Vorlesung Informatik I Universität Augsburg Wintersemester 2011/2012 Prof. Dr. Robert Lorenz Lehrprofessur für Informatik 11. Programmieren in C Der Compilierungsprozess 1
Aufbau eines C-Programms 1. Direktiven für den Präprozessor 2. Globale Vereinbarunen a. Globale Variablen b. Funktions-Prototypen 3. main-funktion a. lokale Vereinbarungen b. Anweisungen 4. Funktions-Definitionen a. lokale Vereinbarungen b. Anweisungen 2
Aufbau eines C-Programms C-Programme sind Sammlungen von Funktionen Funktionen zerlegen Programme in kleinere, selbständige Einheiten erhöht Übersichtlichkeit und Wartbarkeit Alle benutzten Funktionen müssen zu Beginn deklariert werden 3
Aufteilung großer C-Programme Zur Modularisierung werden die Funktionen auf mehrere Quelldateien verteilt und getrennt übersetzt (genau eine der Dateien enthält die main-funktion) Jede solche Datei sollte eine sinnvoll zusammenhängende Gruppe von Vereinbarungen enthalten. Die Deklarationen der Funktionen, die in mehreren Quelldateien benötigt werden, werden in Header-Dateien zusammengefasst (werden mit #include eingebunden) Mehrfach benötigten Vereinbarungen werden nur in wenigen Dateien verwaltet 4
Compilierungsprozess - Überblick Quellcode Präprozessor (erweiterter Quellcode) Compiler Assemblercode Assembler Bibliotheken Linker Objektcode ausführbarer Code 5
Inhalt Präprozessor Compiler Assembler Linker Bibliotheksfunktionen Das Programm gcc Große Programme 6
Präprozessor: Konstanten Die Präprozessor-Direktive #define <Name> <Zeichenkette> veranlasst den Präprozessor, jedes Vorkommen von <Name> im folgenden Quellcode durch <Zeichenkette> zu ersetzen Ausnahme: Keine Ersetzung in Namen und Zeichenketten <Name> kann im Programm als Konstante benutzt werden, deren Wert durch <Zeichenkette> gegeben ist 7
Präprozessor: Konstanten Beispiele für sinnvolle eigene Deklarationen: #define PI 3.14 #define TRUE 1 #define FALSE 0 #define MAX_VERSUCHE 3 Konvention: Der Name der Konstante besteht aus Großbuchstaben und dem '_' - Zeichen und wird an keiner anderen Stelle benutzt 8
Präprozessor: Konstanten Vordefinierte Beispiele aus Header-Dateien: Wertebereichgrenzen von Datentypen (in limits.h, float.h) LINE FILE DATE TIME aktuelle Zeilennummer im Programmcode (num.) Dateiname (Zeichenkette) aktuelles Datum (Zeichenkette) aktuelle Zeit (Zeichenkette) (u.v.m.) 9
Präprozessor: Konstanten Vorteile: - Konstanten muss man bei Bedarf nur einmal ändern - Programm ist besser lesbar Vergleich zu globalen konstanten Variablen: - Keine zusätzliche Variable nötig - Konfiguration mehrerer Programme durch einmalige Deklaration in Header-Datei möglich 10
Präprozessor: Makros Die Präprozessor-Direktive #define <Name>(p 1,...,p n ) <Zeichenkette> veranlasst den Präprozessor zu folgende Ersetzungen: - <Name>(a 1,...,a n ) durch <Zeichenkette> - Vorkommen von p i in <Zeichenkette> durch a i p 1,...,p n : Parameternamen a 1,...,a n : Ausdrücke <Name>(a 1,...,a n ) kann im Programm als Aufruf einer durch <Zeichenkette> definierten Funktion benutzt werden 11
Präprozessor: Makros Selbst definierte Beispiele: #define inhalt(r) PI*(r)*(r); Aufruf im Code: double inhalt = inhalt(10); #define max(a,b) ( ((a) > (b))? (a) : (b) ); Aufruf im Code: int m=max(5*x,x*x); 12
Präprozessor: Makros Vordefinierte Beispiele aus Headerdateien: getchar() EOF Wert, der Dateiende oder Verbindungfehler signalisiert Möglicher Rükgabewert von scanf (Wert oft -1) EXIT_SUCCESS / EXIT_FAILURE Signalisieren erfolgreichen/fehlerhaften Programmverlauf Als Rückgabewerte von main benutzbar (Werte oft 0 / 1) Systemabhängig definiert, systemunabhängig benutzbar 13
Präprozessor: Makros Achtung: In <Zeichenkette> benutzte Operationszeichen können stärker binden als die Operatoren in einem für einen Parameternamen eingesetzten Ausdruck! Man muss dafür sorgen, dass der Ausdruck nach dem Einsetzen unbedingt zuerst ausgewertet wird Dazu unbedingt die in <Zeichenkette> vorkommenden Parameternamen klammern (Beispiel vorige Folie) #define inhalt(r) PI*(r)*(r); 14
Präprozessor: Makros Vergleich zu Funktionen Parameter sind Datentyp-unabhängig: #define max(a,b) (((a)>(b))?(a):(b))); Mögliche Aufrufe : int m = max(5,7); double m = max(5.0,7.5); Es entsteht mehr Programmcode, da der Funktionsrumpf für alle Vorkommen des Funktionsnamens eingesetzt wird 15
Präprozessor: Header-Dateien Die Anweisung #include <Header-Datei> veranlasst den Präprozessor, die angegebene Header-Datei in den Quellcode zu kopieren Es entsteht ein erweiterter Quellcode 16
Präprozessor: Header-Dateien Eine Header-Datei ist eine Textdatei um - Funktions-Prototypen zu deklarieren (kennen wir schon) - Konstanten zu deklarieren (wie eben) - Makros zu definieren (wie eben) Man kann (sollte) sich seine eigenen Header-Dateien schreiben 17
Präprozessor: Header-Dateien Da die Header-Datei nur in den Quellcode kopiert wird, kann man doch alles auch gleich direkt in den Quellcode schreiben!? In einer Header-Dateien sammelt man Vereinbarungen und Funktionalitäten, die man immer wieder für einen bestimmten Anwendungsbereich braucht Ist beliebig oft in wiederverwendbar, ohne dass man alles in jedem Programm nochmal extra aufschreiben muss 18
Präprozessor: Header-Dateien Beispiele: stdio.h (Standard Input Output): Unterstützung von Eingabe und Ausgabe math.h: Unterstützung mathematischer Funktionen und Konstanten string.h: Unterstützung bei der Verarbeitung von Zeichenketten 19
Präprozessor: Header-Dateien Header-Dateien selbst schreiben Vorgehen Textdatei mit Präprozessor-Direktiven schreiben Unter beliebigem Namen mit Endung.h abspeichern in: - Programmverzeichnis - include-verzeichnis des Compilers In Quellcode einbinden durch Anweisung: - include-verzeichnis: #include <Headerdatei.h> (relative Pfadangaben erlaubt) - Programmverzeichnis: #include Headerdatei.h (relative und absolute Pfadangaben erlaubt) 20
Präprozessor: Header-Dateien Header-Dateien selbst schreiben Achtung: Es sind verschachtelte include-anweisungen möglich Datei Header1.h enthält Direktive #include Header2.h Dadurch kann es durch mehrfaches Einbinden von Direktiven zu Syntaxfehlern wegen doppelten Definitionen kommen Programm enthält Direktiven #include Header1.h und #include Header2.h Lösung: Bedingte Aktivierung von Direktiven 21
Präprozessor: Header-Dateien Bedingte Aktivierung von Direktiven Headerdateien sollten immer die folgende Form haben: #ifndef DATEINAME_H_INCLUDED #define DATEINAME_H_INCLUDED <Deklarationen> #endif 22
Präprozessor: Header-Dateien Bedingte Aktivierung von Direktiven #define Fasst Deklarationen unter einem Namen zusammen Name = Dateiname in Großbuchstaben + '_' #ifndef #ifdef Text einbinden, falls Name noch nicht exisitiert Text einbinden, falls Name schon exisitiert...#endif 23
Präprozessor: Mehrteilige Programme 1. Zerlegung des Programms in funktionale allgemein wiederverwendbare Module 2. Für jedes Modul: - Headerdatei erstellen - Code-Datei erstellen mit eingebundenem Header 3. Programmdatei mit main-funktion erstellen 4. Übersetzungsprozess (später) 24
Präprozessor: Mehrteilige Programme Beispiel: Datei format.h #ifndef FORMAT_H_INCLUDED #define FORMAT_H_INCLUDED void vspace(int n); void hspace(int n); #endif Analog für Sammlungen mathematischer Funktionen (Fakultät) oder Eingabefunktionalitäten (Eingabestrom leeren, Eingaben vom Benutzer verarbeiten,...) 25
Präprozessor: Mehrteilige Programme Beispiel: Datei format.c #include format.h #include <stdio.h> void vspace(int n){ int i; for(i=1;i<=n;i++){printf("\n");} } void hspace(int n){ }... 26
Präprozessor: Mehrteilige Programme Beispiel: Datei programm.c #include format.h #include eingabe.h #include computations.h #include <stdio.h> int main(){... } 27
Präprozessor: Mehrteilige Programme Präprozessor-Konstanten und -Markos eignen sich zur Definition von Fehlercodes von Funktionen in Modulen Beispiel: Datei eingabe.h #define EINGABE_FAILURE -1 double eingabe(); 28
Präprozessor: Mehrteilige Programme Präprozessor-Konstanten und -Markos eignen sich zur Definition von Fehlercodes von Funktionen in Modulen Beispiel: Datei eingabe.c #include eingabe.h #include <stdio.h> double eingabe(){... if((scanf("%lf",&zahl)==0) (zahl < 0)){ leeren(); return EINGABE_FAILURE; }... } 29
Präprozessor: Mehrteilige Programme Präprozessor-Konstanten und -Markos eignen sich zur Definition von Fehlercodes von Funktionen in Modulen Beispiel: Datei programm.c #include eingabe.h... int main() {... while(1) {... zahl = eingabe(); if (zahl == EINGABE_FAILURE){ <Fehlerbehandlung> }... } 30
Präprozessor: Mehrteilige Programme Benutze extern-variablen, um Modulübergreifende Daten zu speichern und zu manipulieren Beispiel: Anzahl von Funktionsaufrufen zählen eingabe.c --------- int versuche = 0; double eingabe(){ versuche++;...} programm.c ---------- extern int versuche; int main() {... printf("\nanzahl der Eingabeversuche = %i",versuche);...} 31
Compiler: Zusammenfassung Überprüft den (erweiterten) Quellcode auf Syntaxfehler (lässt sich das Programm in Maschinensprache übersetzen?) Weist Variablen und Konstanten Speicherbereiche zu Übersetzt den Quellcode in Assemblercode (Assemblercode ist symbolischer=menschenlesbarer Maschinencode) 32
Assembler Überblick Übersetzt Assemblercode in Maschinencode Was jetzt noch fehlt? - Zusammenführung von mehreren Quellcode-Dateien - Integration von Bibliotheksfunktionen 33
Linker Bindet andere Dateien mit dem Hauptprogramm: - Führt mehreren Quellcode-Dateien in einer Datei zusammen (man sagt, Quellcode-Dateien werden statisch (ein)gebunden) - Fügt Informationen für den Zugriff auf Bibliotheksfunktionen ein (man sagt, Bibliotheksfunktionen werden dynamisch gebunden) 34
Linker Bibliotheksfunktionen - werden in Header-Dateien also nur deklariert (aber nicht definiert) - sind entweder vorübersetzte C-Programme oder direkt ausführbare Assembler-Programme - werden mit dem Compiler installiert 35
Das Programm gcc Das Programm gcc umfasst die Ausführung von Präprozessor, Compiler, Assembler und Linker Mittels verschiedener Optionen (Kommandozeilenparametern) lassen sich diese Programme auch einzeln ausführen Mittels verschiedener Optionen lässt sich die Syntax-Kontrolle unterschiedlich detailliert ausführen 36
Das Programm gcc gcc Optionen: Syntaxkontrolle -ansi weist den Compiler an, den C89-Standard zu verwenden. -pedantic bringt ihn weiterhin dazu, nichts außer dem C89-Standard zuzulassen -W schaltet zusätzliche Warnungen an. -Wall schaltet alle zusätzlichen Warnungen an. -Wextra schaltet zusätzliche zusätzliche Warnungen an. -Wmain schaltet zusätzlich Warnungen über eine falsch definierte main()-funktion an. Man sollte ALLE Warnungen zum verstummen bringen, selbst wenn das Programm schon übersetzbar ist und läuft 37
Das Programm gcc gcc Optionenen: Teile ausführen -E Präprozessor wird ausgeführt (nicht Compiler, Assembler, Linker) Ausgabe in Datei <Programmname>.i -S Präprozessor und Compiler werden ausgeführt (nicht Assembler, Linker) Ausgabe in Datei <Programmname>.S -c Präprozessor, Compiler und Assembler werden ausgeführt (nicht Linker) Ausgabe in Datei <Programmname>.o 38
Das Programm gcc gcc Optionenen: weitere (Auswahl) -save-temps Zwischenergebnisse werden gespeichert --help Übersicht über Benutzung des Programms -o <name> Festlegung des Namens der Ausgabedatei -WI -stack <Bytes> Stackgröße erhöhen 39
Das Programm gcc Übersetzung mehrteilger Programme 1. Dateien ohne main-funktion übersetzen in Objektcode gcc -ansi -pedantic -W -Wall -Wextra -c modul1.c 2. Datei mit main-funktion übersetzen + mit Objetdateien linken gcc -ansi -pedantic -W -Wall -Wextra -Wmain modul1.o modul2.o programm.c -o Programm 40