Einführung in die Programmierung

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1 : Inhalt Einführung in die Programmierung Wintersemester 8/9 Prof. r. Günter Rudolph Lehrstuhl für Algorithm Engineering Fakultät für Informatik TU ortmund mit / ohne Parameter mit / ohne Rückgabewerte Übergabemechanismen Übergabe eines Wertes Übergabe einer Referenz Übergabe eines Zeigers Programmieren mit + Exkurs: Endliche Automaten + static / inline / MAKROS heute Variation der Aufgabe: Finde Index des. Minimums in einem Array von Typ double Falls Array leer, gebe zurück. Neue Aufgabe: Sortiere Elemente in einem Array vom Typ double. Verändere dabei die Werte im Array. Entwurf mit Implementierung: int imin(unsigned int const n, double a[]) { // leeres Array? if (n ) return ; // Array hat also mindestens Element! int i, imin ; for(i ; i < n; i++) if (a[i] < a[imin]) imin i; return imin; Bsp: min{ 8, 44, 4, 8 8 <? ja tausche 8 und min{, 44, 4 < 8? ja tausche und min{ 8, < 4? nein keine Vertauschung min{ 8 8 < 44? nein keine Vertauschung fertig! 4

2 Neue Aufgabe: Sortiere Elemente in einem Array vom Typ double. Verändere dabei die Werte im Array. Mögliche Lösung: void sortiere(const unsigned int n, double a[]) { int i, k; for (k n ; k > ; k) { i imin(k, a); if (a[i] < a[k]) swap_dbl(a[i], a[k]); void swap_dbl(double &a, double &b) { double h a; a b; b h; Wir halten fest: Arrays sind statische atenbehälter: ihre Größe ist nicht veränderbar! ie Bereichsgrenzen von Arrays sollten an übergeben werden, wenn sie nicht zur Übersetzungszeit bekannt sind. ie Programmierung mit Arrays ist unhandlich! Ist ein Relikt aus C. In C++ gibt es handlichere atenstrukturen! (Kommt bald Geduld!) ie Aufteilung von komplexen Aufgaben in kleine Teilaufgaben, die dann in parametrisierten abgearbeitet werden, erleichtert die Lösung des Gesamtproblems. Beispiel: Sortieren! für spezielle kleine Aufgaben sind wieder verwertbar und bei anderen Problemstellungen einsetzbar. eshalb gibt es viele Funktionsbibliotheken, die die Programmierung erleichtern! 5 6 #include <math.h> #include <stdlib.h> exp() ldexp() log() log() pow() sqrt() ceil() floor() fabs() modf() fmod() Exponentialfunktion e x Exponent zur Basis, also x natürlicher Logarithmus log e x Logarithmus zur Basis, also log x Potenz x y Quadratwurzel nächst größere oder gleiche Ganzzahl nächst kleinere oder gleiche Ganzzahl Betrag einer Fließkommazahl zerlegt Fließkommazahl in Ganzzahlteil und Bruchteil Moduloivision für Fließkommazahlen atof() Zeichenkette in Fließkommazahl wandeln atoi() Zeichenkette in Ganzzahl wandeln (ASCII to integer) atol() Zeichenkette in lange Ganzzahl wandeln strtod() Zeichenkette in double wandeln strtol() Zeichenkette in long wandeln rand() Liefert eine Zufallszahl srand() Initialisiert den Zufallszahlengenerator und viele andere Wofür braucht man diese? und zahlreiche trigonometrische wie sin, cosh, atan 7 8

3 Funktion main wir kennen: //... ( Hauptprogramm) allgemeiner: int main(int argc, char *argv[]) { //... Anzahl der Elemente Programmaufruf in der Kommandozeile: :\> mein_programm.4 hallo 8 argv[] argv[] argv[] argv[] Array von Zeichenketten Alle Parameter werden textuell als Zeichenkette aus der Kommandozeile übergeben! argc hat Wert 4 9 Funktion main ( Hauptprogramm) Programmaufruf in der Kommandozeile: :\> mein_programm.4 hallo 8 Alle Parameter werden textuell als Zeichenkette aus der Kommandozeile übergeben! #include <stdlib> int main(int argc, char *argv[]) { if (argc! 4) { cerr << argv[] << : Argumente erwartet! << endl; return ; double dwert atof(argv[]); int iwert atoi(argv[]); //... #include <ctype.h> Beispiele für nützliche Hilfsfunktionen: tolower() toupper() isalpha() isdigit() isxdigit() isalnum() iscntrl() isprint() islower() isupper() isspace() Umwandlung in Kleinbuchstaben Umwandlung in Großbuchstaben Ist das Zeichen ein Buchstabe? Ist das Zeichen eine Ziffer? Ist das Zeichen eine hexadezimale Ziffer? Ist das Zeichen ein Buchstabe oder eine Ziffer? Ist das Zeichen ein Steuerzeichen? Ist das Zeichen druckbar? Ist das Zeichen ein Kleinbuchstabe? Ist das Zeichen ein Großbuchstabe? Ist das Zeichen ein Leerzeichen? Aufgabe: Wandle alle Zeichen einer Zeichenkette in Grossbuchstaben! #include <ctype.h> char *ToUpper(char *s) { char *t s; while (*s! ) *s++ toupper(*s); return t; Aufgabe: Ersetze alle nicht druckbaren Zeichen durch ein Leerzeichen. #include <ctype.h> char *MakePrintable(char *s) { char *t s; while (*s! ) *s++ isprint(*s)? *s : ; return t;

4 eterministische endliche Automaten (EA) #include <time.h> time() localtime() asctime() #include <time.h> Liefert aktuelle Zeit in Sekunden seit dem..97 UTC wandelt UTC Sekundenzeit in lokale Zeit (struct) wandelt Zeit in struct in lesbare Form als char[] und viele weitere mehr time_t jetzt time(); char *uhrzeit asctime(localtime(&jetzt)); std::cout << uhrzeit << std::endl; er EA ist zentrales Modellierungswerkzeug in der Informatik. engl. FSM: finite state machine efinition Ein deterministischer endlicher Automat ist ein 5Tupel (S, Σ, δ, F, s ), wobei S eine endliche Menge von Zuständen, Σ das endliche Eingabealphabet, δ: S x Σ S die Übergangsfunktion, F eine Menge von Finalzuständen mit F S und s der Startzustand. Er startet immer im Zustand s, verarbeitet Eingaben und wechselt dabei seinen Zustand. Gelangt er in einen Endzustand aus F, dann terminiert er. Beschreibung eines Programms! 4 eterministische endliche Automaten (EA) eterministische endliche Automaten (EA) Grafische arstellung Zustände als Kreise im Kreis der Bezeichner des Zustands (häufig durchnummeriert) Beispiel: Entwerfe EA, der arithmetische Ausdrücke ohne Klammern für nichtnegative Ganzzahlen auf Korrektheit prüft. Übergänge von einem Zustand zum anderen ist abhängig von der Eingabe. Mögliche Übergänge sind durch Pfeile zwischen den Zuständen dargestellt. Über / unter dem Pfeil steht das Eingabesymbol, das den Übergang auslöst. x 4 Endzustände werden durch pelkreise dargestellt. 5 5 Zustände S {,, δ Startzustand s Endzustände F { Eingabealphabet Σ {,, : Fehlerzustand 6 4

5 eterministische endliche Automaten (EA) eterministische endliche Automaten (EA) Beispiel: Erweiterung: Akzeptiere auch white space zwischen Operanden und Operatoren Zustände S {,,, Startzustand s Endzustände F { Eingabealphabet Σ {,,, δ 7 Eingabe: Zustand, lese Zustand, lese Zustand, lese Zustand, lese Zustand, lese Zustand, lese Zustand, lese Zustand, lese Zustand, lese Zustand (Endzustand) 8 eterministische endliche Automaten (EA) eterministische endliche Automaten (EA) Wenn grafisches Modell aufgestellt, dann Umsetzung in ein Programm: Zustände durchnummeriert:,,, Eingabesymbole: z.b. als enum {, OP, IS, (IS für ) Übergangsfunktion als Tabelle / Array: int GetState[][4] { {,,,, {,,,, {,,,, {,,, ; Array enthält die gesamte Steuerung des Automaten! Eingabesymbole erkennen u.a. mit: isdigit(), isspace() bool isbin(char c) { return c + c c * c / ; 9 enum TokenT {, OP, IS,, ERR ; bool Akzeptor(char const* input) { int state ; while (*input! \ && state! && state! ) { char s *input++; TokenT token ERR; if (isdigit(s)) token ; if (isbin(s)) token OP; if (s ) token IS; if (isspace(s) token ; state (token ERR)? : GetState[state][token]; return (state ); 5

6 Statische (in dieser Form: Relikt aus C) Inline sind, die nur für in derselben atei sichtbar (aufrufbar) sind! Funktionsdeklaration: static atentyp Funktionsname(atentyp Bezeichner); sind, deren Anweisungsteile an der Stelle des Aufrufes eingesetzt werden Funktionsdeklaration: inline atentyp Funktionsname(atentyp Bezeichner); using namespace std; static void funktion() { cout << F << endl; void funktion() { funktion(); cout << F << endl; atei.cpp void funktion(); void funktion(); funktion(); funktion(); atei Haupt.cpp Fehler! funktion nicht sichtbar! wenn entfernt, dann gelingt Compilierung: g++ *.cpp o test using namespace std; inline void funktion() { cout << inline << endl; cout << main << endl; funktion(); wird zur Übersetzungszeit ersetzt zu: using namespace std; cout << main << endl; cout << inline << endl; Inline Vorteile:. Man behält alle positiven Effekte von : Bessere Lesbarkeit / Verständnis des Codes. Verwendung von sichert einheitliches Verhalten. Änderungen müssen einmal nur im Funktionsrumpf durchgeführt werden. können in anderen Anwendungen wieder verwendet werden.. Zusätzlich bekommt man schnelleren Code! (keine Sprünge im Programm, keine Kien bei Parameterübergaben) Nachteil: as übersetzte Programm wird größer (benötigt mehr Hauptspeicher) eshalb: vorangestelltes inline ist nur eine Anfrage an den Compiler! Keine Pflicht! InlineFunktionsartiges mit Makros a müssen wir etwas ausholen... int x ; std::cout << x*x; #define Makroname Ersetzung Bsp: #define MAX_SIZE #define ASPECT_RATIO.65 PräCompiler Compiler... ersetzt Makros (beginnen mit #): z.b. lädt Text aus atei iostream.h Makronamen im Programmtext werden vom PräCompiler durch ihre Ersetzung ersetzt 4 6

7 #define MAX_SIZE void LeseSatz(char *Puffer) { char c ; int i ; while (i < MAX_SIZE && c!. ) { cin >> c; *Puffer++ c; void LeseSatz(char *Puffer) { char c ; int i ; while (i < && c!. ) { cin >> c; *Puffer++ c; Makros... dieser Art sind Relikt aus C! Nach urchlauf durch den PräCompiler Tipp: NICHT VERWENEN! stattdessen: int const max_size ; 5 InlineFunktionsartiges mit Makros #define SQUARE(x) x*x Vorsicht: SQUARE(x+) x+*x+ ergibt: besser: #define SQUARE(x) (x)*(x) SQUARE(x+) ergibt: (x+)*(x+) noch besser: #define SQUARE(x) ((x)*(x)) SQUARE(x+) ergibt: ((x+)*(x+)) auch mehrere Parameter möglich: #define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y)) int a 5; int z MAX(a+4, a+a); ergibt: int a 5; int z ((a+4)>(a+a)?(a+4):(a+a)); Nachteil: ein Ausdruck wird x ausgewertet! 6 InlineFunktionsartiges mit Makros (Relikt aus C) Beliebiger Unsinn möglich... // rufe Funktion fkt() mit maximalem Argument auf #define AUFRUF_MIT_MAX(x,y) fkt(max(x,y)) Makros wie diese haben so viele Nachteile, dass schon das Nachdenken über sie nicht zu ertragen ist. Scott Meyers: Effektiv C++ programmieren, S.,. Aufl., 6. int a 5, b ; AUFRUF_MIT_MAX(++a, b); // a wird x inkrementiert AUFRUF_MIT_MAX(++a, b+); // a wird x inkrementiert Tipp: statt funktionsartigen Makros besser richtige inline verwenden! 7 7