ein erster abgeleiteter Variablentyp: Zeichenkette Aufeinanderfolge von Zeichen (z.b. Wörter) dargestellt und gespeichert als Feld des Typs char

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1 (3) Textzeichentyp char reserviert (i.a.) 1 Byte = 8 Bit Speicherplatz für genau ein Zeichen (Erinnerung: z.b. ASCII Code stellt Zeichen auf 8 Bit dar) ein erster abgeleiteter Variablentyp: Zeichenkette Aufeinanderfolge von Zeichen (z.b. Wörter) dargestellt und gespeichert als Feld des Typs char Deklaration: anderer Name: string char stringname[n]; Zeichen, d.h. die Feldlänge dabei ist n die maximale Anzahl durch die Deklaration wird ein Block von n Byte Speicherplatz im Arbeitspeicher reserviert. Achtung! Der Name stringname enthält dabei die Speicheradresse, an der die Zeichenkette im Arbeitspeicher beginnt (stringname ist ein sog. Zeiger) Zugriff auf die Komponenten, also die einzelnen Zeichen durch stringname[i] wobei der Index i das i 1. Zeichen der Zeichenkette bezeichnet, da in C die Numerierung bei 0 beginnt! z.b. char str[5]="info"; str I N F O \ str[0] str[1] str[2] str[3] Endezeichen str enthält die Adresse 1015 str[0] = 'I', str[1]='n',... gespeichert wird natürlich jedes Zeichen in seiner Binärdarstellung!

2 es muß stets ein Byte Platz für das Endezeichen eingerechnet werden, sonst kann es zu Problemen führen Beispiel: Erreichen des Endezeichens Achtung! Zuweisung eines ganzen Wortes nur in der Deklaration erlaubt danach nur noch Zugriff auf Einzelkomponenten möglich Beispiel: str = "text"; (FALSCH!) str[0] = 't'; (RICHTIG!) str[1] = 'e'; str[2] = 'x'; str[3] = 't'; (4) leerer Typ void sinnvoll z.b. Für Funktionen ohne Ergebniswert (sog. Prozeduren oder Subroutinen) aus diesen Grundtypen lassen sich dann beliebig komplexere Typen selbstdefinieren (dazu mehr in der 4. Vorlesung) 3.3 Ausdrücke und Operatoren Ein Ausdruck ist eine Aneinanderreihung von Zahlen, Strings und Operatoren, die sich zu einem Wert auflösen lassen, sprich: eine mehr oder weniger komplexe Rechenvorschrift Ausdrücke können über Operatoren miteinander verknüpft werden Ausdrücke können Variablen zugewiesen werden

3 Operatoren: es gibt grundsätzlich unäre, binäre und terniäre Operatoren z.b.: (1) unäre Operatoren: (in C) Inkrementoperator ++ausdruck ausdruck++ Dekrementoperator ausdruck ausdruck (2) binäre Operatoren: arithmetische Grundoperationen +,, *, / (in allen Programmiersprachen) (3) terniäre Operatoren: eher selten in C z.b. Ausdruck1? Ausdruck2 : Ausdruck3 ist Ausdruck 1 wahr so berechne Audruck2 sonst berechne Ausdruck3 Zuweisung: (binärer Operator) Variablenname = Ausdruck eine Zuweisung ist selbst wieder ein Ausdruck die Zuweisung hat den Wert, der der Variablen zugewiesen wird Vergleiche und logische Operatoren Vergleiche Symbolik fürvergleiche in Programmiersprachen ähnlich der aus der Mathematik bekannten: <, >... <=... >= =... == doppeltes Gleichheitszeichen, da '=' der Zuweisung entspricht allgemein ist die Syntax: Ausdruck Vergleichsoperator Ausdruck liefert wieder einen Ausdruck dieser Ausdruck hat einen int Wert, und zwar 0, falls der Vergleich nicht zutrifft 1, falls der Vergleich zutrifft

4 Logische Operatoren Aussagenlogisches UND ODER VERNEINUNG Symbolik: &&! (in C).and..or..not. (in FORTRAN) & ~ (in MATLAB) Ausdruck logischer Operator Ausdruck ist liefert wieder einen Ausdruck dieser Ausdruck hat einen int Wert, und zwar 0, falls der Gesamtausdruck wahr 1, falls der Gesamtausdruck falsch Anweisungen sind in der jeweiligen Programmiersprache erlaubte Ausdrücke, die zeilenweise in den Programmen geschrieben werden (oder durch entsprechende Zeichen voneinander abgegrenzt, z.b. ein Komma in FORTRAN oder in MATLAB) möglicherweise prinzipiell durch ein Zeichen abgeschlossen werden in C: Ausdruck ; Priorität von Operatoren (von höchster zu niedrigster Priorität) Symbol Name/Bedeutung Assoziativität ++ Erhöhung nach Auswertung von links nach rechts -- Erniedrigung nach Auswertung ( ) Funktionsaufruf [ ] Arrayelement -> Zeiger auf Strukturfeld. Felder einer Struktur oder Union ++ Erhöhung vor Auswertung von rechts nach links -- Erniedrigung vor Auswertung! logisches NOT - unäres Minus + unäres Plus & Adresse von * Dereferenzierung sizeof Größe in Bytes (type) Typumwandlung (cast)

5 * Multiplikation von links nach rechts / Division % Divisionsrest (modulo) + Addition von links nach rechts - Subtraktion < kleiner als von links nach rechts <= kleiner oder gleich > größer als >= größer oder gleich == gleich von links nach rechts!= ungleich && logisches AND von links nach rechts logisches OR von links nach rechts? : Bedingung von rechts nach links = Zuweisung von rechts nach links *= zusammengesetzte Zuweisung /= %= += -= <<= >>= &= ^= =, Komma-Operator von links nach rechts Typumwandlung nötig, falls in einer Operation Operanden verschiedenen Typs beteiligt sind implizite Typumwandlung: durch den Compiler z.b. int i=1, k=3; float x; x = i*k; int*int liefert int, in der Zuweisung Umwandlung int float explizite Typumwandlung: durch einen cast Operator z.b. float y = 6.78; i = 3 + (int) y;

6 4. Entwurf von Algorithmen Entwurfbeispiel: Prinzipien zum Entwurf: Zerlegung des Problems in Teilprobleme (Modularisierung) durch schrittweise Verfeinerung (TOP DOWN Entwurf) ausgehend von Lösungen für Teilaufgaben Zusammensetzen zu einem Programm (BOTTOM UP Entwurf) Zerlegen in Teilaufgaben durch Teilen der Eingangsdaten und Anwendung des selben Algorithmus auf die kleineren Datenmengen Prinzip TEILE UND HERRSCHE (DIVIDE & CONQUER) exakte Analyse der Daten entsprechende Definition von passenden Datentypen abstrakte Datentypen (Datentyp + zugehör. Operationen) Unterprogrammtechnik Teilprobleme in (für sich abgeschlossenen) Funktionen/Routinen implementieren Mehrfachnutzung von Teilalgorithmen möglich unabhängig voneinander programmierbar (nur Schnittstellen müssen klar sein) Ziel ist ein effizienter Algorithmus zur Problemlösung, d.h. möglichst geringer Ressourcenaufwand (Speicher & Laufzeit)

7 Grundsätzliche Schritte: gegeben sei eine Problemstellung, deren Lösung die auf dem Computer umsetzbar ist 1. Präzise Problembeschreibung (Spezifikation) 2. Eingabedaten? Welche Ergebnisse (Ausgabedaten) werden erwartet? 3. Welche Fälle sind zu unterscheiden? 4. Zerlegung in Teilprobleme, schrittweise Verfeinerung 5. Lösen der Teilprobleme Teilalgorithmen Formulierung unter alleiniger Verwendung der Grundstrukturen (Sequenz, Schleife, Selektion) dabei Definition passender Datentypen graphische Veranschaulichung von Algorithmen: Flußdiagramme Struktogramme (s. Wikipedia für die Elemente) oder Formulierung als sogenannten Pseudocode (halbformale Form)

8 Struktogramm Oder: Algorithmus für welches mathematische Problem?

9 Beispielalgorithmus: Auszugeben ist die Summe derjenigen von N einzulesenden Zahlen, die zwischen den vorzugebenden Werten L und R liegen. Flußdiagramm: Struktogramm:

10 Pseudocode Darstellung: Beispiel Eingabe: N, L, R Zähler = 1 Summe = 0 solange Zähler <= N führe aus: Eingabe: Zahl falls L < Zahl < R dann Summe = Summe + Zahl; Zähler = Zähler + 1 Beispielende Ausgabe: Summe 5. Unterprogrammtechnik/Module Unterprogramm/Modul: separate Programmeinheit, die Anweisungen umfaßt, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen bekommt i.a. Argumente (Werte, Informationen) vom aufrufenden Programm gibt i.a. ein Ergebnis an das aufrufende Programm zurück Bezeichnung und Funktionalität kann je nach Programmiersprache variieren: Bezeichnung: in C: function in FORTRAN: function (mit Rückgabewert), subroutine (ohne Rückgabewert) in PASCAL: function (mit Rückgabewert), procedure (ohne Rückgabewert) Funktionen in Funktionen definieren (Verschachtelung von Unterprogrammen)? in C nein alle Funktionen existieren hierarchisch auf der gleichen Ebene in FORTRAN nein alle Funktionen existieren hierarchisch auf der gleichen Ebene in PASCAL ja Unterprogramme von Unterprogrammen sind erlaubt

11 Hauptprogramm: in C in FORTRAN ebenfalls eine Funktion trägt immer den Namen main, kann nicht von anderen Funktionen aufgerufen werden hat den Rahmen PROGRAM programmname... END PROGRAM in PASCAL hat den Rahmen program programmname... end. Bibliotheksfunktionen: vordefinierte Standardfunktionen, die mit der Entwicklungsumgebung/ mit dem Compiler geliefert werden in C in Funktionsdateien mit einer zugehörigen Headerdatei name.h z.b.: Standardmathebibliothek Header: math.h Standard I/O Bibliothek Header: stdio.h Bibliothek für string Funktionen Header: string.h in FORTRAN in Modulen in PASCAL in units Sammlungen von bereits vorhandenen Funktionen zu bestimmten Themen, die frei oder mit Bezahlung erhältlich sind (z.b. im Netz) in FORTRAN z.b.: lapack, blas, daspk,... in C z.b.: cblas, cvode,...

12 5.1 Formaler syntaktischer Aufbau einer Funktion Definition einer Funktion (Syntax in C) Rückgabetyp Funktionsname(Liste von Argumenten) { Funktionskopf } Deklarationen lokaler Variabler Anweisungen return Ergebniswert Funktionsblock besteht aus: Funktionskopf Schnittstellen zum aufrufenden Programm d.h. Struktur der Funktion (Name, Argumente, Ergebnis) Funktionsblock/rumpf Algorithmus, den die Funktion umfaßt, d.h. eigentliche Umsetzung der Aufgabe der Funktion Dateneingabe (Argumente) Funktion Datenrückgabe (Ergebnis) Komponenten: Funktionsname... Bezeichung der Funktion, unter der sie aufgerufen wird Argumentliste... Liste der Eingabeparameter mit ihren Datentypen, die vom aufrufenden Programm an die Funktion gegeben werden für die dort aufgelisteten Variablen wird mit Aufruf der Funktion Speicherplatz bereitgestellt lokale Variable... sind nur im Funktionsblock gültig, ab ihrer Deklaration reservieren sie Speicher bis zum Abschluß der Funktion dienen der Zwischenspeicherung von Werten während der Funktionsausführung return... Anweisung ist dann erforderlich, wenn ein Ergebnis zurückgegeben wird Rückgabetyp... Datentyp des Ergebnisses (Funktionswertes), das an das aufrufende Programm zurückgegeben wird bei Funktionen ohne Rückgabe: void Typ und return; (ohne Wert) ist optional Erinnerung: in anderen Programmiersprachen tragen solche Funktionen auch einen anderen Namen (subroutine, procedure)

13 Beispiel: Funktion zur Berechnung des Mittelwertes dreier Zahlen Aufruf im Programm/in einer anderen Funktion: in Zuweisung: m = mittelwert(x1, x2, x3); in einem Ausdruck: y = sin(3.5*mittelwert(x1, x2, x3)); printf(''der Mittelwert ist %7.3f. \n'',mittelwert(x1,x2,x3)); Wo wird die Funktion definiert? Alle im Programm benutzten Funktionen müssen dem Compiler vor Beginn der main Funktion (Hauptprogramm) bekannt sein. Funktionen, die durch andere Funktionen aufgerufen werden, müssen vor letzteren dem Compiler bekannt sein. Varianten zum Bekanntmachen : 1. Definition der Funktion innerhalb des Programms a) vor dem Hauptprogramm Definition der Funktion main Funktion b) nach dem Hauptprogramm und Deklaration vor dem Hauptprogramm Deklaration der Funktion main Funktion Definition der Funktion Deklaration einer Funktion: Rückgabetyp Funktionsname(Liste der Argumenttypen); Bekannmachen des Namens zusammen mit allen Schnittstellen zum aufrufenden Programm, d.h. mit den Argumenttypen und dem Rückgabetyp = Prototyp der Funktion

14 Beispiel zu 1. : Mittelwert dreier Zahlen, nun im Programm eingebunden 2. Definition der Funktion in anderer Quelldatei und Deklaration im Programm Quelldatei func.c Hauptprogramm Definition der Funktion Headerdatei func.h Deklaration der Funktion (beide in demselben Verzeichnis) Deklaration der Funktion durch Einbinden der Headerdatei mit #include ''func.h'' main Funktion Deklaration(Bekanntmachen) der Funktion im Hauptprogramm vor der main Funktion durch Einbinden (#include) der zugehörigen Headerdatei Headerdatei (header = Funktionskopf) beinhaltet nur eine Liste der Funktionen, die in der Funktionsdatei definiert sind die Präprozessor Direktive #include ''func.h'' fügt den Text, so wie er in der Headerdatei steht, direkt ins Programm ein d.h. durch Verwenden der Headerdatei muß man nicht im eigenen Programm alle Funktionsdeklarationen wieder selbst schreiben Standardbibliotheks Header werden durch #include < name.h > eingebunden. Das sagt dem Präprozessor, daß diese im Standardbibliotheksverzeichnis der Entwicklungsumgebung zu finden sind steht die Funktionsquelldatei in einem anderen Verzeichnis als das Hauptprogramm muß in der #include Direktive der volle Pfad zu dem Verzeichnis angegeben werden in PellesC: Funktionsdateien und Hauptprogramm zu einem Projekt zusammenfassen Arbeit des Linkers ist dann im Hintergrund automatisch aktiv Verwendung von Headerdateien ist C typisch, in anderen Programmiersprachen nicht üblich

15 sinnvoll, wenn die Funktionen für mehrere Programme genutzt werden sollen (Module) das Problem ein größeres Programmpaket erfordert, das sonst nicht mehr übersichtlich ist (Zerlegung eines Programms in Teilprogramme) häufig werden solche Funktionen in Bibliotheken zusammengefaßt, die dann nur einmal compiliert werden müssen und bei Bedarf nur durch ihre Deklarationen dem Programm bekanntgemacht (nur Funktionsköpfe! Nur Schnittstellen der Funktion nach außen) und durch den Linker in Maschinencode an das übersetzte Programm angebunden werden z.b. Standardfunktionen in C, wie printf, scanf dazu Einbinden der Headerdatei stdio.h der Standard I/O Bibliothek von C 5.2 Argumentübergabe Wenn eine Funktion mit einer nichtleeren Argumentliste durch ein Programm aufgerufen wird, bedeutet das einen Transfer der Daten aus den aktuellen Variablen der Liste in die formalen Variablen des Funktionskopfes. Was geschieht genau beim Aufruf? Programmabarbeitung springt zum Maschinencode der Funktion für die formalen Parameter (Argumente) der Funktion wird Speicherplatz reserviert die Werte (der aktuellen Variablen), die beim Aufruf der Funktion in der Liste stehen, werden an die formalen Parameter in der Reihenfolge der Liste übergeben, d.h. an die entsprechenden Speicherplätze geschrieben die Funktion arbeitet nur auf den formalen nicht auf den aktuellen Parametern Beispiel: //Funktionsdeklaration double func(int i, double x) { double y; y= i*x; return y; } AS 2 1 int main { int j=1; double z = 0.2; z = func(j,z); return 0; }

16 Selbst, wenn die selben Argumentnamen beim Aufruf der Funktion verwendet werden wie in der Definition der Funktion, sind aktuelle und formale Variablen voneinander verschieden! Für die Zeit des Funktionsaufrufs werden über die Variablennamen stets die nächsten (die innersten ) Variablen angesprochen und die formalen Parameter (Variablen) des Funktionskopfes sind der Funktion näher als die im Programm deklarierten aktuellen Variablen der Argumente. Unterschiedliche Arten des Datentransfers: Argumentübergabe call by value (Wertübergabe) Argumentübergabe call by reference (Speicheradressübergabe) in vielen Programmiersprachen gibt es diese zwei Arten (z.b. C, FORTAN, PASCAL) in anderen nicht (z.b. LOGO, MATLAB nur Wertübergaben) (A) Argumentübergabe call by value (Wertübergabe) Es wird bei Aufruf der Funktion von der als Argument auftretenden Variablen nur der gespeicherte Wert an den entsprechenden formalen Parameter der Funktion übergeben d.h. das was auf dem Speicherplatz der aktuellen Variablen steht, wird in den mit Funktionsaufruf reservierten Speicherplatz der entsprechenden formalen Variablen geschrieben, s. obiges Beispiel) Funktion kann nur lesend auf die aktuellen Variablen zugreifen aber nicht schreibend. (B) Argumentübergabe call by reference (Speicheradressübergabe) Es wird bei Aufruf der Funktion als Argument die Speicheradresse einer Variablen im Arbeitsspeicher an den entsprechenden formalen Parameter der Funktion übergeben da die Funktion damit direkt auf den Speicherplatz einer aktuellen Variablen des aufrufenden Programms zugreifen kann, kann sie dort sowohl den aktuellen Wert herauslesen als auch einen neuen Wert hineinschreiben Funktion kann lesend und schreibend auf die aktuellen Variablen zugreifen. call by reference : Referenzparameter = Speicheradresse einer Variablen

17 Wie erhält man die Speicheradresse? In C: Adressoperator(Referenzierungsoperator) & Beispiel: int i; Variable i wird deklariert, d.h. 4 Byte Speicherplatz werden reserviert printf(''speicheradresse von i: %d'',&i); gibt die reservierte Speicheradresse (erstes Byte) auf dem Bildschirm aus i Bildschirmausgabe: Speicheradresse von i: 2105 Objekte, die die Speicheradresse von Variablen speichern, heißen Zeigervariable (Pointer) Deklaration solcher Zeigervariablen: Typ * zeigervariablenname; Typ ist entscheidend, da damit auch die Information gegeben ist, wieviel Byte die zu der gespeicherten Anfangsadresse gehörige Variable insgesamt einnimmt Beispiel: int * p ; p zeigt auf eine Variable vom Typ int, d.h. p reserviert Speicherplatz für eine Speicheradresse einer int Variablen int i = 1; Variable i reserviert Speicherplatz von 4 Byte und dieser wird mit dem Wert '1' initialisiert, d.h. dieser Wert wird dort als erster Wert gespeichert p = &i; auf den Speicherplatz von p wird die Anfangsspeicheradresse von i geschrieben p i

18 Wechselspiel: Adressoperator &: Variable Speicheradresse (Referenzierungsoperator) Dereferenzierungsoperator *: Speicheradresse Variable (Zugriff auf gespeicherten Wert) Beispiel: Fortsetzung int j; j=*p; in den Speicherplatz, den j reserviert, wird der Wert eingeschrieben, der an der Speicheradresse steht, die p speichert ( auf die p zeigt ), hier speichert p die Adresse von i j bekommt den Wert '1' Standardbeispiel: Zur Illustration der Unterschiede zwischen den zwei Argumentübergaben Tausch zweier Variablenwerte. Häufig ist die Argumentliste von Funktionen eine Mischform, d.h. umfaßt sowohl Werte als auch Referenzparameter