C++

C++
C++
Paradigmen: Multiparadigmen (funktional, generisch, imperativ, objektorientiert, prozedural, strukturiert)
Erscheinungsjahr: 1979
Entwickler: Bjarne Stroustrup
Typisierung: statisch (dynamische Typprüfung möglich), explizit, stark
wichtige Implementierungen: C++ Builder,
GCC,
MS Visual C++,
Intel C++ Compiler,
Clang/LLVM
Standardisierungen: ISO/IEC C++ 1998,
ISO/IEC C++ 2003,
ISO/IEC C++ 2011
Einflüsse: C, Simula, Ada, ALGOL 68, CLU, ML
Beeinflusste: C#, Java, PHP, Perl, D, Go, Vala

C++ ist eine von der ISO standardisierte höhere Programmiersprache. Sie wurde ab 1979 von Bjarne Stroustrup bei AT&T als Erweiterung der Programmiersprache C entwickelt. C++ wurde als Mehrzwecksprache konzipiert und unterstützt mehrere Programmierparadigmen, wie die objektorientierte, generische und prozedurale Programmierung. C++ ermöglicht sowohl die effiziente und maschinennahe Programmierung als auch eine Programmierung auf hohem Abstraktionsniveau.

Inhaltsverzeichnis

Anwendungsgebiete

C++ wird sowohl in der Systemprogrammierung als auch in der Anwendungsprogrammierung eingesetzt. Typische Anwendungsfelder in der Systemprogrammierung sind Betriebssysteme, eingebettete Systeme, virtuelle Maschinen, Treiber und Signalprozessoren. C++ nimmt hier oft den Platz ein, der früher ausschließlich Assemblersprachen und der Programmiersprache C vorbehalten war. Aus der Domäne der Anwendungsprogrammierung wurde C++ mit dem Aufkommen der Sprachen Java und C# zum Teil zurückgedrängt.

Eigenschaften

Sprachdesign

Die Sprache C++ legt einen Schwerpunkt auf die Sprachmittel zur Entwicklung von Bibliotheken und favorisiert dadurch verallgemeinerte Mechanismen gegenüber in die Sprache integrierten Einzellösungen für typische Problemstellungen.

Eine der Stärken von C++ ist auch die Kombinierbarkeit von effizienter, maschinennaher Programmierung mit mächtigen Sprachmitteln, die einfache bis komplexe Implementierungsdetails zusammenfassen und weitgehend hinter abstrakten Befehlsfolgen verbergen. Dabei kommt vor allem die Template-Metaprogrammierung zum Zuge, eine Technik, die eine nahezu kompromisslose Verbindung von Effizienz und Abstraktion erlaubt.

Kompatibilität mit C

C89 / C++90

Um an die Verbreitung der Programmiersprache C anzuknüpfen, wurde C++ als Erweiterung von C gemäß dem damaligen Stand von 1990 (ISO/IEC 9899:1990, auch kurz C90 genannt) entworfen.

Die Kompatibilität mit C zwingt C++ aber auch zur Fortführung einiger dadurch übernommener Nachteile. Dazu zählt die teilweise schwer verständliche C-Syntax, der als überholt geltende Präprozessor sowie verschiedene von der jeweiligen Plattform abhängige Details der Sprache. Plattformabhängigkeiten erschweren die Portierung von C++-Programmen zwischen unterschiedlichen Rechnertypen, Betriebssystemen und Compilern.

Einige Sprachfeatures, die in der C90-Norm als veraltet (engl. deprecated) ̣– aber noch erlaubt – gekennzeichnet waren (z. B. das „implizite int“, implizite Typumwandlung von void-Zeigern), wurden in C++ nicht übernommen. Auch ist die Semantik einiger weniger Ausdrücke in C++ eine andere als in C. Dies führt dazu, dass C keine „Teilmenge“ von C++ ist und viele C-Programme sich nicht mit einem C++-Compiler übersetzen lassen.

Spätere Neuerungen an C und C++

Die letzten Änderungen an C fanden im Jahr 1999 statt (ISO/IEC 9899:1999, auch kurz C99 genannt), also nach der Normung von C++, sodass dort eingeflossene Änderungen nicht in C++ berücksichtigt werden konnten. Nicht alle Neuerungen von C99 flossen in die neue C++-Sprachnorm von 2011 ein, da sie entweder Inkompatibel zu existierendem C++-Code gewesen wären (z. B. das Schlüsselwort restricted) oder Features betreffen, die in C++ bereits auf eigene Art und Weise implementiert worden sind (z. B. komplexe Zahlen).

Sprachmerkmale im Detail

C++ basiert auf der Programmiersprache C wie in ISO/IEC 9899:1990 beschrieben. Zusätzlich zu den in C vorhandenen Möglichkeiten bietet C++ weitere Datentypen sowie neuartige Typenumwandlungsmöglichkeiten, Klassen mit Mehrfachvererbung und virtuellen Funktionen, Ausnahmebehandlung, Templates (Schablonen), Namensräume, Inline-Funktionen, Überladen von Operatoren und Funktionsnamen, Referenzen, Operatoren zur Freispeicherverwaltung und mit der C++-Standardbibliothek eine erweiterte Bibliothek.

C++ ist eine sogenannte „Multiparadigmen-Sprache“, die verschiedene Programmiertechniken unterstützt:

Hallo-Welt-Programm in C++

Der folgende Quelltext stellt ein einfaches C++-Programm dar, das die Meldung Hallo Welt! auf dem Standardausgabemedium ausgibt:

#include <iostream>
#include <ostream>
 
int main() 
{
   std::cout << "Hallo Welt!" << std::endl;
}

Erläuterungen: Bei main handelt es sich um die Haupt-Funktion. Sie ist in jedem C++-Programm vorhanden und dient als Einstiegspunkt des Programms. Die Funktion main ist die einzige Funktion, die – obwohl sie einen Wert zurückgibt – nicht die Anweisung „return“ benötigt. Ohne die explizite Anweisung return gibt main den Wert 0 zurück. Die Header-Datei <ostream>, welche durch den Präprozessor eingefügt wird, sollte hier eingebunden werden, da der Standard nicht verlangt, dass <iostream> diese Header-Datei einbindet. In den meisten Implementierungen reicht es allerdings aus, <iostream> einzubinden.[1]

Umsetzung

C++-Compiler

Die Implementierung eines C++-Compilers gilt als aufwändig. Seit der Fertigstellung der Sprachnorm 1998 dauerte es mehrere Jahre, bis die Sprache von C++-Compilern weitestgehend unterstützt wurde.

Zu den bedeutendsten C++-Compilern gehören:

  • Der g++ ist die C++-Ausprägung der GNU Compiler Collection (GCC); g++ ist quelloffen, frei verfügbar. Der g++ unterstützt viele Betriebssysteme (darunter Unix, Linux, Mac OS X, Windows und AmigaOS) und Prozessorplattformen. Derzeit dient eine Sonderanfertigung des Compilers namens ConceptGCC als Prüfmittel für verschiedene geplante C++-Spracherweiterungen. GNU C++ existiert seit 1987 und ist somit einer der ältesten C++-Compiler.[2]
  • Der in Microsoft Visual C++ enthaltene Compiler ist einer der verbreitetsten für das Betriebssystem Windows.
  • Der Comeau C++ ist derzeit der einzige Compiler, der export von Templates integriert hat und damit der einzige, der alle C++-Sprachmittel enthält. Das sogenannte „Front-End“ des Compilers, also der Teil, der die Analyse-Phase implementiert, wurde von der Firma Edison Design Group (EDG) erstellt, die sich auf die Entwicklung von Compiler-Front-Ends spezialisiert hat und deren C++-Front-End auch in vielen anderen kommerziellen C++-Compilern integriert ist. Der Comeau-Compiler kann auch über das Internet ausprobiert werden.
  • Der Intel C++ Compiler verwendet ebenfalls das erwähnte C++-Front-End von EDG. Der Intel C++ Compiler erzeugt Maschinencode für die Intel-Prozessoren unter den Betriebssystemen Windows, Linux und MacOS X. Da die mit dem Intel C++ Compiler erzeugten Programme den Befehlssatz der Intel-Prozessoren besonders gut ausnutzen, erzeugen sie besonders effiziente Programme für Intel-Prozessoren.
  • Der Borland C++ Builder ist ein im Developer Studio enthaltener C++-Compiler.

C++-Programmierung

Das breite Leistungsspektrum und die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten der Sprache führen zu verhältnismäßig langen Einarbeitungszeiten. Außerdem wird die Verwendung von Programmierrichtlinien aus Gründen der Wartbarkeit und Fehleridentifizierung mehr als in anderen Sprachen angeraten. Demgegenüber ist der Stand vieler Lehrbücher und Lehrveranstaltungen veraltet. Lehrinhalte stimmen oft nicht mit der Realität existierender Compiler überein.

Vergleich mit anderen Sprachen

Objective-C

C++ war nicht der einzige Ansatz, die Programmiersprache C um Eigenschaften zu erweitern, die das objektorientierte Programmieren vereinfachen. In den 1980er Jahren entstand die Programmiersprache Objective-C, die sich aber im Gegensatz zu C++ an Smalltalk und nicht an Simula orientierte. Die Syntax von Objective-C unterscheidet sich unter anderem wegen der Smalltalk-Wurzeln stark von C++. Objective-C ist deutlich weniger weit verbreitet als C++. Wichtigstes Einsatzgebiet von Objective-C ist die Programmierung unter den Betriebssystemen Apple iOS und Mac OS X sowie unter der Programmierschnittstelle OpenStep.

Java und C#

Die Programmiersprachen Java und C# verfügen über eine ähnliche, ebenfalls an C angelehnte Syntax wie C++,[3][4] sind auch objektorientiert und unterstützen seit einiger Zeit Typparameter, weshalb ein Vergleich mit ihnen besonders naheliegend ist. Trotz äußerlicher Ähnlichkeiten unterscheiden sie sich aber konzeptionell von C++, zum Teil beträchtlich. Insbesondere verfügt ISO-C++ nicht – wie etwa Java – über eine Freispeichersammlung (Garbage Collection), da C++ meist zu direktem Maschinencode kompiliert wird, Java aber in einer virtuellen Maschine läuft, die solche Aufgaben übernehmen kann. Generell ist C++ eher maschinenorientiert als andere ähnliche Sprachen.

Generische Techniken ergänzen die objektorientierte Programmierung um Typparameter und erhöhen so die Wiederverwertbarkeit einmal kodierter Algorithmen. Die generischen Java-Erweiterungen sind jedoch lediglich auf Klassen, nicht aber auf primitive Typen oder Datenkonstanten anwendbar; Abhilfe bietet Java hier allerdings mittels sogenannter Wrapper-Klassen, welche für primitive Typen entsprechende Klassen zur Verfügung stellen (z. B. Integer als Wrapper für den primitiven Typ int). Demgegenüber beziehen die generischen Spracherweiterungen von C# auch die primitiven Typen mit ein. Dabei handelt es sich allerdings um eine Erweiterung für Generik zur Laufzeit, die die auf Kompilationszeit zugeschnittenen C++-Templates zwar sinnvoll ergänzen, nicht aber ersetzen können.

Gerade die generische Programmierung macht C++ zu einem mächtigen Programmierwerkzeug. Während die objektorientierte Programmierung in Java und C# nach wie vor den zentralen Abstraktionsmechanismus darstellt, ist diese Art der Programmierung in C++ rückläufig. So werden tiefe Klassenhierarchien vermieden, und zu Gunsten der Effizienz und der Minimierung des Ressourcenverbrauchs verzichtet man in vielen Fällen auf Polymorphie, einen der fundamentalen Bestandteile der objektorientierten Programmierung.

Siehe auch: Simula, Smalltalk

Entstehung und Weiterentwicklung

Entstehungsgeschichte

C++ wurde von Bjarne Stroustrup ab 1979 in den AT&T Bell Laboratories entwickelt. Ausgangspunkt waren Untersuchungen des UNIX-Betriebssystemkerns in Bezug auf verteiltes Rechnen.

Auf die Idee für eine neue Programmiersprache war Stroustrup schon durch Erfahrungen mit der Programmiersprache Simula im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Cambridge University gekommen. Simula erschien zwar geeignet für den Einsatz in großen Software-Projekten, die Struktur der Sprache erschwerte aber die für viele praktische Anwendungen erforderliche Erzeugung hocheffizienter Programme. Demgegenüber ließen sich effiziente Programme zwar mit der Sprache BCPL schreiben, für große Projekte war BCPL aber wiederum ungeeignet.

Mit den Erfahrungen aus seiner Doktorarbeit erweiterte Stroustrup nun die Programmiersprache C um ein Klassenkonzept, für das die Sprache Simula-67 das primäre Vorbild war. Die Wahl fiel auf die Programmiersprache C, eine Mehrzwecksprache, die schnellen Code produzierte und einfach auf andere Plattformen zu portieren war. Als dem Betriebssystem UNIX beiliegende Sprache hatte C außerdem eine nicht unerhebliche Verbreitung. Zunächst fügte er der Sprache Klassen (mit Datenkapselung) hinzu, dann abgeleitete Klassen, ein strengeres Typsystem, Inline-Funktionen und Standard-Argumente.

Während Stroustrup „C with Classes“ („C mit Klassen“) entwickelte (woraus später C++ wurde), schrieb er auch cfront, einen Compiler, der aus C with Classes zunächst C-Code als Zwischenresultat erzeugte. Die erste kommerzielle Version von cfront erschien im Oktober 1985.

1983 wurde C with Classes in C++ umbenannt. Erweiterungen darin waren: virtuelle Funktionen, Überladen von Funktionsnamen und Operatoren, Referenzen, Konstanten, änderbare Freispeicherverwaltung und eine verbesserte Typüberprüfung. Die Möglichkeit von Kommentaren, die an das Zeilenende gebunden sind, wurde wieder aus BCPL übernommen (//).

1985 erschien die erste Version von C++, die eine wichtige Referenzversion darstellte, da die Sprache damals noch nicht standardisiert war. 1989 erschien die Version 2.0 von C++. Neu darin waren Mehrfachvererbung, abstrakte Klassen, statische Elementfunktionen, konstante Elementfunktionen und die Erweiterung des Schutzmodells um protected. 1990 erschien das Buch The Annotated C++ Reference Manual, das als Grundlage für den darauffolgenden Standardisierungsprozess diente.

Relativ spät wurden der Sprache Templates, Ausnahmebehandlung, Namensräume, neuartige Typumwandlungen und Boolesche Typen hinzugefügt.

Im Zuge der Weiterentwicklung der Sprache C++ entstand auch eine gegenüber C erweiterte Standardbibliothek. Erste Ergänzung war die Stream-I/O-Bibliothek, die Ersatz für traditionelle C-Funktionen wie zum Beispiel printf() und scanf() bietet. Eine der wesentlichen Erweiterungen der Standardbibliothek kam später durch die Integration großer Teile der bei Hewlett-Packard entwickelten Standard Template Library (STL) hinzu.

Nach jahrelanger Arbeit wurde schließlich 1998 die endgültige Fassung der Sprache C++ (ISO/IEC 14882:1998) genormt. 2003 wurde ISO/IEC 14882:2003 verabschiedet, eine Nachbesserung der Norm von 1998.

Die vorhandenen Performance-Probleme der Sprache C++, die Rechenzeit und Speicherplatz betreffen, werden auf hohem Niveau zusammen mit Lösungen im Technical Report ISO/IEC TR 18015:2006 diskutiert.[5] Das Dokument ist zum Download von ISO freigegeben.

Der Name „C++“

Der Name ist eine Wortschöpfung von Rick Mascitti und wurde zum ersten Mal im Dezember 1983 benutzt. Der Name kommt von der Verbindung der Vorgängersprache C und dem Inkrement-Operator „++“, der den Wert einer Variablen inkrementiert (um eins erhöht). Der Erfinder von C++, Bjarne Stroustrup, nannte C++ zunächst "C mit Klassen" (C with classes).[6]

Weiterentwicklung der Programmiersprache C++

Um mit den aktuellen Entwicklungen der sich schnell verändernden Computer-Technik Schritt zu halten, aber auch zur Ausbesserung bekannter Schwächen, erarbeitete das C++-Standardisierungskomitee die nächste größere Revision von C++, die inoffiziell mit C++0x abgekürzt wurde, worin die Ziffernfolge eine grobe Einschätzung des möglichen Erscheinungstermins andeuten sollte. Im November 2006 wurde der Zieltermin für die Fertigstellung auf das Jahr 2009 festgelegt und die Abkürzung C++09 dafür eingeführt. Im Juli 2009 wurde dieser Termin auf frühestens 2010 geändert. Im August 2011 wurde der Standard einstimmig von der ISO-Behörde unter dem Namen C++11 angenommen[7] und ist am 11. Oktober 2011 offiziell veröffentlicht worden.[8][9]

Die vorrangigen Ziele für die Weiterentwicklung von C++ sind Verbesserungen im Hinblick auf die Systemprogrammierung sowie zur Erstellung von Programmbibliotheken. Außerdem soll die Erlernbarkeit der Sprache für Anfänger verbessert werden.

Berücksichtigung aktueller technischer Gegebenheiten

C++ deckt einige typische Problemfelder der Programmierung noch nicht ausreichend ab, zum Beispiel die Unterstützung von Nebenläufigkeit (Threads), deren Integration in C++, insbesondere für die Verwendung in Mehrprozessorumgebungen, eine Überarbeitung der Sprache unumgänglich macht. Durch ein überarbeitetes Speichermodell sollen Garantien der Sprache für den nebenläufigen Betrieb festgelegt werden, um Mehrdeutigkeiten in der Abarbeitungsreihenfolge sowohl aufzulösen als auch in bestimmten Fällen aufrechtzuerhalten und dadurch Spielraum für Optimierungen zu schaffen. Eine eigene Bibliothek zur Unterstützung von Threads durch die C++11-Standardbibliothek wird ebenfalls durch den neuen Sprachstandard eingeführt.

Verbesserungen am Sprachkern

Zu den weitreichenderen Spracherweiterungen gehört die Typinferenz zur Ableitung von Ergebnistypen aus Ausdrücken und die sogenannten r-value references, mit deren Hilfe sich als Ergänzung zu dem bereits vorhandenen Kopieren von Objekten dann auch ein Verschieben realisieren lässt.

Erweiterung der Programmbibliothek

Im April 2006 gab das C++-Standardisierungskomitee den sogenannten ersten technischen Report (TR1) heraus, eine nichtnormative Ergänzung zur aktuell gültigen, 1998 definierten Bibliothek, mit der Erweiterungsvorschläge vor einer möglichen Übernahme in die C++-Standardbibliothek auf ihre Praxistauglichkeit hin untersucht werden sollen. Viele Compiler-Hersteller liefern den TR1 mit ihren Produkten aus.

Enthalten sind im TR1 u. a. reguläre Ausdrücke,[10] verschiedene intelligente Zeiger,[11] ungeordnete assoziative Container,[12] eine Zufallszahlenbibliothek,[13] Hilfsmittel für die C++-Metaprogrammierung, Tupel[14] sowie numerische und mathematische Bibliotheken.[15] Die meisten dieser Erweiterungen stammen aus der Boost-Bibliothek, woraus sie mit minimalen Änderungen übernommen wurden. Außerdem sind sämtliche Bibliothekserweiterungen der 1999 überarbeiteten Programmiersprache C (C99) in einer an C++ angepassten Form enthalten.[16]

Mit Ausnahme der numerischen und mathematischen Bibliotheken wurde die Übernahme aller TR1-Erweiterungen in die kommende Sprachnorm C++0x bereits vom C++-Standardisierungskomitee beschlossen.

Siehe auch

Literatur

  • Bjarne Stroustrup: The Design and Evolution of C++. Addison-Wesley, 1994, ISBN 978-0201543308 (Das Buch beschreibt die Entwicklung und Design von C++; Vom Sprachdesigner geschrieben.).
  • Bjarne Stroustrup: Programming -- Principles and Practice Using C++.. Addison-Wesley, 2008, ISBN 978-0321543721 (Einführung in die Programmierung; Standardwerk für Texas A&M Einstiegsprogrammierkurse).
  • Andrew Koenig, Barbara E. Moo: Intensivkurs C++. 1. Auflage. Pearson Studium, 2003, ISBN 3-8273-7029-9 (Vergriffen, Anfängerbuch, ein gewisses Grundverständnis der Programmierung ist von Vorteil.).
  • Scott Meyers: Effektiv C++ Programmieren – 55 Möglichkeiten, Ihre Programme und Entwürfe zu verbessern. 1. Auflage. Addison-Wesley, 2006, ISBN 3-8273-2297-9 (Zur Vertiefung bereits vorhandener C++-Kenntnisse.).
  • Scott Meyers: Mehr Effektiv C++ programmieren – 35 neue Wege zur Verbesserung Ihrer Programme und Entwürfe. 1. Auflage. Addison-Wesley, 1997, ISBN 3-8273-1275-2 (Vertiefung vorhandener C++-Kenntnisse.).
  • Andrei Alexandrescu: Modernes C++ Design – Generische Programmierung und Entwurfsmuster angewendet. 1. Auflage. Mitp-Verlag, 2003, ISBN 3-8266-1347-3 (Ein Standardwerk zur C++-Metaprogrammierung, setzt ein tiefes Verständnis von C++ voraus.).
  • Bruce Eckel: Thinking in C++, Volume 2: Practical Programming. 1. Auflage. Prentice Hall, 2003, ISBN 0-13-035313-2 (Online).
  • Herbert Schildt: Learn C++ from the Ground Up. 3. Auflage. McGraw Hill - Osborne, 2003, ISBN 978-0-0722-2897-7.

Weblinks

Wikibooks Wikibooks: C++-Programmierung – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

  1. Some Small Additions to iostream (englisch) – Webdokument bei Open Standards, vom 6. März 2007
  2. Bjarne Stroustrup: Evolving a language in and for the real world: C++ 1991-2006
  3. Java - A Bit of History
  4. Peter Drayton, Ted Neward, Ben Albahari: C# in a Nutshell: A Desktop Quick Reference. 2. Auflage. O'Reilly, 2003, ISBN 978-0-5960-0526-9.
  5. ISO Technical Report on C++ Performance
  6. When was C++ invented? (englisch) – FAQ-Eintrag bei AT&T Labs Research; Stand: 4. Juli 2011
  7. C++11 einstimmig als Standard angenommen – Artikel bei Heise online, vom 13. August 2011
  8. Neue C++-Version als ISO/IEC-Standard veröffentlicht – Artikel bei Heise online, vom 11. Oktober 2011
  9. Programmiersprache: ISO veröffentlicht C++11 – Artikel bei Golem.de, vom 11. Oktober 2011
  10. A Proposal to add Regular Expressions to the Standard Library (englisch) – Webdokument bei Open Standards, vom 3. März 2003
  11. A Proposal to Add General Purpose Smart Pointers to the Library Technical Report (englisch) – Webdokument bei Open Standards, vom 27. März 2003
  12. A Proposal to Add Hash Tables to the Standard Library (englisch) – Webdokument bei Open Standards, vom 9. April 2003
  13. A Proposal to Add an Extensible Random Number Facility to the Standard Library (englisch) – Webdokument bei Open Standards, vom 10. April 2003
  14. Proposal for adding tuple types into the standard library (englisch, PDF ≈ 164 KB) – Dokumemt bei Open Standards, vom 8. November 2002
  15. A Proposal to Add Mathematical Special Functions to the C++ Standard Library (englisch) – Webdokument bei Open Standards, vom 24. Februar 2003
  16. ISO/IEC JTC1/SC22/WG21 N1568 (englisch) – Webdokument bei Open Standards, von 2004

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