Grundlagen der Informatik

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1 Grundlagen der Informatik Vorlesung Strukturierung von C-Programmen Prof. Dr.-Ing. Thomas Wiedemann Fachgebiet Informatik / Mathematik Überblick zur Vorlesung Einführung und Motivation Aufteilung komplexer Programme in Module Funktionen Bibliotheken allgemeine Arten der Wertübergabe Strukturierung in C Präprozessoranweisungen Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 2 1

2 Einführung und Motivation Moderne Anwendungen umfassen bis zu einige Millionen Quellcodezeilen sind in der Regel nicht als lineare Anweisungsfolge darstellbar, sondern erfordern mehrfache Ausführungen mit wechselnden Parametern müssen von mehreren Programmierern entwickelt und gepflegt werden Resultierende Anforderungen Zerlegung großer Programme in überschaubare Einheiten möglichst häufige Wiederverwendung der Einheiten möglichst effiziente Übersetzung großer Quellcodemengen bei nur kleinen Änderungen Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 3 Allgemeine Optionen der Zerlegung von Anwendungen innerhalb eines Quelltextes durch Gliederung in Funktionen und Prozeduren anwendungsorientierte Zusammenfassung ähnlicher Funktionen in Funktionsbibliotheken innerhalb einer getrennten Quellcodedatei (referenziert durch Header- Dateien *.h) fertig übersetzte Programmteile (unter Windows Dynamic Link Library "DLL") mit der Möglichkeit des Aufrufes von außen Kommunikation zwischen eigenständigen Programmen (aktuelle Entwicklung! Anwendungsserver ) main() main().... func1() func1() aaaa aaaa ccc ccc main() main() func1(10); func1(10); extfunc(); extfunc(); dllfunc(); dllfunc(); func1(20); func1(20); extfunc() extfunc() ddddd; ddddd; dllfunc() ddlll; Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 4 2

3 Funktionen und Prozeduren analog zur Mathematik erhält eine Rechenvorschrift oder ein Algorithmus einen Namen und kann mit verschiedenen Parametern aufgerufen werden : Mathematik Informatik y=f(x) = sin(x) y = sin(0,3) y = sin(180) Name der Funktion Eine Funktion liefert genau EINEN WERT ZURÜCK! Eine Prozedur arbeitet analog wie eine Funktion, GIBT ABER NICHTS ZURÜCK! Informatik (kein Pendant in der Mathematik) Motor_einschalten(Motornummer, Zeitdauer) Name der Prozedur Aus technischer Sicht handelt es sich bei Funktionen und Prozeduren um Unterprogramme, d.h. um untergeordnete, von außen aufrufbare Programmteile. Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 5 Arbeitsweise des Prozessors beim Aufruf von Unterprogrammen da unbekannt ist, wie oft (auch rekursiv) ein Unterprogramm aufgerufen wird, existiert in allen Prozessoren ein spezieller Speicherbeich: der STACK (englisch Stapelspeicher ) 233, 444, 1 PUSH 1, 444, der Stack arbeitet nach dem LIFO-Prinzip: Last in -First out es gibt nur zwei Stackbefehle : PUSH legt Daten auf den 1 Stack, POP holt die obersten Daten wieder vom Stack Vorgehensweise des Prozessors beim Aufruf von Unterprogrammen Prozessor legt zuerst alle Aufrufparameter auf den Stack als letztes kommt die aktuell ausgeführte Adresse als Zahlenwert auf den Stack (= Rücksprungadresse) Prozessor springt zur Adresse des Unterprogramms Unterprogramm arbeitet und Auswertung der Parameter der Werte auf dem Stack und legt Ergebnis am Ende ebenfalls auf den Stack der Rücksprungbefehl am Ende des Unterprogramms holt die Rücksprungadresse wieder von Stack und springt dieser wieder an Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 6 3

4 Werteübergabe an Funktionen Probleme: Funktionen werden von verschiedenen Stellen aufgerufen (Verwendung fester, globaler Übergabeadressen sehr unschön und gefährlich - potentielle Konflikte zwischen den verschiedenen Aufrufern) mehrfacher, rekursiver Aufruf der gleichen Funktion möglich bis auf einfache, mathematische Funktionen reichen die Rechenregister des Prozessors zur Werteübergabe nicht aus Lösung: Verwendung des Rechnerstacks als generellen Übergabebereich STACK = Stapelspeicher nach dem LIFO-Prinzip - der zuletzt mit PUSH aufgelegte Werte geht zuerst mit POP wieder runter Stack ist einfach realisiert als Pointer auf einen Speicherbereich, welcher bei PUSH runter und bei POP hochgezählt wird (Speicherüberlauf oder Verletzung fremder Speicherbereiche möglich -> STACK OVERFLOW ERROR, Einstellung der Stackgröße über Compileroption IST IHR JOB!! - bei Problemen vergrößern!!) Merke:Neben den Funktionsübergabewerten wird auch die Adresse des aufrufenden Programmes auf den Stack gelegt. Nach Beendigung der Funktion wird dieser Wert wieder in den Programmzeiger des Prozessors geladen. Eine irrtümliche Manipulation dieses Wertes ist meist tödlich! Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 7 Parameterübergabe by value / by reference Parameterübergabe als Wert (engl. by value) : Wert der Variable wird direkt auf den Stack kopiert schnell (Stackspeicher ist im Prozessor) Originalwert bleibt erhalten!!! Gut: keine Nebeneffekte nach Übergabe Negativ: keine Wertrückgabe über den Parameter möglich (nur über Funktionswert) Parameterübergabe mittels Adresszeiger (engl. by reference) : die Adresse der Variable wird auf den Stack gelegt langsamer, Prozessor muß Wert erst aus Speicher holen Originalwert kann über Adresszugriff verändert werden!!! Gut: Wertrückgabe möglich Negativ: gefährliche Nebeneffekte möglich Prozessor Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 8 int plus(int a,int b) Stackpointer vor Speicheradresse Wert 71 72(a) (b) hi Stack nach Ausführung 0 55 int plus(int *a,int *b) Stackpointer Bei Ausführung müssen die Werte aus dem Speicher geholt werden! Speicheradresse Adresse 71 72(a) (b) i *s

5 Definition und Verwendung von Funktionen in C WICHTIG: Eine Funktion muß zuerst deklariert werden mit Angabe des Rückgabetyps, des Funktionsnamens und der Parameter mit Typangaben, bevor sie verwendet (aufgerufen) werden kann: int addierezahlen(int a, int b) ; // Deklaration ohne Implementierung. int addierezahlen(int a, int b) return( a+b); Implementierung Der Aufruf erfolgt dann nur unter Angabe der Parameter OHNE Typangabe! y = addierezahlen(1, summe); // Aufruf Die Rückgabe von Werten an die aufrufende Funktion erfolgt mit return( ). Der Name der Funktion enthält dann der Wert. Return( ) legt den Rückgabewert auf den Stack und kehrt in das aufrufende Programm zurück. Falls kein Rückgabewert gewünscht wird, ist void als Typ des Rückgabewertes anzugeben. Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 9 Definition und Verwendung von Funktionen in C - II Regeln und Hinweise: Der Compiler prüft sehr genau, ob die Typen der Parameter (hier der Typ von Summe) mit dem "angekündigten" Typ aus der Deklaration übereinstimmen (hier int). int addierezahlen(int a, int b) return( a+b); Implementierung. y = addierezahlen(1, summe); // Aufruf Die Zuordnung von aufrufenden Variablen zu den Funktionsparametern ergibt sich allein aus der Reihenfolge. Falls dabei keine Übereinstimmung existiert und auch keine Konvertierung möglich ist, kommt es zum Fehler: "TYPE MISMATCH" (Typenkonflikt beim Aufruf) Falls die Anzahl der Parameter nicht übereinstimmt kommt es zum Fehler "To few (much) parameters" Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 10 5

6 Typische Gliederung von C-Programmen mit Funktionen // Demoprogramm #include <conio.h> #include <stdio.h> Programmkopf mit Kommentar // Einbinden von Funktionsbibliotheken int addiere(int a,int b) int c; c= a+b; b=2; return(c); void main() int x,y, z; x = 20; y= 22; z = addiere(x,y); printf("summe= %i",z) ; Kopf der Funktion mit Parameterdeklaration Start des Funktionsrumpfes Deklaration von Variablen Anweisungen (einfache Zuweisungen) Rückgabe des Ergebniswertes mit return Hauptfunktion (es muß genau ein main() pro Programm geben!!!) Aufruf der Funktion Ausgabe auf den Bildschirm Y bleibt ERHALTEN!!!! Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 11 Funktionsaufruf bei CALL by REFERENCE // Demoprogramm #include <conio.h> #include <stdio.h> int addiere(int *a,int *b) int c; c= *a+*b; *b= 2; return(c); void main() int x,y, z; x = 20; y=35; z = addiere(&x,&y); printf("summe= %i",z) ; Programmkopf mit Kommentar // Einbinden von Funktionsbibliotheken Kopf der Funktion mit Parameterdeklaration Start des Funktionsrumpfes Deklaration von Variablen Berechnung über Adresszugriff Rückgabe des Ergebniswertes Hauptfunktion Aufruf der Funktion Ausgabe auf den Bildschirm (in der Regel nur im Hauptprogramm) Funktionen sollten nicht oder nur im Fehlerfall etwas ausgeben Y wird zu 2!!!!!! Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 12 6

7 Arbeit mit Funktionsprototypen // Demoprogramm #include <conio.h> #include <stdio.h> int addiere(int a,int b); void main() int x,y, z; x = 20; z = addiere(x,y); printf("summe= %i",z) ; int addiere(int a,int b) intc; c= a+b; return(c); Programmkopf mit Kommentar // Einbinden von Funktionsbibliotheken Nur Kopf der Funktion mit Parameterdeklaration als Prototyp (damit kann der Compiler die Funktion bereits in Aufrufen verwenden) Es können die Parameternamen bei der Prototypdeklaration auch weggelassen werden: int addiere(int,int ); Aufruf der Funktion in main() Ausgabe auf den Bildschirm Start der Funktionsimplementierung Hier müssen die Parameternamen angeben werden! Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 13 Wiederholung: Übersetzung von C-Programmen Algorithmus / Struktogramm Programm schreiben Quelltextprogramm (Sourcecode) Übersetzen C-Präprozessor C-Compiler Der Präprozessor führt eine erste Analyse des Quelltextes aus und dient für vorbereitende Wandlungen, Einbinden externer Bibliotheken mit #include oder bedingte Übersetzungen. Ergebnis ist u.u. ein modifiziertes Quelltextprogramm. Der Compiler analysiert den Quelltext und erzeugt einen Zwischencode (Objektcode), welcher schon relativ nahe am Maschinencode orientiert ist. Vorhandene Bibliotheken C-Linker Maschinenprogramm Der Linker verbindet den erzeugten Objektcode des Programms mit bereits vorliegenden Objektcode der Bibliotheken. Ergebnis ist ein lauffähiges Maschinenprogramm. Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 14 7

8 Präprozessorbefehle Der Präprozessor dient zur Manipulation und Verwaltung des Programmquelltextes vor der eigentlichen Compilierung. Alle Präprozessorbefehle beziehen sich auf der Quelltext und generieren in der Regel eine neue Version des Quelltextes. Präprozessorbefehle beginnen generell mit einem # in der 1. Position Einsatzzweck und Sinn: Vereinfachung der Programmierung durch Reduzierung wiederholter Eingaben Bessere Übersichtlichkeit der Programme Einfachere Wartung und Änderung Verwaltung verschiedener Programmversionen Steuerung des Compilers über Compileroptionen Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 15 Präprozessorbefehl #include Der #include-befehl fügt andere Quelltexte an der jeweiligen Stelle in. Zwei mögliche Varianten : #include <Dateiname> sucht die Datei in speziellen Verzeichnissen des C-Compilers wird verwendet zum Einfügen von Systembibliotheken #include "Dateiname" sucht die Datei im aktuellen Verzeichnis bzw. in Nutzerverzeichnissen Sinnvoll zum Einfügen eigener Systembibliotheken Hinweis: In der Regel werden mit #include keine vollständigen Quelltexte, sondern nur Header-Dateien mit den Prototypdefinitionen der Funktionen eingefügt. erst der Linker verbindet die implementierte Funktion Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 16 8

9 Präprozessorbefehl #define Der #define - Befehl definiert Makros (Textbausteine). Definition eines Makros #define PI Nach dieser Definition wird jeder im weiteren Quelltext vorkommende Text PI durch ersetzt. Ausnahmen bilden Texte -> printf("pi"); wird nicht umgewandelt Achtung: Infolge reiner Textersetzung DARF KEIN ; am Ende stehen!!!!!!!! #define PI 3.14; führt in a= PI *r; zu a= 3.14 ; * r ; // schwer zu findender Anwendungen: // SYNTAXFEHLER!! Ersatz konkreter Zahlenwerte durch symbolische Namen : #define Feldgroesse 100 Bei Änderungen der Feldgröße muß dann nur einmal geändert werden! Steuerung des Compilers durch wahlweise Existenz von Makronamen (siehe Folgeblatt) Aufheben einer Makrodefinition #undef PI Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 17 Präprozessorbefehle für bedingte Übersetzung Mit den Präprozessorbefehlen für bedingte Übersetzung lassen sich Quelltextabschnitt gezielt von der Compilierung ausschließen oder einschließen. Steuerbefehle #ifdef Makroname Quelltext1 #else Quelltext2 #endif Der Quelltext 1 wird eingebunden, wenn der Makroname definiert ist. Der Quelltext 2 wird eingebunden, wenn der Makroname nicht definiert ist. Bsp.: #define Windows32 #ifdef Windows32 wintitel = 1; // wird nur bei Vorhandensein von Makro Windows32 auf 1 gesetzt #endif Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 18 9

10 Präprozessorbefehle für bedingte Übersetzung II Für eine größere Anzahl von Alternativen existiert eine zweite Syntaxform Steuerbefehle #if Bedingung1..Quelltext1 #elif Bedingung2 Quelltext2 #else Quelltext falls keine der falls keine der Bedingungen zutrifft #endif Für Bedingung kann z.b. defined(makroname) oder ein beliebiger ganzzahliger Ausdruck eingesetzt werden!defined - führt zur wahren Bedingung wenn kein Makro existiert Für ein invertiertes ifdef kann auch #ifndef verwendet werden! #if Anweisungen dürfen geschachtelt werden! Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 19 Typische Anwendung Header-Dateien /* conio.h Direct MSDOS console input/output. */ #if!defined( CONIO_H) #define CONIO_H #if!defined( DEFS_H) #include <_defs.h> #endif #define _NOCURSOR 0 #define _SOLIDCURSOR 1 #if!defined( COLORS) #define COLORS enum COLORS BLACK, BLUE, GREEN, CYAN, RED,. #endif void _RTLENTRY _EXPFUNC clreol( void ); void _RTLENTRY _EXPFUNC clrscr( void ); int _RTLENTRY _EXPFUNC getch( void ); int _RTLENTRY _EXPFUNC getche( void ); #endif /* CONIO_H */ Bsp. conio.h (aus dem \include\ - Verzeichnis ) - falls conio.h noch nicht existiert, wird es eingefügt, sonst nicht Grundlagen der Informatik I T.Wiedemann- Seite 20 10