2. Programmierung in C

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1 2. Programmierung in C Inhalt: Überblick über Programmiersprachen, Allgemeines zur Sprache C C: Basisdatentypen, Variablen, Konstanten, Operatoren und Ausdrücke Anweisungen und Kontrollstrukturen (Steuerfluss) Funktionen Felder (Arrays) Zeiger, Zeigerarithmetik, Zeiger-Dereferenzierung Zeichenketten (Strings) Benutzerdefinierte Datentypen Speicherverwaltung und Datenstrukturen Dateiarbeit Bitlevel-Verarbeitung Peter Sobe 1

2 Funktionen Funktionen erlauben, dem Programmcode hierarchisch zu strukturieren ein Hauptprogramm steuert dabei die Abfolge von Schritten, die einzelnen Schritte können durch Funktionen realisiert werden mehrfach benötigte Programmteile nur einmal zu schreiben und mehrfach aufzurufen Programmteile mehrmals leicht variiert auszuführen, gesteuert durch Parameter Rekursive Algorithmen, indem eine Funktion sich selbst mit abgeänderten Parametern aufruft Die Benutzung vorgefertigter Funktionen einer Standardbibliothek, z.b. für Einund Ausgabe, für Zeichenkettenverarbeitung usw. Zusammenstellung und Sammeln von Hilfs-Funktionen, die ein Programmierer persönlich oft benutzt

3 Allgemeines Prinzip: Funktionsdefinition (1) Rückgabetyp Funktionsname (Parameterliste) { Block mit Deklarationen und Anweisungen return ausdruck ;

4 Eine Funktion wird wie folgt definiert: Funktionsdefinition (2) Rückgabetyp Funktionsname ( Parameterliste ) { return ; Durch den Funktionsnamen wird die Funktion an anderer Stelle aufgerufen. Die Parameterliste enthält eine durch Komma getrennte Folge von Parametern, jeweils mit Typangabe und Variablenname. Eine Funktion kann einen Wert mit dem angegebenen Rückgabetyp zurückgeben. Dazu muss in der Funktion return Wert ausgeführt werden.

5 C-Programme als Folgen von Funktionen Ein C-Programm stellt eine Folge von Funktionsdefinitionen dar, wobei eine Funktion als Hauptprogramm (main) gekennzeichnet sein muss. In den Funktionen befinden sich wiederum Aufrufe anderer Funktionen. Funktionsdefinitionen können in C nur global sein und dürfen nicht im Block einer anderen Funktion bzw. des Hauptprogramms stehen.

6 Funktionen in C (1) Beispiel 1: Funktion mit float-rückkehrwert float max(float a, float b) { if (a>b) return a; else return b; Beispiel 2: Funktion ohne Rückkehrwert void druck(float x) { printf( \n x=%f,x); Beispiel 3: Hauptprogramm mit Funktions-Aufruf void main( ) { float c=4.0f, d=5.99f; druck(max(c,d));

7 Funktionen in C (2) Beispiel mit Ausgabeparameter in der Parameterliste: void fakultaet(int x, double *w) { int i; *w=1.0; for (i=2; i<=x; i++) *w = *w * (double)i; Aufruf der Funktion: int i; double y; for (i=0;i<40;i++) { fakultaet(i,&y); printf("i=%03d, fak(i) =%.0lf \n",i,y);

8 Funktionen in C (3) Benennung einer Funktion: Funktionsnamen unterliegen den gleichen Einschränkungen wie Variablennamen. Beispielsweise darf keine Ziffer am Beginn eines Funktionsnamen stehen. Groß- und Kleinschreibung wird unterschieden, d.h. Myfun() und myfun() sind zwei unterschiedliche Funktionen. Parameter: Eine durch Komma getrennte Liste einzelner Typbezeichner und Variablenbezeichner beschreiben die Parameter. Die als Parameter angegeben Variablen sind innerhalb des Prozedurkörpers gültig und überlagern gleichnamige globale Variablen. Die Parameter werden bei Aufruf der Funktion auf diese Variablen kopiert (Call by Value). Parameter, die als Ausgabe einer Funktion agieren, sind als Zeiger zu übergeben (Call by Reference). Dann wird der Zeiger kopiert, die Änderung des Werts erfolgt auf dem Originalspeicherplatz.

9 Funktionen in C (4) Bei einer C-Funktionsdefinition stellen die Parameter quasi Platzhalter dar. Für diese Parameter werden dann beim Funktionsaufruf Argumente eingesetzt. Die Anzahl, die Reihenfolge und der Typ von Argumenten beim Funktionsaufruf muss immer mit Anzahl, Reihenfolge und Typ der Parameter bei der Funktionsdefinition übereinstimmen. Felder und Zeichenketten werden als Zeiger übergeben. Dabei wird ausgenutzt, dass der Feldbezeichner ein Zeiger auf das erste Element ist. void ausgabe_zeile(char *postitionsstring, int x, int y, float p) { printf( Luftdruck an Position %s (%d,%d): %f \n, postionsstring, x, y, p); ausgabe_zeile( Zugspitze, 51, 13, );

10 Parameter und Argumente Funktionen in C (5) Parameter, die ausschließlich zur Übergabe an die Funktion benutzt werden (Input) Bezeichnung: Call-by-Value Argumente werden auf Variablen in Parameterliste kopiert Ändert man in der Funktion die Variable (den Parameter), so wirkt sich die Änderung nicht auf das aufrufende Programm aus. Beispiel: double max(double a, double b) { if (a>b) return a; else return b; Aufruf: m = max(r,s); // r und s ändern sich nicht

11 Parameter und Argumente Funktionen in C (6) Parameter, die auch zur Rückgabe genutzt werden können (In- und Output) Bezeichnung: Call-by-Reference Adressen der Argumente werden auf Zeiger in Parameterliste kopiert Innerhalb der Funktion werden die Zeiger dereferenziert Änderungen auf den Variablen finden auf den originalen Speicherplätzen statt und wirken sich auf das aufrufende Programm aus Beispiel: void swap(double *a, double *b) { double t; t=*a; *a = *b; *b=t; Aufruf: swap(&v1, &v2); // v1 und v2 ändern sich

12 Funktionen in C (7) Rückgabewert: Funktionen können einen Wert zurückliefern. Damit kann die Funktion wie eine Ausdruck benutzt werden. in Zuweisungen... wert = myfun(a,b); // myfun liefert einen Wert zurück als Teilausdruck if ( fun(a)<fun(b) ) { als Parameter einer anderen Funktion printf("der Funktionswert an der Stelle %f ist %f \n", x, fun(x) ); Wird die Angabe des Rückgabetyps weggelassen, nimmt der Compiler standardmäßig integer an. Funktionen, die keinen Wert zurückgeben sollen, werden mit den Rückgabetyp void gekennzeichnet.

13 Funktion Typ des Rückkehrwertes Bei einer C-Funktionsdefinition muss vor dem Funktionsnamen ein Typ (des Rückkehrwertes) angegeben werden. Dieser Typ kann ein in C bekannter Standardtyp, wie z.b. int, unsigned long, char, double,... sein. Es ist darauf zu achten, dass der Typ des Ausdrucks in der return- Anweisung mit dem Typ des Rückkehrwertes kompatibel ist.

14 Funktionen und Gültigkeit der Variablen (1) Variablen können verschiedene Gültigkeitsbereiche besitzen: lokale Gültigkeit und globale Gültigkeit Lokale Gültigkeit Variablen können nur in der Funktion benutzt werden, in der sie deklariert werden. Eine lokale Gültigkeit kann auf die main-funktion, aber auf jede andere Funktion, oder auch auf Verbundanweisungen bezogen sein. Lokale Gültigkeit innerhalb der main()-funktion: Die Variablen sind nur innerhalb der main-funktion sichtbar. Andere Funktionen können nicht direkt auf diese Variablen zugreifen. Bei Bedarf muss der Wert der Variablen den Funktionen über Parameter vermittelt werden. P. Sobe

15 Funktionen und Gültigkeit der Variablen (2) Beispiel zur lokalen Gültigkeit innerhalb der main()-funktion: int berechne(int arg) { // b, c sind hier nicht sichtbar, a wird über arg vermittelt return arg*2; main() { int a, b, c; b = berechne(a); P. Sobe

16 Funktionen und Gültigkeit der Variablen (3) lokale Gültigkeit in einer Funktion: Nur der Code innerhalb der Funktion kann diese Variable benutzen. Wird aus der Funktion zurückgesprungen, sind die Variablen nicht mehr sichtbar. Ihr Speicherplatz wird freigegeben und für andere Zwecke verwendet. double fakultaet(int arg) { double f=1.0; int i; /* ist nur lokal gültig */ if (arg<2) return 1.0; for (i=2;i<=arg;i++) f = f * (double)i; return f; main() { double y = fakultaet(42); printf( %lf, y); printf( %d,i); /* Fehler: i ist hier nicht sichtbar */ P. Sobe

17 Funktionen und Gültigkeit der Variablen (4) lokale Gültigkeit in einer Funktion (Prozedur) Achtung: Bei mehrmaligem Aufruf einer Funktion bleibt der Wert einer lokalen Variablen i.a. nicht gespeichert (Ausnahme durch spezielle Speicherklasse static). Die Variable verliert zwischenzeitlich ihre Gültigkeit und wird bei jedem neuen Eintritt in die Funktion neu erzeugt. Sichtbarkeit und Überdeckung lokaler Variable: void f1(int *a) { int x=5; *a = *a+f2(&x); void f2(int *a) { int x=77; *a = *a+x; Die Variable x in f2 überdeckt x aus f1. Innerhalb f2 wird mit dem Wert x=77 gearbeitet. Die Variable x innerhalb f1 bleibt bestehen, ist aber nicht sichtbar, wenn f2 abgearbeitet wird P. Sobe

18 Funktionen und Gültigkeit der Variablen (5) Globale Gültigkeit: Globale Variablen sind über alle Funktionen hinweg gültig. Eine Ausnahme ist die lokale Überdeckung durch gleich benannte Variablen in Funktionen. Durch globale Variable können Daten zu und von Funktionen vermittelt werden: Vorteile: bequem für Programmierer; schnell, da kein Kopieraufwand bei Aufruf der Funktion Nachteil: Die Funktionsdeklaration enthält keine Information, welche globalen Daten zur Eingabe und/oder Ausgabe benutzt werden. Man verliert schnell den Überblick und kann nicht mehr einschätzen, ob der Aufruf von Funktionen eventuell unerwünschte Nebenwirkungen hat. Globale Variablen sehr sparsam verwenden! P. Sobe

19 Funktionen und Gültigkeit der Variablen (6) Beispiel für globale Gültigkeit: int vermoegen=0; // globale Variable void erbschaft( int betrag) { vermoegen = vermoegen + betrag; zahle_erb_steuer(betrag); void zahle_erb_steuer(int erb_betrag) { vermoegen = vermoegen (int)( (float)erb_betrag * (float) E_STEUERSATZ/100.0); main() {... vermoegen = X; erbschaft(y); if (vermoegen >= ) printf( Ich bin reich! \n ); P. Sobe

20 Rekursive Funktionen (1) In C/C++ können Funktionen rekursiv definiert werden. Das kann in direkter oder indirekter Form geschehen. Bei einer direkten Rekursion enthält die Funktionsdefinition einen Aufruf von sich selbst, während im indirekten Fall eine andere Funktion aufgerufen wird, die wiederum, die zu definierende Funktion ruft. Da die Verwaltung aller lokalen Größen ohnehin durch den Compiler in einem Runtime-Stack vorgenommen wird, muss der Programmierer bei der Definition rekursiver Funktionen nichts besonderes beachten. Allerdings müssen stets Anweisungen vorhanden sein, die den rekursiven Aufruf begrenzen, um ein Endlos-Aufrufen zu verhindern.

21 Rekursive Funktionen Beispiel ( vgl. rekursive Algorithmen bei Struktogrammen FIBONACCI-Zahlen): fibo(n)= fibo(n-1) + fibo(n-2) Rekursionsabbruch fibo(1)=1 fibo(2)=1 int fibo(int n) //rekursive Definition { if (n<3) return 1;else return (fibo(n-1)+fibo(n-2)); void main() { int i=1,f=1; printf("\nberechnung der FIBONACCI-Zahlen im Intervall [1,100]"); printf("\n\n x fibo(x)\n "); while ((f=fibo(i))<=100) { printf("\n%2d %3d",i,f); i++;

22 Funktionen vorläufige Zusammenfassung Eine Funktion besteht aus Rückgabetyp, Funktionsname, Parameterliste und einem Anweisungsblock, der in geschweifte Klammern {, eingefasst wird. Rückgabetyp kann jeder gültige Typ sein, auch selbstdefinierte Typen, Strukturen oder Zeiger. Die Anweisung return dient zur Rückgabe eines Wertes aus der Funktion. Mit return wird die Funktion verlassen. Die Ausführung wird dann mit der Anweisung fortgesetzt, die dem Funktionsaufruf folgt. Funktionen, die keinen Wert zurückgeben, erhalten den Rückgabetyp void. Anweisungen innerhalb von Funktionen können sich auf globale und auf funktionslokale Variablen beziehen Funktionen können sich selbst aufrufen: Rekursion