Programmieren in C


von Prof. Jürgen Plate

1 Datenstrukturen

Programm-Dokumentation ist wie Sex
- ist er gut, dann ist es sehr, sehr gut;
ist er schlecht, ist es besser als gar nichts.

1.1 Datenorientierte Programmentwicklung

In der kommerziellen Datenverarbeitung treten sehr oft Problemstellungen auf, bei denen es weniger auf die Algorithmen ankommt (weil diese sehr einfach sind), sondern auf die Umformung der gegebenen Daten. So gibt es zum Beispiel Listengeneratoren; das sind Programme, die Listen erzeugen, also nichts anderes tun als Daten, die bereits bekannt sind, in eine übersichtliche Form zu bringen. Für die Aufgabenstellung ist der Algorithmus selbst von geringer Bedeutung. Hier kommt es in erster Linie auf die Ein- und Ausgabedaten sowie deren Umformung an. So hat sich neben der problemorientierten Programmentwicklung die datenorientierte Programmentwicklung herausgebildet. Hier wird zuerst die Datenstruktur für jede zu verarbeitende Datenmenge definiert. Danach stellt man fest, welche Arten der Zuordnung existieren. Dabei sollen

unterschieden werden. Dann werden alle Einzeloperationen in ungeordneter Reihenfolge aufnotiert und anschließend jede Operation den Datenstrukturdiagrammen und den daraus entwickelten Programmstrukturen zugeordnet. Dieses Entwurfsprinzip ist aber ausschließlich für umformende Problemstellungen geeignet.

Wichtig für die allgemeinen Probleme ist, daß die Eingabe- und Ausgabedaten eines Programms genau analysiert und strukturiert werden. Das führt meist auch zu kürzeren und übersichtlicheren Programmen. Bei der Datenanalyse können Sie folgendermaßen vorgehen:

Es hat sich auch beim Entwurf von Programmiersprachen schnell herausgestellt, die zu verarbeitenden Daten nach ihrer Art, ihrem Typ, zu unterscheiden. In strukturierten Sprachen ist es üblich, alle verwendeten Variablen am Anfang eines Programmes summarisch aufzuführen. Das trägt zu dessen Verständlichkeit und Leserlichkeit wesentlich bei. Insbesondere gehört zu einer guten Dokumentation die explizite Angabe des Wertebereiches einer jeden Variablen. Die wichtigsten Gründe dafür sind die folgenden:

  1. Die Kenntnis des Wertebereiches einer Variablen ist entscheidend für das Verständnis eines Algorithmus. Ohne explizite Angabe des Wertebereiches ist es meistens schwierig, festzustellen, welche Art von Objekten eine Variable repräsentiert, und die Ermittlung möglicher Fehler wird erheblich erschwert.
  2. Die Zweckmäßigkeit und die Korrektheit eines Programms sind in den meisten Fällen abhängig von den Anfangswerten der Argumente, und sie sind nur für bestimmte Bereiche garantiert. Daher gehört es zur Dokumentation eines Algorithmus, daß diese Bereiche explizit aufgeführt sind.
  3. Der Speicherbedarf für die Repräsentation einer Variablen im Speicher eines Computers hängt von deren Wertebereich ab. Damit ein Compiler die nötigen Speicherzuordnungen vornehmen kann, ist die Kenntnis der Wertebereiche unerläßlich.
  4. Operatoren, die in Ausdrücken vorkommen, sind nur für gewisse Wertebereiche ihrer Argumente wohldefiniert. Ein Compiler kann auf Grund der angegebenen Wertebereiche prüfen, ob die vorkommenden Kombinationen von Operatoren und Operanden zulässig sind. Die Angabe der Wertebereiche der Variablen dient also als Redundanz zur Überprüfung des Programms während seiner Übersetzung.
  5. Die Realisierung von Operatoren in Rechenanlagen hängt unter Umständen von den Wertebereichen der Operanden ab. Ihre Kenntnis ist daher oft zu einer zweckmäßigen und effizienten Realisierung unerläßlich. So werden z. B. in den meisten Rechenanlagen verschiedene interne Darstellungsarten für ganze und für reelle Zahlen verwendet, und die detaillierten Abläufe von arithmetischen Operationen unterscheiden sich stark für die beiden Darstellungsweisen.
  6. Eine automatische Prüfung von Grenzverletzungen während das Programm abläuft durch das Laufzeitsystem ist möglich --> sichere Programme (auf Kosten der Geschwindigkeit).

1.2 Datentypen

An dieser Stelle wird nur allgemain auf Datentypen sowie deren Bedeutung und Eigenschaften eingegangen, wobei aber teilweise schon die Notation der Sprache C verwendet wird. In einem späteren Kapitel werden die Besonderheiten der Datentypen in C ausführlicher behandelt.

Der Wertebereich einer Variablen spielt eine derart wichtige Rolle in der Charakterisierung einer Variablen, daß er als deren Typ bezeichnet wird. Die Werte eines Bereichs werden als Konstanten von diesem Typ bezeichnet. Es wird daher die bindende Konvention eingeführt, daß in jedem Programm alle Variablen vereinbart werden. Dies geschieht durch Angabe einer Liste der gewählten Variablen-Bezeichnungen und deren Typen. Eine Variablen-Vereinbarung habe allgemein die Form

TYP variable

wobei "variable" eine Variablen-Bezeichnung und "TYP" der Typ der Variablen ist. Falls mehrere Variablen vom gleichen Typ vereinbart werden sollen, wird die Kurzform

TYP v1, v2 ,..., vn (n > 1)

verwendet, wobei v1 ... vn Variablenbezeichnungen sind und TYP wiederum entweder eine Typenbezeichnung oder eine Typenbeschreibung ist. Die Konvention, alle verwendeten Bezeichnungen am Anfang eines Programms zu vereinbaren, hat zudem den großen Vorteil, daß ein Compiler bei jeder im Programm vorkommenden Bezeichnung prüfen kann, ob sie überhaupt vereinbart ist. Im negativen Fall, der z. B. durch Schreibfehler verursacht wird, kann der Compiler durch eine entsprechende Fehlermeldung auf den Lapsus aufmerksam machen. Die zusätzliche Redundanz wird also wiederum zur Erhöhung der Programmiersicherheit ausgenutzt. Wie werden Datentypen in einem Programm eingeführt, und welche Wertbereiche können durch Computer zweckmäßig dargestellt werden? Vorerst sei bemerkt, daß es üblich ist, Datentypen in verschiedene Arten einzuteilen. Das wesentliche Merkmal eines Typs ist die Struktur seiner Werte. Ist ein Wert unstrukturiert, also nicht in einzelne Komponenten zerlegbar, so wird er - und damit auch sein Typ - als skalar bezeichnet. Ist er dagegen in einzelne Komponenten zerlegbar, nennt man ihn strukturiert.

Konstante

Konstante sind Datenwerte, die direkt in der Anweisungsfolge eines Programms eingetragen werden können (Standardbezeichnung, z. B. Zahlen). Als Konstante bezeichnet man üblicherweise auch Namen für Datenwerte (frei wählbare Bezeichnung). Durch die Vereinbarung von Konstanten-Namen wird ein ganz bestimmter Datenwert mit einem Namen versehen und ist über diesen Namen jederzeit zugreifbar. Der Wert einer Konstanten kann nicht geändert werden. Konstante dienen der Übersichtlichkeit und Lesbarkeit von Programmen; z. B.: 

Pi = 3,1415 
Maximum = 10000 
Autor = "Johann Wolfgang von Goethe"

Bei der Programmiersprache C findet man zwei Varianten der Konstantenvereinbarungen: 

const float Pi = 3.1415
#define Pi 3.1415

Die erste Form entspricht dem aktuellen ANSI-Standard und ist zu bevorzugen. Die zweite Variante ist älter und definiert eigentlich nur ein Makro. Vor der eigentlichen Übersetzung wird im gesamten Text die Zeichenkette "Pi" durch "3.1415" ersetzt.

Variablen

Anstelle der behandelten Datengrößen werden im Programm Namen eingesetzt, die als variable Größen oder kurz als "Variablen" bezeichnet werden. Jede Variable besitzt also einen Namen und einen Wert. Sie stellt somit einen "Behälter" für ihren Wert dar. Der Compiler reserviert entsprechend dem Typ eine bestimmte Menge Speicherplatz für den "Behälter". Die Variable kann als Benennung von einem oder mehreren Speicherworten aufgefaßt werden.

In C gibt es zwei verschiedene Arten von Vereinbarungen, Definitionen und Deklarationen.Der Begriff der Vereinbarung umfasst sowohl die Definition als auch die Deklaration.

Definitionen

Deklarationen legen nur die Art der Variablen bzw. die Schnittstelle der Funktionen, d. h. die Funktionsköpfe, fest. Während Definitionen von Variablen und Funktionen dazu dienen, Datenobjekte bzw. Funktionen im Speicher anzulegen, machen Deklarationen Datenobjekte bzw. Funktionen bekannt, die in anderen Übersetzungseinheiten definiert werden oder in derselben Übersetzungseinheit erst nach ihrer Verwendung definiert werden.

Eine Deklaration umfasst stets den Namen eines Objektes und seinen Typ. Damit weiß der Compiler, mit welchem Typ er einen Namen verbinden muß. Kurz ausgedrückt:

Definition = Deklaration + Reservierung des Speicherplatzes

Die Zuweisung eines Wertes an eine Variable ist eine fundamentale Operation in Computerprogrammen. Eine Variable zeigt eine Verhaltensweise, die einer Wandtafel ähnlich ist: Sie kann jederzeit gelesen werden (sie liefert den Wert) andererseits ausgewischt und überschrieben werden. In fast allen höheren Programmiersprachen müssen Variablen vor ihrer Verwendung deklariert werden - so auch in C. Es wird dabei der Typ der Variablen (siehe unten: Datentypen) und ein Bezeichner angegeben. Z. B.: 

int Anzahl, Summe, I, J;
float DM_Betrag;

Die Zuweisung eines Wertes an eine Variable wird im allgemeinen durch das Operatorzeichen = bezeichnet (zur Unterscheidung vom Gleichheitszeichen verwenden manche Programmiersprachen auch einen Linkspfeil oder ":="):

Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Wertzuweisung und Gleichung im mathematischen Sinn. So würde die mathematische Gleichung

X = X + 1

wenig Sinn machen (es gibt nämlich keine Lösung), in einer Programmiersprache bedeutet der Ausdruck jedoch "Addiere 1 zum Wert von X und speichere das Ergebnis wieder in X" oder kürzer "Erhöhe X um 1". Noch ein Beispiel:

In C ist eine Wertzuweisung auch bei der Definition erlaubt. Es handelt sich um ein sehr sinnvolles Feature, denn eine Variable besitzt nach der Deklaration noch keinen definierten Wert. Nicht initialisierte Variablen (d. h. Variablen ohne Anfangswert) sind oft die Ursache von Programmfehlern. Beispiel: 

int I = 0, Anzahl = 111;
float X = 0.0;
Merke: Steht die Variable auf der rechten Seite einer Zuweisung, bezeichnet sie ihren Inhalt. Steht die Variable auf der linken Seite einer Zuweisung bezeichnet Sie einen Behälter.

Ausdrücke

Ein Ausdruck (engl. Expression) ist eine Formel (eine Rechenregel), die stets einen (Resultat-)Wert liefert. Der Ausdruck besteht aus Operanden (Konstante, Variablen und Funktionen) und Operatoren. Operatoren werden üblicherweise eingeteilt in

Sofern Ausdrücke mit mehr als einem Operator vorkommen, ist die Reihenfolge ihrer Ausführung eindeutig festzulegen. Dies kann durch drei Möglichkeiten erfolgen:

Die Hierarchie nimmt in der oben aufgeführten Liste von oben nach unten zu, d. h. Klammern binden stärker als Vorrangregeln und diese stärker als die Reihenfolge. Der Begriff "Ausdruck" beschränkt sich nicht auf arithmetische Ausdrücke (z. B. a * y + b), es gibt auch logische oder mengentheoretische Ausdrücke oder Ausdrücke, die Zeichen, Zeichenfolgen oder Speicheradressen zum Ergebnis haben.

Ausdrücke und Anweisungen

Anweisungen und Ausdrücke sind nicht das Gleiche. Sie unterscheiden sich durch den Rückgabewert: Was ist aber nun genau der Rückgabewert? Das soll anhand des Ausdrucks 13 + 16.5 erklärt werden. Durch die Anwendung des Additionsoperators + auf seine Operanden 13 und 16.5 ist der Rückgabewert des Ausdrucks eindeutig festgelegt. Aus den Typen der Operanden ergibt sich auch der Typ des Rückgabewertes. Werden wie in diesem Beispiel unterschiedliche Datentypen in einem Ausdruck verwendet, führt der Compiler eine sogenannte implizite Typumwandlung nach vorgegebenen Regeln durch. Als erstes prüft der Compiler die Typen der Operanden. Der eine Operand ist vom Typ int, der andere vom Typ float. Damit ist eine Addition zunächst nicht möglich. Es muß zuerst vom Compiler eine für den Programmierer unsichtbare sogenannte implizite Typumwandlung der Zahl 13 in den Typ float (also zu 13.0) durchgeführt werden. Erst dann ist die Addition möglich. Der Rückgabewert der Addition ist die Zahl 29.5 vom Typ float. Jeder Rückgabewert hat also auch einen Typ.

In C gibt es

Die ersten drei Anweisungen werden im Kapitel 2 ausführlich behandelt, auf die letze Form wird hier eingegangen.In C kann man durch Anhängen eines Semikolons an einen Ausdruck erreichen, daß dieser zu einer Anweisung wird. Man spricht dann von einer sogenannten "Ausdrucksanweisung". In einer solchen Ausdrucksanweisung wird der Rückgabewert eines Ausdruckes nicht verwendet. Lediglich wenn Seiteneffekte zum Tragen kommen, ist eine Ausdrucksanweisung sinnvoll. Dazu ein Beispiel: 
int i = 0;            /* Zuweisung eines Anfangswertes an die Variable    */

5 * 5;                /* zulaessig, aber nicht besonders sinnvoll         */
                      /* Der Rueckgabewert von 5 * 5 wird nicht verwendet */

i++;                  /* Sinnvoll - i wird um 1 erhoeht (siehe spaeter)   */
Generell gilt:

In C kann jeder Ausdruck eine Anweisung werden und einen Rückgabewert haben.

Bezeichner

Wie haben gesehen, daß man Konstante und Variablen mit frei wählbaren Bezeichnungen (Namen) versehen kann. Daneben gibt es in jeder Programmiersprache noch Bezeichner für Unterprogramme (Prozeduren und Funktionen, siehe später) und sogenannte Standardbezeichner, welche die Schlüsselworte (engl. "reserved words") der Programmiersprache und vordefinierte Unterprogramme (Standardfunktionen, Standardprozeduren) benennen und die in der Regel nicht anderweit verwendet werden dürfen.

L-Werte und R-Werte

Ausdrücke habe eine unterschiedliche Bedeutung, je nachdem, ob sie links oder rechts vom Zuweisungsoperator stehen. Wie schon erwähnt steht beim Ausdruck a = b die rechte Seite für einen Wert, während der Ausdruck auf der linken Seite die Stelle angibt, an der der Wert zu speichern ist. Wenn wir das Beispiel noch etwas modifizieren, wird der Unterschied noch deutlicher: 
a = a + 5*c
Beim Namen a ist rechts vom Zuweisungsoperator der Wert gemeint, der in der Speicherzelle a gespeichert ist, und links ist die Adresse der Speicherzelle a gemeint, in der der Wert des Gesamtausdrucks auf der rechten Seite gespeichert werden soll. Aus dieser Stellung links oder rechts des Zuweisungsoperators wurden auch die Begriffe L-Wert und R-Wert abgeleitet.

Ein Ausdruck stellt einen L-Wert ("lvalue" oder "left value") dar, wenn er sich auf ein Speicherobjekt bezieht. Ein solcher Ausdruck kann links und rechts des Zuweisungsoperators stehen.

Ein Ausdruck, der keinen L-Wert darstellt, stellt einen R-Wert ("rvalue" oder "right value") dar. Er darf nur rechts des Zuweisungsoperators stehen. Einem R-Wert kann man also nichts zuweisen.

Es gilt:

1.3 skalare Standardtypen

Wie schon erwähnt, ist die summarische Auflistung der Variablen und Konstanten wichtig für die Verständlichkeit des Programms. Insbesondere gehört zu einer guten Dokumentation die explizite Angabe des Wertebereichs. Nachfolgend werden vier äußerst häufige Standardtypen vorgestellt, die in jedem Datenverarbeitungssystem als bekannt vorausgesetzt werden. Trotzdem sind nicht alle Typen auch in jeder Programmiersprache verfügbar. So kennt C nicht den Typ "Boolean" und Basic kennt nur "Real" und "String". Man kann die fehlenden Typen jedoch in fast allen höheren Programmiersprachen "nachempfinden".

1.4 strukturierte Typen

Feld (Array)

Variablen dieses Typs besitzen eine Menge von Komponenten gleichen Typs und haben folgende Eigenschaften:

Wie man sieht, werden die Komponenten der Array-Variablen A mit dem Index I durch A[I] bezeichnet. Anstelle des Indexwertes kann, abhängig von Indextyp, auch ein beliebiger Ausdruck stehen, z. B.: A[i + j].

Zwei Array-Variablen werden als gleich bezeichnet, wenn sie vom selben Typ sind (d. h. identische Vereinbarung besitzen) und alle Komponenten paarweise gleich sind (d. h. A = B, wenn A[i] = B[i] für alle i des Indexbereichs).

Als Komponententyp eines Array kann auch wieder ein Arraytyp verwendet werden --> mehrdimensionale Arrays. Die Vereinbarung wird in den Programmiersprachen zu einer verkürzten Vereinbarung zusammengezogen:

int A [100][50]

Verbund (Record, Structure)

Im Gegensatz zu Array besitzen Verbunde Komponenten unterschiedlichen Typs und stellen damit die flexibelste Datenstruktur dar. Ein Record besteht aus einer festen Anzahl von Komponenten, wobei jede Komponente mit einem eigenen Namen bezeichnet wird, die Vereinbahrung stellt sich damit folgendermaßen dar: 
struct Recordbezeichner
   {
   Komponententyp Komponentenbezeichner;
   Komponententyp Komponentenbezeichner;
   Komponententyp Komponentenbezeichner;
   Komponententyp Komponentenbezeichner;
   };
Man kann nach der schließenden Klammer auch gleich noch eine Variable definieren. Beispiele: 
struct Kundensatz
   {
   int Kundennummer;
   char Name[20];
   char Vorname [20];
   float Umsatz;
   } Kunde;

struct Datumstyp
   {
   int Tag;
   int Monat;
   int Jahr;
   } Datum;
Definiert man die Variablen getrennt von der Record-Definition, sieht das so aus: 
sruct Recordbezeichner Variablenbezeichner;
Als Record-Komponenten können wieder beliebige Datentypen stehen, also auch wieder Array- oder Recordtypen. Umgekehrt kann auch ein Array Records als Komponenten besitzen (z. B. ein Array mit Komponenten vom oben gezeigten Kundentyp).

Auf einzelne Komponenten des Records wird über die Kombination des Recordnamens und der gewünschten Recordkomponente zugegriffen. Als Trennzeichen zwischen den Namen wird ein Punkt verwendet (hier gibt es Unterschiede bei den einzelnen Programmiersprachen), z. B.:

Datum.Tag oder Kunde.Name

Auch hier kann - je nach Aufbau des Records - eine mehrstufige Referenz notwendig sein.

1.5 Dateien

Alle bisher betrachteten Datentypen haben sich dadurch ausgezeichnet, daß der Wert einer Variablen durch ihren Namen referenziert wurde und die Zahl der Komponenten bei der Vereinbarung festgelegt wurde. Es stellt sich die Frage, welcher Datentyp verwendet werden soll, wenn die Zahl der Komponenten nicht von Anfang an festliegt. Ein zweiter Aspekt ist die Ein-/Ausgabe. Die bisher behandelten Variablen liegen im Arbeitsspeicher. Es muß also eine Möglichkeit zur permanenten Speicherung von Daten ausserhalb des Hauptspeichers geboten werden - und zur Ein-/Ausgabe über beliebige Geräte.

Dateien sind ein allgemeines Konzept für die permanente Speicherung bzw. Ein-/Ausgabe. Dateien bestehen aus beliebig vielen Komponenten eines bestimmten Datentyps. Je nach Dateiart können die einzelnen Komponenten sequentiell oder wahlfrei gelesen werden. Am Ende einer Datei können weitere Komponenten hinzugefügt werden. Die Abbildung der abstrakten Dateistruktur auf reale Speichergeräte (Platte, Band, Drucker, etc.) erfolgt durch das Betriebssystem.

Eine Datei besitzt also lauter Komponenten gleichen Typs. Zusammen mit der Dateivariable wird implizit auch ein Pufferbereich im Arbeitsspeicher definiert, der mindestens eine Dateikomponente (--> aktueller Wert) aufnehmen kann. Auf diesen Datenwert wird dann über die Dateivariable (Filehandle) zugegriffen. Zusammen mit dem Typ "Datei" müssen einige Standardoperationen definiert sein, die den Zugriff auf die Datei erlauben:

Nach Art des Zugriffs auf die Komponenten wird unterschieden in sequentielle Dateien und Dateien mit wahlfreiem Zugriff.

Textdateien

Dateien, dessen Komponenten Schriftzeichen sind (Typ Character), nehmen eine Schlüsselrolle ein, da die Eingabe- und Ausgabedaten der meisten Computerprogramme Textfiles sind (darunter fällt beispielsweise auch die Druckausgabe). Ein Programm kann vielfach allgemein als eine Datentransformation von einer Textdatei in eine andere aufgefaßt werden (z. B. höhere Sprache --> Assembler).

Nun sind Texte i. a. in Zeilen unterteilt, und es stellt sich die Frage, wie diese Zeilenstruktur auszudrücken ist. In der Regel enthält der in einem DVS verwendete Zeichencode spezielle Steuerzeichen, von denen eines als Zeilenende-Zeichen verwendet werden kann. Bedauerlicherweise verhindert die Realisierung von Textdateien auf Betriebssystemebene eine einfache Realisierung der Textdatei als "FILE OF Character".

Übersicht Datentypen

Die folgende Übersicht zeigt eine Einordnung der Datentypen nach ihren Eingenschaften. Nicht alle Typen sind in jeder Programmiersprache vorhanden. Einige der Typen werden später besprochen, einige auch gar nicht.

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