Informatik IIGrundlagen der Programmierung

Programmieren in C

Module und Bibliotheken 1

Hochschule Fulda – FB ET

Sommersemester 2010

http://www.rz.hs-fulda.de/et

Peter Klingebiel, HS Fulda, DVZ

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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

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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

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Module 3

• Projekt: Module und Bibliotheken

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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

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Module 5

• Beispiel: Zinsberechnung zinsen2.c

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Module 6

• Beispiel: Moduldatei zpower.c

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Module 7

• Beispiel: Moduldatei zzins.c

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Module 8

• Beispiel: Headerdatei zinsen.h

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Module 9

• Beispiel: Hauptprogramm zinsen4.c

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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

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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

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Module 12

• Beispiel: Makefile für Zinsprogramme

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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

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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“

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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

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Bibliotheken 4

• Beispiel: stdio.h (Fragment)

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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

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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)[];

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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]

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Dateien 1

• Grundlegender Datentyp FILE • zugrundeliegendes Modell: stream• Daten- oder Bytestrom: Bytes werden

sequentiell gepuffert gelesen / geschrieben• Bsp: printf("HALLO, WELT");

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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

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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 existierenw, wb write - schreiben, Datei wird erzeugt, Dateilänge auf 0 gesetzta, ab append - schreiben, anhängenr+, rb+ update - lesen+schreiben

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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

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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, ...)

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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

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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

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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

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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

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Dateien 10

• Beispiel: filecopy.c

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Dateien 11

• Beispiel: numcat.c

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Dateien 12

• Beispiel: revcat.c

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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Dateien 19

• Bsp: Schichten im Betriebsystem

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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

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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

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Dateien 22

• Diskussion– Warum Pufferung von IO?– Warum Schichtung Anwendungs-/Systemebene?

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Dateien 23

• Beispiel: bytecopy1.c

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Dateien 24

• Beispiel: bytecopy2.c

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Dateien 25

• Beispiel: bytecopy3.c

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Dateien 26

• Diskussion– Welches bytecopy ist schneller und effizienter? – Warum?