Projekt Systementwicklung

Transkript

1 Projekt Systementwicklung Coding Idiome in C: Zeiger und Felder Prof. Dr. Nikolaus Wulff

2 Coding Idiome Viele Dinge in der Informatik sind allgemein gültig, unabhängig von der verwendeten Plattform und Programmiersprache, z.b.theoretische Informatik. Jedoch jede Programmiersprache hat ihre eigenen, speziellen Spezialitäten, Tricks und Kniffe. Bei der Sprache C ist eine dieser Klippen, die es zu umschiffen gilt, das Arbeiten mit Zeigern, Referenzen und Feldern. Insbesondere benötigen wir für das Game of Life Projekt Matrizen und mehrfach indizierte Felder teilweise statisch und/oder teilweise dynamisch. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 2

3 Felder Felder sind einfach zu deklarieren, zu initialisieren und zu verwenden: double a[8][6]; a[3][2] = 32; Die Übergabe an Funktionen erweist sich in C als schwierig. Die Dimensionen müssen entweder schon zur Übersetzungszeit bekannt, d.h. konstant sein void ausgabe(double a[8][6]) { oder aber mit übergeben werden. Hierbei gilt es einige Besonderheiten der Speicherauslegung zu berücksichtigen und mit Zeigern zu arbeiten. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 3

4 Felder und Zeiger C erlaubt keine mehrfach indizierte Felder ohne explizite Angabe der Dimensionen: void ausgabe(double a[][], int n, int m) { Es muss daher ein Zeiger übergeben werden: void ausgabe(double **a, int n, int m) { void ausgabe(double *a, int n, int m) { Ersteres verkompliziert die Speicheranforderung, die zweite Variante den Zugriff. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 4

5 Statische Speicherauslegung Entscheidend für den Zugriff auf die Feldelemente ist die Initialisierung und Speicherauslegung. int a[3][4][5] Ein dreifach indiziertes Feld Logische Sicht 4*5 4*5 4* Tatsächliche Speicherauslegung Das Feld ist nicht dreidimensional sondern linear im Hauptspeicher abgelegt. Der Compiler generiert zum Zugriff auf a ijk = a[i][j][k] die Adresse a[i*4*5 + j*4 +k]. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 5

6 Dynamische Speicherauslegung Wird der Speicher dynamisch (per malloc) angefordert muss mit Zeigern gearbeitet werden. Entweder ein- oder dreidimensional: int *a int ***a 4*5 4*5 4*5 Logische Sicht Tatsächliche Speicherauslegung Nur die 3D-Variante erlaubt den Zugriff a[i][j][k] allerdings ist die Speicheranforderung für die 16 einzelnen Felder erheblich aufwendiger. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 6

7 Dynamische Speicherauslegung Wird der Speicher dynamisch (per malloc) angefordert muss mit Zeigern gearbeitet werden. Entweder ein- oder dreidimensional: int *a int ***a 4*5 4*5 4*5 Logische Sicht Tatsächliche Speicherauslegung Nur die 3D-Variante erlaubt den Zugriff a[i][j][k] allerdings ist die Speicheranforderung für die 16 einzelnen Felder erheblich aufwendiger. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 7

8 Zeigerverwaltung Der Zeiger ***a ist ein 3D Zeiger auf ein Feld von 2D Zeigern, die ihrerseits auf 1D Felder vom Typ int verweisen. Diese Verkettung von Zeigern muss händisch erstellt werden und wird nicht vom Compiler generiert! Achtung: Wird irrtümlich ein falscher Zeiger an eine Methode die ***a erwartet, übergeben, z.b. die Adresse des Elements &a[0][0][0], so kommt es zu einer Speicherverletzung und einem Absturz des Programms! Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 8

9 Zeigerzuweisung für 2D Beispiel zum Initialisieren eines 2D Feldes: #define N 4 #define M 6 int main(int argc,char** argv) { double a[n][m], **ptr; int j,k; } ptr = malloc(sizeof(double*)*n); for(j=0;j<n;j++) { ptr[j] = a[j]; for(k=0;k<m;k++) a[j][k] = 10*j+k; } ausgabe(a); ausgabe1(a,n,m); ausgabe2(ptr,n,m); free(ptr); return (0); 2D Zeiger definieren 1D Speicher anfordern Adressen zuweisen Bemerkung: Das Feld a wird linear im Speicher abgelegt, aber der zweifache Zeiger ptr so initialisiert, das ptr[j][k] dem Element a[j][k] entspricht... Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 9

10 Zeigerverwendung Je nach Deklaration muss codiert werden: void ausgabe(double a[n][m]) { int j,k; for(j=0;j<n;j++) for(k=0;k<m;k++) printf("a[%d][%d]=%2.0f\n",j,k,a[j][k]); } Feldgröße statisch, steht zur Compile Time fest... void ausgabe1(double *a, int n, int m) { int j,k; for(j=0;j<n;j++) for(k=0;k<m;k++) printf("a[%d][%d]=%2.0f\n",j,k, a[j*m+k]); } void ausgabe2(double **a, int n, int m) { int j,k; for(j=0;j<n;j++) for(k=0;k<m;k++) printf("a[%d][%d]=%2.0f\n",j,k, a[j][k]); } Feld selbst Berechnen! Feldgröße dynamisch... Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 10

11 Mischformen Möglich sind auch halbdynamische Felder, eine Dimension ist statisch fixiert, die andere dynamisch zur Laufzeit variierbar: void ausgabe3(double *a[m], int n) { int j,k; for(j=0;j<n;j++) for(k=0;k<m;k++) printf("a[%d][%d]=%2.0f\n",j,k, a[j][k]); } typedef double Vector[M]; void ausgabe4(vector *a, int n) void ausgabe5(double a[][m], int n) Dies funktioniert so nur im 2D Fall... Diese Zugriffsart lohnt sich allerdings nur, wenn die Dimension M sich nie verändern wird, z.b. bei 3-dimensionaler Geometrie für Grafikberechnungen im Raum... Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 11

12 Fazit Richtig angewandt kann das Arbeiten mit Zeigern und Feldern einfach sein. Wichtig ist die genaue Kenntnis der Speicherauslegung und entsprechend geplante und verwendete Funktionsprototypen /-signaturen. Das Game of Life gibt Gelegenheit dies weiter zu vertiefen und das Arbeiten mit Feldern zu üben. Viel Spaß und Erfolg! Prof. Dr. Nikolaus Wulff Projekt Systementwicklung 12