# 04 - Modularisieren von C Code — SNP Labs documentation
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Keywords: Sphinx, MyST

# 04 - Modularisieren von C Code

## 1. Übersicht

In diesem Praktikum üben Sie modulare Programmierung indem Sie ein Java Programm (bestehend aus drei Java Files) in ein entsprechendes C Programm aus drei Modulen (aus je einem Header- und Implementations- File) übersetzen. Sie passen das Makefile so an, dass die entsprechenden Module mit kompiliert werden.

In der zweiten Aufgabe erstellen Sie Makefile Regeln für die drei Schritte von den C Source Files zur graphischen Darstellung der Abhängigkeiten.

Im Anhang ist eine Übersicht über die verwendeten File Formate gegeben.

## 2. Lernziele

In diesem Praktikum lernen Sie die Handgriffe um ein Programm zu modularisieren, d.h. in mehrere Module aufzuteilen.

- Sie wissen, dass ein Modul aus einem C-File und einem passenden H-File besteht.

- Sie können Header Files korrekt strukturieren.

- Sie deklarieren im Header-File die öffentlichen Typen und Funktionen eines Moduls.

- Sie wissen wie Include Guards anzuwenden sind.

- Sie können Module im `Makefile` zur Kompilation hinzufügen.

- Sie können `Makefile` Regeln schreiben.

Die Bewertung dieses Praktikums ist am Ende angegeben.

Erweitern Sie die vorgegebenen Code Gerüste, welche im `git` Repository `snp-lab-code` verfügbar sind.

## 3. Aufgabe 1: Modularisieren

Das zu ergänzende Programm dep2dot hat folgende Funktionalität:

Ergänzen Sie in `modularize/src` den Code in `triangle.c`, `read.h`, `read.c`, `rectang.h` und `rectang.c` so dass die Tests erfolgreich durchlaufen. Die C Implementation soll dieselbe Funktionalität haben wie die gegebenen Java Files. Lehnen Sie sich so nahe wie möglich an die Java Files an.

1. In den Header-Files implementieren Sie den Include-Guard und deklarieren Sie die öffentlichen Funktionen und gegebenenfalls `#define`.

2. In den Implementations-Files implementieren Sie die Funktionen.

Die drei Java Files liegen in `modularize/java`.

### Tipps

- Implementieren Sie die Symbole welche vollständig in Grossbuchstaben geschrieben sind als `#define`.

- `EOF` kommt schon aus `stdio.h` und sollte deshalb nicht mehr definiert werden.

- Jene `#define` welche von andern Modulen verwendet werden kommen ins Header-File, die andern ins Implementations-File.

- Ein Grossteil des Java Codes aus den Methoden Bodies kann eins-zu-eins in C übernommen werden. Listen Sie auf welche Unterschiede es gibt:

Java | C
--- | ---

    byte

    boolean

    true

    false

    System.out.print(…)

    System.out.println(…)

    System.in.read()

    byte[] buffer = new byte[BUFFERSIZE];

    public class rectang {
        public boolean Rectangular(…)
        { … }
    }

    public class read {
        public int getInt(...)
            throws java.io.IOException
        { ... }
    }

    class triangle {
        public static void main(String[] args)
            throws java.io.IOException
        { ... }
    }

    read ReadInt = new read();
    ...
    word = ReadInt.getInt(MAX_NUMBER);

    rectang Rect = new rectang();
    ...
    if (Rect.Rectangular(a, b, c) == true) { ... }

    System.out.println(
    "-> Dreieck " + a + "-" + b + "-" + c
    + " ist rechtwinklig");

## 4. Aufgabe 2: Makefile Regeln

Die folgenden drei Schritte erstellen von einem C Source File eine graphische Darstellung der Abhängigkeiten:

1. `gcc ... -H .. file.c ... 2> file.dep` (Regeln im Makefile bereits vorhanden)

2. `dep2dot file.c <file.dep >file.dot` (in dieser Aufgabe zu erstellen)

3. `dot -Tpng file.dot >file.png` (in dieser Aufgabe zu erstellen)

Sie sollen für die Compiler-ähnlichen Programme `dep2dot` und `dot` Makefile Regeln schreiben.

Das Programm `dep2dot` hat folgende Funktionalität:

1. Es liest von `stdin` die vom Compiler generierten Abhängigkeits-Daten in Form des `dep` Formates ein.

2. Das erste und einzige Command Line Argument gibt das File an für welches die von `stdin` gelesenen Abhängigkeiten gelten.

3. Auf `stdout` werden die Abhängigkeiten von `stdin` übersetzt als `dot`-File Format ausgegeben.

Das Programm `dot` hat folgende Funktionalität:

1. Es liest die textuelle Beschreibung eines Graphen aus der übergebenen Datei (erstes Argument) ein.

2. Auf `stdout` wird die grafische Darstellung der Beschreibung der Eingabe-Datei im `png`-File Format ausgegeben.

Das `dep`-Format und das `dot`-Format sind im Anhang beschrieben.

Sie können die Funktionalität des Programms `dep2dot` kennen lernen, indem Sie folgende Zeilen auf der Bash Shell ausführen. Das `dep.input` File ist Teil der automatisierten Test Suite im Verzeichnis `tests`:

    bin/dep2dot dir/file <tests/dep.input >dep.dot
    dot -Tpng dep.dot >dep.png
    firefox dep.png

Als Resultat sollte Firefox folgende Graphik darstellen:

Definieren Sie im `Makefile` Regeln, welche die einzelnen Schritte von den Source Files zu den `png` Files ausführen.

Prüfen Sie schliesslich die Umsetzung Aufgabe mittels `make dep-clean dep && firefox src/*.png.`

### 4.1 Neue Regeln hinzufügen

Führen Sie im `Makefile` an den angegebenen Stellen folgende Ergänzungen durch

- definieren Sie eine Variable `DEPFILES` deren Inhalt die Liste alle Einträge der Variable `SOURCES` ist, wobei bei allen die Endung `.c` durch die Endung `.c.png` ersetzt ist

- fügen Sie zum `Pseudo-Target .PHONEY` das Target `dep` dazu – dies besagt, dass das später folgenden Target `dep` nicht ein File repräsentiert (ohne dieses Setting würde make gegebenenfalls nach einem File mit Namen `dep` suchen um zu entscheiden ob es inkrementell gebildet werden muss)

- schreiben Sie das Target `dep` gemäss der Beschreibung im Makefile

- schreiben Sie die Suffix Regel für die Übersetzung von `.png <- .dot` gemäss Vorgabe im `Makefile` (als Inspiration, siehe auch die `%.c.dep: %.c` Suffix Regel weiter unten im `Makefile`) – erklären Sie was die Regel macht

- schreiben Sie die Suffix Regel für die Übersetzung von`.dot <- .dep` gemäss Vorgabe im `Makefile` – erklären Sie was die Regel macht

Die Umsetzung der obigen Änderungen sind erfolgreich, wenn Sie folgende Shell Command Line erfolgreich ausführen können und in Firefox die Abhängigkeiten der C-Files von den Include Files dargestellt wird.

`make dep-clean dep && firefox src/*.png.`

### 4.2 Resultate analysieren und erklären

- Analysieren Sie die in der vorherigen Aufgabe erstellten grafischen Darstellungen.

- Erklären Sie was dargestellt wird und stellen Sie den Bezug zum zugehörigen C-Code her.

## 5. Bewertung

Die gegebenenfalls gestellten Theorieaufgaben und der funktionierende Programmcode müssen der Praktikumsbetreuung gezeigt werden. Die Lösungen müssen mündlich erklärt werden.

Aufgabe | Kriterium | Punkte
--- | --- | ---
1 | Sie können das funktionierende Programm inklusive funktionierende Tests demonstrieren und erklären. |
1 | Module einbinden, Header Files schreiben | 2
2 | Sie können das funktionierende Makefile demonstrieren und erklären. |
2 | Neue Regeln hinzufügen | 2

## 6. Anhang

### 6.1 Verwendete zusätzliche Sprach Elemente

Sprach Element

    fprintf(stderr, "v=%d", v)

Beschreibung

Formatierte Ausgabe auf den Standard Error Stream. Siehe man 3 stderr und man 3 fprintf.

### 6.2 Verarbeitung und verwendete File Formate

Das Programm in diesem Praktikum ist Teil für die graphische Darstellung von `#include` File Abhängigkeit von C Files.

Den ersten Schritt für die Darstellung der `#include` File Abhängigkeiten bietet der Compiler. Der Compiler kann mittels der `-H` Command Line Option auf `stderr` ein Text File generieren, welches die tatsächlich verwendeten Header Files auflistet. Zusätzlich wird im Resultat die Verschachtelungstiefe der Includes angegeben.

Im zweiten Schritt übersetzt das Programm (`dep2dot`) dieses Praktikums solche Dependency Files (`dep`) in eine Text Repräsentation der Abhängigkeiten (`dot`) welche in graphische Darstel-lung (`png`) übersetzt werden kann.

Als Tool zur Übersetzung der `dot` Files in das `png` Format dient das `dot` Tool. Dieses Tool muss gegebenenfalls installiert werden:

`sudo apt install graphviz`

Die `png` Files können dann z.B. in der Programm Dokumentation integriert werden (Darstellung zu Test Zwecken z.B. mittels `firefox file.png`).

#### 6.2.1 dep File

Siehe: `man gcc`

    -H  Print the name of each header file used, in addition to other
        normal activities.  Each name is indented to show how deep in the
        #include stack it is. [...]

Das File wird auf `stderr` ausgegeben.

Beispiel File (für Abhängigkeiten des `main.c` Files des `dep2dot` Programms)

    . /usr/include/stdio.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h
    ... /usr/include/features.h
    .... /usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h
    ..... /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h
    ..... /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/long-double.h
    .... /usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h
    ..... /usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs-64.h
    .. /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h
    ... /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h
    ... /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/typesizes.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__FILE.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/FILE.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libio.h
    ... /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/_G_config.h
    .... /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h
    .... /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/__mbstate_t.h
    ... /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stdarg.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/stdio_lim.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/sys_errlist.h
    . /usr/include/stdlib.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h
    .. /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/floatn.h
    ... /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/floatn-common.h
    .... /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/long-double.h
    .. /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/stdlib-float.h
    . src/error.h
    .. /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h
    . src/data.h
    .. /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h
    . src/output.h
    Multiple include guards may be useful for:
    /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/stdlib-float.h
    /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/sys_errlist.h
    /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/typesizes.h
    /usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs-64.h
    /usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h

#### 6.2.2 dot File

Graphviz ist ein mächtiges Tool-Set welches Graphen, definiert in einem `dot`-Text File, automatisch anordnet und in `png`, `gif` und andere Formate übersetzt.

Siehe die offizielle Web-Page https://www.graphviz.org/.

Es gibt als Teil dieses Tool-Sets verschiedene Übersetzer. Der hier verwendete ist der Basis-übersetzer: `dot`.

Das `dot`-File Format kennt viele Möglichkeiten die Knoten und Kanten eines Graphen und deren Anordnung anzugeben.

Der Vorteil eines solchen Tool-Sets ist, dass man den Inhalt (den Graphen) einfach definieren kann und sich nicht um das komplexe Problem der ansprechenden Visualisierung kümmern muss.

Beispiel File (`dot -Tpng sample.dot > sample.png`)

    digraph G {
       node [shape=box]
       A [label="a.c"];
       B [label="a.h"];
       C [label="b.h"];

       subgraph cluster_c0 {
          label="main"; color=black;
          A;
       }

       subgraph cluster_c1 {
          label="others"; style=filled; color=lightgrey;
          { B; C; rank=same; }
       }

       A -> B;
       A -> C;
       B -> C;
    }

#### 6.2.3 png File

Das `png` Format ist ein verlustfrei komprimiertes Raster Graphik Format. Es wird oft in Web Pages verwendet.

Version: 22.02.2022