Vorwort 21. Teil I: Einführung in C++ 25

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1 Vorwort 21 Teil I: Einführung in C Es geht los! Historisches Objektorientierte Programmierung Compiler Das erste Programm Namenskonventionen Integrierte Entwicklungsumgebungen Code::Blocks Eclipse Einfache Datentypen und Operatoren Ausdruck Ganze Zahlen Reelle Zahlen Konstante Zeichen Logischer Datentyp bool Referenzen Regeln zum Bilden von Ausdrücken Standard-Typumwandlungen 57 Bibliografische Informationen digitalisiert durch

2 Inhalt 1.7 Gültigkeitsbereich und Sichtbarkeit Namespace std Kontrollstrukturen Anweisungen Sequenz (Reihung) Auswahl (Selektion, Verzweigung) Fallunterscheidungen mit switch Wiederholungen Kontrolle mit break und continue Benutzerdefinierte und zusammengesetzte Datentypen Aufzählungstypen Arrays: Der C++-Standardtyp vector Zeichenketten: Der C++-Standardtyp string Strukturen Typermittlung mit auto Unions und Bitfelder 91 2 Einfache Ein- und Ausgabe Standardein- und -ausgäbe Ein- und Ausgabe mit Dateien 96 3 Programmstrukturierung Funktionen Aufbau und Prototypen Gültigkeitsbereiche und Sichtbarkeit in Funktionen Lokale static-variable: Funktion mit Gedächtnis Schnittstellen zum Datentransfer Übergabe per Wert Übergabe per Referenz Gefahren bei der Rückgabe von Referenzen Vorgegebene Parameterwerte und variable Parameterzahl Überladen von Funktionen Funktion maino Beispiel Taschenrechnersimulation Spezifikation von Funktionen Modulare Programmgestaltung Steuerung der Übersetzung nur mit #include Einbinden vorübersetzter Programmteile 123

3 Inhalt Dateiübergreifende Gültigkeit und Sichtbarkeit Übersetzungseinheit, Deklaration, Definition Compilerdirektiven und Makros Funktions-Templates Spezialisierung von Templates Einbinden von Templates inline-funktionen Namensräume C++-Header Einbinden von C-Funktionen Objektorientierung Abstrakte Datentypen Klassen und Objekte inline-elementfunktionen Initialisierung und Konstruktoren Standardkonstruktor Allgemeine Konstruktoren Kopierkonstruktor Typumwandlungskonstruktor Beispiel: Rationale Zahlen Aufgabenstellung Entwurf Implementation const-objekte und Methoden Destruktoren Wie kommt man zu Klassen und Objekten? Ein Beispiel Einige Analyse-Überlegungen Formulierung des Szenarios in C Gegenseitige Abhängigkeit von Klassen Konstruktor und mehr vorgeben oder verbieten Delegierender Konstruktor Intermezzo: Zeiger Zeiger und Adressen C-Arrays C-Arrays und sizeof Indexoperator bei C-Arrays 191

4 8 Inhalt Initialisierung von C-Arrays Zeigerarithmetik C-Zeichenketten Dynamische Datenobjekte Freigeben dynamischer Objekte Zeiger und Funktionen Parameterübergabe mit Zeigern Parameter des main-programms Gefahren bei der Rückgabe von Zeigern this-zeiger Mehrdimensionale C-Arrays Statische mehrdimensionale C-Arrays Dynamisch erzeugte mehrdimensionale Arrays Klasse für dynamisches zweidimensionales Array Binäre Ein-/Ausgabe Zeiger auf Funktionen Komplexe Deklarationen lesen Standard-Typumwandlungen für Zeiger Zeiger auf Elementfunktionen und -daten Zeiger auf Elementfunktionen Zeiger auf Elementdaten Objektorientierung Eine String-Klasse Optimierung der Klasse MeinString friend-funktionen Klassenspezifische Daten und Funktionen Klassenspezifische Konstante Klassen-Templates Ein Stack-Template Stack mit statisch festgelegter Größe Template-Metaprogrammierung Variadic Templates : Templates mit variabler Parameterzahl Vererbung Vererbung und Initialisierung Zugriffsschutz Typbeziehung zwischen Ober- und Unterklasse 266

5 Inhalt 7.4 Code-Wiederverwendung Überschreiben von Funktionen in abgeleiteten Klassen Polymorphismus Virtuelle Funktionen Abstrakte Klassen Virtueller Destruktor Probleme der Modellierung mit Vererbung ' Mehrfachvererbung Namenskonflikte Virtuelle Basisklassen Standard-Typumwandlungsoperatoren Typinformationen zur Laufzeit Using-Deklaration für Klassen Private- und Protected-Vererbung Fehlerbehandlung Ausnahmebehandlung Exception-Spezifikation in Deklarationen Exception-Hiérarchie in C Besondere Fehlerbehandlungsfunktionen Erkennen logischer Fehler Arithmetische Fehler / Division durch Speicherbeschaffung mit new Exception-Sicherheit Überladen von Operatoren Rationale Zahlen - noch einmal Arithmetische Operatoren Ausgabeoperator « Eine Klasse für Vektoren Index-Operator [] Zuweisungsoperator = Mathematische Vektoren Multiplikationsoperator Inkrement-Operator Typumwandlungsoperator Smart Pointer: Operatoren -> und* Smart Pointer und die C++-Standardbibliothek 344

6 10 Inhalt 9.6 Objekt als Funktion Lambda-Funktionen new und delete überladen Speichermanagement mit malloc und free Unterscheidung zwischen Heap- und Stack-Objekten Fehlende delete-anweisung entdecken Eigene Speicherverwaltung Empfehlungen im Umgang mit new und delete Mehrdimensionale Matrizen Zweidimensionale Matrix als Vektor von Vektoren Dreidimensionale Matrix Zuweisung bei Vererbung Dateien und Ströme Ausgabe Formatierung der Ausgabe Eingabe Manipulatoren Eigene Manipulatoren Fehlerbehandlung Typumwandlung von Dateiobjekten nachbool Arbeit mit Dateien Positionierung in Dateien Lesen und Schreiben in derselben Datei Umleitung auf Strings Ergänzungen Einführung in die Standard Template Library (STL) Container, Iteratoren, Algorithmen Iteratoren im Detail Beispiel verkettete Liste Reguläre Ausdrücke Elemente regulärer Ausdrücke Greedy oder lazy? Interaktive Auswertung Auszug des regex-apis Anwendungen 418

7 Inhalt Threads Die Klasse thread Synchronisation Thread-Group Thread-Steuerung: pausieren, fortsetzen, beenden Interrupt Warten auf Ereignisse Reader/Writer-Problem Wenn Threads verhungern Reader/Writer-Varianten Thread-Sicherheit 448 Teil II: Bausteine komplexer Anwendungen Grafische Benutzungsschnittstellen Ereignisgesteuerte Programmierung GUI-Programmierung mit Qt Meta-Objektsystem Der Programmablauf Speicher sparen und lokal Daten sichern Signale, Slots und Widgets Dialog Qt oder Boost? Threads Verzeichnisbaum durchwandern Internet-Anbindung Protokolle Adressen Socket Bidirektionale Kommunikation UDP-Sockets Atomuhr mit UDP abfragen HTTP Verbindung mit GET Verbindung mit POST Mini-Webserver 494

8 12 Inhalt 16 Datenbankanbindung C++-Interface Anwendungsbeispiel 508 Teil III: Praktische Methoden und Werkzeuge der Softwareentwicklung Abläufe automatisieren mit make Quellen Wirkungsweise Variablen und Muster Universelles Makefile für einfache Projekte Unit-Test Werkzeuge Test Driven Development Boost Unit Test Framework Beispiel: Testgetriebene Entwicklung einer Operatorfunktion Fixture Testprotokoll und Log-Level Prüf-Makros Kommandozeilen-Optionen Werkzeuge zur Verwaltung von Projekten Dokumentation und Strukturanalyse mit doxygen Strukturanalyse Versionskontrolle Einrichtung des Servers Exemplarische Benutzung Projektverwaltung Projektmanagement Wiki für Software-Entwicklungsprojekte 553 Teil IV: Das C++-Rezeptbuch: Tipps und Lösungen für typische Aufgaben Sichere Programmentwicklung Regeln zum Design von Methoden Defensive Programmierung double-und float-werte richtig vergleichen 561

9 Inhalt const verwenden Anweisungen nach for/if/while einklammern int und unsigned/size_t nicht mischen size_t oder auto statt unsigned int verwenden Postfix++ mit Präfix++ implementieren Ein Destruktor darf keine Exception werfen Typumwandlungsoperatoren vermeiden explicit-konstruktoren bevorzugen Leere Standardkonstruktoren vermeiden Kopieren und Zuweisung verbieten Vererbung verbieten Defensiv Objekte löschen Exception-sichere Beschaffung von Ressourcen Sichere Verwendung von shared_ptr shared_ptr für Arrays korrekt verwenden unique_ptr für Arrays korrekt verwenden Exception-sichere Funktion Exception-sicherer Konstruktor Exception-sichere Zuweisung Aussagefähige Fehlermeldung ohne neuen String erzeugen Empfehlungen zur Thread-Programmierung Warten auf die Freigabe von Ressourcen Deadlock-Vermeidung notify_all oder notify_one? Performance mit Threads verbessern? Von der UML nach C Vererbung Interface anbieten und nutzen Assoziation Aggregation Komposition Performance, Wert- und Referenzsemantik Performanceproblem Wertsemantik Auslassen der Kopie Temporäre Objekte bei der Zuweisung Optimierung durch Referenzsemantik für R-Werte 591

10 14 Inhalt Bewegender Konstruktor Bewegender Zuweisungsoperator Ein effizienter binärer Plusoperator Kopien temporärer Objekte eliminieren Verbesserung durch verzögerte Auswertung Effektive Programmerzeugung Automatische Ermittlung von Abhängigkeiten Getrennte Verzeichnisse: src, obj, bin Makefile für Verzeichnisbäume Rekursive Make-Aufrufe Ein Makefile für alles Automatische Erzeugung von Makefiles Makefile für rekursive Aufrufe erzeugen Erzeugen von Bibliotheken Statische Bibliotheksmodule Dynamische Bibliotheksmodule GNU Autotools CMake Code Bloat bei der Instanziierung von Templates vermeiden extern-template Aufspaltung in Schnittstelle und Implementation Algorithmen für verschiedene Aufgaben Algorithmen mit Strings String spürten String in Zahl umwandeln Zahl in String umwandeln Strings sprachlich richtig sortieren Umwandlung in Klein- bzw. Großschreibung Strings sprachlich richtig vergleichen Von der Groß-/Kleinschreibung unabhängiger Zeichenvergleich Von der Groß-/Kleinschreibung unabhängige Suche Textverarbeitung Datei durchsuchen Ersetzungen in einer Datei Code-Formatierer Lines of Code (LOC) ermitteln 641

11 Inhalt Zeilen, Wörter und Zeichen einer Datei zählen CSV-Datei lesen Kreuzreferenzliste Operationen auf Folgen Container anzeigen Folge mit gleichen Werten initialisieren Folge mit Werten eines Generators initialisieren Folge mit fortlaufenden Werten initialisieren Summe und Produkt Mittelwert und Standardabweichung Skalarprodukt Folge der Teilsummen oder -produkte Folge der Differenzen Minimum und Maximum Elemente rotieren Elemente verwürfein Dubletten entfernen Reihenfolge umdrehen Anzahl der Elemente, die einer Bedingung genügen Gilt X für alle, keins oder wenigstens ein Element einer Folge? Permutationen Lexikografischer Vergleich Sortieren und Verwandtes Partitionieren Sortieren Stabiles Sortieren Partielles Sortieren Das n.-größte oder n.-kleinste Element finden Verschmelzen (merge) Suchen und Finden Element finden Element einer Menge in der Folge finden Teilfolge finden Bestimmte benachbarte Elemente finden Bestimmte aufeinanderfolgende Werte finden Binäre Suche Mengenoperationen auf sortierten Strukturen 684

12 16 Inhalt Teilmengenrelation Vereinigung Schnittmenge Differenz Symmetrische Differenz Heap-Algorithmen popjieap pushjieap makejieap sortjieap isjieap Vergleich von Containern auch ungleichen Typs Unterschiedliche Elemente finden Prüfung auf gleiche Inhalte Rechnen mit komplexen Zahlen: Der C++-Standardtyp complex Schnelle zweidimensionale Matrix Optimierung mathematischer Array-Operationen Singleton Implementierung mit einem Zeiger Implementierung mit einer Referenz Meyers' Singleton Vermischtes Erkennung eines Datums Erkennung einer IP-Adresse Erzeugen von Zufallszahlen for_each - Auf jedem Element eine Funktion ausführen Verschiedene Möglichkeiten, Container-Bereiche zu kopieren Vertauschen von Elementen, Bereichen und Containern Elemente transformieren Ersetzen und Varianten Elemente herausfiltern Grenzwerte von Zahltypen Minimum und Maximum Ein- und Ausgabe Datei- und Verzeichnisoperationen Datei oder Verzeichnis löschen 728

13 Inhalt Datei oder Verzeichnis umbenennen Verzeichnis anlegen Verzeichnis anzeigen Verzeichnisbaum anzeigen Tabelle formatiert ausgeben Formatierte Daten lesen Eingabe benutzerdefinierter Typen Array als Block lesen oder schreiben 737 Teil V: Die C++-Standardbibliothek Aufbau und Übersicht Auslassungen Beispiele des Buchs und die C++-Standardbibliothek Hilfsfunktionen und -klassen Relationale Operatoren Unterstützung der Referenzsemantik für R-Werte Paare Tupel Funktionsobjekte Arithmetische, vergleichende und logische Operationen Funktionsobjekte zum Negieren logischer Prädikate Binden von Argumentwerten Funktionen in Objekte umwandeln Templates für rationale Zahlen Zeit und Dauer Hüllklasse für Referenzen Container Gemeinsame Eigenschaften Initialisierungslisten Konstruktion an Ort und Stelle Reversible Container Sequenzen vector vector<bool> list 772

14 18 Inhalt deque stack queue priority_queue array Sortierte assoziative Container map multimap set multiset Hash-Container unordered_map unordered_multimap unordered_set unordered_multiset bitset Iteratoren Iterator-Kategorien Anwendung von Traits distancefj und advancefj Reverse-Iteratoren Insert-Iteratoren Stream-Iteratoren Algorithmen Algorithmen mit Prädikat Algorithmen mit binärem Prädikat Übersicht Nationale Besonderheiten Sprachumgebungen festlegen und ändern Die locale-funktionen Zeichensätze und -Codierung Zeichenklassifizierung und -Umwandlung Kategorien collate ctype 831

15 Inhalt numeric monetary time messages Konstruktion eigener Facetten String Speichermanagement Smart Pointer unique_ptr, shared_ptr, weak_ptr new mit vorgegebenem Speicherort Hilfsfunktionen Optimierte numerische Arrays (valarray) Konstruktoren Elementfunktionen Binäre Valarray-Operatoren Mathematische Funktionen slice und slice_array gslice und gslice_array mask_array indirect_array C-Header <cassert> <cctype> <cerrno> <cmath> <cstdarg> <cstddef> <cstdio> <cstdlib> <cstring> <ctime> 881 A Anhang 883 A.1 Programmierhinweise 883 A.2 C++-Schlüsselwörter 887 A.3 ASCn-Tabelle 887

16 20 Inhalt A.4 Rangfolge der Operatoren 890 A.5 Compilerbefehle 891 A.6 Lösungen zu den Übungsaufgaben 892 A.7 Installation der DVD-Software für Windows 937 A.7.1 Installation des Compilers und der Entwicklungsumgebung 937 A.7.2 Installation der Boost-Bibliothek 937 A.7.3 Installation von Qt 938 A.7.4 Codeblocks einrichten 938 A.7.5 Integration von Qt in ein Code::Blocks-Projekt 940 A.7.6 Bei Verzicht auf die automatische Installation 941 A.8 Installation der DVD-Software für Linux 942 A.8.1 Installation des Compilers 942 A.8.2 Installation von Boost 943 A.8.3 Installation von Code::Blocks 944 A.8.4 Code-Blocks einrichten 945 A.8.5 Beispieldateien entpacken 946 A.8.6 Installation von Qt4 946 A.8.7 Integration von Qt in ein Code::Blocks-Projekt 947 Glossar 949 Literaturverzeichnis 959 Register 963