Grundlagen der Software-Entwicklung GSE

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1 Grundlagen der Software-Entwicklung GSE Friedrich Haase Dieses Skript ist work in progress. Anregungen und Hinweise auf Fehler sind sehr willkommen. Vorlesung FH-Dortmund, Grundlagen der Software-Entwicklung 2014 Dr. Friedrich Haase

2 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Ziele Architektur eines Computer Programmier-Werkzeuge Windows Microsoft Visual C Express Linux Code::Blocks Arduino Android CppDroid Diverse Programmierplattformen Programmbeispiele Zahl- und Zeichendarstellung Zahlen Zeichen C++ Datentypen Algorithmen C / C Variablen Initialisierung Einfache Anweisungen Operatoren Ausführungspriorität Typkonvertierung Felder Deklaration Initialisierung Verwendung Zeichenfelder Steueranweisungen If-Anweisungen Switch-Anweisungen Schleifen Schleife mittels goto while-schleife for-schleife do-while-schleife continue Funktionen Standardfunktionen Vom Anwender definierte Funktionen Rekursionen Überladene Funktionen Strukturen Deklaration Initialisierung Verwendung Zeiger Zeiger und Adressen Verwendung von Zeigern Übergabe von Parameter an eine Funktion Zeiger und Felder...43

3 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Dynamische allozierter Speicherplatz Speicherplatzverwaltung Typedef Ein-/Ausgabe Standard-Ein-Ausgabe Formatierte Ausgabe Formatierte Eingabe Dateizugriff Gültigkeitsbereiche von Variablen Lokale Daten einer Funktion Lokale Daten und Funktionen in einer Datei Weitere Speicherklassen Modulare Programmierung Multitasking und Echtzeit Technische Systeme Digitale Ein- und Ausgänge PNP- und NPN-Eingänge PNP- und NPN-Ausgänge Analoge Ein- und Ausgänge Spezielle Interface Bus-Systeme C Klassen Konstruktoren und Destruktor Methoden Klassen und Header-Dateien Vererbung Basisklasse und abgeleitete Klassen Virtuelle Funktionen Statische Variablen und Methoden...68 Anhang...70

4 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 4 1. Einleitung Wie lernt man Schwimmen? Wie lernt man Programmieren? 1.1. Ziele Mittels Programmierung kann man zwar mathematische Aufgaben lösen, aber die Schreibweise unterscheidet sich sehr von mathematischen Gleichungen. x = x + 1 Ist keine mathematische Gleichung (wäre auch unsinnig), sondern eine Rechenanweisung. C F (rechte Seite vom Gleichheitszeichen) Nehme x und addiere 1 (linke Seite vom Gleichheitszeichen) speichere das Resultat als neues x Programmieren in C und (etwas) C++ targets Embedded Controller C++ nur in geringem Umfang programmieren einfacher, kleiner Programme für Berechnungen 1.2. Architektur eines Computer CPU zentrale Recheneinheit ROM nur lesbarer Speicher RAM schreib und lesbarer Speicher In ROM und Massenspeicher bleiben Daten auch nach Abschalten der Spannungsversorgung erhalten. RAM-Speicher ohne Spannung verliert seine Daten. ROM-Speicher ist (normalerweise) nicht änderbar.

5 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Programmier-Werkzeuge Programmiersprache: eine Methode für den Menschen verständliche und handhabbare Darstellung eines Algorithmus in eine Form zu bringen, die von einem Computer verstanden wird. Maschinensprache Sehr schwer verständlich. Für jeden CPU-Typ anders. Eigentlich sind es ja nur Bitmuster. Im Bild befindet sich daher schon eine (vereinfachende) Darstellung (hexadezimal). Assembler XOR EAX,EAX XOR ECX,ECX MOV EBX,ip_pointer MOV AX,WORD PTR[EBX] XCHG AL,AH MOV CX,WORD PTR[EBX+2] ADD EAX,ECX MOV CX,WORD PTR[EBX+4] ADD EAX,ECX MOV CX,WORD PTR[EBX+6] ADD EAX,ECX MOV CX,WORD PTR[EBX+8] XCHG CL,CH ADD EAX,ECX MOV CX,WORD PTR[EBX+10] ADD EAX,ECX MOV CX,WORD PTR[EBX+12] ADD EAX,ECX Immerhin lesbarer Text. Für jede CPU-Familie anders. Sehr kleinteilig. Jede Zeile ist ein einzelner Befehl. Für nahezu jede sinnvolle kleine Aufgabe sind mehrere Befehle nötig. Aber sehr detailliert. Auch Sonderfunktionen einer CPU sind zugänglich.

6 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 6 Hochsprachen Hochsprachen sind unabhängig von der verwendeten Rechnerarchitektur oder sollten es zumindest sein. Sie haben aber zumeist Einschränkungen hinsichtlich der angebotenen Funktionalität (kleinster gemeinsamer Nenner). Für allgemeine Aufgaben sind sie bestens geeignet. Hardwarenahe Programmierung ist nicht möglich oder erfordert zusätzliche, spezielle Maßnahmen. Für die Programmierung moderner grafischer Benutzeroberflächen sind spezielle Bibliotheken erforderlich, die jedoch meist plattformspezifisch sind. Compiler für verschiedene Rechnerarchitekturen Spezielle Zielsysteme: Embedded Controller, Smartphones Compiler vs Interpreter Compiler: C/C++, Pascal, Fortran schnell jeweils für ein bestimmtes Zielsystem Interpreter Basic, Python langsam plattformübergreifend

7 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 7 Zwischenformen z.b. Java Varianten z.b. C-Interpreter, Basic-Compiler Programmiersprachen müssen nicht unbedingt in textueller Form vorliegen. Es gibt auch grafische Programmiermethode, ähnlich den Schaltbildern von elektronischen Schaltungen (IEC 61131, Function Block Diagramm, Ladder Diagramm). Meist benutzt man integrierte Entwicklungsumgebungen (Integrated Development Environment, IDE), die neben dem Compiler auch Programmier-Editore und Projektverwaltung enthalten. Für die Vorlesung C/C++ IDE und Compiler C/C++ meistverwendete Programmiersprache Java auf dem 2. Platz (eher wg Web+Smartphones) C ist eine sehr leistungsfähige Programmiersprache. Aber sie erleichtert es auch Fehler zu machen. Dies hat sehr zu ihrem Ruf als gefährliche Programmiersprache beigetragen Windows Microsoft Visual C Express Die Express-Versionen sind bei Microsoft kostenlos erhältlich oder Ab Windows 7 ist auch Microsoft Visual Studio 2013 Express for Windows geeignet. Vorhandene Projekte der 2010-Version (z.b. Praktikumsaufgaben) werden automatisch konvertiert. Microsoft Visual Studio Professional, ebenfalls ab Windows 7, ist für Studenten kostenlos erhältlich. Alle Beispiele arbeiten als Konsolen-Anwendungen. Um zu verhindern, dass sich das Ein-/Ausgabefenster am Programmende sofort schließt, ist in den Beispielen für Visual C++ eine Eingabeanforderung _getch() am Programmende angefügt. Hierzu ist auch die Präprozessordirektive #include <conio.h> eingebunden. Die Programme warten am Ende also auf eine Eingabe, die jedoch nicht mehr weiterverarbeitet wird Linux Code::Blocks Auf einem Linux-Rechner oder in einer virtuellen Umgebung mit einem Linux Betriebssystem. Appliance für Oracle VirtualBox im CIP-Pool auf L:/Haase/GSE. Code::Blocks benutzt den gcc-compiler und den gdb-debugger. Statt auf einem Linux-Rechner kann Linux auch in einer virtuellen Umgebung (virtual machine) laufen. Für VirtualBox von Oracle ist eine Appliance vorbereitet im CIP-Pool auf L:/Haase/GSE. VirtualBox findet man bei virtualbox.org/

8 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Arduino Netter, preiswerter Embedded Controller. Sehr verbreitet, viel anschließbares Zubehör. Arduino UNO ca. 25, teilweise ab 15 IDE mit Compiler ist kostenlos. Ein- und Ausgaben müssen beim Arduino über die serielle Schnittstelle (USB-Anschluß) in ein Fenster der Arduino-IDE geleitet werden Android CppDroid Einfache, kleine Programme in C/C++ auf dem Smartphone programmieren. Auf Google Play Store oder im CIP-Pool auf L:/Haase/GSE. Kostet ein paar Euro um die Reklame loszuwerden (in app Kauf) Diverse Programmierplattformen Für industrielle Anwendungen von Embedded Controllern: Keil IAR Raisonance AVR-Studio teilweise als kostenlose Test- oder Demoversion erhältlich. Überwiegend für Windows konzipiert. Für Apple OS X ist gcc wünschenswert. Xcode ist nur sehr bedingt geeignet Programmbeispiele Parallel zu diesem Skript gibt es Programmbeispiele für erwähnten Programmierplattformen. Diese Beispiele sind weitgehend ähnlich oder gleich gehalten. Soweit möglich verwenden diese Beispiele die Ein- und Ausgabe cin und cout von C++. Hierzu ist auch die Präprozessordirektive #include <iostream> eingebunden. Bei Arduinos wird jedoch die für diese Plattform normale serielle Ein- und Ausgabe verwendet. Einige Beispiele insbesondere für Arduinos sind als zyklische Programme ausgelegt. Dies entspricht der gängigen Anwendung von Embedded Controller.

9 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Zahl- und Zeichendarstellung Computer benutzen umschaltbare Elemente genannt Bits. Jeweils nur einer von 2 Zuständen möglich Null oder Eins, Strom oder kein Strom, wahr oder falsch. Da man mit nur einem Bit kaum etwas anfangen kann, kombiniert man mehrere Bits zu größeren Einheiten. So sind 8 Bits üblicherweise 1 Byte. 16, 32 oder 64 Bits werden ein Wort genannt, abhängig von der verwendeten Rechner-Architektur Zahlen Zur Darstellung von Zahlen gängig Zehnerystem es gibt nur die Ziffern 0.. 9, also 10 Ziffern In der Datenverarbeitung viel verwendet Dualsystem (Zweiersystem, Binärsystem) es gibt nur die Ziffern 0 und 1, also 2 Ziffern Hexadezimalsystem es gibt 16 Ziffern 0..9 und zusätzlich (ersatzweise) A.. F als Ziffern 10 bis 15 Stellenschreibweise vgl. römische Zahlenschreibweise Zehnersystem (10er-System) Stellen für Einer, Zehner, Hunderter,... Binärsystem (Zweiersystem) eine Ziffer steht für 1 Bit Stellen für Einer, Zweier, Vierer, Hexadezimalsystem eine Ziffer steht für 4 Bit Stellen für Einer, 16-er, 256-er, Schreibweise in C/C++ mit vorangestelltem 0x, z.b. 17 hexadezimal 0x11 Die Rechenmethoden sind immer gleich. Beispiel Dec2Hex Beispiel Hex2Dec Ganzzahlen Man unterscheidet in der Rechnertechnik bei ganzzahligen Werten nach der Anzahl der verwendeten

10 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 10 Bytes und ob auch negative Zahlenwerte darstellbar sein sollen. Beispiel Sizeof Größe mit Vorzeichen ohne Vorzeichen 1 Byte char unsigned char 2 Byte short unsigned short 4 Byte long unsigned long 8 Byte long long unsigned long long Die 1 Byte großen char dienen auch der Speicherung von Buchstaben und Ziffern daher der Name. Bei den meisten Compilern speichern sie Zahlen mit Vorzeichen. Gelegentlich einstellbar. Auch mit vorangestelltem signed oder unsigned. Sehr häufig findet man auch die ursprünglichen Ganzzahltypen (integer) int und unsigned int. Je nach Architektur können diese jedoch 2, 4 oder sogar 8 Bytes haben. Für die Varianten mit Vorzeichen darf auch signed vorangestellt werden. Allen außer char darf auch int nachgestellt werden z.b. unsigned short int. Negative Zahlen Einerkomplement 1 Bit als Vorzeichen. Ungebräuchlich. Zweierkomplement Beispiel für Zweierkomplement mit 4 Binärstellen (Zahlenbereich -8 bis +7) binär dezimal Komplement von 6 1 addiere Probe Der Übertrag in die (nicht existierende) 5. Stelle entfällt / wird ignoriert. Überlauf Wird der darstellbare Bereich bei einer Operation über- oder unterschritten, so ergeben sich unsinnige bzw. völlig falsche Werte. Wird beispielsweise zu der Zahl mit dem Datentyp unsigned short (2 Bytes) eine 1 addiert so ergibt sich nicht sondern der Wert 0. Im Binärsystem besteht die Zahl aus 16 mal 1er-Bits. Eine Addition von 1 führt zu 16 mal 0er-Bits und einem Übertrag in das nicht mehr vorhandene 17. Bit. Fließkommazahlen Festpunktzahlen werden langsam unüblich (2014). Stattdessen exponentielle Darstellung mit Mantisse und Exponenten - allerdings binär und nicht dezimal. Früher gab es diverse Standards, heute überwiegend IEEE-754 / IEC

11 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 11 Beispiel Sizeof Größe 4 Bytes float Datentyp 8 Bytes double 10 Bytes Extended (selten) 16 Bytes long double (sehr selten) Fließkommazahlen haben nur eine begrenzte Genauigkeit gewissermaßen ein Anzahl gültiger Stellen. Außerdem werden sie rechnerintern in binärer Form dargestellt. Daraus resultieren gelegentlich Überraschungen. Beispielweise hat der Wert von 1/10 in dezimaler Darstellung nur eine einzige Nachkommastelle ist also leicht exakt darstellbar. Als binäre Zahl hingegen ist 1/10 ein unendlicher, periodischer Bruch und daher mit endlich vielen Bits nicht exakt darzustellen. Die Rechenmethoden sind gleich. Beispiel: Division von 1 durch 10 1 : 1010 = Die interne Darstellung nach IEEE 754 verwendet allerdings ein anderes Format - eine binäre Exponential-Darstellung. Die Genauigkeit der Fließkommazahlen liegt bei etwa 7 Stellen für die 4-Bytes float und bei etwa 16 Stellen für die 8-Bytes double Zeichen Um Buchstaben, Ziffern, Sonderzeichen zu behandeln, ist eine eindeutige Zuordnung von Bitmustern zu den einzelnen Zeichen erforderlich. Kleines Alphabet für die wichtigsten, englischen Zeichen (1 Byte).

12 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Zeichen (ASCII) einigermaßen einheitlich standardisiert. Die übrigen 128 Zeichen mehrfach unterschiedlich verwendet. Einzelne Zeichen kann man in einem Programm benutzen, indem man diese zwischen einfache Hochkommata setzt. char achar = 'L'; oder if ( ch == '4' ) Für einige Sonderzeichen gibt es spezielle Formen, die einen vorangestellten rückwärtigen Schrägstrich nutzen. \n Zeilenwechsel \r Wagenrücklauf \f nächste Seite \t Tabulator \' einfaches Anführungszeichen \" doppeltes Anführungszeichen \\ rückwärtiger Schrägstrich In besonderen Fällen kann man auch die hexadezimalen oder dezimalen Äquivalente der Zeichen angeben. char letterl = 0x4C; oder if ( adigit == 0x37 ) // check for digit '7' Fremdländische Zeichen wie beispielsweise Ä, Ö, Ü, ß sind in den ersten 128 Zeichen nicht vorhanden, wurden aber länderabhängig und auf unterschiedliche Weise in den zweiten 128 Zeichen untergebracht. Für kyrillisch, griechisch, arabisch oder gar chinesisch ist diese Methode jedoch ungeeignet. Großes Alphabet genannt Unicode (ISO/IEC 10646) für alle existierenden Zeichen (4 Bytes) (lebend, tot, graphisch, ) z.b. Japanisch (hier Katakana)

13 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 13 Für die chinesische Schrift ca Zeichen. Da reichen inzwischen auch 2 Bytes zur Codierung nicht mehr aus (Windows). In der nächst größeren Stufe von 4 Bytes werden z.z. 23 Bits von Unicode genutzt. Es gibt mehrere Formen der Kodierung hierfür. Eine weit verbreitete Codierung genannt UTF-8 nutzt je nach Zeichen (bzw. code point) 1 bis 6 Bytes ( , Web, etc.) C++ Datentypen In moderneren C Implementierungen und in C++ gibt es einige zusätzliche Datentypen. Teilweise sind diese unmittelbar in die Sprache eingebaut, teilweise gehören sie zu Standardbibliotheken. bool (in C++) Ein (ganzzahliger) Datentyp, der nur die Werte 0 und 1 annehmen kann. Als Synonyme sind auch die Schlüsselwörter true und false erlaubt. bool bfertig = true; bfertig = 0; if ( bfertig )... // mit oder ohne Initialisiernng // oder bfertig = false // als Bedingung complex (ab C99 und in C++) Eine vergleichsweise neuere Ergänzung für komplexe Zahlen. string (in C++) Als Teil einer sehr bequeme anzuwendenden Standard-Bibliothek. Üblicherweise sind string-variablen nicht auf ein Feld aus 1-Byte char beschränkt sondern erlauben einenteil oder den ganzen Unicode- Zeichensatz. string singername = "Amy Winehouse"; string singername("amy Winehouse"); Für den Datentyp string sind eine Vielzahl von Funktionen definiert. Beispiel String

14 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Algorithmen Zu den ersten, ursprünglichen Aufgaben von Computern gehörten Berechnungen, oftmals militärischer Art. Heute sind sie aus kaum einem Lebensbereich wegzudenken. Nur sehr einfache Berechnungen können durch eine einzelne Formel ausgedrückt werden. Meist sind längere Rechenwege erforderlich. Solche Rechenwege nennt man Algorithmen. Sie bestehen aus einer mehr oder weniger festgelegten Reihenfolge einzelner Rechenoperationen und können auch Fallunterscheidungen enthalten. Algorithmen werden gelegentlich durch sogenannte Flussdiagramme dargestellt. Das nachfolgende Diagramm zeigt die iterative Berechnung einer Quadratwurzel. Beispiel SquareRoot Solche Diagramme (oder Struktogramme) sind intuitiv sehr leicht verständlich. Sie werden daher auch für andere Zwecke als Programmierung verwendet. Es gibt einige alternative Diagramme Nassi Shneiderman, UML etc.

15 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung C / C++ Programmbeispiel #include <iostream> using namespace std; int main() cout << "Hello World!" << endl; return 0; Ein Programm besteht aus einer Reihe von Deklarationen und Anweisungen. Alle Anweisungen werden mit einem Semikolon abgeschlossen. Beispiel HelloWorld Die Methoden für die Ein- und Ausgabe sind in den Programmiersprachen sehr unterschiedlich. Cout für Ausgaben und cin für Eingaben gehören zu C++. In reinem C verwendet man u.a. printf- und scanf-funktionen. In grafischen Benutzeroberflächen müssen (üblicherweise) darzustellende Werte an Objekte übergeben werden. Das Beispiel ist ein sogenanntes Konsolen-Programm. Die Darstellung erfolgt in einem Textfenster oder unmittelbar auf dem Bildschirm, im Gegensatz zu einem graphischen (GUI-) Programm. Im Beispiel wird der Text Hello World! auf dem Bildschirm ausgegeben. Die Ausgabe von endl bewirkt einen Übergang in die nächste Zeile. Aller ausführbarer Programm-Code befindet sich in C/C++ in Funktionen. Im Beispiel gibt es nur die Funktion main, die in diesem Fall keine Übergabeparameter in () benötigt und einen int-wert als Resultat zurückliefert. Die Bestandteile, der Body (Körper) einer Funktion steht innerhalb geschweifter Klammern. Die Funktion main ist gewissermaßen der Hauptteil eines Programms und wird als erstes aufgerufen. Der Rückgabewert kann als Fehlerkennzeichnung verwendet werden. Der Wert 0 gilt als fehlerfrei ausgeführt. Am Anfang eines Programm-Codes findet man meist spezielle Compiler-Direktiven. Mit diesen wird dem Compiler mitgeteilt, wie er arbeiten soll. Im Beispiel oben wird die iostream-bibliothek eingebunden wg cout - und der Namensraum std ohne explizite Angabe genutzt ebenfalls wg cout. Es ist üblich Programm-Code gut lesbar zu schreiben. Zwingend nötig ist dies in C bzw. C++ nicht. Das Programm oben hätte man auch in eine einzige Zeile und weitgehend ohne Leerzeichen schreiben dürfen (ausgenommen die Prozessor-Direktive in der ersten Zeile). #include <iostream> using namespace std;int main()cout<<"hello World!"<<endl;return 0; Es gibt aber keine festen Regeln für die Schreibweise. Solange der Compiler Schlüsselwörter, Namen u.a. identifizieren kann, sind Leerzeichen, Tabulatoren oder Zeilenwechsel funktional bedeutungslos. Sie können aber die Lesbarkeit verbessern. Leerzeichen etc. werden in C/C++ als white space bezeichnet.

16 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 16 Normalerweise sollten Programme in textueller Form kommentiert werden. Außer bei trivialen Programmen kann man aus dem Programm-Code allein unmöglich oder allenfalls mühsam den Zweck einzelner Anweisungen verstehen. In /C/C++ werden Kommentare in den Programm-Code eingestreut und für den Compiler in besonderer Weise als Kommentar gekennzeichnet. Die älteste Form, der C-Kommentar, verwendet die Zeichenfolge /* als Anfang eines Kommentars und die Zeichenfolge */ als Ende des Kommentars. Der komplette Text dazwischen hat für den Compiler keine Bedeutung. Er darf sich auch über mehrere Zeilen erstrecken. In C++ trat ein weiterer Kommentar hinzu. Er beginnt mit der Zeichenfolge // und geht bis zu Ende der Zeile. /* dies ist ein einzeiliger Kommentar */ /* dies ist ein mehrzeiliger Kommentar */ // und hier ein Kommentar bis zum Ende der Zeile

17 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Variablen Sinnvolles Programmbeispiel Umrechnung von Celsius-Temperaturen in Fahrenheit-Temperaturen. #include <iostream> using namespace std; int main() double tc, tf; cout << "Celsius 2 Fahrenheit\n"; cout << "Enter C: "; cin >> tc; tf = 1.8 * tc ; cout << tc << "C = " << tf << "F" << endl; return 0; Variablendeklarationen bestehen aus der Angabe des gewünschten Datentyps z.b. double und einem Namen für die Variable z.b. tc. Mehrere Variablen können gleichzeitig - durch Komma getrennt deklariert werden z.b. double tc, tf. Jede Deklaration muss mit einem Semikolon abgeschlossen werden. Die Namen von Variablen müssen mit einem Buchstaben (oder einem Unterstrich) beginnen, gefolgt von beliebig vielen weiteren Buchstaben, Ziffern und Unterstrichen. Groß- und Kleinbuchstaben sind in C/C+ + verschiedene Zeichen (anders als beispielsweise in Pascal oder Strukturiertem Text). VA und Va sind in C/C++ also die Namen von 2 verschiedenen Variablen. Einige Namen sind für die Programmiersprache reserviert z.b. using, return oder die Bezeichner für die Standard-Datentypen int, char, double etc. Variablennamen sollten aussagekräftig gewählt werden. Also eher TempC und TempF statt tc und tf oder sogar temperaturcelsius und temperaturfahrenheit. Häufig wird jedes Teilwort (evtl. außer dem ersten) in einem Variablennamen mit einem Großbuchstaben geschrieben z.b. temperaturmessungpt100incelsius genannt Camel Notation. Eine andere häufig verwendete Methode stellt jeder Variablen einen typabhängigen Präfix voran. Integer- Variablen erhalten ein vorangestelltes n, Variablen vom Typ double wird ein d vorangestellt. int double nanzahl; dtemperatur; Hier spricht man von der Ungarischen Notation (Hungarian Notation), benannt nach dem Microsoft Programmierer Charles Simonyi. Beispiel C2F Beispiel F2C Beispiel SquareRoot Initialisierung Häufig sollen Variablen schon von Anbeginn festgelegte Werte besitzen, initialisiert werden. Für das

18 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 18 Programmbeispiel oben Umrechnung von Celsius-Temperaturen in Fahrenheit-Temperaturen sind folgende initialisierte Variablen denkbar. double scalec2f = 1.8; double offsetc2f = 32.0;... tf = scalec2f * tc + offsetc2f; Erforderlichenfalls können solche Variablen auch noch als Konstante also unveränderlich definiert werden. const double scalec2f = 1.8; const double offsetc2f = 32.0; Solche initialisierten und unveränderlichen Variablen können durch gut gewählte Namensgebung zum Verständnis eines Programms beitragen. Werden in einem Programm häufig Umrechnungen von Bogenmaß zu Winkelmaß und umgekehrt benötigt, so sind folgende Variablen praktisch. const double Pi = ; const double Radiant2Angle = 180.0/Pi; const double Angle2Radiant = Pi/180.0;

19 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Einfache Anweisungen Die typischen Aufgaben von Programmen sind Berechnungen irgendwelcher Art. Programm-Code hat daher eine gewisse Ähnlichkeit mit mathematischen Gleichungen. KreisUmfang = 2 * Pi * Radius; KreisUmfang, Radius und wohl auch Pi sind die Namen von Speicherplätzen oder Variablen. Die Gleichung verwendet die bereits vorliegenden Werte für Pi und Radius zur Berechnung des Kreisumfangs. Das Ergebnis wird in der Variablen KreisUmfang abgelegt. Betrachtet man solche einfachen Anweisungen an der Stelle des Gleichheitszeichens geteilt, so findet man auf der rechten Seite ein Rechenvorschrift bestehend aus Konstanten und Werten aus Variablen verknüpft durch mathematische Operationen. Die linke Seite vom Gleichheitszeichen besteht lediglich aus dem Namen einer einzelnen Variablen in der das Resultat abgelegt werden soll. Das Gleichheitszeichen entspricht also nicht dem Gleichheitszeichen der Mathematik sondern bedeutet eine Wertzuweisung. Deshalb ist X = X + 1 eine sinnvolle Anweisung. Mathematisch betrachtet wäre es sinnlos. Jedoch als programmierte Anweisung bedeutet es ein Inkrementieren (um 1 erhöhen) der Variablen X. In C/C++, aber auch in vielen anderen modernen Programmiersprachen, muss jede Anweisung mit einem Semikolon abgeschlossen werden. Dies hilft dem Compiler bei der Arbeit. Der rechtsseitige Ausdruck muss alle mathematischen Operationen explizit angeben. Die in der Mathematik übliche und unmissverständliche Schreibweise KreisUmfang = 2 Pi Radius; ist nicht zulässig und ergibt eine Fehlermeldung durch den Compilers Operatoren Neben den gängigen Operatoren Plus (+), Minus (-), Mal (*) und Geteilt (/) gibt es eine Vielzahl weiterer Operatoren. Da es nicht genügend Tasten auf der Tastatur für alle mathematischen Operatoren gibt, werden einige Operatoren durch 2 ohne Leerzeichen aufeinanderfolgende Zeichen dargestellt z.b. die Vergleichsoperation auf größer oder gleich wird >= geschrieben. In der Mathematik haben Operatoren eine Rangfolge Punktrechnung geht vor Strichrechnung. Schon im Beispiel der Konvertierung von Celsius nach Fahrenheit wurde diese Vorrangregel ohne Erwähnung benutzt. Bei C/C++ (und bei fast allen anderen Programmiersprachen) gelten die normalen mathematischen Vorrangregeln. Die Operatoren legen auch die Ergebnisdatentypen fest. Meist sind es die gleichen Datentypen wie die Operanden. In sind 1 und 2 Ganzzahlen. Daher wird auch das Ergebnis ganzzahlig sein. Eine Überraschung gibt es bei der ganzzahligen Division. 5 / 2 ist nicht etwa 2.5 sondern 2. Auch hier ist das Resultat ganzzahlig

20 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung 20 und es wird nach unten abgerundet. C/C++ kennt eine Vielzahl von speziellen Operatoren, die in anderen Programmiersprachen nicht zu finden sind.???? reichlich Klammern verwenden Ausführungspriorität Aus

21 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Typkonvertierung Für gelegentlich notwendige Umwandlungen von einem Datentyp in einen anderen gibt es in C/C++ sogenannte Type Casts. Die möglichen Umwandlungen sind allerdings beschränkt. Man kann eine Ganzzahl in eine Fließkommazahl wandeln da hierbei kein Stellenverlust eintritt. Umgekehrt kann man aber eine Fließkommazahl nicht in eine Ganzzahl konvertieren, weil hierbei der Nachkommateil abgeschnitten wird. Für einen Type Cast verwendet man in C den Datentyp in Klammern vorangestellt, z.b. adouble = (double)anint; anunsignedshort = (unsigned short)asignedshort; In C++ kann ein Type Cast auch wie eine Funktion geschrieben werden. Allerdings geht dies nur mit Datentypen die aus einem einzelnen Schlüsselwort bestehen, also nicht als unsigned int (). adouble = double(anint); asignedshort = short(anunsignedshort); Beispiel TypeCast Eine andere wichtige Anwendung werden Type Casts im weiteren Verlauf bei Zeigern finden.

22 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Felder Häufig müssen mehrere gleichartige Werte (vom gleichen Datentyp) zusammengehalten werden. Vektoren oder Matrizen sind gängige Beispiele. Aber auch zeitlich aufeinanderfolgende Messwerte können etwa für eine Mittelwertbildung zusammengehalten werden. Für derartige Zwecke verwendet man ein- oder mehrdimensionale Arrays / Felder Deklaration Die Deklaration von Feldern erfolgt in C/C++ mit angehangenen eckigen Klammern und der Dimensionsangabe darin. double Vector[3]; // Vektor der Dimension 3 double Matrix[3][4]; // 3x4-Matrix Initialisierung Felder können auch initialisiert werden. double Rotation2D90Grad[2][2] = 0.0, -1.0, 1.0, 0.0 ; double Rotation2D90Grad[2][2] = 0.0, -1.0, 1.0, 0.0 ; // alternativ Die Initialisierungswerte werden durch Kommas getrennt in geschweiften Klammern geschrieben. Bei mehrdimensionalen Feldern kann man die Zeilen jeweils nacheinander in geschweiften Klammern schreiben. Hier wird berücksichtigt, dass die Elemente einer Matrix in C/C++ (und den meisten anderen Programmiersprachen, jedoch nicht in FORTRAN) zeilenweise gespeichert werden. Es wächst also der letzte Index zuerst. Beispiel Array Ein Feld kann auch durch Angabe seiner Elemente in der Initialisierung dimensioniert werden. double Messung[] = 1, 2, 3 ; // Feld mit 3 Werte initialisert Die Dimensionsangabe darf hier entfallen. Umgekehrt kann man ein Feld auch nur teilweise initialisieren. double Messung[5] = 1, 2 ; // Feld mit 5 Elementen Hier werden nur die ersten beiden Elemente explizit initialisiert mit 1 und 2. Die übrigen 3 Elemente werden vom Compiler automatisch mit 0 initialisiert. Die Dimensionsangabe ist hier natürlich nötig. Wenn in der Initialisierung zu viele Werte angegeben werden, erfolgt eine Fehlermeldung beim Übersetzungsvorgang durch den Compiler. double Messung[3] = 1, 2, 3, 4, 5 ; // falsch

23 Haase, Grundlagen der Software-Entwicklung Verwendung Die Indizierung der Feldelemente erfolgt in C/C++ immer mit 0 beginnend. Auch hier dienen die eckigen Klammern zur Kennzeichnung. double Messung[3]; // Feld für 3 Messwerte In diesem Feld gibt es die Feldelemente Messung[0], Messung[1] und Messung[2]. Insbesondere beachte man, es gibt kein Feldelement Messung[3]. Ein Zugriff auf ein solches nicht existierendes Element ist einer der beliebtesten Fehler, oftmals mit katastrophalen Folgen. Messung[0] = 1.1; Messung[1] = 2.2; Messung[2] = 3.3; Mittelwert = ( Messung[0] + Messung[1] + Messung[2] ) / 3; Statt einen Index unmittelbar als Zahl anzugeben, kann er auch berechnet werden. Es sei N = 1 der Wert einer ganzzahligen Variablen. Dann wird mit Messung[N+1] wird auf das letzte Element Messung[2] zugegriffen. Auch in diesen Fällen achte man darauf, nicht versehentlich auf nicht existierende Feldelemente zuzugreifen. Unsinnige Resultate oder sogar Software-Abstürze sind die Folge Zeichenfelder Sehr häufig werden Felder gebraucht, die Zeichenfolgen enthalten - character arrays. In ihnen können dann Text, Namen, Bezeichnungen etc. in lesbarer Form gespeichert werden. Man sagt statt Zeichenfolge auch String. Aber diese sollten nicht mit dem C++ Datentyp string verwechselt werden. C besitzt für Zeichenfolgen eine spezielle Regel. Die verwendeten Felder sind normalerweise größer als nötig, oftmals erheblich größer. Der enthaltene Text beginnt auf dem Element mit dem Index 0 und hinter dem letzten Element des Textes wird ein Zeichen mit dem binären Wert 0 eingetragen. char VorName[50] = "Tobias"; Hier wird ein Zeichenfeld mit dem Variablennamen VorName definiert. Es besteht aus 50 Speicherplätzen vom Typ char und es wird mit der Zeichenfolge "Tobias" initialisiert. Zeichenfolgen-Konstanten, auch String-Konstanten genannt, werden in doppelten Anführungszeichen eingeschlossen. Die Anführungszeichen gehören nicht zu der Zeichenfolge, sondern sind lediglich ein Hinweis an den Compiler. Die Zeichenfolge "Tobias" besteht aus 6 Zeichen, die in den Feldelementen VorName[0] bis VorName[5] eingetragen sind. In dem Element VorName[6] wird der Wert 0 eingetragen als Kennzeichen für das Ende der Zeichenfolge. Da ein solches 0-Zeichen in jeder Zeichenfolge als Endekennzeichen notwendig ist, kann in einem Zeichenfeld von 50 Elementen wie VorName[50] maximal ein Text/Name bestehend aus 49 Zeichen vorliegen. Auch bei der Definition von Zeichenfolgen kann man dem Compiler die Ermittlung der Feldgröße überlassen. char VorName[] = "Tobias"; In diesem Fall wird der Compiler das Feld VorName auf 7 char festlegen, 6 für den Namen Tobias und ein weiteres für das abschließende 0-Zeichen. Beispiel Char