C++

Was ist C++?

C++ ist eine objektorientierte Programmiersprache (OOP), die von vielen als die beste Sprache für die Erstellung umfangreicher Anwendungen angesehen wird. C++ ist eine Obermenge der Sprache C.

Eine verwandte Programmiersprache, Java, basiert auf C++, ist aber für die Verteilung von Programmobjekten in einem Netzwerk wie dem Internet optimiert. Java ist etwas einfacher und leichter zu erlernen als C++ und verfügt über Eigenschaften, die ihm weitere Vorteile gegenüber C++ verleihen. Beide Sprachen erfordern jedoch einen erheblichen Lernaufwand.

Mit C++ können Softwareentwickler ihre eigenen Datentypen definieren und sie mit Hilfe von Funktionen und Methoden manipulieren. Es erlaubt auch Low-Level-Programmierung und bietet Zugriff auf den Speicher, was eine schnelle und effiziente Ausführung von Code ermöglicht. Außerdem unterstützt es die generische Programmierung mit Hilfe von Vorlagen, mit denen Code in einer generischen Form geschrieben und für verschiedene Datentypen wiederverwendet werden kann.

C++ wird in Bereichen wie Systemsoftware, Spieleentwicklung, eingebettete Systeme, wissenschaftliche Berechnungen und Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Die C++-Standardbibliothek bietet eine Reihe von Dienstprogrammen und Funktionen, die die Entwicklung komplexer Softwaresysteme erleichtern. C++ kann auf vielen Plattformen ausgeführt werden, darunter Linux, macOS und Windows.

Wie man C++ benutzt

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, C++ zu lernen, zum Beispiel Online-Tutorials, Kurse und interaktive Übungen. Um mit der Programmierung in C++ zu beginnen, benötigen Entwickler einen C++-Compiler, der den Code in maschinenlesbare Anweisungen übersetzt. Zu den C++-Compilern gehören Clang, GNU Compiler Collection und Microsoft Visual C++. Sobald ein Compiler installiert ist, können Entwickler einen Texteditor oder eine integrierte Entwicklungsumgebung (Integrated Development Environment, IDE) verwenden, um C++-Code zu schreiben. IDEs bieten Funktionen wie Codevervollständigung, Debugging-Tools und Verwaltungsfunktionen.

C++-Programme sind in der Regel in Funktionen gegliedert. Die main()-Funktion ist der Einstiegspunkt des Computerprogramms, an dem die Ausführung beginnt. Entwickler können Kontrollstrukturen wie Schleifen und Bedingungen verwenden, um den Ablauf ihres Programms zu steuern. C++ bietet auch eine Reihe von Bibliotheken, die vorgefertigte Funktionen und Datenstrukturen für allgemeine Aufgaben bereitstellen.

Wie man C++-Code schreibt

Beim Schreiben von Code in C++ sind einige grundlegende Funktionen zu beachten:

C++-Code. Einer der einfachsten Codes für Anfänger ist der "Hello World!"-Code, der die iostream-Bibliothek und den std-Namensraum verwendet:

#include <iostream>

Int main(){

      std::cout<<"Hello, World! <<std:endl;

      return 0

}

In diesem Beispiel ermöglicht die Zeile #include <iostream> die Ein- und Ausgabefunktionalität. Außerdem kann durch die Verwendung von std::cout die Ausgabe auf der Konsole ausgegeben werden. Die Zeile std::endl sorgt für einen Zeilenumbruch. Die return 0-Anweisung zeigt eine erfolgreiche Programmausführung an.

Arrays und Speicherzuweisung. C++ ermöglicht es Entwicklern, mit Arrays zu arbeiten, das heißt mit Sammlungen von Elementen desselben Datentyps. Hier ist ein Beispiel für die Initialisierung und den Zugriff auf Elemente in einem Array:

#include <iostream>

int main() {

    int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

    for (int i = 0; i < 5; i++) {

        std::cout << numbers[i] << " ";

    }

    return 0;

}

In diesem Beispiel deklarieren die Entwickler ein Array numbers der Größe 5 und initialisieren dessen Elemente mit geschweiften Klammern {}. Die for-Schleife ermöglicht es dem Benutzer, über das Array zu iterieren und jedes Element mit std::cout auszugeben.

C++-Klassen und Konstruktoren. C++ unterstützt OOP durch die Verwendung von Klassen. Hier ist ein Beispiel für eine einfache Klasse mit einem Konstruktor und Mitgliedsfunktionen:

#include <iostream>

class Rectangle {

private:

    int length;

    int width;

public:

    Rectangle(int l, int w) {

       length = l;

       width = w;

    }

    int calculateArea() {

        return length * width;

    }

};

int main() {

    Rectangle myRectangle(5, 3);

    int area = myRectangle.calculateArea();

    std::cout << "Area: " << area << std::endl; 

    return 0;

    }

Entwickler können eine Klasse namens Rectangle mit den privaten Datenelementen length und width definieren. Der Konstruktor Rectangle(int l, int w) initialisiert die Attribute des Objekts, während die Memberfunktion calculateArea () die Fläche des Rechtecks berechnet und zurückgibt.

Polymorphismus und C++-Standardbibliothek. C++ unterstützt Polymorphismus, so dass Objekte austauschbar als Instanzen ihrer Basis- oder abgeleiteten Klassen behandelt werden können. Außerdem bietet die C++-Standardbibliothek eine Vielzahl von Funktionen. Im Folgenden ein Beispiel:

#include <iostream>

class Shape {

public:

    virtual void display() {

        std::cout << "Shape" << std::endl;

    }

};

class Circle : public Shape {

public:

    void display() {

        std::cout << "Circle" << std::endl;

    }

};

int main() {

    Shape* shape = new Circle();

    shape->display();                   // Polymorphism

    delete shape;                       // Memory deallocation

    return 0;

}

Es werden eine Basisklasse Shape und eine abgeleitete Klasse Circle definiert. Die Funktion display () ist in der Basisklasse als virtual gekennzeichnet, was Polymorphie ermöglicht. Ein Entwickler kann die Funktion display() der abgeleiteten Klasse aufrufen, indem er ein Circle-Objekt erstellt und es einem Shape-Zeiger zuweist.

Wofür wird C++ verwendet?

C++ wird auf vielfältige Weise eingesetzt, um seine Flexibilität und Leistungsfähigkeit auszunutzen. Zu den wichtigsten Verwendungszwecken von C++ gehören:

• Betriebssysteme (OSes). Die Low-Level-Fähigkeiten von C++ ermöglichen eine effiziente Speicherverwaltung und Kontrolle der Systemressourcen, wodurch es sich gut für die Entwicklung von Betriebssystemen eignet.
• Spiele und Grafik. Die hohe Leistung von C++ und seine Fähigkeit, mit der Hardware zu interagieren, machen es zu einer guten Wahl für Spiele-Engines wie die Unreal Engine von Epic Games und Unity Technologies, die mit C++ entwickelt werden. Die Programmiersprache wird auch für die Grafikprogrammierung verwendet, zum Beispiel für Echtzeit-Rendering, Bildverarbeitung und Physics Simulations.
• Eingebettete Systeme. C++ wird häufig bei der Entwicklung eingebetteter Systeme verwendet, das heißt von Computersystemen, die für die Ausführung bestimmter Aufgaben konzipiert sind. Beispiele für eingebettete Systeme sind medizinische Geräte, Kfz-Systeme und Geräte für das Internet der Dinge.
• Softwarebibliotheken. C++ dient als Grundlage für viele High-Level-Bibliotheken, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Bibliotheken wie Boost bieten zusätzliche Funktionen und Dienstprogramme für C++-Programmierer, während die Standard Template Library (STL) eine Sammlung allgemeiner Datenstrukturen und Algorithmen zur Verfügung stellt. Diese Bibliotheken bieten gebrauchsfertige Komponenten, die die Produktivität der Entwickler erhöhen.
• High-Performance Computing (HPC). C++ eignet sich gut für HPC-Anwendungen, die maximale Recheneffizienz und Parallelverarbeitung erfordern. Es wird für wissenschaftliche Simulationen, numerische Analysen, mathematische Modellierung und Simulationen von physikalischen Phänomenen verwendet. Es wird oft zusammen mit Spezialbibliotheken wie Message Passing Interface und OpenMP für verteilte und parallele Berechnungen eingesetzt.
• Webentwicklung. Obwohl C++ in der Regel nicht für die Webentwicklung verwendet wird, spielt es eine entscheidende Rolle im Backend von Webanwendungen, wie Webserver, Netzwerkprotokolle, Router und Kommunikationssoftware. Viele Web-Frameworks und -Server, darunter der Apache HTTP Server, sind in C++ implementiert. Aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit eignet sich die Sprache für die Bearbeitung von Websites mit hohem Datenverkehr und komplexen serverseitigen Operationen.
• Systemprogrammierung. C++ wird häufig für Aufgaben der Systemprogrammierung verwendet, bei denen eine Interaktion mit der zugrunde liegenden Hardware und dem Betriebssystem erforderlich ist. Aufgaben wie Gerätetreiber, Netzwerkprotokolle und Systemdienstprogramme werden normalerweise in C++ implementiert.

Vor- und Nachteile von C++

C++ bringt eine Reihe von Vor- und Nachteilen mit sich. Einigen Vorteilen wie der hohen Leistung und Kontrolle stehen die Komplexität und die steile Lernkurve gegenüber.

Vorteile von C++

Die Vorteile von C++ erfüllen die vielen Anforderungen, die Entwickler an Programmiersprachen stellen:

• Hohe Leistung durch die Low-Level-Speichermanipulation von C++ und den direkten Zugriff auf die Hardware, wodurch es sich für ressourcenintensive Anwendungen eignet.
• Kontrolle, wie zum Beispiel Low-Level-Kontrolle über Systemressourcen, die es Entwicklern ermöglicht, ihre Programme für optimale Leistung fein abzustimmen.
• Flexibilität, die sich aus Funktionen wie der Unterstützung von OOP sowie prozeduraler und funktionaler Programmierung ergibt, wobei letztere zunehmend in Unternehmen zum Einsatz kommt.
• Softwareportabilität, die es ermöglicht, Programme auf mehreren verschiedenen Plattformen auszuführen.
• Kompatibilität aufgrund der Interoperabilität von C++ mit anderen Programmiersprachen wie C und der Unterstützung verschiedener Plattformen. Dadurch können Entwickler Code wiederverwenden und Bibliotheken von Drittanbietern nutzen.
• Ein umfangreiches Ökosystem, das mit der Fähigkeit von C++ zusammenhängt, eine große Anzahl von Bibliotheken und Frameworks zu verwenden, die vorgefertigte Ansätze für Aufgaben wie die Datenmanipulation bieten, was die Notwendigkeit einer manuellen Implementierung verringert.

Nachteile von C++

C++ bringt auch einige Nachteile mit sich, darunter:

• Komplexität und einen hohen Lernaufwand für Anfänger aufgrund des umfangreichen Funktionsumfangs.
• Manuelle Speicherverwaltung, die bei unsachgemäßer Handhabung zu Speicherlecks und anderen Problemen bei der Speicherverwaltung führen kann.
• Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit dem direkten Zugriff auf den Speicher von C++, was das Risiko erhöht, unsicheren Code zu schreiben.
• Fehlen einer eingebauten Garbage Collection, die den Entwickler zwingt, den Speicher manuell freizugeben, wenn er nicht mehr benötigt wird.
• Komplexe Syntax im Vergleich zu anderen Programmiersprachen, was das Lesen und Schreiben von Code zeitaufwendiger macht.
• Lange Kompilierzeit im Vergleich zu Sprachen mit dynamischer Typisierung oder Just-in-Time-Kompilierung.

Beispiele für C++-Tools

Es gibt mehrere Tools und Frameworks für die C++-Entwicklung, die die Produktivität steigern, die Organisation innerhalb des Codes unterstützen und das Debuggen und Testen erleichtern können. Zu diesen Werkzeugen gehören unter anderem:

• Integrierte Entwicklungsumgebungen. IDEs unterstützen Programmierer beim Schreiben, Debuggen und Verwalten von Code. Zu den für die C++-Programmierung verwendeten IDEs gehören Microsoft Visual Studio, das Debugging- und Projektmanagement-Tools bietet, JetBrains CLion, eine plattformübergreifende IDE mit Refactoring-Tools, und Eclipse CDT, eine Open-Source-IDE mit Code-Navigation und Projektmanagement-Tools.
• Build-Systeme. Build-Systeme tragen zur Vereinfachung des C++-Build-Prozesses bei, indem sie plattformspezifische Build-Skripte vereinfachen und Abhängigkeiten und Befehle spezifizieren. Beispiele hierfür sind CMake und GNU Make, beides Open-Source-Anwendungen.
• Test-Frameworks. Test-Frameworks ermöglichen es Entwicklern, Codefunktionen zu schreiben und zu testen. Google Test ist ein Beispiel für ein Test-Framework, das eine Reihe von Assertion-Makros und Dienstprogrammen bietet. Catch2 ist ein leichtgewichtiges Framework, das eine Syntax für die Definition von Testfällen, Behauptungen und Testfixtures bereithält. Boost.Test ist eine Komponente der Boost C++-Bibliotheken, die verschiedene Teststile und Behauptungen unterstützt.
• Profiling Tools. Profiling Tools unterstützen Entwickler bei der Analyse der Codeleistung anhand von Daten zu Engpässen, Ressourcenverbrauch und Ausführung. Valgrind ist ein Open Source Profiling Tool für Leistungsanalyse, Speicherprofilierung und Leckerkennung. Intel VTune Amplifier ist ein Tool, das bei der Ermittlung von Engpässen unterstützt.
• Dokumentations-Tools. Dokumentations-Tools sind Software-Dienstprogramme, die die Erstellung von Quellcode-Dokumentation automatisieren. Doxygen ist ein solches Tool, das Quellcodekommentare zur Dokumentation in Hypertext Markup Language (HTML), PDF und anderen Formaten verwendet.
• Paketmanager. Paketmanager unterstützen bei der Verwaltung der Abhängigkeiten und Bibliotheken eines Projekts über eine zentrale Schnittstelle. Sie helfen Entwicklern beim Auffinden, Installieren, Aktualisieren und Entfernen von Softwarepaketen. Zu den auf dem Markt erhältlichen Paketmanagern gehören Conan von JFrog, ein dezentraler C/C++-Paketmanager, der die Verwaltung von Abhängigkeiten vereinfacht und die Integration von Bibliotheken von Drittanbietern erleichtert, sowie vcpkg, ein von Microsoft entwickelter plattformübergreifender Manager, der eine Reihe vorkompilierter C++-Bibliotheken bietet.

C++ versus Java und Python

C++ wird oft mit Java, Python und anderen Programmiersprachen verglichen. Jede Sprache hat unterschiedliche Eigenschaften, die sie für verschiedene Zwecke und Paradigmen geeignet machen.

Java

Java unterscheidet sich von C++ in den folgenden Punkten:

• Die Syntax ähnelt der von C++ und unterstützt Bedingungen, Schleifen und Funktionsdefinitionen; sie ist jedoch einfacher und anfängerfreundlicher gestaltet.
• Java verwendet einen automatischen Garbage Collector, aber nicht das Schlüsselwort const, das in C++ häufig verwendet wird.
• Java legt mehr Wert auf OOP als C++, verwendet Klassen und Objekte als Grundlage und bietet integrierte Unterstützung für virtuelle Funktionen.
• Die Standardbibliothek von Java bietet eine Reihe von Klassen und APIs für Netzwerke, Datenbankanbindung, GUI-Entwicklung und die Arbeit mit Iteratoren.

Python

Python unterscheidet sich von C++ in folgenden Punkten:

• Das Design von Python betont die Klarheit und Ausdruckskraft des Codes, und es werden weniger Symbole und Schlüsselwörter verwendet.
• Python ist im Gegensatz zu C++ und Java dynamisch typisiert, das heißt, die Variablentypen werden zur Laufzeit abgeleitet. Dies vereinfacht die Entwicklung, geht aber möglicherweise auf Kosten der Leistung.
• Python verwendet einen automatischen Garbage Collector wie Java und verzichtet auf das C++-Schlüsselwort const.
• Python ist eine interpretierte Sprache, das heißt sie muss nicht wie C++ vor der Ausführung kompiliert werden.
• Die Standardbibliothek von Python enthält Unterstützung für Literale und Standardargumente, und die Bibliotheken von Drittanbietern enthalten Module für Bereiche wie wissenschaftliche Berechnungen und Datenanalyse.
• Webentwickler verwenden häufig Python; es bietet Module für die Arbeit mit Semantik und Spezifizierern ähnlich wie JavaScript und PHP.

Geschichte von C++

Der dänische Informatiker Bjarne Stroustrup entwickelte C++ im Jahr 1983 als Erweiterung der Programmiersprache C. Stroustrup verwendete zunächst die Sprache Simula, eine OOP-Sprache, um C mit dem Ziel zu erweitern, die Funktionen der Objektorientierung wie Kapselung, Vererbung und Polymorphismus mit den Low-Level-Fähigkeiten von C zu kombinieren.

C++ hat mehrere Iterationen und Standardisierungsbemühungen durchlaufen. Die erste internationale Norm für C++ wurde 1998 als ISO/IEC 14882:1998 veröffentlicht. Mit den nachfolgenden Iterationen von C++ wurden neue Sprachfunktionen eingeführt, die Leistung verbessert und die Möglichkeiten der Sprache erweitert.