Dem Leser, der C++ schon kennt, sollen die wichtigsten Erweiterungen von C++ und Visual Studio knapp und prägnant präsentiert werden.
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- Nicole Hausler
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2 Vorläufiges Vorwort Dieses Buch entstand aus zahlreichen Vorlesungen und Industrieseminaren, die im Laufe der Jahre immer weiterentwickelt und an die C++11/C++14-Erweiterungen angepasst wurden. Es richtet sich sowohl an Anfänger als auch an professionelle Software- Entwickler. Für Anfänger verfolgt es die Ziele: Der Leser soll die wichtigsten Sprachelemente von C/C++ kennenlernen. C++ ist nach wie vor eine der am häufigsten eingesetzten Programmiersprachen. Der Leser soll Programmieren lernen, d.h. Programme zu schreiben, die konkrete, vorgegebene Aufgaben lösen. Das ist nur mit viel Übung möglich. Deshalb enthält dieses Buch auch viele Aufgaben. Es ist unerlässlich, zahlreiche Übungsaufgaben selbständig zu lösen. - Der Leser soll die Entwicklungsumgebung Visual Studio kennenlernen. Das ist das in der Industrie wohl am häufigsten eingesetzte Werkzeug zur Software-Entwicklung. Dem Leser, der C++ schon kennt, sollen die wichtigsten Erweiterungen von C++ und Visual Studio knapp und prägnant präsentiert werden. Seit meinem letzten Buch über Visual C hat sich viel verändert: Der damals gültige C++-Standard C++03 wurde stark erweitert (zu C++11 und C++14). Diese Erweiterungen wurde sukzessive in Visual Studio 2010, 2012, 2013 und 2015 übernommen und haben C++ gravierend verbessert. Vieles macht man heute anders als damals, und viele Programme von damals sind heute umständlich und altmodisch. Die Unterstützung von C++ in Visual Studio wurde deutlich verbessert. Microsoft hat es aufgegeben, mit C++/CLI einen C++-Dialekt zu einer vollwertigen.net Programmiersprache zu machen. Das vorliegende Buch versucht, diesen Änderungen Rechnung zu tragen: Überall da, wo es Sinn macht, werden die modernen Sprachelemente vorgestellt und eingesetzt. Da Microsoft die Unterstützung von C++/CLI und Windows Formularanwendungen eingeschränkt hat, erscheint dieses Buch in zwei weitgehend identischen Versionen: Das vorliegende Buch beschränkt sich auf Standard-C++. Alle Projekte sind Konsolenanwendungen und verwenden zur Ein- und Ausgabe nur cin und cout. - Parallel dazu erscheint ein zweites Buch mit dem Titel C++ mit Visual Studio 2015 Windows Forms Anwendungen, in dem alle Projekte Windows Forms Anwendungen
3 sind. Der einzige Unterschied zur Konsolen-Version ist, dass Windows-Programme mit einer grafischen Benutzeroberfläche entwickelt werden, und die Ausgaben eines Programms in eine TextBox geschrieben werden. Auch in der Windows-Version wird fast nur Standard C++ behandelt. Die Besonderheiten von C++/CLI werden lediglich in dem Umfang behandelt, der für die Ein- und Ausgabe von Daten über die grafische Benutzeroberfläche notwendig ist. Vielleicht fragen Sie sich jetzt, wozu ein Buch über C++ Windows Forms Projekte, wenn diese von Visual Studio nur noch eingeschränkt unterstützt werden? Meine Gründe: Windows Forms Anwendungen sind die einfachste Möglichkeit, C++-Programme für Windows zu schreiben. Visual Studio ist so einfach zu bedienen, dass man es auch in Anfängervorlesungen einsetzen kann, ohne dabei Gefahr zu laufen, dass die Studenten nur noch mit dem Entwicklungssystem kämpfen und gar nicht mehr zum Programmieren kommen. Anfänger sind leichter für Windows-Programme mit einer grafischen Benutzeroberfläche zu motivieren als für Konsolenprogramme, mit denen man kaum noch jemand beeindrucken kann. Es gibt immer wieder Entwickler, die alte C/C++-Quelltexte mit möglichst wenigen Änderungen unter Windows laufen lassen wollen. Die Überarbeitung von der Konsolen- zur Windows-Version war nicht viel Arbeit. Ich bedanke mich bei meinen Studenten an der Dualen Hochschule Lörrach und bei meinen Seminarteilnehmern für die zahlreichen Anregungen, die maßgeblich zu vielen großen und kleinen inhaltlichen und textlichen Verbesserungen geführt haben und dem Buch viele praxisorientierte Impulse gaben. Viel Vergnügen beim Programmieren. Tübingen, im Juni 2016 Richard Kaiser
4 Vorläufiges Inhaltsverzeichnis 1 Die Entwicklungsumgebung Windows Forms Projekte mit C Windows Forms Projekte und Projektvorlagen erstellen Eine Windows Forms Projektvorlage installieren Visuelle Programmierung: Ein erstes kleines Programm Das Eigenschaften-Fenster Erste Schritte in C Der Quelltexteditor Tastenkombinationen Intellisense Die Formatierung des Quelltexts Definitionen einsehen Symbole suchen Namen umbenennen Zeichenfolgen suchen und ersetzen Kontextmenüs und Symbolleisten Projekte, Projektdateien und Projektoptionen Einige Tipps zur Arbeit mit Projekten Die Online-Hilfe (MSDN Dokumentation) Hilfe mit F1 in Visual Studio Die MSDN-Dokumentation im Internet Der Aufbau der MSDN-Dokumentation Seiten Projektmappen und der Projektmappen-Explorer Hilfsmittel zur Gestaltung von Formularen Weiterführende Möglichkeiten Ө Navigieren Code-Ausschnitte Aufgabenliste Die Fenster von Visual Studio anordnen Ө Einstellungen für den Editor Ө Konsolen-Anwendungen Ө Win32 Konsolen-Anwendungen Ө Der Start des Compilers von der Kommandozeile Ө Bereitstellung (Deployment)... 55
5 2 Elementare Datentypen und Anweisungen in C und C Syntaxregeln Variablen und Bezeichner Globale und lokale Variablen Typ-Inferenz: Implizite Typzuweisungen mit auto Ganzzahldatentypen Die interne Darstellung von Ganzzahlwerten Ganzzahlliterale und ihr Datentyp Zuweisungen und Standardkonversionen bei Ganzzahlausdrücken Operatoren und die üblichen arithmetischen Konversionen Die Datentypen char und wchar_t (Char) Der Datentyp bool Ganzzahlwerte unter Formularanwendungen einlesen und ausgeben Kontrollstrukturen und Funktionen Die if- und die Verbundanweisung Die for- und die while-schleife Funktionen und der Datentyp void Eine kleine Anleitung zum Erarbeiten der Lösungen Werte- und Referenzparameter Die Verwendung von Bibliotheken und Namensbereichen Zufallszahlen Default-Argumente Programmierstil für Funktionen Rekursive Funktionen Die switch-anweisung Ө Die do-anweisung Ө Gleitkommadatentypen Die interne Darstellung von Gleitkommawerten Der Datentyp von Gleitkommaliteralen Standardkonversionen Mathematische Funktionen Gleitkommawerte unter Formularanwendungen einlesen und ausgeben Datentypen für exakte und kaufmännische Rechnungen Der Debugger, Tests und Ablaufprotokolle Der Debugger Der Debugger Weitere Möglichkeiten Ө Systematisches Testen Unittests: Funktionen, die Funktionen testen Ablaufprotokolle Symbolische Ablaufprotokolle Konstanten constexpr Kommentare Kommentare zur internen Dokumentation Dokumentationskommentare und Intellisense Dokumentationskommentare für externe Programme Ө Exception-Handling Grundlagen: try, catch und throw Präprozessoranweisungen
6 Die #include-anweisung Makros Ө Bedingte Kompilation Ө Die Stringklassen string und wstring Die Definition von Variablen eines Klassentyps Strings mit.net Steuerelementen anzeigen und einlesen Konversionen zwischen string und elementaren Datentypen Einige Elementfunktionen der Klasse string raw strings und Unicode-Strings Reguläre Ausdrücke Ө Arrays und Container Einfache typedef-deklarationen Eindimensionale Arrays Die Initialisierung von Arrays bei ihrer Definition Arrays als Container Mehrdimensionale Arrays Ө Dynamische Programmierung Ө Einfache selbstdefinierte Datentypen Mit struct definierte Klassen Aufzählungstypen Schwach typisierte Aufzählungstypen (C/C++03) enum Konstanten und Konversionen Ө Stark typisierte Aufzählungstypen (C++11) Zeiger, Strings und dynamisch erzeugte Variablen Die Definition von Zeigervariablen Der Adressoperator, Zuweisungen und generische Zeiger Ablaufprotokolle für Zeigervariable Dynamisch erzeugte Variablen: new und delete Dynamisch erzeugte Variablen: new und delete Unterschiede zwischen dynamisch erzeugten und gewöhnlichen Variablen Memory Leaks in Visual C++ finden Dynamische erzeugte eindimensionale Arrays Arrays, Zeiger und Zeigerarithmetik Arrays als Funktionsparameter Ө Konstante Zeiger Stringliterale, nullterminierte Strings und char*-zeiger Verkettete Listen
7 6.11 Binärbäume Ө Zeiger als Parameter Ө C-Bibliotheksfunktionen in string.h für nullterminierte Strings Ө Überladene Funktionen und Operatoren Inline-Funktionen Ө Überladene Funktionen vs Default-Argumente Funktionen, die nicht überladen werden können Regeln für die Auswahl einer passenden Funktion Überladene Operatoren mit globalen Operatorfunktionen Werte- und Referenzparameter Werteparameter Referenzparameter Konstante Referenzparameter Objektorientierte Programmierung Klassen Datenelemente und Elementfunktionen Der Gültigkeitsbereich von Klassenelementen Datenkapselung: Die Zugriffsrechte private und public Der Aufruf von Elementfunktionen und der this-zeiger Konstruktoren und Destruktoren Funktionen als Parameter übergeben mit function und bind Ө Delegierende Konstruktoren OO Analyse und Design: Der Entwurf von Klassen Klassendiagramme Klassen als Datentypen Der Standardkonstruktor Objekte als Klassenelemente und Elementinitialisierer friend-funktionen und Klassen Überladene Operatoren mit Elementfunktionen Der Kopierkonstruktor Der Zuweisungsoperator = für Klassen Explizite Konstruktoren und Konversionsfunktionen Statische Klassenelemente Konstante Elementfunktionen und Objekte Klassen und Header-Dateien Vererbung und Komposition Die Elemente von abgeleiteten Klassen Zugriffsrechte auf die Elemente von Basisklassen Die Bedeutung von Elementnamen in einer Klassenhierarchie Konstruktoren, Destruktoren und implizit erzeugte Funktionen Vererbung bei Formularen in Windows Forms Anwendungen OO Design: public Vererbung und ist ein -Beziehungen OO Design: Komposition und hat ein -Beziehungen
8 8.3.8 Konversionen zwischen public abgeleiteten Klassen Mehrfachvererbung und virtuelle Basisklassen Virtuelle Funktionen, späte Bindung und Polymorphie Der statische und der dynamische Datentyp Virtuelle Funktionen in C Virtuelle Funktionen mit override in C Die Implementierung von virtuellen Funktionen: vptr und vtbl Virtuelle Konstruktoren und Destruktoren Virtuelle Funktionen in Konstruktoren und Destruktoren OO-Design: Einsatzbereich und Test von virtuellen Funktionen OO-Design und Erweiterbarkeit Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen OO-Design: Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Interfaces und Mehrfachvererbung Objektorientierte Programmierung: Zusammenfassung Namensbereiche Die Definition von benannten Namensbereichen Die Verwendung von Namen aus Namensbereichen Header-Dateien und Namensbereiche Exception-Handling Die try-anweisung Exception-Handler und Exceptions der Standardbibliothek Einige vordefinierte C++/CLI und.net Exceptions throw-ausdrücke und selbst definierte Exceptions Fehler und Exceptions Die Freigabe von Ressourcen bei Exceptions: RAII Exceptions in Konstruktoren und Destruktoren noexcept Containerklassen der C++-Standardbibliothek Sequenzielle Container der Standardbibliothek Die Container-Klasse vector Iteratoren Die bereichsbasierte for-schleife Algorithmen der Standardbibliothek Die Container-Klassen list und deque Gemeinsamkeiten und Unterschiede der sequenziellen Container Die Container-Adapter stack, queue und priority_queue Ө Container mit Zeigern Fixed Size Array Container mit <array> Ө Assoziative Container Die Container set und multiset
9 Die Container map und multimap Iteratoren der assoziativen Container Ungeordnete Assoziative Container (Hash-Container) Dateibearbeitung mit den Stream-Klassen Stream-Variablen, ihre Verbindung mit Dateien und ihr Zustand Fehler und der Zustand von Stream-Variablen Lesen und Schreiben von Binärdaten mit read und write Lesen und Schreiben von Daten mit den Operatoren << und >> FileSystem Stringstreams und überladene << und >> Ө Funktionsobjekte und Lambda-Ausdrücke Der Aufrufoperator () Prädikate und Vergleichsfunktionen Binder Ө Lambda-Ausdrücke Lambda-Ausdrücke Weitere Konzepte Ө Lambda-Ausdrücke werden zu Funktionsobjekten Nachstehende Rückgabetypen Generische Lambda-Ausdrücke Lambda-Ausdrücke höherer Ordnung Der function-wrapper std::function STL-Algorithmen und Lambda-Ausdrücke Templates und die STL Generische Funktionen: Funktions-Templates Die Deklaration von Funktions-Templates mit Typ-Parametern Spezialisierungen von Funktions-Templates Funktions-Templates mit Nicht-Typ-Parametern Explizit instanziierte Funktions-Templates Ө Explizit spezialisierte und überladene Templates Rekursive Funktions-Templates Ө Variadische Template Generische Klassen: Klassen-Templates Die Deklaration von Klassen-Templates mit Typ-Parametern Spezialisierungen von Klassen-Templates Templates mit Nicht-Typ-Parametern Explizit instanziierte Klassen-Templates Ө Partielle und vollständige Spezialisierungen Ө Ableitungen von Templates Ө Type Traits type traits und static_assert Eine Konstruktion von type traits
10 Die type traits Kategorien type traits zur Steuerung der Übersetzung und Optimierung Multithreading Funktionen als Threads starten Funktionen mit thread als Threads starten Lambda-Ausdrücke als Threads starten Zuweisungen und move für Threads Die Klassen future und promise Exceptions in Threads und ihre Weitergabe mit promise Funktionen mit async als Threads starten Informationen über Threads Sleep-Funktionen Threads im Debugger Kritische Abschnitte Atomare Datentypen Kritische Bereiche mit mutex und lock_guard sperren Weitere Mutex-Klassen Deadlocks call_once zur Initialisierung von Daten Thread-lokale Daten Bedingungsvariablen zur Synchronisation von Threads Microsoft-Erweiterungen Die Parallel Patterns Library (PPL) Compiler-Schalter zur Parallelisierung C++ AMP (Accelerated Massive Parallelism) C++11 Smart Pointer: shared_ptr, unique_ptr und weak_ptr Gemeinsamkeiten von unique_ptr und shared_ptr unique_ptr shared_ptr weak_ptr exception_ptr Numerische Berechnungen Valarrays Ө Numerische Algorithmen Komplexe Zahlen Ө Literaturverzeichnis
Seit meinem letzten Buch über Visual C++ 2008 hat sich viel verändert:
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