Programmieren in C

Grundsätzliches Wissen für angehende Programmierer/-innen

Der Raspberry Pi 400 für knapp 100.- € zum Anschluss an den Fernseher (hier mit englischem Netzteil!)

• Jede Anwendung eines persönlichen Computers, jede Website, jede App ist ein Computerprogramm.
• Computerprogramme sind Listen von Anweisungen, die vom Computer der Reihe nach abgearbeitet werden.
• Diese Listen werden in ein Textprogramm eingegeben, in Bits und Bytes übersetzt und dann ausgeführt.
• Anweisungen in Programmen bestehen aus Schlüsselwörtern und Parametern, die die Anweisungen genauer spezifizieren.
• Ein Beispiel "aus dem richtigen Leben" wäre Starte das Auto, wobei Starte das Schlüsselwort und das Auto der Parameter ist.
• Ein Schlüsselwort sagt dem Computer, was zu tun ist, ein Parameter erklärt, womit etwas zu tun ist.

Besonderheiten von C

• C ist eine sehr kompakte Programmiersprache von immerhin 1968.
• Sie ist damit oft älter als ihre Programmierer. :-)
• C wird auch heute noch benutzt.
• Sehr viele große Projekte sind in C geschrieben (Windows, Linux, Office).
• Dennoch laufen sehr viele C-Programme aus alter Zeit unverändert auch heute noch.
• C ist also sehr kompatibel zu sich selbst.
• C ermöglicht es, sehr kleine und schnelle Compiler zu bauen, denn
  • die Prüfung von 10.000 Klammern ({}) schafft der Compiler schnell.
  • die Prüfung von 10.000 Wörtern (BEGIN...END) dauert dagegen länger.
• C ist eine Sprache, die auf sehr kleinen Computern gut ablaufen kann.
• C++ ist eine objektorientierte Version von C.
• Compiler für C++ können immer auch C.

Programmieren in C auf dem eigenen Computer

Die Entwicklungsumgebung GEANY in Aktion auf dem Raspi 400.

• Um ein Programm in einer Programmiersprache zu schreiben, braucht man ein passendes Übersetzungsprogramm für diese Sprache.
• Solche Übersetzungsprogramme übersetzen eine Programmiersprache in die universelle Sprache aller Computer (Bits und Bytes).
• Solcher Übersetzungsprogramme heißen Compiler.
• Man benötigt also für C einen C-Compiler und
  • einen Editor (Textverarbeitung für Programmierer) zum Erfassen des Programms oder
  • am besten alles zusammen: eine "Integrierte Entwicklungsumgebung (IDE)".
• Ich zum Beispiel benutze diese hier (Windows, MacOS).
• Auf einem Raspberry Pi kann man einfach Geany benutzen.
• Oder Sie programmieren einfach hier und jetzt online.

Funktionen

• Ein Problem wird zur Lösung in viele kleine Probleme zerlegt.
• Beispiel: "Kuchen backen" kann in "Mische Mehl, Eier...", "Heize den Backofen", "Knete den Teig" etc. aufgeteilt werden.
• Programme können in kleine Abschnitte eingeteilt werden, die einzelne Unter-Aufgaben erfüllen (Funktionen).
• Diese Funktionen haben einen festgelegten Namen, Parameter und können Werte an das Hauptprogramm zurück geben.
• Den Typ des Rückgabewertes steht vor der Funktion (hier: int = integer = ganze Zahlen).
• main ist die erste Funktion, die in jedem Programm aufgerufen wird. Hier startet also immer das Programm.
• In C-Programmen muss es immer genau eine Funktion mit dem Namen main geben.
• Von main aus werden die erwähnten Funktionen des selben Programms aufgerufen, sofern welche existieren.
• Die Hauptfunktion, das ganze Programm, gibt nach der Abarbeitung des Programms einen Wert an den Computer zurück.
• Ein einfaches Programm sieht also jetzt so aus ("//" leitet einen Kommentar ein):

int main ()
{
  // Hier startet das Hauptprogramm
  printf ("Zahlenraten - ich denke mir eine Zahl und Du errätst sie. \n");
}

Variable

• Variable sind benannte Speicherstellen, in denen Zwischenergebnisse gespeichert werden können.
• Variable müssen dem C-Compiler erklärt werden, damit sie verwendet werden können: sie werden deklariert.
• Da Programme linear (von oben nach unten) ablaufen, sind Variablen erst ab der Deklaration nutzbar.
• Der Compiler muss wissen, was in den Variablen stehen soll: der Variablentyp.
• Typen für Variable in C: Ganzzahlen (int), Fließkommazahlen (float), Zeichen (char)
• Eine Deklaration sieht typischerweise so aus: <Typ><Leerzeichen><Name><Semikolon>
• Beispiel:

  int nGedachteZahl;

• Das "n" vor dem Namen "GedachteZahl" ist nicht notwendig. Es ist aber gute Sitte, den Typ (int, also numerisch) im Namen zu erwähnen.
• Variable können auch einen Anfangswert (Initialisierung) enthalten, der einfach dahinter geschrieben wird.
• Beispiel:

  int nGedachteZahl = 24;

• Die Variable nGedachteZahl ist dem Compiler ab diesem Zeitpunkt als Ganzzahl-Speicherstelle bekannt und hat den Wert 24.
• Eine nicht initialisierte Variable hat übrigens nicht den Wert Null sondern einen unbestimmten Wert (Vorsicht!).
• In unserem Beispiel brauchen wir zwei Variable: in einer steht die gedachte Zufallszahl, in der anderen die Vermutung des Benutzers.
• Nach der Erwähnung des Datentyps kann man weitere Variablen definieren.
• Unser Programm sieht bis hierher also so aus:

int nGedachteZahl = 24; // muss erraten werden
    nVermutung = 0;     // sicher ist sicher

int main ()
{
  // Hier startet das Hauptprogramm
  printf ("Zahlenraten - ich denke mir eine Zahl und Du errätst sie. \n");
}

Ein- und Ausgabe

• Ein Programm braucht grundsätzlich Anweisungen für die Eingabe, die Verarbeitung und die Ausgabe von Daten.
• Speziell in der Programmiersprache C gibt es keine Anweisungen zur Ein- und Ausgabe.
• C soll auf sehr vielen Computern nutzbar sein und jedes Computersystem hat andere Funktionen für Ein- und Ausgabe.
• Deshalb liegt jedem C-Compiler eine Bibliothek von Dateien bei, die Ein- und Ausgabe des jeweiligen Computersystems ermöglicht.
• Die Funktionen in diesen Dateien werden aber alle in der gleichen Art und Weise aufgerufen ("C-Standard-Bibliotheken").
• Wir verwenden hier zur Eingabe das Schlüsselwort scanf und zur Ausgabe printf wegen ihrer Ähnlichkeit.
• Im "echten Leben" tun Sie das bitte nicht: die Funktionen sind nicht krisensicher.
• Das Format von printf ist

   printf ("<Format>", <Variable>, <Variable>...)

• Im <Format>-Teil geben Sie an, was ausgegeben werden soll.
• Dabei schaffen Sie Platzhalter dort, wo später der Wert der Variablen erscheinen soll.
• Platzhalter bestehen aus einem Prozentzeichen und einem Buchstaben für den Typ der Variable.
• Die erlaubten Typen sind vielfältig. Hier einige gebräuchliche:

d Dezimalzahl
f Gleitkommazahl
c Einzelnes Zeichen
s String (Mehrere Zeichen)

• Nach der Angabe des Typs sind auch Längenangaben u. a. möglich.
• Dieselben Formatvorschriften gelten auch für Eingaben mit scanf.

Bedingungen

• Bedingungen sind WENN-DANN-Anweisungen.
• In C ist das entsprechende Schlüsselwort if.
• Der weitere Programmlauf hängt dann von Bedingungen ab:

>  größer als
<  kleiner als
== gleich
!= ungleich
>= größer oder gleich
<= kleiner oder gleich
!  nicht

• Beispiel: Ob eine eingegebene Zahl größer oder kleiner 1 ist soll in Worten ausgegeben werden:

#include <stdio.h>

int nZahl;

int main()
{
  printf ("Bitte geben Sie eine Zahl ein: ");
  scanf ("%d", &nZahl);

  if (nZahl > 1)
    printf ("Die Zahl %d ist größer als Eins. \n", nZahl);
  else
    printf ("Die Zahl %d ist kleiner als Eins. \n", nZahl);
}

• Die Befehle nach else werden immer ausgeführt, wenn das Gegenteil der Bedingung erfüllt ist.
• Das Gegenteil von gleich ist dann ungleich, das Gegenteil von größer ist kleiner und umgekehrt.
• Man könnte else also mit sonst übersetzen: Wenn...Sonst.

Fallunterscheidungen

• if-Abfragen kann man beliebig wiederholen.
• Bei sehr häufigen Abfragen kann das sehr unübersichtlich werden.
• Deshalb gibt es so genannte Fallunterscheidungen, in denen ein Wert oder eine Variable mehrfach geprüft wird.
• Bei Fallunterscheidungen wird jeder Bedingung ein Programmlauf zugeordnet.
• In C sind die entsprechenden Schlüsselwörter switch und case.
• Beispiel: Eine Zahl zwischen 1 und 3 soll als Wort ausgegeben werden:

#include <stdio.h>

int iZahl;

int main ()
{
  printf ("Geben Sie eine Zahl ein: ");
  scanf ("%d", &iZahl);
 
  switch (iZahl)
  {
    case 1: printf ("Eins \n"); break;
    case 2: printf ("Zwei \n"); break;
    case 3: printf ("Drei \n"); break;
    default: printf ("Zahl ist nicht zwischen 1 und 3! \n");
  }
}

• Beachten Sie, dass nach der Ausführung eines Falles mit break die Abfrage verlassen werden muss.
• Wenn keine Bedingung zutrifft, wird der Code hinter default ausgeführt.
• In switch können keine Variablen vom Typ char geprüft werden!

Schleifen mit Zähler

• Bei Zählerschleifen werden Schlüsselwörter eine bestimmte Anzahl mal wiederholt.
• Dabei läuft eine Variable mit, die bei jedem Durchlauf verändert wird.
• In C ist das entsprechende Schlüsselwort for.
• Das Format von for ist

for (Startwert, Ablaufbedingung, Änderungsmaßnahme);

• Die Zahlen von 1 bis 10 werden also durch folgendes Programm ausgegeben:

#include <stdio.h>

int nZaehler;

int main ()
{
  for (nZaehler = 1; nZaehler < 11; nZaehler++)
  {
    printf ("Zahl ist %d \n", nZaehler);
  }
}

• Am Anfang der Schleife wird nZaehler mit 1 belegt (der Startwert)
• Die Schleife läuft so lange nZahler kleiner als 11 ist (die Ablaufbedingung)
• Bei jedem Durchlaufen der Schleife wird nZaehler um 1 erhöht (die Änderungsmaßnahme, nZaehler = nZaehler + 1 kann man mit nZaehler++ abkürzen).
• Beim Durchlaufen der Schleife wird alles zwischen den folgenden Klammern { und } ausgeführt (hier also die Ausgabe von nZaehler).
• Die Zahlen von 1 bis 10 werden nur ausgegeben, wenn die Ablaufbedingung < 11 heißt, da am Anfang entschieden wird, ob die Schleife durchlaufen werden soll.
• for bildet also eine so genannte Kopfgesteuerte Schleife!

Kopfgesteuerte Schleifen

• Kopfgesteuerte Schleifen prüfen am Anfang der Schleife, ob die Schleife durchlaufen wird.
• Kopfgesteuerte Schleifen werden mit dem Wort while gebildet.
• Kopfgesteuerte Schleifen machen Sinn, wenn eine Schleife unter bestimmten Bedingungen keinen Sinn ergibt.
• Beispielsweise kann man eine Datei nicht auslesen, wenn am Anfang der Schleife das Ende der Datei bereits erreicht oder sie leer ist.
• Man könnte die Zahlen von 1 bis 10 auch mit einer kopfgesteuerten Schleife ausgeben:

#include <stdio.h>

int nZaehler;

int main ()
{
  nZaehler = 0;
  while (nZaehler < 10)
  {  
    nZaehler++;
    printf ("Zahl ist %d \n", nZaehler);
  }
}

• Sie werden alle Anweisungen aus der for-Schleife hier wiederfinden!
• Aber überlegen Sie mal, warum die Werte der Variablen anders sind.

Fußgesteuerte Schleifen

• Fußgesteuerte Schleifen prüfen am Ende der Schleife, ob die Bedingung zum Beenden erreicht ist.
• Fußgesteuerte Schleifen werden mit den Schlüsselwörter do..while gebildet.
• Fußgesteuerte Schleifen machen Sinn, wenn die Bedingung innerhalb der Schleife verändert wird.
• Beispielsweise kann eine Schleife so lange laufen, bis während der Schleife ein bestimmter Wert eingegeben wird.
• Die Zahlen von 1 bis 10 mit einer fußgesteuerten Schleife:

#include <stdio.h>

int nZaehler;

int main ()
{
  nZaehler = 0;
  do
  {  
    nZaehler++;
    printf ("Zahl ist %d \n", nZaehler);
  } while (nZaehler < 10);
}

• Beachten Sie, wo ein Semikolon gesetzt ist (und wo nicht).

Dateien

• Normalerweise kommt an dieser Stelle die Behandlung von Dateien.
• Programme können Dateien erzeugen, verwalten und löschen.
• Dateien werden heute aber "in Reinform" kaum noch benutzt.
• Daher verweise ich hier auf die Einbettung von Datenbank-Befehlen in C-Programme.
• Nutzen Sie Datenbanken wo Sie können. Dateien sind immer nur die zweitbeste Lösung!
• Sie brauchen keinen Datenbank-Server. Forschen Sie z. B. nach SQLite.

Zahlenraten

• Zum Schluss ein kleines Spiel, in dem Sie einige der erklärten Regeln betrachten können:

// (1) zahlenraten.c - Ein kleines Spiel, bei dem der Computer sich eine Zahl
// ausdenkt und Sie diese erraten müssen. 27.04.2021

// (2) Damit alle Befehle funktionieren, müssen wir sie dem C-Compiler
// bekannt machen. Denn viele Befehle kennt C nicht. Die werden dann
// aus sogenannten Standard-Bibliotheken eingelesen.

#include <stdio.h>  // printf und scanf
#include <stdlib.h> // srand und rand
#include <time.h>   // time

// (3) Jedes C-Programm hat einen Abschnitt (eine "Funktion") namens
// main. Hier beginnt und endet ein C-Programm immer. main muss immer
// da sein und muss immer main heißen!

int main ()
{

  // (4) Wir beschreiben ("deklarieren") Speicherstellen ("Variable"), die
  // wir im Programm benutzen wollen mit möglichst aussagekräftigen Namen
  // und einem Buchstaben am Beginn, der die Art des Inhalts bezeichnet.
  // i = int = integer = ganze Zahl, also keine Fließkommazahlen

  int iGedachteZahl;  // Hier wird die vom Computer gedachte Zahl gespeichert
  int iVermutung;     // Hier wird die vom Benutzer vermutete Zahl gespeichert

  // In C kann man Variable auch gleich mit einem Startwert belegen

  int iZahlMin = 0;   // Minimale Größe der gedachten Zahl
  int iZahlMax = 100; // Maximale Größe der gedachten Zahl

  // (5) Das Programm wurde gestartet. Wir geben einen Text aus:
  // \n = mit Zeilenumbruch
  // \n weglassen = ohne Zeilenumbruch

  printf ("Zahlenraten - Ich denke mir eine Zahl und Sie erraten diese. \n");
  printf ("Ich denke mir also eine Zahl zwischen %d und %d", iZahlMin, iZahlMax);

  // (6) Zufallszahl generieren: hier rufen wir die Funktionen auf, die wir
  // bei (2) mit #include oben bekannt gemacht haben: srand, time und rand.

  srand (time (0));
  iGedachteZahl = (rand() % (iZahlMax - iZahlMin + 1)) + iZahlMin;

  printf ("...fertig. \n"); // wird in der selben Zeile wie (5) ausgegeben

  // (7) Eine Schleife: die Anweisungen in den Klammern nach do
  // werden immer wiederholt ...

  do {
    
    printf ("Ihre Vermutung? ");
    scanf ("%d", &iVermutung);

    if (iVermutung > iGedachteZahl) {
      printf ("Die Zahl ist kleiner! \n");
    };

    if (iVermutung < iGedachteZahl) {
      printf ("Die Zahl ist größer! \n");
    }

  } while (iVermutung != iGedachteZahl);

  // ... solange iVermutung ungleich iGedachteZahl ist, sonst zurück zu (7)

  // (8) Hierher kommt der Computer nur, wenn iVermutung gleich iGedachteZahl ist,
  // die Zahl vom Benutzer also erraten wurde

  printf ("Richtig geraten!!!! Es war die %d!", iGedachteZahl);

  // (9) Unser Programm ist beendet. 0 zurück geben an das Betriebssystem,
  // damit es erkennt, dass das Programm fehlerfrei abgelaufen ist

  return 0;
}