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C++

C++ ist eine von der ISO standardisierte höhere Programmiersprache. Sie wurde in den 1980er Jahren von Bjarne Stroustrup bei AT&T als Erweiterung der Programmiersprache C entwickelt. C++ wurde als Mehrzwecksprache konzipiert. Sie unterstützt mehrere Programmierparadigmen, wie die objektorientierte, generische und prozedurale Programmierung, und ermöglicht sowohl die effiziente und maschinennahe, 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. Bei der Anwendungsprogrammierung kommt C++ heute vor allem dort zum Zuge, wo maximale Forderungen an die Effizienz gestellt werden, um durch technische Rahmenbedingungen vorgegebene Leistungsgrenzen möglichst gut auszunutzen.

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. Ein Beispiel für die hohe Flexibilität, die dadurch erreicht wird, ist die anpassbare Speicherverwaltung, in die sich etwa nahtlos eine automatische Speicherbereinigung integrieren lässt.

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

Um an die hohe 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. C-Compiler sind auch heute noch für praktisch jeden Prozessor verfügbar, und in C geschriebene Programme können in der Regel ohne große Anpassungen in C++ übernommen werden.

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.

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. C-Compiler, die den Stand der ISO-Norm von 1999 umsetzen, sind aber noch nicht sehr verbreitet. Die theoretisch dadurch entstandenen Inkompatibilitäten spielen deshalb in der Praxis bislang keine große Rolle. Um dennoch einem Auseinanderdriften der Sprachen vorzubeugen, werden die Spracherweiterungen von C bei der in Arbeit befindlichen C++-Version berücksichtigt.

Mittlerweile ist C++ selbst sehr stark verbreitet, und kann einen Vorteil gegenüber C oft dann ausspielen, wenn die Größe eines Projektes die Verwendung von Assembler oder C nicht ratsam erscheinen lassen.

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, 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 so genannte „Multiparadigmen-Sprache“, die verschiedene Programmiertechniken unterstützt:

Siehe auch: Programmierparadigma, C++-Metaprogrammierung

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 eine Funktion, genauer gesagt ist es die Hauptfunktion des gesamten Programms. Sie ist in jedem C++-Programm vorhanden und wird nach dem Start des Programms aufgerufen. 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.

Umsetzung

C++-Compiler

Die Implementierung eines C++-Compilers gilt als äußerst aufwändig. Seit der Fertigstellung der Sprachnorm 1998 dauerte es mehrere Jahre, bis die Sprache von C++-Compilern weitestgehend unterstützt wurde. Schon allein die Umsetzung des Sprachmittels export, das zur Unterstützung von Templates dient, wird mit etwa 2 bis 3 Mannjahren veranschlagt, ein Zeitraum, in dem für andere Programmiersprachen komplette Compiler entstehen. Bis heute gab es erst zwei Compiler, die über das Sprachmittel export verfügt haben.

Zu den bedeutendsten C++-Compilern gehören:

C++-Programmierung

C++ wurde in der Phase, in der die Sprache die größte Entwicklung erlebte, bereits intensiv eingesetzt. Dies sorgte dafür, dass viele Entwickler nicht oder nur unzureichend mit neueren Eigenschaften der Sprache vertraut waren oder diese auf Grund von unvollständigen Compilern nicht einsetzen konnten. Daher sind viele Projekte, die in C++ entwickelt wurden, auch heute nicht auf dem aktuellen Stand der C++-Programmierung oder sogar inkompatibel zur aktuellen C++-Norm.

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++. Bekannteste Einsatzgebiete von Objective-C sind die Programmierschnittstelle OpenStep und das Betriebssystem Mac OS X.

Java und C#

Die Programmiersprachen Java und C# haben eine mit C++ vergleichbare Verbreitung. Sie verfügen über eine ähnliche, ebenfalls an C angelehnte Syntax wie C++, 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.

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 integrierte Typen oder Datenkonstanten anwendbar. Demgegenüber beziehen generischen Spracherweiterungen von C# auch die integrierten 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, Ausnahmen, 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 nächste größere Überarbeitung der Sprache C++ erscheint voraussichtlich im Jahr 2009.

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. 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 Variable um eins erhöht.

Weiterentwicklung der Programmiersprache C++

Um mit den aktuellen Entwicklungen der sich schnell verändernden Computer-Technik Schritt zu halten, aber auch zur Ausbesserung bekannter Schwächen, erarbeitet das C++-Standardisierungskomitee derzeit die nächste größere Revision von C++, die inoffiziell mit C++0x abgekürzt wird, worin die Ziffernfolge eine grobe Einschätzung des möglichen Erscheinungstermins andeuten soll. Im November 2006 wurde der Zieltermin für die Fertigstellung auf das Jahr 2009 festgelegt und die Abkürzung C++09 dafür eingeführt.

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 Einführung eines Speichermodells 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.

Verbesserungen am Sprachkern

Zu den weitreichenderen Spracherweiterungen gehören die "Konzepte" (engl. concepts) zur Verbesserung der Handhabung von Templates, Typinferenz zur Ableitung von Ergebnistypen aus Ausdrücken und die R-Wert-Referenzen, 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 so genannten 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[2], verschiedene intelligente Zeiger[3], ungeordnete assoziative Container[4], eine Zufallszahlenbibliothek[5], Hilfsmittel für die C++-Metaprogrammierung, Tupel[6] sowie numerische und mathematische Bibliotheken[7]. 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[8].

Mit Ausnahme der numerischen und mathematischen Bibliotheken wurde die Übernahme aller TR1-Erweiterungen in die kommende Sprachnorm C++0x bereits vom C++-Standardisierungskomitee beschlossen. Ein weiterer Bibliothekszusatz namens TR2, mit Funktionalität für den nebenläufigen Betrieb (Threads), ist in Vorbereitung und soll nach dem kommenden Standard veröffentlicht werden.[9]

Siehe auch

Literatur

Quellen

  1. Bjarne Stroustrup: Evolving a language in and for the real world: C++ 1991-2006
  2. regex_proposal
  3. A Proposal to Add General Purpose Smart Pointers to the Library Technical Report
  4. A Proposal to Add Hash Tables to the Standard Library
  5. A Proposal to Add an Extensible Random Number Facility to the Standard Library (Revision 2)
  6. http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2002/n1403.pdf
  7. C++ Mathematical Special Functions Proposal
  8. ISO/IEC JTC1/SC22/WG21 N1568
  9. Bjarne Stroustrup: A Brief Look at C++0x – 2. Januar 2006