C-Workshop

Urheber: Andre Adrian
Datum: 08.Jun.2011

Einleitung

Das Linux Betriebssystem ist kein klassisches Echtzeitsystem (hard real time system), ist aber sehr gut für "soft real time" Anforderungen verwendbar. Ebenso wenig ist Linux von sich aus redundant, lässt sich aber auf Hardware-Ebene (Beispiel Doppelnetzteil, Festplatten RAID, ECC RAM), auf Betriebssystem-Ebene (Beispiel IP-Cluster, Heartbeat Fail-over, LAN Anschlüsse Link Aggregation) und auf Applikation-Ebene (Beispiel TCP Client für redundante TCP-Server) redundant machen.
Der C-Workshop soll die Programmierung in C von typischen Aufgaben der Prozessdatenverarbeitung (PDV) unter Linux zeigen. Die Schwerpunkte sind:

Wohl geordneter Zustand von Variablen
Numerik
Zeiger/Größe Doppel-Parameter
Zugriffs-Funktionen
Prüfsumme (Hashfunktion)
Programmierung der seriellen Schnittstelle
Transportkodierung
Multi Ein-/Ausgabe
Programmierung von TCP Kommunikation
Behandlung von interval timer und time outs
Zustands Übergang Diagramm (state diagram)
Behandlung von "slow system-calls"
TCP Client State Diagram für redundante TCP Kommunikation
TJSON LL(1) Grammatik Parser
Prozesspriorität
Call Tree, Call Trace

Redewendungen in Programmiersprachen

Gute Templates, Pattern, Schablonen, Vorlagen, Redewendungen helfen bei der Programmierung. In diesem Text versuche ich die mir bekannten besten Schablonen der C Programmierung zu verwenden. Im eigentlichen Text weise ich nicht auf die einzelnen Vorlagen hin - man sieht sie ja im Quelltext. Eigentlich ist der ganze C-Workshop eine Sammlung von Redewendungen welche bei der Programmierung von typischen PDV Aufgaben unter Linux helfen.

Ausblicke auf C++

An einigen Stellen werden C++ Programme vorgestellt. Um die größten Vorteile von C++ nutzen zu können muss ein C Programmierer nur wenig neues lernen: Die Klasse (class) und die Fehler Behandlung (try, throw, catch). Übrigens bietet C++ auch hyperkomplexe Lösungen für die man im Bereich PDV erst noch die passenden Probleme finden muss...

Quelltext

Den kompletten Quelltext gibt es als tarball für den download. Es dürfte für das Lernen aber sinnvoller sein die Dateien per Copy und Paste selbst zu erstellen. Oder gar die Quelltext Zeilen abzutippen. Sie wollen das Thema doch verstehen, oder?

Hier ist der Quelltext: c-workshop_10_src.tgz

Auspacken unter Linux mit
tar xzf c-workshop_10_src.tgz

Es entsteht ein Unterverzeichnis c-workshop mit den Dateien.

Inhaltsverzeichnis

Wohl geordneter Zustand von Variablen
Programm: An C-String ein Zeichen anhängen
Zeiger/Größe Doppelparameter
Programm: C-Strings ohne Zeiger/Größe Doppelparameter
Sichere C-String Funktionen
Variadic Funktionen
Programm: Integer nach Char Umwandlung
Programm: Mit Uhrzeiten rechnen
Programm: Ausnahmebehandlung in C
Ausblick: Uhrzeiten rechnen als C++ Programm
Programm: Zugriffs-Funktionen für globale C-String Variable
Ausblick: Zugriffs-Funktionen in C++ für C-String Variablen
Programm: ASCII Datei in Großbuchstaben wandeln
Programm: Prüfsumme (Hashfunktion)
Programm: Prüfsumme CRC-32
Programm: Festkomma Bibliothek
Vorbereitung serielle Schnittstelle (V.24, RS232)
Programm: Serielle Schnittstelle senden
Programm: Multi-IO mit select()
Vorbereitung TCP Kommunikation
TCP Test mit UNIX Kommandos
Programm: TCP client
Network Byte Order
Programm: TCP server für nur einen TCP client
Zeiger/Größe mit Länge als Ein-/Ausgabeparameter
TCP und Serialization
Byte Stuffing
Programm: Base128 Transportkodierung
Programm: TCP Client und Server mit C-String Schnittstelle
Programm: TCP Client/Server mit TCP keep-alive
Nicht-blockierende Ein-/Ausgabe (slow system-call)
Programm: Zeitauflösung Linux Uhrzeit
Fehlersuche mit valgrind memory debugger
Signale
EINTR Behandlung bei select()
Programm: Intervall Timer
Programm: TCP client mit setitimer()
State Diagram (Zustands Übergang Diagramm)
Programm: TCP Client mit NONBLOCK, reopen
State Diagram single_client
Go To Statement Considered Harmful
Programm: TCP Client für redundante TCP-Server
Ausblick: TCP Client für redundante TCP-Server in C++
TJSON Grammatik
Grammatik in Strukturierter Sprache
Syntax-Diagramm
Grammatik in EBNF Schreibweise
TJSON Parser Skelett
Programm: TJSON Parser mit Fehlerbehandlung
Programm: Datenstrom nach Datensatz Umwandlung
Prozesspriorität
Call Tree, Call Trace, Backtrace
Variable Trace
Ist fehlerfreie Software möglich?
Was die theoretische Informatik noch nicht weiss
Historie von C
Danksagung
Weiterführende Literatur
Über der Autor

Wohl geordneter Zustand von Variablen

Die Theorie des state diagrams (Zustandsübergangsdiagramms) und damit zusammenhängend die Theorie der state variables (Zustands-Variablen) ist sehr wichtig für die Programmierung von fehlerfreier Software. Was ist die Kern-Idee des state diagrams, der state variables oder der state machine?
Das Programm befindet sich immer in einem wohl geordneten Zustand. In diesem Zustand haben alle Zustands-Variablen einen sinnvollen Inhalt. Als Reaktion auf eine Einwirkung von außen (z.B. Benutzer-Eingabe, aber auch Ablauf eines time outs) ändert die state machine ihren Zustand von einem wohl geordneten Zustand zu einem anderen wohl geordneten Zustand.
Im Moment des Zustandsüberganges können die Zustands-Variablen in einem "ungeordneten" Zustand sein, am Ende des Zustandsübergangs müssen die Zustands-Variablen wieder in einem wohl geordneten Zustand sein.

Programm: An C-String ein Zeichen anhängen

Ein einfaches Beispiel für Zustands-Variable mit wohl geordneten Zuständen: Eine C-Funktion soll an einen vorhandenen String s welcher maximal n Bytes Speicher halten kann ein Zeichen c anhängen. Die Funktion soll heißen
   strncatc(s, n, c);
Der Funktions-Header ist
   char *strncatc(char *s, int n, const char c);

Vor der Entwicklung der Funktion ist es notwendig über den Normalfall und die Sonderfälle nachzudenken. Für das Beispiel gilt:

Normalfall: Es gibt einen wohl geordneten Zustand in der Variablen. Die Variable s ist 0-terminiert (ein korrekter C-String).

Sonderfall 1: Definition der Variablen s. Mit der üblichen Schreibweise
   char s[5];
wird die Variable s erzeugt. Der Inhalt von s ist aber nicht wohldefiniert. Mit
   char s[5] = "";
wird die Variable s erzeugt und das erste Byte in s wird mit dem String-Endzeichen '\0' belegt. Der Inhalt von s ist somit wohldefiniert.

Sonderfall 2: Durch das Anhängen reicht der n Bytes große Speicher nicht mehr aus. Wegen dem C-String Endzeichen '\0' können in einem n Bytes langen Speicher maximal n-1 Bytes als String untergebracht werden. Damit der wohl geordnete Zustand von s erhalten bleibt gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblicherweise wird im Fall von "Speicher voll" kein Zeichen c mehr angehängt. Diese Sonderfall Behandlung wird truncation (abschneiden) genannt.

Sonderfall 3: Die Variable c enthält das Zeichen '\0'. Dieses Zeichen kann wie jedes andere Zeichen behandelt werden. Im Unterschied zu allen anderen Werten für c wird bei dem Wert '\0' die String-Länge von s nicht erhöht, d.h. strlen() liefert den selben Wert.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -Wextra -o strncatc strncatc.c

Im xterm Fenster eingeben:
stty -F /dev/tty -icanon
./strncatc

Nach Test wieder Keyboard auf Zeilen-Pufferung stellen
stty -F /dev/tty icanon

Datei strncatc.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>

// an C-String s mit Speichergroesse n das Zeichen c anhaengen
// Returnwert ist s
char *strncatc(char *s, int n, const char c) {
int len = strlen(s);

if (len + 1 >= n) {
    return s;                       // wohlgeordneter Zustand von s
}
s[len] = c;                       // nicht wohlgeordneter Zustand von s
s[len+1] = '\0';                  // wohlgeordneter Zustand von s
return s;
}

int main() {
char s[5] = "";                   // wohlgeordneter Zustand von s

printf("sizeof \"\" = %d\n", sizeof "");
printf("strlen(\"\") = %d\n", strlen(""));

printf(" s = %s\n", s);
for(;;) {
    int c = getchar();
    strncatc(s, sizeof(s), c);
    printf(" s = %s\n", s);
}

return 0;
}

Das strncatc() Beispiel zeigt den korrekten Umgang mit C-String Variablen. Es wird die Adresse des C-Strings und die Speichergröße des C-Strings übergeben.

Zeiger/Größe Doppelparameter

Diese Zeiger/Größe Übergabe in zwei Variablen ist weit verbreitet. Ein Beispiel aus multi_io.c:
read(fdKbd, buf, sizeof buf)
Hier ist buf der Zeiger und sizeof buf die Speichergröße. Ein anderes Beispiel aus tcp_client.c:
connect(fdServer, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof serv_addr)
Hier ist serv_addr der Zeiger und sizeof serv_addr die Speichergrösse.

Programm: C-Strings ohne Zeiger/Größe Doppelparameter

Die einzige korrekte Alternative zu Zeiger/Größe bei C-Strings ist die Verwendung von nur einer Größe für alle C-Strings. In einer Funktion wie strkcatc() kann dann gegen diesen konstanten Wert geprüft werden:

Datei strkcatc.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define MAXLEN 100    // C-String Groesse fuer alle C-Strings im Programm

// an C-String s mit Speichergroesse n das Zeichen c anhaengen
// Returnwert ist s
char *strkcatc(char *s, const char c) {
int len = strlen(s);

if (len + 1 >= MAXLEN) {
    return s;                       // wohlgeordneter Zustand von s
}
s[len] = c;                       // nicht wohlgeordneter Zustand von s
s[len+1] = '\0';                  // wohlgeordneter Zustand von s
return s;
}

int main() {
char s[MAXLEN] = "";           // wohlgeordneter Zustand von s

printf("sizeof \"\" = %d\n", sizeof "");
printf("strlen(\"\") = %d\n", strlen(""));

printf(" s = %s\n", s);
for(;;) {
    int c = getchar();
    strkcatc(s, c);
    printf(" s = %s\n", s);
}
}

Sichere C-String Funktionen

Einige C-Bibliothek-Funktionen sind unsicher. Funktionen wie gets() oder sprintf() verwenden nicht Zeiger/Größe.
Die Funktionen strcpy_s() und strcat_s() gibt es beim Microsoft C-Compiler. Für den Gnu C-Compiler sind diese sicheren Funktionen schnell programmiert.

unsicher	sicher
gets(char *s)	fgets(char s, int size, FILE stream)
sprintf(char str, const char format, ...)	snprintf(char str, size_t size, const char format, ...)
strcpy(char dest, const char src)	strcpy_s(char dest, unsigned size, const char src)
strncpy(char dest, const char src, size_t n)	strncpy_s(char dest, unsigned size, const char src, size_t n)
strcat(char dest, const char src)	strcat_s(char dest, unsigned size, const char src)
strncat(char dest, const char src, size_t n)	strncat_s(char dest, unsigned size, const char src, size_t n)
scanf(const char format, ...) fscanf(FILE stream, const char *format, ...)	Eingabe zuerst mit fgets() oder fread() einlesen, dann mit sscanf() verarbeiten

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o test_string_s test_string_s.c string_s.c

Im xterm Fenster eingeben:
./test_string_s

Das Programm liefert einen Speicherzugriffsfehler. Programm erneut kompilieren mit
gcc -Wall -fstack-protector-all -o test_string_s test_string_s.c string_s.c

Das Programm liefert nun die Meldung "stack smashing detected".

Datei string_s.c

#include <string.h>

char *strcat_s(char *dest, unsigned n, const char *src) {
strncat(dest, src, n-strlen(dest));
dest[n-1] = '\0'; // C-String Endzeichen sicherstellen
return dest;
}

char *strcpy_s(char *dest, unsigned n, const char *src) {
strncpy(dest, src, n);
dest[n-1] = '\0'; // C-String Endzeichen sicherstellen
return dest;
}

Datei string_s.h

char *strcat_s(char *dest, unsigned n, const char *src);
char *strcpy_s(char *dest, unsigned n, const char *src);

Datei test_string_s.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "string_s.h"

void test_strcat_s() {
char d[16] =      "12345678";
const char s[] = "abcdefghABCDEFGH";

strcat_s(d, sizeof d, s);
printf("strcat_s() = %s\n", d);
printf("sizeof d = %d\n", sizeof d);
printf("strlen(d) = %d\n", strlen(d));
}

void test_snprintf() {
char d[16] ="";
const char s1[] = "12345678";
const char s2[] = "abcdefghABCDEFGH";

snprintf(d, sizeof d, "%s%s", s1, s2);
printf("snprintf() = %s\n", d);
printf("sizeof d = %d\n", sizeof d);
printf("strlen(d) = %d\n", strlen(d));
}

void test_strncat() {
char d[16] =      "12345678";
const char s[] = "abcdefghABCDEFGH";

strncat(d, s, sizeof d);                // Achtung: strncat() ist unsicher !
printf("strncat() = %s\n", d);
printf("sizeof d = %d\n", sizeof d);
printf("strlen(d) = %d\n", strlen(d));
}

int main() {
test_strcat_s();
test_snprintf();
test_strncat();                         // Achtung: strncat() ist unsicher !

return 0;
}

Variadic Funktionen

Die printf() Funktion ist eine variadic Funktion, die Anzahl der Parameter ist variabel. Die Programmiersprache C erlaubt die Programmierung von eigenen variadic Funktionen. Die Header-Datei stdarg.h stellt die va_ Konstrukte zur Verfügung. Eine Variable vom Type va_list ist nötig um die optionalen Parameter in einer variadic Funktion anzusprechen. Dem va_start() Konstrukt wird der letzte benannte Parameter mitgeteilt. Mit dem va_arg() Konstrukt wird über die optionalen Parameter iteriert. Die Verarbeitung der optionalen Parameter wird mit va_end() beendet.
Die Funktion stradd() verkettet mehrere C-Strings, die Funktion strappend() hängt an einen bestehenden C-String weitere C-Strings an. Die Liste der optionalen Parameter wird mit einem NULL Zeiger beendet. Beide Funktionen benutzten den Zeiger/Grösse Doppelparameter für den Ziel-C-String und sind somit sichere Funktionen.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o test_stradd test_stradd.c

Im xterm Fenster eingeben:
./test_stradd

Das Programm bittet um die Eingabe von Vorname und Nachname. Mit stradd() und strappend() werden Vorname, ein Leerzeichen und Nachname verkettet. Zuletzt wird ein persönliche Begrüssung ausgegeben.

Datei test_stradd.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdarg.h>

// Strings verketten. NULL Zeiger beendet Liste der Strings.
void stradd(char *dest, unsigned size, ...) {
    va_list ap;
    char *src;

    va_start(ap, size);
    while (src = va_arg(ap, char *)) {
        while(*dest++ = *src++) {
            if (--size <= 1) {
                *dest = '\0';
                va_end(ap);
                return;
            }
        }
        --dest;
    }
    va_end(ap);
}

// Strings anhaengen. NULL Zeiger beendet Liste der Strings.
void strappend(char *dest, unsigned size, ...) {
    va_list ap;
    char *src;

    while (*dest) {
        ++dest;
        --size;
    }
    va_start(ap, size);
    while (src = va_arg(ap, char *)) {
        while(*dest++ = *src++) {
            if (--size <= 1) {
                *dest = '\0';
                va_end(ap);
                return;
            }
        }
        --dest;
    }
    va_end(ap);
}

// Entferne Zeilenende Zeichen
// Die Zeichenkette str wird verkuerzt
void strRemoveNewline(char *str) {
    char *cr = strchr(str, '\r');
    char *nl = strchr(str, '\n');
    if (cr != NULL) *cr = '\0';
    if (nl != NULL) *nl = '\0';
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    char vorname[20] = "";    /* Definition mit Initialisierung */
    char nachname[20] = "";
    char name[30] = "";

    printf("Bitte Vorname eingeben: ");
    fgets(vorname, sizeof vorname, stdin);
    strRemoveNewline(vorname);
    printf("Bitte Nachname eingeben: ");
    fgets(nachname, sizeof nachname, stdin);
    strRemoveNewline(nachname);
    stradd(name, sizeof name, vorname, " ", NULL);
    strappend(name, sizeof name, nachname, NULL);
    printf("Hallo %s!\n", name);
    return 0;
}

Programm: Integer nach Char Umwandlung

Schreiben Sie ein neues Programm inttochr.c. Dieses Programm ist eine Test-Umgebung für die Funktion

unsigned char inttochr(int i)

Die Funktion inttochr() soll eine int Variable wohl geordnet in eine unsigned char Variable umwandeln. Die Sonderfälle sind:
Sonderfall 1: Wenn int Variable < 0 ist, dann soll char Variable = 0 werden
Sonderfall 2: Wenn int Variable > 255, dann soll char Variable = 255 werden

Diese Sonderfall Behandlung heißt saturation (Sättigung).

Benutzen Sie folgende Vorlage:

Datei inttochr.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

unsigned char inttochr(int i) {
return i;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "usage: inttochr number\n");
exit(1);
}
int n = atoi(argv[1]);
unsigned char c = inttochr(n);

printf("%d = inttochr(%d)\n", c, n);

return 0;
}

Programm: Mit Uhrzeiten rechnen

Die übliche Uhrzeit-Darstellung ist Stunde:Minute:Sekunde. Dabei dauert ein Tag von 00:00:00 bis 23:59:59. Diese Darstellung ist für Berechnungen im Computer schlecht geeignet. Im Programm zeit.c wird die Umwandlung zwischen externer Darstellung in Stunde:Minute:Sekunde und interner Darstellung in Sekunden gezeigt. Die Rechnung mit Uhrzeiten wird auch gezeigt.

Umwandlung zwischen Stunde:Minute:Sekunde und Sekunden

Die Umrechnung ist Sekunden = 3600 * Stunde + 60 * Minute + Sekunde.

Die umgekehrte Umrechnung ist
   Stunde = Sekunden / 3600
Dabei ist / die Integer Division. Beispiel: 7/2 ergibt 3 bei der Integer Division.
   Sekunden = Sekunden - 3600 * Stunde
Nun sind von Sekunden die vollen Stunden abgezogen.
   Minute = Sekunden / 60
   Sekunde = Sekunden - 60 * Minute

Uhrzeit Addition

In der Sekunden Darstellung ist die Uhrzeit Addition eine Integer Addition. Eine wohl geordnete Variable enthält immer einen Wert kleiner 24*60*60 = 86400. Dieser Wert sind die Sekunden eines Tages. Nach der Integer Addition kann ein Wert größer 86400 entstehen. Dann muss 86400 abgezogen werden um die Uhrzeit Variable zu normalisieren (wieder in den Bereich der wohldefinierten Variablen bringen). Diese Sonderfall Behandlung wird Modulo-N Arithmetik genannt (mit N=86400).

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o zeit zeit.c

Programm-Aufruf mit den beiden Uhrzeiten 10:29:01 und 15:30:59
./zeit 10 29 01 15 30 59

Übung 1

Ändern Sie zeit.c nach zeit1.c. Programmieren Sie die Funktion
ZEIT ZEIT_sub(ZEIT z1, ZEIT z2);
um die Uhrzeit z2 von der Uhrzeit z1 abzuziehen. Das Ergebnis soll eine normalisierte Uhrzeit im Bereich 0 bis 86399 sein. Fügen Sie nach dem printf("Zeit Summe ...) ein weiteres printf("Zeit Differenz ...) ein.

Übung 2

Die Eingangsparameter von ZEIT_fromHMS() werden nicht überprüft. Legen Sie zuerst fest was die gültigen Werte für h, m und s sind. Ändern Sie dann zeit1.c nach zeit2.c. Bei schlechten Eingangsparametern soll die Funktion ZEIT_fromHMS() als return value -1 liefern. Prüfen Sie den return value und beenden Sie wenn nötig das Programm nach einer fprintf() Fehlermeldung mit exit(). Testen Sie das Programm mit allen möglichen schlechten Eingangsparametern (h zu klein, h zu groß, m zu klein, m zu groß, s zu klein, s zu groß).

Datei zeit.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define EINTAG (24*60*60)

typedef int ZEIT;

ZEIT ZEIT_fromHMS(int h, int m, int s) {
return 3600 * h + 60 * m + s;
}

ZEIT ZEIT_add(ZEIT z1, ZEIT z2) {
ZEIT sum = z1 + z2;
if (sum >= EINTAG) {
    sum -= EINTAG;
}
return sum;
}

void ZEIT_toHMS(int z, int *h, int *m, int *s) {
*h = z / 3600;
z -= 3600 * (*h);   // die vollen Stunden abziehen
*m = z / 60;
*s = z - 60 * (*m); // die vollen Minuten abziehen
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 7) {
    fprintf(stderr, "usage: zeit h1 m1 s1 h2 m2 s2\n");
    exit(1);
}
int h1 = atoi(argv[1]);
int m1 = atoi(argv[2]);
int s1 = atoi(argv[3]);
ZEIT z1 = ZEIT_fromHMS(h1, m1, s1);

int h2 = atoi(argv[4]);
int m2 = atoi(argv[5]);
int s2 = atoi(argv[6]);
ZEIT z2 = ZEIT_fromHMS(h2, m2, s2);

ZEIT sum = ZEIT_add(z1, z2);

int h, m, s;
ZEIT_toHMS(sum, &h, &m, &s);

printf("Zeit Summe = %02d:%02d:%02d\n", h, m, s);
return 0;
}

Programm: Ausnahmebehandlung in C

Die Ausnahmebehandlung (exception handling) in C erfolgt mit den Funktionen setjmp() und longjmp(). Die setjmp() Funktion erfüllt die Aufgaben von try und catch, die longjmp() Funktion entspricht throw.

Datei zeitd.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <setjmp.h>

#define EINTAG (24*60*60)

typedef int ZEIT;

jmp_buf zeitd_try;

ZEIT ZEIT_fromHMS(int h, int m, int s) {
if (h < 0 || h > 23 || m < 0 || m > 59 || s < 0 || s > 61) {
    longjmp(zeitd_try, -1);        // throw
}
return 3600 * h + 60 * m + s;
}

ZEIT ZEIT_add(ZEIT z1, ZEIT z2) {
ZEIT sum = z1 + z2;
if (sum >= EINTAG) {
    sum -= EINTAG;
}
return sum;
}

void ZEIT_toHMS(int z, int *h, int *m, int *s) {
*h = z / 3600;
z -= 3600 * (*h);   // die vollen Stunden abziehen
*m = z / 60;
*s = z - 60 * (*m); // die vollen Minuten abziehen
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 7) {
    fprintf(stderr, "usage: zeit h1 m1 s1 h2 m2 s2\n");
    exit(1);
}
int zeitd_catch = setjmp(zeitd_try);
if (0 == zeitd_catch) {                 // try
    int h1 = atoi(argv[1]);
    int m1 = atoi(argv[2]);
    int s1 = atoi(argv[3]);
    ZEIT z1 = ZEIT_fromHMS(h1, m1, s1);

    int h2 = atoi(argv[4]);
    int m2 = atoi(argv[5]);
    int s2 = atoi(argv[6]);
    ZEIT z2 = ZEIT_fromHMS(h2, m2, s2);

    ZEIT sum = ZEIT_add(z1, z2);

    int h, m, s;
    ZEIT_toHMS(sum, &h, &m, &s);

    printf("Zeit Summe = %02d:%02d:%02d\n", h, m, s);
}
else {                                // catch
    fprintf(stderr,"catch mit value = %d erhalten\n", zeitd_catch);
}

return 0;
}

Ausblick: Uhrzeiten rechnen als C++ Programm

Die Schreibweise des C Programms zeit.c erscheint seltsam solange man nicht die C++ Versionen des Programms kennt. Dann wird klar das die Schreibweise ZEIT_add() in C die Schreibweise ZEIT::add() in C++ vorweg nehmen will.
Das Programm zeita.cpp ist noch sehr nahe an der Vorlage zeit.c. Das Programm zeitb.cpp benutzt die C++ Eigenschaften

Konstruktor mit Parameter aufrufen
Operator überladen

Das Programm zeitc.cpp benutzt noch Exceptions (Fehler Ausnahme).

Programm Test

Programm kompilieren mit
g++ -Wall -o zeita zeita.cpp
g++ -Wall -o zeitb zeitb.cpp
g++ -Wall -o zeitc zeitc.cpp

Programm-Aufruf mit den beiden Uhrzeiten 10:29:01 und 15:30:59
./zeita 10 29 01 15 30 59
./zeitb 10 29 01 15 30 59
./zeitc 10 29 01 15 30 59

Übung

Keine. Einfach nur den C++ Quelltext ansehen und überlegen ob C++ die Mühe wert ist. Hier ein kleiner C++ mit C Vergleich:

C++	C
class	struct und Funktionen mit struct-Zeiger *this als ersten Parameter
try, throw, catch	setjmp(), longjmp()
Operator überladen	nicht möglich, Funktionen anstelle von Operatoren nutzen

Datei zeita.cpp

#include <cstdio>
#include <cstdlib>

#define EINTAG (24*60*60)

class ZEIT {
int z;
public:
void fromHMS( int h, int m, int s);
void add(ZEIT z1, ZEIT z2);
void toHMS(int *h, int *m, int *s);
};

void ZEIT::fromHMS( int h, int m, int s) {
z = 3600 * h + 60 * m + s;
};

void ZEIT::add(ZEIT z1, ZEIT z2) {
z = z1.z + z2.z;
if (z >= EINTAG) {
    z -= EINTAG;
}
};

void ZEIT::toHMS(int *h, int *m, int *s) {
*h = z / 3600;
z -= 3600 * (*h);
*m = z / 60;
*s = z - 60 * (*m);
};

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 7) {
    fprintf(stderr, "usage: zeita h1 m1 s1 h2 m2 s2\n");
    exit(1);
}
int h1 = atoi(argv[1]);
int m1 = atoi(argv[2]);
int s1 = atoi(argv[3]);
ZEIT z1;
z1.fromHMS(h1, m1, s1);

int h2 = atoi(argv[4]);
int m2 = atoi(argv[5]);
int s2 = atoi(argv[6]);
ZEIT z2;
z2.fromHMS(h2, m2, s2);

ZEIT sum;
sum.add(z1, z2);

int h, m, s;
sum.toHMS(&h, &m, &s);

printf("Zeit Summe = %02d:%02d:%02d\n", h, m, s);
return 0;
}

Datei zeitb.cpp

#include <cstdio>
#include <cstdlib>

#define EINTAG (24*60*60)

class ZEIT {
int z;
public:
ZEIT() { z = 0; };            // Konstruktor ohne Parameter

ZEIT(int h, int m, int s) {   // Konstruktor mit Parameter
    z = 3600 * h + 60 * m + s;
};

ZEIT operator+(ZEIT z1) {     // Operator Ueberladung
    z += z1.z;
    if (z >= EINTAG) {
      z -= EINTAG;
    }
    return *this;
};

void toHMS(int *h, int *m, int *s) {
    *h = z / 3600;
    z -= 3600 * (*h);
    *m = z / 60;
    *s = z - 60 * (*m);
};
};

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 7) {
    fprintf(stderr, "usage: zeitb h1 m1 s1 h2 m2 s2\n");
    exit(1);
}
int h1 = atoi(argv[1]);
int m1 = atoi(argv[2]);
int s1 = atoi(argv[3]);
ZEIT z1(h1, m1, s1);      // Konstruktor benutzen

int h2 = atoi(argv[4]);
int m2 = atoi(argv[5]);
int s2 = atoi(argv[6]);
ZEIT z2(h2, m2, s2);

ZEIT sum = z1 + z2;       // Operator Ueberladung benutzen

int h, m, s;
sum.toHMS(&h, &m, &s);

printf("Zeit Summe = %02d:%02d:%02d\n", h, m, s);
return 0;
}

Datei zeitc.cpp

#include <cstdio>
#include <cstdlib>

#define EINTAG (24*60*60)

class ZEIT {
int z;
public:
ZEIT() { z = 0; };                // Konstruktor ohne Parameter

ZEIT(int h, int m, int s) {       // Konstruktor mit Parameter
    if (h < 0 || h > 23 || m < 0 || m > 59 || s < 0 || s > 61) {
      throw -1;                     // Exception ausloesen
    }
    z = 3600 * h + 60 * m + s;
};

ZEIT operator+(ZEIT z1) {         // Operator Ueberladung
    z += z1.z;
    if (z >= EINTAG) {
      z -= EINTAG;
    }
    return *this;
};

void toHMS(int *h, int *m, int *s) {
    *h = z / 3600;
    z -= 3600 * (*h);
    *m = z / 60;
    *s = z - 60 * (*m);
};
};

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 7) {
    fprintf(stderr, "usage: zeitc h1 m1 s1 h2 m2 s2\n");
    exit(1);
}
try {                             // Exception Block
    int h1 = atoi(argv[1]);
    int m1 = atoi(argv[2]);
    int s1 = atoi(argv[3]);
    ZEIT z1(h1, m1, s1);            // Konstruktor benutzen
    int h2 = atoi(argv[4]);
    int m2 = atoi(argv[5]);
    int s2 = atoi(argv[6]);
    ZEIT z2(h2, m2, s2);
    ZEIT sum = z1 + z2;             // Operator Ueberladung benutzen
    int h, m, s;
    sum.toHMS(&h, &m, &s);
    printf("Zeit Summe = %02d:%02d:%02d\n", h, m, s);
}
catch (int err) {                 // Exception Handler
    fprintf(stderr, "zeitc exception: %d\n", err);
    exit(1);
}
return 0;
}

Programm: Zugriffs-Funktionen für globale C-String Variable

Manchmal liest man kluge Sätze wie "vermeiden Sie globale Variablen". Dieser Rat läßt sich in der Praxis nicht umsetzen. Zustands-Variablen müssen meistens als globale Variablen definiert werden. Ein guter Rat ist hingegen "globale Variablen dürfen nur über Zugriffs-Funktionen geändert werden". Dadurch wird sichergestellt das ihr Inhalt immer wohldefiniert bleibt.
Damit eine globale Variable vor dem direkten Zugriff geschützt wird müssen in der Programmiersprache C mindestens zwei C Quelltext Dateien und eine Header Datei verwendet werden:

in der Variable Definition C Datei wird die globale Variable mit der Speicherklasse static definiert und es werden die Zugriffs-Funktionen definiert.
in der Header Datei werden die Funktionsprototypen der Zugriffs-Funktionen genannt.
in den Variable Nutzung C Dateien ist die globale Variable unbekannt und kann nur über die Zugriffs-Funktionen angesprochen werden.

Die globale Variable hat den Name userName. Die Zugriffs-Funktionen sind

userName_set() um den Inhalt der Variablen zu ändern
userName_get() um die Adresse der Variablen zu holen
userName_cpy() um eine Kopie der Variablen zu erzeugen

Das Programm palindrom testet ob der Inhalt von userName ein Palindrom ist. Hierzu werden die Funktion strreverse() und strcasecmp() benutzt. Beide Funktionen arbeiten nur mit dem ASCII Zeichensatz. Umlaute funktionieren nicht.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o palindrom palindrom.c username.c string_s.c

Programm-Aufruf
./palindrom Reliefpfeiler

Übung 1

Testen Sie das Programm mit langen Namen wie Karl-Otto-der-Zweiundvierzigste. Ändern Sie das Programm damit Namen bis zu einer Länge von 100 Zeichen korrekt verarbeitet werden.
Tipp: Sie müssen zwei Zahlen-Konstanten ändern, mehr nicht!

Übung 2

Das Programm palindrom1.c soll die gleiche Aufgabe ausführen, aber nicht mehr die Zugriffs-Funktion userName_cpy() verwenden.

Datei username.h

#ifndef _USERNAME_H
#define _USERNAME_H

// Zugriffs Funktionen fuer C-String userName globale Variable
void userName_set(const char *s);
const char *userName_get();
void userName_cpy(char *s, int n);

#endif

Datei username.c

#include "string_s.h"
#include "username.h"

static char userName[20] = "";

void userName_set(const char *s) {
strcpy_s(userName, sizeof userName, s);
}

const char *userName_get() {
return userName;
}

void userName_cpy(char *s, int n) {
strcpy_s(s, n, userName);
}

Datei palindrom.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "username.h"

// String rueckwaerts
void strreverse(char *s)
{
int a = 0;
int z = strlen(s)-1;
while (a < z) {
    char tmp = s[a];    // Dreier Tausch
    s[a] = s[z];
    s[z] = tmp;
    ++a;
    --z;
}
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 2) {
    fprintf(stderr, "usage: palindrom userName\n");
    exit(1);
}
userName_set(argv[1]);
printf("userName ist %s\n", userName_get());

char s[40] = "";
userName_cpy(s, sizeof s);
strreverse(s);
printf("userName rueckwaerts ist %s\n", s);

int rv = strcasecmp(userName_get(), s);
if (0 == rv) {
    printf("userName ist ein Palindrom\n");
}

return 0;
}

Ausblick: Zugriffs-Funktionen in C++ für C-String Variablen

In der C Lösung sind die Variable userName und die Zugriffsfunktionen wie userName_set() ganz eng verbunden.
In der C++ Lösung lassen sich die Variable und ihre Zugriffsfunktionen voneinander trennen. Die Klasse CSTRING20 erlaubt beliebig vielen 20 Zeichen langen C-String Variablen den Schutz durch die Zugriffsfunktionen. Diese Verallgemeinerung von Zugriffsfunktionen ist der Kern der objekt orientierten Programmierung (OOP).
In der C++ Standardbibliothek gibt es die Klasse string welche umfangreicher und flexibler als CSTRING20 ist. Siehe z.B. das Buch C++ von A bis Z von Jürgen Wolf Kapitel 7.1 Die String-Bibliothek (string-Klasse).

Programm Test

Programm kompilieren mit
g++ -Wall -o palindroma palindroma.cpp cstring20.cpp string_s.c

Programm-Aufruf
./palindroma Reliefpfeiler

Übung

Keine. Einfach nur den C++ Quelltext ansehen und überlegen ob C++ die Mühe wert ist.

Datei cstring20.hpp

#ifndef _CSTRING20_HPP
#define _CSTRING20_HPP

class CSTRING20 {
char cstr[20];
public:
CSTRING20();
void set(const char *s);
const char *get();
void cpy(char *s, unsigned n);
};

#endif

Datei cstring20.cpp

#include <cstring>
#include "string_s.h"
#include "cstring20.hpp"

CSTRING20::CSTRING20() { // Konstruktor
cstr[0] = '\0'; // erzeugt wohlgeordnete Variable
}

void CSTRING20::set(const char *s) {
strcpy_s(cstr, sizeof cstr, s);
}

const char *CSTRING20::get() {
return cstr;
}

void CSTRING20::cpy(char *s, unsigned n) {
strcpy_s(s, n, cstr);
}

Datei palindroma.cpp

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include "cstring20.hpp"

// String rueckwaerts
void strreverse(char *s)
{
int a = 0;
int z = strlen(s)-1;
while (a < z) {
    char tmp = s[a];    // Dreier Tausch
    s[a] = s[z];
    s[z] = tmp;
    ++a;
    --z;
}
}

CSTRING20 userName;

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 2) {
    fprintf(stderr, "usage: palindrom userName\n");
    exit(1);
}

userName.set(argv[1]);
printf("userName ist %s\n", userName.get());

char s[40] = "";
userName.cpy(s, sizeof s);
strreverse(s);
printf("userName rueckwaerts ist %s\n", s);

int rv = strcasecmp(userName.get(), s);
if (0 == rv) {
    printf("userName ist ein Palindrom\n");
}

return 0;
}

Programm: ASCII Datei in Großbuchstaben wandeln

In diesem Programm geht es um die gepufferte Ein-/Ausgabe (stream-io, Datenstrom-Ein/Ausgabe) unter Linux. Der Dateiname einer ASCII Datei wird als Parameter übergeben. Der Dateiinhalt in Großbuchstaben wird auf stdout ausgegeben. Die drei Filepointer stdin, stdout und stderr stehen jedem C-Programm direkt zur Verfügung.

Filepointer	file-descriptor	Bedeutung
stdin	STDIN_FILENO	Standard Eingabe, üblicherweise die Tastatur
stdout	STDOUT_FILENO	Standard Ausgabe, üblicherweise das xterm Fenster
stderr	STDERR_FILENO	Standard Fehlerausgabe, üblicherweise das xterm Fenster

Der Aufruf
./toupper toupper.c
liefert die Ausgabe:

/* TOUPPER.C
*
* GCC -WALL -O TOUPPER TOUPPER.C
*
*/

#INCLUDE <STDIO.H>
#INCLUDE <STDLIB.H>
#INCLUDE <STRING.H>
#INCLUDE <CTYPE.H>

// STRING IN GROSSBUCHSTABEN WANDELN
VOID STRTOUPPER(CHAR *S) {
...

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o toupper toupper.c

Im xterm Fenster eingeben:
./toupper toupper.c

Übung 1

Die Variable buf hat eine Größe von 100 Zeichen. Ändern Sie für die Datei toupper1.c die Größe auf 2 Zeichen und lassen Sie das Programm laufen. Gibt es Unterschiede in der Ausgabe? Testen Sie die Programmlaufzeit der beiden Versionen mit
time ./toupper toupper.c
time ./toupper1 toupper.c
Was bemerken Sie?
Was passiert bei Puffer-Größe 1? Warum?

Übung 2

Ändern Sie die Datei toupper.c in tolower.c. Der Dateiinhalt soll nun in Kleinbuchstaben umgewandelt werden.
Tipp: Sie müssen nur eine Quelltextzeile ändern.

Datei toupper.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>

// String in Grossbuchstaben wandeln
void strtoupper(char *s) {
int i;
for (i = 0; s[i] != '\0'; ++i) {
    s[i] = toupper(s[i]);
}
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 2) {
    fprintf(stderr, "usage: toupper file\n");
    exit(1);
}

FILE *fp = fopen(argv[1], "r");
if (NULL == fp) {
    perror("toupper fopen");
    exit(1);
}

for(;;) {                                 // Endlosschleife
    char buf[100];
    char *rv = fgets(buf, sizeof buf, fp);
    if (NULL == rv) break;                  // Schleife beenden
    strtoupper(buf);
    printf("%s", buf);
}
fclose(fp);

return 0;
}

Programm: Prüfsumme (Hashfunktion)

Eine Datenübertragung wird oft durch eine Prüfsumme abgesichert. Die hier vorgestellte Prüfsumme hat eine Länge von 24 Bits. Im Sender wird vor der Datenübertragung aus den Daten die Prüfsumme berechnet. Dann werden Daten und Prüfsumme an den Empfänger übertragen. Der Empfänger berechnet die Prüfsumme erneut und vergleicht die berechnete Prüfsumme mit der empfangenen Prüfsumme. Haben beide Prüfsummen den gleichen Wert, gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Daten korrekt empfangen wurden. Die vorgestellte Prüfsumme wird nach der Divisionsrestmethode berechnet. Die Daten bilden den Zähler und eine Primzahl bildet den Nenner für die Modulo (Divisionsrest) Berechnung. Der Divisionsrest ist die Prüfsumme, eine sehr gute Prüfsumme sogar.
Mit den Prüfsummen-Algorithmen läßt sich auch ein Hash-Speicher betreiben. Die Hashfunktion berechnet aus Teilen des Datensatzes wie Kunden-Name einen Hash-Wert. Dieser Hash-Wert wird als Index für die Abspeicherung im Hash-Speicher, einem Array von Datensätzen, benutzt. Ein Datensatz wird aus dem Hash-Speicher gelesen indem erneut ein hashing des Kunden-Name durchgeführt wird. Der Hash-Wert bestimmt den Speicherplatz des Kunden-Datensatzes. Zwei Kunden mit dem Namen "Hans Meier" erhalten den gleichen Hash-Wert, eine Hash-Kollision liegt vor. Eine solche Kollision wird beim Schreiben in den Hash-Speicher erkannt, wenn der Datensatz im Hash-Speicher schon belegt ist. Strategien gegen Hash-Kollision sollen hier nicht weiter besprochen werden.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o hashwert hashwert.c

Im xterm Fenster eingeben:
./hashwert

Datei hashwert.c

#include "stdio.h"
#include "string.h"

/* Berechne 24 Bit Hashwert nach Divisionsrestmethode
* in: 7 Bit ASCII Zeichenkette, 0 terminiert
* out: Hashwert als Long Integer
*/
long hashwert(const char *d) {
    int length = strlen(d), n = 0;
    long r = 0;
    while (n < length) {
        r = (128 * r + d[n++]) % 16777213; // Nenner ist Primzahl
    }
    return r;
}

int main() {
    char str[] = "The quick brown fox jumps over the lazy dog";
    long hw = hashwert(str);
    printf("Text ist \"%s\"\n", str);
    printf("Hashwert ist %lx hexadezimal\n", hw);
    return 0;
}

Programm: Prüfsumme CRC-32

Die Prüfsumme nach der Divisionsrestmethode ist einfach in Software zu programmieren. Einfach in Hardware zu realisieren ist der Cyclic Redundancy Check (CRC). Im Ethernet-Standard IEEE 802.3 wird die Erzeugung der 32 Bit langen CRC-32 Prüfsumme erklärt. Das Programm crc32.c liefert für einen 0-terminierten ASCII String die CRC-32 Prüfsumme. Die Berechnung der CRC-32 im Sender und die Überprüfung der CRC-32 im Empfänger wird üblicherweise in Hardware ausgeführt. Eine Datenübertragung über V.24 kann hardwaremässig mit einem Paritätsbit pro Datenbyte abgesichert werden. Anstelle der vielen Paritätsbits kann eine CRC-32 Prüfsumme am Ende der V.24 Meldung benutzt werden.
Der Empfänger berechnet aus den Daten die CRC-32 Prüfsumme erneut. Sind die im Empfänger berechnete Prüfsumme und die von Sender gesandte Prüfsumme gleich, dann besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, daß die empfangene Meldung der abgesandten Meldung entspricht.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o crc32 crc32.c

Im xterm Fenster eingeben:
./crc32

Datei crc32.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>

/* CRC-32 Polynom                = 0x04C11DB7
* als Binaerzahl                = 0000 0100 1100 0001 0001 1101 1011 0111
* von rechts nach links gelesen = 1110 1101 1011 1000 1000 0011 0010 0000
* als Hexzahl                   = 0xEDB88320
*/

/* CRC-32 nach IEEE 802.3 (Ethernet) berechnen fuer 0-terminierten C-String */
unsigned long crc32(const char *str)
{
int j, length = strlen(str);
unsigned long crc32_rev = 0xffffffff;    // Schieberegister, Startwert (111...)

for (j = 0; j < length; ++j) {    // Schleife ueber alle Zeichen
    int i, mask = 0x01;    // LSB Bit maskieren

    for (i = 0; i < 8; ++i) {    // Schleife ueber Bits im Zeichen
      unsigned bit = (str[j] & mask) ? 1 : 0;   // Bit i aus Zeichen j holen

      // der CRC-32 Algorithmus fuer ein Bit
      if ((crc32_rev & 1) != bit) {
        crc32_rev = (crc32_rev >> 1) ^ 0xEDB88320;
      } else {
        crc32_rev >>= 1;
      }
      mask += mask;        // Maske auf naechstes Bit setzen
    }
}
return crc32_rev ^ 0xffffffff;    // inverses Ergebnis, MSB zuerst
}

int main() {
char *s = "The quick brown fox jumps over the lazy dog";

unsigned long rv = crc32(s);
printf("CRC-32 von %s ist %lx hexadeximal\n", s, rv);
return 0;
}

Programm: Festkomma Bibliothek

Der C Compiler kennt die Datentypen short, int und long für Ganzzahlen sowie float und double für Fließkommazahlen. Die Länge eines Automobils von 4,45m kann als Fließkommanzahl angegeben werden. Mit einem "Trick" ist auch eine Darstellung als Ganzzahl möglich. Wir ändern die Maßeinheit von Meter auf Centimeter. Das Auto ist 445cm lang.
Eine Festkomma-Zahl verallgemeinert die Idee der Werteangabe in einer passenden Einheit. Die Automobil-Länge "445" kann als Zahl mit Komma verstanden werden. Im Programm muß die Position des Kommas festgelegt sein. Bei der Eingabe wird der Komma entfernt und aus der Festkomma-Zahl 4,45 wird die Ganz-Zahl 445. Bei der Ausgabe wird das Komma an der richtigen Stelle wieder eingeführt. Eine Festkomma-Zahl hat keinen Exponenten. Bei vielen Aufgaben ist der enorme Wertebereich von Fließkomma-Zahlen nicht nötig.
Die Festkomma-Bibliothek arbeitet mit 15.17 Festkomma-Zahlen. 15 Bits werden für den Ganz-Zahl Anteil benutzt und 17 Bits für den Nach-Komma Anteil. Der Zahlenbereich reicht von -9999,99999 bis 9999,99999. Die Festkomma-Bibliothek ist nützlich für "winzige" Computer ohne Fliesskomma-Einheit. Häufig wird Festkomma-Rechnung bei Digitalen Signal Prozessoren (DSP) eingesetzt. Audio- und Videodaten werden im Festkomma-Format verarbeitet.
Die hier vorgestellte Festkomma Bibliothek ist klein an Quelltext-Zeilen, aber schon recht umfangreich. Dank der Implementierung in C++ können numerische Ausdrücke in der üblichen Infix-Notation geschrieben werden. Sind die Variablen a, b zwei Festkomma-Zahlen, so addiert der Quelltext a + b die beiden Zahlen. In gleicher Weise berechnet sqrt(a) die Quadratwurzel von einer Festkomma-Zahl.
Der Quelltext der Festkomma Bibliothek besteht aus mehreren Teilen. Zuerst gibt es die Umwandlungsfunktionen. Die Funktion strToFixed() wandelt einen C-String in eine Festkomma-Zahl, die Funktion fixedToStr() wandelt von Festkomma-Zahl nach C-String. Der zweite Teil ist der Quelltext des unified CORDIC Algorithmus. Mit dem unified CORDIC können Festkomma-Zahlen multipliert und dividiert werden, wenn der CORDIC Algorithmus im LINEAR Modus arbeitet. Im CIRCULAR Modus werden trigonometrische Funktionen wie sin(), cos(), tan(), atan() berechnet. Der HYPERBOLIC Modus liefert sinh(), cosh(), tanh(), atanh(). Die Funktionen exp(), log(), sqrt() werden genauso schnell wie sin() vom CORDIC Algorithmus berechnet. Neben dem grossen Vorteil von CORDIC, nämlich einem Algorithmus für fast alle Funktionen, gibt es den Nachteil des kleinen Konvergenzbereiches. Der CORDIC Algorithmus kann sqrt() nur für Eingangswerte von 0,03 bis 2,42 berechnen.

Funktion	konvergiert für Eingangswerte
mul, div	-1 .. 1
sin, cos, tan	-1.74 .. 1.74
atan	-unendlich .. unendlich
sinh, cosh, tanh	-1.13 .. 1.13
atanh	-0.81 .. 0.81
exp	-1 .. 1
log	0.10 .. 9.58
sqrt	0.03 ..2.42
asin	-0.985 .. 0.985
asinh	-1.13 .. 1.13

Tabelle aus J.S. Walther: A unified algorithm for elementary functions. Weitere Artikel über unified CORDIC sind
Pitts Jarvis, III; 1990; A single compact routine for computing transcendental functions; Dr.Dobb's Journal
Ray Andraka; 1998; A survey of CORDIC algorithms for FPGAs; ACM/SIGDA 6th international symposium on FPGAs

Programm Test

Programm kompilieren mit
g++ -o fixedp_test fixedp_test.cpp fixedp.cpp

Das Programm starten mit
./fixedp_test

Datei fixedp.hpp

Die Headerdatei beschreibt die Festkomma-Bibliotheks Schnittstelle. Die C++ Klasse ist für die Operatoren wie +, -, * und / nötig.

/* signed fixed-point */
/* mit FRACTIONBITS = 17 ist Bereich -9999.99999 .. -9999.99999 */
typedef long fixed;

enum {
    FRACTIONBITS = 17, // Position Dezimalpunkt, gezaehlt von rechts
    N = 17, // Anzahl CORDIC Schleifendurchlaeufe
    F = 5, // Anzahl Stellen nach Komma im Dezimalsystem
    G = 5, // Anzahl Stellen vor Komma im Dezimalsystem
    M = 6, // atan(2^-i), atanh(2^-i) Array Groesse
    CIRCULAR = 0, // CORDIC mode
    HYPERBOLIC = 1,
    LINEAR = 2,
    ROTATE = 0, // CORDIC flag
    VECTOR = 1,
    SCALE = 1 << FRACTIONBITS, // 1.0 als fixed Zahl
};

#define FIXED(X)    ((fixed)((X) * SCALE))
#define FLOAT(X)    ((X) / (double)SCALE)

void cordic(int m, int f, fixed c, fixed &x, fixed &y, fixed &z);

class fixedp {
public:
    fixed f; // Festpunkt Zahl
    fixedp();
    fixedp(char const *s);
    fixedp(fixed arg);
    const char *str();
    fixedp operator+(fixedp arg);
    fixedp operator-(fixedp arg);
    fixedp operator*(fixedp arg);
    fixedp operator/(fixedp arg);
    double tof();
};

fixedp sin(fixedp arg);
fixedp cos(fixedp arg);
void sincos(fixedp arg, fixedp *sinx, fixedp *cosx);
fixedp hypot(fixedp argX, fixedp argY);
fixedp atan(fixedp arg);
fixedp sinh(fixedp arg);
fixedp cosh(fixedp arg);
fixedp cathetus(fixedp argX, fixedp argY);
fixedp atanh(fixedp arg);
fixedp tan(fixedp arg);
fixedp tanh(fixedp arg);
fixedp log(fixedp arg);
fixedp exp(fixedp arg);
fixedp sqrt(fixedp arg);
fixedp asin(fixedp arg);
fixedp asinh(fixedp arg);

Datei fixedp.cpp

Der unified CORDIC Algorithmus steht in der Funktion cordic().

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "fixedp.hpp"

fixed intScale[] = {
   // 10000 als fixed, 1000 als fixed, ..
   0x4e200000, 0x7d00000, 0xc80000, 0x140000, 0x20000,
};
fixed fractionScale[] = {
   // 0.1 als fixed, 0.01 als fixed, ...
   0x3333, 0x51e, 0x83, 0xd, 0x1,
};
fixed deltaValues[][M] = {
   // atan(1), atan(1/2), atan(1/4), .. als fixed
   {0x1921f, 0xed63, 0x7d6d, 0x3fab, 0x1ff5, 0xffe,},
   // atanh(1/2), atan(1/4), atan(1/8), .. als fixed
   {0x1193e, 0x82c5, 0x4056, 0x200a, 0x1001, 0x800,}
};
fixed C1circ = 0x136e9; // 1/Circular Gain als fixed
fixed C1hyper = 0x26a43; // 1/Hyperbolic Gain als fixed
fixed C2hyper = 0xbaa4;

fixed strToFixed(const char *s) {
   fixed f = 0;
   int i, isNegative = 0, isFraction = 0;
   for (i = 0; *s; ++s) {
      if ('-' == *s) {
         isNegative = 1;
      } else if ('.' == *s) {
         f <<= FRACTIONBITS;
         isFraction = 1;
      } else if (isFraction) {
         int j;
         // multiplizieren durch mehrfaches addieren
         for (j = *s; j > '0'; --j) {
            f += fractionScale[i];
         }
         ++i;
      } else {
         // (f << 1) + (f << 3) = f * 2 + f * 8 = f * 10
         f = (f << 1) + (f << 3) + *s - '0';
      }
   }
   if (!isFraction) f <<= FRACTIONBITS;
   if (isNegative) f = -f;
   return f;
}

void fixedToStr(char *s, fixed f) {
   int i, has1to9 = 0;
   if (f < 0) { // Vorzeichen
      f = -f;
      *s++ = '-';
   }
   for (i = 0; i < G; ++i) { // Stellen vor Komma
      int digit = '0';
      while (f >= intScale[i]) {
         has1to9 = 1;
         ++digit;
         f -= intScale[i];
      }
      if (has1to9) *s++ = digit;
   }
   if (!has1to9) *s++ = '0'; // mindestens 0 vor Komma
   *s++ = '.';
   for (i = 0; i < F; ++i) { // Stellen nach Komma
      f = (f << 1) + (f << 3); // f = 10 * f
      int digit = '0';
      while (f >= SCALE) {
         ++digit;
         f -= SCALE;
      }
      *s++ = digit;
   }
   *s = '\0';
}

/* unified CORDIC algorithmus nach Walther, 1971
*            Start Delta shift sequence
* LINEAR      1.0         0, 1, 2, 3, ..
* CIRCULAR    atan(1.0)   0, 1, 2, 3, ..
* HYPERBOLIC atanh(0.5) 1, 2, 3, 4, 4, 5, .. (wiederhole 3*k+1 fuer k = 1, 2, ..)
*
* m = HYPERBOLIC or LINEAR or CIRCULAR mode
* f = ROTATE or VECTOR flag
* c, x, y, z = input values
* x, y, z = output values
*/
void cordic(int m, int f, fixed c, fixed &x, fixed &y, fixed &z) {
   fixed *pDelta = deltaValues[m];
   fixed delta = SCALE; // fixed 1.0
   int i;
   for (i = (HYPERBOLIC == m) ? 1 : 0; i < N; ++i) {
      int j = (HYPERBOLIC == m && (4 == i || 13 == i)) ? 2 : 1;
      while (--j >= 0) {
         fixed xs = x >> i;
         int f1 = (f) ? y >= c : z < c;
         if (m != LINEAR) {
            if (i < M) delta = *pDelta;
            fixed ys = y >> i;
            int f2 = (CIRCULAR == m) ? f1 : 1 - f1;
            x = (f2) ? x + ys : x - ys;
         }
         y = (f1) ? y - xs : y + xs;
         z = (f1) ? z + delta : z - delta;
      }
      delta >>= 1;
      ++pDelta;
   }
}

fixedp sin(fixedp arg) {
   fixed x = C1circ, y = 0, z = arg.f;
   cordic(CIRCULAR, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = y;
   return rv;
}

fixedp cos(fixedp arg) {
   fixed x = C1circ, y = 0, z = arg.f;
   cordic(CIRCULAR, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = x;
   return rv;
}

void sincos(fixedp arg, fixedp *sinx, fixedp *cosx) {
   /* GNU libc extention to math.h */
   fixed x = C1circ, y = 0, z = arg.f;
   cordic(CIRCULAR, ROTATE, 0, x, y, z);
   sinx->f = y;
   cosx->f = x;
}

fixedp hypot(fixedp argX, fixedp argY) {
   /* hypot() = sqrt(x*x + y*y) = Laenge der Hypotenuse = Vektor Betrag */
   fixed x = argX.f, y = argY.f, z = 0;
   if (x < 0) x = -x; // x muss positiv sein
   cordic(CIRCULAR, VECTOR, 0, x, y, z);
   y = 0, z = C1circ;
   cordic(LINEAR, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = y;
   return rv;
}

fixedp atan(fixedp arg) {
   fixed x = SCALE, y = arg.f, z = 0;
   cordic(CIRCULAR, VECTOR, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = z;
   return rv;
}

fixedp sinh(fixedp arg) {
   fixed x = C1hyper, y = 0, z = arg.f;
   cordic(HYPERBOLIC, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = y;
   return rv;
}

fixedp cosh(fixedp arg) {
   fixed x = C1hyper, y = 0, z = arg.f;
   cordic(HYPERBOLIC, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = x;
   return rv;
}

/* cathetus() = sqrt(x*x - y*y) = Laenge der Kathete */
fixedp cathetus(fixedp argX, fixedp argY) {
   fixed x = argX.f, y = argY.f, z = 0;
   if (x < 0) x = -x; // x muss positiv sein
   cordic(HYPERBOLIC, VECTOR, 0, x, y, z);
   y = 0, z = C1hyper;
   cordic(LINEAR, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = y;
   return rv;
}

/* CORDIC atanh nicht 4 Quadranten geeignet */
fixedp atanh(fixedp arg) {
   fixed x = SCALE, y = arg.f, z = 0;
   cordic(HYPERBOLIC, VECTOR, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = z;
   return rv;
}

/* nach Walther eq. (17) */
fixedp tan(fixedp arg) {
   fixed x = C1circ, y = 0, z = arg.f;
   cordic(CIRCULAR, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = y;
   rv = rv / x;
   return rv;
}

/* nach Walther eq. (18) */
fixedp tanh(fixedp arg) {
   fixed x = C1circ, y = 0, z = arg.f;
   cordic(HYPERBOLIC, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = y;
   rv = rv / x;
   return rv;
}

/* nach Walther eq. (20) */
fixedp log(fixedp arg) {
   fixed x = arg.f + SCALE, y = arg.f - SCALE, z = 0;
   cordic(HYPERBOLIC, VECTOR, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = z << 1; // * 2
   return rv;
}

/* nach Jarvis Example 4d */
fixedp exp(fixedp arg) {
   fixed x = C1hyper, y = C1hyper, z = arg.f;
   cordic(HYPERBOLIC, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = x;
   return rv;
}

/* nach Jarvis Example 4e */
fixedp sqrt(fixedp arg) {
   fixed x = arg.f + C2hyper, y = arg.f - C2hyper, z = 0;
   cordic(HYPERBOLIC, VECTOR, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = x;
   return rv;
}

/* nach Andraka ch. 3.8 */
fixedp asin(fixedp arg) {
   fixed x = C1circ, y = 0, z = 0;
   cordic(CIRCULAR, VECTOR, -arg.f, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = z;
   return rv;
}

/* nach Andraka ch. 3.8 */
fixedp asinh(fixedp arg) {
   fixed x = C1hyper, y = 0, z = 0;
   cordic(HYPERBOLIC, VECTOR, -arg.f, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = z;
   return rv;
}

/* Constructors: */
fixedp::fixedp() {
   f = 0;
};

fixedp::fixedp(char const *s) {
   f = strToFixed(s);
}

fixedp::fixedp(fixed arg) {
   f = arg;
}

const char *fixedp::str() {
   static char t[16][20];
   static int ndx;
   ndx = (++ndx) & 15;
   fixedToStr(&t[ndx][0], f);
   return t[ndx];
}

fixedp fixedp::operator+(fixedp arg) {
   fixedp rv;
   rv.f = f + arg.f;
   return rv;
}

fixedp fixedp::operator-(fixedp arg) {
   fixedp rv;
   rv.f = f - arg.f;
   return rv;
}

fixedp fixedp::operator*(fixedp arg) {
   fixed x = f, y = 0, z = arg.f;
   cordic(LINEAR, ROTATE, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = y;
   return rv;
}

fixedp fixedp::operator/(fixedp arg) {
   fixed x = arg.f, y = f, z = 0;
   if (x < 0) {
      x = -x; // x muss positiv sein
      y = -y; // deshalb Vorzeichenwechsel
   }
   cordic(LINEAR, VECTOR, 0, x, y, z);
   fixedp rv;
   rv.f = z;
   return rv;
}

double fixedp::tof() {
   return FLOAT(f);
}

Datei fixedp_test.cpp

Die Festkomma Bibliothek wird mit dieser Datei getestet. In der Programmausgabe steht das Ergebnis der Festkomma-Bibliothek neben dem entsprechenden Ergebnis der Fließkomma-Bibliothek. Die Funktion cordicInit() erzeugt die Konstanten für die ASCII nach Festkomma-Umwandlung und den CORDIC Algorithmus. Die Funktion cordicInit() ist auf der Zielmaschine nicht nötig. Diese Funktion zeigt das Henne-Ei Problem: Es werden Fließkomma-Berechnungen wie atan() benötigt um die Konstanten zu bestimmen für die Festkomma-Bibliothek mit ihrer atan() Funktion.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include "fixedp.hpp"

extern fixed intScale[];
extern fixed fractionScale[];
extern fixed deltaValues[][M];
extern fixed C1circ;
extern fixed C1hyper;
extern fixed C2hyper;

void cordicInit() {
   int i;
   double arg;

   printf("static fixed intScale[] = {\n");
   long factor = 1;
   for (i = 0; i < G - 1; ++i) factor *= 10;
   for (i = 0; i < G; ++i) {
      intScale[i] = factor * SCALE;
      factor /= 10;
      printf("0x%x, ", intScale[i]);
   }
   printf("};\n");

   printf("static fixed fractionScale[] = {\n");
   factor = 10;
   for (i = 0; i < F; ++i) {
      fractionScale[i] = SCALE / factor;
      factor *= 10;
      printf("0x%x, ", fractionScale[i]);
   }
   printf("};\n");

   printf("static fixed deltaValues[][M] = {\n{");
   for (i = 0, arg = 1.0; i < M; ++i, arg /= 2.0) {
      deltaValues[CIRCULAR][i] = FIXED(atan(arg));
      printf("0x%x, ", deltaValues[CIRCULAR][i]);
   }
   printf("},\n{");
   for (i = 0, arg = 0.5; i < M; ++i, arg /= 2.0) {
      deltaValues[HYPERBOLIC][i] = FIXED(atanh(arg));
      printf("0x%x, ", deltaValues[HYPERBOLIC][i]);
   }
   printf("}};\n");
   /* Bestimme CORDIC Gains */
   fixed x = SCALE, y = 0, z = 0;
   cordic(CIRCULAR, ROTATE, 0, x, y, z);
   C1circ = FIXED(1.0 / FLOAT(x));

   x = SCALE, y = 0, z = 0;
   cordic(HYPERBOLIC, ROTATE, 0, x, y, z);
   C1hyper = FIXED(1.0 / FLOAT(x));

   C2hyper = FIXED((FLOAT(C1hyper) / 2.0) * (FLOAT(C1hyper) / 2.0));
   printf("static fixed C1circ = 0x%x;\n", C1circ);
   printf("static fixed C1hyper = 0x%x;\n", C1hyper);
   printf("static fixed C2hyper = 0x%x;\n", C2hyper);
}

int main() {
   cordicInit();
   fixedp x = "0.123";
   fixedp y("0.456");
   printf("(0.123) %s = x, (0.456) %s = y\n", x.str(), y.str());

   printf("\n+, - and CORDIC functions:\n");

   char const *xArgs[] = {"0.3", "-0.3"};
   char const *yArgs[] = {"0.2", "-0.2"};

   fixedp f;
   int i, j;
   for (i = 0; i < 2; ++i) {
      for (j = 0; j < 2; ++j) {
         x = xArgs[i];
         y = yArgs[j];

         f = x + y;
         printf("%s = %s + %s\n", f.str(), x.str(), y.str());

         f = x - y;
         printf("%s = %s - %s\n", f.str(), x.str(), y.str());

         f = x * y;
         printf("%s = %s * %s\n", f.str(), x.str(), y.str());

         f = x / y;
         printf("%s = %s / %s\n", f.str(), x.str(), y.str());
      }
   }

   double ff; // nur zum Vergleich
   x = "-1.5708", f = sin(x), ff = sin(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = sin(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "1.5708", f = sin(x), ff = sin(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = sin(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-1.5708", f = cos(x), ff = cos(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = cos(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "1.5708", f = cos(x), ff = cos(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = cos(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-9000", f = atan(x), ff = atan(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = atan(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "9000", f = atan(x), ff = atan(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = atan(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-1.0", f = sinh(x), ff = sinh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = sinh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "1.0", f = sinh(x), ff = sinh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = sinh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-1.0", f = cosh(x), ff = cosh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = cosh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "1.0", f = cosh(x), ff = cosh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = cosh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-0.806", f = atanh(x), ff = atanh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = atanh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "0.806", f = atanh(x), ff = atanh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = atanh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "0.3", y = "0.4", f = hypot(x, y);
   printf("(0.5) %s = hypot(%s, %s)\n", f.str(), x.str(), y.str());

   x = "-0.3", y = "0.4", f = hypot(x, y);
   printf("(0.5) %s = hypot(%s, %s)\n", f.str(), x.str(), y.str());

   x = "0.3", y = "-0.4", f = hypot(x, y);
   printf("(0.5) %s = hypot(%s, %s)\n", f.str(), x.str(), y.str());

   x = "-0.3", y = "-0.4", f = hypot(x, y);
   printf("(0.5) %s = hypot(%s, %s)\n", f.str(), x.str(), y.str());

   x = "0.5", y = "0.4", f = cathetus(x, y);
   printf("(0.3) %s = cathetus(%s, %s)\n", f.str(), x.str(), y.str());

   x = "-0.5", y = "0.4", f = cathetus(x, y);
   printf("(0.3) %s = cathetus(%s, %s)\n", f.str(), x.str(), y.str());

   x = "0.5", y = "-0.4", f = cathetus(x, y);
   printf("(0.3) %s = cathetus(%s, %s)\n", f.str(), x.str(), y.str());

   x = "-0.5", y = "-0.4", f = cathetus(x, y);
   printf("(0.3) %s = cathetus(%s, %s)\n", f.str(), x.str(), y.str());

   printf("\nadditional functions:\n");

   x = "-1.5", f = tan(x), ff = tan(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = tan(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "1.5", f = tan(x), ff = tan(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = tan(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-1.1", f = tanh(x), ff = tanh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = tanh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "1.1", f = tanh(x), ff = tanh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = tanh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "0.1097", f = log(x), ff = log(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = log(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "9.1", f = log(x), ff = log(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = log(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-1.05", f = exp(x), ff = exp(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = exp(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "0.1", f = exp(x), ff = exp(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = exp(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "0.05", f = sqrt(x), ff = sqrt(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = sqrt(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "2.7", f = sqrt(x), ff = sqrt(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = sqrt(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-0.985", f = asin(x), ff = asin(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = asin(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "0.985", f = asin(x), ff = asin(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = asin(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "-1.14457257", f = asinh(x), ff = asinh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = asinh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   x = "1.14457257", f = asinh(x), ff = asinh(x.tof());
   printf("(%1.5f) %s = asinh(%s)\n", ff, f.str(), x.str());

   return 0;
}

Vorbereitung serielle Schnittstelle (V.24, RS232)

Vor der Programmierung wird mit Hilfe von UNIX Kommandos der Hardware Aufbau getestet. Für eine Kommunikation über serielle Schnittstelle zwischen zwei Computern (DTE Geräten)

muß ein Null-Modem Kabel verwendet werden
müssen beide serielle Schnittstellen auf die gleiche Geschwindigkeit, Parität, usw. gestellt werden

Die Einstellung auf 9600 bit/s, 8 Data bits, odd parity, 1 Stop bit erfolgt mit
stty -F /dev/ttyS0 9600 cs8 -cstopb parenb parodd -ignpar inpck raw -echo clocal -crtscts

Die Parameter im Detail:

-F /dev/ttyS0	Gerätespezialdatei, hier COM1 Schnittstelle
9600 cs8 -cstopb	9600 bit/s, 8 Datenbit, 1 Stopbit (-cstopb bedeutet nicht 2 Stopbits)
parenb parodd	Ungerade Parität
-ignpar inpck	Parität bei Eingangsdaten prüfen (-ignpar bedeutet nicht ignorieren)
raw	Zeichen werden transparent (ohne Ersetzungen) übertragen
-echo	Empfangene Zeichen werden nicht wieder zurückgesendet
clocal	Hardware-Handshake Signale DCD, DSR werden ignoriert
-crtscts	Hardware-Handshake Signal CTS wird ignoriert

Test der seriellen Schnittstelle mit UNIX Kommandos

Am ersten Rechner eingeben
stty -F /dev/ttyS0 9600 cs8 -cstopb parenb parodd -ignpar inpck raw -echo clocal -crtscts
cat </dev/ttyS0

Am zweiten Rechner eingeben
stty -F /dev/ttyS0 9600 cs8 -cstopb parenb parodd -ignpar inpck raw -echo clocal -crtscts
echo Hallo >/dev/ttyS0

Programm: Serielle Schnittstelle senden

Die UNIX system-calls für I/O (Input/Output, Ein-/Ausgabe) sind

open() zum Öffnen der Schnittstelle
read() zum Lesen von Bytes von der Schnittstelle
write() zum Schreiben von Bytes auf die Schnittstelle

Linux Besonderheiten:

Bei der seriellen Schnittstelle immer nur 1 Byte lesen oder schreiben
Die Tastatur-Schnittstelle arbeitet gepuffert (Zeichen werden erst bei <RETURN> übertragen. Für nicht gepufferte Tastatur-Schnittstelle das Kommando benutzen:
stty -F /dev/tty -icanon

Das Programm führt eine Endlosschleife aus. Hole ein Zeichen von der Tastatur (dem stdin Gerät) und schreibe es auf die Schnittstelle.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o seriell_send seriell_send.c

Am ersten Rechner eingeben
cat </dev/ttyS0

Am zweiten Rechner eingeben
./seriell_send

Datei seriell_send.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {

int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
if (fd < 0) {
    // Fehler bei open()
    perror("seriell_send open");
    exit(1);
}
for(;;) {                     // Endlosschleife
    char buf[1];

    int bytes = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof buf);
                                // ein Zeichen von Tastatur holen
    write(fd, buf, bytes);      // ein Byte an serielle Schnittstelle ausgeben
}

// hierher kommt das Programm nie
return 0;
}

Übung

Schreiben Sie ein Programm seriell_recv welches Zeichen von der seriellen Schnittstelle liest und auf dem Bildschirm ausgibt. Testen Sie das Programm mit:

Am ersten Rechner eingeben
./seriell_recv

Am zweiten Rechner eingeben
./seriell_send

Programm: Multi-IO mit select()

Für Duplex Betrieb (gleichzeitig senden und empfangen) sind seriell_send und seriell_recv nicht geeignet. Die system-calls read() oder getchar() blockieren (warten bis Daten vorhanden sind). Eine Lösung für das "mehrere Dinge gleichzeitig tun" Problem ist select(), der system-call für Ein-Ausgabe Multiplexing.
Dem select() wird eine Liste von file-descriptors übergeben. Das Betriebssystem beendet den select() call wenn Daten für mindestens einen der file-descriptors vorliegen.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o multi_io multi_io.c

Am ersten Rechner eingeben
./multi_io

Am zweiten Rechner eingeben
./multi_io

Testen Sie auch das unterschiedliche Verhalten bei -icanon und icanon. Welche Betriebsart finden Sie für ein Kommunikations-Programm angenehmer?

Datei multi_io.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/select.h>

int main() {
int fdCom1 = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
if (fdCom1 < 0) {                         // Fehler bei open()
    perror("multi_io COM1");
    exit(1);
}
for(;;) {
    fd_set readfds;

    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(fdCom1, &readfds);
    FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);

    int rv = select(32, &readfds, NULL, NULL, NULL);
    if (-1 == rv) {
      perror("multi_io select");
      exit(1);
    }

    if (rv > 0) {
      if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) { // Daten vom Keyboard verfuegbar
        char buf[1];
        int bytes = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof buf);

        write(fdCom1, buf, bytes);            // auf RS232 ausgeben
      }

      if (FD_ISSET(fdCom1, &readfds)) {       // Daten von der RS232 verfuegbar
        char buf[1];
        int bytes = read(fdCom1, buf, sizeof buf);

        write(STDOUT_FILENO, buf, bytes);     // auf xterm Fenster ausgeben
      }
    }
}

return 0;
}

Übung

Ändern Sie das Programm multi_io.c zu multi_io1.c. Der buf für den read() system-call soll 40 Bytes groß werden. Testen Sie das Programm mit Eingaben die weniger und auch die mehr als 40 Byte enthalten. In beiden Fällen soll multi_io1.c so wie multi_io.c funktionieren.
Tipp: Sie müssen nur zwei konstante Zahlen ändern.

Vorbereitung TCP Kommunikation

Das Programm multi_io konnten wir in beiden Endgeräten benutzen. Bei TCP Kommunikation ist ein Endgerät der TCP Client, das andere Endgerät der TCP Server. Ein Webbrowser wie Firefox ist ein TCP Client welcher das HTTP Protokoll verwendet.
Der TCP Client muss über den TCP Server zwei Parameter wissen:

IP-Adresse
Port-Nummer

Der TCP Server muss nur einen Parameter wissen:

Port-Nummer (well known port number)

Der TCP Server arbeitet nach dem Prinzip "sende zurück an Absender". Die nötige Absender Information ist Teil jedes TCP Datenpaketes welches folgende Adressinformation enthält:

Source (Absender) IP, Source Port-Nummer
Destination (Empfänger) IP, Destination Port-Nummer

Die IP Adresse kann direkt angegeben werden als 10.111.26.61 oder kann als Name (z.B. eddfl1a) in der Datei /etc/hosts nachgesehen werden oder kann über DNS (Domain Name System) von einem DNS-Server Computer geholt werden (z.B. im Internet www.google.de).
Die Port-Nummer kann direkt angegeben werden (z.B. 80) oder kann als Name (z.B. http) in der Datei /etc/services nachgesehen werden oder kann über den Portmapper Dienst von anderen Computern geholt werden.
Die Port-Nummern von 0 bis 1023 sind "superuser" Port-Nummern. Für eigene Programme empfiehlt sich Port-Nummern aus dem Bereich 49152 bis 65535 zu benutzen. Diese sind "private" Port-Nummern. Dazwischen liegen die "well known Port-Nummern", z.B. 5060 für den SIP Port von Voice-over-IP.

TCP Test mit UNIX Kommandos

Das Programm netcat kann die Rolle eines TCP Clients oder eines TCP Servers übernehmen. Eventuell müssen Sie netcat noch mit YAST o.ä. installieren.

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
netcat -l -p 55555

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
netcat 127.0.0.1 55555

Übung

Benutzen Sie netcat zwischen zwei Computern. Welche Parameter müssen gegenseitig bekannt sein? Schreiben Sie Ihre well-known IP-Adresse nach /etc/hosts und ihre well-known Port-Nummer nach /etc/services und arbeiten Sie mit Namen anstelle von Nummern. Funktioniert die Datenübertragung duplex? Wie reagiert netcat auf -icanon?

Programm: TCP client

Eine prima Einführung in die TCP Programmierung unter C ist "Beej's Guide to Network Programming" auf http://beej.us/guide/bgnet
Der open() in multi_io.c wird geändert für die TCP Kommunikation. Die verschiedenen TCP Parameter werden mit mehreren system-calls mitgeteilt. Diese TCP client Start Sequenz ist immer gleich. Sie besteht aus:

gethostbyname() IP-Adresse des TCP Server holen
socket() Socket-descriptor (file-descriptor) holen
connect() Verbindung zum TCP-Server aufbauen

Network Byte Order

Ein kleines aber wichtiges Detail bei der Behandlung von Port-Nummern und IP-Adressen ist die Network Byte Order. Die Integer Werte im IP oder TCP Header müssen in Network Byte Order oder Big Endian angegeben werden. Die Intel CPU arbeitet mit Little Endian. Es gibt folgende Funktionen zum Umwandlung von Host Byte Order (Integer Darstellung der CPU) nach Network Byte Order:

htons()	Host Byte Order nach Network Byte Order Port Nummer (16bit)
htonl()	Host Byte Order nach Network Byte Order IPv4 Adresse (32bit)
ntohs()	Network Byte Order nach Host Byte Order Port Nummer (16bit)
ntohl()	Network Byte Order nach Host Byte Order IPv4 Adresse (32bit)

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o tcp_client tcp_client.c

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
netcat -l -p 55555

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./tcp_client localhost

Datei tcp_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>

#define PORT 55555

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 2) {
    fprintf(stderr, "tcp_client usage: tcp_client hostname\n");
    exit(1);
}

struct hostent *he;
he = gethostbyname(argv[1]);    // Name nach IP Adresse umsetzen
if (NULL == he) {
    perror("tcp_client gethostbyname");
    exit(1);
}

int fdServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == fdServer) {
    perror("tcp_client socket");
    exit(1);
}

struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof serv_addr);      // mit 0 initialisieren
serv_addr.sin_family = AF_INET;               // IPv4 Protokoll
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *) he->h_addr);
serv_addr.sin_port = htons(PORT);       // PORT in Network Byte Order bringen

int rv = connect(fdServer, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof serv_addr);
if (-1 == rv) {
    perror("tcp_client connect");
    exit(1);
}

for(;;) {
    fd_set readfds;

    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(fdServer, &readfds);
    FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);

    int rv = select(32, &readfds, NULL, NULL, NULL);
    if (-1 == rv) {
      perror("tcp_client select");
      exit(1);
    }

    if (rv > 0) {
      if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) { // Daten vom Keyboard verfuegbar
        char buf[1];
        int bytes = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof buf);

        write(fdServer, buf, bytes);          // auf das Netzwerk ausgeben
      }

      if (FD_ISSET(fdServer, &readfds)) {     // Daten vom Netzwerk verfuegbar
        char buf[1];
        int bytes = read(fdServer, buf, sizeof buf);
        if (bytes <= 0) {
          // Verbindung von Gegenseite geschlossen oder Fehler
          close(fdServer);
          exit(1);
        }

        write(STDOUT_FILENO, buf, bytes);     // auf xterm Fenster ausgeben
      }
    }
}

return 0;
}

Übung 1

Entfernen Sie htons(), d.h. aus
serv_addr.sin_port = htons(PORT);
wird
serv_addr.sin_port = PORT;
und testen Sie das Programm. Funktioniert es noch?

Übung 2

Ändern Sie das Programm zu tcp_client1.c. Die Portnummer soll nicht mehr als Konstante festgelegt sein sondern als zweiter Parameter beim Programmstart angegeben werden.
Aus "tcp_client localhost" wird "tcp_client1 localhost 55555".

Übung 3

Ändern Sie das Programm tcp_client1.c zu tcp_client2.c. Der buf für den read() system-call soll 40 Bytes groß werden. Testen Sie das Programm mit TCP Datenpaketen die weniger und auch die mehr als 40 Byte enthalten. In beiden Fällen soll tcp_client2.c so wie tcp_client1.c funktionieren.
Tipp: Sehen Sie bei mult_io1.c nach.

Übung 4

Der system-call connect() ist ein "slow system-call". Wie lange dauert ein connect() wenn der TCP-Server Computer ausgeschaltet ist (z.B. eigene IP=192.168.0.1, nicht vorhandener Computer=192.168.0.99)? Ändern Sie das Programm tcp_client2.c zu tcp_client3.c. Setzen Sie vor und nach dem connect() system-call einen time() system-call. Geben Sie die Zeitdifferenz in Sekunden der beiden time() system-calls aus. Vergleichen Sie ihr Ergebnis mit

time./tcp_client3 192.168.0.99 55555

Dabei ist 192.168.0.99 die IP Adresse des TCP-Servers auf einem nicht vorhandenen Computer.

Übung 5

Anstelle von read() kann bei TCP Verbindungen auch recv() verwendet werden. Anstelle von write() funktioniert auch send(). Der vierte Parameter von recv() und send() ist dabei 0, wenn nur das read() und write() Verhalten gewünscht wird. Ersetzen Sie die system-calls und prüfen Sie ob das Programm sich wie zuvor verhält.

Programm: TCP server für nur einen TCP client

Das erste TCP server Programm kann nur mit einem TCP client gleichzeitig eine Verbindung unterhalten. Aber auch für diesen einfachen Fall muss die TCP Server Start Sequenz durchlaufen werden.

socket() Socket-Descriptor (file-descriptor) holen
bind() Socket-Descriptor mit TCP-Server IP-Adresse und Port-Nummer verbinden
listen() Socket als "LISTEN" Socket konfigurieren zur Verbindung-Annahme
accept() Auf Verbindung-Aufbau Meldungen von TCP-Clients warten

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o tcp_server tcp_server.c

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./tcp_server

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./tcp_client localhost

Datei tcp_server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 55555

// Funktion fuer TCP Client Kommunikations Schleife
int do_client(int fdKbd, int fdClient) {
for(;;) {
    fd_set readfds;

    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(fdClient, &readfds);
    FD_SET(fdKbd, &readfds);

    int rv = select(32, &readfds, NULL, NULL, NULL);
    if (-1 == rv) {
      perror("tcp_server select");
      exit(1);
    }

    if (rv > 0) {
      if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {
        char buf[1];
        int bytes = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof buf);

        write(fdClient, buf, bytes);
      }

      if (FD_ISSET(fdClient, &readfds)) {
        char buf[1];
        int bytes = read(fdClient, buf, sizeof buf);
        if (bytes <= 0) {
          close(fdClient);
          return -1;
        }

        write(STDOUT_FILENO, buf, bytes);
      }
    }
}

return 0;
}

int main() {
int fdListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == fdListen) {
    perror("tcp_server socket");
    exit(1);
}

int val = 1;
int rv = setsockopt(fdListen, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &val, sizeof val);
if (-1 == rv) {
    perror("tcp_server setsockopt");
    exit(1);
}

struct sockaddr_in my_addr;           // TCP Server IP Informationen
memset(&my_addr, 0, sizeof my_addr);
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // bedeutet TCP-Server IP Adresse
my_addr.sin_port = htons(PORT);       // PORT in Network Byte Order bringen

rv = bind(fdListen, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof my_addr);
if (-1 == rv) {
    perror("tcp_server bind");
    exit(1);
}

rv = listen(fdListen, 5);
if (-1 == rv) {
    perror("tcp_server listen");
    exit(1);
}

for(;;) {
    struct sockaddr_in addr;            // TCP Client IP Informationen
    socklen_t addrlen = sizeof addr;
    int fdClient = accept(fdListen, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);
    if (-1 == fdClient) {
      perror("tcp_server accept");
      continue;
    }
    printf("tcp_server connected from %s\n", inet_ntoa(addr.sin_addr));

    do_client(STDIN_FILENO, fdClient);

    printf("tcp_server closed from %s\n", inet_ntoa(addr.sin_addr));
}

return 0;
}

Übung 1

Benutzen Sie tcp_server zusammen mit zwei tcp_client Programmen. Was passiert genau wenn das zweite tcp_client Programm gestartet wird, während das erste noch läuft? Nachdem das erste tcp_client Programm beendet wird?

Übung 2

Bringen Sie die Änderungen von tcp_client1.c in die neue TCP Server Version tcp_server1.c. Die Port-Nummer soll als Kommandozeilenparameter übergeben werden.

Übung 3

Bringen Sie die Änderungen von tcp_client2.c in die neue TCP Server Version tcp_server2.c. Die buf Variable in do_client() soll 40 Bytes fassen. Testen Sie mit Eingaben die länger als 40 Zeichen sind.

Zeiger/Größe mit Länge als Ein-/Ausgabeparameter

Der Zeiger/Größe Doppel-Parameter kann noch weiter entwickelt werden. Bei der Socket-Schnittstelle (die C-Bibliotheks-Funktionen welche die TCP Schnittstelle realisieren) gibt es bei einigen Funktionen den Längen Parameter als Eingabeparameter (von aufrufende Funktion an aufgerufene Funktion) und als Ausgabeparameter (von aufgerufener Funktion zu aufrufender Funktion). In C wird ein Ausgabeparameter als Zeiger-Variable realisiert. Aus einem Größenparameter für Eingabe
   int n
wird als Längenparameter für Ein-/Ausgabe
   int *n

Im Beispiel aus tcp_server.c:

    struct sockaddr_in addr;            // TCP Client IP Informationen
    socklen_t addrlen = sizeof addr;
    int fdClient = accept(fdListen, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);

ist der Zeiger die Variable addr und die Länge als In/Out Parameter ist addrlen.

Übung 1

int reuseaddr = 0;
unsigned len = sizeof reuseaddr;
rv = getsockopt(fdListen, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuseaddr, &len);
printf("SO_REUSEADDR = %d\n", reuseaddr);

Bauen Sie das obige Stück Quelltext nach dem setsockopt() system-call in tcp_server.c ein. Die geänderte Datei soll tcp_servera.c heißen. Testen Sie ob tcp_servera sich so verhält wie tcp_server.

Übung 2

Geben Sie den Inhalt der Variablen len direkt vor und nach dem Aufruf von getsockopt() aus.

TCP und Serialization

Serialization (Marshalling, Serialisieren) bedeutet strukturierte Daten (z.B. die Datensätze einer Datenbank) so in eine unstrukturierte äußere Form (z.B. eine Datei auf der Festplatte) zu bringen, das später die strukturierten Daten wieder zurückgewonnen werden können (die Datensätze der Datenbank). Bei der Übertragung von Datensätzen über TCP müssen die Datensätze serialisiert werden.
Das TCP Protokoll ist ein Stream Protokoll. Damit passt TCP gut zu den UNIX Ein-/Ausgabe Streams (fopen(), fputs(), fgets(), ...). Wenn verschiedene einzelne Datensätze in einem Datenstrom transportiert werden muss der Daten-Empfänger den Datenstrom wieder in einzelne Datensätze zurück wandeln können. Ein Datenfehler in einem Datensatz darf nur diesen Datensatz unbrauchbar machen - der Fehler darf nicht dazu führen das alle folgenden korrekten Datensätze nicht mehr vom Datenstrom in Datensätze zurück gewandelt werden können.
Im Datenstrom werden zwischen den einzelnen Datensätzen Delimiter (Separatoren, Abgrenzer, Trennzeichen) eingefügt.

Die Delimiter müssen im Datenstrom immer sicher erkannt werden. Es gibt mehrere Lösungen:

Als Delimiter Zeichen wird ein Zeichen verwendet welches nicht im Datensatz auftaucht bzw. im Datensatz schon als Delimiter Zeichen verwendet wird. Werden die Daten in ASCII Kodierung übertragen sind die ASCII Zeichen FS (file separator), GS (group separator), RS (record separator) und US (unit separator) als Delimiter vorgesehen. Üblich ist aber auch LF (line feed) als Delimiter.
Vor dem eigentlichen Datensatz wird die Datensatz-Länge übertragen. Der Empfänger liest zuerst die Datensatz-Länge und kann dann den Datensatz aus dem Datenstrom lesen. Diese length/data Kodierung ist sehr empfindlich gegen Fehler. Ist eine einzige Datensatz-Länge falsch (z.B. Datensatz-Länge = 999, echte Länge des Datensatzes = 1000) werden alle folgenden Datensätze falsch aus dem Datenstrom gelesen!
Mit Byte Stuffing oder mit Transportkodierung wird die length/data Kodierung robust. Eine bekannte Transportkodierung ist Base64, welche zur Übertragung von Binärdatenals E-Mail Anhang benutzt wird. Eine Base128 Transportkodierung ist möglich wenn der Transportkanal 8 Bit Datenwerte übertragen kann.
Die Datensätze werden in einzelnen TCP-Paketen übertragen (TCP ist ein stream-Protokoll, aber die Funktionen send() und recv() arbeiten block-weise). Damit das Betriebssystem nicht die Daten von mehreren send() Aufrufen in einem TCP Paket unterbringt wird die Socket-Option TCP_NODELAY benutzt um den "Nagle algorithm" auszuschalten. Zwischen Sender und Empfänger muss eine maximale Datensatz-Größe festgelegt werden. Diese sollte kleiner gleich der MTU (Maximal Transfer Unit) sein. Für TCP auf Ethernet sollte Datensatz-Größe kleiner gleich 1400 Bytes gewählt werden.
IP fragmentation ist eine Fähigkeit von IP welche dazu führt das aus einem send() Aufruf im Empfänger mehrere recv() Aufrufe werden. Deshalb sollte die length/data Kodierung mit der TCP_NODELAY Datenpaket Übertragung kombiniert werden. Auch hier ist eine maximale Datensatz-Größe nötig. Diese kann größer als 1400 Bytes sein. Sie muss aber kleiner gleich 65535 Bytes (16Bit Size Feld im TCP Header) sein.

Für die Serialization gibt es für C die tpl Bibliothek: http://tpl.sourceforge.net/
Für C++ bietet sich Boost an: http://www.boost.org/libs/serialization/doc/index.html

Byte Stuffing

In der Datenübertragung muss man zwischen Nutzdaten und Steuersymbolen unterscheiden. Im ASCII Zeichensatz werden die Steuersymbole Communication Control genannt. Im Token Ring Protokoll IEEE 802.5 gibt neben den Nutzdaten (8 Bit = 256 Zeichen) noch das Steuersymbol "Starting Delimiter" SD. Token Ring benutzt die Manchester Kodierung. Bei dieser Kodierung wird jedes übertragene Bit aus zwei Signalen gebildet. Neben den Bit-Werten 0 und 1 gibt es noch die Bit-Werte J und K. Der SD besteht aus dem Bitmuster JK0JK000. Dieses besondere Signalmuster wird von der Empfänger-Hardware erkannt. Der Token Ring arbeitet mit 257 Zeichen, 256 Nutzdatenzeichen und dem Steuersymbol SD.
Ein TCP Stream kennt nur 256 verschiedene Zeichen, deshalb wird für Steuersymbole Byte Stuffing eingesetzt. Einem C-Programmierer ist Byte Stuffing als Escape Sequenz bekannt. Um in einem C-String das "Newline" Zeichen abzulegen wird "\n" geschrieben. Für das \ Zeichen selbst wird "\\" geschrieben. Die String-Länge von "\\" ist 1. Als Byte Stuffing Escape Zeichen ist im ASCII Standard das Steuerzeichen DLE (Data Link Escape, 0x10) vorgesehen.
Eine transparente ASCII Datenübertragung benutzt folgende Kodierung der ASCII Communication Control Zeichen:

Zeichen	nach Byte Stuffing	Bedeutung
0x10	0x10 0x10	das Escape Zeichen selbst.
SOH	0x10 0x01	Start of Heading oder Starting Delimiter. Mit diesem Steuersymbol beginnt das Byte Stuffing Datenpaket.

Eine robuste length/data Kodierung mit Byte Stuffing benutzt "0x10 0x01" als Starting Delimiter. Nach dem SD folgt die Byte-Stuffed(!) Länge in z.B. 2 Bytes. Die Länge sollte in Network Byte Order übertragen werden. Die Byte-Stuffed Länge ist allgemein größer als die Datenpaketlänge, weil jedes Auftreten von 0x10 im Datenpaket als 0x10 0x10 übertragen wird. Die Funktion bytestuff(char *out, int outsize, const char *in, const int inlen) führt Byte Stuffing auf den binären String in aus. Der Byte-Stuffed String steht in out und hat die maximale Länge outsize. Der Returnwert von bytestuff() ist die aktuelle Länge des binären Strings in out. Der binäre String in out enthält das Starting Delimiter Symbol sowie die Länge.
Als Beispiel soll der binäre String "01234567890@ABCDE" bearbeitet werden. Der Byte Stuffed String besteht aus: 0x10 0x01 für Starting Delimiter, 0x00 0x10 0x10 für die Byte-Stuffed Länge von 16 dezimal in Network Byte Order und den Zeichen 0x30 0x31 0x32 0x33 0x34 0x35 0x36 0x37 0x38 0x39 0x40 0x41 0x42 0x43 0x44 0x45.

Programm: Base128 Transportkodierung

Werden Binärdaten übertragen gibt es ein Delimiter Problem: Alle Bitkombinationen werden für die Nutzdaten benutzt, es gibt keine freie Bitkombination für Steuersymbole wie starting delimiter. Die Base128 Transportkodierung ist eine Block-Kodierung. Um eine bessere Kodierung mit geringeren Bandbreitenbedarf als bei Byte Stuffing zu erreichen, werden Nutzdaten zu Blöcken zusammengefasst. Bei Base128 ist ein Block vor der Transportkodierung 7 Bytes lang und nach der Kodierung 8 Bytes lang. Die Base128 Kodierung trennt die 7 Eingangsdatenwerte jeweils in einen niederwertigen Teil (Bit 0 bis 6) und einen höherwertigen Teil (Bit 7). Die sieben niederwertigen Teile werden zuerst übertragen. Aus den 7 höherwertigen Teilen wird das achte Transportzeichen gebildet. Bei der Kodierung wird aus dem Zahlenbereich 0..255 pro Datenwert der Zahlenbereich 0..127. Für die Übertragung wird zu dem Datenwert noch 33 dezimal als Offset addiert. Dadurch liegt jeder Base128 Datenwert ausserhalb der ASCII Steuerzeichen und ist auch kein ASCII Leerzeichen. Mit dem Offset ist Base128 kompatibel zu Codepage 437, der vom IBM PC verwendeten 8 Bit Erweiterung von ASCII.

7 6 5 4 3 2 1 0                7 6 5 4 3 2 1 0
+---------------+              +---------------+
| raw byte 0   | & 127 + 33 = |transport byte0|
+---------------+              +---------------+
| raw byte 1   | & 127 + 33 = |transport byte1|
+---------------+              +---------------+
| raw byte 2   | & 127 + 33 = |transport byte2|
+---------------+              +---------------+
| raw byte 3   | & 127 + 33 = |transport byte3|
+---------------+              +---------------+
| raw byte 4   | & 127 + 33 = |transport byte4|
+---------------+              +---------------+
| raw byte 5   | & 127 + 33 = |transport byte5|
+---------------+              +---------------+
| raw byte 6   | & 127 + 33 = |transport byte6|
+---------------+              +---------------+
Bit 7 aller raw bytes + 33 = |transport byte7|
                               +---------------+

Bild: Base128 Transportkodierung

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o base128 base128.c

Nach der Eingabe:
./base128 1234567

erfolgt die Ausgabe:
Base128 von 1234567 ist: RSTUVWX!
len ist: 8
Binaer von RSTUVWX! ist: 1234567
len ist: 7

Datei base128.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>

enum {EM = 0x19};     /* Steuersymbol End of Medium */

/* 7 Bytes Binaerdaten nach 8 Bytes Base128 Daten umwandeln */
void blockEncode(unsigned char *outBuf, const unsigned char *inBuf, int len) {
    int i, tb7 = 0, mask = 1;

    memset(outBuf, EM, 7);
    for (i = 0; i < len; ++i, ++inBuf) {
        outBuf[i] = (*inBuf & 0x7F) + 33;
        if ((*inBuf & 0x80) != 0) {
            tb7 |= mask;
        }
        mask += mask;       // 1, 2, 4, 8, ..
    }
    outBuf[7] = tb7 + 33;
}

/* 8 Bytes Base128 Daten nach 7 Bytes Binaerdaten umwandeln
* Returnwert: Laenge des outBuf
*/
int blockDecode(unsigned char *outBuf, const unsigned char *inBuf) {
    int i, tb7 = inBuf[7] - 33, mask = 1;

    for (i = 0; i < 7; ++i, ++inBuf, ++outBuf) {
        if (EM == *inBuf) return i;
        *outBuf = *inBuf - 33;
        if ((tb7 & mask) != 0) {
            *outBuf |= 0x80;
        }
        mask += mask;
    }
    return 7;
}

/* inLen Bytes Binaerdaten nach maximal outSize Base128 Daten umwandeln
* Returnwert: Laenge des outBuf oder -1 bei Fehler
*/
int base128Encode(unsigned char *outBuf, int outSize, const unsigned char *inBuf, int inLen) {

    int outLen = 0;
    while (inLen > 0 && outLen <= outSize - 8) {
        int len = inLen;
        if (len > 7) len = 7;
        blockEncode(outBuf, inBuf, len);
        inBuf += 7;
        inLen -= len;
        outBuf += 8;
        outLen += 8;
    }
    if (0 == inLen) return outLen;
    return -1;
}

/* inLen Bytes Base128 Daten nach maximal outSize Binaerdaten umwandeln
* Returnwert: Laenge des outBuf oder -1 bei Fehler
*/
int base128Decode(unsigned char *outBuf, int outSize, const unsigned char *inBuf, int inLen) {
    int outLen = 0;

    while (inLen > 0 && outLen <= outSize - 7) {
        int len = blockDecode(outBuf, inBuf);
        inBuf += 8;
        inLen -= 8;
        outBuf += 7;
        outLen += len;
    }
    if (0 == inLen) return outLen;
    return -1;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc < 2) {
        printf("usage: base128 string\n");
        return 1;
    }
    unsigned char *inBuf = argv[1];
    int inLen = strlen(inBuf);
    unsigned char outBuf[129];
    int outSize = sizeof outBuf -1;
    int len = base128Encode(outBuf, outSize, inBuf, inLen);
    if (len < 0) {
        printf("Fehler bei Base128 Encode\n");
        return 1;
    }
    outBuf[len] = '\0';
    printf("Base128 von %s ist: %s\n", inBuf, outBuf);
    printf("len ist: %d\n", len);

    unsigned char outBuf2[129];
    int outSize2 = sizeof outBuf2 -1;
    int len2 = base128Decode(outBuf2, outSize2, outBuf, len);
    if (len2 < 0) {
        printf("Fehler bei Base128 Decode\n");
        return 1;
    }
    outBuf2[len2] = '\0';
    printf("Binaer von %s ist: %s\n", outBuf, outBuf2);
    printf("len ist: %d\n", len2);

    return 0;
}

Programm: TCP Client und Server mit C-String Schnittstelle

Der folgende Quelltext benutzt '\n' (ASCII Zeichen LF) als Delimiter Zeichen. C-Strings können mit den system-calls fputs() oder fprintf() gesendet werden und können mit fgets() empfangen werden.
Der system-call fflush() sorgt dafür das die Daten sofort im Netzwerk übertragen werden. Normalerweise wartet die C-Bibliothek mit dem Aussenden bis der Sende-Puffer voll ist. Dieses Verhalten ist bei interaktiven System nicht gewünscht. Hier erwartet der Benutzer umgehende System-Reaktion.

Programm Test

Programme kompilieren mit
gcc -Wall -o stream_server stream_server.c
gcc -Wall -o stream_client stream_client.c

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./stream_server

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./stream_client hostname

Übung 1

Ändern Sie für die Dateien stream_client1.c und stream_server1.c die Konstante SIZE auf 41 und testen Sie mit Eingaben die länger als 40 Zeichen sind. Gibt es einen Unterschied zwischen der tcp_server/tcp_client Lösung und der stream_server1/stream_client1 Lösung?
Geben Sie vor dem Aufruf von stream_client1 oder stream_server1 das Kommando ein:
stty -F /dev/tty -icanon
Testen Sie erneut mit Eingaben die länger als 40 Zeichen sind. Welche Auswirkung hat das Ausschalten der Zeilenpufferung des Terminals?

Übung 2

Testen Sie tcp_server zusammen mit stream_client1. Testen Sie stream_server1 zusammen mit tcp_client. Funktionieren Eingaben kürzer als 40 Zeichen und Eingaben länger als 40 Zeichen wie erwartet?

Datei stream_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 55555
#define SIZE 1400

// Funktion fuer TCP Partner Kommunikations Schleife
int do_chat(int fdKbd, int fdPartner) {
FILE *fpPartner = fdopen(fdPartner, "a+"); // mit buffered IO arbeiten
if(NULL == fpPartner) {
    perror("do_chat fdopen");
    exit(1);
}

for(;;) {
    fd_set readfds;

    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(fdPartner, &readfds);
    FD_SET(fdKbd, &readfds);

    int rv = select(32, &readfds, NULL, NULL, NULL);
    if (-1 == rv) {
      perror("do_chat select");
      exit(1);
    }

    if (rv > 0) {
      if (FD_ISSET(fdKbd, &readfds)) {      // Daten vom Keyboard verfuegbar
        char buf[SIZE];
        fgets(buf, sizeof buf, stdin);      // Zeile bis \n einlesen
        fputs(buf, fpPartner);
        fflush(fpPartner);                  // sofort auf das Netzwerk ausgeben
      }

      if (FD_ISSET(fdPartner, &readfds)) { // Daten vom Netzwerk verfuegbar
        char buf[SIZE];

        char *rv = fgets(buf, sizeof(buf), fpPartner);
        if (NULL == rv) {
          // Verbindung von Gegenseite geschlossen oder Fehler
          perror("do_chat fgets");
          fclose(fpPartner);
          return -1;
        }

        printf("%s", buf);
        fflush(stdout);
      }
    }
}
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 2) {
    fprintf(stderr, "stream_client usage: stream_client hostname\n");
    exit(1);
}

struct hostent *he;
he = gethostbyname(argv[1]);
if (NULL == he) {
    perror("stream_client gethostbyname");
    exit(1);
}

int fdServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == fdServer) {
    perror("stream_client socket");
    exit(1);
}

struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof serv_addr);
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *) he->h_addr);
serv_addr.sin_port = htons(PORT);

int rv = connect(fdServer, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof serv_addr);
if (-1 == rv) {
    perror("stream_client connect");
    exit(1);
}

do_chat(STDIN_FILENO, fdServer);

return 0;
}

Datei stream_server.c

// #include und #define wie bei stream_client.c

// do_chat() wie bei stream_client.c

int main() {
int fdListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == fdListen) {
    perror("stream_server socket");
    exit(1);
}

int val = 1;
int rv = setsockopt(fdListen, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &val, sizeof val);
if (-1 == rv) {
    perror("stream_server setsockopt");
    exit(1);
}

struct sockaddr_in my_addr;
memset(&my_addr, 0, sizeof my_addr);
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
my_addr.sin_port = htons(PORT);

rv = bind(fdListen, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof my_addr);
if (-1 == rv) {
    perror("stream_server bind");
    exit(1);
}

rv = listen(fdListen, 5);
if (-1 == rv) {
    perror("stream_server listen");
    exit(1);
}

for(;;) {
    struct sockaddr_in addr;
    socklen_t addrlen = sizeof addr;
    int fdClient = accept(fdListen, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);
    if (-1 == fdClient) {
      perror("stream_server accept");
      continue;
    }
    printf("stream_server connected from %s\n", inet_ntoa(addr.sin_addr));

    do_chat(STDIN_FILENO, fdClient);

    printf("stream_server closed from %s\n", inet_ntoa(addr.sin_addr));
}

return 0;
}

Programm: TCP Client/Server mit TCP keep-alive

Wird nach dem Verbindungsaufbau zwischen TCP Client und TCP Server die LAN Verbindung unterbrochen bemerken dies weder der Client noch der Server. Mit der Option SO_KEEPALIVE von setsockopt() wird das Aussenden von Verbindung-Test-Meldungen (keep-alive messages) aktiviert. In der Default Einstellung werden die ersten keep-alive Meldungen nach 2 Stunden Inaktivität (idle, kein Transport von Nutzdaten) ausgesandt. Unter Linux lassen sich die keep-alive Parameter nach Belieben einstellen. Die nötigen Optionen sind TCP_KEEPIDLE für die Idle Zeit, TCP_KEEPINTVL für die Zeit zwischen zwei keep-alive Meldungen und TCP_KEEPCNT für Anzahl der nicht beantworteten keep-alive Meldungen die zum Verbindung-Abbau führen. Siehe "man 7 tcp" für Details.
Damit TCP Client und TCP Server eine Leitungsunterbrechung feststellen können, müssen beide Seiten die keep-alive Meldungen aktivieren.

Programm Test

Programme kompilieren mit
gcc -Wall -o keepalive_server keepalive_server.c
gcc -Wall -o keepalive_client keepalive_client.c

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./keepalive_server

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./keepalive_client hostname

Übung

Lassen die die beiden Programme auf getrennten Computern laufen. Was passiert nach einer Leitungsunterbrechung? Zum Vergleich testen Sie noch einmal mit stream_server und stream_client. Bemerken diese Programme eine Leitungsunterbrechung? Was passiert wenn während einer Leitungsunterbrechung eine Nutzdaten Meldung ausgesendet wird?

Datei keepalive_client.c

// #include und #define wie bei stream_client.c und zusaetzlich
#include <netinet/tcp.h> // fuer TCP_KEEP... (Linux spezifisch)

// do_chat() wie bei stream_client.c

// Wrapper um setsockopt()
void mysetsockopt(int fd, int level, int option, int value) {
int rv = setsockopt(fd, level, option, &value, sizeof value);
if (-1 == rv) {
    perror("keepalive_client setsockopt");
    exit(1);
}
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 2) {
    fprintf(stderr, "keepalive_client usage: keepalive_client hostname\n");
    exit(1);
}

struct hostent *he;
he = gethostbyname(argv[1]);
if (NULL == he) {
    perror("keepalive_client gethostbyname");
    exit(1);
}

int fdServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == fdServer) {
    perror("keepalive_client socket");
    exit(1);
}

mysetsockopt(fdServer, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, 1);
mysetsockopt(fdServer, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, 4);   // Linux spezifisch
mysetsockopt(fdServer, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL, 4); // Linux spezifisch
mysetsockopt(fdServer, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT, 1);    // Linux spezifisch

struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof serv_addr);
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *) he->h_addr);
serv_addr.sin_port = htons(PORT);

int rv = connect(fdServer, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof serv_addr);
if (-1 == rv) {
    perror("keepalive_client connect");
    exit(1);
}

do_chat(STDIN_FILENO, fdServer);

return 0;
}

Datei keepalive_server.c

// #include und #define wie bei stream_client.c und zusaetzlich
#include <netinet/tcp.h> // fuer TCP_KEEP... (Linux spezifisch)

// do_chat() wie bei stream_client.c

// mysetsockopt() wie bei keepalive_client.c

int main() {
int fdListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == fdListen) {
    perror("keepalive_server socket");
    exit(1);
}

mysetsockopt(fdListen, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1);

struct sockaddr_in my_addr;
memset(&my_addr, 0, sizeof my_addr);
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
my_addr.sin_port = htons(PORT);

int rv = bind(fdListen, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof my_addr);
if (-1 == rv) {
    perror("keepalive_server bind");
    exit(1);
}

rv = listen(fdListen, 5);
if (-1 == rv) {
    perror("keepalive_server listen");
    exit(1);
}

for(;;) {
    struct sockaddr_in addr;
    socklen_t addrlen = sizeof addr;
    int fdClient = accept(fdListen, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);
    if (-1 == fdClient) {
      perror("keepalive_server accept");
      continue;
    }
    printf("keepalive_server conn. from %s\n", inet_ntoa(addr.sin_addr));

    mysetsockopt(fdClient, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, 1);
    mysetsockopt(fdClient, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, 4);   // Linux spezifisch
    mysetsockopt(fdClient, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL, 4); // Linux spezifisch
    mysetsockopt(fdClient, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT, 1);    // Linux spezifisch

    do_chat(STDIN_FILENO, fdClient);

    printf("keepalive_server closed from %s\n", inet_ntoa(addr.sin_addr));
}

return 0;
}

Nicht-blockierende Ein-/Ausgabe (slow system-call)

Wie im Programm tcp_client.c schon festgestellt ist connect() ein langsamer system-call. Der connect() dauert 3 Sekunden wenn der TCP-Server Computer im Netzwerk nicht läuft. Während dieser Zeit wird die Event Schleife nicht ausgeführt. Das Programm reagiert nicht auf Nutzer-Eingaben.
Mit der O_NONBLOCK Option des fcntl() system-calls kann das Verhalten des connect() von blockierend auf nicht blockierend geändert werden. Der connect() system-call mit NONBLOCK dauert nicht länger als ein normaler system-call. Die TCP Verbindung-Aufbau über das Netzwerk benötigt aber weiterhin seine Zeit von 3 Sekunden.
Wird connect() mit NONBLOCK verwendet muss die Applikation 3 Sekunden abwartet und dann nachfragen ob der TCP Verbindungsaufbau erfolgreich war. Dieses Nachfragen erfolgt mit der Option SO_ERROR des getsockopt() system-calls.
Für die Änderung auf nicht-blockierendes connect() wird der Abschnitt in keepalive_client.c:

int rv = connect(fdServer, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof serv_addr);
if (-1 == rv) {
    perror("keepalive_client connect");
    exit(1);
}

ersetzt durch folgenden Abschnitt:

int flags = fcntl(fdServer, F_GETFL, 0);
if (-1 == flags) {
    perror("nonblock_client fcntl F_GETFL");
    exit(1);
}

int rv = fcntl(fdServer, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
if (-1 == rv) {
    perror("nonblock_client fcntl F_SETFL");
    exit(1);
}

rv = connect(fdServer, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof serv_addr);
if (-1 == rv) {
    extern int errno;
    if (errno != EINPROGRESS) {           // Error in Progress wird erwartet
      perror("nonblock_client connect");
      exit(1);
    }
}

printf("connect() NONBLOCK fertig\n");
sleep(3);     // TCP Verbindungsaufbau durch Betriebssystem abwarten

printf("sleep() fertig\n");

int err = 0;
unsigned len = sizeof err;
getsockopt(fdServer, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &err, &len);
if (err != 0) {
    fprintf(stderr, "nonblock_client getsockopt: %s\n", strerror(err));
    exit(1);
}

Übung

Datei keepalive_client.c nach nonblock_client.c ändern. Den connect() Abschnitt auswechseln. Folgende Header Dateien sind zusätzlich nötig:

#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o nonblock_client nonblock_client.c

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./keepalive_server

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./nonblock_client localhost

Programm: Zeitauflösung Linux Uhrzeit

Mit dem system-call time() wird die Uhrzeit mit Zeitauflösung Sekunde angegeben. Bei dem system-call gettimeofday() ist die Auflösung Mikro-Sekunde (1.000.000 Mikro-Sekunden sind 1 Sekunde).
Die gettimeofday() Uhrzeit steckt in zwei struct Variablen (tv_sec und tv_usec). Mit Hilfe des Datentyp long long (64 Bit Integer) lässt sich die gettimeofday() Uhrzeit in einer Variablen abbilden.

struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
long long t = 1000000 * tv.tv_sec + tv.tv_usec;
printf("gettimeofday time is %lld\n", t);

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o gettimeofday gettimeofday.c

Im xterm Fenster eingeben:
./gettimeofday

Übung

Testen Sie gettimeofday auf verschiedenen Computern. Ist die Zeitauflösung immer gleich?

Datei gettimeofday.c

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>

int main() {
struct timeval tv[11];

gettimeofday(tv + 0, NULL);
int i;
for(i = 1; i < 11; ++i) {
    for(;;) {                             // eine busy waiting Schleife
      gettimeofday(tv + i, NULL);
      if (tv[i].tv_sec != tv[i-1].tv_sec || tv[i].tv_usec != tv[i-1].tv_usec) {
        break;
      }
    }
}
for(i = 1; i < 11; ++i) {
    long long t0 = 1000000 * tv[i-1].tv_sec + tv[i-1].tv_usec;
    long long t1 = 1000000 * tv[i].tv_sec + tv[i].tv_usec;
    printf("gettimeofday Aufloesung = %lld usec\n", t1 - t0);
}

return 0;
}

Fehlersuche mit valgrind memory debugger

Ein typischer Fehler im Programm gettimeofday.c wäre die erste for() Schleife mit dem Anfangswert 0 zu schreiben:

for(i = 0; i < 11; ++i) {

Dieser Fehler wird vom C-Compiler nicht gefunden, auch nicht wenn die Option -fstack-protector-all benutzt wird. Das Programm läuft auch scheinbar fehlerfrei. Erst der memory debugger in valgrind findet den Fehler. Für gute valgrind Fehlerausgaben sollte man das Programm mit den zusätzlichen Optionen -g und -O0 übersetzen.

gcc -g -O0 -Wall -o gettimeofday gettimeofday.c

Dann das Programm unter valgrind memory leak check laufen lassen.

valgrind --leak-check=yes ./gettimeofday

Die relevante Fehlermeldung ist

==5564== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==5564== at 0x8048462: main (gettimeofday.c:25)

In Zeile 25 steht:

if (tv[i].tv_sec != tv[i-1].tv_sec || tv[i].tv_usec != tv[i-1].tv_usec) {

Mit i = 0 ergibt der Ausdruck i-1 den Wert -1. Und einen tv[-1].tv_sec gibt es nicht. Für weitere Dokumentation über valgrind siehe http://www.valgrind.org/docs/manual/index.html

Signale

Mit Signalen meldet sich das Betriebssystem Linux bei der Applikation. Die Taste Strg-C löst das Signal SIGINT aus. Ein "killall -9 Programmname" löst das Signal SIGKILL aus. Siehe "man 7 signal" für die Liste der Signale.

Ohne eigene Programmierung führt ein Signal zum Programm-Ende. Mit dem signal() system-call wird die Reaktion auf Signale geändert. Die Signale SIGINT (Strg-C von der Tastatur), SIGTERM (Strg-D von der Tastatur), SIGTSTP (Strg-Z von der Tastatur) können ignoriert werden. Dazu schreibt man am Anfang der main() Funktion:

signal(SIGINT, SIG_IGN);    // Strg-C ignorieren
signal(SIGTERM, SIG_IGN);   // Strg-D ignorieren
signal(SIGTSTP, SIG_IGN);   // Strg-Z ignorieren

Die Include Datei für signal() ist

#include <signal.h>

Übung

Erweitern Sie tcp_server.c zu tcp_servera.c um die obige Signal Behandlung. Testen Sie das Programm mit Strg-C, Strg-D, Strg-Z. Das Programm kann nur noch mit "killall -9 tcp_servera" beendet werden. Das Signal SIGKILL (Signal Nummer 9) kann nicht ignoriert werden.

EINTR Behandlung bei select()

Das mögliche Auftreten von Signalen ist der Grund für die spezielle Behandlung des return value (rv) von select(). Der Fehler EINTR bedeutet "ein nicht-blockiertes Signal ist aufgetreten". Dieser Fehler ist kein echter Fehler der zum Programm-Ende führen soll. Zwischen den beiden UNIX Versionen von AT&T und BSD gibt es deutliche Unterschiede im Verhalten bei Signalen. Ein Betriebssystem Aufruf wie select(), read(), write() oder open() wird bei AT&T UNIX bei einem Signal beendet. Bei einem BSD UNIX wird nach dem Aufruf des Signal Handler der Betriebssystem-Aufruf weiter ausgeführt. Die GNU Libc und damit auch Linux verhalten sich defaultmäßig wie ein AT&T UNIX.

    int rv = select(32, &readfds, NULL, NULL, NULL);
    if (-1 == rv) {
      extern int errno;

      if (errno != EINTR) {
        // Signal erhalten, entsprechender Quelltext ...
        perror("select");
        exit(1);
      }
    }

    if (rv > 0) {
      if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {
        // Daten vom Keyboard verfuegbar, entsprechender Quelltext ...
      }
    }

Achtung: Das Bit-Feld readfds darf nur verwendet werden wenn rv > 0 ist. Bei -1 == rv ist das Bit-Feld readfds undefiniert. Siehe select man page.

Programm: Intervall Timer

Ein Intervall Timer (periodischer Aufruf einer Funktion) kann unter Linux auf verschiedene Arten realisiert werden:

mit dem time-out Parameter von select()
setitimer()

Die beste Möglichkeit ist setitimer(). Der Timer muss nur einmal eingerichtet werden und meldet sich dann immer wieder.
Leider ist die Benutzung von setitimer() nicht ganz einfach. Einige Bedingungen müssen im Programm erfüllt sein:

es muss einen SIGALRM Handler geben (dieses Signal wird ausgelöst)
die Timer-Funktion ergibt sich aus select() mit return value = -1 und errno = EINTR

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o setitimer setitimer.c

Im xterm Fenster eingeben:
stty -F /dev/tty -icanon
./setitimer

Das Programm gibt 1000 Punkte aus. Der Timer ist auf knapp 4msec gestellt, d.h. das Programm benötigt 4000msec = 4sec für die Ausgabe.

Übung 1

Testen Sie das Programm mit "time ./setitimer". Ändern Sie nun die Timer-Konstante von 4000-2 (d.h. 3998) auf 4000. Testen Sie das Programm erneut. Was passiert? Testen Sie weiter. Benutzen Sie folgende Timer-Konstanten:
   10000-2 (d.h. 9998)
   10000
   1000-2 (d.h. 998)
   1000
Was ist die Intervall Timer Zeitauflösung?

Übung 2

Halten Sie die Taste A gedrückt während das Programm setitimer läuft. Was passiert mit der Ausgabe "dots" und "chars". Was passiert mit der time Ausgabe?

Übung 3

Die Ausgabe write(STDOUT_FILENO, s, strlen(s)) kann auch in der alarmhandler() Funktion stehen. Schieben Sie die nötigen zwei Programmzeilen aus der main() Funktion in die alarmhandler() Funktion und testen Sie die neue Programmversion setitimer1.c.

Datei setitimer.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>

void alarmhandler() {
// absichtlich nichts tun
}

int main() {
signal(SIGALRM, alarmhandler);

struct itimerval value;
value.it_interval.tv_sec = value.it_value.tv_sec = 0;
value.it_interval.tv_usec = value.it_value.tv_usec = 4000-2;
setitimer(ITIMER_REAL, &value, NULL);

int chars = 0;
int dots;
for(dots = 0; dots < 1000;) {     // absichtlich kein ++dots hier
    fd_set readfds;

    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(STDIN_FILENO, &readfds);

    int rv = select(32, &readfds, NULL, NULL, NULL);
    if (-1 == rv) {
      extern int errno;

      if (errno != EINTR) {
        perror("setitimer select");
        exit(1);
      }
      // Signal erhalten, d.h. ein setitimer() Intervall ist abgelaufen
      ++dots;                       // hier kommt Schleifenzaehler hochzaehlen
      char s[] = ".";
      write(STDOUT_FILENO, s, strlen(s));       // ungepuffert ausgeben
    }

    if (rv > 0) {
      if (FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readfds)) {   // Daten vom Keyboard verfuegbar
        char buf[1];
        read(STDIN_FILENO, buf, sizeof buf);    // Puffer leer lesen
        ++chars;
      }
    }
}
printf("\ndots = %d chars = %d\n", dots, chars);
return 0;
}

Programm: TCP client mit setitimer()

Die Programme werden langsam größer. Der Quelltext muss gegliedert werden um nicht die Übersicht und die Wartbarkeit zu verlieren. Für die Strukturierung ist die Unterteilung des Quelltextes in Software-Schichten (software layers) sehr hilfreich. Eine höhere Software-Schicht ist immer etwas abstrakter als die darunter liegende Softwareschicht.
Eine höhere Softwareschicht bietet oft auch mehr Funktionalität. In unserem Fall werden anstelle von nur einem setitimer() Intervall-Timer insgesamt 32 after() Timer angeboten.
Mit den Funktionen after() und fileevent_readable() wird das Konzept von events (Ereignissen) und event-handler Funktionen vertieft. Im Kapitel Signale und im Programm setitimer.c wurden events (z.B. das Signal SIGINT) und event-handler (z.B. die Funktion alarmhandler()) schon eingeführt. Event-handler Funktionen werden auch call-back Funktionen genannt.
Die Namen vwait, after, after cancel, fileevent readable und socket -async stammen übrigens von der Programmiersprache Tcl/Tk und sind dort Tcl/Tk Funktionen.

Höhere Schicht	Aufgabe	Niedrigere Schicht
vwait_init()	Daten für Event Schleife initialisieren	nicht vorhanden
after()	Zeit gesteuerter Funktionsaufruf	basiert auf setitimer()
after_cancel()	Abbruch eines after()	nicht vorhanden
fileevent_readable()	Daten sind verfügbar	basiert auf select()
vwait()	Event Schleife ausführen	nicht vorhanden
socket_async()	TCP Client Socket nicht-blockierend öffnen	gethostbyname(), socket(), connect()

Die Header Datei vwait.h erfüllt nebenbei die Aufgabe der Dokumentation für die neuen Funktionen. Die Kommentare können von dem Dokumentation-Programm doxygen ausgewertet werden. In der Quelltext-Datei vwait_client.c werden die Funktionen der niedrigen Schicht nicht verwendet. Die Quelltext-Datei vwait.c realisiert das “vwait Modul” durch eine prozedurale Abstraktion.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o vwait_client vwait_client.c vwait.c

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./keepalive_server

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./vwait_client hostname

Übung 1

Ändern Sie SIZE auf den Wert 41 und testen Sie das Programm. Was passiert wenn mehr als 40 Zeichen eingeben werden? Schalten Sie die Zeilen-Pufferung des Terminals aus mit
stty -F /dev/tty -icanon
Wie verändert sich das Verhalten bei zu langen Eingaben?

Datei vwait_client.c

Datei vwait.h

#ifdef __cplusplus // bei C++ Compiler definiert
extern "C" { // C Namensumsetzung (name mangling) benutzen
#endif

/**
* vwait() Datenstrukturen initialisieren. Einmal bei Programmstart aufrufen
*/
void vwait_init();

/**
* Zeitgesteuerter Funktions-Aufruf
* @param ms die Wartezeit in Millisekunden
* @param proc Zeiger auf eine Funktion mit einem void* Parameter
* @param param Zeiger auf void * Funktionsparameter
*
* return After Id, -1 bei Fehler
*/
int after(int ms, void (*proc)(void *), void *param);

/**
* Loesche Zeitgesteuerten Funktions-Aufruf
* @param afterId die AfterId von after()
*
* return 0 wenn okay, -1 bei Fehler
*/
int after_cancel(int afterId);

/**
* Filedescriptor Daten vorhanden Eventhandler
* @param fd der Filedescriptor (returnwert von open())
* @param proc Zeiger auf eine Funktion mit zwei Parameter (int, void *)
* @param param Zeiger auf void * Funktionsparameter
*
* return 0 wenn okay, -1 bei Fehler
*/
int fileevent_readable(int fd, void (*proc)(int, void *), void *param);

/**
* vwait Eventloop. Hier verschwindet die Programmkontrolle
*/
void vwait();

/** TCP Client Socket nicht-blockierend oeffnen
* @param host Hostname
* @param port Portnummer
* return -1 bei Fehler, Filedescriptor sonst
*/
int socket_async(const char *host, int port);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

Datei vwait.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/tcp.h> // fuer TCP_KEEP... (Linux spezifisch)
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <sys/time.h>
#include "vwait.h"

#define INTERVAL    100   // in ms
#define MAXFD       32    // maximale Anzahl fd fuer fileevent_readable()
#define MAXAFTER    32    // maximale Anzahl wartende after() Aufrufe

/*************************************** */
/* after */

typedef struct {
void (*proc)(void *);   // aufzurufende Funktion
void *param;            // Parameter fuer aufzurufende Funktion
int ms;                 // Count Down in Millisekunden
int magic;              // after(), after_cancel() Konsistenz Pruefwert
} AFTERENTRY;

static AFTERENTRY afterarray[MAXAFTER];

int after(int ms, void (*proc)(void *), void *param) {
int i;
for (i = 0; i < MAXAFTER; ++i) {
    if (NULL == afterarray[i].proc) {                 // Eintrag ist frei
      afterarray[i].proc = proc;
      afterarray[i].ms = ms;
      afterarray[i].param = param;
      ++afterarray[i].magic;
      if (afterarray[i].magic >= INT_MAX/MAXAFTER) { // vermeide Ueberlauf
          afterarray[i].magic = 1;
      }
      return MAXAFTER * afterarray[i].magic + i;
    }
}
return -1;                          // kein freier after() Timer vorhanden
}

int after_cancel(int afterId) {
int id = afterId % MAXAFTER;
if (id < 0 || id >= MAXAFTER) {
    return -1;
}
int magic = afterId / MAXAFTER;
if (magic != afterarray[id].magic) { // after_cancel() passt nicht zu after()
    return -1;
}
afterarray[id].proc = NULL;
afterarray[id].param = NULL;
afterarray[id].ms = 0;
return 0;
}

/*************************************** */
/* fileevent */

typedef struct {
void (*proc)(int, void *); // aufzurufende Funktion
void *param;                // Parameter fuer aufzurufende Funktion
} FILEEVENTENTRY;

static fd_set readfds;
static FILEEVENTENTRY fileeventarray[MAXFD];

int fileevent_readable(int fd, void (*proc)(int, void *), void *param) {
if (fd < 0 || fd >= MAXFD) {
    return -1;
}
if (proc != NULL) {
    FD_SET(fd, &readfds);
} else {
    FD_CLR(fd, &readfds);
}
fileeventarray[fd].proc = proc;
fileeventarray[fd].param = param;
return 0;
}

void vwait_init() {
FD_ZERO(&readfds);
memset(fileeventarray, 0, sizeof fileeventarray);
memset(afterarray, 0, sizeof afterarray);
}

/*************************************** */
/* vwait */

static void alarmhandler(int sig) {
// absichtlich nichts tun
}

void vwait() {
signal(SIGALRM, alarmhandler);

struct itimerval value;
value.it_interval.tv_sec = value.it_value.tv_sec = 0;
value.it_interval.tv_usec = value.it_value.tv_usec = INTERVAL * 1000;
setitimer(ITIMER_REAL, &value, NULL);

for(;;) {
    fd_set in_out = readfds;          // select() aendert den Parameter
    int rv = select(MAXFD, &in_out, NULL, NULL, NULL);

    if (-1 == rv) {                   // setitimer() abgelaufen oder Fehler
      extern int errno;
      if (errno != EINTR) {
        perror("vwait select");
        exit(1);
      }
      int i;
      for (i = 0; i < MAXAFTER; ++i) {
        if (afterarray[i].proc != NULL) {
          afterarray[i].ms -= INTERVAL;
          if (afterarray[i].ms <= INTERVAL/2) {
            (*afterarray[i].proc)(afterarray[i].param);
            afterarray[i].proc = NULL;
          }
        }
      }
    }

    if (rv > 0) {                     // Daten fuer file descriptors vorhanden
      int i;
      for (i = 0; i < MAXFD; ++i) {
        if (FD_ISSET(i, &in_out) && (fileeventarray[i].proc != NULL)) {
          (*fileeventarray[i].proc)(i, fileeventarray[i].param);
        }
      }
    }
}
}

int socket_async(const char *host, int port) {
struct hostent *he;
he = gethostbyname(host);
if (NULL == he) return -1;

int fdServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == fdServer) return -1;

int val = 1;
int rv = setsockopt(fdServer, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &val, sizeof val);
if (-1 == rv) goto error1;

val = 4;
rv = setsockopt(fdServer, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPIDLE, &val, sizeof val);
if (-1 == rv) goto error1;

val = 4;
rv = setsockopt(fdServer, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPINTVL, &val, sizeof val);
if (-1 == rv) goto error1;

val = 1;
rv = setsockopt(fdServer, IPPROTO_TCP, TCP_KEEPCNT, &val, sizeof val);
if (-1 == rv) goto error1;

struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof serv_addr);
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *) he->h_addr);
serv_addr.sin_port = htons(port);

int flags = fcntl(fdServer, F_GETFL, 0);
if (-1 == flags) goto error1;

rv = fcntl(fdServer, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
if (-1 == rv) goto error1;

rv = connect(fdServer, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof serv_addr);
if (-1 == rv) {
    extern int errno;
    if (errno != EINPROGRESS) goto error1;    // EINPROGRESS wird erwartet
}

return fdServer;

error1:
close(fdServer);
return -1;
}

State Diagram (Zustands Übergang Diagramm)

Beim System-Design werden die einzelnen Zustände als Kreise, Ellipsen oder Rechtecke dargestellt, die Zustandsübergänge als gerichtete Pfeile zwischen den Kreisen. Die Initialisierung der State-Machine (der Anfangszustand) wird oft mit einem Pfeil "aus dem Nichts" mit der Beschriftung "Start" gekennzeichnet. Das TCP Protokoll benutzt ein State-Diagram. Das FDDI Protokoll übrigens auch.

TCP State Diagram (http://world.std.com/~franl/tcp-state-diagram.gif)

Die Zustände "Listen", "Established (Verbunden)" usw. lassen sich mit dem Programm netstat -antp ansehen. Hier die Ausgabe nachdem tcp_server und tcp_client auf dem Computer gestartet wurden:

Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
tcp        0      0 0.0.0.0:55555           0.0.0.0:*               LISTEN      7303/tcp_server
tcp        0      0 127.0.0.1:32927         127.0.0.1:55555         VERBUNDEN   7304/tcp_client
tcp        0      0 127.0.0.1:55555         127.0.0.1:32927         VERBUNDEN   7303/tcp_server

Die erste Zeile mit State LISTEN zeigt das der tcp_server auf einen Verbindungsaufbau wartet - auch wenn das Programm nur einen tcp_client gleichzeitig bedienen kann. Die zweite Zeile ist die Verbindung aus Sicht des tcp_client. Die dritte Zeile ist die Verbindung aus Sicht des tcp_server.

Programm: TCP Client mit NONBLOCK, reopen

Im Programm nonblock_client.c wurde nicht-blockierendes connect() vorgestellt. Erst mit after() zum zeit-gesteuerten Funktionsaufruf machen nicht-blockierende system-calls richtig Sinn.
Die Applikation führt den nicht-blockierenden system-call aus, wartet mit after() auf das Ergebnis und benutzt dann die erfolgreich geöffnete TCP-Verbindung.
Wie bei dem vwait Modul wird wieder das "Räderwerk" hinter einfachen Zugriffsfunktionen versteckt (abstrahiert). Das Modul-Interface wird in tcp.h definiert und umfasst:

tcp_open()	Öffne TCP Verbindung auf TCP-Client Seite
tcp_puts()	Schreibe C-String buf in Richtung TCP Server
tcp_flush()	Sofort aussenden (flush buffer)
tcp_gets()	Lese C-String bis Zeilenende in buf mit Größe size vom TCP-Server
tcp_close()	Schließe TCP Verbindung auf TCP-Client Seite

Die Funktionen sind nach den Stream-IO Funktionen fopen(), fputs(), fflush(), fgets() und fclose() gestaltet. Die Funktion tcp_gets() blockiert und sollte deshalb nur innerhalb eines mit fileevent_readable() eingerichteten Event-Handlers benutzt werden.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o single_client single_client.c vwait.c tcp.c

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./keepalive_server

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./single_client hostname portnummer

State Diagram single_client

Das Programm single_client erfüllt natürlich das TCP state diagram. Darüber hinaus hat das Programm noch sein eigenes State Diagram.
Nach dem Start geht die durch das Modul tcp.c realisierte state machine in den Zustand connect1. In diesem Zustand wird der erste Teil des TCP connect() ausgeführt.
Nach 3 Sekunden time out erfolgt ein Übergang ist den Zustand connect2. In diesem Zustand wird geprüft ob der TCP connect() erfolgreich war. Wenn erfolgreich erfolgt ein Übergang zum Zustand transfer statt, sonst erfolgt ein Übergang zum Zustand connect1.
In dem Zustand transfer können Daten mit tcp_puts() versendet werden und Daten mit tcp_gets() empfangen werden. Treten Fehler im Zustand transfer erfolgt ein Übergang zum Zustand reopen.
Im Zustand reopen wird die Verbindung geschlossen. Nach 1 Sekunde time-out erfolgt ein Übergang zu Zustand connect1, die state machine ist wieder im Anfangszustand.
Die state machine als Diagramm:

Übung 1

Die Zustände werden mit Hilfe der tcp_xxx() Funktionen realisiert. Machen Sie die Zustände deutlich durch printf() Ausgaben am Anfang der Funktionen. Benutzen Sie folgende Texte:

Am Anfang von	Ausgabe von
tcp_connect1()	Zustand connect1
tcp_connect2()	Zustand connect2
tcp_puts()	Zustand transfer (puts)
tcp_gets()	Zustand transfer (gets)
tcp_reopen()	Zustand reopen

Übung 2

Entfernen Sie die Funktion tcp_reopen() aus tcp.c. Das Programm Verhalten soll gleich bleiben.

Datei single_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "vwait.h"
#include "tcp.h"

#define SIZE 1400

// Callback Funktion: Daten vom Keyboard verfuegbar
void cb_Kbd(int fdKbd, void *dummy) {
char buf[SIZE];

fgets(buf, sizeof buf, stdin);
int rv = tcp_puts(buf);
if (-1 == rv) {
    fprintf(stderr, "cb_Kbd tcp_puts failed\n");
    return;
}
tcp_flush();
}

// Callback Funktion: Daten vom Netzwerk verfuegbar
void cb_Server(int fdServer, void *dummy) {

char buf[SIZE];
char *rv = tcp_gets(buf, sizeof buf);
if (NULL == rv) {
    fprintf(stderr, "cb_Server tcp_gets failed\n");
    return;
}

printf("%s", buf);
fflush(stdout);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 3) {
    fprintf(stderr, "single_client usage: single_client host port\n");
    exit(1);
}

const char *host = argv[1];
int port = atoi(argv[2]);

vwait_init();

tcp_open(host, port, cb_Server);
fileevent_readable(STDIN_FILENO, cb_Kbd, NULL);

vwait();                                  // Event Schleife ausfuehren

return 0;
}

Datei tcp.h

/**
* Oeffne TCP Verbindung auf TCP-Client Seite mit Retry
* @param host_ Hostname passend fuer gethostbyname()
* @param port_ Portnummer
* @param callback Callback-Funktion passend fuer fileevent_readable()
*/
void tcp_open(const char *host_, int port_, void (*callback)(int, void *));

/**
* Schreibe C-String buf in Richtung TCP Server
* @param buf Zeiger auf 0-terminierten C-String
*
* return -1 bei Fehler, 0 sonst (wie bei fputs)
*/
int tcp_puts(const char *buf);

/**
* Sofort aussenden (flush buffer)
*
* return -1 bei Fehler, 0 sonst (wie bei fflush)
*/
int tcp_flush();

/**
* Lese C-String bis Zeilenende in buf mit Groesse size vom TCP-Server
* @param buf Zeiger auf Puffer
* @param size Groesse des Puffers
*
* return NULL bei Fehler, buf sonst (wie bei fgets)
*/
char *tcp_gets(char *buf, int size);

/**
* Schliesse TCP Verbindung auf TCP-Client Seite
*
* return -1 bei Fehler, 0 sonst (wie bei fclose)
*/
int tcp_close();

Datei tcp.c

Go To Statement Considered Harmful

Im Jahr 1968 schrieb Edsger W. Dijkstra sein berühmtes "A case against the GO TO Statement". In der Funktionen socket_async() und tcp_connect2() wird goto verwendet. Auch das unstrukturierte goto kann der strukturierten Programmierung dienen. Das goto error1 ist ein Sprung zum Fehler-Aufräum Quelltext (error recovery code) der Funktion. Dieses goto ist mehr strukturiert als die Wiederholung des Fehler-Aufräum Quelltextes an mehreren Stellen in der Funktion.

Programm: TCP Client für redundante TCP-Server

Das letzte Programm der TCP Client Serie fügt noch eine kleine Erweiterung hinzu. Der TCP Client versucht wechselweise zu zwei unterschiedlichen TCP Servern Verbindung aufzubauen. Diese Methode wird bei einigen redundanten Systemen eingesetzt.
Die Änderungen im Quelltext sind minimal. Die Funktion tcp_open2() erhält die IP Information für zwei TCP Server. Die Funktion tcp_connect1() tauscht die TCP Server IP Informationen aus damit einmal der eine Server und im nächsten Durchlauf der andere Server zum Verbindungsaufbau benutzt wird.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -o dual_client dual_client.c vwait.c tcp2.c

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./keepalive_server1 55555

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./keepalive_server1 55556

Im dritten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./dual_client localhost 55555 localhost 55556

Beispiel Sitzung

Die Benutzer Eingaben waren:

abcd
Nun Server auf Port 55555 beenden
efgh
Nun auch Server auf Port 55556 beenden

./dual_client localhost 55555 localhost 55556
tcp_connect2 success host = localhost port = 55555
abcd
Nun Server auf Port 55555 beenden
cb_Server tcp_gets failed
tcp_connect2 success host = localhost port = 55556
efgh
Nun auch Server auf Port 55556 beenden
cb_Server tcp_gets failed
tcp_connect2 getsockopt: Connection refused
tcp_connect2 getsockopt: Connection refused
tcp_connect2 getsockopt: Connection refused
tcp_connect2 getsockopt: Connection refused

Datei dual_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "vwait.h"
#include "tcp2.h"

#define SIZE 1400

// Callback Funktion: Daten vom Keyboard verfuegbar
// cb_Kbd() wie bei single_client.c

// Callback Funktion: Daten vom Netzwerk verfuegbar
// cb_Server() wie bei single_client.c

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 5) {
    fprintf(stderr, "dual_client usage: dual_client host port host2 port2\n");
    exit(1);
}

const char *host = argv[1];
int port = atoi(argv[2]);
const char *host2 = argv[3];
int port2 = atoi(argv[4]);

vwait_init();

tcp_open2(host, port, host2, port2, cb_Server);
fileevent_readable(STDIN_FILENO, cb_Kbd, NULL);

vwait();                                  // Event Schleife ausfuehren

return 0;
}

Datei tcp2.h

/**
* Oeffne TCP Verbindung auf TCP-Client Seite fuer redundante TCP-Server
* @param host_ Hostname passend fuer gethostbyname()
* @param port_ Portnummer
* @param host2_ Hostname alternativer TCP-Server
* @param port2_ Portnummer alternativer TCP-Server
* @param callback Callback-Funktion passend fuer fileevent_readable()
*/
void tcp_open2(const char *host_, int port_, const char *host2_, int port2_,
void (*callback_)(int, void *));

// Rest wie bei tcp.h

Datei tcp2.c

// zusaetzliche Variablen gegenueber tcp.c
static const char *host2 = "";        // Hostname alternativer TCP Server
static int port2 = -1;                // Portnummer alternativer TCP Server

// geaenderte Funktion gegenueber tcp.c
void tcp_open(const char *host_, int port_, void (*callback_)(int, void *)) {
host = host2 = host_;
port = port2 = port_;
callback = callback_;
tcp_connect1(NULL);
}

// neue Funktion gegenueber tcp.c
static void tcp_swapServer() {
const char *hostTmp = host;   // Dreier-Tausch
host = host2;
host2 = hostTmp;
int portTmp = port;           // Dreier-Tausch
port = port2;
port2 = portTmp;
}

// neue Funktion gegenueber tcp.c
void tcp_open2(const char *host_, int port_, const char *host2_, int port2_,
void (*callback_)(int, void *)) {
host = host_;
port = port_;
host2 = host2_;
port2 = port2_;
callback = callback_;
tcp_swapServer();         // weil tcp_connect1() auch einen swap macht
tcp_connect1(NULL);
}

// geaenderte Funktion gegenueber tcp.c
static void tcp_connect1(void *dummy) {
tcp_swapServer();
fdServerTmp = socket_async(host, port);
if (fdServerTmp < 0) {
    perror("tcp_connect1 socket_async");
    after(1000, tcp_connect1, NULL);
    return;
}

fpServerTmp = fdopen(fdServerTmp, "a+");
if(NULL == fpServerTmp) {
    perror("tcp_connect1 fdopen");
    after(1000, tcp_connect1, NULL);
    return;
}

after(3000, tcp_connect2, NULL);
}

Ausblick: TCP Client für redundante TCP-Server in C++

Die C Lösung dual_client.c ist schon sehr ausgefeilt. Leider versagt die C Lösung wenn gleichzeitig mit mehreren TCP-Servern kommuniziert werden soll. Durch eine C++ Klasse ist der nötige Schritt zur Verallgemeinerung möglich.
Das Modul vwait bleibt in C. Es gibt nur einen setitimer() und nur einen aktiven select() pro Linux Programm, hier kann nichts verallgemeinert werden. Zwischen dem C Modul vwait und der C++ Klasse TCP2 gibt es einen Bruch im Programmiermodell. Um diesen Bruch zur überwinden werden die Helper Funktionen tcp_connect1() und tcp_connect2() benutzt. Die Helper Funktionen nehmen einen void Zeiger aus dem C Modul entgegen und führen den Aufruf einer C++ Klassenfunktion aus.

Programm Test

Programm kompilieren mit
gcc -Wall -c vwait.c
g++ -Wall -o dual_clienta dual_clienta.cpp tcp2.cpp vwait.o

Im ersten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./keepalive_server1 55555

Im zweiten xterm Fenster eingeben für TCP-Server:
./keepalive_server1 55556

Im dritten xterm Fenster eingeben für TCP-Client
./dual_clienta localhost 55555 localhost 55556

Datei dual_clienta.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "vwait.h"
#include "tcp2.hpp"

#define SIZE 1400

// Callback Funktion: Daten vom Keyboard verfuegbar
void cb_Kbd(int fdKbd, void *p) {
TCP2 *tcp = (TCP2 *)p;
char buf[SIZE];

fgets(buf, sizeof buf, stdin);
int rv = tcp->puts(buf);
if (-1 == rv) {
    fprintf(stderr, "cb_Kbd tcp->puts failed\n");
    return;
}
tcp->flush();
}

// Callback Funktion: Daten vom Netzwerk verfuegbar
void cb_Server(int fdServer, void *p) {
TCP2 *tcp = (TCP2 *)p;

char buf[SIZE];
char *rv = tcp->gets(buf, sizeof buf);
if (NULL == rv) {
    fprintf(stderr, "cb_Server tcp->gets failed\n");
    return;
}

printf("%s", buf);
fflush(stdout);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
if (argc != 5) {
    fprintf(stderr, "dual_clienta usage: dual_clienta host port host2 port2\n");
    exit(1);
}

const char *host = argv[1];
int port = atoi(argv[2]);
const char *host2 = argv[3];
int port2 = atoi(argv[4]);

vwait_init();

TCP2 tcp;
tcp.open2(host, port, host2, port2, cb_Server);
fileevent_readable(STDIN_FILENO, cb_Kbd, &tcp);

vwait();                                  // Event Schleife ausfuehren

return 0;
}

Datei tcp2.hpp

class TCP2 {
const char *host;
int port;
const char *host2;              // Hostname alternativer TCP Server
int port2;                      // Portnummer alternativer TCP Server
int fdServer;
FILE *fpServer;
void (*callback)(int, void *); // tcp_gets() Callback Funktion

void swapServer();
void reopen();
public:
void connect1();                // public wegen C Helper Funktionen
void connect2();                // public wegen C Helper Funktionen
TCP2();

/**
   * Oeffne TCP Verbindung auf TCP-Client Seite fuer redundante TCP-Server
   * @param host_ Hostname passend fuer gethostbyname()
   * @param port_ Portnummer
   * @param host2_ Hostname alternativer TCP-Server
   * @param port2_ Portnummer alternativer TCP-Server
   * @param callback Callback-Funktion passend fuer fileevent_readable()
   */
void open2(const char *host_, int port_, const char *host2_, int port2_,
   void (*callback_)(int, void *));

/**
   * Oeffne TCP Verbindung auf TCP-Client Seite mit reopen
   * @param host_ Hostname passend fuer gethostbyname()
   * @param port_ Portnummer
   * @param callback Callback-Funktion passend fuer fileevent_readable()
   */
void open(const char *host_, int port_, void (*callback)(int, void *));

/**
   * Schreibe C-String buf in Richtung TCP Server (aehnlich fputs)
   * @param buf Zeiger auf 0-terminierten C-String
   *
   * return -1 bei Fehler, 0 sonst (wie bei fputs)
   */
int puts(const char *buf);

/**
   * Sofort aussenden (flush buffer)
   *
   * return -1 bei Fehler, 0 sonst (wie bei fflush)
   */
int flush();

/**
   * Lese C-String bis Zeilenende in buf mit Groesse size vom TCP-Server
   * @param buf Zeiger auf Puffer
   * @param size Groesse des Puffers
   *
   * return NULL bei Fehler, buf sonst (wie bei fgets)
   */
char *gets(char *buf, int size);

/**
   * Schliesse TCP Verbindung auf TCP-Client Seite
   *
   * return -1 bei Fehler, 0 sonst (wie bei fclose)
   */
int close();
};

Datei tcp2.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include "vwait.h"
#include "tcp2.hpp"

// Helper Funktion um C void Zeiger auf C++ Klassenfunktion Aufruf umzusetzen
static void tcp_connect1(void *p) {
TCP2 *tcp = (TCP2 *)p;
tcp->connect1();
}

// Helper Funktion um C void Zeiger auf C++ Klassenfunktion Aufruf umzusetzen
static void tcp_connect2(void *p) {
TCP2 *tcp = (TCP2 *)p;
tcp->connect2();
}

TCP2::TCP2() {
fpServer = NULL;
}

void TCP2::open(const char *host_, int port_, void (*callback_)(int, void *)) {
host = host2 = host_;
port = port2 = port_;
callback = callback_;
connect1();
}

void TCP2::swapServer() {
const char *hostTmp = host;   // Dreier-Tausch
host = host2;
host2 = hostTmp;
int portTmp = port;           // Dreier-Tausch
port = port2;
port2 = portTmp;
}

void TCP2::open2(const char *host_, int port_, const char *host2_, int port2_,
void (*callback_)(int, void *)) {
host = host_;
port = port_;
host2 = host2_;
port2 = port2_;
callback = callback_;
swapServer();         // weil TCP2::connect1() auch einen swap macht
connect1();
}

// TCP Client connect Teil 1: connect() NONBLOCK
void TCP2::connect1() {
swapServer();
fdServer = socket_async(host, port);
if (fdServer < 0) {
    perror("TCP2::connect1 socket_async");
    after(1000, tcp_connect1, this);
    return;
}

after(3000, tcp_connect2, this);
}

// TCP Client connect Teil 2: Pruefen ob Verbindungsaufbau erfolgreich war
void TCP2::connect2() {
int err = 0;
unsigned len = sizeof err;
getsockopt(fdServer, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &err, &len);
if (err != 0) {
    fprintf(stderr, "TCP2::connect2 getsockopt: %s\n", strerror(err));
    goto error1;
}

fpServer = fdopen(fdServer, "a+");
if(NULL == fpServer) {
    perror("TCP2::connect2 fdopen");
    goto error1;
}

fileevent_readable(fdServer, callback, this);
fprintf(stderr, "TCP2::connect2 success host = %s port = %d\n", host, port);
return;

error1:
::close(fdServer);                // system-call close()
after(1000, tcp_connect1, this);
return;
}

int TCP2::puts(const char *buf) {
if (NULL == fpServer) return -1;
return fputs(buf, fpServer);
}

int TCP2::flush() {
if (NULL == fpServer) return -1;
return fflush(fpServer);
}

// TCP Client nach Fehler aufraeumen
void TCP2::reopen() {
close();
after(1000, tcp_connect1, this);
}

char *TCP2::gets(char *buf, int size) {
char *rv = fgets(buf, size, fpServer);
if (NULL == rv) {       // Verbindung von Gegenseite geschlossen oder Fehler
    reopen();
    buf[0] = '\0';
}
return rv;
}

int TCP2::close() {
int rv = fclose(fpServer);
fpServer = NULL;
fileevent_readable(fdServer, NULL, NULL);
return rv;
}

TJSON Grammatik

Bis jetzt wurde der wohl geordnete Zustand von kleinen Datenelementen (ein C-String, ein unsigned char, eine Uhrzeit) betrachtet. In diesem Beispiel wird eine kleine Grammatik und ein kleiner Parser vorgestellt.
Die Grammatik ist eine LL(1)-Grammatik. Die Programmiersprache PASCAL benutzt eine LL(1) Grammatik. Die Grammatik einer Programmiersprache definiert was ein Quelltext ohne Syntax-Fehler ist.
Der Parser ist ein Programm welches den Quelltext einliest und nach den Regeln der Grammatik in seine Bestandteile zerlegt. Typische Bestandteile sind Sonderzeichen wie < oder =, Schlüsselwörter wie "begin" und "end" und die vom Programmierer verwendeten Namen für Variablen oder Prozeduren.
Für die Datenübertragung werden gerne kleine LL(1)-Grammatiken verwendet. Für eine korrekte LL(1)-Grammatik lässt sich leicht ein korrekter Parser programmieren. Das Informatik Fachgebiet zum Thema Grammatiken und Parser ist der Compilerbau.

Grammatik in Strukturierter Sprache

Strukturierte Sprache ist "Deutsch klar und präzise". Strukturierte Sprache ist schlecht geeignet die Grammatik zu definieren, aber gut geeignet die Grammatik zu erklären.

Meldungsformat

Die Meldungen werden in 7-bit ASCII (ANSI X3.4-1968) kodiert. Jede Meldung besteht aus einem

Start of Message Zeichen: { (Geschweifte Klammer auf)
dem Meldungsinhalt
End of Message Zeichen: }\r\n (Geschweifte Klammer zu, Carrige Return, Line Feed)

Meldungsinhalt

Der Meldungsinhalt besteht aus einem oder mehreren Schlüsselwort/Werte Paaren. Ein einzelnes Schlüsselwort/Wert Paar besteht aus:

Signal Name (Schlüsselwort) in doppelten Anführungszeichen "
Zuweisungszeichen : (Doppelpunkt)
Signal Wert, entweder
- eine Zahl in Dezimalschreibweise
- oder eine Zeichenkette in doppelten Anführungszeichen "

Zwischen aufeinander folgenden Schlüsselwort/Werte Paaren steht das Trennzeichen , (Komma).

Meldungsbeispiel

{"TAG":"LANB","DATE":"16.08.2007","TIME":"11:05:07","SEQ":12,"RWY":1,"CLD":0,"LA1":1,"LA2":0,"CAT1":1,"CATB":0,"CAT2":0,"CAT3":0,"PTA":0}\r\n

Syntax-Diagramm

Das Syntax-Diagramm stellt die Grammatik graphisch dar.

Die Bilder stammen von der JSON Homepage http://www.json.org

Grammatik in EBNF Schreibweise

Die Grammatik mit Hilfe einer Grammatik-Beschreibung-Sprache zu definieren ist präzise. Hier wird der Coco/R Parser Generator verwendet.

/* Tiny JSON - subset of JSON (RFC4627) */
/* ATG Datei fuer Coco/R LL(1) Parser Generator */

COMPILER tjson

/* Regulaere Ausdruecke (Scanner) */

CHARACTERS
stringChar = ANY - '\"' - '\r' - '\n' .
digit = "123456789" .

TOKENS
STRING = '\"' { stringChar } '\"' .
CONST = '0' | ( digit { '0' | digit} ) .

/* LL(1) Grammatik (Parser) */

PRODUCTIONS

tjson = '{' [ pair { ',' pair } ] '}' '\r' '\n' .

pair = STRING ':' ( STRING | CONST ) .

END tjson.

Der aufmerksame Leser bemerkt die kleinen Unterschiede zwischen den verschiedenen Beschreibungen der Grammatik. Es wird aber immer die gleiche Grammatik definiert.

TJSON Parser Skelett

Aus einer Grammatik kann ein Parser-Generator einen C-Quelltext erzeugen. Dieses Parser Skelett ist der Ausgangspunkt für den kompletten Parser. Das Parser Skelett Programm kann schon feststellen ob ein Quelltext wohl formatiert ist.

void Expect(int n)
{
if (lookahead == n)
    GetToken();
else {
    SynErr(n);
}
}

pair()
{
Expect(TJSON_STRING);
Expect(':');
if (lookahead == TJSON_STRING) {
    GetToken();
} else if (lookahead == TJSON_CONST) {
    GetToken();
} else
    SynErr(256);
}

tjson()       // hier startet der Parser
{
Expect('{');
if (lookahead == TJSON_STRING) {
    pair();
    while (lookahead == ',') {
      GetToken();
      pair();
    }
}
Expect('}');
Expect('\r');
Expect('\n');
// hierher kommt der Parser nur wenn der Quelltext wohl formatiert war
}

lookahead	Variable welche das nächste Symbol (Token) der Eingabe enthält .
GetToken()	Funktion welche die Variable lookahead mit dem nächsten Symbol der Eingabe lädt.
Expect()	Funktion welche das erwartete Symbol mit dem gelieferten Symbol vergleicht und bei Erfolg GetToken() aufruft.
SynErr()	Funktion welche eine Fehlermeldung ausgibt.

Programm: TJSON Parser mit Fehlerbehandlung

Der TJSON Parser wird als C++ Programm vorgestellt. Es werden nur die bisher vorgestellten C++ Erweiterungen Klasse (verallgemeinerte Zugriffsfunktionen) und Exceptions (Fehler Ausnahme) benutzt. Der TJSON Parser läßt sich auch als C Programm realisieren - aber bitte glauben Sie mir das es einfacher ist ein bisschen C++ zu lernen um den Quelltext zu verstehen als sich mit der Hässlichkeit der C Version auseinander zu setzen.

Programm Test

Programm kompilieren mit
g++ -o tjson_parse_test tjson_parse_test.cpp tjson_parse.cpp

Im xterm Fenster eingeben:
./tjson_parse_test

Datei tjson_parse.hpp

#ifndef TJSON_PARSE_HPP

#define TJSON_STRINGLEN 20
#define TJSON_VALUELEN TJSON_STRINGLEN

#define TJSON_STRING 257
#define TJSON_NUMBER 258

#define TJSON_ERR_STRING_TOO_LONG -1
#define TJSON_ERR_NUMBER_TOO_LONG -2
#define TJSON_ERR_UNKNOWN_CHAR    -3
#define TJSON_ERR_OPEN_EXPECTED   -4
#define TJSON_ERR_CLOSE_EXPECTED -5
#define TJSON_ERR_COLON_EXPECTED -6
#define TJSON_ERR_COMMA_EXPECTED -7
#define TJSON_ERR_CR_EXPECTED     -8
#define TJSON_ERR_LF_EXPECTED     -9
#define TJSON_ERR_STRING_EXPECTED -10
#define TJSON_ERR_NUMBER_EXPECTED -11
#define TJSON_ERR_SCANNER         -12
#define TJSON_ERR_INVALID_PAIR    -13
#define TJSON_ERR_BAD_STRING      -14

class TJSON {
int laChar;                    // Scanner Lookahead Zeichen
char yytext[TJSON_STRINGLEN];   // string oder number

int laToken;                   // Parser Lookahead Symbol
char token[TJSON_STRINGLEN];    // enthaelt string oder number

char string[TJSON_STRINGLEN];   // Zwischenspeicher fuer call-back Funktionen
const char *input;              // Class Interface Input Zeiger
void *param;

int (*parse_str)(void *, const char *, const char *); // Callback Funktion
int (*parse_int)(void *, const char *, const char *); // Callback Funktion
void GetChar();

int yylex();
void GetToken();
void Expect(int n);
void pair();
void parser();

public:
/** Parse String input nach TJSON LL(1) Grammatik
   * @param input_ TJSON Meldung als ASCII C-String
   * @param parse_str_ call-back Funktion. Aufruf wenn String:String Paar
   *                   Return wert < 0 beendet Parsing
   * @param parse_int_ call-back Funktion. Aufruf wenn String:Integer Paar
   *                   Return wert < 0 beendet Parsing
   * @param param_ Zeiger auf void * Funktionsparameter
   *
   * return 0 bei Parsing erfolgreich, <0 bei Fehler
   */
int parse(const char *input_,
   int (*parse_str_)(void *, const char *, const char *),
   int (*parse_int_)(void *, const char *, const char *),
   void *param_);
};

#define TJSON_PARSE_HPP
#endif

Datei tjson_parse.cpp

#include <cctype>
#include <cstring>
#include "tjson_parse.hpp"

/* ***************************************************** */
/* Scanner */

// Lese neues Zeichen aus dem Eingabe Puffer
void TJSON::GetChar() {
laChar = *input;
if (laChar > 0) {   // nicht ueber Stringende hinauslesen
    input++;
}
}

// Scanner Funktion
int TJSON::yylex() {
if (index("{:,}\r\n", laChar)) {      // Ein Zeichen lange Symbole
    char ch = laChar;
    GetChar();
    return ch;
}

if ('\"' == laChar) {                 // TJSON String Konstante
    int i = 0;
    GetChar();
    while (laChar != '\"') {
      if ('\r' == laChar || '\n' == laChar || '\0' == laChar) {
        throw TJSON_ERR_BAD_STRING;
      }
      yytext[i++] = laChar;
      GetChar();
      if (i+1 >= TJSON_STRINGLEN) {
        throw TJSON_ERR_STRING_TOO_LONG;
      }
    }
    GetChar();
    yytext[i] = '\0';
    strcpy(token, yytext);
    return TJSON_STRING;
}

if (isdigit(laChar)) {                // TJSON Integer Konstante
    int i = 0;
    yytext[i++] = laChar;
    GetChar();
    while (isdigit(laChar)) {
      yytext[i++] = laChar;
      GetChar();
      if (i+1 >= TJSON_VALUELEN) {
        throw TJSON_ERR_NUMBER_TOO_LONG;
      }
    }
    yytext[i] = '\0';
    strcpy(token, yytext);
    return TJSON_NUMBER;
}

throw TJSON_ERR_UNKNOWN_CHAR;         // Unbekanntes Zeichen
}

/* ***************************************************** */
/* Top Down Parser */

void TJSON::GetToken() {
laToken = yylex();
}

void TJSON::Expect(int n)
{
if (laToken == n)
    GetToken();
else {
    switch (n) {
      case '{':   throw TJSON_ERR_OPEN_EXPECTED; break;
      case '}':   throw TJSON_ERR_CLOSE_EXPECTED; break;
      case ':':   throw TJSON_ERR_COLON_EXPECTED; break;
      case ',':   throw TJSON_ERR_COMMA_EXPECTED; break;
      case '\r': throw TJSON_ERR_CR_EXPECTED; break;
      case '\n': throw TJSON_ERR_LF_EXPECTED; break;
      case TJSON_STRING:   throw TJSON_ERR_STRING_EXPECTED; break;
      case TJSON_NUMBER:   throw TJSON_ERR_NUMBER_EXPECTED; break;
      default:    throw TJSON_ERR_SCANNER; break;
    }
}
}

void TJSON::pair()
{
Expect(TJSON_STRING);             strcpy(string, token);
Expect(':');
if (TJSON_STRING == laToken) {
    GetToken();                     int rv = (*parse_str)(param, string, token);
                                    if (rv < 0) throw rv;
} else if (TJSON_NUMBER == laToken) {
    GetToken();                     int rv = (*parse_int)(param, string, token);
                                    if (rv < 0) throw rv;
} else
    throw TJSON_ERR_INVALID_PAIR;
}

void TJSON::parser()
{
Expect('{');
if (TJSON_STRING == laToken) {
    pair();
    while (',' == laToken) {
      GetToken();
      pair();
    }
}
Expect('}');
Expect('\r');
Expect('\n');
}

/* ***************************************************** */
/* Interface */

int TJSON::parse(const char *input_,
int (*parse_str_)(void *, const char *, const char *),
int (*parse_int_)(void *, const char *, const char *),
void *param_) {
param = param_;
input = input_;
parse_str = parse_str_;
parse_int = parse_int_;
try {
    GetChar();      // Init Scanner
    GetToken();     // Init Parser
    parser();
    return 0;
}
catch (int err) {
    return err;
}
}

Datei tjson_parse_test.cpp

#include <cstdio>
#include "tjson_parse.hpp"

// Parser call-back. Aufruf bei String:String Paaren
int cb_parse_str(void *p, const char *key, const char *val) {
printf("\tcb_parse_str %s %s\n", key, val);
return 0;
}

// Parser call-back. Aufruf bei String:Integer Paaren
int cb_parse_int(void *p, const char *key, const char *val) {
printf("\tcb_parse_int %s %s\n", key, val);
return 0;
}

int main() {
const char *testinput[] = {
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANffffffffffffffffB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":19999999999999999}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",.\"RWY\":1}\r\n",
    "\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\"1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\":\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1}\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1}\r",
    "{\"TAG\":\"LANB\",2:1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":0x11}\r\n",
    "{\"TAG\"::\"LANB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\"\":\"LANB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",,\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1}}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1}\r\r\n",
    "\n{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG:\"LANB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB,\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY:1}\r\n",
    "{\"TAG\r\":\"LANB\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\n\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"RWY\":1\"}\r\n",
    NULL // testinput vector Ende
};

int i;
for (i = 0; testinput[i] != NULL; ++i) {
    printf("Input: %s", testinput[i]);
    TJSON tjson;
    int rv = tjson.parse(testinput[i], cb_parse_str, cb_parse_int, NULL);
    printf("TJSON::parse() returns %d\n\n", rv);
}
return 0;
}

Das Parser Interface benutzt call-back Funktionen. Butler W. Lampson (erhielt 1992 den ACM Turing Award) empfiehlt dieses Vorgehen in seinem Artikel Hints for computer system design von 1983.

Programm: Datenstrom nach Datensatz Umwandlung

Der Parser liest die Daten in der externen ASCII Darstellung (representation). Für die weitere Verarbeitung im C Programm ist eine internen Darstellung als struct oder class besser geeignet. Mit Hilfe der Parser call-back Funktionen wird dieser letzte Schritt der Datenstrom nach Datensatz Umwandlung ausgeführt.

Programm Test

Programm kompilieren mit
g++ -o tjson_parse_test2 tjson_parse_test2.cpp tjson_parse.cpp string_s.c

Im xterm Fenster eingeben:
./tjson_parse_test2

Datei tjson_parse_test2.cpp

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include "tjson_parse.hpp"
#include "string_s.h"

typedef struct {
char tag[10];
char date[11];
int rwy;
} LIGHTS;           // Datensatz

// Parser call-back. Aufruf bei String:String Paaren
int cb_parse_str(void *p, const char *key, const char *val) {
LIGHTS *lights = (LIGHTS *)p;

if (0 == strcmp("TAG", key)) {
    strcpy_s(lights->tag, sizeof lights->tag, val);
    return 0;
}
if (0 == strcmp("DATE", key)) {
    strcpy_s(lights->date, sizeof lights->date, val);
    return 0;
}
return -101;
}

// Parser call-back. Aufruf bei String:Integer Paaren
int cb_parse_int(void *p, const char *key, const char *val) {
LIGHTS *lights = (LIGHTS *)p;

if (0 == strcmp("RWY", key)) {
    lights->rwy = atoi(val);
    return 0;
}
return -102;
}

int main() {
const char *testinput[] = {
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"DATE\":\"20.01.2008\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"MAG\":\"LANB\",\"DATE\":\"20.01.2008\",\"RWY\":1}\r\n",
    "{\"TAG\":\"LANB\",\"DATE\":\"20.01.2008\",\"rWY\":1}\r\n",
    NULL // testinput vector Ende
};

int i;
for (i = 0; testinput[i] != NULL; ++i) {
    printf("Input: %s", testinput[i]);
    LIGHTS lights = { "", "", -1};
    TJSON tjson;
    int rv = tjson.parse(testinput[i], cb_parse_str, cb_parse_int, &lights);
    if (0 == rv) {
      printf("TJSON::parse() found tag=%s, date=%s, rwy=%d\n",
       lights.tag, lights.date, lights.rwy);
    }
    printf("TJSON::parse() returns %d\n\n", rv);
}
return 0;
}

Prozesspriorität

Die Prozesspriorität legt fest wie wichtig ein Prozess für den Computer sein soll. Wichtigere Prozesse werden bevorzugt bedient.
Alle Benutzer-Prozesse laufen mit der Prozesspriorität 0. Für den Scheduler (Prozessumschalter) im Linux Kernel sind dadurch alle Benutzer-Prozesse gleich. Prozesse welche vom Superuser gestartet werden können eine bessere Prozesspriorität erhalten.
Mit dem system-call setpriority() kann die Prozesspriorität gesetzt werden. Dabei bedeutet 19 die unwichtigste Priorität und -20 die wichtigste Priorität. Einige Betriebssystem-Prozesse (Daemons) arbeiten mit der Priorität 19 (ksoftirqd), andere Daemons arbeiten mit -2 (ipw3945d) bis -5 (kthreadd).
Ein bevorzugter Benutzer-Prozess sollte deshalb eine Prozesspriorität von -1 benutzen.

Übung 1

Ändern Sie setitimer.c nach setitimer2.c. Bringen Sie am Anfang von main() den setpriority() Aufruf unter. Die nötige Include Datei ist.

#include <sys/resource.h>

int rv = setpriority(PRIO_PROCESS, 0, -1);
if (-1 == rv) {
    perror("setitimer2 setpriority");
}

Testen Sie das Programm mit dem Aufruf
   ./setitimer2
und mit dem Aufruf
   sudo ./setitimer2
Was ist der Unterschied?

Übung 2

Für eine Zeitmessung im Programm erweitern Sie setitimer2.c nach setitimer3.c. Vor der for() Schleife schreiben Sie:

struct timeval tv0;
gettimeofday(&tv0, NULL);

Nach der for() Schleife schreiben Sie:

struct timeval tv1;
gettimeofday(&tv1, NULL);
long long t0 = 1000000 * tv0.tv_sec + tv0.tv_usec;
long long t1 = 1000000 * tv1.tv_sec + tv1.tv_usec;
printf("\nLaufzeit = %lld usec\n", t1 - t0);

Testen Sie wieder der Programm mit beiden Aufrufen:
./setitimer3
sudo ./setitimer3
Gibt es einen Unterschied?

Übung 3

Versuchen Sie den Test auch wenn die CPU stark belastet ist. Für die CPU Belastung benutzen Sie in einem zweiten xterm Fenster folgendes Kommando zur Berechnung der Fakultät von 123456 mit dem bc "Taschenrechner":
   bc <fac.bc

Bemerkung: Für Computer mit 2 CPU-Cores muss zweimal bc aufgerufen werden für volle .
Die Datei fac.bc hat den Inhalt

# fac.bc
# BC Skript zum Berechnen der Fakultaet

define f (x) {
if (x <= 1) return (1);   # der Sonderfall f(1) = 1
return (x * f(x-1));      # der Normalfall rekursive Berechnung
}

f(123456);

Call Tree, Call Trace, Backtrace

Ein Call Tree ist die Aufrufreihenfolge der Unterprogramme (Prozeduren, Funktionen) wie sie aus dem Quelltext ermittelt werden. Programme wie cflow (Linux), cflow (MS-Windows) oder calltree erstellen entsprechende Dokumente. Ein Call Trace zeigt die Aufrufreihenfolge des laufenden Programmes. Der GNU C compiler unter Linux unterstützt einen backtrace ohne Änderung des Quelltextes. Die etrace Bibliothek benutzt diese GCC Fähigkeit. Der Quelltext muss zusammen mit etrace compiliert werden.
Mit Hilfe des Präprozessors kann für jeden C oder C++ Compiler ein Call Trace erzeugt werden. Das Makro fn() realisiert den grössten Teil der call trace Funktion. Jeder Unterprogrammaufruf wird durch dieses Makros erweitert. Vor dem Unterprogrammaufruf wird die Prozedur __call() aufgerufen, nach dem Unterprogrammaufruf wird __ret() aufgerufen. Die erste Hilfsprozedur protokolliert den Namen des Unterprogrammes, die Parameter sowie die Stelle im Quelltext wo der Unterprogrammaufruf erfolgt. Die Aufruftiefe (nesting level) wird durch __call() erhöht. Die Prozedur __ret() erniedrigt die Aufruftiefe wieder. Der folgende C Quelltext zeigt das Makro, die Hilfsprozeduren und den Einsatz in einem kleinen Demo-Programm mit der rekursiven Funktion fibonacci().
Das Makro fn() enthält das Statement Trennzeichen ; (Semikolon). Das Makro funktioniert nur dann korrekt, wenn if(), else, while(), do und for() zusammen mit { und } verwendet werden. Die geschweiften Klammern umschließen einen Block (compound statement). Die Zeile int rv = fibonacci(n); wird mit dem CallTrace Makro fn() zu der Zeile fn(int rv = fibonacci(n)); . Diese, für einen C-Programmierer ohne Makro-Erfahrung fehlerhaft aussehene Zeile, wird fehlerfrei compiliert. Der Compiler sieht den Quelltext __call(); int rv = fibonacci(n); __ret(); .

/* dieser Teil steht in callTrace.h */

// CallTree Makro fuer Funktionsaufruf (mit oder ohne Returnwert)
// vor Prozeduraufruf wird __call() aufgerufen, danach wird __ret() aufgerufen
#define fn(func)    __call(#func, __FILE__, __LINE__); func; __ret()

/* dieser Teil steht in callTrace.c */

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#ifdef _WIN32
    #define FILESEP '\\'
#else
    #define FILESEP '/'
#endif

// Groesse CallTree Speicher in Zeilen
#define MAXCALLTRACE    (1 << 6)    // nur 2er Potenzen erlaubt

typedef struct {
    char *proc, *file;
    int depth, line;
} CALLTRACE;

static CALLTRACE ct[MAXCALLTRACE];
static int last = 0;
static int callDepth = 0;

// Hilfsprozedur Logging von Subprogramm Abstieg
void __call(char *proc, char *file, int line) {
    ct[last].proc = proc;
    ct[last].file = file;
    ct[last].depth = callDepth++;
    ct[last].line = line;
    last = (last + 1) & (MAXCALLTRACE - 1);    // entspricht modulo MAXCALLTRACE
}

// Hilfsprozedur Subprogramm Aufstieg
void __ret() {
    --callDepth;
}

// CallTrace Modul initialisieren
void callTraceInit() {
    int i;
    for (i = 0; i < MAXCALLTRACE; ++i) {
        ct[i].proc = NULL;
    }
    last = 0;
    callDepth = 0;
}

// CallTrace ausgeben
void callTracePrint(FILE *fp) {
    // suche Anfang
    int cnt, ndx = last;
    for (cnt = 0; cnt < MAXCALLTRACE; ++cnt) {
        int newNdx = (ndx - 1) & (MAXCALLTRACE - 1);
        if (newNdx == last || NULL == ct[newNdx].proc ) {
            break;
        }
        ndx = newNdx;
    }
    // Ausgabe
    int i;
    for (i = 0; i < cnt; ++i) {
        char *basename = strrchr(ct[ndx].file, FILESEP);
        if (NULL == basename) {
            basename = ct[ndx].file;
        } else {
            ++basename;        // FILESEP nicht mit ausgeben
        }
        int j;
        for (j = 0; j < ct[ndx].depth; ++j) {
            fprintf(fp, "   ");
        }
        fprintf(fp, "%s at %s:%d\n", ct[ndx].proc, basename, ct[ndx].line);
        ndx = (ndx + 1) & (MAXCALLTRACE - 1);
    }
}

/* hier beginnt das Demo-Programm */

// Fibonacci Folge
int fibonacci(int n) {
    if (0 == n) {
        return 0;
    } else if (1 == n) {
        return 1;
    } else {
        fn(int rv = fibonacci(n - 1));
        fn(rv += fibonacci(n - 2));
        return rv;
    }
}

int main (int argc, char *argv[]) {
    printf("CallTrace for C by Andre Adrian\n\n");

    callTraceInit();
    int n = 5;
    fn(int rv = fibonacci(n));                // CallTrace einer Funktion
    printf("fibonacci(%d) = %d\n", n, rv);
    fn(callTracePrint(stderr));                // CallTrace einer Prozedur
    getchar();
    return 0;
}

Das Programm cflow liefert für die Datei callTrace.c den Flowchart:

main() <int main (int argc,char *argv[]) at callTrace.c:108>:
    printf()
    callTraceInit() <void callTraceInit () at callTrace.c:54>:
    fn()
    fibonacci() <int fibonacci (int n) at callTrace.c:96> (R):
        fn()
        fibonacci() <int fibonacci (int n) at callTrace.c:96> (recursive: see 5)
    call()
    callTracePrint() <void callTracePrint (FILE *fp) at callTrace.c:64>:
        strrchr()
        fprintf()

Das Programm callTrace analysiert das Demo-Programm, die rekursive Berechnung der Fibonacci-Zahl für das Argument 5:

CallTrace for C by Andre Adrian

fibonacci(5) = 5
int rv = fibonacci(n) at callTrace.c:113
   int rv = fibonacci(n - 1) at callTrace.c:102
      int rv = fibonacci(n - 1) at callTrace.c:102
         int rv = fibonacci(n - 1) at callTrace.c:102
            int rv = fibonacci(n - 1) at callTrace.c:102
            rv += fibonacci(n - 2) at callTrace.c:103
         rv += fibonacci(n - 2) at callTrace.c:103
      rv += fibonacci(n - 2) at callTrace.c:103
         int rv = fibonacci(n - 1) at callTrace.c:102
         rv += fibonacci(n - 2) at callTrace.c:103
   rv += fibonacci(n - 2) at callTrace.c:103
      int rv = fibonacci(n - 1) at callTrace.c:102
         int rv = fibonacci(n - 1) at callTrace.c:102
         rv += fibonacci(n - 2) at callTrace.c:103
      rv += fibonacci(n - 2) at callTrace.c:103
callTracePrint(stderr) at callTrace.c:115

Variable Trace

Ähnlich wie das Makro fn() kann mit einem Makro let() ein Variable Trace realisiert werden. Der Variable Trace zeigt den Wert einer Variable während das Programm läuft.

Ist fehlerfreie Software möglich?

Die Antwort lautet ja, unter gewissen Randbedingungen. Softwarequalität entsteht durch Erkennen der Sonderfälle und korrekte Behandlung der Sonderfälle. Bei den vorgestellten Programmen sind zwei Arten von Sonderfällen nicht berücksichtigt worden:

write() system-call liefert Fehler
IP fragmentation bei read()

Diese Sonderfälle sind absichtlich nicht aus-programmiert worden. Es werden auch keine Tests für diese Sonderfälle angegeben. Die Programme werden beim Auftreten dieser Sonderfälle Fehler zeigen gemäß dem Sinnspruch: Alles was getestet wird funktioniert, alles was nicht getestet wird funktioniert nicht.
Eine zweite Quelle für versteckte Fehler sind die Brüche im Programmiermodell. Das Betriebssystem Linux ist in C programmiert. Die Schnittstelle zum Betriebssystem sind C system-calls. Wird die Applikation in C programmiert gibt es keinen Bruch zwischen Applikation-Programmiersprache und Betriebssystem-Programmiersprache. Schon die Verwendung der string Klasse der Programmiersprache C++ schafft einen solchen Bruch. Ein Dateiname als Variable der Klasse string muss für einen Betriebssystem Aufruf in einen C-String umgesetzt werden. Die Umsetzung in die andere Richtung ist auch nötig, z.B. beim Abfragen der Dateinamen in einem Verzeichnis über den Betriebssystem Aufruf readdir().
Die Datenkommunikation zwischen zwei Computern geht ebenfalls mit einem Bruch im Programmiermodell einher. Ein einfaches Beispiel sind die htons() und ntohs() Aufrufe um die Port-Nummer von Host Byte Order (CPU eigenen Integer Format) nach Network Byte Order (von IP verlangtes Integer Format) umzuwandeln.
Richtig deutlich wird der Bruch im Programmiermodell bei Lösungen wie CORBA. Hier gibt es eine eigene Programmiersprache IDL zum Beschreiben der Datensätze. Ein IDL Compiler erzeugt aus der Datensatzbeschreibung einen Quelltext für die in der Applikation verwendeten Programmiersprache damit der Applikationsprogrammierer sich nicht mit den Details der Umwandlung von Datensätzen zwischen interner und externer Darstellung auseinander setzen muss. Leider muss sich der Applikationsprogrammierer mit den Details des IDL Compilers und dem vom IDL Compiler produzierten Quelltext herum plagen. Für manche Programmierer ist das schlimmer als das eigentliche Problem!
Die hier vorgestellte TJSON Grammatik leidet auch unter dem Problem des Unterschiedes der externen Darstellung der Daten durch einen ASCII String und der sinnvollen internen Darstellung der Daten durch eine struct oder class. Für TJSON gibt es keinen IDL Compiler, der Programmierer muss die entsprechenden Funktionen für die Umwandlung selbst schreiben.
Neuer als CORBA ist Web Service. Die Idee hinter Web Service ist älter. Es werden HTTP Meldungen zwischen Service-Nutzer-Computer und Service-Anbieter-Computer ausgetauscht. Durch genaue Spezifikation (SOAP, SAML, Semantic Web Services, ...) der Nutzdaten soll Web Service die Integrationsfähigkeit von Computersystemen auf eine höhere Entwicklungsstufe bringen.
Wenn alle nötigen Sonderfälle aus-programmiert werden und wenn die Brüche an der Schnittstelle Applikation zu Betriebssystem und Applikation zum Netzwerk und über das Netzwerk zur nächsten Applikation sinnvoll behandelt werden dann entsteht fehlerfreie Software mit noch immer einer Einschränkung.
Die letzte Einschränkung ergibt sich aus der Sonderfall-Behandlung. Die vorgestellten Methoden truncation (Abschneidung) und saturation (Sättigung) sind sinnvoll. Diese Methoden lösen aber nicht das grundlegende Problem: Die im Programm vorgesehene Speichergröße reicht für das Datum nicht aus. Eine Programmiersprache mit dynamischen Variablen-Größen ist nur scheinbar die Lösung. Irgendwann ist der komplette Arbeitsspeicher aufgebraucht und dann hat auch eine solche Applikation Probleme.
Zum Abschluss bleibt nur folgender Rat: Die verwendete Programmiersprache ist zweitrangig. Wichtiger ist eine robuste Programmierung im Kleinen wie im Großen. Die relevanten Sonderfälle müssen während dem System Design erkannt werden und müssen konsequent aus-programmiert werden. Für die Wartbarkeit des Systems ist die Untergliederung der Applikation in sinnvolle Software-Schichten (software layers, Abstraktion-Ebenen, Module, Klassen) sehr wichtig, vielleicht die wichtigste Entscheidung überhaupt die während dem System Design getroffen wird.
Für die Programmierung in C++ ist RAII (Resourcenbelegung ist Initialisierung) eine sehr wichtige Programmiertechnik.

Was die theoretische Informatik noch nicht weiss

Wenn die theoretische Informatik für ein Problem keine Lösung kennt, dann kann ein System für dieses Problem keine fehlerfreie Software-Lösung liefern. Dieser Zusammenhang zwischen Theorie und Praxis sollte einleuchten. Leider bemerkt Tony Hoare in seiner Turing Award Rede 1980 treffend: "Almost anything in software can be implemented, sold, and even used given enough determination. There is nothing a mere scientist can say that will stand against the flood of a hundred million dollars."

Das Problem der letzten Meldung

Im TCP state diagram ist die ACK Meldung die letzte Meldung beim TCP Verbindungs-Abbau. Sie bringt den ACK empfangenden Computer vom Zustand LAST_ACK in den Zustand CLOSED. Fehlt diese letzte Meldung aufgrund eines kurzzeitigen Netzwerk-Ausfalles, so hat der eine Computer den TCP Verbindungs-Abbau komplett durchgeführt, der andere Computer aber nicht.
Das Problem der letzten Meldung wird üblicherweise mit einem Time-out entschärft. Der system-call setsockopt() mit dem Parameter SO_REUSEADDR ändert das Time-out Verhalten des TCP-Stacks.

Das Split-Network Problem

Im Fault Tolerant CORBA Dokument 01-09-29 der OMG.org wird in aller Einfachheit gesagt: "Network partitioning faults separate the hosts of the system into two or more sets, the hosts of each set being able to operate and to communicate within that set but not with hosts of different sets. The current state-of-the-art does not provide an adequate solution to network partitioning faults."
Natürlich leidet nicht nur Fault Tolerant CORBA unter dem Split-Network Problem. Die Lösung ist üblicherweise ein Eingriff durch das Wartungspersonal. Die Applikationen in einem der beiden Split-Networks werden komplett gestoppt. Dann werden die beiden Split-Networks wieder vereint. Im letzten Schritt werden die gestoppten Applikationen neu gestartet.
Eine automatische Lösung für das Split-Network Problem kann mit einem ähnlichen Algorithmus wie für die Ethernet Kollisionsauflösung liegen. Nachdem ein Split-Network wieder zusammengefügt wird, erkennen die Rechner-Knoten das zuviele Hosts aktiv sind, diese Phase entspricht der Kollisionserkennung im Ethernet. In der zweiten Phase berechnet jeder Host eine Zufallszahl. Diese Zufallszahl bestimmt wann der Host seinen Anspruch auf die "Herrscher-Krone" anmeldet. Der Host mit der kleinsten Zufallszahl meldet sich zuerst und wird "Herrscher".

Historie von C

Im Jahr 1978 erschien das Buch "The C Programming Language" von Brian W. Kernighan und Dennis M. Ritchie. Das Betriebssystem UNIX und die Programmiersprache C sind eigentlich ungewollte Entwicklungen die 1970 begonnen haben. Eigentlich wollte Bell Labs (AT&T) das Betriebssystem Multics mit der Programmiersprache PL/1 einsetzen. Aber 1969 ist Bell Labs aus der Multics Entwicklung ausgestiegen. Multics und PL/1 sind Riesen, UNIX und C sind Zwerge. Heute leben die Zwerge noch prächtig und die Riesen sind schon lange tot und vergessen.
Im Jahr 1983 erschien das Berkeley sockets application programming interface (socket-API) als Teil von 4.2BSD UNIX. Damit hat TCP/IP und das weltweite Internet seinen Siegeszug begonnen.
Im Jahr 1985 erschien "The C++ Programming Language" von Bjarne Stroustrup. Mit C++ wurde aus dem Zwerg C ein Riese. Wie bei anderen Riesen-Programmiersprachen wie Algol 68 oder PL/1 kann der Programmierer in der Komplexität der Programmiersprache C++ grandios untergehen.
Im Jahr 1989 erschien der ANSI-C Standard. Dadurch wurde der Sprachumfang von C und der C-Bibliothek genauer definiert und die Funktionsprototypen offiziell in den C Sprachumfang aufgenommen.
Im Jahr 2008 ist C ungefähr 35 Jahre alt. Heute ist C out und Programmiersprachen wie Java sind in. Leider machen die Java Jünger die gleiche Erfahrung wie die Ada, PL/1 oder Algol Programmierer vor ihnen: In jeder Programmiersprache kann man fehlerhafte Programme schreiben. Ein Array Range Check und ein Garbage Collector fangen vielleicht einige Fehler, aber nicht alle. Deshalb geht die Suche nach der perfekten Programmiersprache weiter. Bis jetzt hat nur die nutzlose Programmiersprache SIMPLE dieses Ziel erreicht.
C war für seine Zeit und ist auch heute noch ein wichtiger Meilenstein auf dieser Suche nach dem heiligen Gral der Programmiersprachen.

Danksagung

Die Danksagung geht an die Personen welche die Werkzeuge geschaffen haben mit denen dieses Dokument erzeugt wurde:

gcc Compiler von Richard Stallman und allen anderen Leuten der FSF
Linux Betriebsystem von Linus Torvalds und allen anderen Linux Kernel Leuten
Openoffice Textverarbeitung von Marco Börries und allen anderen Leuten von Staroffice/Openoffice
Seamonkey Composer von Marc Andreessen und allen anderen Leuten von Mosaic, Netscape, Mozilla
und alle anderen die bis jetzt noch nicht erwähnt wurden für ihre Werkzeuge (man, nedit, Coco/R, indent, cflow, cscope, tidy, valgrind, strace, lsof ...)

Weiterführende Literatur

TCP Programmierung in C:
W. Richard Stevens, Programmieren von UNIX-Netzwerken, 2.Auflage, 2000, Carl Hanser Verlag
Jürgen Wolf, Linux-UNIX-Programmierung, 2.Auflage, 2005, Galileo Computing

C Programmiersprache:
Jürgen Wolf, C von A bis Z, 2. Auflage, 2006, Galileo Computing
Kernighan, Ritchie, Programmieren in C, 2. Ausgabe, 1990, Prentice-Hall
Kernighan, Pike, The Practice of Programming, 1999, Addison-Wesley

C++ Programmiersprache:
Jürgen Wolf, C++ von A bis Z, 2006, Galileo Computing
Bjarne Stroustrup, Die C++ Programmiersprache, 2000, Addison Wesley

Die Bücher von Jürgen Wolf sind als Open-Books im Internet lesbar bei
http://www.pronix.de
http://www.galileocomputing.de/openbook/c_von_a_bis_z

Die Online Dokumentation über die GNU libc (C-Bibliothek) ist sehr ausführlich, aber leider in Englisch.
http://www.gnu.org/software/libc/manual

Die Bücher von Brian W. Kernighan sind sehr empfehlenswert.

Brian W. Kernighan; Programming in C: A Tutorial; Bell Laboratories; 1974

Kernighan, Plauger; Software Tools; Addison-Wesley; 1976

Kernighan, Pike; The UNIX Programming Environment; Prebtice Hall; 1984

Aho, Kernighan, Weinberger; The AWK Programming Language; Addison-Wesley; 1988

Kernighan, Pike; The Practice of Programming; Addison-Wesley; 1999

Über der Autor

Prozessdatenverarbeitung unter C hat für den Autor begonnen mit dem Lattice C Compiler. Das ist nun schon einige Jahre her. Heute sind gcc und g++ unter Linux die Werkzeuge. Nach 20 Jahren PDV unter C ist der Autor fest entschlossen die nächsten 20 Jahre weiterhin PDV unter C zu machen. Natürlich sind die Systeme von 2007 anders als die Systeme von 1987 und das heutige C ist ein C++. Aber das Message Sequence Chart und das State Diagram sind immer noch die besten Werkzeuge des System Designers. "Nichts ist praktischer als eine passende Theorie" sagte der Professor und ging.

unsicher	sicher
gets(char *s)	fgets(char s, int size, FILE stream)
sprintf(char str, const char format, ...)	snprintf(char str, size_t size, const char format, ...)
strcpy(char dest, const char src)	strcpy_s(char dest, unsigned size, const char src)
strncpy(char dest, const char src, size_t n)	strncpy_s(char dest, unsigned size, const char src, size_t n)
strcat(char dest, const char src)	strcat_s(char dest, unsigned size, const char src)
strncat(char dest, const char src, size_t n)	strncat_s(char dest, unsigned size, const char src, size_t n)
scanf(const char format, ...) fscanf(FILE stream, const char *format, ...)	Eingabe zuerst mit fgets() oder fread() einlesen, dann mit sscanf() verarbeiten