Teil 6: Strukturen und Unionen Gliederung

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1 Teil 6: Strukturen und Unionen Gliederung Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung

2 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Strukturen 6.2

3 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Strukturen Ursprung in Pascal als Datentyp record, auch Verbunddatentyp bzw. Strukturtyp (in C) kann Komponenten (Variablen) verschiedener Typen enthalten: Personal- Nachname Vorname Straße Haus- Postleit- Wohnort Gehalt nummer nummer zahl int char[20] char[20] char[20] int int char[20] float Gruppierung logisch zusammenhängender Daten z. B. Datum, Adresse, Personendaten, geometrische Objekte, Lesen und Schreiben auf externe Datenträger als Einheit 6.3

4 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Strukturvariablen-Definition Variable eines Strukturtyps = aus Komponentenvariablen zusammengesetzte Variable Strukturvariable Komponentenvariable 1 Komponentenvariable 2... Komponentenvariable n 6.4

5 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Strukturtyp-Definition frei definierter, zusammengesetzter Datentyp feste Anzahl von Komponenten struct Name typ1 komponentenvariable_1; typ2 komponentenvariable_2;... typn komponentenvariable_n; }; der Typname ist "struct Name" struct Name strukturvariable; keine Funktionen als Komponenten ( OOP) 6.5

6 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Beispiel-Definition struct Adresse char strasse[20]; int hausnummer; int postleitzahl; char stadt[20]; }; struct Student int matrikelnummer; char name[20]; char vorname[20]; struct Adresse wohnort; }; struct Student meyer, mueller; // 2 Studenten struct Student semester[50]; // Feld mit 50 Studenten 6.6

7 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Übergabe an Funktionen call-by-value wie bei elementaren Datentypen int, char, float, etc. Initialisierungslisten struct Student meyer = 66202, "Meyer", "Herbert", "Schillerplatz", 20, 73730, "Esslingen" } }; 6.7

8 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Zugriff auf Komponentenvariable meyer.matrikelnummer = ; strcpy (meyer.name, "Meyer"); meyer.wohnort.postleitzahl = 73733; strcpy (meyer.wohnort.stadt, "Esslingen"); printf ("%6d %5d %s\n", meyer.matrikelnummer, meyer.wohnort.postleitzahl, meyer.name); 6.8

9 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Varianten der Definition mit Strukturname/Etikett (üblich) struct Koordinaten float x; float y; } punkt1; struct Koordinaten punkt2, punkt3; ohne Strukturname/Etikett (unüblich) struct float x; float y; } punkt1, punkt2, punkt3; 6.9

10 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Struktur-Zuweisungen, Vergleich direkte Zuweisung möglich struct Koordinaten punkt2 = 1.5, 3.0}, punkt3; punkt3 = punkt2; alle Komponentenwerte der Variablen punkt2 den jeweiligen Komponenten der Variablen punkt3 zugewiesen ABER: Prüfung auf Gleichheit if (punkt2 == punkt3) ist nicht möglich! Größe einer Strukturvariablen im Arbeitsspeicher sizeof (struct Koordinaten) 6.10

11 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Selektion über Zeiger Punktoperator. und Pfeiloperator -> struct Koordinaten float x; float y; } punkt1; struct Koordinaten punkt1 = 1.5, 3.0}, *ppunkt; ppunkt = &punkt1; Frage: Wie greife ich auf Komponenten über den Zeiger ppunkt zu? 6.11

12 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Selektion über Zeiger Punktoperator. und Pfeiloperator -> struct Koordinaten float x; float y; } punkt1; struct Koordinaten punkt1 = 1.5, 3.0}, *ppunkt; ppunkt = &punkt1; Komponenten-Selektion über Zeiger auf 2 Arten möglich: ppunkt->x bzw. (*ppunkt).x z.b. ppunkt->x = 3; (*ppunkt).x = 3; 6.12

13 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Zeiger und geschachtelte Strukturen Strukturvariablen als Komponenten struct Vektor struct Koordinaten *anfang; struct Koordinaten *ende; }; Zeiger vom Typ Vektor struct Vektor vec, *pvec; vec.anfang = &punkt2; vec.ende = &punkt3; pvec = &vec;... pvec->anfang->x bzw. 6.13

14 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Stringvariable in Strukturen Strings als Komponenten struct Name char nachname[20]; char *vorname; }; struct Name maier = "Maier", "Herbert"}; char nachname[20]; alle Zeichen gehören zur Strukturvariablen, = String innerhalb der Struktur char *vorname; strukturexterner (konstanter) String 6.14

15 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Typdefinitionen mittels typedef 6.15

16 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Was ist typedef? Vergabe eines neuen Namens (Alias) neuername für einen schon bekannten oder soeben definierten Datentyp typedef bekanntertyp neuername; Beispiele: typedef unsigned long int UINT; typedef float REAL; UINT a = ; REAL b; 6.16

17 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Anwendung spart Schreibarbeit Portierung von Programmen mit maschinenabhängigen Datentypen nicht portable Datentypen treten nur einmal im Programm auf (in der typedef-vereinbarung) Beispiel: einheitlicher 32-Bit INT typedef int INT; typedef long int INT; // Anpassung auf 32-Bit System // Anpassung auf 16-Bit System Beispiel: Windows-API

18 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung typedef und Strukturen struct Datum short int tag; char monat[10]; short int jahr; }; typedef struct short int tag; char monat[10]; short int jahr; } DATUM; struct Datum heute; DATUM heute; Empfohlene Variante 6.18

19 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Unionen 6.19

20 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Union-Definition Benutzung wie Struktur ABER: alle Komponenten (Alternativen) beginnen bei der selben Adresse speichert jeweils nur eine einzige Komponente (aus Reihe von Alternativen) union Vario int float } variant; intalternative; floatalternative; Programmierer muss verfolgen, welcher Typ momentan in der Union gespeichert ist 6.20

21 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Zugriff auf Alternativen union Variant int intalternative; float floatalternative; }; int x; union Variant vario; Alternative schreiben / auslesen vario.floatalternative = 123.0; x = vario.intalternative; Zeiger auf Union union Variant *pvario = &vario; x = pvario->intalternative; 6.21

22 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Beispiel: Union typedef union long int dw; char byte[4]; } PIXEL; PIXEL pix; char ein_byte; pix.dw = 0xABCD1234; ein_byte = pix.byte[3]; pix.byte[0] = 0xFF; // liefert das // höchstwertigste Byte // setzt das niederwertigste // Byte 6.22

23 Dynamische Speicherverwaltung

24 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Dynamische Speicherverwaltung Problem: Lösung: Speicherbedarf ist während verschiedener Programmausführungen unterschiedlich Variable (insb. Arrays) maximal dimensionieren: char eingabetext[1000]; Nachteile? oder Variable Feldgröße in lokalen Arrays nutzen (ab C99) 6.24

25 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Statische vs. dynamische Variablen statische Variable int x; Verfügbarkeit und Ablage (Speichersegment) je nach Speicherklasse (extern, static, auto) Speichersegmente Code Daten Heap Stack 6.25

26 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Statische vs. dynamische Variablen dynamische Variable hat keinen Bezeichner, keine Vereinbarung Anlegen erfolgt bei Bedarf auf dem Heap Zugriff durch Zeiger auf Bereich im Heap Code Daten Heap Stack stat. Pointer- Variable stat. Pointer- Variable dyn. Variable dyn. Variable Daten Stack Heap 6.26

27 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Dynamische Speicherverwaltung Problem: Lösung bisher: Speicherbedarf ist während verschiedener Programmausführungen unterschiedlich Variablen (insb. Arrays) maximal dimensionieren Nachteil: "verschenkter" Speicher 6.27

28 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Dynamische Speicherverwaltung Problem: Lösung bisher: Lösung neu: Speicherbedarf ist während verschiedener Programmausführungen unterschiedlich Variablen (insb. Arrays) maximal dimensionieren Nachteil: "verschenkter" Speicher Speicherbedarf dynamisch, d.h. zur Programmlaufzeit festlegen stdlib.h bietet Funktionen zum Speicheranforderung und -freigabe: void* malloc(int Groesse); void* calloc(int AnzahlElemente, int ElementGroesse); void* realloc(void *memblock, int Groesse); void free(void *memblock); 6.28

29 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Speicherreservierung mit malloc() #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() int *pmem; if ((pmem = malloc(sizeof (int)))!= NULL) *pmem = 3; printf("pointer auf int-zahl mit Wert: %d\n", *pmem); free(pmem); } else printf("nicht genuegend Speicher verfuegbar\n"); return 0; } 6.29

30 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Speicherreservierung mit realloc() I #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() int *pmem; if ((pmem = malloc(sizeof (int)))!= NULL) *pmem = 3; printf("nach malloc():\n"); printf("pointer auf int-zahl mit Wert: %d\n\n", *pmem); } else printf("nicht genuegend Speicher verfuegbar\n"); return -1; } 6.30

31 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Speicherreservierung mit realloc() II... pmem = realloc ((void *) pmem, 2 * (sizeof(int))); if (pmem == NULL) printf ("Nicht genuegend Speicher verfuegbar\n"); return -1; } pmem[1] = 6; printf("nach realloc():\n"); printf("pointer auf int-zahl mit Wert: %d\n", *pmem); printf("2. Element von pointer hat Wert: %d\n\n", pmem[1]); free(pmem); } return 0; 6.31

32 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Speicherreservierung für ein Array #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() int *parray = NULL; int i, anzahl = 0; printf "Geben Sie bitte die Anzahl der Elemente ein: "); scanf("%d", &anzahl); parray = malloc(sizeof(int) * anzahl); if (parray == NULL) return -1; // Hier: Nutzung des reservierten Speicherbereichs for (i = 0; i < anzahl; i++) parray[i] = i; } free(parray); return 0; 6.32

33 Strukturen Typdefinitionen Unionen Dynamische Speicherverwaltung Typische Fehler Fehler Folge - kein Speicher mehr frei - Freigabe einer falschen Adresse u.u. Absturz - Freigabe bereits freigegeben Speichers u.u. Absturz - Freigabe eines regulären Feldes / einer regulären Variablen mit free() u.u. Absturz - Freigabe eines nicht-initialisierten Speichers u.u. Absturz - Zugriff auf ungültigen Speicher vor der Speicheranforderung u.u. Absturz - Zugriff auf bereits freigegebenen Speicher u.u. Absturz - Zugriff auf Speicher mit ungültigen Indizes u.u. Absturz - Verlust des Speichers durch Überschreiben des Zeigers "memory leak" - Verlust des Zeigers durch Rücksprung aus einer Funktion "memory leak" - Verlust des Zeigers bei Rückgabe (return-value verworfen) "memory leak" 6.33