Osa 1 - C++ lyhyesti
C++ on tehokas ohjelmointikieli, jota käytetään matalantason ohjelmien rakentamisessa. Nämä ohjelmat toimivat usein käyttöjärjestelmien perustana, sekä erilaisten laitteiden ohjaajina. C++ on vanha ohjelmointikieli, mutta se on vuosien varrella laajentunut sekä kehittynyt, ja sillä on mahdollista koodata niin pieniä sovelluksia kuin käyttöliittymän sisältäviä laajoja ohjelmia. C++ on laiteläheinen kieli, joten sillä kirjoitetuista ohjelmista on mahdollista saada hyvin tehokkaita. C++ ei itsessään sisällä suurta määrää laajennuksia, kuten esim. CSV-tiedostojen käsittelyyn tai vaikkapa käyttöliittymien rakentamiseen, mutta eri organisaatiot ja käyttäjät ovat laajentaneet C++:aa kirjastoilla. Nämä kirjastot ovat saatavilla maksutta tai maksullisina riippuen kirjaston käyttötarkoituksesta. Näin ollen lähes mikä tahansa sovellus voidaan rakentaa C++:lla. C++ on käytössä monissa yrityksissä ja mitä lähemmäs laitteiden ohjaamista työ menee sitä varmemmin yritys käyttää C++ ohjelmointikielenä. C++:n historiaa ei tällä kurssilla käydä läpi, mutta esim. GeeksForGeeks sivustolla on aiheesta hyvä kuvaus, tämä löytyy osoitteesta: https://www.geeksforgeeks.org/history-of-c/
Kuva 1. C++ Historia (GeeksForGeeks)
C++ vaatii ohjelmoijalta taitoja, joiden vuoksi se on haastavan kielen maineessa. Tämä johtuu osittain C++:n historiasta, mutta pääasiassa siitä, että C++ on kielenä laiteläheinen. Muun muassa muistinhallinta ja tiedostojen käsittely on monessa muassa ohjelmointikielessä yksinkertaisempaa kuin C++:ssa, joten sillä on helppo tehdä virheitä, jotka aiheuttavat ohjelmien kaatumisen ja erilaiset virhetilanteet. Toisaalta ohjelmoijalla on lähes kaikki valta kun ohjelmoidaan C++:lla joten hän pystyy hallitsemaan sovelluksen käyttäytymistä hyvin hienojakoisesti. Tällä kurssilla opiskelija perehtyy C++:aan niin, että hallitsee sen perusteet ja osaa luoda C++:lla sovelluksia, jotka on kirjoitettu laadukkaasti.
Seuraavassa on kuvattuna joitain tunnuspiirteitä, jotka ovat C++:lle ominaisia:
- Yksinkertaisuus ja loogisuus, C++ muistuttaa luonnollista kieltä, ja sillä kirjoitetut ohjelmat voidaan paloitella loogisiin kokonaisuuksiin, joita on yksinkertaista hallita.
- Laiteriippumaton, mutta alustariippuvainen, C++ sovellukselle pitää määrittää käännettäessä alusta, jolla sovellus toimii (esim. Linux tai Windows). Jokaiselle alustalle tulee kääntää oma versio lähdekoodista. Tämä tekee C++ sovelluksesta kuitenkin laiteriippumattoman, eli sama koodi toimii useissa laitteissa, kunhan ne toimivat samalla alustalla.
- Keskitason kieli, C++ kuuluu ohjelmointikielien kategoriaan, jolla voidaan tehdä niin laitteiden ohjelmointia kuin laajoja sovelluksia.
- Laaja tukikirjasto, C++:lle löytyy laaja joukko kirjastoja, joita käyttäjät ovat kirjoittaneet laajentamaan C++:n perusominaisuuksia.
- Nopeus, C++:lla kirjoitetut sovellukset saadaan optimoitua nopeiksi, koska suoritettava sovellus on konekielistä koodia. C++:ssa ei ole automaattista muistinhallintaa, roskienkeruuta tai muita ominaisuuksia, jotka helpottavat ohjelmoijaa, mutta aiheuttavat suoritettaessa ”ylimääräistä” resurssien käyttöä.
- Osoittimet ja suora muistinhallinta, C++:lla voidaan käyttää osoittimia ja hallita suoraan muistiin tallennettua tietoa. Tästä on hyötyä kun toteutetaan matalantason ohjelmia, kuten laiteohjaimia.
- Olio-ohjelmointi, vaikka C++ ei ole puhdas olio-ohjelmointi kieli mutta luetaan olioohjelmointikieleksi. Siinä ei tarvitse pakosta käyttää oliota, mutta oliopohjaisuus on C++:ssan yksi tärkeimmistä piirteistä oliot. Olioiden ja luokkien avulla voidaan tehdä sovelluksia, jotka ovat siirrettäviä ja ylläpidoltaan kevyitä
C++:lla luotuja sovelluksia ovat mm.:
- Käyttöjärjestelmät
- Selaimet
- Grafiikka ja pelimoottorit
- Tietokantapalvelimet
- Useat pilvi- / hajautetut järjestelmät
- Sulautettujen järjestelmien sovellukset
Kääntäminen
C++ on ohjelmointikieli, joka on ”helposti” luettavissa ihmiselle, sillä kirjoitettu koodi muistuttaa ulkoasultaan mitä tahansa tekstiä. Tämä tarkoittaa sitä, että C++:lla kirjoitetut ohjelmat pitää kääntää (compile) tietokoneen ymmärtämään muotoon. Tämän suorittaa kääntäjä (compiler), jolle annetaan syötteenä C++:lla kirjoitetut tiedostot eli lähdekoodi (source code). Kääntäjä tulkitsee C++:lla kirjoitetun ohjelman ja muuntaa sen konekieliseksi suoritettavaksi tiedostoksi (executable file).
Konekieliset tiedostot voidaan suorittaa suoraan tietokoneella tai muulla laitteella, nämä suoritettavat tiedostot ovat pääasiassa .exe muotoisia ajettavia ohjelmia tai .dll muotoisia kirjastoja. Konekielinen tiedosto on binäärikoodia, ja sen muodostuminen riippuu siitä, mille ympäristölle ja suorittimelle ohjelma on tarkoitettu. C++:lla voidaan siis kirjoittaa sovelluksia eri laitteille, mutta ajettavat ohjelmat tulee kääntää kohdistumaan tietylle alustalle (vrt. käyttöjärjestelmä). Näin ollen C++:lla käännettäviä ohjelmia voidaan suorittaa vain määritetyissä ympäristöissä.
Kääntäminen ja kääntäjä eivät sisälly tämän kurssin aihealueeseen, mutta seuraavassa on kuvattu kääntäjän toimintaa yleisesti. Lisätietoja kääntäjästä voi lukea esim. https://binarymove.com/2018/12/01/how-c-works-ides-compilers-linkers/
Kuva 2. Kääntäjän toiminta
C++ ohjelmaa kirjoitettaessa kääntäjälle toimitetaan vähintään .cpp lähdekoodi, jonka kääntäjä tulkkaa konekieliseksi. Laajemmissa sovelluksissa kääntäjälle toimitetaan useita lähdekooditiedostoja (.cpp) tiedostoja, sekä niin liittyvät otsikkotiedostot (header file, .h). Otsikko- ja lähdekooditiedostoista puhutaan myöhemmin lisää. Kääntäjän toimintaa yleisesti on esitetty seuraavassa kuvassa.
Kuva 3. Kääntäjän toiminta
Kääntäjästä kannattaa käydä lukemassa seuraava kirjoitus, jossei heti niin vähintään kun kurssi on loppupuolella: https://www.fi.freelancer.com/community/articles/how-c-works-understanding-compilation