Betriebssysteme Teil E: Überleben trotz C

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1 Betriebssysteme Teil E: Überleben trotz C

2 Literatur [E-1] Wolf, Jürgen: C von A bis Z. Galileo Computing, 3. Auflage, [E-2] M.K. Johnson, E.W. Troan: Anwendungen entwickeln unter Linux, Addison-Wesley, 1999 [E-3] Prinz, Peter; Kirch-Prinz, Ulla: C kurz&gut. O'Reilly, 2004 [E-4] B.W. Kernighan, D.M. Ritchie: The C Programming Language, Prentice- Hall, 2nd edition, 1988 [E-5] htm [E-6] C/index.html Weitere Literatur: 2

3 Links [a] [b] [c] [d] Rationale for American National Standard for Information Systems Programming Language C The Development of the C Language C-Programmierung 3

4 Übersicht Versionen von C (und etwas Geschichte) Grunddatentypen Ausdrücke Klammern Pointer und so In diesem Teil wird das Überleben trotz C vermittelt dies ist keine Einführung 4

5 Es gibt verschiedene Versionen von C Die Urversion ist die von Kernighan und Ritchie - K&R genannt (1978). Dann gibt es mehrere ANSI-Versionen: 1989 (ISO 9899, ANSI X3.159) 1995 (Addendum zu C90) 1999 (ISO 9899:1999) C99 genannt In diesem Teil wird die ANSI-Version von 1995 behandelt, denn diese wird von allen guten C-Compilern unterstützt. C99 wird nicht von allen Compilern im vollem Umfang unterstützt. 5

6 Grunddatentypen I Typ Bytegröße Bereich char , unsigned char int 2 oder , ca. -2*10**9..2*10**9 unsigned int 2 oder , ca. 0..4*10**9 long 4 ca. -2*10**9..2*10**9 unsigned long 4 ca. 0..4*10**9 float 4 6 Stellen Genauigkeit double 8 15 Stellen Genauigkeit long double Stellen Genauigkeit 6

7 Grunddatentypen II - Integer "Normale Zahlen": +1, -23 Oktal: Beginnend mit 0, z.b Hexadezimal: Beginnend mit 0x, z.b. 0x5f Suffixe: L (für long) und U (für unsigned) Beispiele: 3L (long) 3UL (unsigned long) 0xFU (unsigned int) 7

8 Grunddatentypen III - char Beispiele: 'x' oder 'f' Ersatzdarstellung: '\zzz', wobei zzz eine Oktalzahl ist Ersatzdarstellung: '\xzzz', wobei zzz eine Hexadezimalzahl ist Sonderzeichen mit '\z', wobei z sein kann: n Newline ('\n') c carriage return ('\c') 0 Null Byte ('\0') \ Back slash ('\\') ' Quote ('\'') Diese Sonderzeichen können auch innerhalb von Strings vorkommen. Präfix L zeigt Zeichen vom Typ wchar_t (Multibyte-Zeichen) an. Beispiele: L'a' L'\x123' 8

9 Grunddatentypen IV - Strings Jeder String der Form "<string>" wird einzeln in einem globalen Bereich im RAM abgelegt. Er besteht aus einem Feld von char, dessen letztes Element immer ein Null-Byte '\0' ist. Der Typ eines Strings ist "char *" (Adresse von Char) Name H a l l o! \0 9

10 Grunddatentypen V - Strings Beispiel: char *Vorname, *Nachname; Vorname= "Elma"; Nachname= "Elma"; if (Vorname == Nachname) {... Es werden zwei char-felder an unterschiedlichen Adressen mit denselben Zeichen ("Elma") angelegt. Vorname und Nachname haben deshalb unterschiedliche Adressen. In der if-abfrage werden die Adressen verglichen, was bedeutet, dass der then-teil nie durchlaufen wird. Beachte: Java ist hier anders. Aber auch dort gibt es die Probleme mit ==. 10

11 Grunddatentypen VI - Strings Strings können auch aus Multibyte-Zeichen bestehen. Dann haben sie den Präfix L (wide string literal). Beispiel: "Hallo world!\n" L"Hallo world!\n" Dann noch etwas: Das Zusammensetzen von Stringwerten erfolgt durch Hintereinanderschreiben. Beispiel: "Hallo" "world!" "\n" 11

12 Ausdrücke I Zuweisung ist "=", Vergleich ist "==" "a = b" ist eine Zuweisung mit der Wert von b "a == b" ist ein Vergleich mit den Werten true/false Ein schlechter Stil ist: "a = b = c" "a == b == c" "a == b = c" Autoinkrement/Autodekrement ++Variable / --Variable: Vor dem Auslesen der Variable Variable++ / Variable--: Nach der Auswertung des Ausdrucks Ein schlechter Stil ist: "a= ++b + ++b;" "++b= b b;" Falsch ist: "a= ++b--;" 12

13 Ausdrücke II Die Reihenfolge der Auswertung bei kommutativen Operatoren (+ und *) ist undefiniert. Beispiel (schlechter Stil) f1(17) + f2(2) Wenn eine der beiden Funktionen Seiteneffekte hat, so ist dieses Programmstück falsch. Bei boole'schen Ausdrücken wird nur solange ausgewertet bis das Ergebnis klar ist; der Rest wird übersprungen (short cut evaluation). Beispiele (schlechter Stil) (a==b) && f1(8) Falls der erste Teil falsch ist, wird der zweite Teil nie ausgeführt. (a==b) f1(8) Falls der erste Teil wahr ist, wird der zweite Teil nie ausgeführt. 13

14 Explizite Typanpassungen: cast Um explizit einen Typ an einen anderen (geforderten) anzupassen, wird ein cast verwendet: (<Neuer Typ>)Variable Beispiele: int i; long li; char c; i= (int)li; li= (unsigned char) c; li= (unsigned long) c; Ein schlechter Stil ist: int awert; char *str; str= "abc"; awert= (int) str; /* Adresse wird zum INT */ 14

15 Bitweise Operationen I Operator Logisch Bitweise Und && & Oder Nicht! Shift links << Shift rechts >> Bei logischen Ausdrücken ist das Ziel am Ende einen Ausdruck zu haben, der gleich 0 (False) oder ungleich 0 (True) ist. Bei bitweisen Ausdrücken kommt es darauf an die einzelnen Bits zu setzen oder abzufragen, unabhängig davon, ob der gesamte Ausdruck am Ende 0 oder ungleich 0 ist. 15

16 Bitweise Operationen II - Beispiele 1. if ((a<b)&&(d>=0)) { if (a & 5) { if ((a & 5) == 5) { Zu 1: normale Abfrage von Werten Zu 2: Prüfung, ob eines der Bits 0 oder 2 gesetzt ist: falls es so ist, ist der Ausdruck wahr (ungleich 0), sonst 0 (false). Äquivalent (besser, aber ineffizienter): if (((a&1)==1)&&((a&4)==4)) {... Das Setzen der Klammern bestimmt klar die Bindungen der Operatoren. Zu 3: Prüfung, Bit 0 und Bit 2 gleichzeitig gesetzt sind, dann wahr, sonst false 16

17 Implizite Typanpassungen Die Division zweier ganzer Zahlen ist wieder eine ganze Zahl. Immer sich Klarheit über die Bedeutung verschaffen! Beispiele 6 / % / Reihen/Rangfolge der Typen bei impliziten Anpassungen: int unsigned int long unsigned long float double 17

18 IF-Konstrukt if (Bedingung) {... } else {... } if (Bedingung) {... } Das IF-Konstrukt entspricht dem von Java. Immer die geschweiften Klammern benutzen! Hinter jeder Anweisung innerhalb der Blöcke muss ein ";" stehen, nicht jedoch nach einem IF-Konstrukt. 18

19 Switch-Konstrukt switch(expression) { case Const:...; break; case Const:...; break; default:...; } Dieses Konstrukt entspricht im Prinzip dem von Java. Expression ist ein ganzzahliger Ausdruck.. Const kann auch ein konstanter, ganzzahliger Ausdruck sein. Jeder Fall schließt mit einem break ab. Fehlt es, so werden die hintereinander stehenden Teile ausgeführt. 19

20 For-Schleife break/continue for (Init; Condition; Increment) {... } Das For-Konstrukt entspricht dem aus Java. Ein break im Schleifenkörper bricht die Schleife ab, in der das break steht. Ein continue ist ein Sprung zur Prüfung der Abbruchbedingung. 20

21 Klammern () und {} 21

22 Erläuterungen I Die runden Klammern steuern die Bindungsstärke innerhalb von Ausdrücken Aufpassen! Eine Zuweisung bindet nicht so stark wie ein Vergleich. Einrückungen haben für die syntaktische Zusammenfassung von zusammengesetzten Befehlen keine Bedeutung! Zusammengesetzte Befehle oder Blöcke entstehen durch Klammern mit {}. Also: welche der obigen Programmversionen sind falsch? 22

23 Erläuterungen II Aus diesen Gründen wurden hier alle Varianten mit Blöcken, also mit {} angegeben. Dies wird dringend empfohlen. Beispiel1: s= string; while(*s!='\0') s++; printf(" " ); Beispiel2: s= string; while(*s!='\0') { s++; } printf(" " ); 23

24 Denken Sie noch nicht einmal daran Es gibt noch Labels (Sprungmarken) sowie das goto dazu. Weiterhin können Sie aus geschachtelten Schleifen heraus in einen der umfassenden Schleifenblöcke springen. Weiterhin können Sie von einer Stelle innerhalb eines Blocks an eine beliebige Stelle innerhalb des umfassenden Blocks springen. Selbstverständlich können Sie das programmieren einige Menschen tun das tatsächlich. Es gibt sogar einzelne Situationen, in denen dies sogar sinnvoll ist aber es erhöht Ihre psychische Überlebensrate, wenn Sie dies nicht tun. 24

25 Deklarationen Speicherklassen I Klasse Sichtbarkeit Erläuterungen Funktion Datei auto Block - Anlegen der Variablen auf dem Stack Lebensdauer ist der korrespondierende Block register Block - Wie auto, nur dass versucht wird, diese Variable in ein Register zu legen static Block Datei Automatisches Anlegen der Variablen in einem globalen Bereich extern Block Programm Automatisches Anlegen der Variablen auf dem Heap Funktion bedeutet: Datei bedeutet: Es wird innerhalb einer Funktion deklariert. Es wird außerhalb einer Funktion deklariert. 25

26 Deklarationen Speicherklassen II 26

27 Arrays - Beispiele (1) char str[4]; (2) char str[4]= "abc"; (3) char str[]= "abc"; (4) char str[]= {'a', 'b', 'c', '\0'}; In (1) wird ein Array von 4 Elementen mit dem Index von 0 bis 3 (!) deklariert. In (2) wird dieses mit den Werten aus dem String vorbelegt. In (3) wird die Länge durch die Vorbelegung bestimmt. Dies ist zu empfehlen. (3) und (4) sind äquivalent. Doch beachten Sie die betreffende Speicherklasse. 27

28 Arrays und Pointer I (1) int iarr[4]= {1,2,3,4}; (2) int *pint= iarr; (3) &iarr[0] (4) iarr (5) &iarr[2] (6) iarr+2 (7) pint+2 (8) sizeof(iarr) (9) sizeof(pint) In Zeile (3) und (4) wird auf dasselbe Element verwiesen. Desgleichen in Zeilen (5), (6) und (7). In Zeile (8) wird die Länge des Arrays, nicht die Größe des Zeigers wie in (9) bestimmt. 28

29 Arrays und Pointer II Name[Expression] *(Name+Expression) Pointer+Expression Pointer+Expression*Größe Ein Feldzugriff wird intern in ein Zugriff über einen Zeiger mit Dereferenzierung umgewandelt. Beides ist in C äquivalent. Zur Berechnung der Adresse wird der INT-Wert mit der Größe des Datentyps, auf dessen Objekte der Zeiger zeigt, multipliziert. (Das ist die berühmte Pointer-Arithmetik) 29

30 Arrays und Pointer III 30

31 Arrays und Pointer IV Was passiert bei: (1) i= iarry[-1]; (2) i= *(pint-1); (3) pint= (int *) ; (4) i= *pint; Es ist auch möglich mit negativen Indizes zu arbeiten (pfui); dann wird einfach auf die Zellen vor dem Feld zugegriffen, Zeilen (1) und (2). Es lassen sich auch Adresswerte als Integer einem Zeiger zuweisen und benutzen, Zeilen (3) und (4). Selbstverständlich können Sie das programmieren einige Menschen tun das tatsächlich. Es gibt sogar einzelne Situationen, in denen dies sinnvoll ist aber es erhöht Ihre psychische Überlebensrate, wenn Sie dies lassen. 31

32 Arrays und Pointer V char *str= "abc"; int cnt= 0; for(ind=0; ind<4; ind++) { str[ind] cnt++; } char *str= "abc"; int cnt= 0; for(pc= str;*pc!='\0';pc++) { *pc cnt++; } Beide Varianten tun dasselbe. Die zweite ist sehr beliebt, da sie schneller ist. 32

33 Structs I (1) struct { char Vorname[30]; char Nachname[40]; int Alter; } heinz, elvira; (2) struct Person { char Vorname[30]; char Nachname[40]; int Alter; }; struct Person heinz, elvira; (3) struct Person heinz= { "Heinzel","Mann",17}; Zeilen (1) und (2) sind äquivalent Eine eigene Deklaration des Structs in (2) ist aber besser In (3) wird die Struktur aus (2) vorbelegt. 33

34 Structs II (1) struct Person { char Vorname[30]; char Nachname[40]; int Alter; }; struct Person heinz, elvira; (2) heinz.nachname (3) struct Person *pelvira= &elvira; (4) pelvira->nachname (5) (*pelvira).nachname Zeile (2) zeigt den Zugriff auf die Komponenten. In (3) wird über einen Zeiger zugegriffen. Die beiden Varianten (4) und (5) sind äquivalent; das Pfeil- Konstrukt (4) ist aber besser. 34

35 Structs III - Bitfelder struct Register { unsigned int bit0_2: 3; unsigned int bit3_7: 5; signed int bit8_15: 8; }; Die Bit-Breite der Komponenten wird nach einem Doppelpunkt angegeben. Die Bit-Bereiche werden "gepackt" - ähnlich zu Pascal. 35

36 Unions (1) union Number { long l; float d; }; (2) union Number zahl = { 10L }; (3) zahl.l (4) zahl.d Die deklarierten Bereiche liegen im RAM zur Laufzeit übereinander. Sie können ohne Konvertierung in der jeweiligen Interpretation gelesen und geschrieben werden. Zeile (3) wird 10L als long interpretiert, ohne Konvertierung! Zeile (4) wird 10L als float interpretiert, ohne Konvertierung! 36

37 Pointer I 37

38 Schrittweiser Aufbau 38

39 Pointer II - Hinweise Zwischen Zustand zur Laufzeit und Deklaration unterscheiden! Die gewollten Verbindungen per Adressen müssen während der Laufzeit schrittweise aufgebaut werden. Dringende Empfehlung: Jeden Schritt von der Deklaration bis zum vollständigen Aufbau einer verzeigerten Struktur auf dem Papier zeichnen und schrittweise das Vorgehen kontrollieren. Achtung! Die meisten Programmierfehler werden im Zusammenhang mit Zeigern gemacht! Hier heißt es: Genau, pingelig genau sich die Befehle ansehen! 39

40 Bearbeiten von Feldern mit Zeigern 40

41 Schritte des Programms 41

42 Zeiger und Auto-Inkrement 42

43 Tauschen der Werte von zwei Variablen 43

44 Zeiger und Felder 44

45 Argumentliste I 45

46 Argumentliste II Der Grund für den komplizierten Aufbau der Argumente für das "Hauptprogramm" main() liegt darin, dass von Aufruf zu Aufruf unterschiedlich viele Parameter übergeben werden. So ein in der Länge unbegrenztes Feld ist dazu gut geeignet. Dasselbe Prinzip wird für den Zeiger auf das Environment environ benutzt: extern char *environ[]; Hier haben die Strings den Aufbau: KEY=WERT. 46

47 Im Dickicht der Pointer... 47