Programmiersprache(n) für Technische Anwendungen am Beispiel der Programmiersprache C

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1 Programmiersprache(n) für Technische am Beispiel der Programmiersprache C BelegNr Dies sind Hilfsblätter zur Vorlesung. Sie ersetzen nicht die Vorlesung sondern dienen zur Orientierung und Unterstützen die visuelle Darstellung des Gesagten. Dipl. math Gerd H. Neugebauer Computer Science and Engineering

2 Inhalte der Vorlesung C Übersicht Programmiersprachen, Historisches, strukturierte Programme Informationsquellen Wir lernen in C zu programmieren Datenformate, Datentypen, Bezeichner, Variablen einfache Programme, printf, scanf, Formatierung Anweisungen, Operatoren, logische + arithmetische Verknüpfung Kontrollstrukturen: if, switch, while, do, for Funktionen, Prototypen, Parameterübergabe Felder, Zeichenketten, Zeiger Speicherklassen, Präprozessor, Bibliotheken Speicherverwaltung: malloc, free Dateiverwaltung Erweiterung von C aufgrund von C++ Grundlagen der Objektorientierung 2

3 Lernziel Erlernen von grundlegenden Programmierkenntnissen Erlernen der grundlegenden Sprachelemente von C Selbständiges Erstellen von einfachen C-Programmen Fehlersuche in Programmen (Debugging) Nicht Lernziel Windows Programmierung mit MFC (Microsoft Foundation Classes) oder Windows API (application programming interface) Der Software Entwicklungs Prozess 3

4 Programmieren Lernen Man lernt Bergsteigen nicht dadurch, daß man sich mit einem Hubschrauber auf den Gipfel fliegen läßt. Wer schnell auf einen Berggipfel gelangen muss, der soll ruhig einen Hubschrauber anmieten, nur wird er dabei eben nicht Bergsteigen lernen. Man lernt und versteht meist wenig, wenn man nur das letzte Kapitel eines Lehrbuches liest oder die Lösungen zu Übungsaufgaben nur abschreibt. So ist es auch mit dem Programmieren. Man lernt programmieren und gewinnt Erfahrung nur durch 4 üben, üben und nochmals üben

5 interessante Links Informationen zu C, C++ Online Version des Buches C von A bis Z C-Programmierung für Noch-Nicht-Programmierer Oli s C/C++ Link Programmieren in C und C++ Wiki-books Compiler Bloodshed Dev C++ 5 (freeware) LCC-win32 (non comercial use) MS Visual C++ (Express Edition) Programmierung/Computer Liste der verfügbaren RRZN-Handbücher Ein Computer Lexikon Eine freie Enzyklopädie (mit Themen auch um den Computer) The developement of the C language 5

6 Literaturverzeichnis Bücher C Programmieren von Anfang an H. Erlenkötter, rororo, ISBN , Kosten: 9,90 Die Programmiersprache C. Ein Nachschlagewerk C++ für C-Programmierer Begleitmaterial zu Vorlesungen / Kursen Regionales Rechenzentrum Niedersachsen RRZN erhältlich bei H. Ünsal (Geb. 1, Raum 327), Kosten um 4,00 Programmieren in C Kernighan/Ritchie, Hanser Verlag, 1983, ISBN Die C++ Programmiersprache Bjarne Stroustrup, Addison-Wesley, 1997, ISBN Algorithmen in C Robert Sedgewick, Addison-Wesley, 1997, ISBN Fundamental Algorithms Seminumerical Algorithms Sorting and Searching Donald E. Knuth, Addison-Wesley, 3 Bände, um

7 Einige Programmiersprachen FORTRAN FORmula TRANslation bei IBM John Backus ALGOL ALGOrithmic Language , Gesellschaft für angewandte Mathematik und Mechanik COBOL COmmon Business Oriented Language , US Verteidigungsministerium BASIC Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code 1964 am Dartmouth College, John G. Kemeny und Thomas E. Kurtz Pascal (zu Ehren des Mathematikers und Philosophen Blaise Pascal) 1971 bei ETH Zürich, Niklaus Wirth C 1972 bei Bell Laboratories, Dennis Ritchie Info über die Entwicklung Java (nach OAK = Object Application Kernel) , Sun Microsystems, James Gosling 7

8 Entwicklung von Programmiersprachen 8

9 Programmiersprachen sind formale Sprachen, mit denen eine lauffähige Software entwickelt werden kann die auf einer Zielplattform (Hardware) zum Ablauf gebracht wird unter der Kontrolle eines Betriebsystems (auch Software). sind künstlich geschaffene Sprachen (Notationen) zur Formulierung von Rechenvorschriften, bei welcher Daten mit geeigneten Operationen in der Gestalt von Textkürzeln verknüpft und verändert werden. können klassifiziert werden. erste Generation Maschinencode die zweite Generation Assembler, die dritte Generation 3GL ablauforientierte Progrmmiersprachen 9 wie Basic, Cobol, Fortran, C, C++ und Java die vierte Generation Software-Tools für CASE-Methoden die fünfte Generation KI-Programmsprachen

10 Historisches BCPL B C C++ Dennis Richie (links) und Ken Thompson vor einem PDP-11 System. 10

11 Programmiersprache C Ken Thompson entwickelte unter Anlehnung an die Programmiersprache BCPL die Sprache B 1973 erstmalig von Dennis Ritchie in den Bell Laboratorien für das Unix-Betriebssystem auf einer DEC PDP-11 implementiert derzeit gängigste imperative Programmiersprache maschinennah und damit sehr schnell ohne dabei auf höhere Konzepte, Strukturierbarkeit, zu verzichten. der Befehlssatz ist auf wenige elementare Befehle beschränkt komplexe Befehle müssen zusammengesetzt werden relativ leichte Portabilität auf andere Rechner. Nachteilig ist die erschwerte Lesbarkeit (Write Only Language) der Programm-Listings. 11

12 4GL = 4th generation language Bei den Programmiersprachen der vierten Generation (4GL) handelt es sich um mehr als Programmier-"Sprachen", nämlich um umfassende Entwicklungssysteme. Bei diesen Programmiersprachen stehen Objektorientierung, Skalierbarkeit, Datenbankzugriff und die Komponenten-Architektur im Vordergrund. 4GL-Programmiersprachen wie Centura Team Developer, Uniface, Oracle Developer oder Powerbuilder entlasten den Programmierer von systemnahen Vorgängen. Speicherplatz für Programme und Daten müssen nicht explizit beim Betriebssystem anfordern werden und man braucht sich auch nicht um das Freimachen des Speicherplatzes zu kümmern. Ebenso entfällt das Hantieren mit Pointern auf Speicherbereichen. 12

13 C C++ C# C++ ist die Weiterentwicklung der Programmiersprache C für die objektorientierte Programmierung. Es ist eine eigenständige Programmiersprache, die in den 80er-Jahren entwickelt wurde. C++ hat gegenüber C zusätzliche Befehle und Operatoren für die Formatierung und das Arbeiten mit Modulen es zeichnet sich durch eine strenge Typisierung aus. bei C# (gesprochen: C-Sharp) handelt es sich um eine von Microsoft entwickelte objektorientierte Programmiersprache, angelehnt an C++ und Java. C# vereinfacht die Portierung von Programm-Codes mit C# erstellten Programme können einfacher mit Programmen verknüpft werden, die auf anderen Programmiersprachen basieren. 13

14 Mit IDE von der Idee zum Programm Summe zweier natürlicher Zahlen a und b Computer lateinisch computare, soviel wie rechnen Festlegung Algorithmus:c = a + b Quelldatei (Source-File) erstellt mit Editor Übersetzerprogramm (Compiler) IDE = Integrated Development Environment Assembler / Maschinensprache LOAD a,%r0 LOAD b,%r1 Linker (Verbindung von fertigen Objekten) ADD %r0,%r1 STORE %r1,c 14 Software

15 Beschreibung von Algorithmen Umgangssprache Pseudocode Programmablaufplan Datenflußplan Struktogramm Einlesen X Einlesen Y Wenn X > Y Dann Z = X Sonst Z = Y Ausgabe Z Der Motor M läuft solange die Tasten A und B gedrückt werden. 15

16 Programmablaufplan - Flußdiagramm Terminalausgabe Hello graphische Beschreibungen und übersichtliche Darstellung von Programmabläufen und / oder von Entscheidungsabläufen umfangreiche Teilaufgaben können als Blöcke dargestellt werden, die dann in weiteren Flußdiagrammen (Ablaufplänen) verfeinert werden können. Programmablaufsymbole sind in DIN 66001, DIN 66262, (Informationsverarbeitung, Sinnbilder und ihre Anwendung), festgelegt. Verzweigung Mehrfach Verzweigung Flußlinien Verarbeitungsblock Unterprogramm Verbindungsstelle Zusammenführung 16

17 Programmablaufplan - weitere Elemente Folge von Anweisungen Bedingte Verarbeitung Schleife mit Abbruchbedingung Endlosschleife Schleife mit Abfrage am Ende Schleife mit Abfrage am Anfang Ein Programmablaufplan stellt die Verarbeitungsfolgen (sequentiell) in einem Programm dar. DieVerbindungen zeigen die Reihenfolgen der Verarbeitungen auf. Daten werden nicht dargestellt. 17

18 Datenflußpläne enthalten Symbole für die Verarbeitungen und den Zugriff auf Daten Die Verbindungen deuten die Zugriffsmöglichkeiten an. Modifikation Vorbereitung manuelle manuelle Eingabe Verarbeitung Plattenspeicher Zentralspeicher Datenträger Daten (allg.) Ein- /Ausgabe Anzeige Dokument mehrere Dokumente 18

19 Struktogramme strukturierter Programmentwurf nach DIN für die graphische Darstellung von Verarbeitungsfolgen werden Sinnbilder nach NASSI-SHNEIDERMAN verwendet Ein Block heißt strukturiert, wenn zu seinem Aufbau nur elementare Anweisungen (Verarbeitung), Anweisungsfolgen (Sequenz), Verzweigungen (Selektion) und Schleifen (Wiederholung, Iteration) benutzt werden. V U_Progr Block V B B V B E 1 E 2 V 1 V 2 E 1 E 2 E 3 E 4 V 1 V 2 V 3 V 4 B Anweisungs -block Unter- Programm Block im Block Schleife mit Bedingung am Ende Schleife mit Bedingung am Anfang alternative Verzweigung mehrfache Verzweigung 19

20 Zahlensysteme Dualsystem (Basis 2) 2 Ziffern 0, 1 Oktalsystem (Basis 8) 8 Ziffern 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Dezimalsystem (Basis 10) 10 Ziffern 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Hexadezimalsystem (Basis 16) 16 Ziffern 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Computer arbeiten mit digitalen Informationen d.h mit dem Dualsystem mit den zwei Zuständen 0 und 1 d.h. unsere Dezimalzahlen liegen im Computer in digitaler Form vor 100 Dezimal = Binär Binär = Zweiwertig 10, 11, 12, 13, 14, 15 DIGITAL ist die Eigenschaft eines Elements oder Signals, nur diskrete (nicht stetig veränderbare)werte annehmen zu können 20

21 Umwandlung von Zahlen Dual-, Oktal-, Dezimal- und auch Hexadezimalsysteme sind Stellenwertsysteme (Positionssysteme) d.h. die Wertigkeit der jeweiligen Ziffer ergibt sich durch den Wert der Stelle (Position) multipliziert mit dem Wert der Ziffer. Der Wert der Zahl ergibt sich durch Addition der Werte der jeweiligen Stellen. Beispiel: 123 dezimal = 1 Hunderter + 2 Zehner + 3 Einer = 1 * * * dual = 1 Vierer + 0 Zweier + 1 Einer = 1 * * * 2 0 7F hexadezimal = 7 Sechzehner + 15 Einer = 7 * (16) * (16) 0 21

22 Vorzeichenbehaftete Zahlen Bei Dezimalzahlen Vorzeichen als zusätzliches Zeichen um darzustellen ob Zahl positiv oder negativ +100 und -80 Da der Computer nur binäre Informationen verarbeitet kann kein zusätzliches Vorzeichen verwendet werden das Vorzeichen muß sich aus der Codierung der Zahl ergeben Darstellungsformen Vorzeichen-Betragsdarstellung oberstes bit ist das Vorzeichen-Bit also bei 8 bit = = +1 Einer-Komplement durch Invertierung aller bits also bei 8 bit = = - 1 Zwei Darstellungen für 0 +0 und -0 unterscheiden sich 22

23 Zweier-Komplement Um die negative Zahl gleichen Betrages zu erhalten bildet man zunächst das Einer-Komplement (durch Inversion) und addiert dann 1 dazu 23

24 Gleitkommazahlen Festkommazahlen ungeeignet für große Wertebereiche Darstellung mit Dezimalpunkt oder mit Exponent und Dezimalpunkt 1.001* *10 2 im Dualsystem standardisiert nach IEEE 754 mit Vorzeichen, Mantisse und Exponent 3 Gleitpunktformate: 32 bit Gleikomma Format 1 sign bit, 8 bit Exponent, 23 bit Mantisse 64 bit Gleitkomma Format 1 sign bit, 11 bit Exponent, 52 bit Mantisse 80 bit Gleitkomma Format 1 sign bit, 15 bit Exponent, 64 bit Mantisse Seee eeee emmmm mmmm mmmm mmmm mmmm mmmm negative Zahlen durch Betrag und Vorzeichen (sign bit) 24

25 Darstellung von Buchstaben (Textzeichen) Verschiedene Codierungsarten möglich ausgehend vom 7 bit ASCII Code (American Standard Code for Information Interchange) am häufigsten 8 bit ISO-Latin1-Code wobei die Codewerte der ASCII Codierung entsprechen Zeichen 0 = 30 hexadezimal = 3*16 = 48 dezimal = binär Differenz zwischen Zeichen A - Zeichen a = 41H - 61H = 20H = 32 dezimal 25

26 Ablauf der Programmentwicklung Programmieren = Fehlersuche Entwicklung des Algorithmus (auf Papier oder mit Hilfsmitteln) Flußdiagramm, Struktogramm, UML, etc. Erstellung eines Projektes zur Ablage aller Entwicklungsdateien eines Programmes Sourcecode, Header Dateien Resource Dateien (internationale Texte, Icons, Grafiken, Layouts) fremde Bibliotheken make Dateien, Abhängigkeitslisten Schreiben des eigenen Sourcecodes Compilieren und Linken Iterativer Prozeß Laden und Programmtest Fehler 1. Art : Syntaxfehler : Sourcecode entspricht nicht den Regeln Fehler 2. Art : Laufzeitfehler : Source entspricht den Regeln, führt aber bei der Ausführung zu Problemen Überlauf, Schutzverletzung, IO-Probleme... Warnstufen so hoch wie möglich, Einsatz von Lint Fehler 3. Art : logische Fehler: Programm läuft, führt aber NICHT zu den gewünschten Ergebnissen Test und Fehlersuche durch Testcases abgeleitet aus Anforderungen 26