Einführung in die Programmiersprache C

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1 Einführung in die Programmiersprache C 4 Storage classes Alexander Sczyrba Robert Homann Georg Sauthoff Universität Bielefeld, Technische Fakultät

2 Compilation units Compilierung eines mehrteiligen Programms: 1 Compilierung aller.c-dateien in object files (Objektdateien, Endung.o), z.b. $ gcc -c -o part.o part.c $ gcc -c -o part2.o part2.c $ gcc -c -o part3.o part3.c 2 Linken der object files in ein Executable, z.b. $ gcc -o program part.o part2.o part3.o Jeder Aufruf des Compilers entspricht dabei einer compilation unit (Übersetzungseinheit). Übliche Sichtweise: eine.c-datei == eine Übersetzungseinheit

3 Header files Von unterschiedlichen Teilen benötigte Deklarationen von Typen und Funktionsprotoypen (Definitionen nur in Ausnahmefällen) kommen in Header files (Endung.h), z.b. intpair.h 1 / Ein Paar i n t s. / 2 typedef s t r u c t 3 { 4 i n t i, j ; 5 } i n t p a i r ; 6 7 / I n i t i a l i s i e r u n g e i n e s i n t p a i r. / 8 void i n t p a i r _ s e t ( i n t p a i r p, i n t v1, i n t v2 ) ; Definition von Schnittstellen

4 Header files Header files werden in den.c-dateien eingebunden, z.b. intpair.c 1 #include " i n t p a i r. h" 2 void i n t p a i r _ s e t ( i n t p a i r p, i n t v1, i n t v2 ) { 3 p >i = v1 ; 4 p >j = v2 ; 5 } myprog.c 1 #include " i n t p a i r. h" 2 i n t main ( void ) { 3 i n t p a i r p a i r ; 4 i n t p a i r _ s e t (& p a i r, 2 3, 4 2 ) ; 5 return 0 ; 6 }

5 Das Schlüsselwort extern Zugriff auf externe Daten, d.h. auf Daten, die außerhalb der aktuellen Übersetzungseinheit definiert wurden, müssen vor der Verwendung bekannt gemacht werden (Name, Typ). extern Hinweis an den Compiler, daß ein Name beim Linken bekannt sein wird. Beispiel extern int debug_level; /* extern definiert */ Üblicherweise in Header files zu finden.

6 Implementiere einen Datentyp intlist zur Speicherung von int-werten in einer einfach verketteten Liste. Die Funktionen der Schnittstelle lauten intlist *intlist_append(intlist *list, int value); (einen Wert an eine Liste anhängen) intlist *intlist_prepend(intlist *list, int value); (einen Wert vor eine Liste hängen) void intlist_free(intlist *list); (von allen Listenelementen belegten Speicher freigeben) Übung void intlist_print(const intlist *list); (komplette Liste ausgeben) Die leere Liste wird durch NULL repräsentiert. Teile das Programm in drei Dateien auf, um Definitionen der Schnittstellen, ihre Implementierung und das Hauptprogramm voneinander zu trennen (siehe Stack).

7 Tip zur Übung Folgende Deklaration funktioniert nicht: 1 typedef struct 2 { 3 i n t l i s t next ; 4 } i n t l i s t ; Grund: der Name intlist ist erst nach dem typedef bekannt, er kann also nicht zur Definition der Struktur verwendet werden. Ausweg: struct name

8 Übung Erweitere die Schnittstelle zu intlist um eine weitere Funktion, die für jedes Listenelement eine vom Aufrufer übergebene Funktion aufruft. Definiere hierfür den Typen des zu übergebenen Funktionspointers mittels typedef. Der Prototyp dieser neuen Funktion könnte so aussehen: int intlist_process(const intlist *list, Intlistproc callback); Die Funktion soll die gesamte Liste durchlaufen, solange die vom Aufrufer übergebene Funktion 0 zurückgibt. Sie bricht ab, sobald die vom Aufrufer übergebene Funktion einen Rückgabewert ungleich 0 zurückgibt. Der Rückgabewert von intlist_process() ist der Rückgabewert der übergebenen Funktion.

9 Storage classes Wo liegen meine Daten? Speicherort einer Variablen wird durch ihre storage class bestimmt. Zwei mögliche storage classes: automatic Variable belegt lokal für einen Block Speicher; von der Variablen belegter Speicher wird beim Verlassen des Blocks automatisch aufgeräumt static Variable existiert für die gesamte Laufzeit des Programms, belegt also immer Speicher

10 Storage classes Festlegung der storage class einer Variablen durch Schlüsselwörter und aus dem Deklarationskontext heraus. Deklaration innerhalb eines Blocks: mit auto (oder ohne weitere Schlüsselwörter): automatic mit register: automatic, Speicherort soll nach Möglichkeit ein CPU-Register sein mit static: static mit lokaler Sichtbarkeit Beispiel 1 void my_function ( void ) 2 { 3 auto i n t i ; / e x p l i z i t automatic / 4 i n t j ; / automatic / 5 r e g i s t e r i n t k ; / automatic / 6 s t a t i c i n t l ; / s t a t i c / 7 }

11 Storage classes Deklaration außerhalb eines Blocks: ohne weitere Schlüsselwörter: static und von außen zugreifbar (external linkage) globale Variable für das gesamte Programm mit static: static und nur lokal zugreifbar (internal linkage) globale Variable für compilation unit Beispiel 1 i n t i ; / s t a t i c, e x t e r n a l l i n k a g e / 2 s t a t i c i n t j ; / s t a t i c, i n t e r n a l l i n k a g e / 3 4 / s t a t i c, i n t e r n a l l i n k a g e / 5 s t a t i c i n t fn ( void ) { return 0 ; } 6 7 / s t a t i c, e x t e r n a l l i n k a g e / 8 i n t main ( void ) { return f n ( ) ; }

12 Storage class: static Daten, die static sind, liegen im Datensegment. Genauer (unter UNIX): Initialisierte Daten: Segment.data Nichtinitialisierte Daten: Segment.bss ( block started by symbol ) Segment.bss: im Executable: Segment, das im wesentlichen aus einer Größenangabe besteht Loader legt beim Programmstart einen entsprechenden Block an und initialisiert ihn mit 0 Folge: Variablen mit storage class static werden automatisch auf 0 initialisiert Details: $ man a.out $ man nm $ nm myprogram $ objdump -x myprogram

13 Storage classes 1 i n t main ( void ) 2 { So what?! 3 / i n t s, d i e " n i c h t s " kosten, a l l e 0 / 4 s t a t i c i n t a r r a y 1 [ ] ; 5 6 / i n t s, g e s p e i c h e r t im E x e c u t a b l e / 7 s t a t i c i n t a r r a y 2 [ ] = { 1 } ; 8 9 / i n t s, g e s p e i c h e r t im E xecutable, 10 d i e aus dem Datensegment auf den Stack 11 k o p i e r t werden muessen / 12 i n t a r r a y 3 [ ] = { 1 } ; return 0 ; 15 }

14 Das Schlüsselwort static Deklaration einer lokalen Variable als static: Variable ist nur lokal sichtbar Variable behält ihren Wert über Funktionsaufrufe hinweg Variable kann bei Deklaration mit konstantem Ausdruck initialisiert werden. Beispiel 1 unsigned long next_id ( void ) 2 { 3 s t a t i c unsigned long i d = 1 ; 4 5 return i d ++; 6 }

15 Das Schlüsselwort static Definition einer Funktion als static: Funktionsname wird dem Linker nicht mitgeteilt Funktion kann nicht von außerhalb aufgerufen werden internal linkage ideal für lokale Hilfsfunktionen, in größeren Programmen sehr hilfreich (gcc-option -Wmissing-prototypes)

16 Das Schlüsselwort static Beispiel 1 s t a t i c void i n i t ( s t a c k s ) { /... / } 2 3 void s t a c k _ i n i t ( s t a c k s ) 4 { 5 i n i t ( s ) ; 6 } 7 8 s t a c k s t a c k _ a l l o c a t e ( void ) 9 { 10 s t a c k s = m a l l o c ( s i z e o f ( s t a c k ) ) ; i f ( s! = NULL ) i n i t ( s ) ; 13 return s ; 14 }

17 Dynamischer Speicher: Heap Achtung Dynamisch allozierter Speicher vom Heap (per malloc()) hat mit den storage classes nichts zu tun! der Speicherbereich für den Heap ist eigener Bereich Inhalte werden nicht direkt über einen Namen angeprochen, sondern anonym über Pointer

18 Nochmal der Speicher Stack lokale Daten, Rücksprungadressen Hole Heap Break (siehe brk()/sbrk()) verwaltet von malloc(), free(), etc..bss.data.text unmapped