E-Book, Deutsch, 1172 Seiten
Reihe: Rheinwerk Computing
Will C++
3. Auflage 2024
ISBN: 978-3-8362-9855-1
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection
Das umfassende Handbuch
E-Book, Deutsch, 1172 Seiten
Reihe: Rheinwerk Computing
ISBN: 978-3-8362-9855-1
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection
Dieses Standardwerk führt Sie in die moderne C++-Entwicklung ein. Entwickeln Sie Software mit hohen Ansprüchen an Funktionalität, Effizienz und Sicherheit. Ausführlich werden der Sprachkern, die objektorientierte Programmierung und die Standardbibliothek behandelt. Sie lernen zum Beispiel, mit Streams umzugehen, Containertypen zu nutzen und nebenläufige Anwendungen zu entwicklen.
Nicht zuletzt geht es dem Autor um das Wie: Freuen Sie sich auf ein Lehrbuch über die Konzepte des Modern C++, die C++ Core Guidelines, Sprachversionen und vor allem über guten Code.
Aus dem Inhalt:
- Sprachgrundlagen
- Fehlerbehandlung
- Objektorientierte Programmierung
- Zeiger
- Schnittstelle zu C
- Templates
- Container
- Standardbibliothek
- C++ Core Guidelines
- Extra: Tutorials zum Thema 'guter Code'
Torsten T. Will, Jahrgang 1970, beschäftigte sich bereits während seines Diploms in Informatik mit Programmiersprachen und ihren Konzepten. C++ hat ihn schon in seinen Anfängen fasziniert und begleitet. Andere Programmierprojekte bewältigte er vor allem in Pascal, Java, Scala und Python. Seit 2004 schreibt er im Fachmagazin c't gelegentlich über C++ und Python. Was dann noch an Zeit übrig bleibt, geht in die Fotografie.
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
Vorwort ... 25
TEIL I. Grundlagen ... 29
1. Das C++-Handbuch ... 31
1.1 ... Neu und modern ... 32
1.2 ... »Dan«-Kapitel ... 32
1.3 ... Darstellung in diesem Buch ... 33
1.4 ... Verwendete Formatierungen ... 33
1.5 ... Sorry for my Denglish ... 34
2. Programmieren in C++ ... 37
2.1 ... Übersetzen ... 38
2.2 ... Übersetzungsphasen ... 39
2.3 ... Aktuelle Compiler ... 40
2.4 ... Entwicklungsumgebungen ... 41
2.5 ... Die Kommandozeile unter Ubuntu ... 43
2.6 ... Die IDE »Visual Studio Code« unter Windows ... 47
2.7 ... Das Beispielprogramm beschleunigen ... 54
3. C++ für Umsteiger ... 55
4. Die Grundbausteine von C++ ... 63
4.1 ... Ein schneller Überblick ... 66
4.2 ... Ohne Eile erklärt ... 71
4.3 ... Operatoren ... 100
4.4 ... Eingebaute Datentypen ... 116
4.5 ... Undefiniertes und unspezifiziertes Verhalten ... 157
5. Guter Code, 1. Dan: Lesbar programmieren ... 159
5.1 ... Kommentare ... 160
5.2 ... Dokumentation ... 160
5.3 ... Einrückungen und Zeilenlänge ... 161
5.4 ... Zeilen pro Funktion und Datei ... 162
5.5 ... Klammern und Leerzeichen ... 163
5.6 ... Namen ... 164
6. Höhere Datentypen ... 167
6.1 ... Der Zeichenkettentyp »string« ... 168
6.2 ... Streams ... 174
6.3 ... Behälter und Zeiger ... 181
6.4 ... Die einfachen Sequenzcontainer ... 183
6.5 ... Algorithmen ... 189
6.6 ... Zeiger und C-Arrays ... 189
7. Funktionen ... 191
7.1 ... Deklaration und Definition einer Funktion ... 192
7.2 ... Funktionstyp ... 193
7.3 ... Funktionen verwenden ... 194
7.4 ... Eine Funktion definieren ... 195
7.5 ... Mehr zu Parametern ... 197
7.6 ... Funktionskörper ... 201
7.7 ... Parameter umwandeln ... 203
7.8 ... Funktionen überladen ... 205
7.9 ... Defaultparameter ... 208
7.10 ... Beliebig viele Argumente ... 209
7.11 ... Alternative Schreibweise zur Funktionsdeklaration ... 210
7.12 ... Spezialitäten ... 211
8. Anweisungen im Detail ... 215
8.1 ... Der Anweisungsblock ... 218
8.2 ... Die leere Anweisung ... 221
8.3 ... Deklarationsanweisung ... 221
8.4 ... Die Ausdrucksanweisung ... 224
8.5 ... Die »if«-Anweisung ... 224
8.6 ... Die »while«-Schleife ... 229
8.7 ... Die »do-while«-Schleife ... 231
8.8 ... Die »for«-Schleife ... 232
8.9 ... Die bereichsbasierte »for«-Schleife ... 234
8.10 ... Die »switch«-Verzweigung ... 236
8.11 ... Die »break«-Anweisung ... 240
8.12 ... Die »continue«-Anweisung ... 241
8.13 ... Die »return«-Anweisung ... 242
8.14 ... Die »goto«-Anweisung ... 243
8.15 ... Der »try-catch«-Block und »throw« ... 245
8.16 ... Zusammenfassung ... 247
9. Ausdrücke im Detail ... 249
9.1 ... Berechnungen und Seiteneffekte ... 250
9.2 ... Arten von Ausdrücken ... 251
9.3 ... Literale ... 253
9.4 ... Bezeichner ... 253
9.5 ... Klammern ... 254
9.6 ... Funktionsaufruf und Indexzugriff ... 254
9.7 ... Zuweisung ... 255
9.8 ... Typumwandlung ... 257
10. Fehlerbehandlung ... 259
10.1 ... Fehlerbehandlung mit Fehlercodes ... 261
10.2 ... Was ist eine Ausnahme? ... 264
10.3 ... Kleinere Fehlerbehandlungen ... 267
10.4 ... Weiterwerfen -- »rethrow« ... 268
10.5 ... Die Reihenfolge im »catch« ... 268
10.6 ... Typen für Exceptions ... 271
10.7 ... Wenn eine Exception aus »main« herausfällt ... 272
11. Guter Code, 2. Dan: Modularisierung ... 273
11.1 ... Programm, Bibliothek, Objektdatei ... 273
11.2 ... Bausteine ... 274
11.3 ... Trennen der Funktionalitäten ... 275
11.4 ... Ein modulares Beispielprojekt ... 277
TEIL II. Objektorientierte Programmierung und mehr ... 289
12. Von der Struktur zur Klasse ... 291
12.1 ... Initialisierung ... 294
12.2 ... Rückgabe eigener Typen ... 295
12.3 ... Methoden statt Funktionen ... 297
12.4 ... Das bessere »drucke« ... 300
12.5 ... Eine Ausgabe wie jede andere ... 302
12.6 ... Methoden inline definieren ... 303
12.7 ... Implementierung und Definition trennen ... 304
12.8 ... Initialisierung per Konstruktor ... 305
12.9 ... Struktur oder Klasse? ... 313
12.10 ... Zwischenergebnis ... 318
12.11 ... Eigene Datentypen verwenden ... 318
12.12 ... Typinferenz mit »auto« ... 335
12.13 ... Eigene Klassen in Standardcontainern ... 339
13. Namensräume und Qualifizierer ... 343
13.1 ... Der Namensraum »std« ... 344
13.2 ... Anonymer Namensraum ... 347
13.3 ... »static« macht lokal ... 349
13.4 ... »static« teilt gern ... 350
13.5 ... Ferne Initialisierung oder »static inline«-Datenfelder ... 353
13.6 ... Garantiert zur Compilezeit initialisiert mit »constinit« ... 354
13.7 ... »static« macht dauerhaft ... 354
13.8 ... »inline namespace« ... 356
13.9 ... Zusammenfassung ... 358
13.10 ... »const« ... 358
13.11 ... Flüchtig mit »volatile« ... 380
14. Guter Code, 3. Dan: Testen ... 383
14.1 ... Arten des Tests ... 383
14.2 ... Frameworks ... 391
14.3 ... Boost.Test ... 396
14.4 ... Hilfsmakros für Assertions ... 400
14.5 ... Ein Beispielprojekt mit Unittests ... 403
15. Vererbung ... 417
15.1 ... Beziehungen ... 418
15.2 ... Vererbung in C++ ... 421
15.3 ... Hat-ein versus ist-ein ... 422
15.4 ... Gemeinsamkeiten finden ... 422
15.5 ... Abgeleitete Typen erweitern ... 425
15.6 ... Methoden überschreiben ... 426
15.7 ... Wie Methoden funktionieren ... 427
15.8 ... Virtuelle Methoden ... 429
15.9 ... Konstruktoren in Klassenhierarchien ... 431
15.10 ... Typumwandlung in Klassenhierarchien ... 433
15.11 ... Wann virtuell? ... 434
15.12 ... Andere Designs zur Erweiterbarkeit ... 436
16. Der Lebenszyklus von Klassen ... 439
16.1 ... Erzeugung und Zerstörung ... 440
16.2 ... Temporary: kurzlebige Werte ... 442
16.3 ... Der Destruktor zum Konstruktor ... 444
16.4 ... Yoda-Bedingung ... 449
16.5 ... Konstruktion, Destruktion und Exceptions ... 450
16.6 ... Kopieren ... 452
16.7 ... Zuweisungsoperator ... 455
16.8 ... Streichen von Methoden ... 459
16.9 ... Verschiebeoperationen ... 461
16.10 ... Operatoren ... 466
16.11 ... Eigene Operatoren in einem Datentyp ... 470
16.12 ... Besondere Klassenformen ... 478
17. Guter Code, 4. Dan: Sicherheit, Qualität und Nachhaltigkeit ... 483
17.1 ... Die Nullerregel ... 483
17.2 ... RAII -- Resource Acquisition Is Initialization ... 489
18. Spezielles für Klassen ... 499
18.1 ... Dürfen alles sehen -- »friend«-Klassen ... 499
18.2 ... Non-public-Vererbung ... 504
18.3 ... Signaturklassen als Interfaces ... 510
18.4 ... Multiple Vererbung ... 514
18.5 ... Rautenförmige multiple Vererbung -- »virtual« für Klassenhierarchien ... 524
18.6 ... Literale Datentypen -- »constexpr« für Konstruktoren ... 528
19. Guter Code, 5. Dan: Klassisches objektorientiertes Design ... 531
19.1 ... Objekte in C++ ... 533
19.2 ... Objektorientiert designen ... 534
TEIL III. Fortgeschrittene Themen ... 555
20. Zeiger ... 557
20.1 ... Adressen ... 558
20.2 ... Zeiger ... 560
20.3 ... Gefahren von Aliasing ... 562
20.4 ... Heapspeicher und Stapelspeicher ... 563
20.5 ... Smarte Pointer ... 567
20.6 ... Rohe Zeiger ... 576
20.7 ... C-Arrays ... 582
20.8 ... Iteratoren ... 588
20.9 ... Zeiger als Iteratoren ... 590
20.10 ... Zeiger im Container ... 590
20.11 ... Die Ausnahme: wann das Wegräumen nicht nötig ist ... 591
21. Makros ... 595
21.1 ... Der Präprozessor ... 596
21.2 ... Vorsicht vor fehlenden Klammern ... 600
21.3 ... Featuremakros ... 601
21.4 ... Information über den Quelltext ... 602
21.5 ... Warnung vor Mehrfachausführung ... 603
21.6 ... Typvariabilität von Makros ... 604
21.7 ... Zusammenfassung ... 607
22. Schnittstelle zu C ... 609
22.1 ... Mit Bibliotheken arbeiten ... 610
22.2 ... C-Header ... 611
22.3 ... C-Ressourcen ... 614
22.4 ... »void«-Pointer ... 615
22.5 ... Daten lesen ... 616
22.6 ... Das Hauptprogramm ... 617
22.7 ... Zusammenfassung ... 618
23. Templates ... 619
23.1 ... Funktionstemplates ... 621
23.2 ... Funktionstemplates in der Standardbibliothek ... 631
23.3 ... Eine Klasse als Funktion ... 637
23.4 ... C++ Concepts ... 654
23.5 ... Templateklassen ... 662
23.6 ... Templates mit variabler Argumentanzahl ... 677
23.7 ... Eigene Literale ... 681
TEIL IV. Die Standardbibliothek ... 693
24. Container ... 695
24.1 ... Grundlagen ... 696
24.2 ... Iteratoren-Grundlagen ... 709
24.3 ... Allokatoren: Speicherfragen ... 714
24.4 ... Containergemeinsamkeiten ... 717
24.5 ... Ein Überblick über die Standardcontainerklassen ... 719
24.6 ... Die sequenziellen Containerklassen ... 723
24.7 ... Assoziativ und geordnet ... 769
24.8 ... Nur assoziativ und nicht garantiert ... 805
24.9 ... Containeradapter ... 837
24.10 ... Sonderfälle: »string«, »basic_string« und »vector
Vorwort
Vielen Dank, dass Sie dieses Buch erworben haben! In C++ gibt es immer wieder moderne Features, die neue Arbeitsweisen und neue Idiome ermöglichen. Fragt man »das Internet« nach Beispielen in C++, lehnen sich die meisten Quellen an den C-artigen Stil an, der aber nur noch wenig mit den Möglichkeiten des modernen C++ zu tun hat: RAII vorneweg, nun auch Concepts und Module sowie Koroutinen und Ranges. Wie immer nehme ich mir vor, Ihnen besonders die Stärken von C++ aufzuzeigen – insbesondere dort, wo ich glaube, dass C++ anderen Sprachen voraus ist.
In dieser Auflage gehe ich von einem Compiler aus, der C++17 vollständig beherrscht. Da inzwischen alle verbreiteten Compiler auch C++20 unterstützen, werden Sie mit solchen Features ebenfalls keine Probleme haben. Im Buch weise ich auf die Verwendung von C++20 meistens hin, habe aber auf Wunsch des Verlags auf eine spezielle schriftbildliche Hervorhebung verzichtet. Ich beschreibe darüber hinaus C++23-Features, auf die ich aber immer hinweise und die ich auch besonders hervorhebe, denn bei diesen ist die Compilerunterstützung bei Weitem noch nicht vollumfänglich.
Ich will Sie kurz auf C++17-Features hinweisen, die ich nicht mehr hervorhebe, die ich aber in nahezu allen Listings verwende und die Sie verwirren könnten, falls Ihr Compiler sie nicht beherrscht. Die Klassentemplate-Argumentdeduktion für Konstruktoren in vector data{1,2,3} müssen Sie noch als vector
Es gibt jedoch auch Lücken: Module sind leider noch nicht so weit, sodass ich Ihnen dazu nicht viele Tipps an die Hand geben kann. Und während format breit unterstützt wird, ist dies für print leider noch nicht der Fall.
Bei den Recherchen zu den Neuerungen in C++20 und C++23 habe ich auch die Techniken der aktuellen Zeit verwendet: Das heißt, auch ich als Autor habe ab und zu einen KI-Assistenten zurate gezogen – so wie Sie es ebenfalls tun sollten, um aktuell zu bleiben. Daher ist es vielleicht nicht selbstverständlich, dass Sie sich entschlossen haben, zu einem Buch zu greifen. Was ich aber vor allem bei der Arbeit mit den ziemlich beeindruckenden KI-Tools festgestellt habe: Sie haben ihre Grenzen. Gerade was die Neuerungen in C++20 und C++23 angeht, konnten mir die KI-Tools selten helfen. Aktuell plappern diese Werkzeuge unreflektiert nach, was das Internet seit seinem Bestehen so hergibt.
Dennoch: Sie unterstützen bei der täglichen Arbeit. Und ja, sie erstaunen mich – trotz ihrer Naivität. Ich bin mir sicher, Sie wissen, dass Sie immer skeptisch bleiben müssen bei den Antworten, die sie Ihnen geben. Immer! Und das wird in der Zukunft nicht leichter werden. Ein sehr erhellender Vortrag von Andrei Alexandrescu, der aktuell bei Nvidia arbeitet, macht in der »Closing Keynote Code Europe 2023« Vorhersagen, die mir zeigen, wohin die Reise geht: KI-Tools werden uns immer mehr unterstützen, KI wird selbstverständlicher werden, und wir werden es immer weniger bemerken – und deshalb immer weniger hinterfragen. Aber das ist natürlich gefährlich. Daher: Bleiben Sie wachsam. Und viel Spaß mit diesem Buch!
April 2024, Bielefeld
Torsten T. Will
Vorwort zur 1. Auflage
Aber selbstverständlich spricht nichts dagegen, wenn Sie Ihr Programm »traditionell« schreiben. Das heißt, kurz zusammengefasst, für mich, dass Ihr Programm mehr nach C aussieht, als es aussehen könnte. Daran ist nichts falsch, natürlich nicht. Einige der besten Programme sind in C geschrieben. Dennoch, wenn Sie heute ein Projekt beginnen und sich für eine in Maschinencode übersetzte Programmiersprache entscheiden, dann nehmen Sie doch besser C++. Denn in der Sprache tut sich etwas – oder besser, hat sich was getan. Sie haben mit C++14 (und ganz frisch C++17) eine Sprache, die Sie auf aktuelle Art und Weise darin unterstützt, gute Programme zu schreiben. Das heißt, Ihre Programme sind schnell, fehlerresistent, wartbar. Sie können produktiv programmieren.
Für dieses Buch habe ich lange überlegt, wie man C++ am besten vermittelt. Bjarne Stroustrup hat auf der C++Con 2017 eine Keynote gehalten, die genau dieses Thema zum Kern hatte. Und er sagte dort Dinge, die, so finde ich, weltbewegend sind. Zumindest, was die C++-Welt angeht. Denn er sagte: »Wir (Lehrenden) haben bis C++98 darin schlechte Arbeit geleistet, Menschen C++ beizubringen.« Und er habe sich Gedanken gemacht, warum das so war. Er schließt sich dabei mit ein und resümiert, dass die meisten C++-Bücher lang, eintönig und langsam sind. Sie brächten »bottom-up 1990-C++« bei und benutzten dabei C++11-Syntax. Und das sei verkehrt. Nun habe ich dieses Buch zu schreiben begonnen, lange bevor Bjarne Stroustrup diese Keynote gehalten hat. Und gerade deshalb fühle ich mich im ausklingenden Jahr 2017 in der Art und Weise, wie dieses Buch am Ende des Arbeitsprozesses nun aussieht, bestätigt. Denn ich sehe das genauso und habe mich von Grund auf bemüht, es anders zu machen.
Zum Beispiel werden Sie in diesem Buch Zeiger erst weit hinten erklärt bekommen. Das ist ziemlich gewagt. Zeiger sind wichtig, in C++ dreht sich vieles um Adressen – aber seit C++11 eben nicht alles. Viel wichtiger ist es, das Konzept hinter Zeigern zu verstehen, manifestiert in Iteratoren. Denn wenn man den Mechanismus versteht, kann man das Detail mit anderen Dingen kombinieren und Neues erschaffen. Ich möchte immer das Warum in den Vordergrund gestellt sehen.
Stroustrup sagt in seiner Keynote, dass das neue C++ unter anderem Ressourcensicherheit in den Vordergrund stelle. Er fragt danach, welches Buch RAII deswegen in den Vordergrund stelle? Es seien wenige. Der Begriff RAII wird Ihnen in diesem Buch mehrmals begegnen. Er kritisiert, dass viele Bücher Typsicherheit, Abstraktion, Klassendesign und generische Programmierung nicht einmal erwähnen. Dieses Buch tut es.
Mir sind aber auch Genauigkeit und Sorgfalt wichtig, und darum gibt es hier auch einen eher technischen Teil, der sich um Syntax und Semantik der kleinen und großen C++-Konstrukte kümmert. Diese kann man in einem Handbuch nicht überspringen. In einem einzelnen Projekt reicht es vielleicht, eine einzelne Regel dazu zu kennen, welche Defaultoperationen man für eine Klasse definieren sollte. In einer Architektur und für das Verständnis des Warums muss man aber wissen, welche Defaultoperationen es gibt und wie sie miteinander interagieren. Mein Ansatz ist daher, dass ich Ihnen die Dinge in drei Bissgrößen vermittle: Der erste Überblick ist in wenigen Seiten erledigt und gibt Ihnen das erste Gefühl für ein C++-Programm. Es folgt die größere Schleife, in der ich auf nahezu jedes Sprachelement kurz eingehe, damit Sie die Interaktionen verstehen: Sie lernen Ausdrücke, Typen, Anweisungen, Variablen und die Standardbibliothek kennen. Erst in der dritten Runde gehe ich in einzelnen Kapiteln auf alle diese Elemente im Detail ein. Dort finden Sie die Dinge mit Hintergrund und Interaktion mit der Welt erklärt: Bits, Bytes, Big-Endian, Fließkommaformate, Exceptions, Klassen und so weiter und so fort.
Besonders am Herzen liegen mir dabei die Kapitel über vector, map und Konsorten – also das Thema Container. Die Container der Standardbibliothek werden unterschätzt und durchweg zu wenig eingesetzt. Warum? Zurück zu Bjarne: Weil wir es nicht gut genug vermittelt haben. Ich bemühe mich hier um einen anderen Ansatz. Statt nur aufzuzählen, welche Container es gibt und was für Schnittstellen und Eigenschaften sie haben, möchte ich Ihre Aufmerksamkeit mehr die Konzepte lenken, besonders auf die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Containern. Sie sollen sich nicht von Beginn an alle Methoden von vector merken, sondern, was die Container können, was sie nicht können und wann Sie welchen wählen sollten. Und genau zu Letzterem habe ich deshalb noch ein eigenes Kapitel geschrieben. Wenn ein Problem gegeben ist, können Sie mit einer Referenz doch nur dann den richtigen Container finden, wenn Sie alle Containerbeschreibungen gelesen und verinnerlicht haben. Ich beschreibe also typische Probleme und stelle Ihnen Kriterien vor, nach denen Sie die passenden Container auswählen können.
Und das stellt mich immer noch nicht zufrieden. Wer C++ kann, kann nicht automatisch programmieren. Wer das neue C++ aber richtig anwendet, hat verstanden, worum es geht. Und weil »worum es geht« nicht nur in C++ wichtig ist, sondern auch in anderen Programmiersprachen, war es mir wichtig, dass Sie auch über den Tellerrand hinausschauen. Die eingestreuten Dan-Kapitel beschäftigen sich mit Dingen, die überall in der Softwareentwicklung vorkommen. Egal, ob Sie in Java, PHP oder SQL programmieren. Sie müssen testen, Ihren Code modularisieren, und in den meisten Fällen schadet es nicht, OOP zu kennen. Auf diese Punkte gehe ich ein und wende sie mit C++ an, nehmen Sie sie davon unabhängig mit auf Ihren Weg in Sachen Programmierung und Architektur.
Ich hoffe, dass ich Ihnen mit diesem Buch bei der Arbeit mit C++ helfe. Und wenn dieses Buch Ihnen hilft, C++ anzuwenden, dann wird durch Ihre Arbeit auch...
