p  malloc()   função da glibc\n", (void *)malloc);
-    printf("%p  printf()   função da glibc\n", (void *)printf);
-
-    puts("[heap]");
-    printf("%p  heap_ptr   espaço alocado dinamicamente na heap\n", heap_ptr);
-
-    puts("[.bss]");
-    printf("%p  lsni_var   variável local estática não inicializada\n", &lsni_var);
-    printf("%p  bss_var    variável global não inicializada\n", &bss_var);
-    
-    puts("[.data]");
-    printf("%p  lsi_var    variável local estática inicializada\n", &lsi_var);
-    printf("%p  data_var   variável global inicializada\n", &data_var);
-
-    puts("[.rodata]");
-    printf("%p  str_ptr    endereço de uma string (%s)\n", str_ptr, str_ptr);
-    printf("%p  ro_data    constante global\n", &ro_data);
-
-    puts("[.text]");
-    printf("%p  main()     função main\n", (void *)main);
-    printf("%p  func()     função func\n", (void *)func);
-    
-    free(heap_ptr);
-
-    sleep(300);
-    
-    return EXIT_SUCCESS;
-}
-#+end_src
-
-#+begin_quote
-A análise do programa em si ficará como parte dos execícios desta aula.
-#+end_quote
-

aulas/04-mem-layout/memlo.c

@@ -1,67 +0,0 @@
-#include <stdlib.h>
-#include <stdio.h>
-#include <unistd.h>
-
-#define APGL_HINT 0x4c475041
-#define BLAU_HINT 0x55414c42
-
-int bss_var;
-int data_var = APGL_HINT;
-const int ro_data = BLAU_HINT;
-
-int func(void) {
-    return 42;
-}
-
-int main(int argc, char **argv, char **envp) {
-
-    static int lsni_var;
-    static int lsi_var = BLAU_HINT;
-
-    int lni_var;
-    int li_var = APGL_HINT;
-
-    char *str_ptr = "Salve!";
-
-    void *heap_ptr = malloc(16);
-
-    puts("[stack]");
-    printf("%p             início do vetor envp (%s)\n", *envp, *envp);
-    printf("%p             início do vetor argv (%s)\n", *argv, *argv);
-    printf("%p  envp       ponteiro para envp (%p)\n", envp, *envp);
-    printf("%p  argv       ponteiro para argv (%p)\n", argv, *argv);
-    printf("%p  lni_var    variável não inicializada\n", &lni_var);
-    printf("%p  li_var     variável inicializada\n", &li_var);
-    printf("%p  &str_ptr   ponteiro com endereço da string (%p)\n", &str_ptr, "Salve!");
-    printf("%p  &heap_ptr  ponteiro com endereço na heap (%p)\n", &heap_ptr, heap_ptr);
-    printf("%p  argc       quantidade de argumentos (%d)\n", &argc, argc);
-
-    puts("[mmap]");
-    printf("%p  malloc()   função da glibc\n", (void *)malloc);
-    printf("%p  printf()   função da glibc\n", (void *)printf);
-
-    puts("[heap]");
-    printf("%p  heap_ptr   espaço alocado dinamicamente na heap\n", heap_ptr);
-
-    puts("[.bss]");
-    printf("%p  lsni_var   variável local estática não inicializada\n", &lsni_var);
-    printf("%p  bss_var    variável global não inicializada\n", &bss_var);
-    
-    puts("[.data]");
-    printf("%p  lsi_var    variável local estática inicializada\n", &lsi_var);
-    printf("%p  data_var   variável global inicializada\n", &data_var);
-
-    puts("[.rodata]");
-    printf("%p  str_ptr    endereço de uma string (%s)\n", str_ptr, str_ptr);
-    printf("%p  ro_data    constante global\n", &ro_data);
-
-    puts("[.text]");
-    printf("%p  main()     função main\n", (void *)main);
-    printf("%p  func()     função func\n", (void *)func);
-    
-    free(heap_ptr);
-
-    sleep(300);
-    
-    return EXIT_SUCCESS;
-}

aulas/04-mem-layout/var-global.c

@@ -1,12 +0,0 @@
-#include <stdio.h>
-
-int b = 0x5a;
-
-int main(void) {
-    int a = 0x58;
-
-    printf("a: %d @ %p\n", a, &a);
-    printf("b: %d @ %p\n", b, &b);
-
-    return 0;
-}

aulas/04-mem-layout/var-local.c

@@ -1,10 +0,0 @@
-#include <stdio.h>
-
-int main(void) {
-    int a = 17, b = 25;
-
-    printf("a: %d @ %p\n", a, &a);
-    printf("b: %d @ %p\n", b, &b);
-
-    return 0;
-}

aulas/04-variaveis/README.org

@@ -0,0 +1,181 @@
+#+title: Curso Básico da Linguagem C
+#+subtitle: Aula 4: Variáveis e ponteiros
+#+author: Blau Araujo
+#+startup: show2levels
+#+options: toc:3
+
+* Variáveis e ponteiros
+
+- *Variáveis* são elementos da linguagem que representam dados na memória.
+- *Ponteiros* são variáveis que representam endereços de dados na memória.
+  
+** Declaração e definição
+
+Variáveis precisam ser declaradas e definidas antes de serem utilizadas.
+
+Exemplo (=var1.c=):
+
+#+begin_src c
+#include <stdio.h>
+
+int main(void) {
+
+    int a = 10;  /* Variável declarada e inicializada (definida). */
+    int b;       /* Variável declarada, mas não inicializada! */ 
+
+    printf("a = %d\n", a);
+    printf("b = %d\n", b);
+    printf("a + b = %d\n", a + b);
+
+    return 0;
+}
+#+end_src
+
+Compilando e executando:
+
+#+begin_example
+:~$ gcc -o var1 var1.c
+:~$ ./var1
+a = 10
+b = 361680176
+a + b = 361680186
+#+end_example
+
+Observe:
+
+- A compilação não emitiu avisos e nem terminou com erro.
+- A variável =b= (não inicializada) avaliou um valor qualquer.
+
+*** Por que isso aconteceu?
+
+Ao ser declarada, a variável recebeu um endereço e um tipo (=int=). Como não
+foi inicializada, seu valor será o que quer que esteja nos 4 bytes da
+memória a partir do endereço designado para =b=.
+
+Por exemplo:
+
+#+begin_example
+a -> 0x7ffd45c33fdc: 0a 00 00 00 (10)
+b -> 0x7ffd45c33fd8: 3a cd 8e 15 (361680176) <-- LIXO!
+#+end_example
+
+*** Como evitar esse erro?
+
+A primeira (e mais óbvia) opção é não se esquecer de atribuir um valor
+à variável antes de usá-la, mas a compilação poderia ter sido feita com
+as opções de avisos:
+
+- =-Wall=: Habilita todos os avisos sobre problemas evitáveis no código.
+- =-Wextra=: Habilita avisos adicionais.
+- =-Werror=: Trata todos os avisos como erros fatais.
+
+Exemplo:
+
+#+begin_example
+:~$ gcc -o var1 var1.c -Wall -Wextra -Werror
+var1.c: In function ‘main’:
+var1.c:10:5: error: ‘b’ is used uninitialized [-Werror=uninitialized]
+   10 |     printf("b = %d\n", b);
+      |     ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+var1.c:7:9: note: ‘b’ was declared here
+    7 |     int b;       /* Variável declarada, mas não inicializada! */
+      |         ^
+cc1: all warnings being treated as errors
+#+end_example
+
+** Atributos das variáveis
+
+Toda variável tem como atributos...
+
+- Um nome (identificador);
+- Um valor associado;
+- O endereço do valor associado.
+
+O nome da variável expressa o seu valor:
+
+#+begin_src c
+int a = 21;
+int b = a;       // O valor de 'b' é o valor de 'a' (21).
+int c = a + b;   // O valor de 'c' é 21+21 (42).
+#+end_src
+
+Para que uma variável expresse o endereço do valor associado, nós utilizamos
+o operador unário =&= antes de seu nome:
+
+#+begin_src c
+int a = 123;
+
+printf("Valor de a   : %d", a);
+printf("Endereço de a: %p", &a); // Imprime o endereço do dado em 'a'.
+#+end_src
+
+O tamanho do tipo da variável é expresso com o operador =sizeof(VAR)=:
+
+#+begin_src c
+int a = 10;
+int b = sizeof(a);  // O valor de 'b' será 4 (bytes).
+#+end_src
+
+#+begin_quote
+O tipo do valor expresso por =sizeof= é =size_t=, um apelido para =unsigned long=.
+#+end_quote
+
+** Escopo de variáveis
+
+- Toda variável declarada numa função só é visível na própria função (escopo /local/).
+- Toda variável declarada fora de funções é visível em todo o programa (escopo global).
+
+Exemplo (=var3.c=):
+
+#+begin_src c
+#include <stdio.h>
+
+int c = 17;    // Variável global.
+
+// As variáveis 'num' e 'b' são locais à função 'soma10'.
+int soma10(int num) {
+    int b = 10;
+    return b + num;
+}
+
+int main(void) {
+
+    int a = 25;    // A variável 'a' é local à função 'main'.
+
+    // Isso causará um erro na compilação!
+    printf("a = %d\nb = %d\nc = %d\nnum = %d\n", a, b, c, num);
+
+    return 0;
+}
+#+end_src
+
+** Ponteiros
+
+Antes de qualquer coisa, os ponteiros são simplesmente variáveis, embora
+possuam algumas particularidades:
+
+- São declarados com o operador de derreferência (ou indireção) =*NOME=.
+- Recebem endereços como valores.
+- Seus tipos são suas unidades aritméticas.
+- Seus nomes expressam os endereços associados.
+- Quando derreferenciados (=*NOME=), expressam os valores nos endereços.
+
+*** Declaração do ponteiro
+
+#+begin_src c
+int a = 25;
+int *pa = &a;  // O valor de 'pa' será o endereço de 'a'.
+int b = *pa;   // O valor de 'b' será o valor no endereço em 'pa'.
+#+end_src
+
+** Perguntas da aula
+
+*** A cada execução do programa, os endereços das variáveis mudam?
+
+Sim, porque o /espaço de endereços/ é designado pelo sistema operacional
+assim que o processo para executar o programa é criado.
+
+*** O ponto da declaração de uma variável global faz diferença?
+
+Sim, toda variável tem que ser declarada antes do ponto no código
+em que é utilizada.

aulas/04-variaveis/teste.c

@@ -0,0 +1,17 @@
+#include <stdio.h>
+
+int a = 23;
+
+int b;
+
+void print_b(void) {
+    b = 10;
+    printf("b=%d\n", b);
+}
+
+
+int main(void) {
+    printf("a=%d\n", a);
+    print_b();
+}
+

aulas/04-variaveis/var1.c

@@ -0,0 +1,14 @@
+#include <stdio.h>
+
+
+int main(void) {
+
+    int a = 10;  /* Variável declarada e inicializada (definida). */
+    int b;       /* Variável declarada, mas não inicializada! */ 
+
+    printf("a = %d\n", a);
+    printf("b = %d\n", b);
+    printf("a + b = %d\n", a + b);
+
+    return 0;
+}

aulas/04-variaveis/var2.c

@@ -0,0 +1,15 @@
+#include <stdio.h>
+
+
+int main(void) {
+
+    int a = 17;
+    int b = 25;
+
+    puts("Var  Address        Size Value");
+
+    printf("a -> %p %4zu %5d\n", &a, sizeof(a), a);
+    printf("b -> %p %4zu %5d\n", &b, sizeof(b), b);
+
+    return 0;
+}

aulas/04-variaveis/var3.c

@@ -0,0 +1,16 @@
+#include <stdio.h>
+
+int c = 17;
+
+int soma10(int num) {
+    int b = 10;
+    return b + num;
+}
+
+int main(void) {
+
+    int a = 25;
+    printf("a = %d\nb = %d\nc = %d\nnum = %d\n", a, b, c, num);
+
+    return 0;
+}

aulas/04-variaveis/var4.c

@@ -0,0 +1,16 @@
+#include <stdio.h>
+
+int main(void) {
+
+    int a = 25;
+    int b = 17;
+    int *p = &b;
+    
+    printf("Endereço (b)    : %p\n", p);
+    printf("Valor           : %d\n", *p);
+    printf("Endereço (a)    : %p\n", &a);
+    printf("Endereço (p + 1): %p\n", p + 1);
+    printf("Valor           : %d\n", *(p + 1));
+
+    return 0;
+}

exercicios/04/README.org

@@ -0,0 +1,98 @@
+#+title: Curso Básico da Linguagem C
+#+subtitle: Exercícios
+#+author: Blau Araujo
+#+startup: show2levels
+#+options: toc:3
+
+* Exercícios da aula 4: Variáveis e ponteiros
+
+- [[../aulas/04-variaveis/README.org][Anotações da aula]]
+- [[https://youtu.be/i7RKtMgSSrM][Vídeo]]
+
+
+** 1. Pesquise e responda
+
+- Existe uma forma para alterar uma variável em uma função a partir de
+  outra função: como fazer isso?
+- Por que as variáveis de uma função, em princípio, são locais à própria
+  função?
+- Se o valor associado a um ponteiro é um endereço, o que termos com a
+  avaliação de =&NOME_DO_PONTEIRO=?
+
+** 2. Analise o código, pesquise e responda
+
+Este é mais um "Olá, mundo":
+
+#+begin_src c
+#include <stdio.h>
+
+char *msg = "Salve, simpatia!";
+
+int main(void) {
+    puts(msg);
+    return 0;
+}
+#+end_src
+
+Se ponteiros recebem endereços como valores, por que eu fiz a atribuição
+de uma string e o meu programa funcionou?
+
+** 3. Compile, analise e demonstre
+
+#+begin_src c
+#include <stdio.h>
+
+int main(void) {
+
+    int a = 0;
+    int b = 875569217;
+    int c = 1280655661;
+    int d = 1129071171;
+
+    char *p = (char *)&d;
+    
+    int i = 0;
+    while (*(p + i) != '\0') {
+        putchar(*(p + i));
+        i++;
+    }
+    putchar('\n');
+
+    // printf("%p\n%p\n%p\n%p\n", &d, &c, &b, &a);
+    
+    return 0;
+}
+#+end_src
+
+- Como o código funciona?
+- O que estou tentando imprimir?
+- Com o =printf= comentado, eu consigo imprimir o que eu quero?
+- Se eu tirar o comentário, eu tenho a impressão que eu quero?
+- Por que acontece essa diferença de comportamento?
+- Como imprimir corretamente apenas o que eu quero?
+
+** 4. Pesquise e responda
+
+- Para que serve e como usar a função =putchar=?
+- Quando e por que utilizar =putchar('\n')= em vez de =puts("")=?
+- Como funciona a estrutura de repetição =while=?
+- Para que servem os especificadores de formato =%zu= e =%p=? 
+
+** 5. Desafio: quadrado de um número
+
+Crie um programa que peça a digitação de um número inteiro ao usuário
+e imprima o quadrado desse número.
+
+*Requisitos:*
+
+- O programa deve testar se o número digitado é um inteiro válido.
+- Se não for, o programa deve terminar com uma mensagem enviada para
+  a saída padrão de erros (=stderr=) e estado de término =1=.
+
+*Dicas:*
+
+- Utilize a função =scanf= para ler o número digitado.
+- Existe uma variante do =printf= que possibilita imprimir na saída de erros
+  em vez da saída padrão.
+- Existe um cabeçalho que define constante com os limites dos tipos inteiros.
+