Vorwort Teil I: Einführung in C

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1 Inhalt Vorwort Teil I: Einführung in C Es geht los! Historisches Objektorientierte Programmierung Compiler Das erste Programm Namenskonventionen Integrierte Entwicklungsumgebung Einfache Datentypen und Operatoren Ausdruck Ganze Zahlen Reelle Zahlen Konstante Zeichen Logischer Datentyp bool Referenzen Regeln zum Bilden von Ausdrücken Standard-Typumwandlungen Gültigkeitsbereich und Sichtbarkeit Namespace std... 64

2 8 Inhalt 1.8 Kontrollstrukturen Anweisungen Sequenz (Reihung) Auswahl (Selektion, Verzweigung) Fallunterscheidungen mit switch Wiederholungen Kontrolle mit break und continue Benutzerdefinierte und zusammengesetzte Datentypen Aufzählungstypen Strukturen Der C++-Standardtyp vector Zeichenketten: Der C++-Standardtyp string Container und Schleifen Typermittlung mit auto Unions und Bitfelder Einfache Ein- und Ausgabe Standardein- und -ausgabe Ein- und Ausgabe mit Dateien Programmstrukturierung Funktionen Aufbau und Prototypen Gültigkeitsbereiche und Sichtbarkeit in Funktionen Lokale static-variable: Funktion mit Gedächtnis Schnittstellen zum Datentransfer Übergabe per Wert Übergabe per Referenz Gefahren bei der Rückgabe von Referenzen Vorgegebene Parameterwerte und unterschiedliche Parameterzahl Überladen von Funktionen Funktion main() Beispiel Taschenrechnersimulation Spezifikation von Funktionen Alternative Funktions-Syntax Modulare Programmgestaltung Steuerung der Übersetzung nur mit #include Einbinden vorübersetzter Programmteile

3 Inhalt Dateiübergreifende Gültigkeit und Sichtbarkeit Übersetzungseinheit, Deklaration, Definition Präprozessordirektiven und Makros Funktions-Templates Spezialisierung von Templates Einbinden von Templates inline-funktionen constexpr-funktionen Namensräume C++-Header Einbinden von C-Funktionen Objektorientierung Abstrakte Datentypen Klassen und Objekte const-objekte und Methoden inline-elementfunktionen Initialisierung und Konstruktoren Standardkonstruktor Direkte Initialisierung der Attribute Allgemeine Konstruktoren Kopierkonstruktor Typumwandlungskonstruktor Konstruktor und mehr vorgeben oder verbieten Einheitliche Initialisierung und Sequenzkonstruktor Delegierender Konstruktor constexpr-konstruktor und -Methoden Beispiel: Rationale Zahlen Aufgabenstellung Entwurf Implementation Destruktoren Wie kommt man zu Klassen und Objekten? Ein Beispiel Gegenseitige Abhängigkeit von Klassen Intermezzo: Zeiger Zeiger und Adressen C-Arrays

4 10 Inhalt C-Array und sizeof Initialisierung von C-Arrays Zeigerarithmetik Indexoperator bei C-Arrays C-Array mit begin() und end() durchlaufen C-Zeichenketten Dynamische Datenobjekte Freigeben dynamischer Objekte Zeiger und Funktionen Parameterübergabe mit Zeigern Parameter des main-programms Gefahren bei der Rückgabe von Zeigern this-zeiger Mehrdimensionale C-Arrays Statische mehrdimensionale C-Arrays Array als Funktionsparameter Dynamisch erzeugte mehrdimensionale Arrays Klasse für dynamisches zweidimensionales Array Binäre Ein-/Ausgabe Zeiger auf Funktionen Standard-Typumwandlungen für Zeiger Zeiger auf Elementfunktionen und -daten Zeiger auf Elementfunktionen Zeiger auf Elementdaten Komplexe Deklarationen lesen Lesbarkeit mit typedef und using verbessern Objektorientierung Eine String-Klasse friend-funktionen Klassenspezifische Daten und Funktionen Klassenspezifische Konstante Klassen-Templates Ein Stack-Template Stack mit statisch festgelegter Größe Template-Metaprogrammierung Variadic Templates: Templates mit variabler Parameterzahl

5 Inhalt Klassen-Templates mit variabler Stelligkeit Typbestimmung mit decltype declval Vererbung Vererbung und Initialisierung Zugriffsschutz Typbeziehung zwischen Ober- und Unterklasse Code-Wiederverwendung Konstruktor erben Überschreiben von Funktionen in abgeleiteten Klassen Virtuelle Funktionen Abstrakte Klassen Virtueller Destruktor Private virtuelle Funktionen Probleme der Modellierung mit Vererbung Mehrfachvererbung Namenskonflikte Virtuelle Basisklassen Standard-Typumwandlungsoperatoren Typinformationen zur Laufzeit Using-Deklaration für protected-funktionen Private- und Protected-Vererbung Fehlerbehandlung Ausnahmebehandlung Exception-Spezifikation in Deklarationen Exception-Hierarchie in C Besondere Fehlerbehandlungsfunktionen Erkennen logischer Fehler Arithmetische Fehler / Division durch Speicherbeschaffung mit new Exception-Sicherheit Überladen von Operatoren Rationale Zahlen noch einmal Arithmetische Operatoren Ausgabeoperator <<

6 12 Inhalt 8.2 Eine Klasse für Vektoren Index-Operator [ ] Zuweisungsoperator = Mathematische Vektoren Multiplikationsoperator Inkrement-Operator Typumwandlungsoperator Smart Pointer: Operatoren -> und * Smart Pointer und die C++-Standardbibliothek Objekt als Funktion new und delete überladen Speichermanagement mit malloc und free Unterscheidung zwischen Heap- und Stack-Objekten Fehlende delete-anweisung entdecken Eigene Speicherverwaltung für einen bestimmten Typ Empfehlungen im Umgang mit new und delete Operatoren für Literale Stringliterale Benutzerdefinierte Literale Mehrdimensionale Matrizen Zweidimensionale Matrix als Vektor von Vektoren Dreidimensionale Matrix Zuweisung bei Vererbung Dateien und Ströme Ausgabe Formatierung der Ausgabe Eingabe Manipulatoren Eigene Manipulatoren Fehlerbehandlung Typumwandlung von Dateiobjekten nach bool Arbeit mit Dateien Positionierung in Dateien Lesen und Schreiben in derselben Datei Umleitung auf Strings Tabelle formatiert ausgeben

7 Inhalt Formatierte Daten lesen Eingabe benutzerdefinierter Typen Blockweise lesen oder schreiben Ergänzungen Einführung in die Standard Template Library (STL) Container, Iteratoren, Algorithmen Iteratoren im Detail Beispiel verkettete Liste Teil II: Fortgeschrittene Themen Lambda-Funktionen Eigenschaften Äquivalenz zum Funktionszeiger Lambda-Funktion und Klasse Generische Lambda-Funktionen Parametererfassung mit [] Performance, Wert- und Referenzsemantik Performanceproblem Wertsemantik Auslassen der Kopie Temporäre Objekte bei der Zuweisung Referenzsemantik für R-Werte Optimierung durch Referenzsemantik für R-Werte Bewegender Konstruktor Bewegender Zuweisungsoperator Die move()-funktion Regel zur Template-Auswertung von &&-Parametern Ein effizienter binärer Plusoperator Return Value Optimization (RVO) Kopien temporärer Objekte eliminieren Verbesserung durch verzögerte Auswertung Reguläre Ausdrücke Elemente regulärer Ausdrücke Greedy oder lazy? Interaktive Auswertung

8 14 Inhalt 13.3 Auszug des regex-apis Anwendungen Threads Zeit und Dauer Threads Die Klasse thread Thread-Group Synchronisation Thread-Steuerung: pausieren, fortsetzen, beenden Data Race Interrupt Warten auf Ereignisse Reader/Writer-Problem Wenn Threads verhungern Reader/Writer-Varianten Thread-Sicherheit Grafische Benutzungsschnittstellen Ereignisgesteuerte Programmierung GUI-Programmierung mit Qt Installation und Einsatz Meta-Objektsystem Der Programmablauf Speicher sparen und lokal Daten sichern Signale, Slots und Widgets Dialog Qt oder Boost? Threads Verzeichnisbaum durchwandern Internet-Anbindung Protokolle Adressen Socket Bidirektionale Kommunikation UDP-Sockets Atomuhr mit UDP abfragen

9 Inhalt HTTP Verbindung mit GET Verbindung mit POST Mini-Webserver Datenbankanbindung C++-Interface Anwendungsbeispiel Teil III: Praktische Methoden und Werkzeuge der Softwareentwicklung Effiziente Programmerzeugung mit make Quellen Wirkungsweise Variablen und Muster Universelles Makefile für einfache Projekte Automatische Ermittlung von Abhängigkeiten Getrennte Verzeichnisse: src, obj, bin Makefile für Verzeichnisbäume Rekursive Make-Aufrufe Ein Makefile für alles Automatische Erzeugung von Makefiles Makefile für rekursive Aufrufe erzeugen Erzeugen von Bibliotheken Statische Bibliotheksmodule Dynamische Bibliotheksmodule GNU Autotools CMake Code Bloat bei der Instanziierung von Templates vermeiden extern-template Aufspaltung in Schnittstelle und Implementation Unit-Test Werkzeuge Test Driven Development Boost Unit Test Framework Beispiel: Testgetriebene Entwicklung einer Operatorfunktion

10 16 Inhalt Fixture Testprotokoll und Log-Level Prüf-Makros Kommandozeilen-Optionen Werkzeuge zur Verwaltung von Projekten Dokumentation und Strukturanalyse mit doxygen Strukturanalyse Versionskontrolle Subversion Git Projektverwaltung Teil IV: Das C++-Rezeptbuch: Tipps und Lösungen für typische Aufgaben Sichere Programmentwicklung Regeln zum Design von Methoden Defensive Programmierung double- und float-werte richtig vergleichen const und constexpr verwenden Anweisungen nach for/if/while einklammern int und unsigned/size_t nicht mischen size_t oder auto statt unsigned int verwenden Postfix++ mit Präfix++ implementieren Ein Destruktor darf keine Exception werfen explicit-typumwandlungsoperator bevorzugen explicit-konstruktor für eine Typumwandlung bevorzugen Leere Standardkonstruktoren vermeiden Mit override Schreibfehler reduzieren Kopieren und Zuweisung verbieten Vererbung verbieten Überschreiben einer virtuellen Methode verhindern The Big Three oder Big Five? One Definition Rule Defensiv Objekte löschen Speicherbeschaffung und -freigabe kapseln

11 Inhalt Programmierrichtlinien einhalten Exception-sichere Beschaffung von Ressourcen Sichere Verwendung von unique_ptr und shared_ptr So vermeiden Sie new und delete! So vermeiden Sie new[] und delete[]! shared_ptr für Arrays korrekt verwenden unique_ptr für Arrays korrekt verwenden Exception-sichere Funktion Exception-sicherer Konstruktor Exception-sichere Zuweisung Empfehlungen zur Thread-Programmierung Warten auf die Freigabe von Ressourcen Deadlock-Vermeidung notify_all oder notify_one? Performance mit Threads verbessern? Von der UML nach C Vererbung Interface anbieten und nutzen Assoziation Aggregation Komposition Algorithmen für verschiedene Aufgaben Algorithmen mit Strings String splitten String in Zahl umwandeln Zahl in String umwandeln Strings sprachlich richtig sortieren Umwandlung in Klein- bzw. Großschreibung Strings sprachlich richtig vergleichen Von der Groß-/Kleinschreibung unabhängiger Zeichenvergleich Von der Groß-/Kleinschreibung unabhängige Suche Textverarbeitung Datei durchsuchen Ersetzungen in einer Datei Code-Formatierer Lines of Code (LOC) ermitteln

12 18 Inhalt Zeilen, Wörter und Zeichen einer Datei zählen CSV-Datei lesen Kreuzreferenzliste Operationen auf Folgen Container anzeigen Folge mit gleichen Werten initialisieren Folge mit Werten eines Generators initialisieren Folge mit fortlaufenden Werten initialisieren Summe und Produkt Mittelwert und Standardabweichung Skalarprodukt Folge der Teilsummen oder -produkte Folge der Differenzen Kleinstes und größtes Element finden Elemente rotieren Elemente verwürfeln Dubletten entfernen Reihenfolge umdrehen Anzahl der Elemente, die einer Bedingung genügen Gilt X für alle, keins oder wenigstens ein Element einer Folge? Permutationen Lexikografischer Vergleich Sortieren und Verwandtes Partitionieren Sortieren Stabiles Sortieren Partielles Sortieren Das n.-größte oder n.-kleinste Element finden Verschmelzen (merge) Suchen und Finden Element finden Element einer Menge in der Folge finden Teilfolge finden Bestimmte benachbarte Elemente finden Bestimmte aufeinanderfolgende Werte finden Binäre Suche Mengenoperationen auf sortierten Strukturen

13 Inhalt Teilmengenrelation Vereinigung Schnittmenge Differenz Symmetrische Differenz Heap-Algorithmen pop_heap push_heap make_heap sort_heap is_heap Vergleich von Containern auch ungleichen Typs Unterschiedliche Elemente finden Prüfung auf gleiche Inhalte Rechnen mit komplexen Zahlen: Der C++-Standardtyp complex Schnelle zweidimensionale Matrix Optimierung mathematischer Array-Operationen Singleton Implementierung mit einem Zeiger Implementierung mit einer Referenz Meyers Singleton Vermischtes Erkennung eines Datums Erkennung einer IP4-Adresse Erzeugen von Zufallszahlen for_each Auf jedem Element eine Funktion ausführen Verschiedene Möglichkeiten, Container-Bereiche zu kopieren Vertauschen von Elementen, Bereichen und Containern Elemente transformieren Ersetzen und Varianten Elemente herausfiltern Grenzwerte von Zahltypen Minimum und Maximum Datei- und Verzeichnisoperationen Datei oder Verzeichnis löschen Datei oder Verzeichnis umbenennen

14 20 Inhalt 24.3 Verzeichnis anlegen Verzeichnis anzeigen Verzeichnisbaum anzeigen Teil V: Die C++-Standardbibliothek Aufbau und Übersicht Auslassungen Beispiele des Buchs und die C++-Standardbibliothek Hilfsfunktionen und -klassen Relationale Operatoren Unterstützung der Referenzsemantik für R-Werte move() forward() Paare Tupel Indexfolgen Funktionsobjekte Arithmetische, vergleichende und logische Operationen Funktionsobjekte zum Negieren logischer Prädikate Binden von Argumentwerten Funktionen in Objekte umwandeln Templates für rationale Zahlen Hüllklasse für Referenzen Type Traits Wie funktionieren Type Traits? ein Beispiel Abfrage von Eigenschaften Abfrage numerischer Eigenschaften Typbeziehungen Typumwandlungen Auswahl weiterer Transformationen Container Gemeinsame Eigenschaften Initialisierungslisten Konstruktion an Ort und Stelle Reversible Container

15 Inhalt Sequenzen vector vector<bool> list deque stack queue priority_queue array Sortierte assoziative Container map multimap set multiset Hash-Container unordered_map unordered_multimap unordered_set unordered_multiset bitset Iteratoren Iterator-Kategorien Anwendung von Traits distance() und advance() Bereichszugriff Reverse-Iteratoren Insert-Iteratoren Stream-Iteratoren Algorithmen Algorithmen mit Prädikat Algorithmen mit binärem Prädikat Übersicht Nationale Besonderheiten Sprachumgebungen festlegen und ändern Die locale-funktionen

16 22 Inhalt 30.2 Zeichensätze und -codierung Zeichenklassifizierung und -umwandlung Kategorien collate ctype numeric monetary time messages Konstruktion eigener Facetten String Speichermanagement unique_ptr make_unique shared_ptr make_shared weak_ptr new mit Speicherortangabe Numerische Arrays (valarray) Konstruktoren Elementfunktionen Binäre Valarray-Operatoren Mathematische Funktionen slice und slice_array gslice und gslice_array mask_array indirect_array Ausgewählte C-Header <cassert> <cctype> <cerrno> <cmath> <cstdarg> <cstddef>

17 Inhalt <cstdio> <cstdlib> <cstring> <ctime> A Anhang A.1 ASCII-Tabelle A.2 C++-Schlüsselwörter A.3 Compilerbefehle A.4 Rangfolge der Operatoren A.5 Lösungen zu den Übungsaufgaben A.6 Installation der Software für Windows A.6.1 Installation des Compilers und der Entwicklungsumgebung A.6.2 Integrierte Entwicklungsumgebung einrichten A.6.3 De-Installation A.7 Installation der Software für Linux A.7.1 Installation des Compilers A.7.2 Installation von Boost A.7.3 Installation und Einrichtung von Code::Blocks A.7.4 Beispieldateien entpacken Glossar Literaturverzeichnis Register...969