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Vorlesung Informatik I
Universität Augsburg
Wintersemester 2010/2011
Prof. Dr. Robert Lorenz
Lehrprofessur für Informatik
Programmieren in C – Der Compilierungsprozess
1
Aufbau eines C-Programms
1.
Direktiven für den Präprozessor
2.
Globale Vereinbarunen
a. Globale Variablen
b. Funktions-Prototypen
3.
main-Funktion
a. lokale Vereinbarungen
b. Anweisungen
4.
Funktions-Definitionen
a. lokale Vereinbarungen
b. Anweisungen
2
Aufbau eines C-Programms
C-Programme sind Sammlungen von Funktionen
Funktionen zerlegen Programme in kleinere, selbständige
Einheiten
erhöht Übersichtlichkeit und Wartbarkeit
Alle benutzten Funktionen müssen zu Beginn deklariert werden
3
Aufteilung großer C-Programme
Zur Modularisierung werden die Funktionen auf mehrere
Quelldateien verteilt und getrennt übersetzt
(genau einer der Dateien enthält die main-Funktion)
Jede solche Datei sollte eine sinnvoll zusammenhängende
Gruppe von Vereinbarungen enthalten.
Die Deklarationen der Funktionen, die in mehreren Quelldateien
benötigt werden, werden in Header-Dateien zusammengefasst
(werden mit #include eingebunden)
Mehrfach benötigten Vereinbarungen werden nur in wenigen
Dateien verwaltet
4
Compilierungsprozess - Überblick
Quellcode
Präprozessor
(erweiterter Quellcode)
Compiler
Assemblercode
Assembler
Bibliotheken
Objektcode
Linker
ausführbarer Code
5
Inhalt
Präprozessor
Compiler
Assembler
Linker
Bibliotheksfunktionen
Das Programm gcc
Große Programme
6
Präprozessor
Konstanten deklarieren
Die Präprozessor-Direktive
#define <Name> <Zeichenkette>
veranlasst den Präprozessor, jedes Vorkommen von <Name> im
folgenden Quellcode durch <Zeichenkette> zu ersetzen
Ausnahme: Keine Ersetzung in Namen und Zeichenketten
<Name> kann im Programm als Konstante benutzt werden,
deren Wert durch <Zeichenkette> gegeben ist
7
Präprozessor
Konstanten deklarieren
Beispiele für sinnvolle eigene Deklarationen:
#define PI 3.14
#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define MAX_BUFFER 1000
Konvention:
Der Name der Konstante besteht aus Großbuchstaben und wird
an keiner anderen Stelle benutzt
8
Präprozessor
Konstanten deklarieren
Vordefinierte Beispiele aus Header-Dateien:
Wertebereichgrenzen von Datentypen (in limits.h, float.h)
__LINE__ aktuelle Zeilennummer im Programmcode (num.)
__FILE__ Dateiname (Zeichenkette)
__DATE__ aktuelles Datum (Zeichenkette)
__TIME__ aktuelle Zeit (Zeichenkette)
(u.v.m….)
9
Präprozessor
Konstanten deklarieren
Vorteile:
Konstanten muss man bei Bedarf nur einmal ändern
Programm ist besser lesbar
Vergleich zu globalen konstanten Variablen:
Keine zusätzliche Variable nötig
Konfiguration mehrerer Programme durch Deklaration in HeaderDatei möglich
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Präprozessor
Makros deklarieren
Die Präprozessor-Direktive
#define <Name>(<Parameternamen>) <Zeichenkette>
veranlasst den Präprozessor zu folgendem:
Ersetzt jedes Vorkommen von <Name>(<Argumente>) im Quellcode durch
<Zeichenkette>
Ersetzt jeden in <Zeichenkette> vorkommenden Namen aus
<Parameternamen> durch zugehöriges Argument aus <Argumente>
<Parameternamen>: Durch Komma getrennte Parameternamen
<Argumente>:
Durch Komma getrennte Ausdrücke
<Name>(<Argumente>) kann im Programm als Aufruf einer Funktion, die
durch <Zeichenkette> definiert ist, benutzt werden
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Präprozessor
Makros deklarieren
Selbst definierte Beispiele:
#define inhalt(r) PI*(r)*(r);
„Aufruf“ im Code: double inhalt = inhalt(10);
#define max(a,b) ( ((a) > (b)) ? (a) : (b)) );
„Aufruf“ im Code: scanf(“%i“,&x);int m=max(5*x,x*x);
Vordefinierte Beispiele aus Headerdateien:
Oft ist getchar ein Makro
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Präprozessor
Makros deklarieren
Achtung:
In <Zeichenkette> benutzte Operationszeichen können stärker
binden als die Operatoren in einem für einen Parameternamen
eingesetzten Ausdruck!
Man muss dafür sorgen, dass der Ausdruck nach dem Einsetzen
unbedingt zuerst ausgewertet wird
Dazu unbedingt die in <Zeichenkette> vorkommenden
Parameternamen klammern (Beispiel vorige Folie)
13
Präprozessor
Makros deklarieren
Vergleich zu Funktionen
Parameter sind Datentyp-unabhängig:
#define max(a,b) ( ((a) > (b)) ? (a) : (b)) );
Mögliche „Aufrufe“:
int m = max(5,7);
double m = max(5.0,7.5);
14
Präprozessor
Makros deklarieren
Vergleich zu Funktionen
Es entsteht mehr Programmcode, da der „Funktionsrumpf“ für alle
Vorkommen des „Funktionsnamens“ eingesetzt wird
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Präprozessor
Header-Dateien in den Code einfügen
Die Anweisung
#include <Header-Datei>
veranlasst den Präprozessor, die angegebene Header-Datei in
den Quellcode zu kopieren
Es entsteht ein erweiterter Quellcode
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Präprozessor
Header-Dateien in den Code einfügen
Eine Header-Datei ist eine Textdatei um
Funktions-Prototypen zu deklarieren (kennen wir schon)
Konstanten zu deklarieren (wie eben)
Makros zu definieren (wie eben)
Man kann (sollte) sich seine eigenen Header-Dateien schreiben
Da die Header-Datei nur in den Quellcode kopiert wird, kann man
doch alles auch gleich direkt in den Quellcode schreiben!?
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Präprozessor
Header-Dateien in den Code einfügen
In einer Header-Dateien sammelt man Vereinbarungen und
Funktionalitäten, die man immer wieder für einen bestimmten
Anwendungsbereich braucht
Ist beliebig oft in wiederverwendbar, ohne dass man alles in
jedem Programm nochmal extra aufschreiben muss
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Präprozessor
Header-Dateien in den Code einfügen
Beispiele:
stdio.h (Standard Input Output):
Unterstützung von Eingabe und Ausgabe
math.h:
Unterstützung mathematischer Funktionen und Konstanten
string.h:
Unterstützung bei der Verarbeitung von Zeichenketten
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Präprozessor
Header-Dateien selbst schreiben
Textdatei mit Präprozessor-Direktiven schreiben
Unter beliebigem Namen mit Endung .h abspeichern in:
Programmverzeichnis
include-Verzeichnis des Compilers
In Quellcode einbinden durch Anweisung:
include-Verzeichnis: #include <Headerdatei.h>
(relative Pfadangaben erlaubt)
Programmverzeichnis: #include “Headerdatei.h“
(relative und absolute Pfadangaben erlaubt)
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Präprozessor
Header-Dateien selbst schreiben
Achtung:
Es sind verschachtelte include-Anweisungen möglich
Datei Header1.h enthält Direktive #include “Header2.h“
Dadurch kann es durch mehrfaches Einbinden von Direktiven
zu Syntaxfehlern kommen
Programm enthält Direktiven #include “Header1.h“ und
#include “Header2.h“
Lösung: Bedingte Aktivierung von Direktiven
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Präprozessor
Header-Dateien selbst schreiben
Bedingte Aktivierung von Direktiven
Headerdateien sollten immer die folgende Form haben:
#ifndef DATEINAME_H_INCLUDED
#define DATEINAME_H_INCLUDED
<Deklarationen>
#endif
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Präprozessor
Header-Dateien selbst schreiben
Bedingte Aktivierung von Direktiven
#define
Fasst Deklarationen unter einem Namen zusammen
Name = Dateiname in Großbuchstaben + _
#ifndef
Text einbinden, falls Name noch nicht exisitiert
#ifdef
Text einbinden, falls Name schon exisitiert
...#endif
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Präprozessor
Erstellen mehrteilger Programme
1. Zerlegung des Programms in funktionale allgemein
wiederverwendbare Module
2. Für jedes Modul:
Headerdatei erstellen
Code-Datei erstellen mit eingebundenem Header
3. Programmdatei mit main-Funktion erstellen
4. Übersetzungsprozess (später)
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Präprozessor
Erstellen mehrteilger Programme - Beispiel
Datei format.h:
#ifndef FORMAT_H_INCLUDED
#define FORMAT_H_INCLUDED
void vspace(int n);
void hspace(int n);
#endif
Analog für Sammlungen mathematischer Funktionen (Fakultät)
oder Eingabefunktionalitäten (Eingabestrom leeren,
Eingaben vom Benutzer verarbeiten,...)
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Präprozessor
Erstellen mehrteilger Programme - Beispiel
Datei format.c:
#include “format.h“
#include <stdio.h>
void vspace(int n){
int i;
for(i=1;i<=n;i++){printf("\n");}
}
void hspace(int n){
...
}
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Präprozessor
Erstellen mehrteilger Programme - Beispiel
Datei programm.c:
#include “format.h“
#include “eingabe.h“
#include “computations.h“
#include <stdio.h>
int main(){
...
}
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Compiler
Zusammenfassung
Überprüft den (erweiterten) Quellcode auf Syntaxfehler
(lässt sich das Programm in Maschinensprache übersetzen?)
Weist Variablen und Konstanten Speicherbereiche zu
Übersetzt den Quellcode in Assemblercode
(Assemblercode ist symbolischer=menschenlesbarer
Maschinencode)
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Assembler
Überblick
Übersetzt Assemblercode in Maschinencode
Was jetzt noch fehlt?
 Zusammenführung von mehreren Quellcode-Dateien
 Integration von Bibliotheksfunktionen
29
Linker
Überblick
Bindet andere Dateien mit dem Hauptprogramm:
Führt mehreren Quellcode-Dateien in einer Datei zusammen
(man sagt, Quellcode-Dateien werden statisch (ein)gebunden)
Fügt Informationen für den Zugriff auf Bibliotheksfunktionen ein
(man sagt, Bibliotheksfunktionen werden dynamisch gebunden)
30
Linker
Bibliotheksfunktionen
werden in Header-Dateien also nur deklariert (aber nicht definiert)
sind entweder vorübersetzte C-Programme oder direkt
ausführbare Assembler-Programme
werden mit dem Compiler installiert
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Das Programm gcc
Das Programm gcc umfasst die Ausführung von Preprozessor,
Compiler, Assembler und Linker
Mittels verschiedener Optionen (Kommandozeilenparameter)
lassen sich diese Programme auch einzeln ausführen
Mittels verschiedener Optionen lässt sich die Syntax-Kontrolle
unterschiedlich detailliert ausführen
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Das Programm gcc
gcc – Optionenen: Syntaxkontrolle
-ansi
-pedantic
z
-W
-Wall
-Wextra
-Wmain
weist den Compiler an, den C89-Standard zu verwenden.
bringt ihn weiterhin dazu, nichts außer dem C89-Standard
zuzulassen
schaltet zusätzliche Warnungen an.
schaltet alle zusätzlichen Warnungen an.
schaltet zusätzliche zusätzliche Warnungen an.
schaltet zusätzlich Warnungen über eine falsch definierte
main()-Funktion an.
Man sollte ALLE Warnungen zum verstummen bringen, selbst
wenn das Programm schon übersetzbar ist und läuft
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Das Programm gcc
gcc – Optionenen: Teile ausführen
-E
Preprozessor wird ausgeführt (nicht Compiler, Assembler,
Linker)
-S
-c
Ausgabe in Datei <Programmname>.i
Compiler wird ausgeführt (nicht Assembler, Linker)
Ausgabe in Datei <Programmname>.S
Compiler und Assembler werden ausgeführt (nicht Linker)
Ausgabe in Datei <Programmname>.o
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Das Programm gcc
gcc – Optionenen: weitere (Auswahl)
-save-temps
Zwischenergebnisse werden gespeichert
--help
Übersicht über Benutzung des Programms
-o <name>
Festlegung des Namens der Ausgabedatei
-WI -stack <Bytes>
Stackgröße erhöhen
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Das Programm gcc
Übersetzung mehrteilger Programme
1. Dateien ohne main-Funktion übersetzen in Objektcode
gcc -ansi -pedantic -W -Wall -Wextra
-c modul1.c
2. Datei mit main-Funktion übersetzen + mit Objetdateien linken
gcc -ansi -pedantic -W -Wall -Wextra
-Wmain modul1.o modul2.o programm.c
-o Programm
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