Softwaretechnik in C und C++ - Das Kompendium

Transkript

1 Softwaretechnik in C und C++ - Das Kompendium Modulare, objektorientierte und generische Programmierung Bearbeitet von Rolf Isernhagen 3. Auflage Buch. XXVI, 994 S. Hardcover ISBN Format (B x L): 18,2 x 24,5 cm Gewicht: 1759 g schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 CARL HANSER VERLAG Rolf Isernhagen Softwaretechnik in C und C++ - Das Kompendium Modulare, objektorientierte und generische Programmierung

3 Vorwort zur 3. Auflage Nach der guten Resonanz auf die ersten beiden Auflagen habe ich den Entschluss gefasst, in Zukunft zweigleisig zu fahren: Das vorliegende Buch ist als Kompendium- Version die Weiterentwicklung der zweiten Auflage. Das Kompendium stellt den Themenbereich umfassend dar und will als Arbeitsmittel und Nachschlagewerk für die tägliche Praxis verstanden werden. Parallel dazu ist in enger Zusammenarbeit mit Hartmut Helmke als Koautor eine kompakte Lehrbuch-Version entstanden, die stärker auf die Bedürfnisse für die Lehre eingehen kann. Die vorliegende dritte Auflage unterscheidet sich von ihrer Vorgängerin durch das neu hinzugefügte Kapitel Softwaremodellierung mit UML-Klassendiagrammen, durch Erweiterungen im Kapitel ANSI/ISO-C++-Standardbibliothek und im Abschnitt Besondere Programmiertechniken sowie durch die gründliche Überarbeitung verschiedener Teile des Buches. Darüber hinaus sind kleinere Fehler korrigiert und Klarstellungen durchgeführt worden. Die beigefügte CD-ROM enthält sämtliche Programmtexte, den letzten ANSI/ISO-C++-Draft Standard, den letzten ANSI/ISO-C- Draft-Standard sowie andere nützliche Daten. Der neue ANSI/ISO-C-Standard (C99) ist im Dezember 1999 verabschiedet worden, hat bisher aber wenig Unterstützung gefunden, zumal viele Neuerungen nicht C++konform sind. Die wesentlichen Erweiterungen gegenüber dem alten Standard (C89) sind in einem Abschnitt zusammengestellt. Für viele klärende Gespräche zu Themen dieses Buches sowie für Verbesserungsvorschläge und für Hinweise auf Fehler danke ich insbesondere meinem Kollegen Roland Rüdiger sowie meinem Koautor für die Lehrbuchversion, Hartmut Helmke. Für die Wiedergabe der vielen Programmbeispiele habe ich das L A TEX-package listings von Carsten Heinz verwendet. Für die konstruktive Zusammenarbeit mit dem Hanser-Verlag danke ich Margarete Metzger, Irene Weilhart und Manfred Sommer. Rolf Isernhagen, Wolfenbüttel, Juni 2001

4 Vorwort Softwaretechnik Als Softwaretechnik, engl. Software Engineering, wird das Themengebiet bezeichnet, das sich mit der systematischen und methodischen Entwicklung insbesondere größerer Softwaresysteme beschäftigt. Man zieht auch gern und passend den Vergleich zur Entwicklung anderer meist materieller technischer Produkte, die auf hohem Niveau von Ingenieuren professionell betrieben wird. Die Entwicklung der nicht materiellen Software hat demgegenüber sicher keinen allzu guten Ruf. Das mag daran liegen, daß das Gebiet noch sehr jung ist, aber auch daran, daß Software in der Vergangenheit häufig von Nichtfachleuten entwickelt wurde, und schließlich auch daran, daß die Schwelle zum Einstieg in die Softwareentwicklung niedrig ist. Darüber hinaus sind große Softwaresysteme die komplexesten von Menschen entwickelten Strukturen. Das Ziel der Softwaretechnik insbesondere im industriellen Bereich ist die Produktion qualitativ hochwertiger und zuverlässiger Software mit einem möglichst guten Verhältnis von Leistung zu Preis. Bei der Softwareentwicklung spielen neben Beherrschung von Syntax und Semantik der verwendeten Programmiersprache auch andere Dinge eine wesentliche Rolle, wie z.b. die Vorgehensweise (Phasenmodell, Softwarelifecycle) sowie die verwendeten Analyse- und Entwurfsmethoden und Programmierparadigmen (z.b. funktionale, datenorientierte oder objektorientierte Sicht). Themenbereich Das Ziel dieses Buches das aus den Vorlesungen Programmund Datenstrukturen I, II und III des Autors hervorgegangen ist soll die kompakte Darstellung der Basisthemen Algorithmen, Datenstrukturen, Abstrakte Datentypen sowie Modulare und Objektorientierte Softwareentwicklung im Rahmen der Programmiersprachen ANSI/ISO-C und ANSI/ISO-C++ sein. Die genannten Themen Algorithmen... Objektorientierung haben natürlich ihren Wert auch unabhängig von der jeweils verwendeten Sprache und sollen auch so dargestellt werden, daß sie auf andere Sprachen insbesondere auch auf Java übertragbar sind. Programmiersprachen Zur Wahl des Programmiersprachenkomplexes ANSI/- ISO-C und ANSI/ISO-C++ ist zu sagen, daß es leidenschaftliche Gegner und

5 XXII Vorwort enthusiastische Anhänger dieser Sprachen gibt. Wenn man die Sprache C aus der Sicht der Informatik beurteilt, so ist mit Sicherheit heftigste Kritik angesagt, und bezüglich der Weiterentwicklung C++ würde der Autor die Frage: C++ Fortschritt oder Chaos? 1 mit einem vorsichtigen sowohl als auch beantworten. Einerseits stellt C++ gegenüber C hinsichtlich Leistungsumfang und Qualität (z.b. strengere Typisierung) einen deutlichen Fortschritt dar, andererseits weist C++ viele Merkmale auf, die man chaotisch nennen kann (z.b. Adreßarithmetik und Objektorientierung auf einer Ebene). Nun gibt es aber noch viele andere Auswahl- und Beurteilungskriterien für eine Sprache wie z.b. Verbreitung, Verfügbarkeit, Laufzeiteffizienz, Kompatibilität mit der Vergangenheit, Bandbreite, Flexibilität bei denen C und C++ teilweise klare Spitzenreiter sind. Die Sprache C ist seit 1990 nach ANSI und nach ISO standardisiert, die Standards sind fast identisch. Für 1999 wird ein überarbeiteter ISO-Standard erwartet, der im Wesentlichen seinen Vorgänger an einigen Stellen ergänzen, aber sonst keine allzu großen Änderungen enthalten wird. Die Sprache C++ ist seit September 1998 nach ANSI und nach ISO standardisiert, beide Gremien haben sich auf einen gemeinsamen Inhalt geeinigt. ANSI/ISO-C++ ist im Wesentlichen eine Obermenge von ANSI/ISO-C. Objektorientierung und andere Paradigmen Der schon lange dauernde und weiter anhaltende Siegeszug des Paradigmas 2 Objektorientierung ist eine unbestrittene Tatsache. Daneben gibt es aber andere klassische Paradigmen wie z.b. die prozedurale Abstraktion und die Datenabstraktion sowie den Ansatz der generischen Programmierung. Die Entwicklung der vielbeachteten Standard Template Library (STL) in C++ ist darüber hinaus ein erfolgreiches Beispiel für die Kombination verschiedener Paradigmen (Objektorientierung, Generik und funktionale Abstraktion). Während nun rein objektorientierte Sprachen wie Java sich nur dem einen Paradigma verschreiben, unterstützt C++ mehrere und scheint deshalb als Träger für den angegebenen Inhalt am geeignetsten. Ebenen der Programmierung C++ ist eine Sprache, die nicht nur verschiedene Paradigmen unterstützt, sondern die auch die Programmierung auf verschiedenen Abstraktionsebenen ermöglicht. Dabei ist die untere Ebene die der klassischen C-Programmierung, die mittlere Ebene ist die der Objektorientierten Programmierung, und die obere Ebene ist die der Generischen Programmierung unter Verwendung entsprechender Bibliotheksmodule für Strings, Container, Iteratoren und Algorithmen. 1 nach einem gleichnamigen Vortrag von Nicolai Josuttis am im Rahmen der GI- Regionalgruppe Braunschweig. 2 Paradigma (griechisch) bedeutet Muster.

6 Hinweise für den Leser Namen für Begriffe Das Fachvokabular im Softwarebereich ist umfangreich, es gibt viele synonyme und sich überschneidende Begriffe, und die Begriffswelt ist alles andere als konsistent. Hinzu kommt das Problem der Zweisprachigkeit Deutsch/Englisch, d.h. wo sollten deutsche Begriffe und wo die englischsprachigen Originale verwendet werden? Der Klarheit und guten Lesbarkeit wegen ziehe ich in Zweifelsfällen die englischen Originalbegriffe vor, z.b. Client/Server-Struktur statt vielleicht Benutzer/Anbieter-Struktur und verwende dabei auch Mischformen. Welche Alternative gibt es zu friend-funktion? Selbst das Wort Werkzeug statt tool führt leider schon manchmal zu Missverständnissen. Welche Form bevorzugen Sie: Exception-Handling, Ausnahmebehandlung oder Exception-Behandlung? Wie bezeichnen Sie einen Exception-Handler oder einen Interrupt-Handler? Sagen und schreiben Sie Stapelspeicher und Warteschlange oder lieber Stack und Queue, oder verwenden Sie beides nebeneinander? Ein ähnliches Problem ist das der synonymen und teilweise sich auch nur stark überschneidenden Begriffe, z.b. Objekt/Instanz/Variable oder Methode einer Klasse/Elementfunktion. Sollte man sich jeweils durchgängig für einen Begriff entscheiden, oder sollte man auch teilweise variieren und die ganze Bandbreite der Terminologie vermitteln? Auch hier habe ich einen Kompromiss angestrebt. Gestaltung der Programmtexte Das Buch enthält sehr viele Programmtexte, die in den meisten Fällen als vollständige Programme oder Programm-Module (H- Dateien und C- oder CPP-Dateien) einschließlich der Anweisungen für den Präprozessor abgedruckt sind. Das ist insbesondere hilfreich für den Leser, der Beispiele im Detail auf dem Rechner nachvollziehen will. Ein wichtiger Grundsatz bei der Entwicklung und Darstellung der vielen Programmtexte ist die Konzentration auf das jeweilige Thema und die möglichst weitgehende Vernachlässigung weiterer Aspekte, die an anderen Stellen dargestellt sind. Beispiel: Bei der Behandlung binärer Bäume werden die wichtigsten Algorithmen als vollständige C-Funktionen angegeben, aber die Funktionen werden nicht mit Code zur Fehler- und Ausnahmebehandlung überladen.

7 XXIV Hinweise für den Leser Bei Namensgebung für Variable, Funktionen, Klassen usw. werden in der Regel englische Bezeichner bevorzugt. Das empfehle ich ganz allgemein bei der Programmierung, denn Software sollte lesbar und wartbar sein, und zwar möglichst in einem internationalen Rahmen. Konsequent gedacht sollten dann auch die Kommentare in Programmen in Englisch abgefaßt sein; um aber gezielt dem deutschsprachigen Leser die Arbeit zu erleichtern, sind die Programmkommentare in der Regel in Deutsch abgefasst. Programmtexte auf CD-ROM Alle im Buch verwendeten Programmtexte sind auf der beigefügten CD-ROM enthalten, die entsprechenden Datei- und Pfadnamen sind direkt bei dem jeweiligen Beispiel mit angegeben, und außerdem befindet sich am Ende des Buches ein Verzeichnis aller Programmtexte mit den zugehörigen Dateiund Pfadnamen. Als Dateinamen werden verwendet: name.c, name.h, name.cpp und name.sht. Die Bezeichnung name.sht bedeutet, dass der Code durch Weglassen von Details abstrahiert wurde, auf der CD-ROM ist in den Fällen zusätzlich der vollständige Code in Form einer C-, einer H- oder einer CPP-Datei abgelegt.

8 Inhaltsübersicht I Die Sprache C und Modulare Softwareentwicklung 1 ANSI/ISO-C, Clean-C und Better-C ANSI/ISO-C unter besonderer Berücksichtigung der Aufwärtskompatibilität zu ANSI/ISO-C++, Clean-C als Schnittmenge von C und C++ und Better-C als Erweiterung von C um einige Bestandteile von C++. 2 ANSI/ISO-C-Standardbibliothek Kompakte Übersicht über die Funktionalität der Bibliotheksmodule, die sich dem Benutzer in Form von Header-Dateien präsentieren, die jeweils Deklarationen von Funktionen, Variablen und Konstanten sowie Typdefinitionen enthalten können. 3 Modulare Programmierung Es werden die Möglichkeiten der Modularen Programmierung und der Generischen Programmierung in ANSI/ISO-C durch Verwenden entsprechender Schemata aufgezeigt, mit der entsprechende Defizite der Sprache kompensiert werden können. II Datenstrukturen, Algorithmen, ADTs, Container 4 Sortieren, Suchen und Zeitkomplexität Es werden Algorithmen für das Sortieren und Suchen in Arrays vorgestellt, und in dem Rahmen wird die Zeitkomplexität als qualitativer Maßstab zur Bewertung von Algorithmen eingeführt. 5 Dynamische Datenstrukturen In diesem Kapitel werden wichtige Datenstrukturen wie Listen, Bäume, AVL- Bäume, B-Bäume, Heaps und Hashstrukturen zusammen mit den entsprechenden Algorithmen entwickelt und in wiederverwendbare Generische Module verpackt. 6 Container-Strukturen Es werden typische Containerstrukturen wie stack, queue, priorityqueue, set,

9 XXVI Inhaltsübersicht multiset, map, multimap und vector durch Abbilden auf die im vorigen Kapitel behandelten Datenstrukturen entwickelt. 7 Automaten in der Softwaretechnik Es werden Automatenmodelle Endliche Automaten und Kellerautomaten als Grundlage des Softwareentwurfs vorgestellt. Sie spielen z.b. eine wichtige Rolle beim Erkennen von einfachen Mustern (Scanner) und beim Erkennen von komplexeren Mustern (Parser). III Die Sprache C++ und ihre Softwaretechniken 8 Von ANSI/ISO-C nach ANSI/ISO-C++ ein Überblick Kompakter Überblick über die Sprache C++ und über die C++-Standardbibliothek auf der Basis von C, es werden die nicht objektorientierten und die objektorientierten Erweiterungen sowie deren Benutzung skizziert. 9 Objektorientierte Programmierung Hier werden die Bestandteile der Sprache C++ und deren Verwendung im Detail behandelt, die insbesondere die Objektorientierte Programmierung und die Generische Programmierung unterstützen. 10 Objektorientierte und Generische Softwareentwicklung Dieses Thema umfasst besondere Programmiertechniken, Methoden und Konzepte zur effektiven Anwendung der von C++ angebotenen Sprachkonstrukte, die sowohl die Objektorientierte Programmierung als auch die Generische Programmierung als auch die Möglichkeiten, die sich aus der Kombination beider Paradigmen ergeben, massiv unterstützen. 11 ANSI/ISO-C++-Standardbibliothek Es wird ein Überblick über die sehr umfangreiche Standardbibliothek der Sprache C++ gegeben, und die wichtigsten Teile dieser Bibliothek insbesondere die Unterstützung für das Arbeiten mit Eingabe- und Ausgabeströmen, mit Strings und mit Containern werden im Detail vorgestellt und deren Anwendung an vielen Beispielen demonstriert. 12 Softwaremodellierung mit UML-Klassendiagrammen Dieses Kapitel vermittelt einen Einstieg in die Softwaremodellierung mit der Unified Modeling Language (UML). Die UML ist eine umfangreiche Sprache, die viele Sichten (model views) und Abstraktionsebenen der Modellierung umfasst, es gibt viele Bücher darüber. Hier wird das wichtigste und meist benutzte Teil das Subset Klassendiagramme herausgegriffen und kompakt mit vielen Beispielen dargestellt.