Einheit Einführung in die Programmiersprache C Ein paar Worte zu C: Geschichte, Standards, Eigenschaften

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1 Einheit Einführung in die Programmiersprache C Ein paar Worte zu C: Geschichte, Standards, Eigenschaften Kurs C/C++ Programmierung, WS 2008/2009 Dipl.Inform. R. Spurk Arbeitsgruppe Programmierung FR 6.2 Informatik R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 1 / 11

2 Heute gültige C Standards K&R-C Einstiegsinfo: z.b. Varianten der Programmiersprache C (Wikipedia) Programmiersprache_C K&R-C:... die Variante, wie sie ursprünglich von den C-Erfindern Brian W. Kerninghan verfasst wurde De-facto-Standard Dokument: 1te Auflage ihres Buches The C Programming Language (1978) Phase: Weiterverbreitung von C mit Unix ( C Compiler Bestandteil von Unix (Quellen)), aber auch Ablösung als eigenständiger Compiler. Dialektbildung Problem: geringer werdende Portabilität Softwarehersteller fordern Normung von C 1983 Normungs-Beginn unter ANSI Kommittee X3J11 Ziel, eine eindeutige und maschinenunabhängige Definition der Sprache C zu erarbeiten. R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 2 / 11

3 Heute gültige C Standards C89 + C90 ANSI C 1989: Norm ANSI X Programming Language C wird verabschiedet: C : C89 + kleinere Änderungen von der ISO als ISO/IEC 9899:1990 Norm übernommen: C90 bisherige de-facto Eigenschaften genormt, Unklarheiten beseitigt, aber auch neue Sprachmittel eingeführt: z.b. Funktions-Prototypen, leistungsfähiger Präprozessor, neue Schlüsselwörter const, volatile, signed; Funktionsumfang sowie Verhalten der Funktionen der zu C gehörigen Bibliotheken normiert; ANSI/ISO C Standard-Bibliothek: die C Lib Hinweis: GNU Compiler Collection: Standard C Lib ist Bestandteil der glibc R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 3 / 11

4 Heute gültige C Standards C95, eine Erweiterung zu C90 Definition von Standard-Makros zur alternativen Schreibweise von Operatoren wie z.b. and statt &&; Definition des Standard-Makros STDC_VERSION, das durch den Compiler vor einem Compilierunglauf gesetzt wird/ist, wenn er auf C90-Standard-Kompatibilität überprüft hinzugefügt: Digraphen; verbesserte Unterstützung für Multibyte- und wide character - Zeichensätze in die C-Bibliotheken; R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 4 / 11

5 Heute gültige C Standards C99 (einschl. 3 technischer Korrekturen 2001, 2004 und 2007) ISO C einige aus C++ bekannte Erweiterungen nun in C; Erweiterung: Ganzzahl-Typen um einen mindestens 64-Bit breiten Typ long long; Erweiterung: Ganzzahl-Typen um Typen mit vorgegebener Mindestbreite wie z.b. int8_t oder uint32_t; lokale Felder variabler Größe; ein boolscher Datentyp _Bool Alias-freie Zeiger (Schlüsselwort restrict); innerhalb eines Blockes frei plazierbare Deklaration eines Bezeichners ( in C90 nur am Blockanfang); Inline-Funktionen (Schlüsselwort inline) Verbot des impliziten int sowie Verbot impliziter Funktionsdeklarationen. als Zeilenkommentar nun // zugelassen (wie in C++); verbesserte Unterstützung für Internationale Zeichensätze;... R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 5 / 11

6 Vorteile durch Nutzung der ANSI/ISO C Standards Vorteile durch ANSI/ISO C Standards (1) C Programm, das die von C99 vorgegebenen Vorschriften einhält: wird C99 kompatibel genannt. Eigenschaft C99 kompatibler C Programme: leichter (C99-) portierbar D.h. ohne größere Änderungen von einem anderen C99-Compiler auf einer anderen Maschine in eine ablauffähige Version übersetzbar. C-Standards zwingen keinen Hersteller, C-Compiler zu entwickeln, die nur Standard-gemäße Programme übersetzen: gcc der GNU Compiler Collection akzeptiert eine Unmenge an C-Spracherweiterungen, die nicht den C-Standards entsprechen: z.b. geschachtelte C-Funktionen, Arithmetik auf void-pointer und Funktions-Pointer,... ( html#c-extensions) Nicht portabel programmiert: Hardware-nahe bzw. Betriebssystem-spezifische Zugriffe; z.b. bei Aufruf der zwar POSIX-konformen C-Funktion int fork(), weil diese nicht in standardisierten C-Bibliothek enthalten ist. R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 6 / 11

7 C-Standards legen sich nicht fest für alle korrekte C-Sprachkonstruktionen ANSI/ISO C Standards lassen einiges offen (1) Das Verhalten bestimmter korrekter C-Sprachkonstruktionen, etwa x/0, ist durch den Standard nicht festgelegt. Der Standard unterscheidet aber zwischen: 1 implementierungsabhängigem Verhalten; 2 unspezifiziertem Verhalten; 3 undefiniertem Verhalten; Implementierungsabhängiges Verhalten (für korrekte C-Konstruktion): Ergebnis des C-Programms unterscheidet sich von Compiler zu Compiler; Ergebnis muss vom Compiler-Hersteller festgelegt und in begleitender Compiler-Beschreibung dokumentiert sein; Ergebnis keinesfalls zufällig; Beispiel: Verhalten der Bitschiebe-Operation >>, angewendet auf negative int-werte: 2 Alternativen: linkes Nachziehen von Nullen ( logischer Rechts-Shift ) linkes Nachziehen von Einsen ( arithmetischer Rechts-Shift ) R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 7 / 11

8 C-Standards legen sich nicht fest für alle korrekte C-Sprachkonstruktionen ANSI/ISO C Standards lassen einiges offen (2) Unspezifiziertes Verhalten (für korrekte C-Konstruktion): Compiler-Hersteller muss sich für bestimmtes Verhalten entscheiden; dieses Verhalten muss aber nicht dokumentiert werden; Ist f Funkion mit 2 int Parameter, so ist für korrektes Programmstück b=10; f(b*=3, b+=200); durch den Standard nicht festgelegt, ob f(30,230) oder f(630,210) aufgerufen wird. Undefiniertes Verhalten (für korrekte C-Konstruktion): es lässt sich nicht voraussagen, welches Verhaltens-Resultat eintritt; Beispiel: für den Div-Operator / ist im C-Standard das Verhalten bei Division durch 0 nicht festgelegt: sogar undefiniert. Möglichkeiten eines Ergebnisses: u.v. Programm ignoriert fehlerhafte Division durch 0 und liefert ein nicht-definiertes, fehlerhaftes Ergebnis zurück, z.b. Wert 0; Programm stürzt ab (zwangsweise Beendigung durch BS); Computer stürzt ab (zwangweise Reboot durch Prozessor) und Daten sind gelöscht; R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 8 / 11

9 C-Standards legen sich nicht fest für alle korrekte C-Sprachkonstruktionen Praxis: Zur Zeit aktuell: C99 + TC1/2001, TC2/2004, TC3/ z.b. Eigenschaften gcc vs Normungen C89/C90/C99? : wohl die meisten Neuerungen von C99 im GNU C-Compiler implementiert (fast alle). gcc-compiler-optionen für Standard-bezogene Übersetzungen/Überprüfungen: -ansi oder -std=c89 : C89 + GNU C Spracherweiterungen, welche nicht gegen C89 verstoßen allgemein -std=... : Festlegung bzgl. Standards; etwa -std=c99... Wie oben schon erwähnt: gcc besitzt eine Unmenge an C-Spracherweiterungen, viele eingesetzt: Linuxkern-Implementierung wie in Ur-Zeiten von Unix und C : Linuxkern gcc C-Erweiterungen! Welche Compiler erfüllen welche Norm? Wen es interessiert? R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 9 / 11

10 Eigenschaften der Programmierspache C Eigenschaften der Programmierspache C (1) Eine Art Super-Assembler Synthese aus höherer und maschinennaher Programmiersprache: Konstrukte einer höheren Programmiersprache: Niveau: Unterstützung für Strukturierte Programmierung (1970er Jahre!): Sequenz, Wiederholung, Auswahl ( goto-lose Programmierung) Datentypkonzept: einfache Datentypen; zusammengesetzte, problemanpassbare Typen; Funktionen mit Parameterübergabe maschinennahe Sprachkonstrukte: direkter Zugriff zu Speicherstellen mittels Zeiger + Adress-Arithmetik; Register-Variable, Volatile-Variable, Statische-Variable innerhalb von Funktionen; direkte Manipulation einzelner Bits: Operatorn für Bitmanipulationen; Definition einzelner Bits und Bitgruppen innerhalb von Maschinenworten und Zugriff auf diese; Zeiger-Variablen über Funktionstypen Aufruf von Funktionen über Zeiger(-Variable); ( z.b. Belegung einer Interrupt-Tabelle) R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 10 / 11

11 Eigenschaften der Programmierspache C Eigenschaften der Programmierspache C (2) C-Quellprogramm trotz maschinennähe portable Unterstützung für getrennte Übersetzungseinheiten modulare Programmierung großer Programmierprojekte; Sprachumfang von C klein (z.b. wenig Schlüsselwörter) und übersichtlich; C-Quellprogramme lassen sich sehr kompakt schreiben Gefahr: schlechte Lesbarkeit, Fehleranfällig; keine vordefinierten Funktionen, z.b. für Eingabe/Ausgabe, in der Sprache selbst eingebaut; dafür: Standard-Bibliothek ( C-Lib ); C-Compiler erzeugen i.a. relativ kompakten und schnellen Objekt-Code; i.a. ein effizienter Zugang zur Assembler-Ebene möglich (z.b. asm-inline-funktion des gcc) C: aus der Praxis entstandene und für die Praxis geschaffene Sprache : geringere Exaktheit in der Sprachdefinition keine strenge Typkonsistenz (vielfältige automatische Typkonvertierungen, die leicht übersehen werden können, bzw. deren Auswirkungen nicht bedacht werden); vielfältige Fehlermöglichkeiten, die vom Compiler nicht erkannt werden. C ist eine Sprache für erfahrene Programmierer, nicht für den Anfänger! Nach der Philosophie: Programmierer wissen, was sie tun. R. Spurk (Informatik) Einführung in die Programmiersprache C WS08/09 11 / 11