C-Programmierung Grundlagen: Übungskurs mit C23 und CMake

Erste Schritte und Werkzeugkette

• Was ist C, wo läuft es heute und warum lohnt sich das Lernen?
• Sprachstandards von C89 über C99 und C11 bis C23 im Überblick
• Programmierumgebung einrichten: GCC oder Clang, Editor mit clangd, unter Windows MSVC
• Mit -std=c23 -Wall -Wextra übersetzen und Compilerwarnungen lesen lernen
• Ein CMake-Projekt für die Übungen anlegen und mit cmake --build bauen
• „Hello World“ Zeile für Zeile: #include, main, Rückgabewert an das System
• Vom Quelltext zum Programm: Präprozessor, Übersetzen, Binden
• Programmaufbau: Funktionen, Header- und Quelldateien, Include-Guards
• Kommentare, die das Warum erklären, und Doxygen-Kommentare für Schnittstellen

Datentypen, Variablen und Ausgabe

• Ganzzahl-, Fließkomma- und Zeichentypen, Wertebereiche und sizeof
• Ganzzahlen fester Breite aus <stdint.h> wie int32_t und uint8_t
• bool, true und false als Schlüsselwörter seit C23
• Variablen deklarieren, initialisieren und uninitialisierte Werte vermeiden
• Ausgabe mit printf: Formatangaben passend zum Datentyp
• Falsche Formatangaben mit -Wformat aufspüren
• Konstanten mit const, #define und constexpr-Objekten (C23)
• Zeichenkettenliterale und das abschließende Nullzeichen
• Scope und Lebensdauer: lokale, globale und static-Variablen
• Eigene Datentypen mit typedef, enum und struct definieren
• Aufzählungen mit festgelegtem zugrunde liegendem Typ (C23)

Operatoren und Rechnen mit Zahlen

• Grundrechenarten mit +, -, *, / und dem Rest % bei Ganzzahlen
• Implizite Typumwandlung, Integer Promotion und explizite Casts
• Überlauf vorzeichenbehafteter Zahlen und geprüftes Rechnen mit <stdckdint.h>
• Zuweisung, zusammengesetzte Zuweisung und der Klassiker = statt ==
• Vergleichsoperatoren und logische Verknüpfungen, Auswertung von links nach rechts
• Bits setzen, löschen und prüfen mit Masken, Verschieben mit << und >>
• Binärliterale 0b… und Zifferntrenner ' in C23

Verzweigungen und Schleifen

• Bedingungen mit if, else und else if-Ketten
• switch-case mit default und dem Attribut [[fallthrough]]
• Schleifen mit for, while und do-while – welche wann passt
• Übung: Wertetabellen und Zahlenreihen formatiert auf der Konsole ausgeben
• Verschachtelte Schleifen und vorzeitiger Ausstieg mit break und continue

Funktionen

• Wozu Funktionen dienen: zerlegen, wiederverwenden, einzeln testen
• Prototyp, Definition und Rückgabewert einer eigenen Funktion
• Fehler über Rückgabecodes melden und mit [[nodiscard]] absichern
• Argumente als Kopie übergeben, Zeiger als Ausgabeparameter
• Kommandozeilenargumente über argc und argv auswerten
• Rekursive Funktionen an Fakultät und Binärsuche, Grenzen durch die Stapeltiefe
• Erste Unit-Tests für eigene Funktionen mit dem Framework Unity

Arrays und Strukturen

• Arrays anlegen, initialisieren und per Index durchlaufen
• Keine Grenzprüfung in C: Überschreitungen mit AddressSanitizer sichtbar machen
• Strukturen definieren und mit Designated Initializers belegen
• Mehrdimensionale Arrays für Tabellen und Matrizen
• Verschachtelte Strukturen und Arrays von Strukturen

Zeichen und Strings

• Zeichen testen und umwandeln mit isdigit, isalpha, toupper aus <ctype.h>
• Strings als char-Arrays: Länge, Puffergröße und Nullterminierung
• strcpy, strcat und sprintf durch snprintf mit Längenprüfung ersetzen
• Strings vergleichen, durchsuchen und zerlegen: strcmp, strchr, strstr, strtok
• Kopien mit strdup und strndup, seit C23 Teil der Standardbibliothek
• Eingaben zeilenweise mit fgets lesen statt mit gets oder scanf ohne Feldbreite
• Zahlen robust einlesen: strtol mit Endzeiger und errno statt atoi

Zeiger und dynamischer Speicher

• Was ein Zeiger ist: Adressoperator &, Dereferenzierung mit *
• Nullzeiger mit nullptr (C23) kennzeichnen und vor dem Zugriff prüfen
• Zeigerarithmetik, Zeiger und Arrays und wo die Arithmetik undefiniert wird
• Speicher mit malloc, calloc und realloc anfordern und mit free freigeben
• Zeiger in Strukturen am Beispiel einer einfach verketteten Liste
• Speicherlecks und Use-after-free mit AddressSanitizer und Valgrind finden

Dateien und Betriebssystem

• Textdateien lesen und schreiben mit fopen, fgets und fprintf
• Rückgabewerte von Dateifunktionen prüfen, Fehler mit perror melden
• Verzeichnisse durchsuchen mit opendir/readdir (POSIX), Metadaten mit stat
• Plattformunterschiede bei Pfaden und Verzeichnisfunktionen unter Windows
• Binärdateien mit fread/fwrite und Datensätze fester Länge
• Zufallszugriff auf Datensätze mit fseek, ftell und rewind

Standardbibliothek: System, Mathematik, Zeit und Sortieren

• Mit dem Betriebssystem sprechen: getenv, system und dessen Sicherheitsrisiken
• Exit-Status an die Shell zurückgeben, Aufräumen mit atexit
• Mathematische Funktionen aus <math.h> und Linken mit -lm
• Datum und Uhrzeit mit time, localtime und strftime formatieren
• Laufzeiten messen mit clock und timespec_get
• Sortieren mit qsort und einer Vergleichsfunktion über Funktionszeiger
• Zufallszahlen mit rand und srand erzeugen und ihre Grenzen kennen

Debugging, Tests und statische Analyse

• Debugger GDB oder LLDB: Haltepunkte, Einzelschritt, Variablen und Aufrufstapel
• Debug-Build mit -g -O0 und Debuggen direkt aus VS Code
• UndefinedBehaviorSanitizer meldet Überläufe und ungültige Shifts zur Laufzeit
• Statische Analyse mit clang-tidy, Cppcheck und -fanalyzer von GCC
• Tests mit CTest nach jedem Build automatisch ausführen

C-Code mit einem Coding-Agenten

• Agent übersetzt mit -Werror und Sanitizer-Build – jede Warnung stoppt die Änderung
• Generierte String-Operationen auf Puffergröße und Nullterminierung kontrollieren
• Zu jedem malloc im Diff das passende free finden, ASan-Lauf als Nachweis
• Unity-Tests für Grenzfälle wie leere Eingabe und vollen Puffer vom Agenten ergänzen lassen
• Sperrliste im Repository: gets, strcpy, sprintf und atoi sind für den Agenten tabu

Praxisprojekt: Pflanzenkartei für eine Gärtnerei

• Pflanzen als Strukturen fester Länge in einer Binärdatei speichern
• Einträge per Zufallszugriff ändern, mit qsort nach Name oder Preis sortieren
• Menü mit sicherer Eingabe über fgets und strtol samt Fehlerbehandlung
• Abnahme: CMake-Build mit Unity-Tests, sauberer ASan-/UBSan-Lauf und clang-tidy