Hochschule Fulda – FB ET Sommersemester 2010

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1 Informatik II Grundlagen der Programmierung Programmieren in C Module und Bibliotheken 1
Hochschule Fulda – FB ET Sommersemester 2010 Peter Klingebiel, HS Fulda, DVZ

2 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

3 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

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

6 Module 5 Beispiel: Zinsberechnung zinsen2.c
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7 Module 6 Beispiel: Moduldatei zpower.c
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8 Module 7 Beispiel: Moduldatei zzins.c
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9 Module 8 Beispiel: Headerdatei zinsen.h
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10 Module 9 Beispiel: Hauptprogramm zinsen4.c
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11 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

12 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

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

15 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“ Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

16 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

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

19 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)[]; Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

20 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] Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

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

22 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

23 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

24 Dateien 4 fopen() liefert NULL bei Fehler, Bsp: void perror(char *msg)
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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

25 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, ...) Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

26 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

27 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

28 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

29 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

30 Dateien 10 Beispiel: filecopy.c
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31 Dateien 11 Beispiel: numcat.c
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32 Dateien 12 Beispiel: revcat.c
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33 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

34 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

35 Dateien 15 long ftell(FILE *fp) void rewind(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) Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

36 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

37 Dateien 17 Fehlerbehandlung int ferror(FILE *fp) int feof(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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

38 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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

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

41 Dateien 21 Standardfiledeskriptoren FILE *fdopen(int fd, char *mode)
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 Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ

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

43 Dateien 23 Beispiel: bytecopy1.c
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44 Dateien 24 Beispiel: bytecopy2.c
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45 Dateien 25 Beispiel: bytecopy3.c
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46 Dateien 26 Diskussion Welches bytecopy ist schneller und effizienter?
Warum? Programmieren in C - Peter Klingebiel - HS Fulda - DVZ