Programmieren in C. Inhalt. Literatur (2) Literatur (1) Historie von C. Eigenschaften von C. Dipl. Inf. Sigrid Weil

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1 Inhalt Programmieren in C Dipl. Inf. Sigrid Weil sigrid.weil@fh-bonn-rhein-sieg.de Fachbereich Informatik Fachhochschule Bonn-Rhein-Sieg Einführung Elementare Datentypen und Anweisungen Felder und Zeiger Funktionen Strukturen Deklarationen, Speicherklassen Ein- und Ausgabe Sonstiges 2 Literatur (1) Literatur (2) S.P.Harbison, G.L.Steele Jr.: C: A Reference Manual 5. Ausgabe, Prentice Hall, 2002 B.W.Kernighan, D.M.Ritchie: Programmieren in C 2. Ausgabe, Hanser, 1990 Jürgen Dankert Praxis der C-Programmierung Teubner, 1997 J. Anton Illik Programmieren in C unter UNIX Sybex, 1990 Steve Oualline Practical C 3 rd Ed., O'Reilly, 1997 R.Berrendorf: Einführung in die Programmiersprache C Benutzerhandbuch KFA-ZAM-BHB-0095, Forschungszentrum Jülich lokale Kopie www2.inf.fh-bonn-rhein-sieg.de/~sweil2m/c-kurs 3 4 Historie von C Eigenschaften von C 1960: ALGOL60 CPL (Combined Programming Language) 1967: BCPL (Based Combined Programming Language) Martin Richards (MIT), Systemprogrammierung 1970: B Ken Thompson (AT&T Bell Labs), Implementierungssprache für Unix 1972: C Dennis M. Ritchie (AT&T Bell Labs), Implementierungssprache für Unix 1978: C-Sprachdefinition im Buch The C Programming Language von Brian W. Kernighan und Dennis M. Ritchie (K&R-C) 1983: Bildung des ANSI-Komitees X3J11 zur Standardisierung von C 1989: ANSI C (C89) 1999: kleinere Erweiterungen zum internationalen Standard ISO/IEC 9899:1999 (C99) (Viele Compiler kennen noch nicht die in C99 hinzugekommenen Erweiterungen) Universelle Programmiersprache: einsetzbar für Anwendungen in (fast) allen Bereichen Hardware-nahe Programmierung möglich Modulares Programmieren möglich Möglichkeiten zur Formulierung effizienter Programme C-Compiler erzeugen effizienten Code Viele Datentypen, viele Kontrollstrukturen, viele Operatoren Hohe Portabilität möglich (notwendige Voraussetzung: Beschränkung auf Standard-C) Standardbibliothek moderat umfangreich (verglichen mit Java), jedoch keine Änderungen am existierenden Interface über viele Jahre (voll aufwärtskompatibel) Sprache hat keine Konstrukte zum objektorientierten Programmieren Grafikbibliothek nicht Teil von C Fehlerquellen (= = und =, Typumwandlung usw.) 5 6

2 Beispiel p1.c Vom Quellcode zum ausführbaren Programm // p1.c #include <stdio.h> int main (int argc, char **argv) int i; i = 4711; printf ("i = %d\n", i); Sourcecode erzeugen (mittels Editor) und in Sourcecode-Datei mit Suffix.c ablegen scname.c : cc scname.c Ergebnis der Übersetzung wird in der ausführbaren Datei mit Standardnamen a.out abgelegt Mit der Option -o kann der Standardname der ausführbaren Datei geändert werden: cc -o name scname.c Ausführen:./a.out bzw../name 7 8 Übersetzung Die Übersetzung eines Quellcodes in ausführbaren Code erfolgt in 4 Schritten: preprocesser compiler (im engeren Sinne) assembler linker (Wir sprechen oft von Compiler oder übersetzen und meinen alle 4 Schritte auf einmal) Durch Aufruf von cc scname.c werden alle 4 Schritte auf einmal ausgeführt. Durch die Option -v können die Einzelschritte sichtbar gemacht werden (allerdings immer noch ohne Erzeugung von Zwischenergebnissen) cc -v scname.c cc -v p1.c $ cc -v p1.c Reading specs from /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.4/specs gcc version (Debian prerelease) /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.4/cpp0 -lang-c -v -D GNUC =2 -D GNUC_MINOR =95 -D ELF -Dunix -D i386 -Dlinux -D ELF -D unix -D i386 -D linux -D unix -D linux -Asystem(posix) -Acpu(i386) -Amachine(i386) -Di386 -D i386 -D i386 p1.c / tmp/ccjq7cue.i GNU CPP version (Debian prerelease) (i386 Linux/ELF) #include "..." search starts here: #include <...> search starts here: /usr/local/include /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.4/include /usr/include End of search list. The following default directories have been omitted from the search path: /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.4/../../../../include/g++-3 /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.4/../../../../i386-linux/include End of omitted list. /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.4/cc1 /tmp/ccjq7cue.i -quiet -dumpbase p1.c -version -o /tmp/ccg8pcuc.s GNU C version (Debian prerelease) (i386-linux) compiled by GNU C version (Debian prerelease). as -V -Qy -o /tmp/ccps62yl.o /tmp/ccg8pcuc.s GNU assembler version (i386-linux) using BFD version Debian/GNU Linux /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.4/collect2 -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 /usr/lib/crt1.o /usr/lib/crti.o /usr/lib/gcc-lib/i386 -linux/2.95.4/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc-lib/i386-linux/ /tmp/ccps62yl.o -lgcc -lc -lgcc /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.4/crtend.o /usr/li b/crtn.o $ 9 10 Übersetzung in Teilschritten (1) durch Angabe von Optionen möglich: -E stoppt nach preprocessing, Ergebnis wird auf Standardausgabe gelenkt (kann aber mit -o name in Datei umgeleitet werden) in Teilschritten (2) cc angewendet auf Zwischenergebnisse, weiß, wo es zu starten hat cc p1.o ruft nur den Linker auf und erzeugt ausführbaren Code a.out -S -c stoppt nach dem eigentlichen Compilieren, erzeugt Assembler-Datei mit Endung.s stoppt nach dem assemblieren, dh. bindet nicht, erzeugt (nicht ausführbaren) Objektcode mit Endung.o cc -c p1.o macht gar nichts Der Linker kann auch mehrere Objektdateien zu einem ausführbaren Programm zusammenbinden: cc -o excname name1.o name2.o... name_n.o cc -E -o p1.i p1.c cc -S p1.c cc -c p1.c legt Ergebnis des Präprozessors in p1.i ab erzeugt Assemblerdatei p1.s erzeugt Objectcode p1.o Zum Einbinden von librarys ist die Linker-Option -l nötig: cc -o excname name1.o name2.o -lgr bindet die Objektdateien name1.o, name2.o und die library libgr.a zur Datei excname zusammen 11 12

3 Beispiel p2.c Beispiel p3.c // p2.c #include <stdio.h> // p3.c // gruss.c main () gruss(); int gruss () main () gruss(); #include <stdio.h> int gruss () printf("hallo\n"); p2.c printf("hallo\n"); cc -c p2.c p2.o cc -o p2 p2.o Linken p2 p3.c gruss.c cc -c p3.c cc -c gruss.c p3.o gruss.o cc -o p3 p3.o gruss.o Linken p Dateien Aufgaben des Präprozessors.c: C Source-Code; Teil eines C-Programms (C-Source).h: Extern sichtbare Schnittstelle einer oder mehrerer.c-dateien (C-Source).o: Übersetzte Programmdatei (nicht-ausführbarer Objektcode).a: Programmbibliothek (nicht-ausführbarer Objektcode) a.out: Ausführbare Programmdatei (ausführbarer Objektcode; Name der Datei beliebig) C-Sourcecode x.c defs.h y.c nicht-ausführbarer Objektcode x.o y.o libm.a Linken ausführbarer Code test Präprozessor ist ein reiner Makroprozessor, der textuellen Ersatz vornimmt und eine neue Datei produziert, die an den eigentlichen C- Compiler weitergegeben wird! Aufgaben des Präprozessors: Einfügen weiterer Dateien innerhalb einer Datei (#include...) Makrodefinitionen und ersetzung (#define...) Bedingte Übersetzung (#if...) Zusätzliche Compiler-Steuerung über #pragma Gesteuert wird der Präprozessor über Direktiven, die alle mit einem # als erstem Nichtleerzeichen einer Zeile anfangen. Direktiven müssen in eine logische Zeile passen. Längere Direktiven mit Backslash-Newline-Kombination über mehrere physikalische Zeilen möglich. Zwischen # und Direktivenbezeichner können Leerzeichen stehen. Direktiven können an beliebiger Stelle im Source-Code auftauchen Einfügen von Dateien Mittels der #include-direktive kann man andere Dateien in den Code einfügen. Schachtelung möglich, d.h. in eingefügten Dateien können wiederum #include-direktiven stehen. Wird fast ausschließlich zum Einfügen von.h-dateien genutzt. Mehrere Formen möglich: #include Dateiangabe Die Datei wird relativ zum aktuellen Verzeichnis gesucht. #include <Dateiname> Die Datei wird an systemspezifischen Verzeichnissen gesucht. Auf Unix-Systemen in /usr/include und evtl. /usr/local/include. #include Makroname 1...Makroname n Nach ihrer Ersetzung sollten die Makronamen eine der beiden obigen Formen ergeben. Bedingte Übersetzung Mit Hilfe des Präprozessors ist es möglich, nur bestimmte Teile des Programms übersetzen zu lassen. Dies ist dann nützlich, wenn man aus einem Source-Programm verschiedene Versionen erzeugen möchte, z.b. für Unix und Windows. #if defined(unix) # include <unix.h> #elif defined(windows) # include <windows.h> #endif Die Dateiangabe ist relativ zum jeweiligen Bezugspunkt, d.h. Angaben wie../datei.h sind möglich

4 Makros Makrodefinition Makros dienen der Abkürzung häufig benutzter Zeichenfolgen der Definition logischer Konstanten (Konsistenz im Programm) dem Umdefinieren existierender Namen der bedingten Übersetzung von Programmteilen Makros gibt es mit und ohne Parameter Nach einer Makrodefinition wird jedes Erscheinen dieses Makronamens im weiteren Text durch den Ersatztext textuell (!) ersetzt. Achtung Fehler! #define SQUARE(x) x*x SQUARE(z+1) //wird expandiert zu z+1*z+1 //was ausgewertet wird zu z+(1*z)+1 Makros können entweder im Quellcode durch die Präprozessor- Direktive #define definiert werden #define MAX definiert ein Makro mit Namen MAX und Wert oder durch die Päprozessor-Option -D beim Aufruf des Compilers (bzw. preprocessors) cc -DMAKRONAME scname.c definiert ein Makro mit Namen MAKRONAME und Standardwert Vordefinierte Makros Aufbau von C-Dateien LINE Zeilennummer der aktuellen Quelltextzeile FILE Name der aktuellen Quelldatei DATE Kalenderdatum der Übersetzung TIME Zeit der Übersetzung (Achtung: jeweils 2 Underlines ohne Leerzeichen!) Formatfrei Leerzeichen, Zeilenendezeichen, vertikaler und horizontaler Tabulator, Seitenvorschub und Kommentar (s.u.) sind Trennzeichen (außer in Zeichenkonstanten und Strings) Mehrere Trennzeichen werden logisch als ein Trennzeichen angesehen Backslash \ direkt gefolgt von Zeilenende wird ignoriert, so dass eine logische Zeile entsteht. Dies ist z.b. bei Präprozessor-Direktiven notwendig, die sich nur über eine logische Zeile erstrecken können Groß- und Kleinschreibung ist signifikant Bezeichner1 Bezeichner2 Bezeichner3 Diese beiden (es folgt eine Backslash-Newline-Kombination) \ Zeilen werden als eine logische Zeile aufgefasst Aufbau von C-Programmen C-Programm: Folge von Funktionsdefinitionen kann auf mehrere Quelldateien verteilt sein enthält genau eine Funktion mit Namen main Eine Funktionsdefinition besteht aus einem Funktionskopf (header) und einem Funktionsrumpf (body): Funktionskopf Bezeichner Bezeichner werden für Variablen, Funktionen, Makros usw. verwendet Bezeichner sind eine Folge von Buchstaben, Ziffern und dem Zeichen _, wobei das erste Zeichen keine Ziffer sein darf Klein-/Großschreibung wird unterschieden Keine reservierten Schlüsselwörter erlaubt Bezeichner können beliebig lang sein, wobei jedoch nur eine bestimmte Länge signifikant sein muss: Mindestens die ersten 63 Zeichen bei internen Namen Mindestens 31 Zeichen bei externen Namen Typ Name ( Parameterliste ) Bezeichner Buchstabe Funktionsrumpf Deklaration Anweisung _ Buchstabe Ziffer _ 23 24

5 Reservierte Schlüsselwörter Vereinbarung C kennt die folgenden reservierten Schlüsselwörter mit vordefinierter Bedeutung, die z.b. nicht als Variablennamen oder Funktionsnamen verwendet werden können (wohl aber als Makronamen). auto do inline switch _Bool double int typedef break else long union case enum register unsigned char extern return void _Complex float short volatile const for signed while continue goto sizeof default if static restrict _Imaginary struct Blau gekennzeichnete Namen sind neu in C99 Vordefinierter Bezeichner (ist aber kein Schlüsselwort) Für jede Funktion findet implizit eine Vereinbarung statt: static const char func [] = "Name der Funktion"; Nutzung: if(failed) printf("function %s failed\n", func ); 25 Variablen- und Funktionsnamen werden (überwiegend) klein geschrieben Makronamen werden komplett aus Großbuchstaben gebildet Namen mit _ als erstem Buchstaben sind für Namen von (internen) Bibliotheksfunktionen oder vordefinierten Makros reserviert /* Makros */ #define PI #define DIMENSION_1 100 /* Variablen */ int i,j; /* Funktionen */ int MeineTolleFunktion(); /* "reservierte" Namen */ LINE, DATE, _exit(); 26 Kommentare Makefiles - Motivation Dienen der besseren Lesbarkeit von Programmen Können überall im Programm erscheinen, außer in Zeichenkonstanten und Strings Sind Trennzeichen Können nicht geschachtelt werden! Beginnen mit /* und enden mit */ (über mehrere Zeilen möglich) // bis Zeilenende Beispiele: // Dies ist ein Kommentar /* Dies ist /* ebenfalls ein Kommentar */ /* Dies ist ein Kommentar, der über mehrere Zeilen geht und hier endet: */ /* Dies ist /* noch ein Kommentar */ der hier nicht mehr weitergeht (Fehler) */ Änderung eines Source-Codes: Neuübersetzung aller files notwendig, die Funktionen des geänderten files benutzen Änderung eines Header-files: Neuübersetzung aller source-codes notwendig, die das Header-file importieren Neuübersetzung eines source-codes: Neues Linken notwendig Problem: Abhängigkeiten zwischen den files oft sehr komplex Frage: Welche files müssen neu übersetzt (und neu gebunden) werden, wenn ein file geändert wurde? Antwort: Solche Abhängigkeiten können im makefile beschrieben werden, das Kommando make löst dann alle notwendigen Aktionen aus Makefile - Aufbau makefiles bestehen aus (expliziten oder impliziten) Regeln, Variablendefinitionen, Direktiven oder Kommentaren Eine Regel hat die folgende Form: <Ziel> : <Voraussetzungen> <Kommandos> <Ziel> ist üblicherweise der Name derjenigen Datei, die erzeugt werden soll <Voraussetzungen> ist eine Liste von Dateien, von denen die zu erzeugende Datei abhängt <Kommandos> ist eine Liste von Kommandos, die zur Erzeugung der Zieldatei ausgeführt werden sollen jedes Kommando muß in einer eigenen Zeile stehen, die mit einem Tabulatorzeichen beginnen muß! Makefile - Beispiel Annahme: Dateien x.c, y.c, defs.h x.c benutzt eine Funktion, die in y.c definiert ist die Schnittstelle dieser Funktion ist in defs.h beschrieben x.c importiert defs.h die ausführbare Datei soll test heißen # Dies ist ein Kommentar im makefile # die Datei heißt: makefile test: x.o y.o cc -o test x.o y.o x.o: x.c defs.h cc -c x.c y.o: y.c cc -c y.c 29 30

6 Übung Aufgaben des ersten Übungsblattes. 31