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C (Programmiersprache)

Programmiersprache
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Die Programmiersprache C wurde von Ken Thompson und Dennis Ritchie in den frühen 1970-er Jahren für das neu entwickelte Betriebssystem Unix entworfen. Ken Thompson passte zunächst die Programmiersprache BCPL auf seine Bedürfnisse an und nannte die so entstandene Sprache "B" (nach den "Bell Labs" in denen die Sprache entwickelt wurde). Aus dieser Sprache entstand dann C. Die grundlegenden Programme aller Unix-Systeme und die Kerne vieler Betriebssysteme sind in C programmiert. Die heute populäre Sprache C++ ist aus C hervorgegangen und gegenüber C unter Anderem um Möglichkeiten zur objektorienterten und generischen Programmierung erweitert. Auch andere moderne Sprachen haben ihre Wurzeln in C.

Überblick

C ist eine Programmiersprache, die auf fast allen Computersystemen zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu z.B. BASIC gibt es seit der Definition von ANSI C relativ einheitliche Implementierungen auf den verschiedenen Plattformen. In jedem C-System steht auch die genormte Standard C Library zur Verfügung. Dies und die sehr gute Performance der resultierenden Programme erklärt die weiterhin relativ hohe Popularität der Sprache, sowohl im kommerziellen als auch im Open-Source-Bereich.

Es gibt Meinungen, dass C softwaretechnologisch gesehen nicht dem heutigen Stand der Technik entspreche, oft wird C auch als portierbarer Highlevel-Assembler bezeichnet. Dem lässt sich entgegen halten, dass die Kerne fast aller heute verbreiteten Betriebssysteme in C implementiert wurden (und dies obwohl C++ bereits seit Mitte der 1980-er Jahre zur Verfügung steht, wenn auch in der jetztigen, ISO-genormten Form erst seit 1998). C eignet sich hervorragend für die Systemprogrammierung, anders sieht die Sache jedoch bei der Anwendungsentwicklung aus. Dort wird C zunehmend durch die Sprachen C++, Java und C# verdrängt, die gemeinsam haben, dass sie alle über Möglichkeiten zur objektorientierten Programmierung verfügen und C im Bezug auf Wartbarkeit, Entwurfsunterstützung, Abstraktionsniveau, betriebssystemunabhängige Ablauffähigkeit erweitern und verbessern.

An anderer Stelle zeigen sich die einfache Struktur und der kleine Umfang der Sprache als großer Vorteil: Die Portierung eines C-Compilers auf eine neue Prozessorplattform ist verglichen mit anderen Sprachen wenig aufwändig, so dass sich dies vom einfachsten Mikrocontroller bis zum Großrechner-Prozessor praktisch immer lohnt. Für den Entwickler bedeutet das, dass er, egal für welche Plattform er programmiert, immer davon ausgehen kann, einen C-Compiler zu bekommen. Die prozessor-spezifische Programmierung in Assembler bleibt ihm dadurch ganz oder weitgehend erspart, und er kann Quellcode, den er für andere Plattformen geschrieben hat, auf eine neue Plattform mitnehmen, und dieser wird (ganz ohne oder mit kleinen Änderungen) laufen.

Die Sprachbeschreibung wurde 1972 erstmals publiziert.

Ein ausführbares C-Programm wird durch den so genannten Linker oder Binder aus Objektcode erzeugt (gebunden). Die Objektcodedateien ihrerseits werden durch den Compiler aus Textdateien erzeugt (übersetzt), die eine Anzahl Funktions- und Variablendefinitionen enthalten. Ein ausführbares Programm muss eine Funktion mit dem Namen main enthalten.

Hallo-Welt-Programm in C

Der folgende Code stellt ein einfaches C-Programm dar, das eine Meldung auf dem Standardausgabemedium ausgibt. 

#include <stdio.h>

int main (void)
{
    printf("Hallo Welt!\n");
    return 0;
}

Kontrollstrukturen

If ... else 

  if (Bedingung)
  {
     Anweisungen;
  }
  [else
  {
     Anweisungen;
  }]


While-Schleife 

  while (Bedingung)
  {
     Anweisungen
  }


Do ... while 

  do
  {
     Anweisungen
  } while(Bedingung);


For-Schleife 

  for (Startausdruck; Bedingung; Inkrementierausdruck)
  {
     Anweisungen
  }


Switch-Ausdruck 

  switch (Ausdruck)
  {
     case marke1 :
        Anweisungen;
        break;
     case marke2 :
        Anweisungen;
        break;
     default :
        Anweisungen;
  }


Bewertung von Sprachmerkmalen

Stärken

  • minimalistischer Sprachumfang, der kleinste bekannte C-Compiler besteht aus 3742 Bytes C-Code und kann sich selbst compilieren.
    • C-Programme bestehen nur aus Unterprogrammen.
    • Das Hauptprogramm ist ein Unterprogramm mit dem speziellen Namen main
    • Kontrollstrukturen für strukturierte Programmierung
    • Umfangreiche Datenstrukturen (Arraykonstanten, struct, Bitfelder)
    • Vorbelegung aller Datenstrukturen mit Konstanten
    • Keine symbolischen Konstanten (ersetzt durch Makroprozessor)
    • Keine dynamische Speicherverwaltung (ersetzt durch Bibliotheksfunktionen)
    • Keine Arrays (ersetzt durch Feldkonstanten und Behandlung von Arrays als Pointer)
    • Zeigerarithmetik ermöglicht die effiziente Behandlung von Arrayzugriffen, Parametern usw.
    • Strings ersetzt durch eingebaute Stringkonstanten und einfache Bibliotheksfunktionen
    • Pointer auf Unterprogramme (function pointer) in Datenstrukturen speicherbar
    • Einfache Variablen nur als Wertparameter, Arrays nur als Referenzparameter
    • Referenzparameter für einfache Variablen werden durch Pointer ersetzt.
  • Hardwarenahe Programmierung ist möglich, direkter Umgang mit Bits, Bytes, direkter Speicherzugriff und Zeigerarithmetik
  • niedriger Abstraktionsgrad
  • Präprozessor zur Spracherweiterung und bedingten Übersetzung
  • Linker (Binder) (C war eine der ersten Sprachen, die das Einbinden von externen vorübersetzten Routinen in der Sprachdefinition berücksichtigt)
  • Viele Optimierungen bei Übersetzung möglich
  • Ein C-Compiler ist auf nahezu jedem modernen Prozessor vorhanden, sei es ein kleiner 8-Bit-Kontroller oder ein High-End-64-Bit-Prozessor.

Schwächen

  • Stringunterstützung
    • Den Typ String gibt es nicht im Sprachstandard. Stattdessen wird ein Zeichenarray verwendet, das mit einem Nullbyte abgeschlossen wird. Die Speicherverwaltung von Strings muss vom Programmierer vorgenommen werden.
  • Arrays
    • C kennt zwar den Datentyp Array und erlaubt sogar die Definition von Arrays, die mit Konstanten vorbelegt sind. Intern werden Arrays jedoch immer als Pointer verwaltet. Dies bedeutet, dass eine eventuell nötige dynamische Speicherverwaltung von Arrays vom Programmierer implementiert werden muss. Auch die Größe des Array wird beim Zugriff nicht überprüft. Durch Programmierfehler können Speicherbereiche durch illegale Feldzugriffe während der Laufzeit unabsichtlich verändert werden.
  • "Wilde" Pointer
    • Man kann Pointer auf beliebige Stellen des Speichers richten. Insbesondere zeigen nicht explizit initialisierte Stack-Variablen oft auf beliebige Stellen des Speichers. Die Folge sind schwer zu diagnostizierende Fehler.
  • Speicherverwaltung
  • Portabilitätsprobleme
    • C schreibt die Speichergröße verschiedener Typen in der Sprachdefinition nicht vor. Dies ermöglicht die Portierung bestehender Programme auf andere, auch neue Prozessoren. Es ist nur zugesichert, dass ein short int nicht länger sein darf als ein long int. In den 1980-er und 1990-er Jahren wurden vorwiegend 32-Bit Systeme wie VAX, 68000, i386 eingesetzt. Bei diesen waren Pointer, int und long alle 32 Bits lang, so dass sich dies als Quasistandard etabliert hat. Dies bereitet Probleme bei der Portierung auf modernere 64-Bit-Architekturen, falls der Programmierer von bestimmten Längen ausgegangen ist.
    • Einige weitere Eigenschaften der Sprachdefinition (Ergebnistyp bei Pointersubtraktion, Ausrichtung (Alignment) von Datentypen) bereiten ebenfalls Probleme, wenn statt der empfohlenen abstrakten Typen (wie ptrdiff_t für Pointersubtraktionen, size_t für Größen von Speicherbereichen) direkt fundamentale Typen wie int verwendet werden.
    • In der Sprachversion C99 sind Datentypen mit expliziten Bit-Längen definiert (int8_t, int16_t, etc.).

Wie man der Formulierung der Schwächen bereits entnehmen kann, sind dies nicht eigentlich Schwächen der Programmiersprache, sondern ein zu freier Umgang der Programmierer mit ihren Möglichkeiten. Man kann also durchaus sagen, daß die größte Stärke von C - uneingeschränkte Freiheit des Progammierers mit Pointern und Speicherstrukturen - gleichzeitig ihre größte Schwäche ist. Da dieser freizügige Umgang der Programmiersprache mit dem Speicher in kritischen Umgebungen (Banken, Börsen, Versicherungen, ...) leicht hohe Schäden nach sich ziehen kann, wird hier mittlerweile ernsthaft erwogen, diese Programmiersprache bei neuen Projekten zu verbieten.

Siehe auch


Literatur


Externe Verweise

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