544 lines
13 KiB
Markdown
544 lines
13 KiB
Markdown
# 04 - Modularisieren von C Code
|
||
|
||
```{eval-rst}
|
||
.. figure:: zhaw_neg_P2945.jpg
|
||
:width: 100px
|
||
:name: logo
|
||
:align: right
|
||
```
|
||
|
||
___
|
||
|
||
```{eval-rst}
|
||
.. figure:: modularisieren_von_c_code.JPG
|
||
:width: 500px
|
||
:name: logo
|
||
:align: center
|
||
```
|
||
|
||
|
||
___
|
||
|
||
## Inhalt
|
||
|
||
{ref}`04_introduction`
|
||
|
||
{ref}`04_learning_objectives`
|
||
|
||
{ref}`04_task_01`
|
||
|
||
{ref}`04_task_02`
|
||
|
||
{ref}`04_grading`
|
||
|
||
{ref}`04_appendix`
|
||
|
||
___
|
||
|
||
(04_introduction)=
|
||
## 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.
|
||
|
||
```{eval-rst}
|
||
.. figure:: uebersicht.png
|
||
:width: 500px
|
||
:name: uebersicht
|
||
:align: center
|
||
```
|
||
|
||
|
||
Im Anhang ist eine Übersicht über die verwendeten File Formate gegeben.
|
||
|
||
|
||
(04_learning_objectives)=
|
||
## 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.
|
||
|
||
|
||
(04_task_01)=
|
||
## 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:
|
||
|
||
<table>
|
||
<style>
|
||
table, th, td {
|
||
border: 1px solid black;
|
||
border-collapse: collapse;
|
||
}
|
||
table th:first-of-type {
|
||
width: 50%;
|
||
}
|
||
table th:nth-of-type(2) {
|
||
width: 50%;
|
||
}
|
||
</style>
|
||
<tr><th>Java</th><th>C</th></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
byte
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
boolean
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
|
||
```Java
|
||
true
|
||
```
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
false
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
System.out.print(…)
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
System.out.println(…)
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
System.in.read()
|
||
```
|
||
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
byte[] buffer = new byte[BUFFERSIZE];
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
public class rectang {
|
||
public boolean Rectangular(…)
|
||
{ … }
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
public class read {
|
||
public int getInt(...)
|
||
throws java.io.IOException
|
||
{ ... }
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
class triangle {
|
||
public static void main(String[] args)
|
||
throws java.io.IOException
|
||
{ ... }
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
read ReadInt = new read();
|
||
...
|
||
word = ReadInt.getInt(MAX_NUMBER);
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```Java
|
||
rectang Rect = new rectang();
|
||
...
|
||
if (Rect.Rectangular(a, b, c) == true) { ... }
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
```
|
||
System.out.println(
|
||
"-> Dreieck " + a + "-" + b + "-" + c
|
||
+ " ist rechtwinklig");
|
||
```
|
||
|
||
</td><td></td></tr>
|
||
</table>
|
||
|
||
(04_task_02)=
|
||
## 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.
|
||
|
||
```{eval-rst}
|
||
.. figure:: uebersicht.png
|
||
:width: 500px
|
||
:name: uebersicht
|
||
:align: center
|
||
```
|
||
|
||
|
||
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`:
|
||
|
||
|
||
```bash
|
||
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:
|
||
|
||
|
||
```{eval-rst}
|
||
.. figure:: dep_dot.png
|
||
:width: 150px
|
||
:name: dep_dot
|
||
:align: center
|
||
```
|
||
|
||
|
||
|
||
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.
|
||
|
||
|
||
(04_grading)=
|
||
## 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 |
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
(04_appendix)=
|
||
## 6. Anhang
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
### 6.1 Verwendete zusätzliche Sprach Elemente
|
||
|
||
<table><tr><td>
|
||
|
||
**Sprach Element**
|
||
|
||
</td><td>
|
||
|
||
**Beschreibung**
|
||
|
||
</td></tr>
|
||
<tr><td>
|
||
|
||
|
||
|
||
```C
|
||
fprintf(stderr, "v=%d", v)
|
||
```
|
||
|
||
</td><td>
|
||
|
||
Formatierte Ausgabe auf den Standard Error Stream. Siehe ***man 3
|
||
stderr*** und ***man 3 fprintf***.
|
||
|
||
</td></tr>
|
||
</table>
|
||
|
||
|
||
### 6.2 Verarbeitung und verwendete File Formate <a name="file_formats"></a>
|
||
|
||
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`
|
||
|
||
```bash
|
||
-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)
|
||
|
||
```bash
|
||
. /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/](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`)
|
||
|
||
```C
|
||
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;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
```{eval-rst}
|
||
.. figure:: bsp_dot.png
|
||
:width: 210px
|
||
:name: bsp_dot
|
||
:align: center
|
||
```
|
||
|
||
|
||
#### 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
|