Das erste Programm

Beim Erlernen einer ersten oder neuen Programmiersprache gibt es seit jeher eine kleine Tradition: Das erste Programm ist „Hello World!“, ein Programm das bei seiner Ausführung die Welt begrüßt.

Und natürlich machen wir das auch hier und hoffentlich lernen wir auch was dabei!

Hello World in C

Quellcode 1 hello_world.c
// Erste Übung "Hello World"

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("Hello World\n");
    return 0;
}

Und was sehen wir hier alles?

Ein Programm besteht aus Funktionen und Variablen. Oder auch ganz ohne Variablen in unserem einfachen Fall. Funktionen bestehen aus „Statements“. ‚printf‘ im Bespiel ist eine Funktion, und ‚printf(„Hello Worldn“);‘ ein Aufruf der Funktion printf mit dem Argument „Hello World\n“.

Auch „int main()“ ist eine Funktion. Genauer gesagt ist es die Definition der Hauptfunktion (== main). Diese ist für ein Programm Pflicht und wird beim Start des Programmes von der C Runtime aufgerufen.

return 0; ist der Exitcode des Programmes. Der Wert 0 ist bedeutet in diesem Zusammenhang üblerweise ok, das eben alles geklappt hat.

Und was gibt es noch?

#include<stdio.h>

ist eine Anweisung für den C Preprozessor. Er sucht diese Datei „stdio.h“, ein Standard-Header, und fügt den Inhalt dieses Datei zu unserem Sourcecode hinzu. Erst dadurch bekommen wir die „printf“ Funktion zur Verfügung und können diese dann aufrufen.

int das ist unser erster Kontakt mit einem Datentypen. int steht für „integer“ und bezeichnet ganzzahlige Datentypen im Bereich von 32Bit. In einem int kann man Werte zwischen -2^31 bis 2^31-1 darstellen. Wer das nicht im Kopf ausrechnen kann, das sind -2.147.483.648 bis 2.147.483.647. Reicht sicher mal fürs erste.

Der Text „Hello World\n“ ist ein C ein Character Array auch string genannt. Jedes Zeichen dieses strings hat den „“char“ Datentyp. Ein char „Character“ hat 8 Bit, kann also Werte zwischen -128 und 127 annehmen. Das reicht für die Buschstaben unseres Alphabetes.

Im Speicher sieht das dann so aus:

Tab. 1 „Hello World“ im Speicher

Index

Character

Wert

0

H

72

1

e

101

2

l

108

3

l

108

4

o

111

5

‚ ‚

32

6

W

87

7

o

111

8

r

114

9

l

108

10

d

100

11

n

10

12

0

0

Das \n kommt wirklich noch aus der Zeit der Schreibmaschine und bedeutet linefeed, also zur nächsten Zeile wechseln. \r ist carriage return und stellt die Schreibposition wieder an den Anfang der Zeile zurück.

Ein String hat variable Länge und muss demnach ein Ende haben. Dies wird mit 0 bzw mit 0 markiert. Man nennt diese zero-terminated. Ansonsten würde printf einfach weiter Zeichen ausgeben und (wahrscheinlich) unser Programm zum Abstürzen bringen.

Compilieren von Hello World

Das kann man nun auf gefühlt 100 verschiedenen Methoden machen. Je nachdem man welche IDE, Editor und oder Betriebssystem verwendet.

Hier zeige ich es mal wie man es in einem Terminal oder Eingabe Aufforderung machen kann. „-Wall“ ist übrigens eine Option mit der man dem Compiler sagen kann, das er warnen soll wenn ihm irgendetwas seltsam am Source Code auffällt. Inzwischen sind die Warnung oft schon gut verständlich und moderne Compiler machen dann auch Verbesserungsvorschläge.

Quellcode 2 hello_world.c compilieren und ausführen
gcc -Wall hello_world.c -o hello_world.exe
./hello_world
Hello World

String Formattierung und Ausgabe

Aufbauend auf dem Hello World Beispiel möchte ich im nächsten ein wenig auf die Text Ausgabe und String Formattierung eingehen. Im Prinzip möchte ich die Tabelle „Hello World im Speicher“ automatisch generieren lassen.

Dazu werden wir neue Sprachfeatures kennen lernen:

  • char array als Datentyp

  • sizeof Operator

  • for Schleife

  • printf Formatstrings

  • hexadecimale Zahlendarstellung

Quellcode 3 hello_world.c
// Zweite Übung "Hello World Zeichentabelle"

#include <stdio.h>

int main()
{
    int i;
    char hw_text[] = "Hello World\n";

    for (i=0; i<sizeof(hw_text); ++i)
    {
        printf("%2d  %c  %3d  %02x\n", i, hw_text[i], hw_text[i], hw_text[i]);
    }

    return 0;
}

Schauen wir uns das zweite Programm etwas genauer an. Als erstes defineren wir eine int Variable i. Diese brauchen wir als Laufvariable in der weiter unten genutzten for-Schleife.

Nebeninfo: In C müssen Variablen immer am Anfang eines Scopes definiert sein. Das bedeutet zB am Anfang einer Funktion.

Dannach definieren wir Platz für unseren Textes mit Hilfe eines char arrays. Ohne Angabe eine Größe innerhalb der eckigen Klammern [], passt sich das Array automatisch dem Text der Zuweisung an. Inklusive des abschließenden 0, das mann so leider nicht sieht (implizit).

Nun kommt unsere erste for Schleife. Eine for Schleife hat 3 Argumente:

  1. Initialer Wert: i=0; i started mit dem Wert 0

  2. Abbruch oder End Bedingung: Wiederhole solange i kleiner dem angegeben Wert ist

  3. Inkrement: ++i ist eine Kurzform der Berechnung i=i+1.

Lustig: ++i und i++ machen in diesem Fall das Gleiche haben aber einen subtilen Unterschied: Preinkrement vs Postinkrement. Dazu aber später mehr.

Mit sizeof lernen wir einen sogenannten Operator kennen. Eine in die Sprache C eingebaute, frei verwendbare Funktion. sizeof ermittelt uns den Platzbedarf einer Variable in Bytes. Für unser array meldet es 13 Bytes.

Bemerkung

Frage: Welchen Wert würde uns sizeof(i) ausgeben?

Unsere Schleife wird nun 13 Mal durchgeführt. Mit i können wir die einzelnen Einträge des arrays direkt ansprechen und ausgeben lassen.

Der Aufruf von printf sieht bei diesem Beispiel schon deutlich komplizierter aus. Das erste Argument ist der sogenannte „Formatstring“.

Im Detail sagt der Formatstring „%2d %c %3d %02xn“ wie in unserem Programm die Textausgabe aussehen soll:

  • „%2d“

    • Ausgabe eines int in Dezimalformat mit mindestens zwei Stellen. „%d“ wäre die einfache Ausgabe eines int.

  • „%c“

    • Ausgabe eines char also einem einzelnen Zeichen.

  • „%3d“

    • Ausgabe eines int in Dezimalformat mit mindestens drei Stellen.

  • „%02x“

    • Ausgabe eines int in Hexdezimalformat mit mindestens 2 Stellen. 02 füllt leere Stellen links mit Nullen auf: zB statt ‚a‘ wird ‚0a‘ ausgegeben.

Das war nur ein kleiner Ausflug in die printf Formatoptionen. Was es sonst noch gibt kann man hier https://cplusplus.com/reference/cstdio/printf/ nachschlagen.

Hexadezimalformat?

Ganz kurz möchte ich Hexadezimalformat erklären, zumindest für jene die diesen Begriff noch nie gehört haben. Die Hexadezimal Darstellung verwendet für eine Zahl nicht nur die Zeichen 0 bis 9 sondern zusätzlich auch noch A,B,C,D,E,F. Diese entsprechen den Zahlenwerten 10,11,12,13,14,15.

Wir machen das nicht für mehr Verwirrung und Jobsicherheit, sondern weil sich hexadezimale Werte sich sehr leicht auf binäre Werte umrechnen lassen. Eine hexadezimale Ziffer besteht immer genau aus 4 binären Ziffern:

Tab. 2 Dezimal, Hexadezimal, Binär

Dezimal

Hexadezimal

Binär

0

0

0000

1

1

0001

2

2

0010

3

3

0011

4

4

0100

5

5

0101

6

6

0110

7

7

0111

8

8

1000

9

9

1001

10

A

1010

11

B

1011

12

C

1100

13

D

1101

14

E

1110

15

F

1111

16

10

10000

Bemerkung

Und jetzt verstehen wir hoffentlich den alten Programmierer Witz:

There are 10 types of people in this world, those who understand binary and those who dont.

Compilieren von Hello World Table

Quellcode 4 hello_world_table.c compilieren und ausführen
gcc -Wall hello_world_table.c -o hello_world_table.exe
./hello_world_table
 0  H   72  48
 1  e  101  65
 2  l  108  6c
 3  l  108  6c
 4  o  111  6f
 5      32  20
 6  W   87  57
 7  o  111  6f
 8  r  114  72
 9  l  108  6c
10  d  100  64
11
    10  0a
12      0  00

Hat wer eine Idee was bei Index 11 in der Ausgabe passiert?