1 EINFÜHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE C Das erste Programm Ursprung und Ziele von C Standardisierung von C...

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1 Inhaltsverzeichnis 1 EINFÜHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE C Das erste Programm Ursprung und Ziele von C Standardisierung von C Der C99-Standard Der C11-Standard Eigenschaften von C C und C Stammbaum imperativer Programmiersprachen Abstraktionsgrad von Programmiersprachen Abstraktion bei Ausdrücken Abstraktion bei Kontrollstrukturen Datenabstraktion Zusammenfassung EINFACHE BEISPIELPROGRAMME Ausgabe auf dem Bildschirm Kommentarzeile Include-Anweisung Leerzeilen Die Funktion main() Geschweifte Klammern Strichpunkt Definitionen und Anweisungen Die Funktion printf() for-schleife Inkludieren von Bibliotheksfunktionen Lokale Variablen, Ausdrücke und Schleifen Variante mit symbolischen Konstanten und int-variablen Variante ohne symbolische Konstanten Variante mit einer double-variablen Zahlen von der Tastatur einlesen Formatierung bei der Ausgabe Zusammenfassung... 32

2 X Inhaltsverzeichnis 3 ENTWURF VON PROGRAMMEN Vom Problem zum Programm Der euklidische Algorithmus als Beispiel für Algorithmen Beschreibung sequenzieller Abläufe Programmierung ohne Sprünge Variablen und Zuweisungen Entwurf mit Nassi-Shneiderman-Diagrammen Diagramme für die Sequenz Diagramme für die Selektion Diagramme für die Iteration Vom Struktogramm zum Programm Pseudocode Natürliche und formale Sprachen Freier und formaler Pseudocode Zusammenfassung Übungsaufgaben DATEN UND FUNKTIONEN Daten in prozeduralen Programmen Zeichen Variablen Datentypen Funktionen in prozeduralen Programmen Unterprogramme und Bibliotheken Aufrufhierarchie von Unterprogrammen Vorteile von Unterprogrammen Unterprogramme in Nassi-Shneiderman-Diagrammen Schrittweise Verfeinerung beim Top-Down-Design Das EVA-Prinzip Exemplarische Durchführung eines Top-Down-Design Daten in C Der Datentyp int in der Programmiersprache C Der Datentyp float in C Operationen auf einfachen Datentypen in C Selbst definierte Datentypen in C Funktionen in C Definition von Funktionen Aufruf von Funktionen Beispielprogramm zur Berechnung einer Summe...78 Struktur einer Quelldatei in C... 79

3 Inhaltsverzeichnis XI Kommunikation zwischen Funktionen Interne und externe Variablen Beispiel für eine Aufrufhierarchie Reihenfolge der externen Variablen und Funktionen Funktionsprototypen Bestandteile eines Programms Aufbau einer Quelldatei Beispielprogramm für den Aufbau einer Quelldatei Zusammenfassung PROGRAMMERZEUGUNG UND -AUSFÜHRUNG Compiler Lexikalische Analyse Syntaxanalyse Semantische Analyse Optimierungen Codeerzeugung Laufzeitsystem des Compilers Linker Lader Debugger Integrierte Entwicklungsumgebungen Zusammenfassung LEXIKALISCHE KONVENTIONEN Zeichenvorrat von C Quell- und Ausführungszeichensatz nach C Zeichensatz nach C Der Unicode in C Multibyte-Zeichen Der Datentyp wchar_t Lexikalische Einheiten Reservierte Wörter Bezeichner Konstanten Operatoren und Interpunktionszeichen Zusammenfassung Übungsaufgaben

4 XII Inhaltsverzeichnis 7 DATENTYPEN UND VARIABLEN IN C Übersicht über die Datentypen in C Der Datentyp void Klassifikation der Datentypen im Falle von C Ergänzung des Klassifikationsbaums der Datentypen bei C Einfache Datentypen in C Übersicht über die Integer-Typen in C Die einzelnen Standard-Integer-Typen von C Der zusätzliche Datentyp long long in C Aufzählungstypen Die Standard-Gleitpunkt-Typen float und double Variablen in C Definitionen, Deklarationen und Vereinbarungen Definition einfacher Variablen Externe und interne Variablen Initialisierung von Variablen Qualifikatoren Qualifikatoren in C Qualifikatoren in C Generelle Arten von Typen in C Zusammenfassung Übungsaufgaben EINFÜHRUNG IN POINTER UND ARRAYS Pointertypen und Pointervariablen Definition von Pointervariablen NULL-Pointer Wertebereich von Pointern Wertzuweisung an einen Pointer Adressoperator Zugriff auf ein Objekt über einen Pointer Beispiele für das Referenzieren und Dereferenzieren Pointer auf void Eindimensionale Arrays Beispiel für ein Array Beispiel zum Speichern von Daten in einem Array Weitere Erläuterungen zur Definition eines Arrays Zeichenketten und Arrays Beispiel für Zeichenketten und Arrays Der Qualifikator restrict

5 Inhaltsverzeichnis XIII Zusammenfassung Übungsaufgaben AUSDRÜCKE, ANWEISUNGEN UND OPERATOREN Operatoren und Operanden Stelligkeit der Operatoren Postfix- und Präfixoperatoren Ausdrücke und Anweisungen Nebeneffekte Auswertungsreihenfolge komplexer Ausdrücke Einstellige und mehrstellige Operatoren Operatoren gleicher Priorität L-Werte und R-Werte Zusammenstellung der Operatoren Einstellige arithmetische Operatoren Zweistellige arithmetische Operatoren Zuweisungsoperatoren Relationale Operatoren Logische Operatoren Bit-Operatoren Sonstige Operatoren Prioritätentabelle der Operatoren Implizite Typumwandlung Gewöhnliche arithmetische Konversionen Zuweisungen, Rückgabewerte und Argumente von Funktionen Konvertiervorschriften Zwei Beispiele für Typkonvertierungen Sequenzpunkte bei Nebeneffekten Zusammenfassung Übungsaufgaben KONTROLLSTRUKTUREN Blöcke Kontrollstrukturen für die Sequenz Kontrollstrukturen für die Selektion Einfache Alternative if und else Mehrfache Alternative else if Mehrfache Alternative switch Kontrollstrukturen für die Iteration Abweisende Schleife mit while...249

6 XIV Inhaltsverzeichnis Abweisende Schleife mit for Annehmende Schleife mit do while Endlosschleife sowie leere Anweisung Sprunganweisungen break continue goto und Marken Zusammenfassung Übungsaufgaben BLÖCKE UND FUNKTIONEN Struktur eines Blockes in C90 und C Schachtelung von Blöcken Gültigkeit, Sichtbarkeit und Lebensdauer Definition und Aufruf von Funktionen Definition von Funktionen Formale und aktuelle Parameter Syntax eines Funktionsaufrufs Rücksprung mit oder ohne Rückgabewert die return-anweisung Call by reference-schnittstelle Pointer über die Parameterliste Vorwärtsdeklaration von Funktionen Behandlung von Library-Funktionen Eigene Header-Dateien Gültigkeitsbereiche von Namen Die Ellipse... ein Mittel für variable Parameteranzahlen Rekursive Funktionen Iteration und Rekursion Iterative und rekursive Berechnung der Fakultätsfunktion Beispiel für iterative und rekursive Berechnung der Binärdarstellung Inline-Funktionen Funktionen ohne Wiederkehr in C Zusammenfassung Übungsaufgaben FORTGESCHRITTENE PROGRAMMIERUNG MIT POINTERN Pointer und Elemente von Arrays Äquivalenz von Array- und Pointernotation Vergleich von Arrays...321

7 Inhaltsverzeichnis XV Arrayname als nicht modifizierbarer L-Wert Pointerarithmetik Spielerische Erkundung von Fischer und Friederich Initialisierung von Arrays Mehrdimensionale Arrays Konstante Zeichenketten Arrays aus Zeichen char-arrays Übergabe von Arrays und Zeichenketten an Funktionen Übergabe von Arrays Übergabe von Zeichenketten Ausgabe von Zeichenketten und von char-arrays Vergleich von char-arrays und Pointern auf Zeichenketten Das Schlüsselwort const bei Pointern und Arrays Beispiele für das Kopieren von Zeichenketten von Hand Standardfunktionen zur Stringverarbeitung und Speicherbearbeitung Einige Stringverarbeitungsfunktionen Funktionen zur Speicherbearbeitung Beispiele für eindimensionale Arrays von Pointern und Pointer auf Pointer Beispiele für eindimensionale Arrays von Pointern Beispiel für Pointer auf Pointer Beispiel für die Initialisierung von Arrays von Pointern Vergleich zweidimensionales Array gegen eindimensionales Array von Pointern Pointer auf Funktionen Vereinbarung eines Pointers auf eine Funktion Aufruf einer Funktion Beispiel für Pointer auf eine Funktion Beispiel Nullstellen mit dem Newtonschen Iterationsverfahren Zusammenfassung Übungsaufgaben STRUKTUREN, UNIONEN UND BITFELDER Records auf der Platte und Strukturen Vereinbarung von Strukturtypen und Strukturvariablen Verschiedene Möglichkeiten zur Definition von Strukturvariablen Zulässige Operationen Selektion der Komponenten Übergabe von Strukturvariablen an Funktionen und Rückgabe Initialisierung einer Struktur mit einer Initialisierungsliste...384

8 XVI Inhaltsverzeichnis Initialisierung einzelner Komponenten einer Struktur Stringvariablen in Strukturen Anwendungsmöglichkeiten von Strukturen Unionen Anonyme Typen und Objekte Anonyme Strukturen und Unionen Compound Literals Bitfelder Komponenten von Strukturen und Unionen Zusammenfassung Übungsaufgaben KOMPLEXERE VEREINBARUNGEN, EIGENE TYPNAMEN UND NAMENSRÄUME Komplexere Vereinbarungen Komplexere Vereinbarungen von Variablen und Funktionen Komplexere Datentypen Vereinbarung eigener Typnamen als Aliasnamen Beispiel für einen zusammengesetzten Datentyp Verwendung von typedef bei einfachen Datentypen Syntax einer typedef-anweisung Neuer Typname plus zusätzlicher Aliasname Vorwärtsdeklaration und Information Hiding mit typedef Bedeutung von typedef für portable Datentypen Namensräume Zusammenfassung SPEICHERKLASSEN Segmente des Adressraums eines Programms Der Linker Virtuelle Adressen Bindungen Programme aus mehreren Dateien die Speicherklasse extern Beispielprogramm extern-deklaration ohne Header-Datei Beispielprogramm extern-deklaration mit Header-Datei Die extern-deklaration bei Arrays Beispiel für die extern-deklaration bei Arrays Programme aus mehreren Dateien die Speicherklasse static für externe Definitionen Speicherklassen bei lokalen Variablen

9 Inhaltsverzeichnis XVII Automatische Variablen Speicherklasse static für lokale Variablen Automatische und nicht automatische Initialisierung von Variablen Überblick über die Speicherklassen sequentieller Programme Zusammenfassung Übungsaufgaben EIN- UND AUSGABE Speicherung von Daten in Dateisystemen Dateien unter UNIX das Streamkonzept Schichtenmodell von UNIX für die Ein- und Ausgabe Das Ein-/Ausgabe-Konzept von C Standardeingabe und -ausgabe in C Umlenkung der Ein- und Ausgabe Pipelining Funktionen für die Standardeingabe und -ausgabe High- und Low-Level-Bibliotheksfunktionen zur Ein- und Ausgabe Der File-Pointer bei High-Level-Funktionen Öffnen und Schliessen von Dateien Puffersteuerung Navigieren innerhalb von Dateien Fehlerbehandlung Beispiel für den Umgang mit File-Pointern Operationen auf Dateien Schreiben in Dateien mit High-Level-Funktionen Schreiben von Objekten Schreiben von formatierten Strings Lesen von Dateien mit High-Level-Funktionen Lesen von Objekten Lesen von formatierten Strings Alternative Funktionen für mehr Sicherheit nach C Die Funktion gets_s() Die Funktion fopen_s() Zusammenfassung Übungsaufgaben PROGRAMMAUFRUF UND -BEENDIGUNG Übergabe von Argumenten beim Programmaufruf Beendigung von Programmen

10 XVIII Inhaltsverzeichnis Einige Funktionen der Standardbibliothek Beispiel für eine Abfrage des Rückgabewertes Zusammenfassung DYNAMISCHE SPEICHERZUWEISUNG Reservierung von Speicher Die Funktion malloc() Die Funktion calloc() Die Funktion realloc() Freigabe von Speicher Beispiel Speicherlecks Dynamisch erzeugte Arrays Zusammenfassung Übungsaufgaben DYNAMISCHE DATENSTRUKTUREN Verkettete Listen Datentyp eines Listenelements Einfach verkettete Liste Andere Listenarten Baumstrukturen Allgemeine Darstellung von Baumstrukturen Formale Definition eines Baumes Binäre Bäume Durchlaufen von binären Bäumen Beispielprogramm für binäre Bäume Zusammenfassung Übungsaufgaben SORTIEREN UND SUCHEN Interne Sortierverfahren Konzept für das iterative Sortieren durch direktes Auswählen Konzept für das rekursive Sortieren mit dem Quicksort-Verfahren Beispielprogramme für interne Sortierverfahren Sortierverfahren im Vergleich Die Quicksort-Funktion der Standardbibliothek Einfache Suchverfahren Sequenzielles Suchen Halbierungssuchen...563

11 Inhaltsverzeichnis XIX Beispielprogramm mit bsearch() Suchen nach dem Hashverfahren Einführendes konzeptionelles Beispiel Einfache Schlüsseltransformation und Konflikte Konfliktlösungen für ausreichend große Tabellen Direkte Verkettung bei Kollisionen Weitere Schlüsseltransformationen Vor- und Nachteile der Hashverfahren Suchen mit Hilfe von Backtracking Zusammenfassung Übungsaufgaben PRÄPROZESSOR Aufgaben des Präprozessors Einfügen von Header-Dateien des lokalen Verzeichnisses und der Standardbibliotheken Symbolische Konstanten und Makros mit Parametern Beispiel für Komplikationen bei der Textersetzung und ihre Beseitigung Probleme bei Makros bestehend aus mehreren Anweisungen Bedingte Kompilierung Informationen über den Übersetzungskontext Die Präprozessor-Direktive line Die Präprozessor-Direktive error Weitere Präprozessor-Direktiven Parameter mit # in Strings umwandeln Parameter mit ## verknüpfen Generische Auswahl in C Statische Zusicherungen in C Der Pragma-Operator in C Zusammenfassung Übungsaufgaben MODULAR DESIGN IN C Konzept des Structured Design Konzept des Modular Design Kapselung und Information Hiding Export-Schnittstellen Import-Schnittstellen Das Modulkonzept eine Vorstufe der Objektorientierung...624

12 XX Inhaltsverzeichnis 22.3 Umsetzung des Modular Design in C Information Hiding mit static Behandlung der Header Realisierung eines Stacks mit Modular Design in C Die Header-Datei stack.h Arbeitsteilige Entwicklung Implementierung des Moduls main.c Implementierung des Moduls stack.c Zusammenfassung Übungsaufgaben THREADS NACH C Betriebssystemprozesse und Threads Threads im C11-Standard Erzeugen von Threads Beenden von Threads Synchronisation von Threads Wechselseitiger Ausschluss mit Hilfe von Mutexen Synchronisation mit Zustandsvariablen Deadlocks, Livelocks und Starvation Fortgeschrittene Programmierung mit Threads Lokale und statische Variablen Thread-lokaler Speicher Funktionen für einen Thread-spezifischen Speicher Atomare Operationen Zusammenfassung BEGRIFFSVERZEICHNIS ANHANG A STANDARDBIBLIOTHEKSFUNKTIONEN ANHANG B LOW-LEVEL-DATEIZUGRIFFSFUNKTIONEN ANHANG C WANDLUNGEN ZWISCHEN ZAHLENSYSTEMEN ANHANG D ASCII- UND UNICODE-CODIERUNGEN ANHANG E KOMPLEXE ZAHLEN ANHANG F BEISPIELPROGRAMM FÜR POINTER AUF VOID ALS FORMALEN PARAMETER LITERATURVERZEICHNIS INDEX

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