Softwaretechnik in C und C++

Transkript

1 Rolf Isernhagen Hartmut Helmke Softwaretechnik in C und C++ Das Kompendium Modulare, objektorientierte und generische Programmierung ISO-C90, ISO-C99, ISO-C++98, MS-C++.NET 4., vollständig überarbeitete Auflage HANSER

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 4. Auflage Vorwort zur 1. Auflage Hinweise für den Leser Inhaltsübersicht XXI XXIII XXV XXVII I C90, C99, Better-C und Modulare Softwareentwicklung 1 1 C90, C99 und Better-C Einführung Verschiedene Standards und Dialekte Clean-C und Better-C Beispielprogramme Aufbau der Sprache Lexikalische und syntaktische Struktur Formale Beschreibung (Syntaxnotation) Lexikalische Elemente (Symbole, Token) Trennzeichen (White Spaces) und Kommentare Unterschiede zwischen C99, C90 und C Daten 1, Operatoren, Ausdrücke, Anweisungen Vordefinierte Datentypen Operatoren für Elementare Datentypen Ausdrücke Prioritäten von Operatoren Explizite und implizite Typkonvertierungen Arbeiten mit Zahlen Arbeiten mit Zeichen Arbeiten mit Booleschen Ausdrücken Aufzählungstypen Ausdrücke als Anweisungen, Mehrfachzuweisungen 38

3 VIII Inhaltsverzeichnis Bedingte Ausdrücke und bedingte Anweisungen Unterschiede zwischen C99, C90 und C Übungen Steueranweisungen Übersicht Verbundanweisung (compound-statement) Verzweigungen Wiederholungen Marken und Sprünge Zusammenfassung Unterschiede zwischen C99, C90 und C Übungen Funktionen Grundlagen Definition und Deklaration von Funktionen Rekursive Algorithmen und Funktionen /nime-funktionen Variable Anzahl von Parametern C-Bibliotheksfunktionen Unterschiede zwischen C99, C90 und C Übungen Benutzerdefinierte Datentypen Zeiger, Adressen, Vektoren Strings (Zeichenketten) Mehrdimensionale Vektoren Strukturen Vereinigungen (Unionen) Verwendung des Attributs const Parameter- und Rückgabetypen Zeiger auf Funktionen Zeiger und Zeigerkonvertierungen Unterschiede zwischen C99, C90 und C Übungen Werte- und Zeigersemantik Prinzip der Speicherverwaltung Zeigersemantik beim Arbeiten mit Vektoren Werte- und Zeigersemantik bei Strukturen Werte- und Zeigersemantik bei der Funktionsrückgabe Dynamische Zeichenketten (Strings) Komplexe Deklarationen Unterschiede zwischen C99, C90 und C Übungen Eingabe und Ausgabe von Daten Überblick Arbeiten mit den Standardgeräten 119

4 Inhaltsverzeichnis IX Arbeiten mit Textdateien Datenformatierung Dateien mit Blockstruktur Strings als Medium für formatierte Ein- und Ausgabe Anzeige und Abfrage von EA-Zuständen Weitere Funktionen Unterschiede zwischen C99, C90 und C Übungen.Ss Präprozessor Einfügen von Dateien Ersetzen von Textstellen Bedingte Einfügung, bedingte Übersetzung Definition von Makros Vordefinierte Namen Sonstiges Zusammenfassung und Bewertung Unterschiede zwischen C99, C90 und C Übungen Programmstruktur und Speicherklassen Dateien, Geltungsbereiche, Lebensdauer Deklarationen und Definitionen Geltungsbereich von Bezeichnern Lebensdauer von Variablenwerten Zusammenfassung und Ergänzungen Module: Definitions- und Implementationsdateien Allgemeiner Aufbau von C-Programmen Unterschiede zwischen C99, C90 und C Übungen Fehler- und Ausnahmebehandlung Verwendung des Makros assert Fehler-Return-Codes bei Funktionen Modulbehaftete globale Statusvariable C++-Exception-Handling-Konzept Übungen C-Standardbibliothek Kurzübersicht über die Gesamtbibliothek Fehlerdiagnostik: <assert.h> Komplexe Arithmetik: <complex.h> Zeichenoperationen: <ctype.h> Fehlererkennung: <errno.h> Gleitkomma-Arithmetik: <fenv.h> Grenzwerte für Gleitkommatypen: <float.h> Definition von Wortsymbolen: <inttypes.h> Definition von Wortsymbolen: <iso646.h>.. 173

5 X Inhaltsverzeichnis 2.10 Grenzwerte für Ganzzahl-Typen: <limits.h> Lokale (nationale) Definitionen: <locale.h> Mathematische Funktionen: <math.h> Globale Sprünge: <setjmp.h> Ausnahmebehandlung: <signal.h> Variable Parameterlisten: <stdarg.h> Boolesche Arithmetik: <stdbool.h> Allgemeine Definitionen: <stddef.h> Erweiterte Integer-Typen: <stdint.h> Ein- und Ausgabe: <stdio.h> Hilfsfunktionen: <stdlib.h> String-Operationen: <string.h> Typ-generische Makros: <tgmath.h> Datum und Zeit: <time.h> wide-char und Multibyte-Zeichen: <wchar.h> Klassifizierung von wctype-zeichen: <wctype.h> Modulare Programmierung in C und in Better-C Module und Modulschnittstellen Softwareentwurf und Modularisierung Geheimnisprinzip, Datenkapselung, Abstrakte Datentypen Realisierung von Abstrakten Datentypen in C Realisierung von generischen Modulen in C Fallstudie 1: Komplexe Arithmetik Spezifikation Implementierung Anwendung Fallstudie 2: Strings Spezifikation Implementierung Anwendung Fallstudie 3: Set (Menge) Allgemeine Spezifikation Modul Set, Version 0: Kleiner Wertebereich Modul Set, Version 1: Vergrößerung des Wertebereichs Modul Set, Version 2: Einstellbarer Wertebereich Modul Set, Version 3: Alternative Realisierung Modul Set, Version 4: Ein generisches Modul Fallstudie 4: Generische Sortierte Liste Spezifikation Implementierung Anwendung Anpassung an Anwendungen Better-C: Namensbereiche Grundlagen: Definition und Benutzung 235

6 Inhaltsverzeichnis XI Erweiterung von Namensbereichen Alias (Synonym) für Namensbereiche Using-Direktive und Using-Deklaration Anonyme Namensbereiche Anwendung von Namensbereichen Portierung von C-Modulen Übungen * 244 II Algorithmen, Datenstrukturen, ADTs, Container Sortieren, Suchen, Rekursion und Zeitkomplexität Zeitkomplexität Analyse rekursiver Algorithmen Einfache Sortieralgorithmen Schnelle Sortieralgorithmen Laufzeitmessungen an Sortieralgorithmen Lineares Suchen Binäres Suchen Die Macht der Zeitkomplexität Dynamische Datenstrukturen Lineare Listen, Stapel und Schlangen Zeigernotation und Heapverwaltung Lineare einfach gekettete Listen Lineare doppelt gekettete Listen Stapelspeicher Warteschlange ADT List (Unsortierte Liste) Prioritätswarteschlange Übungen ADT SList (Sortierte Liste) Binäre Wilde Bäume Grundlagen " Traversieren Einfügen Suchen Löschen Übungen ADT Tree (Binärer Suchbaum) Fallstudie Querverweis-Listengenerator Binäre Ausgeglichene Bäume Definition der Ausgeglichenheit und Konzept Einfügen Löschen 324

7 XII Inhaltsverzeichnis ADT Avl (Ausgeglichener Binärer Suchbaum) Vielweg-Bäume (B-Bäume) : Einführung und Konzept Datenstrukturen Traversieren Einfügen Löschen Demoprogramm Übungen Heap-Strukturen Hashverfahren Allgemeines Statische Hashverfahren Halbdynamische Hashverfahren Dynamische Hashverfahren Zusammenfassung Container-Strukturen Container-Strukturen, Überblick Realisierung von Container-Strukturen Stack, Queue und Priorityqueue Set und Multiset Map, Multimap und Vector Anwendungsbeispiele Test- und Demoprogramm Anwendungsbeispiel Textanalyse Anwendungsbeispiel Anagramme Übungen Automaten in der Softwaretechnik (ausgelagert auf die CD-ROM) 963 III Die Sprache C++ und ihre Softwaretechniken Klassen als Abstrakte Datentypen Von^C nach C Einführung, Klassen als Abstrakte Datentypen Von der Struktur zur Klasse Grundlagen Konstruktoren und Destruktoren Verschiedene Arten von Konstruktoren Implizite Erzeugung von Konstruktoren Die Bedeutung des Kopierkonstruktors Die Bedeutung von Umwandlungskonstruktoren Destruktoren, implizite Erzeugung von Destruktoren Der Zuweisungsoperator 412

8 Inhaltsverzeichnis XIII Implizite Erzeugung Implementierung - das Prinzip Zugriffsrechte Minimale Standardschnittstelle und Nice Class Konstante Methoden konstante Objekte UML-Klassendiagramme: Modelle der Programmstruktur Modellierung von Klassen mit UML Modellierung von Beziehungen zwischen Klassen Mitglieder und Freunde FWend-Beziehungen Beispiel: i^erad-klassen Beispiel: Komplexe Arithmetik, Version Überladen von Operatoren Beispiel: Komplexe Arithmetik, Version Hinweise zum Überladen von Operatoren Überladbare und nicht überladbare Operatoren Überladen von Konvertierungsoperatoren Dynamische verwaltete Daten in Klassen Beispiel: Komplexe Arithmetik, Version Implizite Verwendung des Kopierkonstruktors Überladen des Zuweisungsoperators Effizienzbetrachtungen: Laufzeiteffizienz Grundlegende Überlegungen Beispiel: Komplexe Arithmetik, Version Statische Elemente in einer Klasse Schachtelung von Klassen? Funktionsobjekte Zusammenfassung: Hinweise und Regeln Übungen Objektorientierte Programmierung Vererbung: Erweiterung von Klassen Grundlagen Konstruktoren, Destruktor und Zuweisungsoperator ^ Typkompatibilität in Klassenhierarchien Virtuelle Funktionen Öffentliches und Privates Erben Privates Erben und Benutzen Rein Virtuelle Funktionen und Abstrakte Klassen UML-Klassendiagramme: Vererbungshierarchien Übungen Polymorphie: Dynamisches Binden Dynamischer Typ, dynamisches Binden Heterogene Datenstrukturen Virtuelle Destruktoren 481

9 XIV Inhaltsverzeichnis Ein Klassensystem für grafische Objekte, Vers Objektschachtelung: Grafische Objekte, Vers Zwei Aspekte der Polymorphie: heterogen und genetisch Polymorphe Container-Strukturen Übungen Die richtige Anwendung der Vererbung Verschiedene Sichten und Probleme Schnittstellen-Klassen Abstrakte und nicht abstrakte Basisklassen Zuweisungsoperatoren in Klassen mit polymorphen Zeigern Übungen Mehrfachvererbung Grundlagen Verwendung nicht virtueller Basisklassen Verwendung virtueller Basisklassen Virtuelle Methoden in virtuellen Basisklassen Fallstudie Querverweis-Listengenerator Übungen Typkonvertierung, Laufzeit-Typinformation Die Grundidee Syntax und Semantik der Sprachkonstrukte Zusammenfassung Ausnahmebehandlung (Exception-Handling) Grundlagen Syntax und Semantik der Sprachkonstrukte Zusammenfassung und Empfehlungen Übungen Besondere Programmiertechniken Referenzzählung (Reference-Counting) Up-Calls Botschaften und Botschaftsinterpreter Generische Programmierung Klassen-Templates: Generische Strukturen *1 Grundlagen UML-Klassendiagramme: Klassenschablonen Eine generische Container-Bibliothek Spezialisierung von Templates Eine spezialisierte Container-Bibliothek Exception Handling am Beispiel eines Stack-Templates Übungen Funktions- und Element-Templates Funktions-Templates Element-Templates Besondere Programmiertechniken 604

10 Inhaltsverzeichnis XV Smart Pointer Iteratoren Generische Algorithmen Entwicklung einer kleinen Container-Bibliothek Konzept und Überblick Die Klassen List, SList und Tree Die Containerklassen Stack, Queue und Prio Set und Multiset Die Containerklassen Map, Multimap und Vector Test- und Demoprogramm für die Containerklassen Template-Metaprogrammierung Compile-Zeit-Berechnungen Laufzeit- und Compile-Zeit-Polymorphismus C++-Standardbibliothek Übersicht Allgemeine Dienste Vergleichsoperatoren Paare Auto-Zeiger Übungen Strings Konzept und Übersicht Funktionalität Ein- und Ausgabe (EA) Vorteile des neuen EA-Konzeptes EA im Standardformat mit Standardgeräten Struktur & Funktionalität der Stream-IO-Bibliothek Formatierung EA-Funktionen Arbeiten mit Dateien Strings als Ein- und Ausgabemedium Anzeige & Abfrage von Zuständen, Fehlerbehandlung Eigene Definitionen, weitere Funktionen Container Das Konzept der Standard Template Library (STL) Einführung Gemeinsame Definitionen Container für Sequenzen Containeradapter für Sequenzen Container für Assoziationen Die Containerklasse bitset Übungen Iteratoren Operationen und Klassifizierung 738

11 XVI Inhaltsverzeichnis Iteratoren als Container-Schnittstellen Reverse-Iteratoren Insert-Iteratoren Stream-Iteratoren Selbst definierte Iteratoren (Iterator-Adapter) Funktionsobjekte Verwendung von Funktionsobjekten Funktionsobjekte der Standardbibliothek Funktionsadapter der Standardbibliothek Algorithmen: globale generische Funktionen Nicht modifizierende sequenzielle Operationen Modifizierende sequenzielle Operationen Sortieren, Suchen und verwandte Operationen Mengenoperationen Heap-bezogene Operationen Minimax bestimmen und lexikografische Vergleiche Permutieren Anwendungsbeispiel Textanalyse Übungen Weitere Dienstleistungen Ausnahmebehandlung Grenzwerte der Implementierung Speichermodelle Internationalisierung Numerik 802 IV Die Sprache C++.NET und ihre Bibliothek C++.NET: Verwalteter Code, Objektmodell und Bibliothek Von C++98 nach C++.NET - ein Überblick Das Common Language Runtime-System Managed Code - Arbeiten mit verwalteten Objekten NET-Datentypen und.net Framework Library Klassen im Namensraum System Die Klasse Object und das.net-programmiermodell Die Klasse Console - Arbeiten mit der Konsole-E/A Arbeiten mit Dateien Die Klasse String Container-Klassen in System: :Collections Übungen Verwaltete Objekte unter.net Das Schlüsselwort _gc Das Schlüsselwort nogc Das Schlüsselwort value 837

12 Inhaltsverzeichnis XVII Das Schlüsselwort box, Boxing und Unboxing Das Schlüsselwort pin Vererbung und Typkontrolle unter.net Das Schlüsselwort abstract Das Schlüsselwort interface Das Schlüsselwort _sealed Das Schlüsselwort typeof Das Schlüsselwort try_cast Ereignisbehandlung unter.net Das Schlüsselwort delegate Das Schlüsselwort event Anwendung für Delegates Anwendung für Events Weitere.NET-Schlüsselwörter Das Schlüsselwort property Das Schlüsselwort identifier NET-Datentypen Einfache.NET-Datentypen Verwaltete Arrays Operatoren überladen unter.net Übungen Programmieren mit Managed Extensions Fallstudie: Ein Botschaftsinterpreter Mischen von verwaltetem und nicht verwaltetem Code Speicherverwaltung Destruktor und verwaltete Objekte Beispiel Verwaltete Zeiger in nicht verwalteten Typen Ausnahmebehandlung Die STL in Zusammenhang mit Managed Code Details der C++.NET-Garbage Collection Portabler Code trotz Managed Extensions? Grundsatz-Überlegungen Portabilität der neuen Schlüsselworte Objekte des Namensraums System Weitere Aspekte der Portabiliät Übungen 928 Literaturverzeichnis 929 Stichwortverzeichnis 933 Die folgenden Teile befinden sich auf der CD-ROM

13 XVIII Inhaltsverzeichnis Texte auf der CD-ROM (Buch-CD.ps und Buch-CD.pdf) 947 C/C++-Textverzeichnis 949 Abbildungsverzeichnis 957 Tabellenverzeichnis Automaten in der Softwaretechnik Automaten und Sprachen Endliche Automaten und Reguläre Sprachen Lexikalische Analyse, Scanner Scanner für Zahlen Scanner für Kommentare Ein Scanner für die kleine Sprache ML Kellerautomaten und Kontextfreie Sprachen Syntaktische Analyse, Parser EBNF-Notation und Syntaxdiagramme Parser Die Sprachen ML1 und ML2 und ihre Parser 986 Anhänge: Lösungen zu den Übungen 1 A Lösungen zu Kapitel 1 3 A.l Lösungen zu Abschnitt A.2 Lösungen zu Abschnitt A.3 Lösungen zu Abschnitt A.4 Lösungen zu Abschnitt A.5 Lösungen zu Abschnitt A.6 Lösungen zu Abschnitt A.7 Lösungen zu Abschnitt A.8 Lösungen zu Abschnitt A.9 Lösungen zu Abschnitt B Lösungen zu Kapitel 3 57 C Lösungen zu Kapitel 5 77 C.l Lösungen zu Abschnitt C.2 Lösungen zu Abschnitt C.3 Lösungen zu Abschnitt D Lösungen zu Kapitel 6 97 E Lösungen zu Kapitel 8 105

14 Inhaltsverzeichnis. XIX F Lösungen zu Kapitel F.l Lösungen zu Abschnitt F.2 Lösungen zu Abschnitt F.3 Lösungen zu Abschnitt F.4 Lösungen zu Abschnitt F.5 Lösungen zu Abschnitt G Lösungen zu Kapitel H Lösungen zu Kapitel H.l Lösungen zu Abschnitt H.2 Lösungen zu Abschnitt H.3 Lösungen zu Abschnitt I Lösungen zu Kapitel J Lösungen zu Kapitel