Von Java nach C++ - Vorkurs Informatik

Von Java nach C++
© Dr. Frank Weichert
Lehrstuhl Informatik VII
Technische Universität Dortmund
http://ls7-www.cs.uni-dortmund.de
technische universität
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Von Java nach C++ , Lehrstuhl Informatik VII, TU Dortmund
1
Übersicht
• Einleitung
• Literatur
• Vergleich zwischen C++ und Java
• Klassen in C++
• Übersetzungsprozess von C++-Programmen
• Programmieren in Visual Studio
• Ausgewählte C++-Konzepte
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Einleitung
„C makes it easy to shoot yourself in the foot,
C++ makes it harder, but when you do, it blows
away your whole leg.“
(Bjarne Stroustrup)
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Literatur
• Die C++-Programmiersprache,
Bjarne Stroustrup, Addison-Wesley
• Visual C++,
Frank Budszuhn, Addison-Wesley
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C++ vs. Java
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C++ vs. Java
• typisches Programm
#include <iostreams.h>
int main() {
…
return 0;
}
• Dateinamen
beliebig,
Konvention *.cpp, *.h
• generierter Code
- Maschinencode
import java.awt.*;
class Test{
public static void main(String[] argv){
…
}
}
<Klassenname>.java
- Java-Byte-Code
- plattformabhängig
- plattformunabhängig
- *.exe
- *.class
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C++ vs. Java
• bedingte Anweisungen, Schleifen, Verbundanweisungen,…
identisch
• Funktionen
„globale“ Funktionen
möglich
identisch
Methoden müssen in
einer Klasse stehen
• Felder
int a[4];
int a[] = new int[4];
int a[] = {1,2,3};
int a[] = {1,2,3};
keine Überprüfung auf
„Array-Grenzen“
Felder sind Objekte,
Überprüfung auf „Array-Grenzen“
• Konstanten
const double pi=3.14;
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final double pi=3.14;
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C++ vs. Java
• (Variablen-) Deklaration
keine Default-Werte
Default-Werte
int a[4];
int a[] = new a[4];
• Speicherverwaltung
durch den
Programmierenden
automatisch durch den
Garbage Collector
• Eingabe- und Ausgabeanweisungen
cin >> x;
cout << x;
x=ioHelp.read();
System.out.println(x);
• Boolescher Datentyp
bool
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boolean
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C++ vs. Java
• Type-Casting (explizite Konvertierung)
a)
in C++ und Java erlaubt
(Typ) Ausdruck
Beispiel:
int a=3;
double b=(double) a / 2;
b)
Typ (Ausdruck)
// b = 1.5
nur in C++ erlaubt
Beispiel:
int a=3;
double b= double(a) / 2;
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// b = 1.5
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C++ vs. Java
Zusätzliche Java-Funktionalität
• Automatische Speicherverwaltung
• Code ist (direkt) systemportabel
• Strings und Felder
• Applets
• Multitasking durch Thread-Modell
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C++ vs. Java
Zusätzliche C++-Funktionalität (1)
• Zeiger (Pointer)
• Kontrolle des Memory Management
• Templates
• Operator-Overloading
• Mehrfachvererbung
• Präprozessor
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C++ vs. Java
Zusätzliche C++-Funktionalität (2)
• Einschränkung des Wertebereichs in C++ per unsigned möglich
z.B. int: -231 bis 231 – 1
unsigned int: 0 bis 232 – 1
• Symbolische Konstanten
Präprozessorbefehl, erkennbar am „#“-Zeichen
#define PI=3.14
(kein „;“ am Zeilenende)
• Typdeklaration
Definiert neuen Namen für einen Datentyp
typedef int Index;
Index a=3;
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Ein einfaches Programm - Quellcodes
Java:
class BV{
public static void main(String[] argv){
System.out.println "C++ in der Bildverarbeitung!";
}
}
C++:
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc){
cout << "C++ in der Bildverarbeitung!";
return 0;
}
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Ein einfaches Programm - Übersetzen
Java:
• Dateiname: BV.java
• Übersetzen: javac BV.java
(Java Byte-Code)
• Ausführen: java BV
(Java Virtual Machine)
C++:
• Dateiname: BV.cpp
• Übersetzen: cl /c BV.cpp
• Linken: link BV.obj
cl BV.cpp
• Ausführen: BV
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Klassen in C++
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Klassen in C++
• Klassen in C++ =
Deklaration
Headerdatei (.h)
+
Implementierung
Implementationsdatei (.cpp)
Studierende.h:
class Studierende{
…
};
Studierende.cpp:
#include "Studierende.h"
…
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Klassen in C++: Aufbau der Headerdatei
Studierende.h:
class Studierende{
• Konstruktor
public:
Studierende();
• Destruktor
~Studierende();
• Methoden
void setzeMatrikelnummer(int nummer);
int gibMatrikelnummer();
• Attribute
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private:
int matrikelnummer;
};
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Klassen in C++: Aufbau der Headerdatei
• Spezifizierung einer Klasse mit class
• Klassen sind immer public
• Konstruktoren und Destruktoren
Konstruktoren: Instanziierung von Objekten
Destruktoren: Löschen von instanziierten Objekten (~ vorangestellt)
• Deklaration von Methoden und Variablen
• (Instanz-) Variablen dürfen bei der Deklaration nicht initialisiert werden
• Modifier werden nicht separat spezifiziert
• Klassendefinition wird mit Semikolon beendet
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Klassen in C++: Aufbau der Implementationsdatei
• Einbinden der Headerdatei mit include
• Durch den Klassennamen und dem Bereichsoperator „::“
wird die Zugehörigkeit zur Klasse gekennzeichnet
Studierende.cpp:
#include "Studierende.h"
Studierende::Studierende(){}
Studierende::~Studierende(){}
void Studierende::setzeMatrikelnummer(int nummer){
matrikelnummer = nummer;
}
int Studierende::gibMatrikelnummer(){
return matrikelnummer;
}
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Klassen in C++: Aufbau der Implementationsdatei
• Präprozessoranweisung #include "Studierende.h“
bindet Headerdatei ein.
• Nennung von „Fully Qualified Names“
z.B.: Studierende::Studierende()
• „ :: „ wird als Bereichsoperator (Scope Operator) bezeichnet
• inline-Spezifikation möglich
z.B.: inline int Studierende::gibMatrikelnummer(){
return matrikelnummer;
}
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Übersetzungsprozess
von C++-Programmen
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Übersetzen von C++-Programmen
Übersetzungsprozess besteht aus drei Komponenten
1. Präprozessor:
Vorverarbeitung des Quellcodes
2. Compiler:
Überführt Quellcode in Objektcode
3. Linker:
Fasst alle Objektdateien zu einem ausführbaren
Programm zusammen
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Übersetzen von C++-Programmen
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Übersetzen von C++-Programmen
Präprozessor
• Präprozessorbefehle beginnen mit dem #-Zeichen
• Sucht im Quellcode nach speziellen Befehlen, z.B.
- #include einbinden von Headerdateien
a) <name> Standard Libraries aus Systemverzeichnis
z.B.: #include <iostream>
b) “name“ „eigene Dateien“ aus Projektverzeichnis
z.B.: #include "Studierende.h"
-> Problem: mehrfache Deklarationen
- #define führt textuelle Ersetzungen (Konstanten) aus.
z.B.: #define pi 3.14
- #ifdef, #ifndef,… Konditionales Kompilieren
z.B.: #ifdef DEBUG … #endif
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Übersetzen von C++-Programmen
Präprozessor
-> Problem: mehrfache Deklarationen
Lösung: Headerdatei um konditionalen Kopf erweitern
z.B.: Studierende.h:
#ifndef STUDIERENDE_H
#define STUDIERENDE_H
class Studierende{
…
};
#endif
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Übersetzen von C++-Programmen
Compiler
• Generiert aus dem vom Präprozessor vorverarbeiteten
Quellcode den Objektcode.
• Maschinennahe Objektcodedatei kann noch „offene Aufrufe“
enthalten und nicht ausgeführt werden.
• Überprüfung auf syntaktische Korrektheit
- Fehlermeldungen
z.B.: error C2065: 'h': nichtdeklarierter Bezeichner
- Warnungen
z.B.: warning C4244: 'Initialisierung': Konvertierung
von 'double' in 'int', möglicher Datenverlust
• Objektcode wird nur erzeugt, sofern keine Fehler aufgetreten
sind.
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Übersetzen von C++-Programmen
Linker
• Generiert (vollständig) ausführbares Programm
• Fasst die
- Objektdateien des Projektes,
- Code aus Standard Libraries und
- zusätzliche Libraries
zusammen
• Zwei mögliche „Link-Modi“
- statisch
- dynamisch
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Programmieren in
Visual Studio
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C++-Programm mit Visual Studio
• Neues Projekt anlegen: Datei -> Neu -> Projekt
• Projekttyp festlegen
• Projektnamen und Verzeichnis auswählen
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C++-Programm mit Visual Studio
• Initiales Arbeitsfenster der Entwicklungsumgebung
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C++-Programm mit Visual Studio
• Klasse hinzufügen (Header- und Implementationsdatei)
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C++-Programm mit Visual Studio
• Typ der Klasse auswählen, die hinzugefügt werden soll
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C++-Programm mit Visual Studio
• Klassennamen festlegen
• Modifikator und Basisklasse (optional) bestimmen
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C++-Programm mit Visual Studio
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C++-Programm mit Visual Studio
• Ausführbares Programm erstellen
- Kompilieren (Strg+F7)
- Programm ausführen (Strg+F5)
- Programm unter Debugger ausführen (F5)
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C++-Programm mit Visual Studio
• Dateitypen von Visual-Studio
Extension
Bedeutung
*.cpp
C++-Quelldatei
*.h
C++-Headerdatei
*.exe
Ausführbares Programm
*.dsp
Informationen zum Projekt. Projekt kann über dspDatei geöffnet werden
*.dsw
Informationen zum Arbeitsbereich. Dieser sollte
auch über diese Datei geöffnet werden.
*.obj
Nicht eingebundene Kompilate (Objekt-Dateien)
*.rc
Ressourcen-Skriptdatei
*.res
Binäre Ressourcendatei des Linkers
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Ausgewählte C++-Konzepte
• Komplexe Datentypen
• Zeiger und Referenzen
• Vererbung
• STL
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Komplexe Datentypen
Benutzerdefinierter Datentyp mit eindeutigem Namen
…
typedef struct{
double x, y, z;
} vector3D;
…
int main() {
vector3D vecA = {0.4, 4, 6.2};
vector3D vecB;
vecB = vecA;
double a = vecA.z;
// vecB = {0.4, 4, 6.2}
// a = 6.2
…
• Zugriff auf Elemente mit „.“-Operator
• Bei Zuweisungen werden komplette Strukturen kopiert
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Ausgewählte C++-Konzepte
• Komplexe Datentypen
• Zeiger und Referenzen
• Vererbung
• STL
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Objekte instanziieren und löschen
ProgrammStudierende.cpp:
#include "Studierende.h"
int main(int argc, char* argv[]){
Studierende* einStudent = new Studierende();
delete einStudent;
return 0;
}
• Instanziierung eines Objektes vom Typ Studierende
Studierende*: Variablendeklaration
einStudent: „Zeiger auf Studierende“
new:
Ruft Konstruktor auf und legt Objekt vom
angegebenen Typ im Speicher an
• delete ruft Destruktor der Klasse auf und gibt den zuvor
belegten Speicher wieder frei (kein Garbage Collector wie in Java)
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Zeiger und Referenzen
Anweisung:
Studierende* einStudent = new Studierende();
Repräsentierung:
Speicher
0x0000
Studierende
0x1200
int matrikelnummer
Studierende*
einStudent
= 0x1200
0xffff
Klasseninstanz
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Zeiger
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Zeiger und Referenzen
• Zeiger (Pointer): Variable, dessen Wert auf die Position
(Speicheradresse) eines anderen Objektes zeigt.
• eigener Datentyp
• typisiert
• durch Zeichen „*“ gekennzeichnet
Beispiel:
a) kein Zeiger: int a;
b) mit Zeiger: int* a;
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Zeiger und Referenzen
• Adresse
Speicherstelle, die für ein Objekt zur Verfügung
gestellt wird. Die Adresse wird bei der ObjektInstanziierung und der damit verbundenen
Bereitstellung des benötigten Speichers vergeben.
• Inhalt
Wert (Daten), der für ein Objekt unter einer
Adresse gespeichert wird. Initiale Belegung erfolgt
durch den Konstruktor.
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Zeiger und Referenzen
• Pointer:
Pointer (Pointervariable) ist eine Variable in der eine
Adresse gespeichert wird. Die Variable hat den identischen
Typ wie die Variable, deren Adresse gespeichert wird.
• Dereferenzierungsoperator „*“:
Zugriff auf den Wert, der in der Pointervariablen
gespeicherten Adresse steht („Wert, auf den der Pointer
verweist“)
• Referenzoperator „&“:
Liefert für eine Variable die zugehörige
Speicheradresse
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Zeiger und Referenzen
Adresse
• Pointer-Deklaration
Name
10012
int *iPtr;
???
10013
iPtr
10014
• Pointer-Deklaration und Initialisierung
Adresse
Name
10012
int *iPtr=0;
NULL
10013
iPtr
10014
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Zeiger und Referenzen
• Deklaration eines primitiven Datentyps
Adresse
Name
10824
int i=423;
423
10825
i
10826
• Pointer-Initialisierung und Adressoperator
Adresse
10012
int *iPtr=0;
iPtr = &i;
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Name
10825
NULL
10013
iPtr
10014
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Zeiger und Referenzen
• Vereinfachte grafische Repräsentierung
Adresse
Name
10824
423
10825
i
10826
Adresse
i
Name
423
iPtr
10012
10825
10013
iPtr
10014
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Zeiger und Referenzen
• Initialisierung von Pointern
int a = 423;
a
423
int b = 78;
b
78
int *ptr_1 = &b;
ptr_1
int *ptr_2 = ptr_1;
ptr_2
int *ptr_3 = &a;
ptr_3
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Zeiger und Referenzen
• Pointer Aliasing: Zwei Pointer enthalten dieselbe Adresse
a
423
b
78
423
*ptr_1 = *ptr_3;
ptr_1
ptr_2 = ptr_3;
ptr_2
ptr_3
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Zeiger und Referenzen
• Zeigervariablen können auch auf einen weiteren Zeiger verweisen
• Auch iteriete Pointer-Anwendungen sind möglich
• Jeder „*“-Operator im Ausdruck entspricht einer Dereferenzierung
int a = 423;
a
423
ptr
int *ptr = &a;
int **ptrPtr = 0;
ptrPtr
NULL
ptrPtr = &ptr;
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Zeiger und Referenzen
• Anwendungsbeispiel
#include <iostream>
#include "Studierende.h"
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[]){
Studierende* einStudent = new Studierende();
einStudent->setzeMatrikelnummer(88456);
Studierende zweiterStudent;
zweiterStudent.setzeMatrikelnummer(87393);
Studierende* ptr_zweiterStudent = &zweiterStudent;
cout << ptr_zweiterStudent << endl;
Studierende* dritterStudent = NULL;
dritterStudent->setzeMatrikelnummer(89263);
delete einStudent;
delete dritterStudent;
return 0;
}
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Zeiger und Referenzen
• Zeiger einStudent, der auf Objekt vom Typ Studierende zeigt
• Über Operator -> (Dereferenzieren) Methode aufrufen
(„es wird einem Zeiger gefolgt“)
Studierende* einStudent = new Studierende();
einStudent->setzeMatrikelnummer(88456);
• zweiterStudent als (statische) Instanz
• Methodenaufruf für statische Instanzen über Punktoperator
Studierende zweiterStudent;
zweiterStudent.setzeMatrikelnummer(87393);
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Zeiger und Referenzen
• Pointer auf statische Instanz über Referenzoperator &
Studierende* ptr_zweiterStudent = &zweiterStudent;
cout << ptr_zweiterStudent << endl;
• Zeiger für ein Objekt, der mit NULL initialisiert wird
• Methodenaufruf führt zu einem Laufzeitfehler (Exception)
Studierende* dritterStudent = NULL;
dritterStudent->setzeMatrikelnummer(89263);
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Ausgewählte C++-Konzepte
• Komplexe Datentypen
• Zeiger und Referenzen
• Vererbung
• STL
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Vererbung
einfache Vererbung:
• Klasse Bachelor erbt von Klasse Studierende
• Vererbungsoperator „:“ (entspricht extends in Java)
Studierende
Bachelor
Studierende.h:
class Studierende{
…
};
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Bachelor.h:
#include "studierende.h"
class Bachelor : public Studierende{
public:
Bachelor();
~Bachelor();
};
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55
Vererbung
Mehrfachvererbung:
• Klasse Bachelor erbt von Klassen Studierende und HiWi
Studierende
HiWi
Bachelor
Bachelor.h:
#include "studierende.h"
#include "HiWi.h"
class Bachelor : public Studierende, public HiWi{
public:
Bachelor();
~Bachelor();
};
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Ausgewählte C++-Konzepte
• Komplexe Datentypen
• Zeiger und Referenzen
• Vererbung
• STL
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STL
Standard-Template-Library (kurz STL)
• Vordefinierte Templates für viele Anwendungsbereiche
• STL gliedert sich in drei Teilbereiche auf:
1.) Container:
Speicherstrukturen, z.B. Bäume, Listen,…
2.) Algorithmen: Operatoren für Container-Klassen,
z.B. Sortieren einer Liste
3.) Iteratoren:
Traversierungsoperatoren für Container-Klassen
• Einbinden der Headerdateien per include ohne Endung „.h“
Beispiel: #include<list>
• Notwendigkeit des korrekten „Namespace“, geschieht durch die
Anweisung „using namespace std;“
• Infos zur STL: Silicon Graphics Inc., http://www.sgi.com/tech/stl
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STL
Anwendungsbeispiel:
#include <list>
#include "Studierende.h"
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[]){
Studierende* student1 = new Studierende();
Studierende* student2 = new Studierende();
list<Studierende*> listeStudierende;
listeStudierende.push_back(student1);
listeStudierende.push_back(student1);
}
• Einbinden der Headerdatei für die Container-Klasse list.
• Instanziierung einer Liste listeStudierende, die Zeiger auf
Objekte vom Typ Studierende speichern kann.
• Methode push_back fügt Zeiger auf Typ Studierende der Liste an.
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