Aufgaben zum Tutorium C++ für Geoökologen

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1 Aufgaben zum Tutorium C++ für Geoökologen Sylvia Moenickes September 19, 2007

2 1 Block Programmentwicklung 1.1 Kompilieren und Ausführen des Programms Lassen Sie sich die Datei 1 hello.cpp geben, legen Sie sie in Ihrem bevorzugten Arbeitsverzeichnis ab und bewegen Sie sich innerhalb der Eingabeaufforderung dorthin. 1. Der schlichteste Befehl zum Kompilieren von Quellcode mit dem Namen quelle.cpp lautet g++ quelle.cpp Kompilieren Sie hiermit die Datei 1 hello.cpp. Lesen Sie dann den Inhalt des Ordners Lektion1: Es wurde eine Datei mit dem Namen a.out erstellt. 2. Der schlichteste Befehl zum Ausführen eines Programmes mit dem Namen pro.gramm lautet./pro.gramm Die Zeichen./ bedeuten hierbei, dass das Programm mit dem Namen pro.gramm auszuführen ist, das sich in dem aktuellen Verzeichnis befindet. Führen Sie das Programm a.out aus. 3. Wollen Sie nicht, dass Ihre Programme alle a.out heißen, kompilieren Sie mit g++ -o quelle.out quelle.cpp 1.2 Gewollte Fehler beim Programmieren Der Sinn der Übung ist, die Reaktion des Kompilers auf fehlerhafte Programme kennenzulernen. 1. Schreiben Sie das Programm Hello, World! nun einmal selber, zunächst fehlerfrei. Testen Sie Ihr Programm. 2. Kommentieren Sie einzelne Zeichen oder Zeilen aus. Was passiert jeweils? 1.3 Schreiben von anspruchsvolleren Texten Schreiben Sie nun ein Programm, das Ihr Lieblingsgedicht in die shell schreibt. Nützlich könnten sein: "\n" neue Zeile "\t " horizontaler Tabulator "\v" vertikaler Tabulator "\\ " Backslash "\" " Apostroph "\a " Alarm "\b" Backspace

3 2 Block Funktionen 2.1 Die Schreibfunktion Speichern Sie nun eine korrekte Version des Programms von 1.2 oder 1.3 unter 2 funktion.cpp ab und verändern Sie sie, wie im Lektionsteil gesehen. 1. Definieren Sie eine Funktion Schreibe vor der main()-definition. 2. Ersetzen Sie die bisherige Schreibanweisung innerhalb des main() durch den Aufruf Ihrer Funktion. Testen Sie Ihr Programm. 3. Verschieben Sie nun die Funktionsdefinition von vor dem main() auf dahinter. Wie reagiert der Kompiler? 4. Wenn Sie nun vor dem main() die Zeile int Schreibe(); einfügen, die sich Deklaration nennt, wie reagiert der Kompiler dann? 2.2 Mehrere Funktionen Versuchen Sie, verschiedene Funktionen zu deklarieren, zu definieren und anzuwenden. Gestalten Sie Ihr Programm durch Kommentare sehr übersichtlich. 3 Block Variablen und Konstanten 3.1 Verschiedene Variablentypen Neben der uns noch nicht weiter bekannten Ausgabe von Text 1 cout << H e l l o World! <<endl ; gibt es auch die Ausgabe von Variablen 1 cout << Die Summe l a u t e t <<ergebnis <<.\ n ; Hier hätte auch direkt stehen können 1 cout << Die Summe l a u t e t << ( a + b) <<.\ n ; Des weiteren nehmen wir zunächst einfach hin, dass die mathematischen Zeichen +, -, * und / offenbar in C++ zu Diensten stehen. 1. Erstellen Sie ein Programm, in dem zwei Integer a=1 und b=3 und zwei Double c und d mit gleichem Wert initialisiert werden. Geben Sie diese zunächst einfach aus. 2. Geben Sie dann die Quotienten a/b, c/d, a/d und c/b aus. Wie ist das Ergebnis zu interpretieren? 3. Initialisieren Sie einen Float und einen Double so, dass sie außerhalb ihres Wertebereiches liegen. Geben Sie sie aus. Was erhalten Sie?

4 3.2 Arrays 1. Erstellen Sie eine Liste aus 5 Integern und lassen Sie sich zunächst die Werte ausgeben. Weisen Sie den Listenelementen dann Werte zu und geben Sie auch diese aus. Was passiert, wenn Sie einem nicht-existierenden Listenelement einen Wert zuweisen? 2. Erstellen Sie ein zweidimensionales Array hier, das in der ersten Dimension drei und in der zweiten Dimension zwei Elemente aufweist. Weisen Sie allen Elementen den Wert null zu. Geben Sie sie dann aus, außerdem: 1 cout <<h i e r [0][0] < < endl ; cout <<h i e r [0]<< endl ; 3 cout <<hier <<endl ; 3.3 Strukturen Strukturen sind abgeleitete Datentypen. Es handelt sich um Zusammenstellungen von anderen Variablentypen. Diese können vom Programmierer selber deklariert werden, beispielsweise: 1 struct mensch { int Gewicht ; 3 double Groesse ; } ; Möchte der Programmierer diesen Datentyp verwenden, das heißt, eine Variable diesen Typs definieren, so entsteht 1 mensch adam ; mensch eva ; Die Initialisierung erfolgt dann mit folgender Schreibweise: adam. Gewicht =80; 2 adam. Groesse =1.60; Versuchen Sie sich an einer solchen Struktur. Deklarieren, definieren, initialisieren Sie und lassen Sie sich die Variablen ausgeben. 4 Block Funktionen und Variablen 4.1 Gültigkeitsbereich und Lebensdauer Lassen Sie sich die fünf verschiedenen Dateien gueltig...cpp geben. Bevor Sie sie kompilieren und ausführen, überlegen Sie, ob sie sich kompilieren lassen und wenn ja, was beim Ausführen passieren wird.

5 4.2 Funktionen schreiben In dieser Übung werden wir endlich etwas Objekt-Orientierung in unser Programm bringen! 1. Erstellen Sie ein Programm, das eine Funktion Addiere enthält, die zwei Integer addiert und entsprechend das Ergebnis als Integer zurückgibt. Testen Sie Ihr Programm. 2. Fügen Sie nun eine Funktion hinzu, die analog zwei Double addiert. Geben Sie der Funktion denselben Namen Addiere. Testen Sie wieder. Anmerkung Man nennt dies Überladen von Funktionen. Es ermöglicht, zwei Objekte zu addieren, ohne dass sich der Programmierer Gedanken machen muss, welche Funktion zum Addieren seiner konkreten Objekte geeignet ist. Wichtig beim Überladen ist, dass sich die Funktionen gleichen Namens in der Eingabeparameterliste unterscheiden. das jede Variante der Funktion vor deren Verwendung deklariert ist. Zur nachmittäglichen Vertiefung Schreiben Sie noch Funktionen zur Subtraktion für Integer und Double. Versuchen Sie dann, eine Headerdatei anzulegen. 1. Legen Sie eine Datei funktionen.h an, in der nur die Funktionsdeklarationen stehen. 2. Legen Sie eine Datei funktionen.cpp an, in der nur die Funktionsdefinitionen stehen. 3. Löschen Sie beides aus Ihrer Hauptdatei Plusminus.cpp, binden Sie aber die Deklaration der Funktionen, also funktionen.h ein, damit das Hauptprogramm die Funktionen kennt: #include funktionen.h. 4. Sie müssen dann beide Dateien zusammen kompilieren: g++ Plusminus.cpp funktionen.cpp -o Plusminus.out 4.3 Funktionen und Gültigkeiten Überzeugen Sie sich davon, dass bei der Übergabe von Eingabeparametern an Funktionen diese nur kopiert werden, indem Sie eine Funktion unglaeubig schreiben, die einen Integer als Eingabeparameter erwartet, diesen Wert innerhalb der Funktion verdoppelt, in die shell schreibt. Lassen Sie die Variable vor und nach der Ausführung dieser Funktion innerhalb des main ebenfalls in die shell schreiben.

6 5 Block Funktionen und Zeiger Schreiben Sie selber ein Programm, das den erwähnten Nutzen von Zeigern als Eingabeparameter von Funktionen aufweist. 6 Block Bedingte Ausführung Anton und Bert unterhalten sich. Bert hat sich zwei Zahlen gedacht und Anton will wissen, wie sie sich zueinander verhalten. Leider hört er schlecht. Dabei kommt folgendes Gespräch zustande. Anton: x >y? Bert: Anton: nicht x >y? Bert: Anton: x <y? Bert: Anton: nicht x <y? Bert: Anton: nicht x >y und auch nicht x <y? Bert: Anton: x =y? Bert: Erstellen Sie ein Programm, das dieses Gespäch auf der shell ausgibt, natürlich mit den Antworten von Bert, zunächst für zwei fest verdrahtete gedachte Zahlen von Bert. Von Wert könnte dazu die Tabelle der Rangfolgen 1 sein sowie der Gedanke, für die Bertschen Antworten eine Funktion zu erstellen. Lassen Sie den Anwender Ihres Programmes die zwei Zahlen vorgeben. Dazu müssen Sie zwei Zahlen definieren und einen Programmteil einfügen ähnlich int a ; 6 cout << Geben Sie d i e Zahl ein. <<endl ; c i n >>a ; 8 cout << Die Zahl l a u t e t <<a<<endl ; 7 Block Schleifen 7.1 Die while -Schleifen Sie glauben Herrn Gauß nicht, dass das Addieren der Zahlen 1, 2, 3,... N dasselbe ist wie (N + 1) N. Deshalb schreiben Sie ein Programm, das die Summe mit der Gaußschen 2 1 Nach: Jesse Liberty, Jetzt lerne ich C++, Markt u Technik, München, 1998

7 Rang Bezeichnung Operator 1 Zugriffsoperator :: 2 Elementauswahl, Indizierung, Funktionsaufrufe, Inkrement. -> () und Dekrement in Postfix-Notation 3 Inkrement und Dekrement in Präfix-Notation, Adressoperator, ++! & * Dereferenz, new, delete, Typumwandlung, sizeof, Negation 4 Elementauswahl für Zeigern.* ->* 5 Multiplikation, Division, Modulo * / % 6 Addition, Subtraktion Verschiebung << >> 8 Vergleichsoperatoren < <= > >= 9 Gleich-, Ungleichoperator ==!= 10 logisches und && 11 logisches oder 12 Zuweisungsoperatoren = *= /= %= += -= 13 Komma, Table 1: Rangfolge der Operatoren. Formel vergleicht, zunächst für den historischen Fall N = 100. Versuchen Sie zunächst, die while-schleife zu verwenden. 7.2 for-schleifen Beschreiben Sie, was folgende Schleifen tun: 1. Welchen Wert hat Stunden am Ende? 2 int stunden ; for ( int i =0; i <10; i++) 4 { stunden=i ; 6 } 2. Wie oft steht durch in der shell? int i =10; 2 for ( ; i >0; i ) cout<< durch <<endl ; 3. Was passiert hier? for ( int k=20,m=0;m<k ; cout<< nun m: <<m++<< und nun k : <<k <<endl ) ;

8 8 Block Projektmäßige Programmentwicklung Es soll ein Programm entstehen, das bei der Auswertung von Klimadaten behilflich ist. Zunächst geht es um einen Data Logger, der stündlich die Temperatur misst. Von Interesse sind auf der Basis von Tagen das Minimum, das Maximum, der Mittelwert. Der Data Logger schreibt tageweise in eine Datei mit dem Namen temp.dat, diese wird vom Programm gelesen werden müssen. Das Programm wiederum schreibt seine Ergebnisse in eine neue Datei mit dem Namen temp.val. Das Programm entsteht im Team. Deshalb hat selbiges zunächst festgelegt, die Gruppen Datei lesen und schreiben, Berechnung von Minimum und Maximum, Berechnung des Mittelwertes entstehen zu lassen. Um die Programmteile hinterher gut zusammenfügen zu können, einigt sich das Team darauf, die Temperaturdaten als float-liste mit 24 Elementen zu speichern und zu verarbeiten. Berechnung von Minimum und Maximum Es sollen zwei Programmteile entstehen: eines, das die Temperaturdaten erwartet und das Minimum ausgibt, und eines, das die Temperaturdaten erwartet und das Maximum ausgibt. Berechnung des Mittelwertes Es soll ein Programmteil entstehen, das die Temperaturdaten erwartet und den Mittelwert ausgibt. Datei lesen und schreiben Es sollen zwei Programmteile entstehen: eines, das die Temperaturdaten aus der Datei temp.dat einliest und speichert, und eines, das die Ergebnisse der Berechnungen in die Datei temp.val speichert. 8.1 Erweiterungen Mögliche Erweiterungen sind: 1. Die Temperaturmessung funktioniert manchmal nicht. Dann trägt der Data Logger die Zahl -999 in die Datei. Berücksichtigen Sie dies in den Berechnungen.

9 2. Das Programm dauert zu lange. Einsparungen erkennt das Team in der Zusammenlegung der einzelnen Programmteile zu Berechnung von Minimum, Maximum und Mittelwert. 3. Es interessiert außerdem der Range. 4. Zu Minimum und Maximum soll der Zeitpunkt derselben gespeichert werden. Die erste Messung findet um 0.30 Uhr statt. 5. Das Programm soll täglich automatisch aufgerufen werden. Deswegen soll die Datei temp.val immer nur ergänzt werden, zusätzlich muss das aktuelle Datum vorgehalten werden. 9 Block Klassen deklarieren bis Methoden definieren 9.1 Klassen definieren und aufrufen Schreiben Sie nun eine Klasse Wald. Folgende Eigenschaften eines Waldes sollen gespeichert werden können: Anzahl Bäume Prozentanteil Nadelbäume Prozentanteil Laubbäume Jahreszahl der letzten Durchforstung Schadenklasse des Waldes Rote-Liste-Arten gefunden? Entwickeln Sie verschiedene Konstruktoren. Rechnen Sie mit der Dummheit des Benutzers. Ergänzen Sie den Konstruktor um einen Test: Wenn der Prozentsatz Laub- und der Prozentsatz Nadelwald nicht zusammen 100 ergibt, lassen Sie eine Warnung in die Shell schreiben. Folgende Methoden sollen bereitstehen: Ausgabe der Waldeigenschaften in die shell Forstmaßnahmen (, die zu einer Reduktion der Anzahl Bäume, vielleicht auch zu einer anteilsmäßigen Verschiebung führen) Sorgen Sie dafür, dass im Falle von Rote-Liste-Arten keine Forstmaßnahmen stattfinden.

10 10 Block Öffentliche und private Variable und Methoden 10.1 Geschützter Zugriff Überarbeiten Sie ihre Klasse Wald derart, dass die Variablen geschützt sind. Ergänzen Sie den Methodenkatalog entsprechend um Get- und Set-Funktionen Verwendung von Objekten von Klassen in Methoden Nun wollen Sie mit Ihrer Klasse Wald mehr tun als nur Objekte anlegen und verändern. Sie wollen Wälder vereinen, quasi Addieren. Dazu haben Sie verschiedene Möglichkeiten. 1. Sie erstellen einen Konstruktor, der als Eingabeparameter zwei Objekte der Klasse Wald erwartet und dann die Summe bildet. Testen Sie den Konstruktor, indem Sie im main() zwei Objekte der Klasse Wald erzeugen und unterschiedliche Eigenschaften zuordnen. Anschießend erzeugen Sie ein drittes Objekt der Klasse Wald mit dem soeben erstellten Konstruktor. Überprüfen Sie Ihr Ergebnis. 2. Erstellen Sie eine Methode SetAddierend, die als Eingabeparameter zwei Objekte der Klasse Wald erwartet und dann die Summe bildet. Schießlich wird diese Summe als Eigenschaften des aktuellen Objektes gespeichert. Überprüfen Sie Ihr Ergebnis. 3. Sie erstellen eine Methode Hinzufuegen, die zu einem Objekt, z.b. ihrwald ein Objekt seinwald addiert und das Ergebnis als neue Eigenschaften von ihrwald speichert. Überprüfen Sie Ihr Ergebnis. 11 Block Vererbung 11.1 Gebäudemanager Sie verwenden nun die verschiedenen Möglichkeiten der Vererbung. Wälder können Sie nicht mehr sehen? Wie wäre es mit Gebäuden? 1. Sie wollen Ihren lausigen Stadtplaner feuern und entwerfen ein Programm, dass seine Arbeit übernimmt. Sie finden in seinen Ordnern, nachdem Sie sich über das große Chaos geärgert haben, Krankenhäuser, Wohnsilos, Schulen, Villen, Universitätsgebäude, Reihenhäuser, Gerichte Sie planen ein Basisgebäude, als erste Einteilung dann öffentliche und private Einrichtungen, und dann fallen Ihnen noch andere Aufschlüsselungen ein. 3. Ihr Basisgebäude soll nur eine Nummer und Breite kennen. Ihr Sekretär hilft Ihnen bei der Verteilung weiterer Eigenschaften auf den tieferen Stufen (Ästhetikindex, Besteuerbarkeit,...)

11 4. Allerdings haben Sie kein Vertrauen zum Lehrkörper. Deshalb machen Sie es unmöglich, bei der Verwaltung von Bildungseinrichtungen auf irgendwelche höher gelegenen Informationen zuzugreifen. 5. Lassen Sie Ihren Gebäudepark mit verschiedenen Print-Funktionen ausgeben. 12 Block Zeiger 12.1 Zeiger Implementieren Sie folgendes Programm: 1 #include <iostream> using namespace std ; 3 int main ( ) 5 { float pasta = new float ; 7 float papst =3.0; 9 pasta=&papst ; 11 cout<< pasta << pasta<<endl ; cout<< papst << papst<<endl ; 13 cout<< &pasta << &pasta<<endl ; 15 cout<< &papst << &papst<<endl ; 17 cout<< pasta << pasta<<endl ; 19 float p i z z a = new float ; 21 p i z z a =4.4; papst= p i z z a ; 23 cout<< p i z z a << pizza <<endl ; 25 cout<< papst << papst<<endl ; 27 cout<< &p i z z a << &pizza <<endl ; cout<< &papst << &papst<<endl ; } cout<< p i z z a << pizza <<endl ; return 0 ;

12 Sie finden es unter Freigegeben Sylvia. Diskutieren Sie paarweise, um was für Entitäten es sich handelt, insbesondere, welche Ausgabe Sie auf der shell erwarten. Führen Sie es dann aus und vergleichen Sie Dynamische Listen Verwenden Sie Ihre Klasse Wald und arbeiten Sie in folgenden Schritten die Verwendung Ihrer Klasse in dynamischen Listen ein. 1. Erstellen Sie im main() einen Zeiger der Klasse Wald mit dem Namen Lehndorf. Verwenden Sie Ihre Print-Funktion, um dessen Greifbarkeit zu testen. 2. Deklarieren Sie in Ihrer Klasse zwei neue öffentliche Variable, zwei Zeiger der Klasse Wald. Sie sollen Naechster und Letzter heißen. Verändern Sie Ihre Konstruktoren so, dass Sie sie als null initialisieren, z.b. Wald Letzter = 0; 3. Testen Sie Ihre neuen Klassenvariablen, indem sie im main() noch einen Zeiger der Klasse Wald erzeugen und zwar Volkmarode. Speichern Sie Volkmarode als Naechster von Lehndorf. Speichern Sie Lehndorf als Letzter von Volkmarode. 4. Erzeugen Sie nun noch einen Zeiger der Klasse Wald, Gliesmarode. Speichern Sie Gliesmarode als Naechster von Volkmarode. Speichern Sie Volkmarode als Letzter von Gliesmarode. 5. Nun sind Ihre Wälder verkettet. 6. Leider haben Sie alle Wälder mit dem Standardkonstruktor erstellt. Deshalb sind die Wälder hinter den Zeigern alle mit denselben Werten für die Variablen ausgestattet. So können Sie sie nicht unterscheiden! Ordnen Sie deshalb Lehndorf die Schadensklasse 1, Volkmarode als Schadensklasse 10 und Gliesmarode die Schadensklasse 20 zu. Prüfen Sie, ob das geklappt hat. 7. Von Ihren Letzter und Naechster sind noch zwei nicht zugeordnet! Letzter von Lehndorf und Naechster von Gliesmarode erhalten die Nun brauchen Sie nur noch den Listenkopf zu speichern. Erstellen Sie einen Zeiger der Klasse Wald mit dem Namen Liste und setzen Sie ihn mit Lehndorf gleich. 9. Fügen Sie dann folgende magische Zeilen ein und versuchen Sie, sie zu verstehen, bevor Sie sie kompilieren und ausführen. for (Wald i t e r a t o r=l i s t e ; i t e r a t o r ; i t e r a t o r=i t e r a t o r >Naechster ) 2 { cout << i t e r a t o r >GetSchadensklasse ( ) << h i e r vorgefunden. \ n ; 4 } 10. Sie finden noch den Wald Querum und legen ihn als Zeiger an. Er hat die Schadensklasse 15. Weisen Sie sie ihm zu. Nun genießen Sie die ganze Freiheit dynamischer Listen, indem Sie Querum durch Umlegen der richtigen Naechster und Letzter an die entsprechende Stelle in der Liste einfügen, nämlich zwischen Volkmarode und Gliesmarode.