Programmieren in C Eigene · PDF fileProf. Dr. Nikolaus Wulff Programmieren in C 2 C Datentypen • Variablen in C sind immer von einem bestimmten Datentyp, z. B. int, float, char,

Prof. Dr. Nikolaus Wulff

Programmieren in CProgrammieren in C

Eigene Datentypen per typedef und Strukturen

Prof. Dr. Nikolaus Wulff Programmieren in C 2

C Datentypen

• Variablen in C sind immer von einem bestimmten Datentyp, z. B. int, float, char, etc.

• Zusätzlich definiert die Sprache Operationen die mit den Datentypen erlaubt sind, +,*, etc.

• Diese Typen sind eng angelegt an die Möglichkeiten einer CPU und den primitiven mathematischen Operationen, die damit möglich sind.

• Für fachliche Anwendungen ist es wünschenswert eigene Datentypen zu verwenden, wie z.B. einen Geldbetrag, ein Datum, eine Farbe, etc.


Eigene Datentypen

• C kennt verschiedene Mechanismen, um eigene Datentypen zu definieren.

• Diese Typen können dann mit „sprechenden Typnamen“ versehen sein.

• Dies ermöglicht es sprachlich näher an der Semantik des Problembereichs zu bleiben.

• Dies erleichtert die Lesbarkeit und kann auch verwendet werden, um Programme leichter zwischen verschiedenen Maschinenarchitekturen zu portieren.


Aufzählungstypen

• Das Konzept von Aufzählungen (eng. Enumeration) kommt derart häufig vor, das C hierfür eine eigene Anweisung besitzt, um einen Aufzählungstypen für Konstanten zu definieren.

• Statt vieler Konstanten per #define wird die enum Anweisung verwendet, um einen ganzen Satz von Konstanten zu definieren.

enum <identifier> { value1,...,value

N};


Boolean per enum

• C kennt keinen Booleschen Datentyp, daher werden die Variablen TRUE und FALSE häufig per #define Anweisung definiert:

• Sauberer geht es per enum:

• Die Voreinstellung ist, dass der erste Bezeichner (hier false) mit 0 belegt wird und dann wird jeweils um eins inkrementiert.

#define FALSE 0#define TRUE 1

enum Boolean { false, true};


Wochentage

• Wir wollen ein Programm Kalender zur Bearbeitung von Wochentagen entwickeln.

• Die Header Datei Kalender.h könnte so aus sehen:

#define MONDAY 1#define TUESDAY 2#define WEDNESDAY 3#define THURSDAY 4#define FRIDAY 5#define SATURDAY 6#define SUNDAY 7

void printDay(int day);


Aufzählungstypen

• Statt vieler Konstanten per #define wird die enum Anweisung verwendet.

• Damit die Zählung nicht mit monday bei 0 beginnt, kann explizit der erste Wert belegt werden.

• Der enum Typ „Day“ kann sogar als Parametertyp in der Methode printDay deklariert werden.

enum Day { monday=1, tuesday, wednesday, thursday, friday, saturday,

sunday};

void printDay(enum Day day);


Verwendung von enum

• Die Methode printDay kann nun mit den Konstanten des Aufzählungstypen Day gerufen werden:

• aber auch ein Aufruf mit int funktioniert:

• Intern wird enum immer als eine Konstante vom Typ int repräsentiert.

• Leider kann auch Unsinn übergeben werden:

• Merke: Wir kümmern uns um die Namen, der Compiler um die Werte...

printDay(tuesday);

printDay(2);

printDay(-20);


Enum sind intern Integers

• Für solche Fälle muss eine Möglichkeit der Fehlerbehandlung vorgesehen werden...

void printDay(enum Day day) { switch(day) { case monday: case tuesday: case wednesday: case thursday: case friday: printf("Go to work\n"); break; case saturday: case sunday: printf("Sleep well it's weekend\n"); break; default: printf("Unknown day %d\n", day); handleError(); };}


Enum Konstanten vorbelegen

• Die enum Konstanten können beliebig vergeben werden auch mit negativen Werten:

• Es lassen sich mehrere Bezeichner mit dem selben Wert belegen:

enum example { a, b, c, d, e=-2, f, g, h i=-3, j, k, l, m, ...};

Wert Name-3 i-2 e j-1 f k 0 a g l 1 b h m 2 c 3 d


Alias per typdef

• Während enums immer Konstanten vom Typ int sind gibt es mit dem typedef Konstrukt eine Möglichkeit ein Alias für einen schon existierenden beliebigen Typ zu vergeben:

• So kann z.B. das Konstrukt char* mit einer Zeichenkette als String identifiziert werden:

• s ist immer noch eine Variable vom Typ char*!

typedef <type> <new_type_identifier>;

typedef char* String;

String s = "Hallo";


Anwendungen von typedef

• Ein paar Beispiele zur Anwendung von typedef:

• Die Bedeutung des Codes erschließt sich mit den Typen Alter und Geld wesentlich leichter, als wenn dort mit unsigned short gearbeitet worden wäre.

• Sollte die Genauigkeit von float nicht ausreichen, genügt es den typedef auf double zu ändern und an allen Stellen, wo Geld vorkommt wird mit double gerechnet ...

typedef float Geld;typedef unsigned short Alter;

Alter volljaehrig = 18;Geld gehalt = 4711.00;


typedef und enum

• Etwas unschön beim Day Beispiel war es überall in den Methodensignaturen enum mit einzufügen:

• Wesentlich eleganter geht es mit typedef :

• oder in einem Rutsch:

enum Day { monday=1, tuesday, ...};

void printDay(enum Day day);

enum day_enum { monday=1, tuesday,...};typedef enum day_enum Day;

void printDay(Day day);

typedef enum { monday=1, tuesday,...} Day;


Ein altes Beispiel ...

/** two constants for f2c and c2f calculus */#define SHIFT 32.0#define SCALE (9.0/5.0)

/** calulate celsius as fct of fahrenheit */double f2c(double f) { double c = (f - SHIFT)/SCALE; return c;}/** calulate fahrenheit as fct of celsius */double c2f(double c) { double f = c*SCALE + SHIFT; return f;}

• Da müsste sich doch mit typedef etwas machen lassen ...


Nochmal Celsius zu Fahrenheit

• So wird der Code sprechend ...

/** two constants for f2c and c2f calculus */#define SHIFT 32.0#define SCALE (9.0/5.0)

typedef double Celsius;typedef double Fahrenheit;

/** calulate celsius as fct of fahrenheit */Celsius f2c(Fahrenheit f) { Celsius c = (f - SHIFT)/SCALE; return c;}/** calulate fahrenheit as fct of celsius */Fahrenheit c2f(Celsius c) { Fahrenheit f = c*SCALE + SHIFT; return f;}


C Datentypen• Die bis lang vorgestellten Konstrukte, enum und

typedef, erfüllen noch nicht die Anforderung an selbst definierten Datentypen.

• enum definiert Aufzählungen von int Konstanten.

• typedefs sind lediglich alias Bezeichner für bereits existierende Datentypen.

• Keines der beiden Konstrukte liefert wirklich einen neuen Datentyp.


Do it yourself...• Wir möchten den Datentyp Farbe (Color)

implementieren.

• Color soll die drei Werte (r,g,b) als Triple, jeweils im Bereich 0<x<255 repräsentieren. = >(28,28,28)

• Welch Möglichkeiten kennen wir bis lang?

– Farbwerte in einer 4Byte Ganzzahl abspeichern

– Farbwerte in einem short/char Array abspeichern


Farbe als Ganzzahl modelliert• Ein int mit 4 Byte (ansonsten typedef mit long)

bietet genug Platz, um 3 Byte rgb-Werte abzulegen, mit entsprechenden Bit und Shift Operationen...

• Die get-Methoden lesen mit entsprechenden Masken und shift Operationen die rgb-Werte.

typedef int Color;

#define R_MASK 0x00FF0000#define G_MASK 0x0000FF00#define B_MASK 0x000000FF

#define getR(C) ( ((C) & R_MASK)>>16 )#define getG(C) ( ((C) & G_MASK)>>8 )#define getB(C) ( ((C) & B_MASK) )

Bits: 0| 1| ... |7|8| ... |15|16| ... |23|24| ... |32


Farbe als Ganzzahl setzen• Ein Farb-Byte gezielt innerhalb des 4 Byte Color int

zu setzten erfordert schon mehr Operationen:

• Zunächst werden die Bits der zu setzenden Farbe gelöscht, ohne die beiden anderen Farben zu löschen.

• Anschließend wird mit oder der neue Wert gesetzt.

• Diese Bytefolge ergibt sich aus einer Shift-Operation des Farbwertes und anschließender Maskierung.

#define setR(C,x) ( (C) = \ ((C) & ~R_MASK)|(((x)<<16)& R_MASK))#define setG(C,x) ( (C) = \ ((C) & ~G_MASK)|(((x)<< 8)& G_MASK))#define setB(C,x) ( (C) = \ ((C) & ~B_MASK)|((x) & B_MASK) )

Farbe löschen neuer Farbwert


Ganzzahl Variante• Durch die Macros lassen sich per get/setX die Bit

und Shift-Operationen verstecken und in eine Color.h Datei auslagern.

• Ein Nachteil ist, dass für jeden getX/setX Befehl Berechnungen durchgeführt werden müssen.

• Eine Zuweisung per = Operanden funktioniert nicht, es ist immer ein setX Befehl notwendig.

Color color; setR(color,238); setG(color,124); setB(color, 32); printf("Color (%d,%d,%d)\n", getR(color),getG(color),getB(color));


Farbe als Feld modellieren

• In diesem Fall werden die Farbeinträge als Feld abgelegt und auf jede Komponente kann direkt zugegriffen werden.

• Die Makros verstecken vor der Testroutine wieder die Implementierungsdetails ...

typedef unsigned char Color[3];

#define getR(C) ( (C)[0])#define getG(C) ( (C)[1])#define getB(C) ( (C)[2])

#define setR(C,x) ( (C)[0] = x)#define setG(C,x) ( (C)[1] = x)#define setB(C,x) ( (C)[2] = x)


Feld Variante• Für die getX/setX Methoden sind keine

Berechnungen notwendig.

• Es ist möglich direkte Zuweisungen mit dem = Operanden vorzunehmen.

• Es muss immer berücksichtigt werden, dass es sich bei diesem Color Typ um ein Feld der Länge drei handelt, d.h. Zuweisungen geschehen per Index:

• Beide bisherigen Varianten sind unbefriedigend...

Color color ={0,255,127}; color[1] = 32; setR(color,125);


C Strukturen • Im Allgemeinen kennen Programmiersprachen für

genau diese Problematik ein eigenständiges Model- lierungselement: z.B. in Pascal den record, in C das struct und OO-Sprachen besitzen hierzu das Konzept der Klasse.

• Ein struct ist ein neuer Datentyp. Zusammengesetzt als Aggregat aus bereits bekannten Datentypen:

struct <identifier> { type

1 <identifier

1>;

... ; typeN <identifierN>;};


Color struct

• Die Zuweisungen sind viel deutlicher und klarer.

• Ein struct ist ein eigenständiger neuer Datentypen.

• Per typedef wird häufig ein struct-Zeiger definiert.

struct color_struct { unsigned char r; unsigned char g; unsigned char b;};typedef struct color_struct Color;

#define getR(C) ( (C).r )#define getG(C) ( (C).g )#define getB(C) ( (C).b )

#define setR(C,x) ( (C).r = (x) )#define setG(C,x) ( (C).g = (x) )#define setB(C,x) ( (C).b = (x) )

struct Definition

typedef mit struct


struct Verwendung

• Ein struct kann bei der Erzeugung direkt mit entsprechenden Werten vorbelegt werden.

• Mit dem „ “ Operator wird auf die einzelnen Elemente des struct in beliebiger Reihenfolge sowohl lesend als auch schreibend zugegriffen.

• Die getX/setX Makros sind im Prinzip überflüssig.

Color white = {255,255,255}; Color color;

color.r = white.r; color.g = 64; color.b = 32;

printf("Color (%d,%d,%d)\n", color.r, color.g, color.b);

.


Der komplexe Datentyp• Für die Ingenieurwissenschaften sind in vielen

Bereichen die komplexen Zahlen von Bedeutung.

• Mit Hilfe eines struct fällt es leicht diesen Datentypen zu implementieren und auch entsprechende Methoden wie +, - , * und / zu definieren.

• Ein gut modellierter abstrakter Datentyp (ADT) zeichnet sich nicht nur dadurch aus, dass er Felder besitzt, sondern auch noch einen Satz von Methoden, für die gültigen Operationen dieses ADT.


Complex.h#ifndef __COMPLEX_H#define __COMPLEX_H/** * Structure for the complex ADT. */typedef struct { double real, imag;} Complex;

/** * The basic operations for the complex ADT. */Complex cadd(const Complex u, const Complex v);Complex csub(const Complex u, const Complex v);Complex cmul(const Complex u, const Complex v);Complex cdiv(const Complex u, const Complex v);

#endif /* __COMPLEX_H */

struct Definition undtypedef in einemSchritt ...


Complex.c/** multiplication of two complex numbers */Complex cmul(const Complex u, const Complex v) { Complex z = { u.real * v.real - u.imag * v.imag, u.real * v.imag + u.imag * v.real }; return z;}

• Sobald die wesentlichen Operationen definiert und implementiert sind lässt sich leicht mit komplexen Zahlen rechnen.

• Leider erlaubt es C nicht die Operatoren für +,-,*,/ zu überladen, wie es mit C++ möglich ist. Deshalb werden die Methoden cadd, cmul, etc. definiert.


structs verschachteln• Strukturen können ihrerseits wieder aus Strukturen

zusammengesetzt sein:typedef struct { String town; String street; long zipCode;} Adress;

typedef struct { short year, month, day;} Date;

typedef struct { String name; String surname; Adress adresse; Date birthday;} Person;


Anwendung von Strukturen• Mit Hilfe von geschachtelten Strukturen lassen sich

Zugriffe recht übersichtlich programmieren:

Person nw;

nw.name = "Nikolaus"; nw.surname = "Wulff";

nw.adresse.town = "Steinfurt"; nw.adresse.street = "Stegerwaldstr. 39"; nw.adresse.zipCode = 48565;

nw.birthday.month = 11; nw.birthday.day = 20; ...

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