Seminar Softwarereengineering/Merkmale der Programmiersprache C++

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1 Seminar Softwarereengineering/Merkmale der Programmiersprache C++ Martin Aumüller TU Ilmenau 31. Mai 2007

2 Themen 1 Generelle Probleme Kompatibilität mit C Standardisierung 2 Verständnisprobleme - Präprozessor und virtuelle Funktionen Präprozessortricks Virtuelle Funktionen 3 weitere Verständnisprobleme im Code Objektbehandlung mit. und Fehlende Garbage-Collection kleinere Ergänzungen

3 Kompatibilität mit C Allgemeines Kompatibilität mit C und viele eigene Features Sprache wirkt aufgebläht und kompliziert generell sind viele C Konstrukte auch in C++ möglich prozedurale Programmierung möglich nicht jeder Programmierer programmiert objektorientiert Viele Tricks aus C möglich, für reine C++-Programmierer nicht unbedingt verständlich Probleme von C übertragen sich nach C++ undefiniertes Verhalten zur Ausführungszeit, z.b. Speicherzugriff außerhalb von Arrays, Überläufe auf signed integer Zeiger - Möglichkeit von dangling pointers und wild pointers

4 Kompatibilität mit C Kompatibilität mit C auch mit Vorteilen verbunden Viele Optimierungsmöglichkeiten, auch inline Assembler möglich C-Programmierer haben geringe Probleme, kompilierbaren (und korrekten) Code zu erzeugen, der jedoch oft nicht im Sinne der OOP ist Inkompatibilitäten expliziter Cast von void*-zeigern notwendig Änderungen einiger C-Funktionen aus der Standardbibliothek wurden vollzogen sizeof(...) kann zu unterschiedlichen Ergebnissen in beiden Sprachen führen C++-Funktionen, die aus C-compiliertem Code aufgerufen werden, müssen als extern C definiert werden

5 Standardisierung Standardisierungsprobleme C++-Standardisierungskomitee diktiert nicht die Implementation von Name Mangling Fehlerbehandlung weiteren Features Probleme: erzeugter Objektcode von Compilern oft inkompatibel viele Unsicherheiten, ob Compiler spezifische Dinge unterstützt z.b. Schlüsselwort export Heutige Compiler richten sich meist nach ANSI-C Standard, jedoch sind auch viele Third-Party-Standards für verschiedene Rechnerarchitekturen und Betriebssysteme verfügbar (z.b. Embedded-C++).

6 Präprozessortricks Präprozessor - Was ist das? Präprozessor Die Eingabe eines C++-Compilers wird mittels eines Präprozessors erzeugt, der durch Präprozessordirektiven gesteuert werden kann. Beispiele: #define ERROR 12 #ifdef ERROR #undef ERROR

7 Präprozessortricks Beispiele(1) 1 #i n c l u d e<i o s t r e a m> 2 #d e f i n e p r i v a t e p u b l i c 3 4 c l a s s T{ 5 private : 6 i n t g e h e i m z a h l ; 7 public : 8 T(){ g e h e i m z a h l = 34;} 9 }; i n t main (){ 12 T i c h k e n n e d i e = new T ( ) ; 13 std : : cout<< Die Geheimzahl i s t : <<ich kenne die >geheimzahl<<std : : endl ; 14 r e t u r n 0 ; 15 } Direkter Zugriff auf private Attribute!

8 Präprozessortricks Beispiele(2) 10 T* test = miau ; Interpretation? 1 #i n c l u d e<i o s t r e a m> 2 #d e f i n e miau new T( 1 2, i c h t e s t e nur ) 3 4 c l a s s T{ 5 public : 6 T( i n t a, s t d : : s t r i n g b){ s t d : : cout<<b<<s t d : : e n d l ;} 7 }; 8 9 i n t main (){ 10 T t e s t = miau ; 11 r e t u r n 0 ; 12 } Code schwer zu interpretieren, wenn Gesamtübersicht nicht gegeben!

9 Präprozessortricks Programmierrichtlinien definierte Symbole werden nur in Großbuchstaben geschrieben wenn definierte Symbole nicht mehr benötigt werden, werden sie mit undef wieder undefiniert gut im Code oder der Dokumentation festhalten, für welche spezifischen Dinge man kritische Symboldefinitionen verwendet

10 Präprozessortricks Projekte, die damit arbeiten KDE-Projekt kdenetwork:kmmessage.cpp 1 // we need a c c e s s to t h e p r o t e c t e d member DwBody : : D e l e t e B o d y P a r t s ( )... 2 #d e f i n e p r o t e c t e d p u b l i c 3 #i n c l u d e <mimelib / body. h> 4 #undef p r o t e c t e d kdepim:alarmdialog.cpp 1 #i f n d e f DESKTOP VERSION 2 #d e f i n e p r o t e c t e d p u b l i c 3 #i n c l u d e <qspinbox. h> 4 #undef p r o t e c t e d OPIE-Projekt: libopie2:otodoaccesscval.cpp 1 //FIXME : Hack to a l l o w d i r e c t a c c e s s to FILE f h. R e w r i t e t h i s! 2 #d e f i n e p r o t e c t e d p u b l i c 3 #i n c l u d e <q f i l e. h> 4 #undef p r o t e c t e d

11 Präprozessortricks Projekte, die damit arbeiten (2) Linux Virtual Server Manager: plvsd/config.h 1 #d e f i n e new mew // t h i s i s sheer hackery 2 #d e f i n e d e l e t e e l e t e // t h e r e has got to be a b e t t e r way : ( 3 #i n c l u d e <heartbeat. h> 4 #i n c l u d e <hb api core. h> 5 #i n c l u d e <hb api. h> 6 #undef new 7 #undef d e l e t e sehr einfache Möglichkeit von Workarounds unübersichtlich, schwer zu debuggen

12 Präprozessortricks Bewertung Vorteile: bedingte Kompilierung möglich (Debugging/OS-Unabhängigkeit) komplexe Makros möglich Nachteile: Möglichkeit, Grundkonzepte der OOP auszuhebeln ohne gute Dokumentation kann Programmverständnis stark leiden

13 Virtuelle Funktionen Einführung Virtuelle Funktionen Das Schlüsselwort virtual ermöglicht in C++, dass Methoden polymorph sein können. Polymorphie Eine Methode heißt polymorph, wenn sie in verschiedenen Klassen die gleiche Spezifikation hat, aber unterschiedlich implementiert ist. Nachteile: Aufrufe virtueller Funktionen sind indirekt, d.h. Adresse der Methode muss erst in der vtable ermittelt werden Keine Möglichkeit Methode inline zu deklarieren geringfügig langsamer.

14 Virtuelle Funktionen Problem Eine vererbte Methode kann nur dann redefiniert werden, wenn in der Superklasse die Methode mit virtual gekennzeichnet wurde. Zitat: Ian Joyner - A Critique of C++, 3rd Edition This is a most serious flaw in C++ because it reduces the flexibility of software components and therefore the ability to write reusable and extensible libraries.

15 Virtuelle Funktionen Programmbeispiele (1) 4 c l a s s T{ 5 public : 6 T( ) { r e s e t ( ) ; } 7 protected : 8 v i r t u a l v o i d r e s e t (){ a =12;} 9 i n t a ; 10 }; c l a s s U : p u b l i c T{ 13 public : 14 v o i d r e s e t (){T : : T ( ) ; b=10;} 15 v o i d p r i n t (){ cout<<a<< <<b<<e n d l ;} 16 private : 17 i n t b ; 18 }; i n t main (){ 21 T t e s t = new U ( ) ; 22 t e s t >p r i n t ( ) ; 23 t e s t >r e s e t ( ) ; 24 t e s t >p r i n t ( ) ; 25 r e t u r n 0 ; 26 }

16 Virtuelle Funktionen Programmbeispiele (1) - Problem kein extra Konstruktor für Klasse U definiert Konstruktor von Klasse T wird genutzt Bei der Initialisierung eines Objektes vom Typ U wird die virtuelle reset()-methode von T genutzt eigentlich sollte redefinierte Methode von U genutzt werden virtuelle Methoden arbeiten nicht korrekt im Konstruktor! Lösung: eigenen Konstruktor für U definieren andere Sprachen (z.b. Java) nutzen redefinierte Methode reset() korrekt

17 Virtuelle Funktionen Programmbeispiele (2) - Memory-Leaks 5 c l a s s M i t a r b e i t e r { 6 public : 7 M i t a r b e i t e r ( s t r i n g name ){name = name ;} 8 v i r t u a l v o i d p r i n t ( ) {cout<< M i t a r b e i t e r : <<name<<e n d l ;} 9 private : 10 s t r i n g name ; 11 }; c l a s s Chef : p u b l i c M i t a r b e i t e r { 14 public : 15 Chef ( s t r i n g name, s t r i n g a b t e i l u n g ) : M i t a r b e i t e r ( name ){ 16 a b t e i l u n g= a b t e i l u n g ;} 17 v o i d p r i n t ( ) { M i t a r b e i t e r : : p r i n t ( ) ; cout<< A b t e i l u n g : <<a b t e i l u n g <<e n d l ;} 18 private : 19 s t r i n g a b t e i l u n g ; 20 }; i n t main (){ 23 M i t a r b e i t e r t = new Chef ( D i e t e r, Buchhaltung ) ; 24 t >p r i n t ( ) ; 25 d e l e t e ( t ) ; 26 r e t u r n 0 ; 27 }

18 Virtuelle Funktionen Programmbeispiele (2) - Memory-Leaks Problem delete(t) löscht alle Objekte mit Destruktor Mitarbeiter(), der String abteilung wird jedoch nie gelöscht! Lösung Klasse von der wir erben, benötigt einen virtuellen Desktruktor.

19 Virtuelle Funktionen Programmbeispiele (3) - Überschreibung und Überladung 4 v o i d t e s t ( i n t a, i n t b=10){ 5 cout<<a b<<endl ; 6 } 7 8 i n t main (){ 9 i n t z = 1 0 ; 10 t e s t ( z ) ; 11 r e t u r n 0 ; 12 } Ausgabe: 100

20 Virtuelle Funktionen Programmbeispiele (3) - Überschreibung und Überladung 4 c l a s s T{ 5 public : 6 v i r t u a l v o i d p r i n t ( i n t a ){ cout<<a<<e n d l ;} 7 }; 8 9 c l a s s U : p u b l i c T{ 10 public : 11 v o i d p r i n t ( i n t a, i n t b=10){ cout<<a b<<e n d l ;} 12 }; i n t main (){ 15 i n t z = 1 0 ; 16 T t e s t = new U ( ) ; 17 t e s t >p r i n t ( z ) ; 18 r e t u r n 0 ; 19 } Ausgabe: 10

21 Virtuelle Funktionen Fazit Vorteile: ermöglicht Polymorphie, wichtiges Grundkonzept der OOP Nachteile: Programmierer der Superklasse hat die Aufgabe, alle Funktionen die vielleicht überschrieben werden zu finden und mit virtual zu kennzeichnen Programmierer muss sich mit dem Wie? beschäftigen, um ein grundlegendes Konzept der OOP zu erreichen bessere Lösung in anderen Sprachen Anforderungen einer Subklasse führen zu Änderungen in der Superklasse

22 Virtuelle Funktionen Ausblick - Lösung in anderen Programmiersprachen Java jede Methode ist potenziell polymorph Überschreibung wird verboten durch final Eiffel in Subklassen kann spezifisch mittels redefine angegeben werden, welche Methoden überschrieben werden mittels Schlüsselwort frozen kann Redefinition verboten werden Object Pascal ähnlich zu Eiffel in Subklassen mit speziellem Schlüsselwort

23 Objektbehandlung mit. und Formen der Objektinitialisierung Objekte einer Klasse T können in C++ sowohl mit T t1; T* t1 = new T(); angelegt werden. Der Zugriff auf Attribute bzw. Methoden erfolgt dann mit. oder

24 Objektbehandlung mit. und Probleme dieser Vielfalt 1 #i n c l u d e<i o s t r e a m> 2 u s i n g namespace std ; 3 4 c l a s s T{ 5 public : 6 T(){ a=12;} 7 v o i d p r i n t (){ cout<<a<<e n d l ;} 8 private : 9 i n t a ; 10 }; v o i d p r i n t C l a s s E l e m (T t e s t ){ 13 t e s t >p r i n t ( ) ; 14 } i n t main (){ 17 T t1 = new T ( ) ; 18 T t2 ; p r i n t C l a s s E l e m ( t1 ) ; 21 printclasselem (&t2 ) ; 22 r e t u r n 0 ; 23 }

25 Objektbehandlung mit. und Probleme dieser Vielfalt (2) Programmierer muss 2 Möglichkeiten der Initialisierung im Kopf behalten Wie ein Objektzugriff geschieht, wird für Programmierer sichtbar implementation hiding?! uniformer Zugriff wäre durch Compiler möglich, wird aber dem Programmierer überlassen Änderungen, z.b. T* t1 zu T t1 hat weitreichende Änderungen zur Folge (alle zu. )

26 Fehlende Garbage-Collection Probleme Durch manuelles Löschen von Elementen kann es dazu kommen, dass... Objekte nie aus dem Speicher gelöscht werden Memory-Leak gültige Referenzen auf Objekte entfernt werden

27 Fehlende Garbage-Collection Beispiel 1 #i n c l u d e<i o s t r e a m> 2 u s i n g namespace std ; 3 4 c l a s s T{ 5 public : 6 T ( ) ; 7 v o i d p r i n t (){ cout<<a<<e n d l ;} 8 private : 9 i n t a ; 10 }; i n t main (){ 13 T t1 = new T ( ) ; 14 T t2 = t1 ; 15 d e l e t e ( t1 ) ; 16 t2 >p r i n t ( ) ; 17 r e t u r n 0 ; 18 } Fehler beim Compilieren Referenz besteht nicht.

28 Fehlende Garbage-Collection Beispiel (2) 5 c l a s s T{ 6 public : 7 v i r t u a l v o i d p r i n t (){ cout<<a<<e n d l ;} 8 protected : 9 i n t a ; 10 }; 11 c l a s s U : p u b l i c T{ 12 public : 13 v o i d p r i n t (){ cout<<a<< <<b<<e n d l ;} 14 private : 15 i n t b ; 16 }; i n t main (){ 19 T t e s t [ 2 ] ; 20 t e s t [ 0 ] = new T ( ) ; 21 t e s t [ 1 ] = new U ( ) ; 22 T s = t e s t [ 1 ] ; d e l e t e ( t e s t [ 0 ] ) ; 25 d e l e t e ( t e s t [ 1 ] ) ; 26 s >p r i n t ( ) ; 27 r e t u r n 0 ; 28 } Kein Fehler beim Complieren Segmentation Fault bei Ausführung!

29 Fehlende Garbage-Collection Fazit defensives Löschen führt zu Speicherlecks und damit bei längerer Ausführung zur Speicherzumüllung aggressives Löschen kann bestehende Referenzen, die Compiler nicht erkennt, löschen und zu Ausführungsfehlern führen

30 kleinere Ergänzungen Verständnisprobleme in compiliertem Code (1) 1 #i n c l u d e<i o s t r e a m> 2 u s i n g namespace std ; 3 4 i n t main (){ 5 f l o a t a = 3. 2 ; 6 i f ( 0. 5 <= a <= 1. 5 ) { 7 cout<< a l i e g t im Wertebereich <<endl ; 8 } 9 r e t u r n 0 ; 10 }

31 kleinere Ergänzungen Verständnisprobleme in compiliertem Code (2) 1 #i n c l u d e<i o s t r e a m> 2 u s i n g namespace std ; 3 4 i n t main (){ 5 s t r i n g a ( Test1 ) ; 6 s t r i n g b ( ) ; 7 s t r i n g c = s t r i n g ( Test2 ) ; 8 cout<<b<<endl ; 9 r e t u r n 0 ; 10 }

32 kleinere Ergänzungen Verständnisprobleme in compiliertem Code (3) weitere oft auftretenden Probleme sind z.b. Vergleich mittels = anstatt == 1 if ((a == b) (c = 12)) anstatt 1 C:: print () wird 1 C: print () verwendet, C dann Label für z.b. goto