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Informatik II Grundlagen der Programmierung Programmieren in C Module und Bibliotheken 1 Hochschule Fulda – FB ET Sommersemester 2010

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Präsentation zum Thema: "Informatik II Grundlagen der Programmierung Programmieren in C Module und Bibliotheken 1 Hochschule Fulda – FB ET Sommersemester 2010"—  Präsentation transkript:

1 Informatik II Grundlagen der Programmierung Programmieren in C Module und Bibliotheken 1 Hochschule Fulda – FB ET Sommersemester Peter Klingebiel, HS Fulda, DVZ

2 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ2 Module 1 Um größere Programmprojekte überschaubar und sicherer zu machen, wird die Aufgabe in kleinere Teilaufgaben (= Module) zerlegt – Reduktion der Komplexität – separates Entwickeln und Testen – Wiederverwendbarkeit von Programmteilen – Erstellen von Programmbibliotheken Abstraktion von Daten und Funktionen Kapselung von Daten

3 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ3 Module 2 Black Box Ein Modul in C ist eine Quelldatei, in der eine oder mehrere Funktionen zusammengefasst werden Interne Funktionen möglich, die nur innerhalb des Moduls sichtbar sind Interne Variable möglich, die nur innerhalb des Moduls zugreifbar sind Definition als static

4 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ4 Module 3 Projekt: Module und Bibliotheken

5 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ5 Module 4 Schnittstellen eines Moduls, Funktionen und ggfs. Variablen in Headerdatei beschrieben Getrennte Übersetzung der Quelldateien und Erzeugen von Objektkode Erstellen von Programmbibliotheken zur leichten Wiederverwendbarkeit Zusammenmontieren des ausführbaren Programms aus Objektkode der Quellen und der Module sowie aus Bibliotheken

6 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ6 Module 5 Beispiel: Zinsberechnung zinsen2.c

7 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ7 Module 6 Beispiel: Moduldatei zpower.c

8 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ8 Module 7 Beispiel: Moduldatei zzins.c

9 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ9 Module 8 Beispiel: Headerdatei zinsen.h

10 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ10 Module 9 Beispiel: Hauptprogramm zinsen4.c

11 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ11 Module 10 Steuerung der Compilierung bzw. der durchzuführenden Aktionen zur Erzeugung eines Programms oder Objekts durch sog. Makefiles Makefiles beschreiben die Abhängigkeit eines Objekts oder Programms von Quelldateien, Modulen und Bibliotheken beschreiben die notwendigen Aktionen, um Programme, Objektfiles usw. zu erstellen vordefinierte Aktionen, z.B. C Objektfile

12 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ12 Module 11 Aktionen abhängig von Zeitstempeln der Dateien Beispiel: prog.exe: main.o modul1.o modul2.o gcc -o prog.exe main.o \ modul1.o modul2.o -lm -lc –Programm prog.exe abhängig von Objektfiles main.o, modul1.o und modul2.o –Aktion: Binden der Objektfiles mit Libs libm und libc –Automatisches Neucompilieren einer Quelle und Neubinden des Exe bei Änderung einer Quelldatei

13 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ13 Module 12 Beispiel: Makefile für Zinsprogramme

14 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ14 Bibliotheken 1 in der Programmiersprache C sind nur die notwendigsten Grundfunktionalitäten definiert es fehlen z.B. Funktionen für Ein-/Ausgabe, Funktionen für Dateihandling, Funktionen für Stringhandling, höhere mathematische Funktionen und vieles andere mehr erleichtert die Entwicklung eines C-Compilers leichtere Anpassung / Übertragung auf andere Hardware oder Betriebssysteme

15 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ15 Bibliotheken 2 Sehr viele der in der Sprachdefinition nicht enthaltenen Funktionen werden in sog. Funktionsbibliotheken, wie z.B. der C- Standardbibliothek, mitgeliefert In der Standardbibliothek sind u.a. enthalten –Ein- und Ausgabefunktionen, Dateihandling, Stringfunktionen u.v.m. libc –Mathematische Funktionen libm –und viele, viele weitere Funktionen Die C-Standardbibliothek ist genormt

16 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ16 Bibliotheken 3 Funktionen sind zu funktionalen Gruppen zusammengefasst jeweils eine eigene Headerdatei In den Headerdateien sind Prototypen der Funktionen, Typen, Konstanten, Makros usw. definiert oder deklariert Beispiele: –Ein- und Ausgabe stdio.h –Stringfunktionen strings.h –Mathematische Funktionen math.h

17 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ17 Bibliotheken 4 Beispiel: stdio.h (Fragment)

18 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ18 Bibliotheken 5 das Handling von Dateien/Files ist ein sehr gutes Beispiel für Modularisierung in C die Definition des Typs FILE ist in stdio.h verborgen –benötigt wird für Ein-/Ausgabe in C-Programmen nur der Typ FILE –die Implementierung des Typs FILE ist für die Verwendung in Programmen unwichtig –sie sollte auf gar keinen Fall in Programmen verwendet werden, da sie systemabhängig ist! –alle benötigten Konstanten und EA-Funktionen sind in stdio.h definiert bzw. deklariert

19 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ19 Bibliotheken 6 Bsp: älteres UNIX typedef struct { int _cnt; unsigned char *_ptr; unsigned char *_base; unsigned char _flag; unsigned char _file; } FILE; extern FILE _iob[]; Bsp: devcpp typedef struct _iobuf { char *_ptr; int _cnt; char *_base; int _flag; int _file; int _charbuf; int _bufsiz; char *_tmpfname; } FILE; extern FILE *_imp___iob)[];

20 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ20 Bibliotheken 7 FILE abstrakter Datentyp für Datei-EA Typ FILE muss (!) unabhängig von der realen Implementierung genutzt werden, da diese systemabhängig (Betriebssystem, Compiler) ist Konstanten teilweise auch systemabhängig Bsp: devcpp _imp___iob #define _iob(*_imp___iob) #define stdin(&_iob[STDIN_FILENO]) #define stdout(&_iob[STDOUT_FILENO]) #define stderr(&_iob[STDERR_FILENO]

21 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ21 Dateien 1 Grundlegender Datentyp FILE zugrundeliegendes Modell: stream Daten- oder Bytestrom: Bytes werden sequentiell gepuffert gelesen / geschrieben Bsp: printf("HALLO, WELT");

22 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ22 Dateien 2 Files Dateien, Pipes, Geräte usw. –Bildschirm / Tastatur stdin, stdout, stderr –Pipes (anonyme Pipes, FIFOs) –Sockets (Netzwerkverbindungen) –Drucker –Tapes, –Festplatte, USB-Stick –usw. Effizient für normale, sequentielle Files Uneffizient z.B. für Datenbanken

23 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ23 Dateien 3 FILE *fopen(char *pn, char *mode) öffnet Datei mit dem Pfadname pn und verbindet einen stream mit der Datei liefert einen Zeiger vom Typ FILE * auf den geöffneten stream mode gibt den Modus an: r, rb read - lesen, Datei muss existieren w, wb write - schreiben, Datei wird erzeugt, Dateilänge auf 0 gesetzt a, ab append - schreiben, anhängen r+, rb+ update - lesen+schreiben

24 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ24 Dateien 4 fopen() liefert NULL bei Fehler, Bsp: FILE *fp; fp = fopen("datei", "r"); if(fp == NULL) { perror("datei"); return(1); } void perror(char *msg) –Gibt Systemfehlermeldung auf stderr aus int fclose(FILE *fp) –schließt Verbindung zum stream fp

25 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ25 Dateien 5 int fprintf(FILE *fp, char *fmt, /* args */...) –formatiertes Schreiben auf stream fp –liefert die Anzahl geschriebener Bytes –printf() fprintf(stdout,...) int fscanf(FILE *fp, char *fmt, /* args */...) –formatiertes Lesen von stream fp –liefert Anzahl gelesener Elemente –scanf() fscanf(stdin,...)

26 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ26 Dateien 6 Zeichen-/Wort-Eingabefunktionen int fgetc(FILE *fp) int getc(FILE *fp) –Zeichen von stream fp lesen –liefert gelesenes Zeichen, EOF bei Dateiende getchar() fgetc(stdin) –oft als Makro implementiert int fgetw(FILE *fp) –Wort (Integer) von stream fp lesen –liefert gelesenen Integerwert, EOF bei Dateiende

27 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ27 Dateien 7 String-Eingabefunktionen char *fgets(char *s, int n, FILE *fp) –Zeile von fp in Puffer s lesen, maximal n Bytes –liefert NULL bei Dateiende char *gets(char *s) –Zeile von stdin in Puffer s einlesen –NULL bei EOF –Achtung: Keine Prüfung der Puffergröße –Sicherer fgets() statt gets() verwenden

28 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ28 Dateien 8 Zeichen-/Wort-Ausgabefunktionen int fputc(int c, FILE *fp) int putc(int c, FILE *fp) –Zeichen c auf stream fp ausgeben –liefert geschriebenes Zeichen, EOF bei Fehler putchar(c) fputc(c, stdout) –oft als Makro implementiert int putw(int w, FILE *fp) –Wort w (Integer) auf stream fp ausgeben –liefert geschriebenes Wort, EOF bei Fehler

29 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ29 Dateien 9 String-Ausgabefunktionen int fputs(char *s, FILE *fp) –String s auf stream fp ausgeben, EOF bei Fehler int puts(char *s) –String s auf stdout ausgeben, EOF bei Fehler Ausgabepuffer leeren int fflush(FILE *fp) –schreibt Ausgabepuffer des stream fp –liefert 0 bei Erfolg, -1 bei Fehler

30 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ30 Dateien 10 Beispiel: filecopy.c

31 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ31 Dateien 11 Beispiel: numcat.c

32 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ32 Dateien 12 Beispiel: revcat.c

33 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ33 Dateien 13 binäre Ein- und Ausgabefunktionen size_t fread(void *p, size_t s, size_t n, FILE *fp) size_t fwrite(void *p, size_t s, size_t n, FILE *fp) Lesen/Schreiben von n Objekten der Größe s aus/in den Puffer p von/auf den stream fp liefert die Anzahl gelesener/geschriebener Objekte n bzw. -1 bei Fehler

34 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ34 Dateien 14 Positionierung in Dateien / streams int fseek(FILE *fp, long o, int w) –Setzt den Positionszeiger innerhalb des streams fp auf die neue Position w+o –o (offset) gibt den Offset zu w an –w (whence) gibt die Ausgangsposition an –SEEK_SET Dateianfang + Offset o –SEEK_CUR aktuelle Position + Offset o –SEEK_END Dateiende + Offset o –liefert 0 bei Erfolg, -1 im Fehlerfall

35 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ35 Dateien 15 long ftell(FILE *fp) –gibt den aktuellen Wert des Positionszeigers innerhalb der Datei fp aus –liefert aktuelle Position vom Dateianfang an gesehen, im Fehlerfall -1 void rewind(FILE *fp) –Positionszeiger der Datei fp auf Dateianfang –rewind(fp) fseek(fp, 0, SEEK_SET)

36 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ36 Dateien 16 Weitere Funktionen int rename(char *old, char *new) Umbennenung von Datei old in new int remove(char *path) Löschen von Datei path Funktionen liefern 0 oder bei -1 bei Fehler int system(char *command) Ausführen des Strings command liefert -1 bei Fehler, 0, wenn Kommando ok

37 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ37 Dateien 17 Fehlerbehandlung int ferror(FILE *fp) –liefert Wert != 0 bei Fehler in fp, sonst 0 int feof(FILE *fp) –liefert Wert != 0 bei EOF in fp, sonst 0 int clearerr(FILE *fp) –Setzt Fehler- und EOF-Indikator in fp zurück void perror(char *s) –gibt Systemfehlermeldung auf stderr aus

38 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ38 Dateien 18 low-level Systemcalls alle bisher bekannten Funktionen für Eingabe und Ausgabe auf streams / Dateien: arbeiten aus Effizienzgründen gepuffert nutzen für die tatsächlichen Eingabe- und Ausgabeoperationen low-level-Funktionen des Betriebssystems Systemaufrufe oder Systemcalls –teilweise nach Posix genormt –Unix / Linux ca. 300, Windows Vista geschätzt 360

39 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ39 Dateien 19 Bsp: Schichten im Betriebsystem

40 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ40 Dateien 20 Low-level IO-Funktionen int open(char *path, int flag) int creat(char *path, mode_t mode) öffnen / erzeugen Datei mit Namen path liefern Filedescriptor (Integer), -1 bei Fehler int close(int fd) Schliessen der Datei mit Filedescriptor fd ssize_t read(int fd, void *b, size_t n) ssize_t write(int fd, void *b, size_t n) Lesen/Schreiben von n Bytes aus Puffer b auf fd

41 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ41 Dateien 21 Standardfiledeskriptoren –0 Standardeingabe stdin –1 Standardausgabe stdout –2 Standardfehlerausgabe stderr FILE *fdopen(int fd, char *mode) –verbindet einen stream mit einem Filedeskriptor int fileno(FILE *fp) –liefert Filedeskriptor zum stream fp –Filedeskriptor ist Teil des FILE-Datentyps –Zugriff durch Funktion fileno() gekapselt

42 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ42 Dateien 22 Diskussion –Warum Pufferung von IO? –Warum Schichtung Anwendungs-/Systemebene?

43 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ43 Dateien 23 Beispiel: bytecopy1.c

44 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ44 Dateien 24 Beispiel: bytecopy2.c

45 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ45 Dateien 25 Beispiel: bytecopy3.c

46 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ46 Dateien 26 Diskussion –Welches bytecopy ist schneller und effizienter? –Warum?


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