Softwaretechnik in C und C++

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1 Softwaretechnik in C und C++ Modulare, objektorientierte und generische Programmierung von Rolf Isernhagen 1. Auflage Softwaretechnik in C und C++ Isernhagen schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Hanser München 1999 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN

2 Inhaltsübersicht I Die Sprache C und Modulare Softwareentwicklung 1 ANSI/ISO-C, Clean-C und Better-C ANSI/ISO-C unter besonderer Berücksichtigung der Aufwärtskompatibilität zu ANSI/ISO-C++, Clean-C als Schnittmenge von C und C++ und Better-C als Erweiterung von C um einige Bestandteile von C++. 2 ANSI/ISO-C-Standardbibliothek Kompakte Übersicht über die Funktionalität der Bibliotheksmodule, die sich dem Benutzer in Form von Header-Dateien präsentieren, die jeweils Deklarationen von Funktionen, Variablen und Konstanten sowie Typdefinitionen enthalten können. 3 Modulare Programmierung Es werden die Möglichkeiten der Modularen Programmierung und der Generischen Programmierung in ANSI/ISO-C durch Verwenden entsprechender Schemata aufgezeigt, mit der entsprechende Defizite der Sprache kompensiert werden können. II Datenstrukturen, Algorithmen, ADTs, Container 4 Sortieren, Suchen und Zeitkomplexität Es werden Algorithmen für das Sortieren und Suchen in Arrays vorgestellt, und in dem Rahmen wird die Zeitkomplexität als qualitativer Maßstab zur Bewertung von Algorithmen eingeführt. 5 Dynamische Datenstrukturen In diesem Kapitel werden wichtige Datenstrukturen wie Listen, Bäume, AVL- Bäume, Bayer-Bäume, Heaps und Hashstrukturen zusammen mit den entsprechenden Algorithmen entwickelt und in wiederverwendbare Generische Module verpackt. 6 Container-Strukturen Es werden typische Containerstrukturen wie stack, queue, priorityqueue, set,

3 X Inhaltsübersicht multiset, map, multimap und vector durch Abbilden auf die im vorigen Kapitel behandelten Datenstrukturen entwickelt. 7 Automaten in der Softwaretechnik Es werden Automatenmodelle Endliche Automaten und Kellerautomaten als Grundlage des Softwareentwurfs vorgestellt. Sie spielen z.b. eine wichtige Rolle beim Erkennen von einfachen Mustern (Scanner) und beim Erkennen von komplexeren Mustern (Parser). III Die Sprache C++ und ihre Softwaretechniken 8 Von ANSI/ISO-C nach ANSI/ISO-C++ ein Überblick Kompakter Überblick über die Sprache C++ und über die C++-Standardbibliothek auf der Basis von C, es werden die nicht objektorientierten und die objektorientierten Erweiterungen sowie deren Benutzung skizziert. 9 Objektorientierte Programmierung Hier werden die Bestandteile der Sprache C++ und deren Verwendung im Detail behandelt, die insbesondere die Objektorientierte Programmierung und die Generische Programmierung unterstützen. 10 Objektorientierte und Generische Softwareentwicklung Dieses Thema umfaßt besondere Programmiertechniken, Methoden und Konzepte zur effektiven Anwendung der von C++ angebotenen Sprachkonstrukte, die sowohl die Objektorientierte Programmierung als auch die Generische Programmierung als auch die Möglichkeiten, die sich aus Kombination beider Paradigmen ergeben, massiv unterstützen. 11 ANSI/ISO-C++-Standardbibliothek Es wird ein Überblick über die sehr umfangreiche Standardbibliothek der Sprache C++ gegeben, und die wichtigsten Teile dieser Bibliothek insbesondere die Unterstützung für das Arbeiten mit Eingabe- und Ausgabeströmen, mit Strings und mit Containern werden im Detail vorgestellt und deren Anwendung an vielen Beispielen demonstriert.

4 Inhaltsverzeichnis I Die Sprache C und Modulare Softwareentwicklung 1 1 ANSI/ISO-C, Clean-C und Better-C Entwicklungsgeschichte: Von K&R-C nach C Clean-C und Better-C Neun Beispiele Aufbau der Sprache Lexikalische und Syntaktische Struktur Formale Beschreibung (Syntaxnotation) Lexikalische Elemente (Symbole, Token) Clean-C/Better-C: Restriktionen/Erweiterungen Daten, Operatoren, Ausdrücke, Anweisungen Vordefinierte Datentypen Variablen und Konstanten 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 Bedingte Ausdrücke und bedingte Anweisungen Clean-C/Better-C: Restriktionen/Erweiterungen Steueranweisungen Übersicht Verbundanweisung (compound-statement) Verzweigungen Wiederholungen Marken und Sprünge Zusammenfassung

5 XII Inhaltsverzeichnis Clean-C/Better-C: Restriktionen/Erweiterungen Funktionen Grundlagen Rekursive Algorithmen und Funktionen Variable Anzahl von Parametern Definition, Deklaration und Aufruf von Funktionen ANSI/ISO-C-Bibliotheksfunktionen Clean-C/Better-C: Restriktionen/Erweiterungen Datenstrukturen, Werte- und Zeigersemantik Zeiger, Adressen, Vektoren Mehrdimensionale Vektoren Strukturen Vereinigungen (Unionen) Zeiger und Zeigerkonvertierungen Arbeiten mit selbstverwalteten Daten, Zeigersemantik Syntax von Deklarationen Clean-C/Better-C: Restriktionen/Erweiterungen Eingabe und Ausgabe von Daten Überblick Typen, Variable und Konstanten Arbeiten mit den Standardgeräten Arbeiten mit Textdateien Datenformatierung Dateien mit Blockstruktur Strings als Medium für formatierte Ein- und Ausgabe Fehlerbehandlung Weitere Funktionen Clean-C/Better-C: Restriktionen/Erweiterungen Programmstruktur und Speicherklassen Dateien, Geltungsbereiche, Lebensdauer Geltungsbereich von Bezeichnern Lebensdauer von Variablenwerten Zusammenfassung und Ergänzungen Module: Definitions- und Implementationsdateien Allgemeiner Aufbau von ANSI/ISO-C-Programmen Clean-C/Better-C: Restriktionen/Erweiterungen Zeiger auf Funktionen Zeiger auf Funktionen in Vektoren und Strukturen Zeiger auf Funktionen als Funktionsparameter Präprozessor Einfügen von Dateien Ersetzen von Textstellen Bedingte Einfügung, bedingte Übersetzung

6 Inhaltsverzeichnis XIII Definition von Makros Vordefinierte Namen Sonstiges Zusammenfassung und Bewertung Clean-C/Better-C: Restriktionen/Erweiterungen Speicherverwaltung, Speichermodelle Fehlerbehandlung/Ausnahmebehandlung Übungen ANSI/ISO-C-Standardbibliothek Kurzübersicht über die Gesamtbibliothek Fehlerdiagnostik: <assert.h> Zeichenoperationen: <ctype.h> Fehlererkennung: <errno.h> Grenzwerte für Gleitkommatypen: <float.h> Grenzwerte für ganzzahlige Typen: <limits.h> Lokale (nationale) Definitionen: <locale.h> Mathematische Funktionen: <math.h > Globale Sprünge : <setjmp.h> Ausnahmebehandlung: <signal.h> Variable Parameterlisten: <stdarg.h> Allgemeine Definitionen: <stddef.h> Ein- und Ausgabe: <stdio.h> Hilfsfunktionen: <stdlib.h> String-Operationen: <string.h> Datum und Zeit: <time.h > Modulare Programmierung 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

7 XIV Inhaltsverzeichnis 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 Übungen II Datenstrukturen, Algorithmen, ADTs, Container Sortieren, Suchen und Zeitkomplexität Zeitkomplexität 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

8 Inhaltsverzeichnis XV Definition der Ausgeglichenheit und Konzept Einfügen Löschen ADT Avl (Ausgeglichener Binärer Suchbaum) Vielweg-Bäume (Bayer-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 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

9 XVI Inhaltsverzeichnis III Die Sprache C++ und ihre Softwaretechniken Von ANSI/ISO-C nach ANSI/ISO-C++ ein Überblick Die Funktion main Neue Schlüsselwörter und reservierte Wörter Neue Operatoren Neue Bibliotheksmodule Der Namensraum std Deklarationen und Bindung Benutzen von Modulen mit C-Bindung (Bindespezifikation) Kleine nicht objektorientierte Erweiterungen Vordefinierter Makro-Name Inline-Kommentare Inline-Funktionen Der Typ bool Der Typ wchar t Zeichenkonstanten Syntax von Typkonvertierungen Das Attribut const Erweiterung des Strukturtyps Positionierung von Deklarationen Default-Parameterwerte und variable Parameterzahl Funktionen ohne Parameter Mittlere nicht direkt objektorientierte Erweiterungen Referenztypen Speicherverwaltung mit new und delete Überladen von Funktionen Überladen von Operatoren Generische Funktionen (Funktions-Templates) Namensbereiche (Namespaces) Typkonvertierungen (Typecasts) Objektorientierung: das Klassenkonzept Die Konzepte der Objektorientierung in C Klassen Vererbung Polymorphie und dynamisches Binden Klassenschablonen Ausnahmebehandlung (Exception Handling) Die C++-Standardbibliothek Überblick Neues EA-Konzept: Stream-IO Container & Zubehör: Standard Template Library (STL) Strings

10 Inhaltsverzeichnis XVII 9 Objektorientierte Programmierung Kapselung: Klassen als Abstrakte Datentypen Grundlagen Konstruktoren Destruktoren Der Zuweisungsoperator Minimale Standardschnittstelle und Nice Class Konstante Elementfunktionen, konstante Objekte Zugriffsrechte Mitglieder und Freunde Überladen von Operatoren Überladen von Konvertierungsoperatoren Übergabe per Referenz und das Attribut const Dynamische verwaltete Daten in Klassen Effizienzbetrachtungen: Laufzeiteffizienz Statische Elemente in einer Klasse Schachtelung von Klassen Funktionsobjekte Zusammenfassung: Wichtige Hinweise und Regeln Übungsaufgaben Vererbung: Erweiterung von Klassen Grundlagen Konstruktoren, Destruktor und Zuweisungsoperator Virtuelle Funktionen Öffentliches und Privates Erben Privates Erben und Benutzen Rein Virtuelle Funktionen und Abstrakte Klassen Übungsaufgaben Polymorphie: Dynamisches Binden Dynamisches Binden von Elementfunktionen Heterogene Datenstrukturen Virtuelle Destruktoren Ein Klassensystem für graphische Objekte, Vers Objektschachtelung: Graphische Objekte, Vers Zwei Aspekte der Polymorphie: heterogen und generisch Polymorphe Container-Strukturen Die richtige Anwendung der Vererbung Verschiedene Sichten und Probleme Schnittstellen-Klassen Abstrakte und nicht abstrakte Basisklassen Fallstudie Querverweis-Listengenerator Zuweisungsoperatoren in Klassen mit polymorphen Zeigern Mehrfachvererbung Grundlagen

11 XVIII Inhaltsverzeichnis Verwendung nichtvirtueller Basisklassen Verwendung virtueller Basisklassen Virtuelle Methoden in virtuellen Basisklassen Fallstudie Querverweis-Listengenerator Beziehungen zwischen Klassen Übersicht Klassen-Templates: Generische Strukturen Grundlagen Eine generische Container-Bibliothek Spezialisierung von Templates Eine spezialisierte Container-Bibliothek Funktions-Templates Funktions-Templates als Elemente Laufzeit- und Compilezeit-Polymorphismus Namensbereiche: Namenskollisionen vermeiden Grundlagen: Definition und Benutzung Erweiterung von Namensbereichen Alias (Synonym) für Namensbereiche Using-Direktive und Using-Deklaration Anonyme Namensbereiche Anwendung von Namensbereichen Typkonvertierung, Laufzeit-Typinformation Die Grundidee Syntax und Semantik der Sprachkonstrukte Zusammenfassung Ausnahmebehandlung (Exception-Handling) Grundlagen Syntax und Semantik der Sprachkonstrukte Ausnahmebehandlung am Beispiel der Klasse Stack Empfehlungen Zusammenfassung Objektorientierte und Generische Softwareentwicklung Besondere Programmiertechniken Smart Pointer Iteratoren Generische Algorithmen Referenzzählung (Reference-Counting) Template-Metaprogrammierung Compilezeit-Berechnungen Compilezeit-Polymorphismus Zusicherungen (assertions) Das Prinzip: Zusicherungen in Eiffel Simulation von Zusicherungen in C++, Version

12 Inhaltsverzeichnis XIX Simulation von Zusicherungen in C++, Version Zusammenfassung Fallstudien Strings Eine Array-Klasse Entwicklung einer kleinen Container-Bibliothek ANSI/ISO-C++-Standardbibliothek Übersicht Allgemeine Dienste Vergleichsoperatoren Paare Auto-Zeiger Strings Konzept und Übersicht Funktionalität Eingabe 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 Eingabe- und Ausgabemedium Anzeige & Abfrage von Zuständen, Fehlerbehandlung Eigene Definitionen, weitere Funktionen Container Das Konzept der Standard Template Library (STL) Container für Sequenzen Containeradapter für Sequenzen Container für Assoziationen Die Containerklasse bitset Iteratoren Operationen und Klassifizierung Iteratoren als Container-Schnittstellen Reverse-Iteratoren Insert-Iteratoren Stream-Iteratoren Selbstdefinierte Iteratoren (Iterator-Adapter) Funktionsobjekte Verwendung von Funktionsobjekten Funktionsobjekte der Standardbibliothek Funktionsadapter der Standardbibliothek

13 XX Inhaltsverzeichnis 11.8 Algorithmen: globale generische Funktionen Nicht modifizierende sequentielle Operationen Modifizierende sequentielle Operationen Sortieren, Suchen und verwandte Operationen Mengenoperationen Heap-bezogene Operationen Minimax bestimmen und lexikographische Vergleiche Permutieren Anwendungsbeispiel Textanalyse Anwendungsbeispiel Anagramme Weitere Dienstleistungen Ausnahmebehandlung Grenzwerte der Implementierung Speichermodelle Internationalisierung Numerik Literaturverzeichnis 907 C/C++-Textverzeichnis 911 Abbildungsverzeichnis 919 Tabellenverzeichnis 923 Stichwortverzeichnis 925