Übungspaket 19 Programmieren eigener Funktionen

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1 Übungspaket 19 Programmieren eigener Funktionen Übungsziele: Skript: 1. Implementierung und Kodierung eigener Funktionen 2. Rekapitulation des Stack-Frames 3. Parameterübergabe mittels Stack und Stack-Frame Kapitel: 44 Semester: Wintersemester 2014/15 Betreuer: Matthias, Ralf 3 und René Synopsis: Funktionen sind eine schöne Möglichkeit, eine Programm zu strukturieren und übersichtlich zu gestalten. Doch bereitet dieses Konzept vielen Programmieranfängern eine Reihe von Problemen, was eigentlich völlig unnötig ist. Indem wir erste kleinere Funktionen selber schreiben, schauen wir uns die wesentlichen Konzepte im Detail an.

2 Teil I: Stoffwiederholung Aufgabe 1: Deklaration und Definition Für den sicheren Umgang mit Funktionen ist es wichtig, dass man die einzelnen Bestandteile einer Funktion gut kennt und sie voneinander abgrenzen kann. Gemäß Kapitel 44 können wir folgende Komponenten voneinander unterscheiden. Beschreibe in eigenen Worten, was jeder der folgenden Begriffe bedeutet und illustriere deine Erläuterungen jeweils anhand eines Minibeispiels. 1. Funktionskopf: Beschreibung: Beispiel: 2. Parameterliste: Beschreibung: Beispiel: 3. Funktionsrumpf: Beschreibung: Beispiel: 4. Funktionsdeklaration: Beschreibung: Beispiel: 19-1 Wintersemester 2014/15, Einführung in die Praktische Informatik

3 5. Funktionsdefinition: Beschreibung: Beispiel: Aufgabe 2: Stack-Frame Gegeben sei die Funktionsdefinition 1 int mul_add ( int a, int b, int c ) 2 { 3 int res ; 4 res = a * b + c; 5 return res ; 6 } sowie der Funktionsaufruf i = mul add( 10, 5, -15 ). Erkläre anhand dieses Beispiels, was ein Stack-Frame ist und wie mit seiner Hilfe Parameter sowie Ergebnisse zwischen der aufrufenden Stelle und der Funktion übergeben werden. Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2014/

4 Aufgabe 3: Funktionsaufruf Erkläre mit eigenen Worten, was bei einem Funktionsaufruf der Reihe nach passiert. Nimm dazu als Beispiel obigen Funktionsaufruf i = mul add( 10, 5, -15 ) Wintersemester 2014/15, Einführung in die Praktische Informatik

5 Aufgabe 4: Funkionsabarbeitung Gegeben sei folgendes Programm: 1 # include <stdio.h> 2 3 int f( int a, int b ) 4 { 5 int i; 6 i = a - b; 7 return 2 * i; 8 } 9 10 int main ( int argc, char ** argv ) 11 { 12 int i = 4711, j; 13 j = f( i, 4700 ); 14 printf ( "j= %d\n", j ); 15 } Zeichne den zur Funktion f() gehörenden Stack-Frame zu den angegebenen Zeitpunkten : 1. Stack-Frame, wie er für f() vom Compiler definiert wird: 2. Stack zu Beginn des Funktionsaufrufs (Funktionsaufruf in Zeile 13): Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2014/

6 3. Stack während des Funktionsaufrufs (Ende Zeile 6): 4. Stack am Ende des Funktionsaufrufs (Ende Zeile 7): 5. Stack nach Ende des Funktionsaufrufs (Anfang Zeile 14): 6. Was wird im Hauptprogramm ausgegeben? 19-5 Wintersemester 2014/15, Einführung in die Praktische Informatik

7 Teil II: Quiz Aufgabe 1: Programmanalyse Gegeben sei das folgende kleine Programm: 1 # include <stdio.h> 2 3 int max_dif ( int a, int b, int c, int d ) 4 { 5 int d1 = a - b; 6 int d2 = c - d; 7 return (d1 > d2)? d1: d2; 8 } 9 10 int main ( int argc, char ** argv ) 11 { 12 printf ( " max_dif = %d\n", max_dif ( 2, 1, 9, 8 ) ); 13 printf ( " max_dif = %d\n", max_dif ( 2, 0, 8, 9 ) ); 14 printf ( " max_dif = %d\n", max_dif ( 1, 3, -1, -1 ) ); 15 printf ( " max_dif = %d\n", max_dif ( 10, -13, -2, -10 ) ); 16 } Erkläre in eigenen Worten, was die Funktion max dif() macht: Erkläre im Detail, was die Anweisung und der Ausdruck in Zeile 7 macht und wie man sie mittels if else formulieren würde: Welche vier Zahlen werden in den Zeilen ausgegeben? Wie sieht der Stack-Frame aus, der durch den Funktionsaufruf in Zeile 14 angelegt wird? Wie sieht er am Ende von Zeile 7 unmittelbar vor dem Ende der Funktion aus? Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2014/

8 Aufgabe 2: Verschachtelte Funktionsaufrufe Gegeben sei folgendes Programm: 1 # include <stdio.h> 2 3 int f( int i ) 4 { 5 int j = i * 2 + 1; 6 printf ( " f: i= %3d j= %3d\n", i, j ); 7 return j - i - 2; 8 } 9 10 int g( int i ) 11 { 12 int j = i * 3-1; 13 printf ( " g: i= %3d j= %3d\n", i, j ); 14 return j - 2 * (i - 3); 15 } int main ( int argc, char ** argv ) 18 { 19 int i = 1, j = 2; 20 printf ( " main : i= %3d j= %3d\n", i, j ); 21 i = f(i - g(i - j - 10) ) + f(j + g(i + j)); 22 j = g(i - f(i - j - 10) ) - g(j + f(i + j)); 23 printf ( " main : i= %3d j= %3d\n", i, j ); 24 } 19-7 Wintersemester 2014/15, Einführung in die Praktische Informatik

9 Welche Ausgaben werden vom Programm gemacht? Gehe davon aus, dass bei der Addition der linke Operand vor dem rechten Operanden ausgewertet wird. Zeichne die Stack-Frames der einzelnen Funktionen, wie sie unmittelbar vor Ausführung der printf()-anweisung aussehen, wenn der Ausdruck aus Zeile 21 ausgewertet wird (vier Stack-Frames). Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2014/

10 Teil III: Fehlersuche Aufgabe 1: Fehler bei der Verwendung von Funktionen In folgendem Programm befinden sich wieder einige Fehler. Finde und korrigiere sie. Die Funktion hallo() soll zwei Parameter vom Typ int bekommen und die Differenz zurückgeben, sofern der erste Parameter größer als der zweite ist; andernfalls soll die Summe beider Parameter zurückgegeben werden. Sollten Parameter fehlen, einfach welche ausdenken. 1 # include <stdio.h> 2 3 int hallo ( int i, j ); 4 [ 5 if ( i > j ) 6 return i - j; 7 else return ; 8 ) 9 int main ( int argc, char ** argv ) 10 { 11 printf ( " hallo = %d\n", hallo ( 1; 2 ) ); 12 printf ( " hallo = %d\n", hallo [ 2, 1 ] ); 13 printf ( " hallo = %d\n", hallo { hallo ( 1, 1 ) }, 4711 ); 14 printf ( " hallo = %d\n", hallo ( 2 ) + 2 ); 15 } 19-9 Wintersemester 2014/15, Einführung in die Praktische Informatik

11 Teil IV: Anwendungen Aufgabe 1: Programmieren einer einfachen Funktion 1. Aufgabenstellung Programmiere eine Funktion int my mult(), die zwei Parameter vom Typ int hat und deren Produkt als Funktionswert zurückgibt. Wie immer bei solchen Aufgaben durchlaufen wir den regulären Software Life Cycle. Beispiel: Aufruf: res = my mult( 4, 5) Ausgabe: res= Pflichtenheft: Aufgabe, Eingabe, Entwurf, Ausgabe, Sonderfälle 3. Testdaten Parameter 1: Parameter 2: Ergebnis: Implementierung 5. Kodierung Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2014/

12 6. Stack Frame Zeichne den Stack-Frame der Funktion my mult( 4, 5 ), wie er vor dem Funktionsaufruf, nach der Parameterübergabe (Beginn der Funktion) und bei Ausführung der return-anweisung (Ende der Funktion) aussieht. Aufgabe 2: Programmieren einer weiteren Funktion 1. Aufgabenstellung Implementiere eine Funktion int test div(), die zwei Parameter vom Typ int hat und überprüft, ob sich diese beiden Zahlen ohne Divisionsrest dividieren lassen. Das Ergebnis ist als Funktionswert zurückzugeben. Eine Division durch Null muss nicht überprüft werden (kann aber ;-)). Beispiele: Aufruf: test div( 4, 2 ) 1 test div( 5, 3 ) 0 2. Pflichtenheft: Aufgabe, Eingabe, Ausgabe, Sonderfälle 3. Testdaten Parameter 1: Parameter 2: Ergebnis: Wintersemester 2014/15, Einführung in die Praktische Informatik

13 4. Implementierung 5. Kodierung 6. Stack Frame Zeichne den Stack-Frame der Funktion div test( 5, 4), wie er vor dem Funktionsaufruf, nach der Parameterübergabe (Beginn der Funktion) und bei Ausführung der return-anweisung (Ende der Funktion) aussieht. Aufgabe 3: Funktion mit einem Array als Parameter Im Ausblick von Kapitel 44 haben wir schon gesehen, wie man ein Array an eine Funktion übergeben kann. Entsprechend üben wir das einfach mal ein wenig ein. 1. Aufgabenstellung Definiere ein Array mit 15 Elementen vom Typ int. Die Elemente sollen als Werte array[ index ] = 40-2 * index erhalten. Implementiere eine Funktion, die ein beliebiges Array mit Elementen vom Typ int in der Form Index, Wert ausgibt. Rufe diese Funktion mit dem oben angelegten Array auf und vergleiche, ob die Ausgabe mit der Initialisierung übereinstimmt. Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2014/

14 2. Pflichtenheft: Aufgabe, Eingabe, Ausgabe, Sonderfälle 3. Testdaten Keine notwendig, da das Array nur wie vorgegeben initialisiert und ausgegeben wird. 4. Implementierung 5. Kodierung Wintersemester 2014/15, Einführung in die Praktische Informatik

15 6. Stack Frame Zeichne den Stack-Frame der Funktion print array am Ende ihrer Abarbeitung. Berücksichtige dabei die konkreten Adressen des eigentlichen Arrays (aktueller Parameter) und der Werte der formalen Parameter. Aufgabe 4: Einfache Statistikaufgaben Mit ein paar grundlegenden Programmierkenntnissen kann man in einfacher Weise statistische Parameter von Messdaten bestimmen. Stellen wir uns vor, wir haben n Messwerte x 0,..., x n 1. Dann ist der Mittelwert x definiert als: x = 1 n 1 n i=0 x i. Hinzu kommt noch die Standardabweichung σ, die wie folgt definiert ist: 1. Aufgabenstellung σ = 1 n 1 (x i x) n 1 2. i=0 Entwickle ein Programm, dass sowohl den Mittelwert als auch die Standardabweichung einer gegebenen Messreihe bestimmt. Dabei können folgende Vorgaben berücksichtigt werden: 1. Die Berechnung von Mittelwert und Standardabweichung sollte nach Möglichkeit innerhalb einer eigenen Funktion geschehen. 2. Die Daten können bereits in einem Array vorliegen. Um das Programm ausreichend testen zu können, sollten gleich mehrere Arrays mit unterschiedlichen Größen verwendet werden. Der Elementtyp kann in allen Fällen int sein. 3. Entwickle eine weitere Funktion, die das kleinste und größte Element des übergebenen Arrays findet. Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2014/

16 2. Wichtiger Hinweis Bei Verwendung mathematischer Funktionen wie sqrt() muss im Programm die Datei math.h mittels #include <math.h> eingebunden werden, um dem Compiler diese und andere Funktionen bekannt zu machen. Ferner muss dem Compiler zusätzlich die Option -lm übergeben werden (einfach ans Ende des Kommandos anhängen), damit er die mathematische Bibliothek dazu bindet. 3. Pflichtenheft: Aufgabe, Eingabe, Ausgabe, Sonderfälle, Testfälle 4. Testdaten Daten x σ Min. Max Entwurf 6. Implementierung Da die einzelnen Algorithmen mittlerweile sehr einfach sind, ersparen wir uns hier eine abstrakte algorithmische Beschreibung Wintersemester 2014/15, Einführung in die Praktische Informatik

17 7. Kodierung Da die vollständige Implementierung länger als nur ein paar Zeilen ist, versucht dies einfach auf einem extra Blatt Papier. 8. Zusatzaufgabe Man mag es kaum glauben, aber sowohl den Mittelwert als auch die Standardabweichung kann man gemeinsam in einem Schleifendurchlauf berechnen. Dies klingt etwas merkwürdig, da man doch den Mittelwert für die einzelnen Terme der Standardabweichung benötigt. Aber es reicht tatsächlich aus, wenn man den Mittelwert erst ganz zum Schluss weiß. Dies bekommt man heraus, in dem man sich die Terme der Standardabweichung etwas genauer anschaut und alles ein wenig umformt. Die Interessierten finden hierzu ein paar Infos auf der Webseite und können bzw. sollten versuchen, dies umzusetzen. Einführung in die Praktische Informatik, Wintersemester 2014/

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