Manfred Dausmann, Ulrich Bröckl, Joachim Goll. C als erste Programmiersprache

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1 Manfred Dausmann, Ulrich Bröckl, Joachim Goll C als erste Programmiersprache

2 Manfred Dausmann, Ulrich Bröckl, Joachim Goll C als erste Programmiersprache Vom Einsteiger zum Profi 6., überarbeitete Auflage

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dr. Manfred Dausmann, Jahrgang 1951, ist seit 1996 Professor an der Hochschule Esslingen. Er lehrt in der Fakultät Informationstechnik die Fächer Programmiersprachen, Compilerbau, Software Engineering und Betriebssysteme. In seiner Industrielaufbahn befasste er sich vor allem mit dem Bau von Ada-Compilern und der Basis-Software für SAP R/3. Beim Steinbeis-Transferzentrum Softwaretechnik Esslingen ist er zuständig für Programmiersprachen und die Standard-Software SAP R/3. Prof. Dr. Ulrich Bröckl, Jahrgang 1961, ist seit 1999 Professor. Er lehrt die Fächer Mensch-Maschine-Interaktion und Datenbanken an der Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft. Der Schwerpunkt seiner Tätigkeit in der Industrie war die Konzeption und Realisierung von verteilten objektorientierten Systemen. Beim Steinbeis-Transferzentrum Softwaretechnik ist er zuständig für Grafische Oberflächen und Mustererkennung. Prof. Dr. Joachim Goll, Jahrgang 1947, unterrichtet seit 1991 in der Fakultät Informationstechnik der Hochschule Esslingen die Fächer Programmiersprachen, Betriebs - systeme, Software Engineering, Objektorientierte Modellierung und Sichere Systeme. Während seiner beruflichen Tätigkeit in der Industrie befasste er sich vor allem mit dem Entwurf von verteilten Informationssystemen. Prof. Goll ist Leiter des Steinbeis-Transferzentrums Softwaretechnik Esslingen und Technischer Leiter der Firma IT-Designers GmbH in Esslingen. 1. Auflage , überarbeitete Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008 Lektorat: Ulrich Sandten / Kerstin Hoffmann Der B. G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts gesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzun gen, Mikro ver filmungen und die Ein speiche rung und Verarbeitung in elek tro nischen Sys temen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Waren- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Vorwort Zum Inhalt Die Programmiersprache C wurde im Jahre 1989 durch das American National Standards Institute 1 und im Jahre 1990 durch die International Organization for Standardization 2 standardisiert. Seit dieser Zeit hat sie einen rasanten Aufschwung erlebt. Sie steht heute als ANSI- und als ISO-Standard in einheitlicher Form auf praktisch allen Computern und Betriebssystemen zur Verfügung. Grundlage für dieses Buch ist der bereits erwähnte ANSI/ISO C-Standard aus dem Jahre 1990 kurz C90 genannt. Er wird von den allermeisten Compilern unterstützt und ist auch in der industriellen Praxis am weitesten verbreitet. Das vorliegende Buch wendet sich an Studierende der Informatik und der ingenieurswissenschaftlichen Disziplinen, berufliche Umsteiger und Schüler, welche das Interesse haben, die Grundlagen der Programmiersprache C fundiert zu erlernen. Das Buch hat den Titel C als erste Programmiersprache, weil es dem engagierten Neuling erlaubt, C ohne Vorkenntnisse anderer Programmiersprachen zu erlernen. Dabei hat dieses Buch das ehrgeizige Ziel, dem Leser die Sprachkonzepte von C so präzise wie möglich und dennoch in leicht verständlicher Weise vorzustellen. Es wird von den Autoren seit einigen Jahren erfolgreich im Unterricht im ersten Semester an der Fachhochschule und an Gymnasien eingesetzt. Wegweiser durch das Buch Lernkästchen, auf die grafisch durch eine kleine Glühlampe ( ) aufmerksam gemacht wird, stellen eine Zusammenfassung eines Kapitels dar. Sie erlauben eine rasche Wiederholung des Stoffes. Ein fortgeschrittener Leser kann mit ihrer Hilfe gezielt bis zu der Stelle vorstoßen, an der für ihn ein detaillierter Einstieg erforderlich wird. Vorsicht! Warnkästchen, die durch ein Vorsicht-Symbol ( ) gekennzeichnet sind, zeigen Fallen und typische, gern begangene Fehler an, die in der Praxis oft zu langwierigem Fehlersuchen führen oder noch schlimmer, erst im Endprodukt beim Kunden erkannt werden. Gerade als Anfänger in einer Programmiersprache macht man gerne den Fehler, sich beim Lesen an nicht ganz so wesentlichen Einzelheiten fest zu beißen. Um zu erkennen, welche Information grundlegend für das weitere Vorankommen ist und welche Information nur ein Detailwissen darstellt und deshalb auch noch zu einem späteren Zeitpunkt vertieft werden kann weist dieses Buch Kapitel oder Kapitelteile, die beim ersten Lesen übersprungen werden können, mit dem Symbol aus. 1 2 Abgekürzt als ANSI. Abgekürzt als ISO.

5 Generell ist es empfehlenswert, ein oder mehrere Kapitel zu überfliegen, um sich einen Überblick zu verschaffen, und dann erst mit der Feinarbeit zu beginnen und gründlicher zu lesen. Dennoch gilt: Eine Vorgehensweise, die sich für den einen Leser als optimal erweist, muss noch lange nicht für alle Leser das Allheilmittel darstellen. Wenn Sie zu den Lesern gehören, die es gewohnt sind, von Anfang an möglichst detailliert zu lesen, um möglichst viel sofort zu verstehen, so sollten Sie zumindest darauf achten, dass Sie in den Kapiteln mit dem Überspringe und komm zurück -Zeichen beim ersten Durchgang nicht zu lange verweilen. Bei all den guten Ratschlägen gilt: Programmieren hat man zu allen Zeiten durch Programmierversuche erlernt. Do it yourself heißt der rote Faden zum Erfolg. So wie ein Kleinkind beim Erlernen der Muttersprache einfach zu sprechen versucht, so sollten auch Sie möglichst früh versuchen, in der Programmiersprache zu sprechen das heißt, eigene Programme zu schreiben. Gestalten Sie den Lernvorgang abwechslungsreich lesen Sie einen Teil und versuchen Sie, das Erlernte gleich in Programme umzusetzen. Um die mühsame Tipparbeit am Anfang minimal zu halten, sind alle Beispielprogramme des Buches auf der CD zu finden. Praktisch jedes Kapitel enthält Übungsaufgaben, die zum selbstständigen Programmieren auffordern. Lösungen wurden jedoch absichtlich nicht in das Buch aufgenommen, um nicht zum vorschnellen Nachschlagen zu verleiten. Sie finden die Lösungen auf der beigelegten CD. Auch die Übungsaufgaben sind mit auf der CD enthalten. Daher können Sie dort, wo Programme zu ergänzen bzw. zu erweitern sind, Aufgaben-Dateien der CD als Ausgangspunkt nehmen, um unnötige Tipparbeit zu sparen. Schreibweisen In diesem Buch sind der Quellcode und die Ein-/Ausgabe von ganzen Beispiel programmen sowie einzelne Anweisungen in der Schriftart Courier New geschrieben. Dasselbe gilt für Programmteile wie Variablennamen, Funktionsnamen etc., die im normalen Text erwähnt werden. Einige Programmbeispiele enthalten Platzhalter wie Anweisung oder Bedingung für konkrete Anweisungen oder Ausdrücke in der Programmiersprache. Ihre Rolle als Platzhalter ist jedoch so offensichtlich, dass für sie keine eigene Schriftart verwendet wurde. Sie sind wie die Wörter der Sprache in Courier New geschrieben. Wichtige Begriffe im normalen Text sind fett gedruckt, um sie hervorzuheben. Wichtige Hinweise zur CD Die beigelegte CD enthält im Ordner C_Buch die Übungsaufgaben, die zugehörigen Lösungen sowie die Beispiele des Buches. Ebenfalls in diesem Ordner finden Sie die Bilder der einzelnen Kapitel als Unterstützung für Lehrende, die selber einen C-Kurs auf der Basis dieses Buches gestalten wollen.

6 Auf dieser CD wird ferner das Microsoft Visual Studio in der Express Edition mit dem Visual C++ Compiler kostenlos mitgeliefert, damit sofort mit dem Programmieren begonnen werden kann. Der Visual C++ Compiler kann neben der Sprache C++ auch die im Buch behandelte Sprache C verarbeiten. Wir danken der Microsoft GmbH für diese Unterstützung. Hinweise zum Gebrauch der CD befinden sich im Hauptverzeichnis der CD in der Datei Liesmich.txt Ihre Verbesserungsvorschläge Ihre Verbesserungsvorschläge und kritischen Hinweise, die wir weiter gerne annehmen, erreichen uns unter der Adresse: Prof. Dr. Manfred Dausmann Hochschule Esslingen Fakultät Informationstechnik Flandernstraße Esslingen oder via Manfred.Dausmann@hs-esslingen.de Danksagung Unser Dank bei der 6. Auflage gilt Herrn Volker Kugler, der in bewährter Weise das Configuration Management für alle Einzeldokumente des Buches ausgeübt hat. Nur so konnten wir unsere Änderungen so schnell und problemlos durchführen. Herr Kugler hat außerdem alle Übungsbeispiele mit dem neuen Compiler überprüft, sodass wir die neue CD unbesorgt aus den Händen geben können. Zu den letzten Auflagen haben wir von Ihnen, liebe Leser, viele wertvolle Korrekturen und Anregungen erhalten, die wesentlich zur Qualitätssteigerung beigetragen haben. Dafür herzlichen Dank! Esslingen, im Dezember 2007 M. Dausmann / U. Bröckl / J. Goll

7 Inhaltsverzeichnis 1 Grundbegriffe der Programmierung Das erste Programm Vom Problem zum Programm Nassi-Shneiderman-Diagramme Vom Algorithmus zum Programm Zeichen Variablen Datentypen Unterprogramme Programmerzeugung und -ausführung Übungsaufgaben Einführung in die Programmiersprache C Ursprung von C Standardisierung von C Eigenschaften von C C und C Einordnung der Programmiersprache C Abstraktionsgrad in Programmiersprachen Einfache Beispielprogramme Programm zur Ausgabe von Quadratzahlen Programm zur Zinsberechnung Euklid scher Algorithmus als Programm Definition eigener Funktionen Struktur einer Quelldatei Übungsaufgaben Lexikalische Konventionen Zeichenvorrat von C Lexikalische Einheiten Übungsaufgaben Datentypen und Variablen Typkonzept Einfache Datentypen Variablen Typ-Attribute const und volatile

8 X Inhaltsverzeichnis 5.5 Typen in C Klassifikation von Datentypen Übungsaufgaben Einführung in Pointer und Arrays Pointertypen und Pointervariablen Pointer auf void Eindimensionale Arrays Übungsaufgaben Anweisungen, Ausdrücke und Operatoren Operatoren und Operanden Ausdrücke und Anweisungen Nebeneffekte Auswertungsreihenfolge L-Werte und R-Werte Zusammenstellung der Operatoren Implizite Typumwandlung Sequenzpunkte bei Nebeneffekten Übungsaufgaben Kontrollstrukturen Blöcke Kontrollstrukturen für die Sequenz Selektion Iteration Sprunganweisungen Übungsaufgaben Blöcke und Funktionen Struktur eines Blockes Gültigkeit, Sichtbarkeit und Lebensdauer Definition und Aufruf von Funktionen Deklaration von Funktionen Gültigkeitsbereiche von Namen Alte Funktionsdefinition und -deklaration nach Kernighan und Ritchie Die Ellipse... ein Mittel für variable Parameteranzahlen Rekursive Funktionen Übungsaufgaben

9 Inhaltsverzeichnis XI 10 Fortgeschrittene Programmierung mit Pointern Arrays Übergabe von Arrays und Zeichenketten Vergleich von char-arrays und Pointern auf Zeichenketten Das Schlüsselwort const bei Pointern und Arrays Kopieren von Zeichenketten Standardfunktionen zur Stringverarbeitung und Speicherbearbeitung Vektoren von Pointern und Pointer auf Pointer Pointer auf Funktionen Übungsaufgaben Strukturen, Unionen und Bitfelder Strukturen Unionen Bitfelder Komponenten von Strukturen und Unionen Übungsaufgaben Komplexere Datentypen, eigene Typnamen und Namensräume Komplexere Vereinbarungen Komplexere Typen typedef zur Vereinbarung eigener Typnamen Namensräume Speicherklassen Adressraum eines Programms Programme aus mehreren Dateien Adressen Programme aus mehreren Dateien die Speicherklasse extern Programme aus mehreren Dateien die Speicherklasse static Speicherklassen bei lokalen Variablen Initialisierung Interne und externe Bindung von Namen Tabellarischer Überblick über die Speicherklassen Übungsaufgaben Ein- und Ausgabe Speicherung von Daten in Dateisystemen Dateien unter UNIX das Streamkonzept Schichtenmodell für die Ein- und Ausgabe Das Ein-/Ausgabe-Konzept von C

10 XII Inhaltsverzeichnis 14.5 Standardeingabe und -ausgabe C-Bibliotheksfunktionen zur Ein- und Ausgabe High-Level-Funktionen für die Standardeingabe und -ausgabe High-Level-Dateizugriffsfunktionen Übungsaufgaben Übergabeparameter und Rückgabewert eines Programms Übergabe von Parametern beim Programmaufruf Beendigung von Programmen Dynamische Speicherzuweisung, Listen und Bäume Reservierung von Speicher Freigabe von Speicher Dynamisch erzeugte Arrays Verkettete Listen Baumstrukturen Übungsaufgaben Sortieren und Suchen Interne Sortierverfahren Einfache Suchverfahren Suchen nach dem Hashverfahren Rekursives Suchen mit Backtracking Übungsaufgaben Präprozessor Aufgaben des Präprozessors Einfügen von Dateien in den Source-Code Symbolische Konstanten und Makros mit Parametern Bedingte Kompilierung Informationen über den Übersetzungskontext Weitere Präprozessor-Direktiven Software Engineering in C Structured Design Modular Design Umsetzung des Modular Designs in C Realisierung eines Stacks mit Modular Design in C Übungsaufgaben

11 Inhaltsverzeichnis XIII Anhang A Standardbibliotheksfunktionen A.1 Fehlersuche (assert.h) A.2 Klassifizierung und Konvertierung von Zeichen (ctype.h) A.3 Länderspezifische Darstellungen und Zeichen (locale.h) A.4 Mathematische Funktionen (math.h) A.5 Globale Sprünge (setjmp.h) A.6 Signalbehandlungen (signal.h) A.7 Behandlung einer variablen Parameterliste (stdarg.h) A.8 Ein- und Ausgabe (stdio.h) A.9 Zahlenkonvertierung, Speicherverwaltung, Zufallszahlengenerierung und Beenden von Programmen (stdlib.h) A.10 String- und Speicherbearbeitung (string.h) A.11 Datum und Uhrzeit (time.h) Anhang B Low-Level-Dateizugriffsfunktionen B.1 Dateioperationen B.2 Ein-/Ausgabe B.3 Positionieren in Dateien B.4 Beispiel zur Dateibearbeitung mit Low-Level-Funktionen Anhang C Wandlungen zwischen Zahlensystemen C.1 Vorstellung der Zahlensysteme C.2 Umwandlung von Dual/Hexadezimal in Dezimal C.3 Umwandlung von Dezimal in Dual/Hexadezimal C.4 Umwandlung von Dual in Hexadezimal und von Hexadezimal in Dual Anhang D Der ASCII-Zeichensatz Literaturverzeichnis Index Tabellen für den schnellen Zugriff