Programmieren in CEinführung in das Programmieren für Elektrotechniker

(1)

Vorlesung „Programmieren in C“

Einführung Bernd Schürmann

Bernd Schürmann

Programmieren in C

Einführung in das Programmieren für Elektrotechniker

Vorlesung „Programmieren in C“

 Kapitel 1: Grundlagen

 Von Neumann-Architektur

 Vom Problem zum Programm

 „Hello World“

 Werkzeuge zur Programmausführung

(2)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Informatik



Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Informationen.

 Algorithmus



Vorschrift zur systematischen Vorgehensweise zur Lösung von Problemen.



Im Großen:

Systematische Softwareentwicklung / Software Engineering.

 Computer / Rechner



Berechnet Probleme, die geeignet durch Algorithmen beschrieben sind.

Grundbegriffe

jetzt VL-Ende

gleich VL-Ende

Vorlesung „Programmieren in C“

 Einführung, Motivation

 mehr in der Vorlesung „Architektur digitaler Systeme I“

Von Neumann-Architektur

Zum Verständnis von C-Programmen ist das

Verständnis der von Neumann-Architektur

Grundvoraussetzung.

(3)

Vorlesung „Programmieren in C“

Teile eines Computer:

• Festplatte (Peripherie) mit Daten und Programmen

• Prozessor

mit Rechenwerk inkl. Registern und Steuerwerk

• (Arbeits-) Speicher

• Bus (Übertragungsleitungen)

Rechnerkomponenten

Vorlesung „Programmieren in C“

3. Schritt:

Programm ausführen:

• Anweisung/Befehl lesen

• Daten in Register

• Rechenwerk arbeitet

• Ergebnis in Register oder Arbeitsspeicher

A=b+c

A=7

Rechnerkomponenten

(4)

Vorlesung „Programmieren in C“

Steuer- werk

(Befehlsregister)

Rechen- werk

(Registersatz)

Prozessor

Arbeits- speicher

Ein-/Ausgabe (Peripherie)

Datenbus

von Neumann-Computer

 Referenzmodell (seit 1945)

 Rechenwerkführt Rechenoperationen und logische Verknüpfungen durch

 Steuerwerk: interpretiert Befehle und steuert die Befehlsabfolge

 (Arbeits-/Haupt-) Speicher: speichert Programme und Daten

 Ein-/Ausgabe: steuert E/A von Daten

Vorlesung „Programmieren in C“

Weitere Eigenschaften:

• Daten/Programme binär kodiert

• Daten und Programme ununterscheidbar

• bedingte Sprünge Steuer-

werk

(Befehlsregister)

Rechen- werk

(Registersatz)

Prozessor

Arbeits- speicher

Ein-/Ausgabe (Peripherie)

Datenbus

von Neumann-Computer

(5)

Vorlesung „Programmieren in C“

Steuer- werk

(Befehlsregister)

Rechen- werk

(Registersatz)

Prozessor

Arbeits- speicher

Datenbus

von Neumann-Computer

Vorlesung „Programmieren in C“

von Neumann-Computer

_11011110^…

10100101 01000110 11011011 00010010 00000000 11111111 01010101

…

… 00001111 01101001 11000011 01010101 11001111 01100110 00110100 10001010 0 …

2³²-1

neu = alt + 5;

4711

124

neu alt

add

• Daten/Programme binär kodiert

• Daten und Programme ununterscheidbar

add 4712, 4711, 5

Compiler (s.u.)

(6)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Beispielaufgabe:

Berechnen Sie die Quersumme q einer natürlichen Zahl n.

(  Lösung als C-Programm: später)

Algorithmen und Notationen

Vorlesung „Programmieren in C“

 Beispielaufgabe:

Berechnen Sie die Quersumme q einer natürlichen Zahl n.

(  Lösung als C-Programm: später)

Gegeben: natürliche Zahl n. Beispiel: n = 4711  q = 13

q = 0

solange n > 0: Rest r = n modulo 10 Quersumme q = q + r n = n / 10

Algorithmen und Notationen

n / 10

Rest r Quotient

(7)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Definition: Algorithmus

 Ein Algorithmus ist eine präzise, endliche Beschreibung eines allgemeinen Verfahrens unter Verwendung ausführbarer, elementarer (Verarbeitungs-) Schritte.

Algorithmus ist unabhängig von konkreter Programmiersprache.



Dient nur der abstrakten Beschreibung eines funktionellen Lösungswegs.



Wichtige Aspekte wie Korrektheit, Aufwand, Anforderungen an Eingabegrößen und Zusicherungen (Garantien) für berechnete Resultate können allgemein abgeleitet werden.



Sie gelten damit für alle konkreten Realisierungen in einer Programmiersprache.

Algorithmen und Notationen

Vorlesung „Programmieren in C“

 Zur Formulierung von Algorithmen gibt es verschiedene Möglichkeiten ( Notationen)



Von abstrakten Beschreibungen bis zu konkreten Programmiersprachen, z.B.:

• Umgangssprachliche Beschreibungen



oft umfangreich und mehrdeutig.

• Flussdiagramme



Graphische Darstellung, schnell unübersichtlich.

• Mathematische Notationen (kein Algorithmus im engeren Sinn)



exakt und präzise.

• Pseudonotationen



informell und abstrakt.

• Programmiersprachen



präzise Beschreibung.

Algorithmen und Notationen

(8)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Verwendung natürlicher Sprache.

 Geeignet für erste Annäherung.

 Beispiel: Quersumme

Geg.: natürliche Zahl n

Addiere den Rest der Division n durch 10 zur Quersumme und teile n durch 10.

Führe diese Berechnung solange aus, bis n Null ist.

Umgangssprachliche Notation

Algorithmen und Notationen

n mod[ulo] 10

Vorlesung „Programmieren in C“

 Verwendung natürlicher Sprache.

 Geeignet für erste Annäherung.

 Beispiel: Euklidischer Algorithmus Euklid:

Wenn CD aber AB nicht misst, und man nimmt bei AB, CD abwechselnd immer das kleinere vom größeren weg, dann muss (schließlich) eine Zahl übrig bleiben, die die vorangehende misst.

Umgangssprachliche Notation

Algorithmen und Notationen

ggt (a, b)

(9)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Verwendung natürlicher Sprache.

 Geeignet für erste Annäherung.

 Beispiel: Euklidischer Algorithmus

Man teilt die größere durch die kleinere Zahl.

Geht die Division auf, ist der Divisor der ggT.

Geht die Division nicht auf, bleibt ein Rest.

Dieser Rest ist der neue Divisor. Der alte Divisor wird zum Dividenden. Nun setzt man das Verfahren fort.

Nach endlich vielen Schritten erhält man den ggT.

Umgangssprachliche Notation

Algorithmen und Notationen

ggt (a, b)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Verwendung natürlicher Sprache.

 Geeignet für erste Annäherung.

 Beispiel: Euklidischer Algorithmus

Geg.: a, b natürliche Zahlen; a>0; b≥0 1. Kopiere a nach a′ und b nach b′.

2. Falls b′=0: weiter bei Schritt (10).

3. Falls b′>a: weiter bei Schritt (8).

4. Berechne r = a′ mod b′.

5. Kopiere b′ nach a′.

6. Kopiere r nach b′.

7. Gehe zu Schritt (2).

8. Vertausche a′ und b′.

9. Gehe zu Schritt (2).

10. Ausgabe des Resultats a′.

Umgangssprachliche Notation

Algorithmen und Notationen

ggt (a, b)

(10)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Beispiel: Quersumme

Flussdiagramme (engl. Flowchart)

Algorithmen und Notationen

START a = 4711 q = 0

n=0? → falsch q = q + 1 = 1 n = n / 10 = 471 n=0? → falsch q = q + 1 = 2 n = n / 10 = 47 n=0? → falsch q = q + 7 = 9 n = n / 10 = 4 n=0? → falsch q = q + 4 = 13 n = n / 10 = 0 n=0? → wahr Ausgabe: 13 ENDE

START Eingabe: n

n=0?

ENDE

q = 0

Ausgabe: q

q = q + (n mod 10) n = n / 10 true

false

 Graphische Repräsentation eines Algorithmus.

n und q sind Variablen (



Speicherzellen), die immer wieder verändert werden.



später genauer

Vorlesung „Programmieren in C“

 Wird i.d.R. zum Detailentwurf eingesetzt.

 Aufbau



Spezielle graphische Symbole zur informellen Beschreibung von Aktionen.



Flusslinien verbinden graphische Symbole und legen Kontrollfluss fest.

 Vorteile



Veranschaulichung des Kontrollflusses eines Programms

(d.h. Abfolge der Anweisungen, die bei einer Berechnung ausgeführt werden)

.



Schleifenkonstrukte lassen sich deutlich hervorheben, insbesondere bei mehreren Schleifen.

Flussdiagramme (engl. Flowchart)

Algorithmen und Notationen

q = 0

n=0?

Berechnungsschritt

Abfrage/Verzweigung



operationalisierte Problemlösung



prozedurale, imperative Programmierung

(11)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Beispiel: Euklidischer Algorithmus

Flussdiagramme (engl. Flowchart)

Algorithmen und Notationen

START a =8, b =4 a′=8, b′=4 4=0? → false 4>8? → false r=0, a′=4, b′=0 0=0? → true Ausgabe: 4 ENDE

START Eingabe: a, b

b′=0?

ENDE

a′=a, b′=b

b′>a′?

Ausgabe: a′

c = a′

a′ = b′

b′ = c

r = a′ mod b′

a′ = b′

b′ = r true

false

false true

 Graphische Repräsentation eines Algorithmus.

Vorlesung „Programmieren in C“

 Verwendung mathematischer Formeln.

 Knappe und eindeutige Beschreibung.

 Besonders geeignet für mathematische Probleme.

 Beispiel: Quersumme

Mathematische Notation

Algorithmen und Notationen

0 n = 0

qs (n)=

n mod 10 + qs (n/10) sonst Rekursion



typisch für mathematische Beschreibung



deklarative Problemlösung



Kein Algorithmus nach obiger Definition

(12)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Verwendung mathematischer Formeln.

 Knappe und eindeutige Beschreibung.

 Besonders geeignet für mathematische Probleme.

 Beispiel: Euklidischer Algorithmus

Mathematische Notation

Algorithmen und Notationen

a b = 0

ggT (a, b) = ggT (b, a) b > a ggT (b, a mod b) sonst

Vorlesung „Programmieren in C“

 Abstrakte Programmiersprache („Pseudocode“)



Verwendung allgemeiner Konzepte, die den üblichen Programmiersprachen gemeinsam sind

(z.B. Verzweigungen, Iterationen).



Basis für präzise Beschreibung von Algorithmen.



Leichte Übertragbarkeit auf spezielle Programmiersprachen.

 Beispiel: Quersumme

Eingabe: natürliche Zahl n q = 0

while n > 0 do r  n mod 10;

q  q + r;

r  r / 10;

Ausgabe: q

Pseudocode

Algorithmen und Notationen

(13)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Abstrakte Programmiersprache („Pseudocode“)



Verwendung allgemeiner Konzepte, die den üblichen Programmiersprachen gemeinsam sind

(z.B. Verzweigungen, Iterationen).



Basis für präzise Beschreibung von Algorithmen.



Leichte Übertragbarkeit auf spezielle Programmiersprachen.

 Beispiel: Euklidischer Algorithmus

Geg.: a, b natürliche Zahlen; a>0; b≥0 ggT(a,b) ≡ if b=0 then a

else if b>a then ggT(b,a)

else ggT(b,mod(a,b)) endif

endif

Pseudocode

Algorithmen und Notationen

Vorlesung „Programmieren in C“



Kompromiss zwischen Anforderungen der Maschine und des Menschen.



Neben der mathem. Notation die präziseste Notation.



Abstrakt genug, um (gut) vom Menschen verstanden werden zu können.



Ermöglicht vollautomatische Ausführung durch Computer.

 Programm



Beschreibung eines Algorithmus in einer konkreten, vom Rechner ausführbaren Programmiersprache.

(Höhere) Programmiersprache

Algorithmen und Notationen

(14)

Vorlesung „Programmieren in C“

Das erste Programm

Hello, world!

/* File: hello_world.c */

#include <stdio.h>

int main (void) {

printf (”Hello, world!\n“);

return 0;

}

 Standard-Beispiel seit Kernighan/Ritchie

 Was macht das Programm? _____________________________

Vorlesung „Programmieren in C“ Hello, world!

Erläuterungen

(im Detail später)

 Funktion main ()

in C wird diese Funktion beim Aufruf ausgeführt

Hauptprogramm

 Anweisungsblock

{ Ein Anweisungsblock wird durch geschweifte Klammern eingerahmt.

: Anweisungen im Block werden sequentiell ausgeführt.

} Anweisungen werden mit einem Semikolon abgeschlossen.

 Funktion printf ()

Ein-/Ausgabefunktion „print formatted“

Funktion in der Bibliothek „stdio.h“ (später mehr)

 Include

Direktive „include“ macht die Bibliothek(sfunktionen) bekannt.

 Kommentare

Kommentare werden durch /* … */ eingerahmt.

 Datenstruktur Zeichenkette

Zeichenketten werden durch Anführungszeichen “Hello, world!” eingerahmt.

return 0;

}

(15)

Vorlesung „Programmieren in C“

Hello, world!

Erläuterungen

(im Detail später)

 Formatierung

Vorhandene Formatierung ist nicht erforderlich!

Möglich wäre auch:

int main(void){printf(”Hello, world!\n“);return 0;}

Übersichtlichkeit ginge verloren!

return 0;

}

Wichtig (in Prüfung notwendig):

• ausreichend kommentieren

• einrücken

Vorlesung „Programmieren in C“

Hello, world!

 Funktionen

Zentrales Strukturierungsmittel.

(Haupt-) Funktion „main“ und beliebige Unterfunktionen

 Funktionsrümpfe und Blöcke

…

 Typen

Datentypen

Funktionstypen

 Anweisungen

Zentral für imperative Programmiersprachen (s.u.).

 Bibliotheksfunktionen

Wiederverwendung von Funktionen spart Arbeit.

Kapselung von Systemsoftware.

Basiselemente eines Programms (Details später)

(16)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Editieren

 Übersetzen

 (Binden)

 Ausführen

Praxiseinschub:

Programmerzeugung und Ausführung

Vorlesung „Programmieren in C“ Arbeiten unter Unix

 Terminal/Konsole starten

UNIX

(17)

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Unix

 Editor

Erstellung und Bearbeitung von digitalen Daten (Dateien).

Funktionen und Komplexität abhängig vom Aufgabengebiet, z.B.

• Texteditoren (z.B. emacs, vim)

• html-/xml-Editoren

• sprachsensitive Editoren (unterstützen Syntax von Programmiersprachen)

• gedit

• gvim

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Unix

 Programm übersetzen und ausführen



Übersetzen: gcc –o <Ausgabedatei> <C-Datei>



Ausführen: Aufrufen der Ausgabedatei

(18)

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Unix

 Syntaxfehler (Beispiel)

Vorlesung „Programmieren in C“ Arbeiten unter Windows

 Editor

• edit

• notepad

Windows

(19)

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Windows

 Programm übersetzen und ausführen



Übersetzen: gcc –o <Ausgabedatei> <C-Datei>



Ausführen: Aufrufen der Ausgabedatei

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Windows

 Syntaxfehler (Beispiel)

(20)

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Windows

 C(++) Umgebung

Windows

Vorlesung „Programmieren in C“ Arbeiten unter Windows

 C(++) Umgebung DEV C++

Windows

(21)

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Windows

 Neues Projekt anlegen und speichern

Windows

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Windows

 Programm übersetzen

Windows

(22)

Vorlesung „Programmieren in C“

Arbeiten unter Windows

 Programm ausführen

Windows

Vorlesung „Programmieren in C“ Testen

 Goldene Regeln für Programmierer

Alles, was schiefgehen kann, wird auch schiefgehen.

Alles, was nicht schiefgehen kann, wird voraussichtlich doch schiefgehen.

Programme systematisch testen!

In der Praxis:

Debugging-Werkzeuge

Testumgebungen

 Fehlerklassen

Syntaxfehler: vom Compiler entdeckt

Laufzeitfehler: viel schwerer zu entdecken

Testen

nicht in der Vorlesung

(23)

Vorlesung „Programmieren in C“

Testen

 Grundlegende Guidelines

Übliche Fehler, die alle machen(s.u.)

• Zuweisung ’=‘statt Vergleich ’==‘

if (x = 3) . . .: xwird 3 zugewiesen; Bedingung ist wahr

Semikolon fehlt

P = p + x entspricht p = p + xq = q + y;

q = q + y; Fehlermeldung „undeclared variable“

(ist nicht der Fehler).

Laufzeitfehler,

falls Variable ‚xq‘ existiert.

Analog: fehlende { }, ” “, /* */

Nicht deklarierte Variablen

Testen

Vorlesung „Programmieren in C“

Programmiersprache C

 Historie

eng mit der Entwicklung von UNIX verbunden

• erstes UNIX auf DEC-Rechnern in Assembler

(vgl. Vorlesung „Architektur digitaler Systeme I“)

• Ziel: portable/höhere Programmiersprache, die nahe genug an der Hardware ist

• Sprachmittel zur strukturierten Programmierung

• Möglichkeit der hardwarenahen Programmierung (z.B. Registerzugriff)

• Performance wie Assembler

Die Programmiersprache C

(24)

Vorlesung „Programmieren in C“

 Historie

Zunächst „B“ (Ableger von BCPL)

noch ohne Datentypen

1971: Ritchie: Weiterentwicklung zu C

1975: UNIX: 90% C, 10% Assembler

1978: „Kernighan/Ritchie, The C Programming Language“

zunächst Quasi-Standard (K&R-C)

Entwicklung vieler C-Dialekte

Portabilität gefährdet

Die Programmiersprache C

Programmiersprache C

Vorlesung „Programmieren in C“

 Historie

1989: Standardisierung durch ANSI-Komitee: ANSI-C (x3.159-1985)

• (Teil) aller heutigen C-Compiler

• Auch Normierung der Standard-Bibliotheken, z.B. stdio.h

• 1990 durch ISO/IEC 9899 [C90] ersetzt

• 1999: Erweiterung um C++-Sprachkonstrukte: ISO/IEC 9899 [C99]

• 2011: Einführung des aktuellen Standards [C11]

Lehrbuch: C90

• Wird von (fast) allen Systemen unterstützt

• „Ausreichend“ für Einführungsvorlesung

Die Programmiersprache C

Programmiersprache C

(25)

Vorlesung „Programmieren in C“

 C99-Standard

Erweiterung in der Sprache und Bibliotheken.

Objektorientierte Erweiterung: C++.

Beispiele

• Bei Funktionen ohne Rückgabewert wird nicht mehr intangenommen.

•long long int für 64-Bit-Zahlen, boolesche und komplexe Zahlen.

• Arrays variabler Länge.

• Einzeilige Kommentare mit //.

• Bessere Unterstützung der Codeoptimierung.

Die Programmiersprache C

Programmiersprache C

Vorlesung „Programmieren in C“

 C11-Standard

Optionale Elemente aus C99 verpflichtend und umgekehrt.

Multithreading und atomare Operationen.

Beispiele

• Bessere Unterstützung von Unicode (utf-8, utf-16).

• Ausrichten von Strukturen im Speicher.

• Arrays variabler Länge nur noch optional.

• Entfernung der Funktion gets().

• Bessere Unterstützung der Codeoptimierung.

Die Programmiersprache C

Programmiersprache C

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Vorlesung „Programmieren in C“

 Eigenschaften von C

HW-nah, d.h. gleiche „Objekte“ wie Prozessor/Assembler:

• Zahlen und Adressen

• Zeichen als Zahlen interpretiert

C-Datentypen (später vertieft):

• verschiedene Integer-Datentypen

• verschiedene Gleitkomma-Datentypen

• zusammengesetzte Datentypen:

• Strukturen

• Unions

• Bitfelder

• Adressen (Pointer)

direkter Zugriff auf Speicheradressen und Bitoperationen

oft Unterstützung des Zugriffs auf HW-Register über Bibliotheken (nicht ANSI-Std.) z.B. Visual C++-Compiler: _inp(), _outp(): Bibliotheksfunktionen, die x86-Befehlen

inund outentsprechen

Die Programmiersprache C

Programmiersprache C

Vorlesung „Programmieren in C“

 Eigenschaften von C

enthält Elemente der strukturierten Programmierung

• Kontrollstrukturen

• Typkonzept (nicht streng, d.h. einige automatische Typkonvertierungen;

nicht bei unverträglichen Datentypen (Fehlermeldung))

Programmeinheiten getrennt übersetzbar

Vorteile: - ___________________________________

- ___________________________________

Die Programmiersprache C

Programmiersprache C

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Vorlesung „Programmieren in C“

 Eigenschaften von C

Einordnung in die Familie der imperativen Programmiersprachen (basieren auf v. Neumann-Rechnermodell: Manipulation von Variablen im Speicher

↔ deklarative Sprachen (LISP, PROLOG, OPS5, …))

prozedural

objektorientiert

Die Programmiersprache C

FORTRAN

BASIC ALGOL60

BCPL C

Smalltalk

Modula Concurrent Pascal C++ Ada

Java C#

COBOL ALGOL68 SIMULA Pascal PL/I

prozedural

objektorientiert

Programmiersprache C

Vorlesung „Programmieren in C“

 Eigenschaften von C

C++-Erweiterung (Folgevorlesung, neben Java)

• objektorientiertes Programmiermodell

• strengeres Typkonzept