Curriculum Programmieren C/C++ linux.isoe.ch/lecture

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1 Curriculum Programmieren C/C++ linux.isoe.ch/lecture H.Buchmann 5. November 2003 prog-2.tex,v /12/01 12:20:28 buchmann Exp buchmann Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 3 2 Generelle Prinzipien 3 3 Die Vorlesung 4 4 Erstes Semester Die Umgebung Tutorial Rechnerarchitekturen String und Arrays Operationen mit Bits Include/Soure Files Klassen Instanzen Konstruktoren-Destruktor Files & Streams Klassen/Unterklasses Polymorphismus Zweites Semester Verkettete Listen Macros & Templates Die Standard Template Library C Programme

2 5.5 Avancierte C++ Konstrukte Assembler Resumé Kurzform Ziel Erstes Semester Tutorial Rechnerarchitekturen Strings und Arrays Operationen mit Bits Include/Soure Files Klassen Instanzen Files & Streams Klassen/Unterklassen Zweites Semester Verkettete Listen Macros & Templates Standard Template Library C Programme Avancierte C++ Konstrukte Stundentafel 11 2

3 Zusammenfassung 1 Einführung Dieses Dokument beschreibt die Vorlesung Programmieren in C/C++ wie sie im Rahmen des neuen Lehrplanes an der FHSO statt ndet. Basis dieser neuen Vorlesung bildet die bestehende Vorlesung Programmieren in C/C++. Es gibt zwei Vorlesungsteile von je 60 Stunden. Der erste Teil ist für Studenten der Abteilung ik obligatorisch und ndet im dritten Semester statt. Es ist noch offen, wann der erste Teil für Studenten der Abteilung au abgehalten werden soll (anzustreben wäre auch das dritte Semester). Der zweite Teil der Vorlesung wird im vierten Semester in Form eines coaching statt. Dieser Teil ist in einen Vorlesungszyklus eingebettet wo mehrere Programmiersdprachen angeboten werden. 1 Etwas provokant formuliert: Eine perfekte Dokumentation ist Zeichen eines veralteten Konzepts 2 Generelle Prinzipien Die Internetseiten auf linux.isoe.ch/lecture sind integrierender Bestandteil des Curriculum. In der Vorlesung Programmieren in C/C++ lernt der Student die Programmiersprache C++. Das Gewicht liegt auf den objektorientierten Mechanismen der Sprache ohne aber den Bezug zur Quelle von C++, C zu verlieren. Am Schluss der Vorlesung soll der Student in der Lage sein Programme mit C++ in einer objektorientierten Art und Weise zu schreiben. Grosses Gewicht wird auf den ganzen Zyklus der Softwareentwicklung gelegt: Analyse, Design, Implementation und Test. Der Student soll in der Lage sein ein unscharf formuliertes Problem mit einer formalen Sprache wie es (auch) C/C++ ist, zu lösen. Die Gemeinsamkeiten aber auch die Unterschiede zu Javasollen herausgearbeitet werden. Programmieren lernt man nur mit durch Übung, die eigenen Fehler führen weiter. So wird in der Vorlesung verlangt, dass jeder Student pro Semester etwa 1500 Zeilen C++ Code selber schreibt. Der Student soll auch in der Lage sein, sich in nicht perfekter, schlecht formulierter, englischer und unvollständiger Dokumentation zurecht zu nden. 1 Die Vorlesung ist so weit als möglich unabhängig von einem konkreten Betriebssystem. 3

4 Die Fortschritt der Studenten wird mit Prüfungen und Kurztesten überprüft. 3 Die Vorlesung Etwa das erste Drittel der Vorlesung befasst sich mit den elementaren Konstrukten und Konzepten der Sprache die im Prinzip auch in C gelten. Trotz allem soll auch da auf eine objektorientierte Auffassung Wert gelegt werden. Der Student macht sich so fast zwanglos mit den objektorientierten Konstrukten vertraut. So wird z.b. der Begriff Klasse auch dann schon verwendet, wenn es eigentlich noch gar nicht nötig wäre. 4 Erstes Semester Das erste Semester wird im Rahmen einer normalen Vorlesung abgehalten 4.1 Die Umgebung Der Student richtet seine Arbeitsumgebung ein: Dazu gehört die Wahl des Betriebssystems, der Entwicklungsumgebung und der Verzeichnisstruktur: wie lege ich die Programme ab so dass ich sie wieder nde. Die Umgebung soll ihm in den nächsten Abschnitten keine Schwierigkeiten mehr bereiten d.h. der Student kann sich dann voll und ganz auf seine Programme konzentrieren. Er kann eigene kleine Programme schreiben, kompilieren und ausführen und weiss, wie er in seinem Programm Fehler ndet und natürlich auch korrigiert. 4.2 Tutorial Der Student modi ziert ein Programm, dass im zur Verfügung gestellt wird. Es geht darum die ersten C++ Konstrukte kennen zu lernen, ohne dass in allen Fällen schon klar ist warum sie so (und nicht anders) angewendet werden. Dazu gehört die C++ orientierte Eingabe über die Tastatur und Ausgabe auf den Bildschirm. Es folgen ein paar Programmierübungen um die C++ Konstrukte einzuüben. 4.3 Rechnerarchitekturen Die heutigen Rechnerarchtitekturen werden vorgestellt. Die Darstellung der elementaren Datentypen im Speicher wird vorgestellt/repetiert. Damit sollen 4

5 die Pointer aus einem etwas anderen Blickwinkel dargestellt werden. 4.4 String und Arrays In diesem Abschnitt macht der Student seine ersten Erfahrungen mit Pointer und lernt den engen Zusammenhang zwischen Pointer und Array kennen. Daneben vertieft er seine Praxis im Programmieren mit C++. Strings als Beispiel von etwas speziellen Arrays bieten die Gelegenheit eine Reihe von klassischen Stringoperationen zu realisieren. Buchstaben der Datentyp char, der Unterschied zwischen Zeichen und dem Code des Zeichens, ASCII Tabelle. Declaration von Strings, wann wird Speicherplatz reserviert, wann nicht. Länge eines Strings. Zeiger auf Strings Ausgabe von Strings und elementaren Datentypen Beispiele eine Reihe von Aufgaben die in einer Klasse String gesammelt werden. 4.5 Operationen mit Bits Die elementaren Bitoperationen. 4.6 Include/Soure Files In den vorigen Abschnitten wurden alle Programme in einen File geschrieben eine für grössere Arbeiten sicher nicht geeignete Vorgehensweise. In diesem Abschnitt lernen die Studenten die Aufteilung von Programmen in Module oder packages. Da C++ in einer konventionellen Umgebung eingebettet ist, müssen, im Gegensatz zu Java, Vorkehrungen getroffen werden damit Programme immer auf dem neuesten Entwicklungsstand sind. include source Files, das Modulkonzept, wie wird es in C C++ realisiert: Die Macros define, ifdef ifndef endif (siehe Abschnitt 5.1). Make le Der File der die Abhängigkeiten der Module beschreibt. Es bietet sich hier die Gelegenheit die Abhängigkeitsgraphen einzuführen. make das Programm das den Zusammenbau einer Applikation steuert. Wie im Abschnitt 4.1 beschrieben, kann der Student seine Entwicklungsungebung selber wählen. Bei modernen integrierten Entwicklungsumgebungen muss sich der Benutzer, auf den ersten Blick mindestens, nicht mehr 5

6 mit dem Make le herumschlagen. Solche Umgebungen benutzen, für den Benutzer unsichtbar, auch Make le s. So ist es auch für Benutzer von integrierten Entwicklungsumgebungen sinnvoll, sich mit Make les zu befassen. 4.7 Klassen Instanzen Konstruktoren-Destruktor Dieser Abschnitt befasst sich das erste Mal mit den rein objektorientierten Konzepten von C++. Klasse der Grundbaustein, Klassmethoden, Klassvariablen, Instanzmethoden, Instanzvariablen. Instanz das Leben einer Instanz die Kreation, die Destruktion. Wie werden Instanzen komplexer Klassen initialisiert. Wie können Instanzen erzeugt werden (by value by reference). Mit ausführlichen Übungen soll sich der Student mit den zentralen objektorientierten Konzepten von C++ vertraut machen. 4.8 Files & Streams C++ bietet eine normierte Art und Weise für die Ein- und Ausgabe. Dieser Abschnitt macht den Studenten mit dem Modul <iostream.h> vertraut. Grosses Gewicht wird auf die Dokumentation gelegt d.h. der Student muss via Dokumentation <iostream.h> lernen. Ein grösseres Beispiel,hexdump, zeigt die Anwendung von <iostream.h>. 4.9 Klassen/Unterklasses Polymorphismus Dieser Abschnitt führt die in Abschnitt 4.6 begonnene Thematik weiter. Der Mechanismus der in einer Unterklasse überschreibbaren Methode (virtual methods wird gezeigt. Erfahrungsgemäss bereitet es vielen Studenten anfangs Mühe, die Vorteile dieses Konzepts zu verstehen und es auch gewinnbringend einzusetzen. 2. Klassen Unterklasse virtual methods Wann wird welche Methode aufgerufen, der Begriff der Referenz erlangt seine wichtige Bedeutung. sorting Anwendung eines einfachen frameworks. Der Student benutzt das framework um fast beliebige Daten zu sortieren. Er lernt wo und wie er seinen Code mit dem framework in Zusammenhang bringt. wordsort Ein grösseres Beispiel rundet diesen Abschnitt ab. Dieser Abschnitt zeigt in die Anwendung eines frameworks, Abschnitt 5.1 zeigt die Herstellung eines frameworks. 2 Dass Methoden geschrieben werden, die man selber gar nicht aufruft 6

7 5 Zweites Semester Das zweite Semester wird im coaching Verfahren durchgeführt. 5.1 Verkettete Listen Mit verkettete Listen kann einerseits der in der Informatik zentrale Begriff der Referenz eingeübt und andererseits ein erste nüztliche Kategorie von Containern (siehe auch Abschnitt 5.2) erstellt werden. SLL,DLL Single linked List und Doubly linked List. Es wird Gewicht auf die Liste und nicht auf die in der Liste abgelegten Daten gelegt. Neben den eigentlichen Datenstrukturen erstellen die Studenten parallel dazu die Testsoftware. framework Hier wird Wert auf Daten gelegt, die Implementation der Liste tritt in den Hintergrund. Welche Klassen müssen erstellt werden, damit ein nützliches framework entsteht. 5.2 Macros & Templates Dieser Abschnitt bereitet Abschnitt 5.2 vor. Macros Der Präprozessor, die Vorteile und vor allem die Nachteile von Macros. Templates Typensichere Macros. Einfache Anwendung von Schablonenklassen, Unterschied zu rein objektorientierten Methoden. 5.3 Die Standard Template Library Die Die Standard Template Library (STL) ist eine normierte typische Bibliothek wie sie in der C++ Umgebung vorkommt. Die STL nutzt, wie schon im Namen angedeutet, extensiv die Möglichkeiten der templates. Dieser Abschnitt zeigt die Anwendung der STL an mehreren Beispielen, beginnend mit kleinen eher didaktischen Übungen, endend mit einer grösseren Anwendung, die die Schnelligkeit der STL für sehr grosse Datenmengen zeigt. Beispiel einer grossen Anwendung Die grosse Anwendung erstellt ausgehend von einem Log le der Internetzugiffe auf einen Webserver diverse Statistiken. Als Datenbasis wird der Log le des Webservers verwendet der diese Vorlesung beherbergt, linux.isoe.ch/lecture. Da auch von aussen auf diesen Server zugegriffen werden kann, hat sich ein grosser und realistischer Log le ergeben. 7

8 5.4 C Programme Der Abschnitt rüstet C++ auf C ab. C von C++ aus Wie werden C Funktionen von C++ aus aufgerufen typische Anwendung: Betriebssystemaufrufe. Restriktionen Die in C gültigen Restriktionen. printf und Verwandte Die klassischen C Funktionen 5.5 Avancierte C++ Konstrukte Bis zu diesem Punkt soll der Zusammenhang zwischen Javaund C++ eng sein. Es gibt nun aber eine Reihe von C++ spezi schen Konstrukte, sie sollen in diesem Abschnitt eingeführt werden. Operatoren In Abschitt 5.2 wurden die notwedigen Operatoren in Rezeptform eingeführt. Hier sollen die Operatoren mit ihren Vor- und Nachteilen erklärt werden. const Wie können Programme mit const robust gemacht werden. 5.6 Assembler Die Assemblerprogrammierung hat an Bedeutung abgenommen. Studenten der Informatik sollten aber auch heute noch die Grundlagen der Assemblerprogrammierung kennen, nicht um grosse Anwendungen in Assembler zu erstellen, sondern um kleine aber wichtige Stücke in Assembler zu schreiben. 5.7 Resumé Zusammenfassung der Vorlesung, was ist wichtig, wie hängen die einzelnen Abschnitte zusammen, ef ziente Vorbereitung auf die Vordiplomprüfung. 8

9 6 Kurzform 6.1 Ziel Die Sprache C++ soll für Programmierungsarbeiten genutzt werden können. Gewicht wird auf die objektorientierten Konstrukte der Sprache gelegt. Die Gemeinsamkeiten aber auch die Unterschiede zu Javasollen hervorgehoben werden. 6.2 Erstes Semester Tutorial Welche Entwicklungsumgebung erste Programme Rechnerarchitekturen Wie ist ein Rechner aufgebaut Bezug zu den Pointern Strings und Arrays Was ist ein Pointer, wie werden Strings in C++ behandelt Operationen mit Bits Was kann mit einzelnen Bits gemacht werden Include/Soure Files Wie ist ein Projekt organisiert, der make Prozess Klassen Instanzen Der objektorientierte Einstieg Files & Streams Ein paar nützliche Klassen Klassen/Unterklassen Polymorphismus, virtuelle Methoden, Konstruktion/Destruktion. 9

10 6.3 Zweites Semester Verkettete Listen Ein klassisches Gebiet betrachtet von der objektorientierten Warte Macros & Templates Kon gurierbare generische Klassen Standard Template Library Eine nützliche und schnelle Bibliothek C Programme Avancierte C++ Konstrukte 10

11 7 Stundentafel Die mit einem x bezeichneten Abschnitte können bei Zeitmangel ausgelassen werden. Erstes Semeter Abschnitt Referenz Stunden Die Umgebung Rechnerarchitekturen String und Arrays Operationen mit Bits Include/Soure Files Klassen Instanzen Files & Streams Klassen/Unterklassen Prüfungen 8 Total 60 Zweites Semester Abschnitt Referenz Stunden Verkettete Listen Macros & Templates Standard Template Library C Programme Avancierte C++ Konstukte Assembler x Resumé Prüfungen 4 Total 60 11

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