Einführung in die Programmiersprache C

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1 Einführung in die Programmiersprache C 11 Was bisher verschwiegen wurde Alexander Sczyrba Robert Homann Georg Sauthoff Universität Bielefeld, Technische Fakultät

2 Type qualifier Typen können mit folgenden Schlüsselwörtern qualifiziert werden: const restrict volatile 1 i n t foo ( char r e s t r i c t, 2 const char r e s t r i c t ) ; Typen mit unterschiedlichen Qualifizierern sind inkompatibel.

3 const const meint read-only, nicht konstant... Initialisierung muß bei Deklaration stattfinden: const i n t i = 5 ; nicht so: const i n t i ; i = 5 ; // Compiler F e h l e r read-only wird nicht konsequent durchgesetzt: 1 const i n t i = 5 ; 2 p r i n t f ( "%d\n ", i ) ; // 5 3 i n t j = & i ; // Warnung, k e i n F e h l e r 4 j = 1 ; // " Konstante " s e t z e n 5 p r i n t f ( "%d\n ", i ) ; // 1 bei Pointern: konstante Daten, falls links vom Stern, konstanter Pointer, falls rechts vom Stern

4 const 1 i n t foo ( const char ) ; 2 i n t foo ( char const ) ; 3 i n t foo ( char const ) ; // h i e r s i n n l o s 4 i n t foo ( const char const ) ; 5 6 const char p1 ; 7 char const p2 ; 8 char const p3 ; 9 const char const p4 ;

5 const 1 i n t foo ( const char ) ; 2 i n t foo ( char const ) ; 3 i n t foo ( char const ) ; // h i e r s i n n l o s 4 i n t foo ( const char const ) ; 5 6 const char p1 ; 7 char const p2 ; 8 char const p3 ; 9 const char const p4 ; 1 Pointer auf konstante Daten 2 Pointer auf konstante Daten 3 konstanter Pointer auf nicht konstante Daten 4 konstanter Pointer auf konstante Daten

6 restrict Mitteilung an den Compiler: auf die Daten, auf den ein restrict-pointer p zeigt, wird (in dem Scope) nur über p zugegriffen kein Aliasing von Speicherbereichen (Fortran-Semantik) Compiler kann besser optimieren restrict steht immer rechts vom Stern geht erst mit C99 (oder als Compiler-Erweiterungen, z.b. als restrict, restrict, _Restrict) Achtung Programmierer ist selbst für die Einhaltung dieser Semantik verantwortlich!

7 restrict 1 i n t foo ( char r e s t r i c t, 2 const char r e s t r i c t ) ; 3 4 char p = m a l l o c ( 4 2 ) ; 5 char q = m a l l o c ( 2 3 ) ; 6 foo ( p, p ) ; // F a l s c h! 7 foo ( p, p + 1 ) ; // F a l s c h! 8 foo ( p, q ) ; // R i c h t i g

8 restrict 1 i n t foo ( char r e s t r i c t, 2 const char r e s t r i c t ) ; 3 4 char p = m a l l o c ( 4 2 ) ; 5 char q = m a l l o c ( 2 3 ) ; 6 foo ( p, p ) ; // F a l s c h! 7 foo ( p, p + 1 ) ; // F a l s c h! 8 foo ( p, q ) ; // R i c h t i g 1 void memcpy ( void r e s t r i c t s1, 2 const void r e s t r i c t s2, 3 s i z e _ t n ) ;

9 volatile Mitteilung an den Compiler: der Wert einer als volatile qualifizierten Variablen kann außerhalb der C-Implementierung gesetzt werden volatile-variablen dürfen nicht Teil von Optimierungen sein, die keine versteckten Seiteneffekte annehmen üblicherweise für direkten Zugriff auf Hardware, die ihren Speicher in den Adressraum einblendet (memory-mapped I/O) andere Anwendung: prefetching

10 Wiederholung: Type Casts Typsystem von C ist nicht strikt zwischen inkompatiblen Typen kann explizit ge cast et werden Typqualifizierer können ebenfalls weg-ge cast et werden es sind auch implizite Typwandlungen möglich

11 Wiederholung: Type Casts Typsystem von C ist nicht strikt zwischen inkompatiblen Typen kann explizit ge cast et werden Typqualifizierer können ebenfalls weg-ge cast et werden es sind auch implizite Typwandlungen möglich 1 i n t foo ( void x, char y, const char z ) { 2 char a = x ; 3 double b = ( double ) y ; 4 char c = ( char ) z ; 5 /... / 6 } 7 8 i n t i = 1. 0 ; // i m p l i z i t 9 double d = 1 ; // d i t t o

12 Enumerations Syntax ähnlich zu struct. 1 enum { SCHWARZ, ROT, GOLD } ; 2 // oder 3 enum f a r b e n { SCHWARZ, ROT, GOLD } ; 4 enum f a r b e n foo = SCHWARZ; 5 // oder 6 typedef enum { SCHWARZ, ROT, GOLD } f a r b e n ; 7 f a r b e n foo = SCHWARZ; 8 9 i n t bar = SCHWARZ;

13 Enumerations C-Enumerations sind Integer-Typen kompatibel zu anderen Integer-Typen per default startet eine Enum mit dem Wert 0 Alternative zu #define für Integer-Konstanten 1 typedef enum { SCHWARZ, ROT, GOLD } f a r b e n ; 2 typedef enum { SCHWARZ=3, ROT=1, GOLD=0 } f a r b e n ; 3 typedef enum { SCHWARZ=3, ROT, GOLD } f a r b e n ; 4 f a r b e n foo = SCHWARZ; 5 f a r b e n foo = 3 ; // unschoen 6 7 i n t bar = SCHWARZ; 8 9 switch ( foo ) { case SCHWARZ : break ; case ROT... }

14 Unions Ähnlich wie struct, nur werden alle Komponenten an derselben Startadresse gespeichert. 1 union bar { i n t a ; double b ; char c ; } ; 2 union bar foo ; 3 // oder 4 union { i n t a ; double b ; char c ; } foo ; 5 // oder 6 typedef union { 7 i n t a ; double b ; char c ; } bar ; 8 bar foo ; 9 10 foo. a = 3 ; 11 foo. b = 2. 0 ; 12 foo. c = " H a l l o Welt! " ;

15 Unions 1 typedef enum { BRANCH, LEAF } type ; 2 3 s t r u c t node ; 4 5 typedef union { s t r u c t { 6 s t r u c t node l e f t ; 7 s t r u c t node r i g h t ; 8 } br ; 9 i n t l e a f ; 10 } c o n t e n t ; 11 typedef s t r u c t node { 12 type t ; 13 c o n t e n t c ; 14 } node ;

16 Bitfelder effiziente Speicherung einzelner Bits z.b. Flags,... Bits können per Namen angesprochen werden geht nur innerhalb von struct und union Bitorder in Bitfields ist nicht portabel 1 typedef struct { 2 unsigned i n t s i g n : 1 ; // e i n B i t 3 unsigned i n t exp : 8 ; // acht B i t 4 unsigned i n t f r a c : 2 3 ; // 2 3 B i t 5 } i e e e _ f l o a t ; // i n s g e s a m t 3 2 B i t

17 , Komma-Operator für sequentielle Ausführung 1 i n t i, j ; 2 f o r ( i = 0, j = 1 0 ; i < 10; i ++, j ) 3 p r i n t f ( "%d %d\n", i, j ) ;

18 , Vorsicht, Falle: 1 void foo ( i n t sqmat ) 2 { 3 sqmat [ 3, 4 ] = 5 ; // F a l s c h! 4 sqmat [ 3 ] [ 4 ] = 5 ; // das war gemeint... 5 } Keine Fehler beim Compilieren, nur Warnungen von gcc: 1 left-hand operand of comma expression has no effect 2 assignment makes pointer from integer without a cast Die erste Warnung kommt nur mit -Wall!

19 Übung Übung Programmiere eine Funktion, die zur Laufzeit testet, ob das Programm auf einer Big- oder Little-Endian-Architektur ausgeführt wird. 1 Implementiere den Test mit Hilfe einer union! 2 Implementiere alternativ den Test ohne Verwendung einer union! 3 Wie könnte ein Dateiformat die Verwendung einer variablen Byte-Order implementieren?

20 Integer-Typen in C99 ANSI-C 89: Größen von int, short, long, etc. sind nicht definiert, also implementierungsabhängig Üblicherweise kein Problem! Genauer Wertebereich eines Datentyps ist meist uninteressant, es reicht zu wissen: size_t reicht, um Objektgrößen zu speichern off_t reicht, um Dateigrößen zu speichern int und long sind für Ganzzahlarithmetik gut... konkrete Grenzen sind in limits.h definiert (z.b. INT_MIN, ULONG_MAX, etc.)

21 Integer-Typen in C99 Manchmal aber doch ein Problem, z.b. beim Lesen/Schreiben von binären Dateiformaten beim Lesen/Schreiben von binären Netzwerkprotokollen beim direkten Zugriff auf Hardware...

22 Integer-Typen in C99 Daher ab C99: Typen mit exakten Größen Typen in stdint.h, Format-String-Makros in inttypes.h Typ kleinster Wert größter Wert Format-String intn_t INTn_MIN INTn_MAX PRIdn/SCNdn uintn_t 0 UINTn_MAX PRIun/SCNun häufig für n {8, 16, 32, 64} definiert Andere Integer-Typen: int_leastn_t/uint_leastn_t int_fastn_t/uint_fastn_t intptr_t/uintptr_t intmax_t/uintmax_t

23 Integer-Typen in C99 1 uint64_ t read_and_sum_up ( FILE i n ) 2 { 3 uint64_ t sum = 0 ; 4 int24_ t temp1 ; 5 uint8_ t temp2 ; 6 7 while ( f s c a n f ( in, "%" SCNd24 " %" SCNu8 " \n", 8 &temp1, & temp2 ) == 2) 9 { 10 p r i n t f ( " Value f o r %" PRId24 " : % " PRIu8 " \n", 11 temp1, temp2 ) ; 12 sum += temp2 ; 13 } 14 return sum ; 15 }

24 Übung Übung Lese alle Frame-Header einer gegebenen MPEG-Audio-Datei aus und gib für jeden Header folgende Informationen aus: Layer (I, II oder III) Bitrate Abtastrate Referenz: Hints: Ein Frame-Header ist genau 32 Bit groß. Frames liegen nicht immer direkt nebeneinander, nicht jede Datei fängt direkt mit einem Frame-Header an. Die oberen 11 Bit eines gültigen Headers sind gesetzt (sync).

Integer Integer Integer (Voreinstellung) Integer Gleitkomma Gleitkomma leer/unbestimmt Integer ohne Vorzeichen Integer (explizit) mit Vorzeichen

Integer Integer Integer (Voreinstellung) Integer Gleitkomma Gleitkomma leer/unbestimmt Integer ohne Vorzeichen Integer (explizit) mit Vorzeichen 1 C-Schlüsselwörter Schlüsselwörter sind in allen Programmiersprachen reservierte Wörter. In C sind auch alle Namen _[A-Z]... und... reserviert, auch _... bereichsweise. Weiterhin durch die Standard-

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