Institut für Computational Science Prof. Dr. H. Hinterberger. Praxismodul 2. Wiederholte Programmausführung

Transkript

1 Institut für Computational Science Prof. Dr. H. Hinterberger Praxismodul 2 Wiederholte Programmausführung

2 Wiederholte Programmausführung 2 Aufbau A. Einführung B. E.Turorial C. Selbständige Aufgabe D. Abgabebedingungen Inhalt 1. Wie programmiere ich Wiederholungen? Nochmals: Wie übergebe ich dem Programm Eingabewerte? Komfortabler programmieren: Die Programmierumgebung Turbo Operatoren zur Formulierung von Bedingungen Einführung zur Aufgabe: Wie gross ist eigentlich das Papierformat DIN A4...? Vom Format A0 zu den kleineren Formaten A1, A2, Neue Programmierelemente Institut für Computational Science, ETH Zürich, 2005, 2006 Alle Rechte vorbehalten. Internetadresse:

3 Wiederholte Programmausführung 3 A. Einführung Programmiersprachen stellen spezielle Anweisungen für die wiederholte Programmausführung man nennt sie auch Schleifen zur Verfügung. In Pascal sind dies die FOR-, WHILE und REPEAT- Anweisungen. Im Programm von Abbildung 1 können Sie nachvollziehen, wie eine FOR-Schleife funktioniert. PROGRAM beispiel; Var i, eingabe: integer; write('gewuenschte Anzahl Wiederholungen: '); read(eingabe); FOR i:= 1 TO eingabe DO writeln('nie!'); writeln('sie hat ',eingabe,' mal nie gesagt);. Abb. 1: Programm zum Verständnis einer FOR-Schleife. Für die FOR-Schleife sind zwei Variablen i und eingabe deklariert worden. Die Ausgabe des Programms ist in Abb. 2 zu sehen. Die FOR- Schleife wiederholt so lange, bis die Zählvariable i, deren Wert bei jedem Schleifendurchlauf um 1 erhöht wird, den gleichen Wert wie die Variable eingabe hat. Als Ausgabe ergeben sich so viele Kopien von "nie!", wie die gewünschte Anzahl Wiederholungen, die von der Benutzerin eingegeben wurde. Abb. 2: Ausgabe des Programms aus Abb. 1 bei einer Eingabe von Wie programmiere ich Wiederholungen? Die Instruktionen eines Computerprogramms werden in der Regel sequentiell ausgeführt, d.h. eine Instruktion nach der anderen. Bei dieser Vorgehensweise müsste man allerdings, um die gleiche Instruktion tausendmal auszuführen, diese auch tausendmal aufschreiben. Kein Mensch würde einen solchen Computer verwenden. Deshalb gibt es die Möglichkeit, Schleifen als eine einzige Instruktion zu programmieren. Dabei wird unterschieden, ob es sich um eine fixe Anzahl Wiederholungen handelt oder ob das Programm von sich aus die Wiederholungen abbricht, wenn eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. FOR-Schleife: Fixe Anzahl Wiederholungen Das einfachste Iterations-Element ist bei den meisten Programmiersprachen die FOR-Schleife. Sie wird angewandt, wenn im Voraus bekannt ist, wieviele Iterationen ausgeführt werden. In Pascal hat sie die folgende Syntax: FOR Zählvariable:= Startwert TO Zielwert DO Anweisungsblock Was gibt das folgende Programmsegment aus?

4 Wiederholte Programmausführung 4 FOR i:= 1 TO 5 DO write(i) Antwort: Die Ziffernfolge Die Instruktion write(i) wird zum ersten Mal ausgeführt, wenn die Zählvariable i den Wert 1 hat. In der Folge wird i jeweils um 1 erhöht, bis der Zielwert (5) erreicht ist und write(i) zum letzten Mal ausgeführt wird. Danach wird die FOR-Schleife verlassen und die darauf folgende Instruktion weiter unten im Programmcode ausgeführt. WHILE-Schleife: Anzahl Wiederholungen ist abhängig von einer Bedingung: Bei der WHILE-Schleife muss im Gegensatz zur FOR-Schleife, die Anzahl Schleifendurchläufe nicht von vornherein bekannt sein. Die Schleife wird solange ausgeführt, wie die Schleifenbedingung erfüllt ist (d.h. solange ein logischer Ausdruck den Wahrheitswert "true" hat). Die Syntax der WHI- LE-Schleife sieht wie folgt aus: WHILE Bedingung DO Anweisungsblock Die Ziffernfolge 1 bis 5 aus dem Beispiel der FOR-Schleife können wir auch mit einer WHILE- Schleife programmieren: i:= 1; WHILE i <= 5 DO write(i); i:= i + 1 Bei der WHILE-Schleife muss das Setzen des Startwertes und das Inkrementieren (Erhöhen um 1) der Zählvariablen durch eine separate Anweisung vorgenommen werden. Dadurch wird die WHI- LE-Schleife etwas fehleranfälliger. Andererseits bietet sie viel mehr Flexibilität. REPEAT-Schleife: Anzahl Wiederholungen ist abhängig von einer Bedingung Wenn Sie die Syntax der WHILE-Schleife genau betrachten, dann sehen Sie, dass es vorkommen kann, dass der Anweisungsblock gar nie ausgeführt wird. Nämlich dann, wenn die Bedingung für einen Schleifendurchlauf von Anfang an nicht erfüllt ist: i:= 6; WHILE i <= 5 DO write(i); i:= i + 1 Nun gibt es aber beim Programmieren immer wieder Situationen, in denen eine Schleife mindestens einmal ausgeführt werden muss. Für diese Fälle stellt Pascal die Repeat-Anweisung zur Verfügung. Es ist dies ebenfalls eine Schleife, aber mit der Eigenschaft, dass die Abbruchbedingung erst geprüft wird, nachdem der Anweisungsblock einmal durchlaufen wurde. Die Syntax der REPEAT-Schleife hat folgende Form: REPEAT Anweisungsblock UNTIL Bedingung

5 Wiederholte Programmausführung 5 Die Ziffernfolge 1 bis 5 aus obigem Beispiel wird mit einer REPEAT-Schleife wie links gezeigt programmiert: i:= 1; REPEAT write(i); i:= i + 1 UNTIL i = 6 i:= 1; WHILE i <= 5 DO write(i); i:= i + 1 Beachten Sie, wie die Bedingungen von REPREAT und WHILE unterschiedlich formuliert sind! 2. Nochmals: Wie übergebe ich dem Programm Eingabewerte? Es ist natürlich auch möglich, ein Programm zu starten und ihm Werte erst dann zu übergeben, wenn es läuft. Mit Hilfe des read-befehls kann ein Programm während der Laufzeit anhalten, um Informationen von Benutzern und Benutzerinnen entgegen zu nehmen. PROGRAM einlesen; {Liest einen Wert ab Tastatur und gibt ihn auf dem Bildschirm aus} VAR eingabe: integer; read(eingabe); writeln('es wurde die Zahl ',eingabe,' eingegeben'). Kommt das Programm während der Ausführung zu read(eingabe), so erscheint ein blinkender Cursor in der Form eines Underscore auf der Konsole. Das Programm wartet an dieser Stelle bis die Benutzerin eine Eingabe macht und diese mit der Enter-Taste abschliesst. Die Eingabe der Benutzerin wird dann der Variable eingabe zugewiesen und das Programm fährt nach dem read- Befehl weiter. Read ist für die Programmierung einfacher als die Übergabe von Werten mit dem Programmaufruf, weil keine Umwandlung von string nach integer notwendig ist. Wenn Daten über die Tastatur eingegeben werden, erhält das Programm zwei Eingaben. Als erstes den Wert der Daten und als zweites ein Symbol, welches das Ende einer Zeile markiert (erzeugt durch die Enter-Taste. Ein read-befehl liest nur die erste Eingabe. Ein darauf folgendes, zweites read würde das Ende-der-Zeile-Symbol lesen, aber das interessiert uns in der Regel nicht. Deshalb gibt es in Pascal noch den readln-befehl. Dieser liest einen Datenwert und überspringt alles andere bis ans Ende der Zeile, inklusive das Ende-der-Zeile-Symbol. Möchten wir einen Eingabewert lesen und anschliessend auf der nächsten Zeile weiterfahren, dann schreiben wir entweder: read(eingabe); readln oder: readln(eingabe). Im Zusammenhang mit Benutzerinput ist häufig im Voraus nicht bekannt, wie viele Eingaben ein Benutzer machen möchte. Das heisst, ein Programm muss wiederholt nach Eingaben fragen,

6 Wiederholte Programmausführung 6 weiss aber nicht, wie oft. Da bieten sich WHILE-Schleifen an, deren Anweisungsblock die Instruktionen für das Einlesen der Daten enthält und deren Schleifenbedingung abhängig vom Benutzerinput ist. In diesem Fall wird die Verarbeitung des Inputs solange wiederholt, bis eine bestimmte Eingabe gemacht wird. In Abbildung 3 sehen Sie ein kleines Beispielprogramm einer WHILE-Schleife kombiniert mit Benutzerinput. PROGRAM beispiel; Var i, total: integer; eingabe: string; total:= 0; eingabe:= 'j'; WHILE eingabe = 'j' DO write('haben Sie noch mehr zu sagen? (j/n)'); readln(eingabe); total:= total + 1; ; writeln('sie haben ',total,' wichtige Mitteilungen gemacht.');. Abb. 3: Programm zum Verständnis einer WHILE-Schleife. Als Bedingung für den Abbruch der Schleife wurde eine Variable eingabe deklariert. Die Antwort, welche die Benutzerin auf die Frage "Haben Sie noch mehr zu sagen?" gibt, wird der Variable eingabe zugewiesen. Wir geben den Benutzern vor, dass sie, solange sie noch weitere Mitteilungen haben, ein "j" für ja eingeben sollen. Sobald sie etwas anderes eingeben (inkl. ein "n"), ist die Bedingung eingabe = j verletzt und das Programm verlässt die WHILE-Schleife. Die Ausgabe dieses Programms können Sie in Abbildung 4 sehen. Abb. 4: Ausgaben des Programms aus Abb. 3, wenn der Benutzer vier mal ja ("j") und einmal nein ("n") eingibt. 3. Komfortabler programmieren: Die Programmierumgebung Turbo Wäre es nicht angenehm, wenn wir, nachdem der Kompiler einen syntaktischen Fehler in unserem Programm gefunden hat, zurück in den Texteditor geführt würden und zwar genau an die Stelle des Fehlers? So genannte Entwicklungsumgebungen (engl. IDE, Integrated Development Environment) stellen solche Dienste zur Verfügung. Für TP führen Sie dazu das Programm turbo.exe aus (Abb. 5) und öffnen Ihr Programm mit der Befehlsfolge: Datei -> Öffnen... (nicht auf Ihre Quelldatei doppelklicken, denn damit wird Delphi automatisch gestartet und soweit sind wir noch nicht).

7 Wiederholte Programmausführung 7 Abb. 5: Die Befehlsleiste der Programmierumgebung Turbo. Die Entwicklungsumgebung "Turbo" besteht im Wesentlichen aus einem Texteditor, der typische Funktionen wie Kopieren, Einfügen, Löschen usw. zur Verfügung stellt. Zusätzlich kann Ihr Programm aber auch kompiliert oder sogar ausgeführt werden, ohne dass Sie den Editor verlassen. Sollte während der Kompilation ein Fehler auftreten, wird diese abgebrochen, eine Fehlermeldung ausgegeben und der Editor wieder aktiviert, mit dem Cursor an der Stelle des gefundenen Fehlers (beim Ersten, falls das Programm mehrere enthält). Wenn Sie ein TP-Programm aus dem Programmeditor starten, öffnet Turbo ein Konsolenfenster für dieses Programm, schliesst es aber gleich nach der letzten Ausgabe des Programms. Um dies zu vermeiden muss das System überlistet werden, indem die letzte Anweisung eine readln- Anweisung ist. Das Programm wartet dann auf das Drücken der Enter-Taste und schliesst das Konsolen-Fenster erst, wenn dies geschehen ist. 4. Operatoren zur Formulierung von Bedingungen Ob eine Bedingung für den Abbruch einer Schleife zutrifft, wird in der Regel durch den Vergleich eines Variablenwertes, der sich innerhalb der Schleife verändert, mit einem vorgegebenen Wert geprüft. Das Resultat ist ein Wahrheitswert (wahr oder falsch). Wenn mehrere Werte Einfluss auf eine Bedingung haben, dann werden die einzelnen Resultate mit logischen Operatoren verknüpft. In Pascal werden die folgenden Vergleichsoperatoren und logischen Verknüpfungen verwendet: Operator A = B A <> B A > B A < B A >= B A <= B A AND B A OR B NOT A Bedeutung Vergleichsoperatoren Gleichheit (Der Ausdruck ist wahr, falls A gleich B ist) Ungleichheit Grösser Kleiner Grösser oder gleich Kleiner oder gleich Logische Verknüpfungen Logische UND-Verknüpfung Logische ODER-Verknüpfung Logische Negation

8 Wiederholte Programmausführung 8 Zuerst werden die logischen Ausdrücke in der folgenden Reihenfolge ausgewertet: NOT, AND, OR, danach die Vergleichsoperatoren. Diese Vorrangregelung der Operatoren kann durch Setzen von Klammern aufgehoben werden. Besipiel: A AND B OR C ist nicht dasselbe wie A AND (B OR C) weil im zweiten Fall der OR-Operator zuerst ausgewertet wird. Mehr zu diesem Thema finden Sie im Begleittext. B. E.Tutorial Arbeiten Sie das E.Tutorial 2 durch! Zeitbedarf 2-4 Stunden Sie finden das E.Tutorial auf Ihrem USB Memory-Stick oder über 5. Einführung zur Aufgabe: Wie gross ist eigentlich das Papierformat DIN A4? Die meisten der heute verwendeten Papierformate richten sich nach der Norm DIN 476 aus dem Jahre Diese definiert mehrere Reihen: die A-Reihe für Drucksachen und Schreibpapier, die B- Reihe für Umschläge und die C-Reihe für Verpackungen. Die Papierformate der A-Reihe A0, A1, A2, A3 etc. lassen sich voneinander ableiten. Das Ausgangsformat A0 bildet ein 1m 2 grosses Rechteck mit dem Seitenverhältnis 2 :1. Das jeweils nächst kleinere Format ergibt sich durch Halbierung des Ausgangsbogens auf der längeren Seite (siehe Abb.6). Abb. 6: Herleitung der DIN-Formate A0 bis A5. A1 ergibt sich durch Halbierung von A0 auf der Längsseite. Die Zahl bei der Formatangabe gibt somit an, wie oft der Ausgangsbogen halbiert werden muss, um ein bestimmtes Format zu erhalten.

9 Wiederholte Programmausführung 9 Im Folgenden haben Sie Platz, die Höhe und Breite des Ausgangsformates A0 herzuleiten. Sie werden diese Herleitung für die Aufgabe im E.Tutorial brauchen. Fläche von A0: 1m 2 Seitenverhältnis: Höhe : Breite = 2 : 1 Wie lässt sich daraus die Höhe und Breite von A0 berechnen? 6. Vom Format A0 zu den kleineren Formaten A1, A2, Wenn Sie das Beispiel mit den Papierformaten betrachten, gelangen Sie von einem Format zum nächst kleineren in zwei Schritten: 1. Halbieren Sie das Papier in der Mitte (entlang der längeren Seite) 2. Drehen Sie dann das erhaltene Format um 90. Um diese beiden Schritte zu programmieren, braucht man Variablen und mathematische Operationen. Damit lässt sich die Realität eines in der Mitte gefalteten Blatt Papiers im Computer darstellen. Im Feld auf der nächsten Seite haben Sie Platz, um die Darstellung mit Hilfe von Variablen zu skizzieren.

10 Wiederholte Programmausführung 10 Wie berechnen Sie die Höhe und Breite von A1 aus A0? Machen Sie gegebenenfalls eine Zeichnung! C. Selbständige Aufgabe Erstellen Sie ein TP-Programm mit folgenden Eigenschaften: Eingabe: Keine Ausgabe: Den Wert der Kontrollvariablen einer While-Schleife Bedingungen: Die Kontrollvariable beginnt mit dem Wert 1 und die Abbruchbedingung soll so formuliert sein, dass die While-Schleife nie terminiert Beschreiben Sie, was mit den Werten der Kontrollvariablen passiert. Hinweis: ein nicht terminierendes Programm kann durch gleichzeitiges Drücken der Strg-Taste (Ctrl-Taste) und der "C"-Taste abgebrochen werden. D. Abgabebedingungen Fünf lauffähige Programme (Papierformate, Reiskörner, Noten, Wohnblock und das selbständige Programm). Drucken Sie die Programme für die Abgabe aus, damit Sie den Code mit Kommentaren versehen können. Sie sollten die Begriffe und Sprachelemente mit einfachen Worten erklären können.

11 Wiederholte Programmausführung Neue Programmierelemente Variablen sind kursiv geschrieben Programmierelement Bedeutung Beispiel read() readln() Liest während der Programmausführung Benutzereingaben ein und speichert sie in der zwischen den Klammern als Parameter angegebenen Variablen. Bei mehreren Eingaben auf der gleichen Zeile (durch Leerzeichen getrennt) wird eine nach der anderen eingelesen. Liest während der Programmausführung Benutzereingaben ein, speichert die erste Eingabe einer Zeile in der zwischen den Klammern als Parameter angegebenen Variablen und überspringt alles andere bis zum Zeilenende. Das nächste read oder readln liest auf der nächsten Zeile weiter. read(eingabe); readln(eingabe); readln; sqrt() Berechnung einer Quadratwurzel sqrt(3); sqrt(eingabe); FOR Startwert TO Endwert DO Anweisung1; Anweisung2 Kontrollstruktur für Wiederholungen (Schleife), mit fixer Anzahl Wiederholungen FOR i:= 1 TO eingabe DO writeln(sqrt(eingabe); WHILE Bedingung DO Anweisung1; Anweisung2 Kontrollstruktur für Wiederholungen (Schleife), mit variabler Anzahl Wiederholungen WHILE eingabe < 100 DO writeln(sqrt(eingabe); readln(eingabe)