Lösungsvorschlag zur 9. Übung

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1 Prof. Frederik Armknecht Sascha Müller Daniel Mäurer Grundlagen der Informatik 3 Wintersemester 09/10 Lösungsvorschlag zur 9. Übung 1 Präsenzübungen 1.1 Schnelltest a) Welche der folgenden Aussagen über die Speicherverwaltung in C sind korrekt? Lokale Variablen in Funktionen müssen explizit wieder freigegeben werden. Mit dem Befehl malloc wird Speicher auf dem Stack reserviert. Der mit malloc angeforderte Speicher muss wieder explizit freigegeben werden. Der Garbage-Collector gibt periodisch nicht mehr verwendeten Speicher frei. Der Angeforderte Speicher wird automatisch mit Nullen initialisiert. Speicher sollte möglichst immer in dem Bereich (Scope) freigegeben werden, in dem er auch angefordert wurde. b) Welche Aussagen über Funktionen und Funktionsparameter in C sind richtig? Funktionsparameter werden als Kopie übergeben (call-by-value). Eine Referenzübergabe von Parametern (call-by-refrence) ist nicht möglich. Eine Referenzübergabe von Parametern ist mittels Pointer möglich. Die Übergabe von Arrays erfolgt über Pointer. c) Welche der folgenden Behauptungen über Längen von Arrays in C sind zutreffend? Die Funktion sizeof ermittelt die Länge eines Arrays. Die Funktion sizeof ermittelt die Größe des Speichers, den ein Array belegt. (Bei statischen Arrays ja, sonst nein.) Die Funktion length ermittelt die Länge eines Arrays. Es gibt keine Funktion zur Ermittlung der Länge eines Arrays. Keine dieser Aussagen ist Zutreffend. d) Betrachten Sie die folgende C-Deklaration: int a[5], *p; Innerhalb ihres Scopes können die Variablen a und p beliebig ausgetauscht werden, ohne dass der Compiler einen Fehler meldet. a und p sind nicht zuweisungskompatibel (a = p erzeugt einen Compilerfehler). Die Zuweisung a[0] = *p; wird vom Compiler akzeptiert. Die Zuweisung *a = p[0]; wird vom Compiler akzeptiert. Die Schreibweise *p ist äquivalent zu p[0]. Die Schreibweise *a ist äquivalent zu a[0]. 1

2 e) Welche Aussagen zu boole schen Ausdrücken in C ist korrekt? In C sind der Datentyp bool sowie die Ausdrücke true und false vorhanden. Alle Zahlenwerte größer null stellen implizit den logischen Wert true dar. Alle Zahlenwerte kleiner gleich null stellen implizit den logischen Wert false dar. Zuweisungen von Zahlenwerten können direkt in logischen Ausdrücken verwendet werden, um die zugewiesene Zahl auf Ungleichheit mit null zu prüfen. 1.2 Von MIPS nach C Das folgende MIPS-Codestück wurde von einem Compiler aus einer C-Funktion erzeugt: 0x0000: or $v0, $a0, $zero 0x0004: addi $t0, $a0, x0008: bgtu $t0, 5, 0x003c 0x000c: sll $t0, $t0, 2 0x0014: lw $t0, 0x1000($t0) 0x001c: jr $t0 0x0020: sll $v0, $v0, 2 0x0024: j 0x0040 0x0028: sra $v0, $v0, 2 0x002c: j 0x0040 0x0030: add $t0, $v0, $v0 0x0034: add $v0, $v0, $t0 0x0038: mul $v0, $v0, $v0 0x003c: addi $v0, $v0, 10 0x0040: jr $ra... 0x1000:.word 0x0020, 0x003c, 0x0020, 0x0028, 0x0030, 0x0038 Leider haben Sie die C-Quellcodedatei versehentlich gelöscht und können sich nur noch grob an die Struktur der Funktion erinnern: 1 int switch_ prob ( int x) 3 int result = x; 4 5 switch (x) 6 { 7 /* Hier fehlt Code */ 8 } 9 10 return result ; 11 } Wie sieht die vollständige Funktion aus? 2

3 1 int switch_ prob ( int x) 3 int result = x; 4 5 switch (x) 6 { 7 case 100: 8 case 102: 9 result < <= 2; 10 break ; 11 case 103: 12 result > >= 2; 13 break ; 14 case 104: 15 result *= 3; 16 case 105: 17 result *= result ; 18 default : 19 result += 10; 20 break ; 21 } return result ; 24 } 1.3 Endianess in C Schreiben Sie eine kurze C-Funktion is_little_endian, die 1 zurückgibt, wenn das Programm auf einer Little Endian-Architektur ausgeführt wird, und 0 sonst. Die Funktion sollte auf jeder Architektur gültig sein, unabhängig von der jeweiligen Größe für bestimmte Datentypen. 1 int is_ little_ endian () 3 int i = 1; 4 char *p = ( char *)& i; 5 return ( int )*p; 6 } Auf einer Big-Endian-Architektur ist das erste Byte der Variable i das höherwertige (in diesem Fall 0) und das letzte Byte ist das niederwertige (in diesem Fall 1). Bei einer Little- Endian-Architektur ist es umgekehrt. In Zeile 4 wird ein Pointer auf ein Char-Array deklariert, der auf den Speicherbereich von i zeigt. In Zeile 5 wird das erste Byte dieses Bereiches mittels *p ausgelesen, das bei Little Endian 1 ist und bei Big Endian 0. Dieses wird in einen Integer konvertiert und ist das Ergebnis der Funktion. 1.4 C-Eigenheiten Betrachten Sie den folgenden C-Code: 1 float sum_ elements ( float a[], unsigned int length ) 3

4 3 int i; 4 float result = 0.0; 5 6 for ( i = 0; i <= length -1; i ++) 7 result += a[i]; 8 9 return result ; 10 } float numbers [3] = {1.5, 2.0, 2. 5}; a) Welche grundsätzlichen Unterschiede zu Java werden hier deutlich? Wofür wird der Parameter length benötigt und wieso ist er gerade als unsigned int deklariert? Der Längenparameter wird benötigt, weil sich in C die Länge von Arrays nicht ermitteln lässt. Er ist vorzeichenlos, weil eine Länge immer 0 ist. b) Was ergibt sum_elements(numbers, 2)? Die Summe der ersten beiden Elemente des Arrays: 1, 5 + 2, 0 = 3, 5. c) Wenn sum_elements(numbers, 0) aufgerufen wird, passiert etwas Unerwartetes. Welchen Fehler enthält der Code? Wie könnte man den Fehler korrigieren, ohne die Signatur der Funktion zu ändern? Das Problem liegt in Zeile 6, wo von dem vorzeichenlosen Wert length eins abgezogen wird. Wenn length null ist, ergibt dies den höchstmöglichen Wert einer vorzeichenlosen Zahl, bei 32-Bit-Worten also = Der Vergleich wird ebenfalls vorzeichnlos ausgeführt, so dass der Schleifenkörper sehr oft ausgeführt wird und ein undefiniertes Verhalten entsteht. i nimmt im Falle von 32-Bit-ints der Reihe nach die Werte 0 bis und anschließend 2 31 bis 1 an, so dass aus dem gesamten virtuellen Adressraum gelesen wird. Im Allgemeinen führt dies zu einem Speicherzugriffsfehler. Um das Problem zu beheben, kann der Vergleich in Zeile 6 geändert werden zu i < length, wobei die Subtraktion vermieden wird. 1.5 Extrem-C (Knobelaufgabe) Diese Aufgabe zur Pointer-Arithmetik in C geht deutlich tiefer in die Details der Sprache ein, als zur Bearbeitung der Praktika und zum Bestehen der Klausur nötig. Machen Sie sich also keine Sorgen, falls Sie sie nicht lösen können. Betrachten Sie das folgende C-Programm: 1 # include <stdio.h> 2 int main ( int c, char **v) 3 { printf (&c["%% six \n"], (!!++ v)[" have "] + " fun " - 0 x60 ); } Was macht dieser Code 1 und warum funktioniert das? Bemerkung: Es handelt sich um ANSI-C, d. h. die Syntax entspricht dem ANSI-Standard für C und wird von allen konformen Compilern gleich umgesetzt, aber so ziemlich nichts wird in diesem Code so verwendet wie üblich. 1 Der Code orientiert sich stark an einem Gewinner des International Obfuscated C Code Contest ioccc.org 4

5 Die Variable c ist der erste Parameter der main-funktion und daher in diesem Fall 1 (sofern auf der Kommandozeile keine Parameter übergeben werden). Die Variable v zeigt auf ein Array aus Pointern auf Strings und wird lediglich als Teil des Ausdrucks!!++v verwendet. Wir betrachten daher nun zunächst, was der Ausdruck!!x berechnet. Der Operator! ergibt 1, wenn sein Parameter gleich 0 ist und 1 sonst. Die zweimalige Ausführung ergibt folgendes Verhalten: { 0, falls x = 0!!x = 1, sonst Da v irgendein gültiger Pointer ist, ist ++v sicher nicht 0, weshalb der Ausdruck!!++v immer 1 ergibt. Wie in der C-Einführung erläutert sind Strings in C Pointer auf Chars. In einem Ausdruck wie *(a+b+c+...) muss mindestens einer der Operanden ein Pointer sein. Die anderen Operanden werden entsprechend dem sizeof der Elemente des Speicherbereichs multipliziert, auf den der Pointer zeigt. (Siehe Folie 31 der C-Einführung) Mit dem Wissen, dass c = 1 ergibt sich für den ersten Parameter von printf (vereinfacht dargestellt): Entsprechend ist &c["%%six"] = & *(1 + "%%six") = & * "%six"= "%six" (!!++v)["have"] = *(1+"have") = *("ave") = a und da a durch den ASCII-Code 0x61 repräsentiert wird: 0x61 + "fun"- 0x60 = "fun"+ 1 = "un" Damit liest sich die Programmzeile folgendermaßen: printf("%six", "un"); Die Ausgabe dieses Funktionsaufrufs ist unix. 2 Hausübungen Wichtiger Hinweis: Schicken Sie Ihre Lösungen von Programmieraufgaben zusätzlich zur schriftlichen Abgabe per an Ihren Tutor. Kommentieren Sie Ihren Quellcode grundsätzlich. Fehlende oder unsinnige Kommentare führen zu Punktabzug. 2.1 String-Vergleich mit Pointern In dieser Aufgabe sollen Sie ein kleines Kommandozeilentool erstellen. Nutzen Sie hierfür keinerlei externe Funktionen außer der printf-funktionen, deren Deklaration Sie in stdio.h finden. a) Implementieren Sie eine Funktion int issamebackwards(const char *a, const char *b) 5

6 Diese Funktion soll ermitteln, ob der String a rückwärts gelesen dem String b entspricht. Gehen Sie wie folgt vor: Setzen Sie einen Pointer s auf das Ende des einen Strings und einen anderen Pointer auf den Anfang des anderen Strings. Durchlaufen Sie mit Hilfe der beiden Pointer die beiden Strings in entgegen gesetzter Richtung. Um Pointer-Arithmetik zu üben, nutzen Sie in dieser Funktion nicht die Array-Index-Notation (mit []-Klammern). Überlegen Sie alle relevanten Abbruchbedingungen! Es darf kein Pointer ins Leere laufen, etwa weil einer der Strings kürzer ist als der andere. Verwenden Sie keine weiteren Funktionen aus der C-Bibliothek oder aus anderen Quellen. 7 Punkte b) Ergänzen Sie Ihren Code aus der vorherigen Teilaufgabe um eine main-methode, so dass Sie ein lauffähiges Programm erhalten. Dieses Programm soll auf der Kommandozeile zwei Parameter erhalten, auf die es die Funktion issamebackwards anwendet. Das Ergebnis der Funktion soll dann auf der Kommandozeile ausgegeben werden (bspw. in der Form The string hello is the same as olleh backwards.) Wenn nicht genau zwei Argumente übergeben werden, soll das Programm eine Fehlermeldung ausgeben und abbrechen. 3 Punkte # include < s t d i o. h> i n t issamebackwards ( const char a, const char b ) { const char s = a ; // remember s t a r t of f i r s t s t r i n g f o r ( ; a ; a ++); // find end ( terminating 0) of f i r s t s t r i n g while( a == b++) // loop u n t i l a c h a r a c t e r does not match i f (! b s == a ) // i f at end of each s t r i n g return! b && s == a ; // return true i f at end of both s t r i n g s return 0 ; } i n t main ( i n t argc, char argv [ ] ) { i f ( argc!= 3) { p r i n t f ( " Syntax : %s <string1 > <string2 >\n", argv [ 0 ] ) ; return 0 ; } i f ( issamebackwards ( argv [ 1 ], argv [ 2 ] ) ) p r i n t f ( "%s i s %s backwards\n", argv [ 1 ], argv [ 2 ] ) ; e l s e p r i n t f ( "No match of %s and %s\n", argv [ 1 ], argv [ 2 ] ) ; } return 0 ; 6