2.1 Top-Down Entwurf mit Funktionen

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1 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 1 2 Entwurfstechniken 2.1 Top-Down Entwurf mit Funktionen Fallbeispiel: Fläche und Umfang eines Kreises Problem: Gegeben ist der Radius eines Kreises. Berechne Fläche und Umfang des Kreises und zeige die Ergebnisse an. Analyse: Eingangsgröße: Radius (double) Ausgangsgrößen: Fläche (double) Umfang (double) Datenteil Konstante PI Eingang radius //Radius eines Kreises Ausgang flaeche //Fläche eines Kreises umfang //Umfang eines Kreises wichtige Formeln Fläche eines Kreises = π x Radius 2 Umfang eines Kreises = 2π x Radius Design 1. Lese den Radius des Kreises 2. Berechne die Fläche 3. Berechne den Umfang 4. Zeige Fläche und Umfang an Verfeinerung zu 2: 2.1 Weise PI * radius * radius flaeche zu. Verfeinerung zu 3: 3.1 Weise 2 * PI * radius umfang zu.

2 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 2 Implementierung Erster Entwurfstand des Programms Kreis //kreis-bt.cpp * * Berechnet Fläche und Umfang eines Kreises #include <iostream.h> #define PI int main(void) { double radius; double flaeche; double umfang; // input - Radius eines Kreises // output - Fläche eines Kreises // output - Umfang // Lese den Radius // Berechne die Fläche // Berechne den Umfang // Zeige die Flaeche und den Umfang an. Programm Kreis zur Bereichnung von Fläche und Umfang //kreis.cpp * * Berechnet Fläche und Umfang eines Kreises #include <iostream.h>

3 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 3 #define PI int main(void) { double radius; double flaeche; double umfang; // input - Radius eines Kreises // output - Fläche eines Kreises // output - Umfang // Lese den Radius cout << "Geben Sie den Radius an> "; cin >> radius; // Berechne die Fläche flaeche = PI * radius * radius; // Berechne den Umfang umfang = 2 * PI * radius; // Zeige die Flaeche und den Umfang an. cout << "Die Fläche ist "<< flaeche << ".\n"; cout << "Der Umfang ist " << umfang << ".\n"; return (0); // Geben Sie den Radius an> 5.0 Die Fläche ist Der Umfang ist Top-Down Entwurf und Strukturpläne Top-Down Entwurf: Problemlösung ausgehend vom Problem als der höchsten Stufe. Definition von Teillösungen, danach Lösung der Teile. Strukturplan: Aufzeigen der Beziehungen der Teillösungen untereinander.

4 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite Fallbeispiel: Zeichnen eines einfachen Diagramms Problem: Es soll ein Strichmännchen auf den Bildschirm gezeichnet werden. Analyse: Das Strichmännchen wird aus einem Kreis, aus einem Dreieck und einem Dreieck ohne Basislinie erstellt. Beide Figuren können daher mit folgenden Komponenten konstruiert werden: ein Kreis eine Basislinie parallele Linien sich schneidende Linien (als Dreieck ohne Basislinie) Design: Um ein Strichmännchen zu zeichnen, löst man des Problem in drei Teilprobleme auf. 1. Zeichne einen Kreis 2. Zeichne ein Dreieck 3. Zeichne sich schneidende Linien Schritt 2 wird verfeinert 2.1 Zeichne sich schneidende Linien 2.2 Zeichne eine Basislinie

5 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 5 Strukturplan Orginalproblem Zeichne ein Strichmännchen Teil- Zeichne einen Zeichne ein Zeichne sich probleme Kreis Dreieck schneidende Linien Detailierte Zeichne sich Zeichne eine Teilprobleme schneidende Basislinie Linien // strichm.cpp //Zeichnet ein Strichmännchen #include <stdio.h> // Funktionsprototypen void zeichne_kreis(void); void zeichne_schneidend(void); void zeichne_basis(void); void zeichne_dreieck(void); // Zeichnet einen Kreis // Zeichnet sich //schneidende Linien // Zeichnet eine Basislinie // Zeichnet ein Dreieck int main(void){ // Zeichne einen Kreis. zeichne_kreis();

6 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 6 // Zeichne ein Dreieck zeichne_dreieck(); // Zeichne sich schneidende Linien zeichne_schneidend(); return (0); Funktionsprototypen Setzten den Übersetzer in die Lage, den korrekten Funktionsnamen und eine korrekte Argumentliste zu erkennen. Die Funktionen können aus Bibliotheken stammen. Sie können auch direkt im Programm definiert werden, wie das folgende, jetzt komlette Beispiel zeigt. Das Programm zeichnet ein Strichmännchen. // strichm.cpp // Zeichnet ein Strichmännchen #include <iostream.h> // Funktionsprototypen void zeichne_kreis(void); void zeichne_schneidend(void); void zeichne_basis(void); void zeichne_dreieck(void); // Zeichnet einen Kreis // Zeichnet sich schneidende Linien // Zeichnet eine Basislinie // Zeichnet ein Dreieck int main(void){ // Zeichne einen Kreis. zeichne_kreis(); // Zeichne ein Dreieck zeichne_dreieck(); // Zeichne sich schneidende Linien zeichne_schneidend(); return (0);

7 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 7 // Zeichnet einen Kreis void zeichne_kreis(void) { cout << " * \n"; cout << " * * \n"; cout << " * * \n"; // Zeichnet sich schneidende Linien void zeichne_schneidend(void) { cout << " / \\ \n"; // Nehme 2 '\', um 1 '\' zu drucken. cout << " / \\ \n"; cout << "/ \\\n"; // Zeichnet eine Basislinie. void zeichne_basis(void) { cout << " \n"; // Zeichnet ein Dreieck. void zeichne_dreieck(void) { zeichne_schneidend(); zeichne_basis(); Vorteile bei der Strukturierung mit Funktionen: Prozedurale Abstraktion - nach außen tritt nur der Funktionsname und seine Bedeutung auf. Details der Implementierung brauchen nicht beachtet zu werden. Wiederverwendung von Programmtexten

8 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite Funktionen mit Argumenten Definition: Aufruf: Liste der formalen Argumente Liste der aktuellen Argumente Zuordnung formal <--> aktuell über die Stellung in den Listen 1. form. Argument <-> 1. akt. Argument 2. form. Argument <-> 2. akt. Argument Wichtig: 1. Anzahl der aktuellen Argumente == Anzahl der formalen Argumente 2. Reihenfolge der aktuellen Argumente == Reihenfolge der formalen Argumente 3. Typ der aktuellen Argumente == Typ der formalen Argumente Punkt 1 und Punkt 3 sind keine Pflichtposten. Wird 1 nicht eingehalten, so werde Argumente u.u. nicht berücksichtigt oder haben nicht definierte Werte. Der Ablauf der Funktion kann unsinnige Ergebnisse bringen. Wird 3 nicht eingehalten, so gibt es ähnlich der Wertzuweisung implizite Typumwandlungen, z.b. double nach int. Beispiel: Funktion scale Prototyp: double scale (double x, int n); //scale.cpp Function scale // Multipliziert ihr erstes Argument mit der //Zehnerpotenz ihres zweiten Arguments // Pre : x and n sind definiert und math.h ist eingefügt. double scale(double x, int n) { double scale_faktor; // lokale Variable scale_faktor = pow(10, n); return (x * scale_faktor);

9 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite Testen einer Funktion Dazu schreibt man ein Programm, das die Ablaufumgebung herstellt, die Funktion aufruft und die Ergebnisse der Funktion anzeigt. Treiber: eine kurze Funktion, die zum Test einer anderen Funktion geschrieben wurde, die Argumente definiert, die Funktion aufruft und das Resultat anzeigt. // scale-t.cpp // Testet die Funktion scale(). #include <iostream.h> #include <math.h> // Funktionprototyp double scale(double x, int n); int main(void) { double num_1; int num_2; // Lese die Werte für num_1 and num_2 cout << "Geben Sie eine reelle Zahl ein> "; cin >> num_1; cout << "Geben Sie eine ganze Zahl ein> "; cin >> num_2); // Rufe scale auf und zeige das Ergebnis an. cout << "Resultat des Aufrufs der Funktion scale ist " << scale(num_1, num_2); return 0;

10 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 10 // Funktion scale * * Multipliziert ihr erstes Argument mit der Zehnerpotenz * ihres zweiten Arguments double scale(double x, int n) { double scale_faktor; // lokale Variable scale_faktor = pow(10, n); return (x * scale_faktor); 2.5 Bibliotheksfunktionen In Bibliotheken (Dateien *.lib) gibt es eine umfassende Sammlungen von bereits vorhandenen Funktionen. Typisch für das Programmieren in C++ ist daher das Aufsuchen und die Benutzung solcher Funktionen. Insbesondere der objektorientierte Ansatz unterstützt dieses Verfahren, man bezeichnet dann die Bibliotheken als Klassenbibiliotheken. Der Bezug auf die Funktionen geschieht über den Funktionsaufruf. y = sqrt ( x ) ; Funktionsaufruf Funktionsname Argument Ein Funktionsaufruf steht als Operand in einem Ausdruck. Der Wert des Operanden ist der berechnete Funktionswert. Die Funktionsprototypen stehen in "Header"-Dateien. Sie werden mit #include in das Programm kopiert.

11 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite Beispiel mathematische Funktionen Header-Datei dafür ist math.h. #include <math.h> einige Funktionsprototypen aus math.h Funktionswert Funktionsname und Typ des Argumentes int abs(int); double acos(double); double asin(double); double atan(double); double atan2(double, double); double cos(double); double cosh(double); double exp(double); double fabs(double); double fmod(double, double); long labs(long); double log(double); double log10(double); double pow(double, double); double sin(double); double sinh(double); double tan(double); double tanh(double); double sqrt(double); Details: siehe Punkt Hilfe des Programmiertools

12 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 12 Beispiel: Gegeben seien von einem Dreieck die Länge der Seiten b und c und der Winkel zwischen ihnen. b a α c Über die Formel a 2 = b 2 + c 2-2 b c cos α kann man die Länge der dritten Seite a berechnen. Beim Einsatz der Funktion cos muß die Winkelangabe im Bogenmaß erfolgen. Damit erhält man in C den folgenden Ausdruck für die Formel: a = sqrt (pow (b,2) + pow(c,2) 2 * b * c * cos (alpha * PI / 180.0)); 2.6 Objektorientierter Entwurf Eine weitere Strukturierung kann über den objektorientierten Entwurf erreicht werden. C++ unterstützt diese Methodik. Gegenstand! im Programm abgebildet als Objekt Das Objekt wird im Programm als Klasse beschrieben. Ein Gegenstand (reales Objekt) besitzt Eigenschaften und es gibt für das Objekt bestimmte Prozesse, die diese Eigenschaften manipulieren. Im Objekt werden die Eigenschaften " durch Daten (hier Attribute genannt) beschrieben, die Prozesse " durch Funktionen (hier als Methoden bezeichnet).

13 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 13 Das Sprachelement "class" erlaubt die kompakte Darstellung dieser Attribute und Methoden unter einem gemeinsamen Namen. Beispiel: Wir wollen eine Hallobox entwickeln, die N-mal den Gruß "Hallo Welt!" ausgibt. Hallobox int wiederholzahl; void gruesse( void ); void setze_wert (int n); // Hallobox ist eine Klasse, die wiederholt einen // Gruß ausgibt. class Hallobox { private: int wiederholzahl; public: Hallobox(int so_oft); void setze_wert (int n); void gruesse( void ); ; //Definition der Methoden der Klasse Hallobox //Konstruktor Hallobox::Hallobox(int so_oft) { wiederholzahl = so_oft; //Die Anzahl der Wiederholungen wird gesetzt. void Hallobox::setze_wert( int n ) {

14 Kapitel 2 Entwurfstechniken Seite 14 wiederholzahl = n; //Die Grüsse werden ausgegeben. void Hallobox::gruesse( void ) { int i; for (i=0; i < wiederholzahl; i=i+1) cout << "Hallo Welt!" << endl; //Ende der Klassendefinition Der Einsatz dieser Klasse ist recht einfach. #include "hallobox.h" //Enthält die Klassendef. int main (void) { Hallobox hallo(2); Hier wird ein Objekt hallo deklariert. Die Eigenschaft wiederholzahl wird auf 2 gesetzt. hallo.gruesse(); Diese Anweisung ruft den Prozess gruesse des Objektes hallo auf: Der Gruß wird zweimal ausgegeben. return 0;