Dietmar Herrmann Grundkurs C++ in Beispielen Aus dem Bereich IT erfolgreich lernen Orundkunil Softwa,.. .E ntwlcklun, An_ndunporlentlerte mlte++ Wlrtachefhlnfonnetlk von Dietrich May von Paul Alpar, Heinz Lothar Grob, Peter Grundkurs Oatenbankentwurf Weimann und Robert Winter von Helmut Jarosch Rechnerarc:hitektur Web-Pro,rammlerunc von Paul Herrmann von Oral Avcl, Ralph Tntlmann und Werner Mellis Grundkura Reletlonele Oetenbanken OhneCzuC++ von Ren~ Steiner von Peter P. Bothner und Michael Kahler Grundkura UNIX/Linux GrundkursJAVA von Wilhelm Schaffrath von Dielmar Abts Grundkura MySaL und PHP Aufbaukurs Wlrtach.n.lnformatlk von Marlin Pollakowski von Oietmar Abl$ und Wilhelm Mulder Pascal Kompaktkurs Mlkroc:ontroUer von Doug Cooper und Michael Clancy von Silvia Limbach Aufbaukura JAVA Von Pascal zu A ••e mbler von Dielmar Abls von Peter Kammerer Grundkura InfonnaUk 0 •• PC WI• •• n fOr IT-Berufe: von Hartmut Ernst Hardware, Betriebssysteme, Netzwerktechnik Koatentrigerrec:hnung mit SAP R/3- von Rainer Egewardt von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms Oatenbank-Encln_rlnl Netze - Protokolle - Spezlflkatlonen von Alfred Moos von Alfred Olbrich GrundkunII VerteUte System. Grundlecende Algorithmen von Gunther Bengel von Volker Heun Onllne-Publlshln, fOr Studenten und Softwaretec:hnlk mit Ada 95 Wi ••e n.chattler von Manfred Nagl von Michael BeiSwenger VI.ual Baalc: fii r techniac:he saL mit Oracle Anwenduncen von Wolf-Michael Kahler von JOrgen Radel Module, KI •••• n, V.rtrl,. Controlling mit SAP R/3- von Karlheinz Hug von Gunther Friedl, Christian Hilz Grundkura 8etrlebawlrtac:hafhlehre und Burl<.hard Pedell von Nolger Carl, Rudolf Fiedler, William J6rasz Grundkura und Manfred Kiesel Ge.chifhproz• •• - Management Relatlonale. und objektrelatlonale. SaL von Andreas Gadatsch von Wolf-Michael Kahler Grundkura IT-COntrolllng Lem-und Arbeitabuc:h SAP R/3® von Andreas Gadatsch und Elmar Mayer von Andr~ Maassen und Marl<.us Schoenen Grundkura Wlrt.c:hattalnfonnatik Ko.tenatellenrechnun, mit SAP R/3® von Dietmar Abts und Wilhelm MOlder von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms Oa. Linix-Tutorlal-Ihr Weg Grundkura Aicorithmen und zum LPI-Zertiflkat Oatenstrukturen In JAVA von Helmut Pils von Andreas Solymosi und Ulrich Grude Grundkura C++in Beiaplelen Prozea.modelllerung mit ARIS® von Dietmar Herrmann von Heinrich Seidlmeier Objektorlentlerte Procrammlerung In JAVA von Otto Rauh www.vieweg-it.de Dietmar Herrmann Grundkurs C++ in Beispielen Eine Einfuhrung in das Programmieren - Beispiele aus Mathematik und Technik - Objektorientierung anschaulich mit UML 6., Gberarbeitete und erweiterte Auflage ~ vleweg Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet Uber abrufbar. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne von Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dUrfen. Hochste inhaltliche und technische Qualitat unserer Produkte ist unser Zie!. Bei der Produktion und Auslieferung unserer BUcher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die EinschweiBfolie besteht aus Polyathylen und damit aus organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Verbrennung Schadstoffe freisetzen. 1. Auflage 1989 2. Auflage 1990 Diese Auflagen erschienen unter dem Titel "Effektiv Programmieren in C" 3. Auflage 1996 4. Auflage 1999 5. Auflage 2001 Diese Auflagen erschienen unter dem Titel "Effektiv Programmieren in C und C++" 6., Uberarbeitete und erweiterte Auflage Mai 2004 Aile Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004 Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.vieweg.de Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschUtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fUr Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de ISBN-13: 978-3-528-54655-7 e-ISBN-13: 978-3-322-80347-4 DOl: 10.1007/978-3-322-80347-4 Vorwort Die freundliche Annahme der fUnften Auflage dieses Buches durch den Leser hat den Verlag zur Herausgabe einer neuen Auflage bewogen - nunmehr der sechsten. Der Autor hat die se Moglichkeit zu einer weitgehenden Neubearbeitung mit der Fokussierung auf C++ genutzt. Obwohl die Programmiersprachen C und C++ schon Hingst durch eine internationale ANSI/ISO-Norm festgeschrieben sind, wird der Standard weiterhin fortgeschrieben und Erfah rungen aus anderen Programmiersprachen gesammelt. SchlieBlich besteht ja die Moglichkeit, eine bestehende Norm durch eine neue Norm zu modifizieren. 1m Bereich der C Sprachen sind mehrere Neuerungen eingetreten: • Microsoft hat eine auf der C-Syntax basierende Program miersprache C# (gesprochen C sharp) als Konkurrenzpro dukt zu Java entwickelt. Damit ist C nun "Mutter" einer ganzen Sprachenfamilie geworden. • Die wichtigste Neuerung im Bereich von C ist die Verab schiedung der neuen ANSI/ISO Norm 9899:1999. Diese neue Version von C wird nun C99 genannt. Bereits 1995 kam es zu einer Erweiterung der C-Norm durch das Amendment 1, das die Verwendung von internationalen Zeichensatzen mittels der Norm ISO/IEC 10646 regelte. • Auch im Umfeld der C++ Working Group wird tiber eine Fortschreibung der Norm nachgedacht. Die neue C-Norm enthalt neben anderem: • neue Datentypen wie 1a ng 1a ng oder 1a ng daub 1e , • erweiterte int-Typen wie i nt32 _t , • von C++ tibernommene Elemente wie canst, si zeaf, Kom mentare mit / / und die Blockstruktur von Kontrollanwei sungen. v Vorwort Wie man sieht, ist das Programmieren in C/C++ weiterhin aktu ell. Das Erlernen der C-Syntax liefert den Zugang zur Familie der sehr erfolgreichen Programmiersprachen (C, C++, Java, C#). Das Buch, das aus einer Vorlesung an der FH Miinchen ent standen ist, kann als Grundlage sowohl einer Vo rlesung wie auch zum Eigenstudium dienen. Es bietet einen modernen, durch zahlreiche Diagramme und Beispiele gestiitzten, Grundkurs zu C++. Natiirlich kann und will es nicht die 748 Seiten der ANSI/ISO-Norm und die 1.000 Seiten des Refe renzwerks von STROUSTRUP ersetzen. Kapitel 1 liefert einen umfassenden Oberblick iiber die Ent stehung und Philosophie von C/C++. Es bespricht ferner die gangigen Compiler, insbesondere auch den in LINUX ver wende ten GNU-Compiler. Kapitel 2 beschreibt die grundle gende Syntax von C/C++, die nicht immer selbsterklarend ist. Ausfiihrlich werden im Kapitel 3 die einfachen Datentypen, ihre Speicherformate, mogliche Typumwandlungen (casts) dargestellt und die Fallstricke der Computer-Arithmetik und die grundlegenden Ein- und Ausgabefunktionen erklart. Bei der Besprechung von Zeichen beschrankt sich die Darstellung auf 8-Bit-Characters. Fiir den Gnzwischen veralteten) ASCII Code stimmt ja die Nummerierung mit dem UTF-8-Code des Unicodes iiberein. Die grundlegenden Kontrollstrukturen behandelt Kapitel4. Das folgende Kapitel 5 zeigt das Arbeiten mit Reihungen und Zei chenketten. In C/C++ sind die Pointer aus Kapitel 6 ganz eng mit Reihungen verbunden, die die knifflige Seite von C darstel len. Den Abschluss des Kapitels 6 bilden die in C++ so wich tigen Referenzen. Die Funktionen werden in Kapitel 7 ausfiihrlich und umfas send dargestellt. Seine Flexibilitat verdankt C/C++ vor allem der Vielfalt von Funktionen, seien es mathematische, Zei chenketten- oder System-Funktionen. Mit Kapitel 7 sind die wichtigsten Grundlagen der strukturierten Programmierung besprochen. Nach einer kurzen Diskussion der Speicherklassen und Na mensraume in Kapitel8 folgt in Kapitel 9 eine breite Darstellung von Operatoren in C/C++. Die Schreib- und Verwendungswei sen von Operatoren von C sind nicht immer selbsterklarend, da manche Operatoren in mehrfacher Bedeutung angewendet werden. Hinzu kommt noch, dass in C++ fast alle Operatoren durch Uberladen weitere Bedeutungen erhalten konnen. Kapitel 10 stellt die Rekursion als spezielle Programmiertechnik dar und demonstriert wichtige rekursive Beispiele. Der Uber blick tiber die Programmiertechniken wird in Kapitel 13 fortge setzt mit dem Ausblick auf Iterationen, Extrapolationen, Simula tionen, insbesondere Monte-Carlo(MC)-Simulationen und Teile und-Herrsche-Verfahren. Vollig neu ist hier gegebene AIgo rithmus zur Simulation von Aktienkursen. In Kapitel 11 erfolgt die Behandlung der hoheren Datentypen wie Aufzahlungstypen (enum), Verbunde, Strukturen (struct) und Bitfelder. Die Datentypen enum und struct gewinnen in der objektorientierten Programmierung neue Bedeutung (vgl. Abschnitt 15.9). Die wichtigsten Bibliotheksfunktionen und die zugehorigen Header-Dateien erklart Kapitel 12, gefolgt von dem schon er wahnten Kapitel 13 tiber Programmiertechniken. Kapitel 14 dient zur Einstimmung auf die objektorientierte Programmierung (OOP) und bespricht die wichtigsten Para digmen (Muster) der OOP. Folgerichtig liefert Kapitel 15 grundlegende Informationen zum Umgang mit Klassen, dem zentralen Thema des OOP. Behandelt wird der Aufbau, Zugriff auf Klassen-Elemente bzw. Methoden, ihre grafische Darstellung nach der UML (Uni fied Modeling Language), der Umgang mit Konstruktoren und statischen Elementen, das Operator-Uberladen und die Einbe ziehung von dynamischen Arrays. Das Arbeiten mit Klassen in Form von enum- und struct-Typen wird im letzten Abschnitt 15.9 behandelt, ein Thema, das in der angegebenen Art neu ist. Kapitel 16 ftihrt in die Vererbung von Klassen ein, die ein weiteres zentrales Thema des OOP darstellt. Besprochen wer- VII Vorwort den hier auch abstrakte Klassen und solche mit virtu ellen Me thoden, veranschaulicht mit Hilfe von UML-Diagrammen. Das folgende Kapitel 17 erkHi.rt das generische (d. h. daten typunabhangige) Programmieren mit Hilfe sog. Template Klassen. Das sind Klassen, die erst zur Laufzeit mit den ge wlinschten Datentypen "gefiillt" werden. Dass solche noch nicht festgelegten Datentypen auch selbstdefinierte(!) sein konnen, ist eine einzigartige Eigenschaft der Programmier sprache C++. Template-Klassen existieren bis jetzt nicht in C# und Java. Template-Klassen bilden naturlich auch die Grund lagen der Standard Template Library (STL), die im Kapitel 20 und 21 behandelt wird. Die objektorientierte Ein- und Ausgabe kann erst im Kapitel 18 besprochen werden, da die meisten Prozeduren zur Ein I Ausgabe als Methoden von generischen Klassen definiert sind und somit die Kenntnis von Template-Klassen vorausset zen. Kapitel 18 schlieBt mit einem Abschnitt, der die Einbe ziehung von Computer-Algebra-Systemen (CAS) wie MAPLE und MATHEMATICA erklart. Kapitel 19 zeigt den Mechanismus von C++ zum Erklaren und Aufrufen von Ausnahmefallen (Exceptions) und erklart, wie selbst definierte Ausnahmeklassen durch Vererbung auf vor definierte Bibliotheksklassen zUrUckgefiihrt werden konnen. Das Arbeiten mit den schon erwahnten Template-Klassen fur generische Datentypen, Container genannt, wird im Kapitel 20 aufgezeigt. Hier werden die wichtigsten Datenstrukturen wie , <1 i st>, und besprochen. Generische Datentypen, die andere Datentypen speichern, wie oder , heiBen Adapter und werden im Anschluss be sprochen. Das Kapitel schlieBt mit den Datentypen und , wobei letzterer Typ eigentlich zum Standard-Na mensraum std gehort. 2ur STL gehoren neben den Containern naturlich auch die Algorithmen, die auf diesen Datentypen operieren. Sie wer den in Kapitel 21 besprochen und geben dem Programmierer VIII (m/w) eine Vielzahl von erprobten und nutzlichen Methoden, wie Permutationen, Sortier- und Suchverfahren, an die Hand. Den Abschluss des Buchs bilden Kapitel 22 und 23, in denen die Vielfalt von Klassenbildung zur Lasung von meist numeri schen Problemen in Mathematik und Physik demonstriert wird. Vallig neu ist die im Kapitel 22 (Mathematik) behandelte Me thode zur Berechnung eines Integrals nach GAuss-KoNROD; sie erlaubt sogar eine absolute Fehlerberechnung. Ebenfalls neu im Buch ist auch die Methode zur numerischen Integration einer Differenzialgleichung l.Ordnung nach DORMAND-PRINCE und 2. Ordnung nach RUNGE-KUTIA-NYSTROM im Physikteil. Das Schlusskapitel 23 enthalt einige physikalische Fragestel lungen wie die Berechnung der Radioaktivitat und des Was serstoff-Spektrums, Simulation des schiefen Wurfs mit Luft widerstand und die numerische Lasung eines Schwingungs problems. Eine astronomische Anwendung bietet die Berechnung der Planetenbahnen und Temperaturen. Die im Buch enthaltenen Programme entsprechen voll dem ANSI C++-Standard und sollten daher von allen neueren, gangigen C++ Compilern ubersetzt werden kannen. Mein Dank gilt dem Vieweg-Verlag, insbesondere Herrn Dr. Reinald Klockenbusch, der die Neuauflage dieses Buchs er maglichte. Zu besonderem Dank bin ich Herrn Thomas Kre geloh (Drestedt) verpflichtet, der den elektronischen Satz die ses Buch besorgte und dabei gekonnt den gesamten Text und alle Abbildungen ins Postscript-Format verwandelte. Fur konstruktive Hinweise ist der Autor stets dankbar. Anzing, Februar 2004 Dietmar Herrmann (dietmar. herrmann@t-online.de) IX Inhaltsverzeichnis 1 Uberblick .............................................................................................. 1 1.1 Mit C fing alles an .................................................................... 1 1.2 Die Entwicklung von C++ ....................................................... 2 1.3 Die Weiterentwicklung von C zu C99 ..................................... 5 1.4 C als universelle Syntax ........................................................... 6 1.5 Wie man ein C/C++ Programm entwickelt ............................. 6 1.6 Autbau eines C/C++-Programms ............................................. 7 1.7 Werkzeug C/C++-Compiler ..................................................... 8 1.7.1 Der GNU-Compiler ............................................................... 9 1.7.2 Der Borland-Compiler ........................................................ 10 1.7.3 Der Microsoft-Compiler ...................................................... 11 1.8 Erste C++-Programme ............................................................ 13 2 Syntax ................................................................................................. 15 2.1 Zeichen ................................................................................... 15 2.2 Bezeichner .............................................................................. 16 2.3 Schliisselworter ....................................................................... 18 2.4 Operatoren ............................................................................. 19 2.5 Konstanten .............................................................................. 22 2.6 Zeichenketten ......................................................................... 23 2.7 Kommentare ........................................................................... 24 2.8 Trennzeichen .......................................................................... 25 2.9 Token ...................................................................................... 26 2.10 Ausdrucke ............................................................................... 27 2.11 Anweisungen .......................................................................... 28 3 Einfache Datentypen ....................................................................... 31 3.1 Der Typ int ............................................................................. 31 3.2 Der Typ unsigned int ............................................................. 32 3.3 Der Typ char .......................................................................... 33 3.4 Der Typ unsigned char .......................................................... 36 3.5 Der Typ short int .................................................................... 36 3.6 Der Typ float .......................................................................... 37 3.7 Der Typ long int ..................................................................... 38 3.8 Der Typ double ...................................................................... 40 3.9 Der Typ long double ............................................................. 43 3.10 Der Typ long long .................................................................. 44 XI

Grundkurs C++ in Beispielen: Eine Einführung in das Programmieren — Beispiele aus Mathematik und Technik — Objektorientierung anschaulich mit UML

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