Martin Lowes/ Augustin Paulik Programmieren mit C Programmieren mit C - ANSI-Standard - Von Martin Lowes, Universität Göttingen und Dr. rer. nat. Augustin Paulik, Göttingen 4. Auflage m B.G.Teubner Stuttgart . Leipzig 1999 Dipl.-Math. Martin Lowes Studium der Mathematik und Physik an der Universität Göttingen, dort seit 1975 als wissenschaftlicher Angestellter mit der Durchführung von Programmierkursen be auftragt. Priv.-Doz. Dr. rer. nato Augustin Paulik Studium der Mathematik und Physik an der TU München und der Universität Bratis lava (Pressburg). 1971 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Numerische und Angewandte Mathematik der Universität Göttingen. 1985/1986 Gastprofessor für Technomathematik an der TU Berlin. 1986 Professor für Angewandte Mathe matik und Informatik an der Universität Göttingen. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Lowes. Martin: Programmieren mit C : ANS I-Standard / von Martin Lowes und Augustin Paulik. - 4. Aufl. - Stuttgart ; Leipzig: Teubner, 1999 ISBN 978-3-519-32286-3 ISBN 978-3-322-99394-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-99394-6 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwer tung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. © B.G.Teubner Stuttgart 1990 Vorwort Die Programmiersprache C wurde Anfang der siebziger Jahre (1972) von Dennis M. Ritchie in den Bell Laboratories entwickelt, im Zusammenhang mit der Implementation des Betriebssystems UNIX auf der Rechenanlage DEC PDP-ll. Viele wichtige, in C verwirklichte Ideen entstammen allerdings der Sprache B, die von Ken Thompson (1970) für das erste UNIX-System auf der DEC PDP-7 geschrieben wurde, die wiederum ihren Ursprung in der von Martin Richards entwickelten Sprache BCPL (1967) hat. Fast das gesamte Betriebssystem UNIX ist in C geschrieben. Mittlerweile wird C nicht nur unter UNIX, sondern auch unter anderen Betriebssystemen eingesetzt. Der Grund für die zunehmende Beliebtheit von C sind Portabilität, d.h. die Lauffähigkeit der Programme ohne Änderungen auf den verschiedensten Rechnern, und breite Anwendungsmöglichkeiten, die wiederum die Folge von mehreren Faktoren sind: • C besitzt moderne, hochsprachliche Steuerstrukturen, wie etwa die Sprachen Ada, PLll und Pascal. • In C kann man Bits, Bytes und Zeichenketten manipulieren, wie mit einem Assembler, aber auch Zeiger und strukturierte Datentypen verwenden. • C ist vom Umfang her eine kleine, leicht erlernbare Sprache (32 Schlüsselwörter, Basic über 150!). • C ermöglicht weitgehend redundanz-freien Quellcode, d.h. C-Programme sind deut- lich kürzer als Programme in anderen Sprachen. Dieses alles sind Forderungen, die man an eine Sprache stellt, in der Betriebssysteme, Compiler oder professionelle Anwenderprogramme geschrieben werden sollen. Daher wird C auch als "die Sprache der Programmierer" bezeichnet. Seit der ersten Implementation der Sprache Anfang der siebziger Jahre sind viele Sprach dialekte entstanden. Die meisten Compilerbauer orientierten sich an der Sprachbeschrei bung in "The C Programming Language" von Brian W. Kernighan und Dennis M. Ritchie aus dem Jahre 1977. Diese Sprachbeschreibung war aber weder vollständig noch exakt. An den Stellen, an denen den Implementatoren diese Sprachbeschreibung als erweite rungswürdig erschien, insbesondere bei der Standardbibliothek, gingen sie ihren eigenen Weg, was der Portabilität der Programme keineswegs zuträglich war. Um dieser Entwicklung gegenzusteuern und weiteren Implementatoren eine einheitliche Sprachbeschreibung, einschließlich einer einheitlichen Standardbibliothek, in die Hand zu geben, wurde vom American National Standards Institute (ANS I) 1983 ein technisches Komitee (X3Jll) gegründet, in dem über 50 Vertreter von C-Benutzergruppen aus allen Bereichen (Entwicklung industrieller und wissenschaftlicher Hard- und Software, Anwen dungsprogrammierung, Ausbildung) über einen Standard für die Sprache C diskutierten. Das Ergebnis, "ANSI-C" oder "Standard-C", wurde im Dezember 1989 vom ANSI als Standard veröffentlicht. Für den Programmierer bedeutet das: In ANSI-C geschriebene Programme sind auf allen Systemen unverändert lauffähig, die den ANSI-Standard verwenden. Zusätzliche Vor aussetzung ist, daß die Programme keine speziellen Hardware-Eigenschaften nutzen; der Standard definiert dafür eine Vielzahl benannter Konstanten, die einen Rechner charakte risieren. Eine ANSI-C-Sprachimplementation darf über den Standard hinaus über weitere 6 Sprachelemente und eine erweiterte Bibliothek verfügen, deren Verwendung allerdings die Portabilität der Programme einschränkt. In diesem Buch wird ANSI-C beschrieben. Die vollständig angegebenen Beispiele wurden sämtlich, die in Ausschnitten angegebenen Beispiele teilweise auf IBM-kompatiblen PC mit Microsoft-C (Version 5) und Turbo-C getestet. Beide Compiler entsprechen bereits dem ANSI-Standard. Herrn Dr. P. Spuhler und dem Verlag B. G. Teubner gilt unser Dank für die verständnis volle Zusammenarbeit, durch die dieses Buch erst möglich wurde. Göttingen, im August 1990 Martin Lowes Augustin Paulik Vorwort zur zweiten und dritten Auflage Für die zweite und dritte Auflage wurden jeweils eine Reihe von Schreibfehlern berich tigt und einige kleinere Korrekturen vorgenommen. Wir danken all denen, die uns die entsprechenden Hinweise gaben. Für die dritte Auflage wurde typedef weit nach vorne gezogen, um es in den Beispielen, wo immer angebracht, verwenden zu können. Göttingen, im Januar 1995 Martin Lowes Augustin Paulik Vorwort zur vierten Auflage Die vorliegende vierte Auflage ist ein unveränderter Nachdruck der dritten Auflage. Göttingen, im Januar 1999 Martin Lowes Inhaltsverzeichnis Kapitell Einführung 13 1.1 Aufbau von C-Programmen 13 1.2 Ein erstes C-Programm .. 15 1.3 Verarbeitung numerischer Daten. 17 1.4 Lesen bis zum Ende ... 20 1.5 Speicherung von Werten 22 1.6 Strukturierung des Programms 25 1. 7 Die Darstellung von Programmen 29 Kapitel 2 Numerische Datentypen und Ausdrücke 32 2.1 Definitionen .. 32 2.2 Standardtypen 32 2.3 Konstanten . . 34 2.3.1 Ganzzahlige Konstanten 35 2.3.2 Gleitkommakonstanten 36 2.3.3 Zeichenkonstanten .. 36 2.3.4 Aufzählungskonstanten 38 2.3.5 Stringkonstanten . . . 39 2.4 Deklaration von Variablen, Anfangswerte 39 2.5 Benennung von Typen . . 40 2.6 Arithmetische Operatoren 41 2.6.1 Die Grundrechenarten 41 2.6.2 "mixed mode" . . . . . 43 2.6.3 Kompliziertere Ausdrücke 43 2.6.4 Die Vorzeichenoperatoren 44 2.6.5 Operatoren gleicher Präzedenz. 45 2.6.6 Explizite Typumwandlung 46 2.7 Zuweisungsoperatoren ..... . 46 2.8 Inkrementierung und Dekrementierung 48 2.9 Nebeneffekte ..... 50 2.10 Konstante Ausdrücke 51 2.11 Overflow und Underflow 52 8 Inhaltsverzeichnis Kapitel 3 Anweisungen 53 3.1 Ausdruckanweisungen ...... . 53 3.2 Zusammengesetzte Anweisungen. 54 3.3 Leere Anweisungen 54 3.4 Logische Ausdrücke 55 3.5 Schleifen...... 56 3.5.1 while- und do-Anweisung 56 3.5.2 for-Anweisung ..... . 58 3.5.3 break und continue, Endlosschleifen 59 3.6 Auswahl von Alternativen 61 3.6.1 if-Anweisung ... 62 3.6.2 Geschachtelte if-Anweisungen 62 3.6.3 Bedingte Ausdrücke 64 3.6.4 swi tch-Anweisung 65 3.7 Sprünge . . . . . . . . . . 69 Kapitel 4 Funktionen und Programmstruktur 70 4.1 Funktionen ............. . 70 4.1.1 Vereinbarung von Funktionen 70 4.1.2 Beispiel . . 72 4.1.3 Prototypen 73 4.1.4 Parameter und Argumente. 75 4.2 Die Struktur des Programms. . . . 75 4.2.1 Gültigkeitsbereiche von Namen 76 4.2.2 Lokale und globale Größen 77 4.2.3 Das Attribut extern 80 4.3 Verfügbarkeit von Variablen 81 4.3.1 Automatische und statische Variablen. 81 4.3.2 Interne Variablen 82 4.4 Rekursion . . . . . . . . 83 4.5 Synchronisationspunkte . 88 Kapitel 5 Felder und Zeiger 89 5.1 Felder ..... 89 5.2 Adressrechnung 91 5.3 Zeiger ..... 92 5.4 Zeigerarithmetik 95 Inhaltsverzeichnis 9 5.5 Felder als Parameter von Funktionen 99 5.6 Strings....... .. 100 5.7 Explizite Anfangswerte 102 5.8 Das Attribut const 104 5.9 Zeiger auf Zeiger . 106 5.10 Zeiger als Funktionswerte 108 5.11 Dynamische Speicherzuordnung 111 5.12 Zeiger auf Funktionen 114 Kapitel 6 Strukturen und Zeiger 117 6.1 Strukturen ........... . 117 6.2 Geschachtelte strukturierte Typen. 120 6.3 Zeiger auf Strukturen . 124 6.4 Verkettete Listen ... 127 6.5 Partielle und vollständige Deklaration. 130 6.6 Mehr über verkettete Listen 131 6.7 (Binäre) Bäume ..... . 134 Kapitel 7 Der Präprozessor 138 7.1 Format der Direktiven .. 138 7.2 Zugriff auf (andere) Dateien 139 7.3 Macros ohne Parameter 139 7.4 Macros mit Parametern 140 7.5 Bedingte Compilation .. 142 7.6 Präprozessor-Operatoren. 144 7.7 Weitere Direktiven .... 145 Kapitel 8 Die Standardbibliothek 147 8.1 Übersicht ............ . 147 8.2 Elementare Typen «stddef. h» 148 8.3 Testhilfen «assert. h» . . ... 149 8.4 Klassifizierung von Zeichen «ctype. h» 149 8.5 Fehlernummern «errno . h» . . . . . . . 151 8.6 Interne Datenformate «limits. h> und <float. h» . 151 8.7 Länderspezifische Darstellungen und Zeichen «locale. h» 153 8.8 Mathematische Funktionen «math. h» ... 153 8.9 Sprünge zwischen Funktionen «setjmp.h» 155 10 Inhaltsverzeichnis 8.10 Behandlung von Signalen «signal. h». . . . . . . . . 156 8.11 Funktionen mit variabler Argumentzahl «stdarg. h» . 158 8.12 Diverse Hilfsroutinen «stdlib.h» 160 8.12.1 Umwandlung von Strings . 160 8.12.2 Pseudo-Zufallszahlen ... 162 8.12.3 Dynamische Speicherverwaltung . 162 8.12.4 Beendigung eines Programms .. 163 8.12.5 Kommunikation mit dem Betriebssystem 164 8.12.6 Sortieren und Suchen .. 164 8.12.7 Ganzzahlige Arithmetik 167 8.12.8 Verarbeitung erweiterter Zeichensätze . 168 8.13 Stringverarbeitung «string.h» ...... . 168 8.13.1 Kopieren von Strings (und anderen Objekten) 168 8.13.2 Konkatenation von Strings 170 8.13.3 Vergleiche von Strings 171 8.13.4 Suchfunktionen . . 171 8.13.5 Längenbestimmung 173 8.13.6 Füllen von Speicherbereichen 173 8.13.7 Umsetzung von Fehlernummern 173 8.14 Termine und Zeiten «time.h» 174 8.14.1 Darstellungsformate 174 8.14.2 Maschinenzeiten ... 174 8.14.3 Um codierung von Zeiten 175 8.14.4 Umwandlung in Klarschrift . 177 8.14.5 Zeitdifferenzen 177 Kapitel 9 Ein-j Ausgabe 178 9.1 Grundlagen ..... . 178 9.l.1 Dateien und Dateien 178 9.l.2 Textdateien und Binärdateien 178 9.l.3 Lesen oder Schreiben? •.. 180 9.l.4 Gepufferte Ein-j Ausgabe 180 9.l.5 Positionierung ...... . 181 9.l.6 Der Typ FILE, die Standarddateien 181 9.2 Zuordnung von Dateien. . . 182 9.2.1 Permanente Dateien 182 Inhaltsverzeichnis 11 9.2.2 Temporäre Dateien . 185 9.3 Verwaltung der Dateipuffer . 186 9.4 Formatierte Eingabe . . . . 187 9.4.1 Der Formatierungsstring 187 9.4.2 Formatbeschreiber 188 9.4.3 Beispiele...... 191 9.5 Formatierte Ausgabe ... 193 9.5.1 Der Formatierungsstring 193 9.5.2 Formatbeschreiber ... 194 9.6 Ein-/ Ausgabe von Zeichen(folgen) 197 9.6.1 Lesen eines einzelnen Zeichens 197 9.6.2 Lesen von Strings . . ..... 198 9.6.3 Mehrfaches Lesen von Zeichen 198 9.6.4 Schreiben eines einzelnen Zeichens. 199 9.6.5 Schreiben von Strings . 199 9.7 Binäre Ein-/Ausgabe .... · 200 9.8 Positionierung von Dateien. · 200 9.9 Behandlung von Fehlern .. · 202 9.10 Verwaltung von Betriebssystem-Dateien · 202 Kapitel 10 Was es sonst noch gibt 203 10.1 Weitere Datenattribute ..... · 203 10.1.1 Das Attribut register. · 203 10.1.2 Das Attribut volatile . · 203 10.2 Verbunde ... .... · 203 10.3 Verarbeitung von Bits · 204 10.3.1 Bitoperatoren . · 205 10.3.2 Bitfelder . . .. · 208 10.4 Der Komma-Operator · 209 Anhang A Der Zeichensatz von C 211 Anhang B Schlüsselwörter 213 Anhang C Operator-Übersicht 214 Anhang D Formatierung 215 D.1 Formatierung der Eingabe · 215 D.2 Formatierung der Ausgabe · 216