C++ Programmierung. Uwe Naumann. LuFG Informatik 12, RWTH Aachen University, Germany

Transkript

1 C++ Programmierung Uwe Naumann LuFG Informatik 12, RWTH Aachen University, Germany

2 Leave me alone world... Hauptprogramm int main(); return 0; Ausgabe auf Bildschrim #include<iostream> std :: cout <<... << std::endl; Übersetzung g++ main.cpp o main./main; echo return value = $$?

3 Teil 1: Plan Organisatorisches Vorstellung STCE und Naumann Grundlagen Mehr Leave me alone world! Verwendung des Compilers Architektur und Verwaltung des Hauptspeichers Zeiger statischer und dynamischer Speicher (Felder) Zeigerarithmetik Referenzen

4 Kontakt Raum 2.35 Rechen- und Kommunikationszentrum der RWTH Seffenter Weg 23 Sprechzeiten nach Vereinbarung Tel.: WWW:

5 Organisatorisches Vorlesung (Mi u. Fr 8.15h h in BS 218 und AH VI) Frontalübung (Di 16.30h h in AH V; M. Förster) Tutorien (wie gehabt; Tutoren auch); Internet

6 Literatur B. Stroustrup: Die C++-Programmiersprache. Deutsche Übersetzung der Special Edition, Addison-Wesley. ISBN X. N. Josuttis: The C++ Standard Library. A Tutorial and Reference. Addison-Wesley. zum Weiterlesen... S. Meyers: Effective C++, Addison-Wesley. S. Meyers: More Effective C++, Addison-Wesley. S. Meyers: Effective STL, Addison-Wesley.

7 Vorstellung C++ aus Nutzersicht STCE (Webseite) Naumann (Webseite)

8 Ein (erweitertes) erstes Programm #include <iostream > // using namespace std ; i nt main () { std : : s t r i n g s ; std : : cout << Who are you? << std : : endl ; std : : cin >> s ; std : : cout << So, leave me alone << s <<! << std : : endl ; return 0; } V1/V1.1/main.cpp

9 Hauptroutine (int main()) für ausführbares Programm mit Rückgabewert zur Weiterverarbeitung durch Betriebssytem (Shell) makefile zur Stapelverarbeitung des Übersetzungsvorgangs (make all) bzw. zur Wiederherstellung des Ausgangszustands (make clean) C++ Zeichenketten ( string ) aus Standardbibliothek (Namensbereich std) string, cin, cout, endl deklariert in Datei iostream (Schnitstellenspezifikation für Teil der Standardbibliothek) explizite Angabe des Namensbereichs (alternativ: using namespace std;) Zugriff auf i/o-ströme mittels >> / <<

10 Verwendung des GNU C++ Compilers 1. Präprozessor (g++ -E main.cpp) 2. Compiler (g++ -S main.s) 3. Assembler (g++ -c main.o) 4. Binder (g++ a.out) z.b. g++ main.cpp -o main erzeugt ausführbare Datei main..../main echo return value = $$? V1/V1.1/main.cpp

11 C-Präprozessor (cpp) fügt Quellcode der include-dateien ein ermöglicht selektive Übersetzung, z.b. #i f d e f VAR // Quellcode f a l l s VAR d e f i n i e r t... #e l s e // Quellcode f a l l s VAR nicht d e f i n i e r t... #endif Variablen können mittels #define VAR im Quelltext bzw. via Compileroption -DVAR gesetzt werden. kann noch mehr V1/V1.1/main cpp.cpp

12 Architektur und Verwaltung des Hauptspeichers Modell: Hauptspeicher als Vektor von Bytes (8 Bits). Prinzipiell unterscheidet man zwei Arten von Speicher. statischer Speicher (stack) Verwaltung (Belegung und Freigabe) durch den Compiler Beispiele: int i ; float f; int iv [4]; double d; dynamischer Speicher (heap) Verwaltung durch den Nutzer Beispiele: später Hexadezimale Adressen können mittels Adressoperator & ermittelt werden. V1/V1.2/main.cpp

13 Zeiger... sind typisierte Variablen, die Adressen von Variablen des entsprechenden Typs speichern. Beipiel: int i ; int ip=&i; Auf den Inhalt des referenzierten Speichers kann mittels Dereferenzierungsoperator zugergriffen werden. V1/V1.2/main p.cpp Zeiger und die entsprechenden referenzierten Variablen können sowohl auf dem stack als auch auf der heap leben. Im obigen Beipiel spielt sich alles auf dem stack ab.

14 Aufwachen... :-) Verwaltung des statischen Speichers V1/V1.f/main 0.cpp Was wird ausgegeben und warum?

15 Dynamischer Speicherbereich (heap) Dynamischer Speicher kann (muss) mittels new belegt (alloziert) und mittels delete wieder freigegeben werden. i nt ip ; ip=new i nt ; Der Zugriff erfolgt über den durch new gelieferten Zeiger. ip =2; V1/V1.2/main h.cpp

16 Dynamische Felder Speicher für dynamische Felder wird ebenfalls mittels new erzeugt. double dp ; dp=new double [ n ] ; Bei der Freigabe muss delete mit dem Feld-Dereferenzierungsoperator [] aufgerufen werden. delete [ ] dp ; Fehlende Speicherfreigabe kann zu Laufzeitproblemen führen. V1/V1.2/main fh.cpp

17 Aufwachen... :-) Verwaltung des dynamischen Speichers V1/V1.f/main 3.cpp Was wird ausgegeben und warum?

18 Statische Mehrdimensionale Felder Statische Felder werden durch den Compiler als const Zeiger (nicht per Zeigerarithmetik modifizierbar) auf das erste Element implementiert. Statische Mehrdimensionale Felder verhalten sich entsprechend. double t [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] ; Der Zugriff auf einzelne Elemente erfolgt über den Dereferenzierungsoperator [], z.b. t [1][0][2]; Die Elemente werden konsequtiv im statischen Speicher abgelegt. Daher ist die Initialisierung mit einem Vektor... = {...}; passender Länge möglich. V1/V1.3/main.cpp

19 Zeigerarithmetik Als Alternative zu t[1][0][2]; kann der Zugriff per Zeigerarithmetik realisiert werden, z.b. ( ( (t+1)+0)+2); Addition einer ganzen Zahl k zu einem Zeiger p vom Typ T liefert einen Zeiger gleichen Typs mit einem um k sizeof (T) (k mal die Grösse des von Variablen vom Typ T belegten Speichers in Bytes) höheren Wert. Entsprechend sind p++ (p=p+1), p (p=p 1), p+=k (p=p+k) und p =k (p=p k) definiert. V1/V1.3/main za.cpp

20 Sinnvoller Einsatz von Zeigerarithmetik Für den geordnete Besuch aller Elemente eines n 0...n k 1 -Tensors t speichert man die Adresse des ersten Eintrages in einem entsprechend typisierten Zeiger p und inkrementiert diesen n= k 1 i=0 n i mal, z.b. p=&t [ 0 ] [ 0 ] [ 0 ] ; f or ( i nt i =0; i<n ; i++) { //... p++; // p=p+1; } V1/V1.3/main sza.cpp

21 Spielchen mit Zeigerarithmetik Schreiben Sie NIEMALS solchen Code: i n t m[2][3]={1,2,3,4,5,6}; i n t p=&m[ 1 ] [ 1 ] ; cout << (m[0]+5) p+ ++p << endl ; Trotzdem... was wird ausgegeben? V1/V1.f/main 1.cpp

22 Dynamische Mehrdimensionale Felder... werden durch den Nutzer als dynamische Vektoren von Zeigern auf dynamische Vektoren von Zeigern auf... auf dynamische Vektoren des entsprechenden Datentyps implementiert, z.b. double t=new double [ 2 ] ; f or ( i nt i =0; i <2; i++) t [ i ]=new double [ 3 ] ; f or ( i nt i =0; i <2; i++) f or ( i nt j =0; j <3; j++) t [ i ] [ j ]=new double [ 4 ] ; //... f or ( i nt i =0; i <2; i++) f or ( i nt j =0; j <3; j++) delete [ ] t [ i ] [ j ] ; f or ( i nt i =0; i <2; i++) delete [ ] t [ i ] ; delete [ ] t ; V1/V1.4/main.cpp

23 Syntax vs. Semantik Welche Speicherstrukturen können basierend auf der Deklaration i nt i ; erzeugt werden? V1/V1.f/main 2.cpp

24 Referenzen... sind Aliasnamen für existierende Variablen (Speicherbereiche). f l o a t f ; f l o a t &f r=f ; Referenzen müssen bei ihrer Deklaration initialisiert werden und referenzieren während ihrer Gültigkeit immer denselben Speicherbereich. V1/V1.5/main.cpp

25 Zum Üben zeilenweise Ausgabe einer dynamisch allozierten Matrix unter ausschliesslicher Verwendung des Dereferenzierungsoperators und der Zeigerinkrementierung spaltenweise Ausgabe unter denselben Bedingungen... Berechnung der Spur (Summe der Diagonalelemente) einer statisch allozierten quadratischen Matrix; Zugriff auf Diagonalelemente via Zeiger(arithmetik) Vielfalt der Speicherstrukturen basierend auf double p [ 4 ] ; double q [ 4 ] [ 3 ] ; double r [ 3 ] ;

26 Zum Lesen Stroustrup: Kapitel 4 und 5

27 Fallstudie: Projektionen Symmetrischer Tensoren Wir betrachten Tensoren T IR np : T = (t i0,...,i p 1 ) ik =0,...,n 1 für k = 0,...,p 1 mit t π (i 0,...,i p 1 ) = t π (i 0,...,i p 1 ) für beliebige Permutationen π und π der Indizes.

28 Fallstudie: Projektionen Symmetrischer Matrizen statisch V1/V1.fs/main 0.cpp vs. V1/V1.fs/main 1.cpp dynamisch V1/V1.fs/main 4.cpp vs. V1/V1.fs/main 5.cpp

29 Fallstudie: Projektionen Symmetrischer 3-Tensoren ( Würfel ) statisch V1/V1.fs/main 2.cpp vs. V1/V1.fs/main 3.cpp dynamisch V1/V1.fs/main 6.cpp vs. V1/V1.fs/main 7.cpp

30 Zu Hause: Projektionen Symmetrischer 4-Tensoren statisch dynamisch

31 Zusammenfassung Teil 1 Leave me alone world! Verwendung des Compilers Architektur und Verwaltung des Hauptspeichers Zeiger statischer und dynamischer Speicher (Felder) Zeigerarithmetik Referenzen