Übersicht. Informatik 1 Teil 4: Programmwiederholungen (Schleifen), Entwurf, Mathematikfunktionen

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1 Übersicht 4.1 Inkrementieren und Dekrementieren 4.2 Die for-schleife (Zählschleife) 4.3 Die for-schleife (Beispiel) 4.4 Bemerkungen zur for-schleife 4.5 Die while-schleife 4.6 Die while-schleife - Beispiel 4.7 Die do-(while)-schleife 4.8 Die do-(while)-schleife - Beispiel 4.9 Die break-anweisung in Schleifen 4.10 Die continue-anweisung in Schleifen 4.11 Verschachtelte Schleifen I 4.12 Verschachtelte Schleifen II 4.13 Programme entwerfen I - Rumpfprogramm 4.14 Programme entwerfen II Programm- Ablaufplan 4.15 Programme entwerfen II Programm-Ablaufplan 4.16 Programme entwerfen II Programm-Ablaufplan 4.17 Mathematische Bibliotheksfunktionen 4.18 Casts (Typumwandlungen) 4.19 Casts, Beispiele Prof. Martin Trauth Folie 1 / 20

2 4.1 Inkrementieren und Dekrementieren C verwendet eine spezielle Schreibweise für das Inkrementieren (Erhöhen) und Dekrementieren (Erniedrigen) von Ganzzahlen um eins: Zahl++ Zahl-- ++Zahl --Zahl Beispiele: i++ n-- ++restwert --Zahl --anzahl Statt i++ könnte man auch schreiben i = i + 1, zu i-- ist i = i 1 funktionsgleich. Wenn die Operatorzeichen vor den Variablennamen stehen wird das Inkrementieren bzw Dekrementieren ausgeführt bevor der Wert eines Ausdrucks ermittelt wird in dem diese Operationen vorkommen. Beispiele (i = 3 vor der Operation): n = i++ /* Resultat: n = 3, i = 4 */ n = ++i /* Resultat: n = 4, i = 4 */ Prof. Martin Trauth Folie 2 / 20

3 4.2 Die for-schleife (Zählschleife) Die Schleife mit dem Schlüsselwort for wird vor allem für abgezählte Wiederholungen verwendet, kann aber auch anders eingesetzt werden. Syntax: for (<Startanweisung>; <Wiederholungsbedingung>; <Fortsetzungsanweisung>) <Anweisungsblock (oder einzelne Anweisung)> Vor dem Start des ersten Schleifendurchlaufs wird die Startanweisung (Initialisierung) ausgeführt, auch wenn die Schleife nie durchlaufen wird. Die Wiederholungsbedingung ist ein Logikausdruck oder eine Anweisung, deren Logikwert ausgewertet wird. Ist sie wahr (ungleich 0), dann wird die Schleife durchlaufen. Ist sie falsch, dann macht das Programm hinter dem Anweisungsblock weiter. Es gibt dann keine weiteren Schleifendurchläufe mehr. Nach jedem Schleifendurchlauf wird die Fortsetzungsanweisung ausgeführt. Alle Ausdrücke/Anweisungen in der for-anweisung sind optional, d.h. können weggelassen werden. Sie werden durch Semikolons getrennt. Der Anweisungsblock wird in geschweifte Klammern geschrieben. for(;;) bewirkt eine Endlosschleife. Prof. Martin Trauth Folie 3 / 20

4 4.3 Die for-schleife - Beispiel Das Programmbeispiel berechnet die Fakultät einer eingegebenen positiven Ganzzahl n: /* Berechnet Fakultät, fakt1.c */ #include <stdio.h> main() { int i, n, fakt; printf("für welche positive, ganze Zahl soll die Fakultät berechnet werden?\n"); scanf("%i", &n); fakt = 1; for (i = 1; i <= n; i++) { fakt = fakt * i; printf("%i! = %i\n", n, fakt); Vor den Schleifendurchläufen wird i = 1 gesetzt und nach jedem Schleifendurchlauf wird i um 1 inkrementiert. Die Schleife wird durchlaufen solange i kleiner oder gleich n (dem Eingabewert) ist. Prof. Martin Trauth Folie 4 / 20

5 4.4 Bemerkungen zur for-schleife Das Inkrementieren einer Zählvariablen ist die häufigste Fortsetzungs-Anweisung in for-schleifen. Man kann aber jede andere Anweisung verwenden. Gleiches gilt für die Initialisierung. Auf diese Weise kann man sehr raffinierte, aber dadurch oft auch unübersichtliche for-schleifen aufbauen. Unser Beispiel könnte man (funktionsgleich) auch so schreiben: /* Berechnet Fakultät, fakt1.c */ #include <stdio.h> main() { int i, n, fakt; printf("für welche positive, ganze Zahl soll die Fakultät berechnet werden?\n"); scanf("%i", &n); i = 0; for (fakt = 1; i++ < n; fakt = fakt * i) // Schleifenbedingung geändert, weil zu Schleifenbeginn inkrementiert wird ; /* keine Anweisungen mehr nötig, daher kein Block. Semikolon als Minimalanweisung erforderlich. */ printf("%i! = %i\n", n, fakt); Das Programm ist nun kompakter, aber schwieriger zu verstehen. Prof. Martin Trauth Folie 5 / 20

6 4.5 Die while-schleife Die while-schleife ist die meistverwendete in C. Sie ist einfacher aufgebaut als die for-schleife und daher (meistens) klar in ihrer Funktion. Syntax: while (<Wiederholungsbedingung>) <Anweisungsblock (oder einzelne Anweisung)> Die while Schleife wird durchlaufen, solange die Wiederholungsbedingung wahr ist. Prof. Martin Trauth Folie 6 / 20

7 4.6 Die while-schleife - Beispiel Das Programmbeispiel ermittelt, wieviele Stellen eine eingegebene Dezimalzahl hat. /* Berechnet Stellenzahl, stellen1.c */ #include <stdio.h> main() { int i, n, restwert; printf("bitte positive, ganze Zahl (!= 0) eingeben\n"); scanf("%i", &n); restwert = n; i = 0; while (restwert) { restwert = restwert/10; i++; printf("%i hat %i Stelle/n\n", n, i); Die while Schleife wird durchlaufen, solange die Wiederholungsbedingung wahr ist, d.h. solange die Variable restwert nicht 0 ist. Prof. Martin Trauth Folie 7 / 20

8 4.7 Die do-(while)-schleife Die do-schleife ähnelt der while-schleife sehr. Bei ihr wird der Anweisungsblock aber immer mindestens einmal durchlaufen. Syntax: do <Anweisungsblock (oder einzelne Anweisung)> while <(Wiederholungsbedingung)>; Solange die Wiederholungsbedingung wahr ist, wird die Schleife wiederholt. Bitte beachten: hinter der schließenden Klammer der Wiederholungsbedingung muss nun ein Semikolon stehen, da die gesamte Schleifenanweisung hier abgeschlossen ist. Bei for- oder while-schleifen stellt die geschweifte Klammer des Anweisungsblocks oder das Semikolon hinter der Einzelanweisung den Abschluß dar. Prof. Martin Trauth Folie 8 / 20

9 4.8 Die do-(while)-schleife - Beispiel Das Beispiel berechnet Flächen bis eine Abbruchbedingung eingegeben wird. /* Berechnet Fläche, areal.c */ #include <stdio.h> main() { double l, b; do { printf("bitte Länge eingeben (0 beendet Programm):\n"); Solange scanf("%lf", die Wiederholungsbedingung &l); wahr ist, wird die Schleife wiederholt. Bitte beachten: printf("bitte hinter der Breite schließenden eingeben Klammer (0 der beendet Wiederholungsbedingung Programm):\n"); muss nun ein Semikolon stehen, scanf("%lf", da die gesamte &b); Schleifenanweisung hier abgeschlossen ist. Bei for- oder while-schleifen stellt die geschweifte (l Klammer * b) printf("die des Anweisungsblocks Fläche oder ist das %.2f\n", Semikolon l hinter * b); der Einzelanweisung den Abschluß dar. while (l * b); Prof. Martin Trauth Folie 9 / 20

10 4.9 Die break-anweisung in Schleifen Die bereits bekannte break-anweisung kann auch dazu benutzt werden Schleifen zu verlassen. Das Programm wird dann hinter der Schleife fortgesetzt. Das Beispiel der Flächenberechnung könnte damit so programmiert werden: /* Berechnet Fläche, areal_2.c */ #include <stdio.h> main() { double l, b; do { Solange die Wiederholungsbedingung wahr ist, wird die Schleife wiederholt. printf("bitte Länge eingeben (0 beendet Programm):\n"); Bitte beachten: scanf("%lf", hinter der &l); schließenden Klammer der Wiederholungsbedingung muss nun ein Semikolon stehen, da die gesamte Schleifenanweisung hier abgeschlossen ist. Bei for- oder while-schleifen stellt die geschweifte if (!l) Klammer break; des Anweisungsblocks // Abbruch oder wenn das Semikolon l logisch hinter (und der Einzelanweisung numerisch) 0 den ist. Abschluß dar. printf("bitte Breite eingeben (0 beendet Programm):\n"); scanf("%lf", &b); if (!b) break; // Abbruch wenn b logisch (und numerisch) 0 ist. printf("die Fläche ist %.2f\n", l * b); while (1); // Endlosschleife Prof. Martin Trauth Folie 10 / 20

11 4.10 Die continue-anweisung in Schleifen Die continue-anweisung in einer Schleife bewirkt, dass alles was nach ihr in der Schleife steht übersprungen wird und sofort der nächste Schleifendurchlauf beginnt (falls die Wiederholungsbedingung erfüllt ist). Beispiel: /* Berechnet Fläche, areal_3.c */ #include <stdio.h> main() { double l, b; do { printf("bitte Länge eingeben (0 beendet Programm):\n"); Solange die Wiederholungsbedingung wahr ist, wird die Schleife wiederholt. scanf("%lf", &l); Bitte printf("bitte beachten: hinter Breite der schließenden eingeben Klammer (0 beendet der Programm):\n"); Wiederholungsbedingung muss nun ein Semikolon stehen, scanf("%lf", da die gesamte &b); Schleifenanweisung hier abgeschlossen ist. Bei for- oder while-schleifen stellt die geschweifte (!(l Klammer && b)) des continue; Anweisungsblocks // überspringe oder das die Semikolon printf()-funktion hinter der Einzelanweisung wenn l oder b den logisch Abschluß dar. (und numerisch) 0 sind. printf("die Fläche ist %.2f\n", l * b); while (l && b); Die continue-anweisung beendet keine Endlosschleife! Prof. Martin Trauth Folie 11 / 20

12 4.11 Verschachtelte Schleifen I Schleifen kann man fast beliebig verschachteln (Schleife in Schleife). Das folgende Beispiel schreibt das so genannte große Einmaleins: /* Berechnet großes Einmaleins, einmaleins2.c */ #include <stdio.h> main() { int i, j; for (i = 11; i <= 20 ; i++) { Solange die Wiederholungsbedingung wahr ist, wird die Schleife wiederholt. printf("\n"); // nur neue Zeile anfangen Bitte beachten: for (j hinter = 11; der schließenden j <= 20 ; Klammer j++) der Wiederholungsbedingung muss nun ein Semikolon stehen, da die gesamte Schleifenanweisung hier abgeschlossen ist. Bei for- oder while-schleifen stellt die geschweifte Klammer printf("%i\t", des Anweisungsblocks i * j); oder das // Semikolon Ergebnisse hinter werden der Einzelanweisung durch TABs den getrennt Abschluß dar. Prof. Martin Trauth Folie 12 / 20

13 4.12 Verschachtelte Schleifen II So sieht das Ergebnis aus: Prof. Martin Trauth Folie 13 / 20

14 4.13 Programme entwerfen I das Rumpfprogramm Vor allem bei größeren Programmen sollte man nicht einfach drauf los programmieren, sondern vorher ein Konzept erstellen. Es gibt dazu mehrere Verfahren mit spezifischen Vor- und Nachteilen. Das einfachste Entwurfskonzept ist das Rumpfprogramm : Man schreibt zuerst nur die Kommentare und die wesentlichen Kontrollstrukturen auf. Kontrollstrukturen sind Verzweigungen, Wiederholungsschleifen und Abbruchanweisungen. Die relevanten Ausdrücke in diesen Kontrollstrukturen werden noch nicht als Programmtext ausformuliert, sondern nur sinngemäß beschrieben. Ein Rumpfprogramm für das vorige Beispiel würde dann so aussehen: /* Berechnet großes Einmaleins */ Hauptprogramm: Deklariere Ganzzahlen i,j Schleife über i = 11 bis 20, Schritt 1 { Ausgabe // nur neue Zeile anfangen Schleife über j = 11 bis 20, Schritt 1 Ausgabe j * i // Ergebnisse werden durch TABs getrennt Man ist hier völlig frei in der Wahl der Mischung zwischen tatsächlichem C-Code (in diesem Beispiel wurden die geschweiften Klammern für den Block verwendet) und reiner Beschreibung. Rumpfprogramme sind besonders nützlich wenn kompliziertere Operationen im Vordergrund stehen, z.b. mathematische Berechnungen. Prof. Martin Trauth Folie 14 / 20

15 4.14 Programme entwerfen II Programmablaufplan (Flussdiagramm) Liegt die Komplexität des Programms vor allem in den Kontrollstrukturen, dann ist u.u. ein Programmablaufplan (flowchart) sinnvoll. Das ist eine grafische Darstellung der Programmstruktur. Die verwendeten Symbole sind zum Großteil standardisiert (DIN 66001). Oval: Grenzpunkte (Start, Stop) Start Linien, Pfeile: Ablauf Rechteck: Operation i = i * 3.5 Rechteck / Linien: Unterprogramm modul1 Parallelogramm: Ein/Ausgabe Eingabe: test1 Raute: Verzweigung k > 9? Prof. Martin Trauth Folie 15 / 20

16 4.15 Programme entwerfen III Programmablaufplan (Flussdiagramm) Das 1 x 1-Programm als flow-chart: Start i = 11 Stop nein i <= 20? ja Ausgabe: neue Zeile Ausgabe: i * j, TAB j = 11 j = j + 1 nein j <= 20? i = i + 1 ja Prof. Martin Trauth Folie 16 / 20

17 4.16 Programme entwerfen IV Programmablaufplan (Flussdiagramm) Wie man feststellen konnte, werden Flussdiagramme (flow-charts) rasch sehr ausgedehnt wenn größere Programme beschrieben werden sollen. Sie eignen daher eher für den Handentwurf von Kontrollstrukturen und weniger für die Auflistung komplizierter Operationen. Sehr oft werden sie für die Darstellung (Dokumentation) kritischer Teilbereiche in Programmen verwendet, nur selten für das komplette Programm. Prof. Martin Trauth Folie 17 / 20

18 4.17 Mathematische Bibliotheksfunktionen C bietet nur eine begrenzte Anzahl mathematischer Operatoren. Es gibt aber Bibliotheksfunktionen für alle gängigen mathematischen Operationen. Parameter und Ergebnisse haben i.d.r. den Typ double. Hier eine Auswahl davon: pow(x,y) sqrt(x) sin(x), cos(x), tan(x) asin(x), acos(x), atan(x) sinh(x), cosh(x), tanh(x) log(x), log10(x), exp(x) abs(x) fabs(x) x y Quadratwurzel von x Sinus, Cosinus, Tangens von x (x in der Einheit rad, d.h π arcus-funktionen Hyperbelfunktionen natürlicher Logarithmus (ln x), dekadischer Logarithmus (lg x), e x Absolutwert von x (Typ int in Parameter und Ergebnis!) Absolutwert von x (Typ double) Um diese mathematischen Funktionen zu nutzen, muss die Header-Datei math.h dem Programm hinzugefügt werden. Hinweis: exp(x) ist der Exponent zur Basis e. Nicht wie auf vielen Taschenrechnern, wo exp(x) eine Multiplikation mit 10 x bedeutet. Auch bei Gleitkommakonstanten in Exponential-Schreibweise (z.b. 1.45E3) bedeutet EZahl eine Multiplikation der vorangegangenen Zahl mit 10 Zahl (1.45E3 = 1450.). Prof. Martin Trauth Folie 18 / 20

19 4.18 casts (Typumwandlungen) In den meisten Fällen macht C sinnvolle Typumwandlungen, wo es nötig ist. Beispiel: wenn eine Ganzzahl (Typ int) zu einer Fließkommazahl des Typs double addiert werden soll, dann wird sie vorher ebenfalls zu einer Fließkommazahl umgewandelt. In den meisten Fällen führt das zu einem richtigen Ergebnis. Aber es gibt Ausnahmen. Beispiel: Die float-zahl 3.4 soll zu 32-Bit-Integer addiert und einer 32-Bit-Integerzahl zugewiesen werden. C wandelt dazu die Ganzzahl in eine float-zahl um, wobei aber in dem Fall ein Verlust von Genauigkeit eintritt (die float- Mantisse hat nur 23 Bit) und die Addition fehlerhaft wird. Besser wäre in dem Fall eine Umwandlung der float-zahl 3.4 in eine Ganzzahl gewesen. Der Verlust der Nachkommastellen spielt keine Rolle, da ohnehin eine Zuweisung an eine Ganzzahl erfolgt. Für solche und ähnliche Fälle gibt es in C die erzwungene Typumwandlung, den cast. Syntax: (<Typ>) <Ausdruck> Beispiel: (int) var2 Prof. Martin Trauth Folie 19 / 20

20 4.19 Casts, Beispiele Das vorab beschriebene Beispiel würde den cast sinnvoll so einsetzen. float a = 3.4; int big_int = ; int ergebnis; ergebnis = (int) big_int; Der cast ist ein unärer Operator, wirkt auf den Operanten rechts von ihm und hat hohe Priorität. Will man den cast auf den Wert eines zusammengesetzten Ausdrucks wirken lassen, dann muss man diesen in Klammern setzen: <Typ> (<Ausdruck>) Besonders häufig werden casts bei Divisionen von Ganzzahlen benötigt, bei denen man als Ergebnis eine Fließkommazahl haben möchte. Beispiel: int a, b; double ergebnis; a = 10; b = 15; ergebnis = (double) a / b; Der cast wandelt den Wert von a in eine double-zahl um und bewirkt dadurch, dass eine Fließkommadivision durchgeführt wird (d.h. b wird ebenfalls in double umgewandelt). Prof. Martin Trauth Folie 20 / 20