Programmiersprache C Teil 1

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1 Programmiersprache C Teil 1 Die Programmiersprache C wurde 1972 von Dennis M. Ritchie in den Bell Laboratories (USA) entwickelt. Als Vorgänger von C galt die System-Programmiersprache B oder BCPL (Basic Combined Programming Language). Daher der Name C. C++ ist die objektorientierte Erweiterung von C. Charakteristische Eigenschaften: maschinennah : C ist eine Hochsprache, in der Elemente höherer Programmiersprachen (wie Prozeduren, Blöcke, Schleifen und Datentypen etc. ) mit Assembler-ähnlichen Konstrukten(z. B. Inkrement- und Dekrement-Operatoren) vereinigt sind. portable: C zeichnet sich durch eine weitgehend maschinenunabhängige Programmierung aus. universell : In C werden Datenbankprogramme, Kalkulationsprogramme sowie Grafik-Applikationen geschrieben. C-Syntax: Grammatik der Programmiersprache C Der Programmtext wird nach genau festgelegten Regeln formuliert. Diese Regeln sind durch die Grammatik einer Programmiersprache festgelegt. C-Compiler: Softwareprogramm zur Übersetzung des in C geschriebenen Programmcodes in Maschinenbefehle, die der Prozessor des Rechners unmittelbar ausführen kann. Erstellen und Übersetzen von C-Programmen 1. Anhand eines Texteditors wird der Quellcode in einer Quelldatei mit der Endung.c abgelegt. 2. Die Quelldatei wird dem Compiler zur Übersetzung gegeben. Geht alles gut, so erhält man eine Objektdatei (gleicher Dateiname mit Endung.obj), die den Maschinencode enthält. 3. Schließlich bindet der Linker eine oder mehrere Objektdateien (mit Hilfe des Makefile) mit Funktionen der Standardbibliothek oder selbst erstellten schon früher übersetzten Programmteilen (aus dem Projekt) zu einer ausführbaren Datei mit der Endung.exe. IDE ( integrated development environment ): Moderne Compiler bieten eine integrierte Entwicklungsumgebung, welche die obigen drei Schritte zusammenfasst. Von einer gemeinsamen Benutzeroberfläche aus wird das Programm editiert, kompiliert, gelinkt und ausgeführt ( Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

2 Editor Quelldatei c Compiler Header-Datei.h Objektdatei..obj Benutzer-Bibliotheken Linker Standardbibliotheken Ausführbare Datei exe Struktur von C-Programmen Beispiel: C-Programm Hello world #include <stdio.h> int main() Typ Funktionsname Beginn der Funktion printf( \nhello world!\n ); return 0; Rückgabe des integer Wertes 0 Ende der Funktion Ausgabe: Hello world! Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

3 Ein C-Programm besteht aus einzelnen Funktionen, die sich gegenseitig aufrufen. Die Funktion main() hat eine besondere Rolle. Sie bildet das Hauptprogramm und muss daher in jedem C-Programm vorhanden sein. Jede andere Funktion entspricht einem Unterprogramm. Die main()-funktion unterscheidet sich abgesehen vom feststehenden Namen - nicht von der Struktur anderer Funktionen. Die Programmausführung beginnt mit der ersten Anweisung in der Funktion main(). Die Anweisung #include ist für den Preprocessor bestimmt, der die sog. Header-Dateien (z. B. stdio.h) an diese Stelle in den Quellcode kopiert. Dadurch stehen dem Programm alle Definitionen von Funktionen zur Verfügung, die in den Header-Dateien enthalten sind. Der Funktionsblock im Programmbeispiel Hello world enthält zwei Anweisungen. Mit printf wird der Text auf dem Bildschirm ausgegeben. Das Steuerzeichen \n löst einen Zeilenvorschub aus. Die zweite Anweisung return 0; beendet die die Funktion main() und damit das Programm. Dabei wird der Wert 0 dem aufrufenden Programm als Exit-Code zurückgegeben. Jede Anweisung wird in C mit einem Semikolon beendet. Beispiel: C-Programm für Multiplikation zweier Ganzzahlen #include <stdio.h> /*Multiplication zweier Ganzzahlen*/ int main() int a; int b; int erg; a = 3; b = 4 ; erg = a*b; printf( \nergebnis: %d, erg); return 0; Jede Zeichenfolge, die das Zeichenpaar /*.. */ einschließt, ist Kommentar und wird vom Compiler ignoriert. Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

4 Definition von Variablen Variablennamen Variablen und Funktionen werden im Programm über Namen angesprochen. Für die Bildung von Namen gelten folgende Regeln: Folge von Buchstaben, Ziffern oder Unterstrichen (_). Deutsche Umlaute und der Buchstabe ß sind nicht zulässig. Groß- und Kleinbuchstaben werden unterschieden ( case sensitiv ). Das erste Zeichen muss ein Buchstabe oder ein Unterstrich sein. Ein Name kann beliebig lang sein. (Signifikant sind nach ANSI-Standard nur die ersten 31 Zeichen.) Schlüsselwörter (z.b. float, int, long etc.) dürfen nicht als Name benutzt werden. Datentypen In C gibt es zwei Gruppen von elementaren Datentypen: Ganzzahlen und Gleitpunktzahlen Ganzzahlen: Typ Speicherplatz Wertebereich (unsigned) char 1Byte 0 bis 255 signed char 1Byte -128 bis +127 (signed) short 2Byte bis unsigned short 2Byte 0 bis (signed) int 4Byte bis unsigned int 4Byte 0 bis (signed) long 4Byte unsigned long Ganzzahlige Datentypen haben die Schlüsselworte signed (mit Vorzeichen) und unsigned (ohne Vorzeichen). Die Größe des benötigten Speicherplatz bleibt dabei erhalten. Nur der Wertebereich ändert sich, da bei signed-werten das höchste Bit das Vorzeichen bestimmt. Die Datentypen short, int und long werden standardmäßig mit Vorzeichen interpretiert, der Typ char standardgemäß ohne Vorzeichen. C unterscheidet nicht zwischen Zeichen und Ganzzahl, da Zeichen intern als Ganzzahlen dargestellt werden, und zwar im Zeichencode der Maschine (ASCII-Code). Gleitpunktzahlen: Typ Speicherplatz Genauigkeit Wertebereich (dezimal) float 4Byte 9 Stellen 1.2E-38 bis 3.4E+38 double 8Byte 15 Stellen 2.3E-308 bis 1.7E+308 long double 10Byte 19 Stellen 3.4E-4932 bis 1.1E+4932 Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

5 Zur Darstellung der Gleitpunktzahlen wird üblicherweise das IEEE-Format verwendet: Beispiel: float mit 32 Bit Vorzeich. Exponent zur Basis 2 Mantisse Die Mantisse hat einen Wert der größer oder gleich 1 und kleiner 2 ist. Der reservierte Speicherplatz für die Mantissse bestimmt die Genauigkeit, der für den Exponenten den Wertebereich. Beispiel: normalisierte Form -4.5 = -1 * * 2 2 Die Genauigkeit gibt an, wie viel Dezimalstellen einer Zahl gespeichert werden können. Zum Beispiel bedeutet 9 Stellen genau, dass die 10. Dezimalstelle nicht mehr genau gespeichert werden kann. So sind die Zahlen und nicht unterscheidbar, ebenso nicht und Beim lcc-compiler hat der Datentyp float eine 24 Bit lange Mantisse. (vgl. Header-Datei float.h). Wertzuweisung Die Zuweisung eines Wertes erfolgt immer von rechts nach links. Beispiel: a = 5; Funktion printf Die Funktion printf dient zur Ausgabe am Bildschirm. Die in der Klammer enthaltene Zeichenkette wird ausgegeben. Die darin enthaltenen Formatelemente (sog. Formatierer) werden durch die Werte der Argumente nach dem Komma ersetzt. Beispiel: printf( Hello world! ); Ausgabe: Hello world! Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

6 Bildschirmausgabe mit Anführungszeichen: printf( \ Text\ ); Ausgabe: Text Formatierer: %d Ausgabe als Dezimalzahl %f Ausgabe als Gleitkommazahl mit einfacher Genauigkeit float %lf Ausgabe als Gleitkomma mit doppelter Genauigkeit double %c Ausgabe als Zeichen %s Ausgabe einer Zeichenkette Beispiel: printf( %d %f, 333,1.234); Ausgabe: Feldbreite: bedeutet: minimale Ausgabelänge (bzw. Feldlänge), schneidet nicht ab. printf( %2d, 123); printf( %2d,1); printf( %f, ); printf( %4.2f, ); Ausgabe:123 Ausgabe:_1 Ausgabe: Ausgabe: _9.88 Ausgabe linksbündig/rechtsbündig: printf( rechtsbündig:%5d linksbündig: %-5d, 123,123); Ausgabe: rechtsbündig: 123 linksbündig: 123 Funktion scanf Funktion zur Eingabe von Daten. Die Zeichen werden von der Standardeingabe (Tastaturpuffer) gelesen, gemäß Formatierer konvertiert und der konvertierte Wert wird in der Variablen gespeichert, die durch das Argument adressiert wird. Beispiel: int a; scanf( %d, &a); Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

7 & ist Adressoperator, d.h. &a liefert die Adresse der Variablen a (Zeiger (pointer) auf die Variable a). Für jedes Formatelement wird das nächste Eingabefeld eingelesen, konvertiert und in die entsprechende Variable abgelegt. Eingabefelder sind durch Zwischenraumzeichen (Leer, Tabulator- und Newline-Zeichen) voneinander getrennt. Beispiel: int a = 0; int b = 0; printf( Bitte zwei Integer-Zahlen eingeben! ); scanf( %d%d,&a,&b); fflush(stdin); Eingabe: 1 2 enter Inhalt: a=1 b=2 1 enter 2 enter a=1 b=2 12 enter a = 12 b=0 scanf wartet auf weitere Eingabe! Wichtiger Hinweis: Um Fehler beim Einlesen zu Vermeiden, empfiehlt es sich, nach der scanf-funktion die Anweisung fflush(stdin) durchzuführen. Dadurch wird der Tastaturpuffer gelöscht. Rückgabewert der scanf-funktion: Die scanf-funktion gibt einen Wert zurück, der die Anzahl der tatsächlich eingelesenen (und konvertierten) Werte (bzw. Eingabefelder) angibt. Daran kann erkannt werden, ob die Eingabe erfolgreich war. Beispiel: int a,b,ret; do printf( \nzwei Ganzzahlen eingeben! ) ; ret = scanf( %d%d, &a,&b); fflush(stdin); while(ret!= 2); Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

8 do while Schleife Struktogramm: Anweisung Solange (Ausdruck wahr ist) fußgesteuerte ( nicht abweisende ) Schleife C-Anweisung: do.... while( <Bedingung>); while Schleife Struktogramm: Solange (Ausdruck wahr ist) Anweisung kopfgesteuerte ( abweisende ) Schleife C-Anweisung: while ( <Bedingung>).... Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

9 Übung: Prüfung von Benutzereingaben Beispiel Copy-Shop: Die eingegebene Anzahl der Kopien soll geprüft werden. Def. und Initialisierung der Variablen zahl Auff. Anzahl Kopien eingeben Einlesen nach zahl Solange zahl <1 Ausgabe: Sie haben korrekt eingegeben. Ausgabe: Das Programm ist beendet /*Datum*/ /*Thema*/ /*Name*/ #include <stdio.h> int main() int zahl = 0; do printf( Bitte geben Sie die Anzahl der Kopien ein! ); scanf( %d,&zahl); fflush(stdin); /*Löschen des Eingabepuffers*/ while( zahl <1); printf( Sie haben korrekt eingegeben!\n ); printf( Das Programm ist beendet. ); return 0; Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

10 Verzweigung mit if.else Anweisung if(bedingung) Anw. 1;. else Anw. 2;. ja. Bed. nein Anw.1 Anw.2 Arithmetische Typenumwandlung In C ist es möglich, die arithmetischen Datentypen zu mischen. Das bedeutet, dass die Operanden einer arithmetischen Operation verschiedene Datentypen haben können. Der Compiler nimmt dann automatisch eine implizite Typanpassung vor. Dabei gilt generell, dass der Datentyp mit dem kleineren Wertebereich in den Datentyp mit dem größeren Wertebereich umgewandelt wird, damit der Wert erhalten bleibt. Mit dem Cast-Operator kann der Datentyp explizit geändert werden. Problem: Bei der Division zweier Ganzzahlen können Brüche entstehen. int a,b,c; a = 4; b = 3; c = a/b; /*Ergebnis: Inhalt von c ist 1, da der Rest verworfen wird. */ Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

11 Lösung: Das Ergebnis einer Gleitpunktzahl zuordnen. int a,b; a = 4; b = 3; float erg; erg = a/b; /*Ergebnis: Inhalt von erg ist */ 2 Lösungmöglichkeiten: implizite Typumwandlung: erg = 1.0 * a/b; /* Inhalt von erg ist */ oder: explizite Typumwandlung mit dem Cast-Operator: erg = (float) a/b; /* Inhalt von erg ist */ Cast-Operator Übung: Copy-Shop Anzahl der Kopien eingeben (Eingabe > 0) Abfangen fehlerhafter Benutzereingaben Meldung, wenn Falscheingabe Preis pro Kopie definieren (50 Cent pro Kopie) Gesamtpreis in Cent ausgeben Gesamtpreis in Euro ausgeben Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

12 Init. und Def. int zahl = 0 Init und Def. int preis = 50 Aufforderung Kopierzahl eingeben Einlesen in zahl zahl < 1 ja nein Sie haben falsch eingegeben! Kopierzahl wird übernommen! Solange (zahl <1) preis = preis * zahl Ausgabe von preis in Einheit Cent Ausgabe von preis/100 in Einheit Euro Ausgabe Programm ist beendet! Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

13 C-Code: /*Datum*/ /*Thema*/ /*Name*/ #include <stdio.h> int main() int zahl = 0; int preis = 50; /* Preis in Cent */ do printf( Bitte geben Sie die Anzahl der Kopien ein: ); scanf( %d,&zahl); fflush(stdin); /*Löschen des Eingabepuffers*/ if(zahl<1) printf( \nsie haben falsch eingegeben! ); else printf( \nkopierzahl %d wird übernommen!, zahl); while( zahl <1); preis = preis *zahl; printf( Gesamtpreis in Cent: %d\n, preis); printf( Gesamtpreis in Euro: %5.2f\n, (float)preis/100); printf( Das Programm ist beendet! ); return 0; Formatelement %5.2f bedeutet: 5 ist die minimale Feldbreite bzw. Ausgabelänge (ohne Dezimalpunkt) und 2 die Anzahl der Stellen hinter dem Dezimalpunkt. Beispiele: float y = ; printf( >%10f<\n,y); Ausgabe : > < printf( >%-10f<\n,y); > < linksbündig printf( >%10.2f<\n,y); > 2.99< Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

14 Funktion pow() power berechnet die Potenz x y. Ist als Funktion in der Header-Datei math.h definiert. Bei Verwendung der Funktion muß entweder die Header-Datei math.h includiert werden mit #include <math.h> oder deren Prototyp muss vor Gebrauch definiert sein mit: double pow(double, double); /*Prototyp von pow()*/ Return-Wert Übergabe-Werte oder Argumente oder Parameter, die an die Funktion übergeben werden ANSI-Standard: Der Prototyp einer Funktion besteht aus 3 Teilen: Datentyp der Rückgabe-Werts Name der Funktion Datentypen der Parameter, die an die Funktion übergeben werden Beispiel: Berechnung der Wurzel aus 77 sowie /*Datum*/ /*Thema*/ /*Name*/ #include <stdio.h> double pow(double, double); /*Prototyp*/ int main() double x = 77, y ; y = pow(x, 0.5) ; /*Wurzel aus 77*/ printf( Wurzel aus 77 ergibt: %.3f\n, y) ; printf( 77 hoch 2 ergibt: %.3f\n, pow(x, 2.0)) ; return 0; Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

15 Funktion sqrt() Funktion sqrt(x) ( square root ), berechnet die Quadratwurzel des Arguments x. Der Wert x darf nicht negativ sein. Die Funktion gibt den Wert der Quadratwurzel zurück, wenn die Berechnung korrekt ist. Falls das Argument x negativ ist, so wird 0 zurückgegeben. Der Prototyp von sqrt() ist in math.h enthalten: double sqrt(double); Übung: Gegeben: double st = 16; double erg; Gesucht ist die Quadratwurzel der Variablen st, berechnet mit der Funktion pow() und der Funktion sqrt(). Ergebnis nach erg. Nur C-Code. #include <stdio.h> #include <math.h> int main() double st = 16; double erg; erg = pow(st, 0.5); printf( Ergebnis von pow(): %10.4lf\n, erg); printf( Ergebnis von sqrt(): %10.4lf\n, sqrt(st)); return 0; Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

16 modulo -Funktion Während bei der Division zweier Ganzzahlen der Rest verworfen wird, ist das Ergebnis der modulo -Funktion genau dieser Rest. C- Code: % Division von Ganzzahlen - verwirft Ergebnis und liefert den Rest! Beispiele: 7%6 = 1 sprich: 7 modulo 6 9%3 = 0 3%9 = 3 4%9=4.. 9%9=0 10%9=1 3728%2 = 0 Zahl ist gerade %2 =1 Zahl ist ungerade Übung: Frage nach ganzer Zahl. Überprüfe, ob die Zahl durch 5 teilbar ist. Wenn ja, Ausgabe Zahl durch 5 teilbar. Wenn nicht, gibt Text nicht teilbar! aus und gib die nächst kleinere Zahl, die durch 5 teilbar ist, aus. Struktogramm und C-Code Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

17 Auff. Bitte eine ganze positive Zahl eingeben! Einlesen nach int zahl ja zahl durch 5 teilbar? nein Ausgabe: Zahl ist durch 5 teilbar! Ausgabe: Zahl ist nicht teilbar! zahl = zahl -1 Solange (zahl >0 und nicht teilbar durch 5) ja zahl > 0 nein Richtig wäre gewesen: zahl ersetzen (zahl > 0) && ( zahl!= zahl (zahl modulo 5)) Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

18 C-Code: #include <stdio.h> int main() int zahl = 0; printf( Bitte ganze positive Zahl eingeben!\n ); do scanf( %d, &zahl); fflush(stdin); while (zahl <=0); int rest= zahl %5; if(rest == 0 ) /*Vergleichsoperator identisch gleich */ printf( Zahl ist durch 5 teilbar.\n ); else printf( Zahl ist nicht durch 5 teilbar!\n ); do zahl = zahl -1; rest = zahl%5; while(zahl >0 && rest >0); if(zahl>0) printf( Richtig wäre gewesen: %d\n, zahl); return 0; Ersatz-Code für do..while: do zahl--; while( zahl>0 && zahl!= zahl - (zahl%5)); Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

19 Logische Operatoren Mit logischen Operatoren werden zusammengesetzte Bedingungen formuliert. C-Code ODER binärer Operatoren (Bedingung1 Bedingung2) UND && && NOT! unärer Operator!(Bedingung) In C liefert ein logischer Ausdruck als Ergebnis: entweder falsch, d.h. den int Wert 0 oder wahr d.h. den int Wert 1 Wahrheitstabellen: AND: OR: Bed.1 w w f f w w f f Bed.2 w f w f w f w f Erg. w f f f w w w f NOT: f w w f Beispiele für logische Ausdrücke: x y Logischer Ausdruck Ergebnis 1-1 x <= y y >= 0 0 (falsch) 0 0 x> -5 && y == 0 1 (wahr) 1 0 x == 1 &&!y 1 (wahr) 0 1!(x+1) (y-2) >0 0 (falsch) Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

20 Übung: Fordere eine ganze positive Zahl an, prüfe die Eingabe und gibt die Quersumme dieser Zahl aus. Struktogramm und C-Code Auff. Ganze positive Zahl eingeben! Einlesen der zahl und Prüfung der Eingabe int sum =0, int rest =0 rest = zahl % 10; sum = sum + rest; zahl = zahl /10 Solange (zahl > 0) Ausgabe Quersumme sum #include <stdio.h> int main() int zahl = 0, sum =0; do printf( Bitte eine positive ganze Zahl eingeben!\n ); scanf( %d, &zahl); fflush(stdin); while( zahl <= 0); do sum = sum + zahl %10; zahl = zahl/10; while (zahl > 0); printf( \nquersumme: %d, sum); return 0; Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

21 Zählschleife ( for -Schleife) Index mit festem Anfangswert festem Endwert Erhöhung um festen Wert pro Schleifenumlauf Struktogramm solange( i <= 10 ) Aktionen i = i+1 C- Code for( int i = 1; i<=10; i = i+1) oder for(int i =1; i<=10; i++).. Inkrement-Dekrement-Operator Unärer Operator, der den Wert um 1 erhöht bzw. erniedrigt. i++; entspricht i = i+1; i wird um 1 erhöht. i--; entspricht i = i -1; i wird um 1 erniedrigt Schreibweise ist in for-schleifen üblich: for( s= 1; s<=10; s++) Man unterscheidet zwischen Postfix und Präfix: Postfix: j = i++; bedeutet: j = i; i = i+1; Zuerst wird der Wert von i dem Wert von j zugeordnet und dann wird i um 1 erhöht. Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

22 Präfix: j = ++i; bedeutet: i = i+1; j = i; Zuerst wird i um 1 erhöht und dann sein Wert dem Wert von j zugeordnet. Beispiel: int i,j; i = 1; j = ++i +1; /* i = 2, j = 3 */ i wird um 1 erhöht, bevor es im Ausdruck verwendet wird. i = 1; j = i++ +1; /* i = 2, j = 2 */ i wird um 1 erhöht, nachdem es im Ausdruck verwendet wird. Übung: Geben Sie eine Multiplikationstabelle von 1 bis 10 am Bildschirm aus Hilfestellung: 2 ineinander geschachtelte for-schleifen Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,

23 Ausgabe Kopfzeile mit Tabulator-Zeichen Int Variablen Zeile = 1; spalte = 1; erg = 0; Solange zeile <=10 Ausgabe Zeilennummer zeile Solange spalte <=10 Erg = zeile * spalte Ausgabe: \t erg Zeile = zeile +1 Spalte = spalte +1 #include <stdio.h> int main() printf( \n\t1\t2\t3\t4\t5\t6\t7\t8\t9\t10 ); int z = 0, s = 0; int erg = 0; for( z = 1; z<=10;z++) printf( \n%d, z); for( s= 1; s<=10; s++) erg = z*s; printf( \t%d,erg); return 0; Dr.-Ing. K. Jäger-Hezel,