Detektoren und Algorithmen zur Spurrekonstruktion geladener Teilchen. Sommersemester 2015

Transkript

1 Detektoren und Algorithmen zur Spurrekonstruktion geladener Teilchen Sommersemester

2 Allgemeines 2

3 Vorlesungstermine Vorlesung 1 JR Vorlesung 2 EP Vorlesung 3 TS Mai Vorlesung 4 JR Brückentag Vorlesung 5 TS Vorlesung 6 TS (Pfingstferien??) Brückentag Panda Meeting Vorlesung 7 TS à ??? Vorlesung 8 JR Vorlesung 9 JR Vorlesung 10 TS Vorlesung 11 JR 3

4 Vorlesung: Freitags, 11:30 Uhr Raum NB 2/170 Übungsgruppe: Vorlesung Freitags, 13 Uhr (direkt nach der Vorlesung) Kontakt: Prof. Dr. James Ritman: Dr. Tobias Stockmanns: Dr. Elisabetta Prencipe: Skript: 4

5 Literaturempfehlungen Anfänger: Hyman, Arnson: Visual C++ 6 für Dummies Fortgeschrittene Myers: Effektiv C++ programmieren Myers: Mehr Effektiv C++ programmieren Onlinereferenzen 5

6 Themen Grundlagen C++ Teil 1: Hallo Welt Variablen und Ablaufsteuerung Umgang mit dem Compiler Grundlagen C++ Teil 2: Funktionen und Parameter Objektorientierte Programmierung Klassen Grundlagen C++ Teil 3: Vererbung und Polymorphie Detektorphysik Detektortypen: Silizium, Vieldrahtproportionalkammer, TPC Geometrien: Pixel und Streifen Monte-Carlo-Simulationen Konzept Erzeugung von Zufall Detektorsimulation mit PandaRoot 6

7 Themen Spurrekonstruktion Teil 1: Spurfindung Hough-Transformation, Riemann-Oberflächen Abweichungen von der idealen Spur: Kleinwinkelstreuung und Energieverlust Spurrekonstruktion Teil 2: Spuranpassung Kalman-Filter Spurpropagation in der MC-Simulation Spuranalyse Teil 1: Betrachtung der Ereignistopologie Exklusive und inklusive Rekonstruktion Kinematische Fits, Vertexfits Spuranalyse Teil 2: Kombination des Spurverlaufs mit weiteren Informationen Impulsbestimmung, Teilchenidentifikation 7

8 Vorlesung 1 Grundlagen C++ 8

9 C++ Hallo Welt! 9

10 Aufbau eines C++ Programms hallowelt.cpp: 1: #include <iostream> 2: int main() { 3: std::cout << Hallo Welt! << std::endl; 4: } Hier wird nur die Wirkung jeder Zeile angesprochen, die Details folgen später 1: Bindet zusätzliche Funktionen aus <iostream> ein 2: Beginn der Funktion main. Dies ist stets das Hauptprogramm 3: Gibt die Worte Hallo Welt! in auf der Konsole aus 4: Ende des Hauptprogramms Objektorientiert? Dieses Beispielprogramm sieht noch gar nicht nach objektorientierter Programmierung aus. Stimmt! Die Sprache ermöglicht zwar die objektorientierte Programmentwicklung, umsetzen muss der Programmierer dieses Paradigma jedoch selbst! 10

11 Der Compiler Übersetzt Quelltext in lauffähige Programme g++ -Wall Wextra Wshadow hallowelt.cpp o hallowelt Wall Wextra Wshadow aktivieren zusätzliche Warnungen beim kompilieren hallowelt.cpp ist die Eingabedatei o hallowelt definiert den Namen des zu erzeugenden Programms Kombiniert die Schritte Präprozessor, Compiler, Linker à g++ erkennt viele Dinge von selbst Steuerung des Übersetzungsablaufs wird wichtig, sobald Programme in mehrere Quelldateien aufgeteilt sind. Pro-gram-mie-rer, der: Organismus, der Koffein und Pizza in Software umwandelt 11

12 C++ Grundlagen Teil 1 12

13 #include hallowelt.cpp: 1: #include <iostream> 2: int main() { 3: std::cout << Hallo Welt! << std::endl; 4: } Das #include statement weist den Präprozessor an, den Header iostream zu lesen. <> bedeutet, dass der Header in den Standardsuchverzeichnissen liegt ( für eigene Header) Wichtige Standardheader: <iostream> Ein- und Ausgabe auf der Konsole <string> Zeichenketten <vector>, <map> Datencontainer 13

14 main() hallowelt.cpp: 1: #include <iostream> 2: int main() { 3: std::cout << Hallo Welt! << std::endl; 4: } Die Funktion main() liefert einen integer (int) zurück. main ist die Hauptfunktion eines jeden C++ Programms. Sie muss vorhanden sein und wird beim Programmstart ausgeführt. Die öffnende Schweifklammer { markiert den Beginn eines Blocks, hier der Funktionsrumpf. Das Ende des Blocks ist mit der schließenden Schweifklammer } gekennzeichnet Kommandozeilenparameter übernimmt das Programm mit int main(int argc, char* argv[]) 14

15 Variablen 1: #include <iostream> 2: #include <string> 3: int main() { Initialisierung bei Deklaration 4: int zahl = 6; 5: std::string text = sechs ; 6: std::cout << zahl << std::endl << text << std::endl; 7: } Typisierte Sprache à Der zu speichernde Wert muss dem Variablentyp entsprechen Wichtige eingebaute Typen: int, long, unsigned: Ganzzahlen mit unterschiedlichen Wertebereichen double, float: Gleitkommazahlen bool: Wahrheitswert Faustregeln für den Umgang mit Variablen: Geben Sie ihnen sprechende Namen Initialisieren Sie Ihre Variablen sofort bei der Deklaration Verstreuen Sie Ihre Variablendeklarationen nicht quer über den gesamten Code 15

16 cout, cin und Operatoren 1: #include <iostream> 2: #include <string> 3: int main() { 4: std::string eingabe; 5: std::cout << Eingabe: ; 6: cin >> eingabe; 7: } std::cout ist das Objekt für die Konsolenausgabe und stellt einen Ausgabedatenstrom (output stream) dar. Der << Operator schreibt den rechts davon stehenden Datenstrom Hallo Welt! in den Ausgabedatenstrom (und liefert eine Referenz auf den Ausgabedatenstrom zurück). std::endl ist ein Zeilenumbruch. Analog dazu kann mit cin >> ein Datenstrom in eine Variable extrahiert werden. Die Wirkung eines Operators hängt von dem Typ ab, auf den er wirkt: int + int à Summe string + string à Aneinandergehängte Zeichenketten Muss die Extraktion von Datenströmen in eine Variable immer funktionieren? Informieren Sie sich über ios::rdstate() 16

17 hallowelt.cpp: namespaces 1: #include <iostream> 2: int main() { 3: std::cout << Hallo Welt! << std::endl; 4: } Dienen der Separation von Bezeichnern Einbinden des kompletten Namensraums oder einzelner Bezeichner in den globalen Namensraum möglich. Beispiele: using namespace std; using std::cout; Das Einbinden kompletter Namensräume kann in großen Projekten zu Mehrdeutigkeiten führen. Abhilfen: Keine Verwendung von using namespace auf globaler Ebene Nur explizites Einbinden einzelner Bezeichner Ausschreiben des Bezeichners inklusive namespace:: 17

18 using hallowelt.cpp: 1: #include <iostream> Lokal gültige using Direktive 2: int main() { 3: using namespace std; 4: cout << Hallo Welt! << endl; 5: } Verfügbar als Direktive: using namespace und Deklaration: using name::bezeichner Weiterer Einsatz der Deklaration: Verfügbarmachen von sonst verborgenen Funktionen in abgeleiteten Klassen (wird später behandelt) Probieren Sie verschiedene Möglichkeiten zum Einbinden von namespaces aus. Was passiert, wenn ihre eigenen Variablen bereits vergebene Namen tragen? 18

19 Gültigkeitsbereiche 1: int i = 0; 2: int main() { 3: int i = 1; 4: { 5: int i = 2; 6: int j = ::i 7: } 8: } Globales i Lokales i versteckt globales i Lokales i im Block versteckt lokales i ausserhalb Lokales j mit Zugriff auf das globale i Hier existiert j nicht mehr Helfen, Codesegmente unabhängig voneinander zu gestalten Gekennzeichnet durch Schweifklammern { } Begrenzen die Gültigkeit von Bezeichnern Außerhalb deklarierte Bezeichner werden von gleichnamigen innerhalb deklarierten Bezeichnern versteckt à Nach Möglichkeit eindeutige Bezeichner wählen! Innerhalb von Blöcken deklarierte Bezeichner existieren nur innerhalb Verstecken Sie ihre Variablen und machen Sie sie wieder sichtbar. Was passiert wenn Sie einen Block verlassen und dann auf die Variable zugreifen wollen? Probieren Sie die Compileroption Wshadow aus. 19

20 Schleifen: for und while 1: int main() { 2: for (int i = 0; i < 50; i++) { 3: //tu was 4: } 5: int j = 0; 6: while (j++ < 50) { 7: //tu was 8: } 9: } Dienen der wiederholten Ausführung von Anweisungen bis zum Eintritt einer Abbruchbedingung Stellen einen eigenen Block dar à Variablensichtbarkeit- und Lebensdauer for-schleife: Initialisieren vor dem ersten Durchlauf, Überprüfung der Bedingung (weiter, solange der Ausdruck wahr ist), Modifikator nach jedem Schleifendurchlauf while-schleife: Überprüfen der Bedingung vor jedem Schleifendurchlauf (weiter, solange die Bedingung wahr ist) Variante: do {} while () à Überprüfen der Bedingung nach jedem Schleifendurchlauf 20

21 Verzweigungen: if und switch 1: int main() { 2: bool bedingung = true; 3: if (bedingung) { 4: //tu was 5: } else if (3 == 2) { 6: //tu was 7: } 8: } 1: int main() { 2: int i = 1; 3: switch(i){ 4: case 0: //tu was 5: break; 6: case 1: //tu was 7: break; 8: default: //tu was 9: } 10: } Verzweigungen entscheiden, ob (welche) Codeabschnitte ausgeführt werden. if-anweisung: Auswertung eines Wahrheitswertes innerhalb der () switch-anweisung: Überprüfung eines integralen Typs auf seinen Wert (int, enum, ) und Sprung zum passenden case. Achtung: Ohne break werden alle darauffolgenden Anweisungen innerhalb des switch ebenfalls ausgeführt! 21

22 Codeformat Der Compiler toleriert Leerzeichen, Zeilenumbrüche fast überall à Ermöglicht eine menschenlesbare Formatierung Einrücken von Blöcken Leerzeilen zwischen Abschnitten Es existieren diverse Philosophien, wie gut lesbarer Code aussehen soll à Der absolut richtige Weg existiert nicht à Lesen Sie Quelltexte und übernehmen Sie gut lesbare Beispiele Gestalten Sie Ihren Code so, dass Sie ihn nach einem Jahr noch lesen und verstehen können 22

23 Kommentare Identische Motivation wie lesbares Codeformat: Quelltext für Menschen lesbar gestalten Kommentarzeile: //ich bin ein Kommentar (gilt bis zum nächsten Zeilenumbruch) Kommentarblock im C-Stil: /* ich bin auch ein Kommentar, sogar mehrzeilig */ (muss explizit durch */ beendet werden) Nicht geschlossene Kommentare können beim Kompilieren Fehler an den unwahrscheinlichsten Stellen hervorrufen. Ein Texteditor mit Syntaxhervorhebung ist hier enorm hilfreich! 23

24 Kompilieren g++ -Wall Wextra Wshadow hallowelt.cpp o hallowelt Präprozessor Bearbeitung des Quellcodes auf Textebene Einsetzen des Dateiinhalts an Stelle von #include Direktiven Ersetzen von mittels #define definieren Werten Bedingtes Einsetzen von Quelltext mit #ifdef bzw. #ifndef Direktiven Compiler Umwandeln des Quelltextes in maschinenlesbare Binärdateien für jede Übersetzungseinheit (Typisches Resultat: eine.o Datei pro.cpp Datei) Hier treten Compilerfehler auf (Syntaxfehler, falsch geschriebene Variablennamen, Linker Verbinden der Objektdateien zu einer ausführbaren Datei Hier treten Linkerfehler auf (nicht auflösbare Funktionsaufrufe und Speicheradressen, Wenn Sie Ihr Programm ändern, werden Sie es oft kompilieren und dabei viele Fehlermeldungen und Warnungen sehen. Schalten Sie die Warnungen ein und schreiben Sie Code, der keine Warnungen erzeugt. 24

25 Automatismen Viele Dinge weiss der Compiler anhand von Konventionen à g++ hallowelt.cpp erzeugt unmittelbar eine ausführbare Datei Besteht ein Programm aus mehreren Übersetzungseinheiten, hilft die Automatik nicht mehr à g++ -c modul1.cpp modul2.cpp main.cpp g++ modul1.o modul2.o main.o o main Manueller Aufruf ist unhandlich und fehleranfällig à weitere Automatismen à make 25

26 make make weiss ebenfalls viele Dinge anhand von Konventionen Aufruf von: make hallowelt existiert eine Datei namens Makefile? à Suche nach einem Target mit dem Namen hallowelt und folge den Anweisungen im Makefile existiert eine Datei hallowelt mit bekannter Dateiendung? à bei.cpp weiss make, dass mit dem C++ Compiler eine ausführbare Datei erzeugt werden soll und tut dies Viele Softwareprojekte werden mithilfe von Makefiles kompiliert 26

27 Makefile Makefile Die Einrückungen sind wichtig! CFLAGS=-Wall -Wextra -Wshadow all: g++ ${CFLAGS} test.cpp -o test clean: rm -f test Enthält die Konfiguration für den make Aufruf Achtung: Einrückungen im Makefile sind wichtig! Target: beschreibt, auf welche Art aus den Quelldateien die Zieldateien erzeugt werden Verwenden Sie zum Einrücken in Makefiles ausschliesslich den Tabulator. Manche Versionen von make akzeptieren zwar auch Leerzeichen, aber das ist Glückssache. 27

28 Zeiger 1: int main() { 2: int i = 1; 3: int* j = new int; 4: *j = 2; 5: j = &i; 6: } Normaler int Zeiger j auf einen int und Speicherreservierung mit new j wird dereferenziert. Die Adresse, auf die j zeigt, wird auf 2 gesetzt j wird auf die Adresse von i gesetzt, die ursprünglich von j referenzierte Adresse ist aber noch belegt und kann nun nicht mehr freigegeben werden à Memory Leak! Der Zeiger selbst zeigt auf eine Adresse im Speicher Speicher wird mit new belegt und mit delete freigegeben Der Zugriff auf den Wert an dieser Adresse heißt dereferenzieren Durch die typisierten Zeiger ist auch dieser Speicherzugriff typsicher Der Code in ROOT verwendet sehr häufig Zeiger Erinnern Sie sich noch an die Gültigkeitsbereiche? Was passiert, wenn Ihr Zeiger seinen Gültigkeitsbereich verlässt? 28

29 ROOT ganz genauso, nur ein bisschen anders CINT C und C++ Interpreter Beherrscht eine große Teilmenge von C++ Einige Unterschiede: Gültigkeitsbereiche weniger streng Automatisches Dereferenzieren von Zeigern Limitierungen von CINT: Vorsicht vor der Automatik: Manche (automatisch behobene) Warnung in ROOT würde in einem regulären Programm einen Syntaxfehler bedeuten. Korrigieren Sie Ihre Quelltexte entsprechend der Warnungen! 29