C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November

Transkript

1 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November Skriptergänzungen Das folgende Kapitel wird zwischen Kapitel 4: Datentyp bool und Kapitel 5: Verzeigung auf S 17 eingefügt. 4a Datentypen float, double und long 1) Allgemeines Gleitkommazahlen werden zur genäherten Abbildung von reellen Zahlen auf dem Rechner mit endlichem Zahlenbereich und mit begrenzter Genauigkeit verwendet. Es entstehen in der Regel Rundungsfehler. Die jeweiligen Zahlenbereiche sind im Anhang B aufgeführt. 2) Das Problem der Rechengenauigkeit a) Man berechne auf einem Taschenrechner und in einem C-Programm mit den Datentypen integer, long integer, double und long double den Wert s = 9p 4 q 4 + 2q 2 für p = und q = b) Welchen Ausdruck liefert das folgende Programm? // Rundungsfehler.cpp : int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { double a,eps; a = 1.0e-11; cout << "a + eps = a" << endl; cout << " a eps a/eps" << endl; do { a *= 10; eps = 0.5; do eps /= 2; while(a + eps!= a); cout.setf(ios_base::scientific,ios_base::floatfield); cout << setprecision(10) << setw(12) << a << " " << setw(12) << eps << " " << setw(12) << a/eps << endl; while (a <= 1.0e10); c) Verlust des Assoziativgesetzes Welchen Ausdruck liefert das folgende Programm? // Assoziativgesetz.cpp

2 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { cout.setf(ios_base::scientific,ios_base::floatfield); cout.precision(12); cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e << endl; cout << setw(20) << e-19 + ( ) << endl; d) Die kleinste positive Double Welchen Ausdruck liefert das folgende Programm? // kleinste_pos_double_zahl.cpp : int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { double x = 1.0e-300; do { x /= 10; cout << setprecision(12) << setw (20) << scientific << x << endl; while (x!= 0); // hier ausnahmsweise zulaessig e) Abfangen des Überlaufs bei Double Welchen Ausdruck liefert das folgende Programm? // Ueberlaufkontrolle.cpp : #include <limits> #include <cmath>

3 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { double x = 1.0e20; bool ueberlauf = false; do { //if( 1/abs(x)/10 == 0)ueberlauf = true; // so nicht if (x*10 > numeric_limits<double>::max( )) ueberlauf = true; else { x *= 10.0; cout << setw(20) << setprecision(15) << x << " " << x*10 << " " << 1/x << endl; while(!ueberlauf); cin.get(); Entsprechend würde der Unterlauf mit if (1.0/(x*10) < numeric_limits<double>::min( )) unterlauf = true; erkannt werden können. f) Faustregeln zur Vermeidung von Fehlern aus Rundungen fa) Vermeiden Sie Algorithmen, bei denen Stellenauslöschung auftritt: - Differenzen und Summen von Zahlen sehr unterschiedlicher Größenordnung (wie in c) - Kleine Differenzen aus sehr großen Zahlen (wie in a) ) Verbesserung zu a): Schreibe statt s = 9p 4 q 4 + 2q 2 besser s = (3 p 2 q 2 ) * (3 p 2 + q 2 ) + 2q 2 Dieser Schritt vermeidet die Auslöschung, jedoch nicht die schlechte Konditionierung. fb) Ein Algorithmus ist instabil, wenn der Fehler mit der Iterationsanzahl stark (z.b. exponentiell) ansteigt. fc) Ein Problem ist schlecht konditioniert, wenn kleine Änderungen der Eingangsdaten große Änderungen der Ausgangsdaten bewirken fd) Minimieren Sie die Anzahl der auszuführenden Rechenschritte. fe) Testen Sie Fließkommazahlen nie auf exakte Gleichheit, insbesondere nicht, wenn die beiden zu vergleichenden Zahlen möglichen Rundungsfehlern unterliegen oder Sie eine Fließkommazahl mit einer Eingabe exakt treffen müssten (z.b. 2).

4 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November Die folgenden zwei Abschnitte 15.6 und 15.7 sind auf Seite 61 vor Kapitel 16 einzufügen, wobei allerdings die dynamische Speicherplatzreservierung aus Kapitel 18.2 vorausgesetzt wird Konstruktoren Wenn man in main() der Programme Aktie1 oder This die Zeile papier.lies(); vergisst, so erhält man zwar keinen Compilerfehler, aber einen mehr oder weniger erstaunlichen Bildschirmausdruck. Man hat die Initialisierung der Daten des Objekts papier vergessen und das rächt sich. Da man in vielen Jahren Programmierung erkannt hatte, dass immer wieder mal einer die Initialisierung vergisst, schenkte man diesem Punkt in C++ besonderes Augenmerk. Die Variableninitialisierung wird in C++ mit Konstruktoren bearbeitet. Jede Klasse besitzt einen oder mehrere Konstruktoren, mit denen die Datenelemente auf Anfangswerte gesetzt werden. Definiert man nicht selbst einen Konstruktor, so gibt es doch stets einen, der bei Definition einer Instanz einer Klasse aufgerufen wird. Man merkt es nicht, aber mit der Definition Aktie papier; in main() war der Aufruf des zugehörigen Konstruktors verbunden. Er hatte allerdings keine Parameter und führte auch keine eigentliche Initialisierung durch. Einen vom System verwendeten, nicht vom Programm definierten Konstruktor nennt man einen impliziten Standardkonstruktor. Dieser wurde in Aktie1 oder This verwendet und wie man sieht, hilft das nur bedingt. Man sollte also einen Standardkonstruktor schreiben. Aber welche Werte soll man eigentlich den Daten am Anfang geben? Dazu haben die Erfinder von C++ offenbar auch keine Antwort gewusst und deshalb nicht initialisiert. Sinnvoll wäre es, so zu initialisieren, dass das Objekt keinen Wert hat, ohne dass dies zu Fehlerabbruch führt. Ein Konstruktor ist eine Mitgliedsfunktion mit einigen besonderen Eigenschaften: 1) Es gibt den Konstruktor immer. 2) Der Konstruktor trägt den Namen der Klasse. 3) Der Konstruktor gibt keinen Typ zurück, auch nicht void. 4) Der Konstruktor wird automatisch bei der Deklaration des Objekts aufgerufen, notfalls ist er parameterlos undefiniert und reserviert bei seinem Aufruf Speicherplatz für die Daten, ohne diese zu initialisieren. 5) Wird der Konstruktor nicht explizit deklariert und definiert, nennt man ihn Impliziten Standardkonstruktor (implicit default constructor). Dieser ist parameterlos. 6) Ein parameterloser Konstruktor heißt Standardkonstruktor (default constructor). 7) Ist der Konstruktor parameterlos, wird er, obwohl er eine Funktion ist, ohne Parameterklammer aufgerufen. 8) Ein Konstruktor enthält return allenfalls in der parameterlosen Form return;. 9) Sobald wenigstens ein Konstruktor deklariert ist, erzeugt das System keinen impliziten Standardkonstruktor. 10) Der Konstruktor ist meistens public. Wird er jedoch z.b. ausschließlich aus befreundeten Klassen aufgerufen, so kann er auch private sein. Wird er ausschließlich aus abgeleiteten Klassen aufgerufen, sollte man ihn protected wählen. Ein Konstruktor, der versehentlich private deklariert wurde, führt bei Instantiierung zur Fehlermeldung. Für späteres Verständnis: Ein Konstruktor kann nicht const oder static oder virtual sein und er wird nicht vererbt. Gemeinsam mit anderen Funktionen hat der Konstruktor die Eigenschaften, - in der Klasse deklariert werden zu müssen, wenn nicht der parameterlose implizite Ersatz verwendet werden soll und - überladen werden zu können: Man kann denselben Funktionsnamen mit unterschiedlichen Parametern wählen. Ein Konstruktor ist nötig, weil man sonst privaten Daten keinen Wert geben kann ohne andere Funktionen dafür zu definieren. Das folgende Programm spielt mit den Konstruktoren. Dies wird zu einer ungewöhnlichen Form des Konstruktors führen. Der Gedanke dahinter ist folgender: Ein Konstruktor soll initialisieren, das kann vom Progamm aus geschehen durch Angabe der Initialisierungswerte oder vom Benutzer durch Eingabe der Werte. Später wird es lästig sein, wenn der Standardkonstruktor Dialog auslöst und dann werden wir das verwerfen. // KONSTRUKTOR.cpp : // Programm KONSTRUKTOR #include <limits> #include <string>

5 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November const char wortlaenge = 20; // globale Konstante class Aktie { public: Aktie(char* name_in, double kurs_in); // Parameterkonstruktor Aktie(); // Standardkonstruktor void lies(); void schreib(); private: char name[wortlaenge]; double kurs; ; // Ein Konstruktor mit zwei Parametern: // Ein Konstruktor gibt keinen Typ zurueck: auch nicht void! Aktie::Aktie(char* name_in, double kurs_in) { strcpy(name,name_in); kurs = kurs_in; // Ein Konstruktor ohne Parameter: ein Standardkonstruktor Aktie::Aktie() { cout << "Unbekannte Aktie im Programm: Name der Aktie? "; name[0]='\0'; while( name[0] == '\0' ) {cin.get(name, sizeof (name), '\n'); cout << "Kurs der unbekannten Aktie? "; void Aktie::lies() // ueberliest sogar fuehrende CR { cout << "Name der Aktie? "; name[0]='\0'; while( name[0] == '\0' ) {cin.get(name, sizeof (name), '\n'); cout << "Kurs der Aktie? "; ; void Aktie::schreib() { cout << name << " " << kurs << endl; int main(int argc, char* argv[]) { // Der Konstruktur mit mehr als Null Parametern // wird mit diesen zur Instanzbildung aufgerufen: Aktie papier1("basf ",356); Aktie papier2("bayer",400);

6 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November // Der Konstruktur mit Null Parametern wird ohne // Parameterklammer durch Instanzbildung aufgerufen: Aktie papier3; papier1.schreib(); papier2.schreib(); papier3.schreib(); // Ueberschreiben der Werte dieser Aktie durch Eingabe: papier3.lies(); papier3.schreib(); cin.get(); Es mag nicht üblich sein, aber am Standardkonstruktor Aktie::Aktie(); erkennt man, dass ein Konstruktor nicht im Verborgenen wirken muss, sondern Fragen an den Benutzer stellen kann: er ist eine (fast) ganz normale Mitgliedsfunktion. Wir werden von dieser Variante wieder abkommen, weil es unpraktisch ist, wenn im allgemeinen Fall mit jeder Speicherplatzreservierung für eine Aktie ein Dialog ausgelöst wird. Natürlich kann man diesen parameterlosen Konstruktor unter Verzicht auf verschiedene äußere Erscheinungsform bei Standardkonstrktor und lies() auch kürzer fassen: Aktie::Aktie() { lies(); Anmerkungen: Die Definition eines Standardkonstruktors ist kein Muss. Wenn man ihn nicht braucht, kann er entfallen. Einen Konstruktor zu haben, der alle Daten einer Klasse initialisiert, ist praktisch. Ich nenne ihn Parameterkonstruktor, ein Begriff, den ich bisher in der Literatur nicht gefunden habe. Felder von Objekten können nur mit dem Standardkonstruktor initialisiert werden und rufen diesen automatisch für jede Feldkomponente auf: // Aktienfeldinit.cpp: // Initialisierung von Objekt-Feldern #include <limits> #include <string> const char wortlaenge = 20; // globale Konstante class Aktie { public: Aktie(char* name_in, double kurs_in); // Parameterkonstruktor Aktie(); // Standardkonstruktor void lies(); void schreib(); private: char name[wortlaenge]; double kurs; ; // Ein Konstruktor mit zwei Parametern: // Ein Konstruktor gibt keinen Typ zurueck: auch nicht void!

7 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November Aktie::Aktie(char* name_in, double kurs_in) { strcpy(name,name_in); kurs = kurs_in; // Ein Konstruktor ohne Parameter: ein Standardkonstruktor Aktie::Aktie() { lies(); void Aktie::lies() // ueberliest sogar fuehrende CR { cout << "Name der Aktie? "; name[0]='\0'; while( name[0] == '\0' ) {cin.get(name, sizeof (name), '\n'); cout << "Kurs der Aktie? "; ; void Aktie::schreib() { cout << name << " " << kurs << endl; int main(int argc, char* argv[]) { Aktie papier; papier.schreib(); Aktie p1[2]; // ein Feld von Aktien p1[0].schreib(); p1[1].schreib(); cin.get(); Will man ein Feld von Objekten mit verschiedenen Werten (ohne Dialog) initialisieren, so muss man dieses Feld in eine andere Klasse einbetten und diese Klasse dann mit einem Konstruktor, der die Werte durchreicht, initialisieren. Die Initialisierung im C-Stil mit Plain Old Data Structures (POD), hier sogar für ein Feld von Aktien, geht nur noch bei C++-Programmen, die aus C kommen könnten: // Aktienfeldinit_2.cpp: // Initialisierung im C-Stil nur bei speziellen structs (z.b. ohne private) #include <string> #include <limits> #define WORTLAENGE 20 struct Aktie // POD-Initialisierung geht nur mit structs { char name[wortlaenge+1]; float kurs; public: // unnoetig, unschaedlich void lies(); void schreib(); ;

8 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November void Aktie::lies() // ueberliest sogar fuehrende CR { cout << "Name der Aktie? "; name[0]='\0'; while( name[0] == '\0' ) {cin.get(name, sizeof (name), '\n'); cout << "Kurs der Aktie? "; void Aktie::schreib() { cout << name << " " << kurs << endl; int main(void) { // Normale Initialisierung: Aktie p; p.lies(); p.schreib(); // Initialisierung im C-Stil nur bei speziellen structs: // PODs (plain old data structures) Aktie p2[2] = {"GH", 234, "VE", 45; // Wow! p2[0].schreib(); p2[1].schreib(); cin.get(); 15.7 Destruktoren Ein Konstruktor erledigt Aufgaben, die zu Beginn der Verwendung eines Objekts sinnvoll sind, insbesondere also Initialisierungen. Der Destruktor ist eine entsprechende Funktion, die am Lebensende eines Objekts die Aufräumarbeiten durchführt. Ein Destruktor ist eine Mitgliedsfunktion mit einigen besonderen Eigenschaften: Es gibt den Destruktor nur, wenn er explizit deklariert und definiert wird. Der Destruktor trägt den Namen der Klasse mit vorgesetzter Tilde. Der Destruktor gibt keinen Typ zurück, auch nicht void. Der Destruktor hat keine Parameter. Der Destruktor wird nicht explizit, sondern automatisch am Lebensende des Objekts aufgerufen. Der Destruktor kann nicht überladen werden. Ein Destruktor enthält return allenfalls in der parameterlosen Form. Für späteres Verständnis: Ein Destruktor kann virtual sein, jedoch nicht const oder static, und er wird nicht vererbt. Die Aufräumarbeiten am Lebensende eines Objekts betreffen häufig Speicherfreigaben. Deshalb ist das folgende Beispiel dem gewidmet. Zur Speicheranforderung nutzen wir die Gelegenheit beim Aktiennamen: es gibt sehr lange Namen und kurze Namen und eigentlich sollte immer nur so viel gespeichert werden, wie der Namenslänge entspricht. Also muss die Speicherplatzreservierung für den Namen dynamisch auf dem Heap erfolgen. Dies wird im Konstruktor so durchgeführt; hier allerdings noch immer mit derselben Wortlänge, also zwar dynamisch, aber nicht speichersparend. Im darauffolgenden Teil werden wir dann die Änderung vornehmen, den reservierten Speicherplatz dynamisch und speichersparend zu gestalten.

9 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November Das Lebensende eines Objekts ist erreicht, wenn das Ende des Blocks seiner Definition erreicht ist. Deshalb wurden in dem nachfolgenden Beispiel einfach zwei Blöcke innerhalb von main() erzwungen, in denen jeweils ein Feld von 2 Objekten deklariert wird. Das Echo der Blöcke, des Konstruktors und des Destruktors schildert die Reihenfolge des Ablaufs. Dabei wird klar, dass Felder von Objekten in zur Konstruktion umgekehrter Reihenfolge destruiert werden. Ohne den Destruktor würden im 2. Block noch die Heap-Anforderungen aus dem 1. Block im Heap plaziert sein. Der Speicherplatz für das Objekt selbst wird natürlich bei Verlassen des Blocks ebenfalls freigegeben, aber darum braucht sich der Programmierer nicht zu sorgen. Weiter haben wir in diesem Beispiel den Umgang mit symbolischen Konstanten als Klassenmitglieder vorgeführt: Deklariere die symbolische Konstante und initialisiere sie im Konstruktor. Bei der Definition des Konstruktors steht am Ende der Wiederholung der Deklaration (der Signatur des Konstruktors) ein Doppelpunkt, dem die Elementinitialisiererliste folgt. Sie besteht hier aus dem Namen der Konstanten mit ihrem Wert in runden Klammern. // DESTRUKTOR.cpp : #include <limits> class Aktie { public: Aktie(); ~Aktie(); void lies(); void schreib(); private: const char wortfeldlaenge; // Standardkonstruktor // Destruktor // Objektkonstante: nicht mehr global! char* name_z; // dynamisches Feld double kurs; ; // Die Konstante wortfeldlaenge kann nicht hier, sondern muss in jeder // Initialisiererliste jedes Konstruktors initialisiert werden. // Auch einfache Variablen duerfen in der Initialisiererliste initialisiert // werden. // Hier ein Konstruktor ohne Parameter, aber mit Initialisierung // der Objektkonstanten wortfeldlaenge: Aktie::Aktie(): wortfeldlaenge(20) // Objektkonstante hier in Initialisiererliste initialisieren { name_z = new char[wortfeldlaenge]; // new reserviert auf Heap // hier (bei Speicherplatzreservierung) [wortfeldlaenge] erlaubt! cout << "Name der Aktie? "; name_z[0]='\0'; // ueberliest sogar fuehrende CR while( name_z[0] == '\0' ) {cin.get(name_z, wortfeldlaenge, '\n'); cout << "Kurs der Aktie? "; // Der Destruktor: Aktie::~Aktie() { cout << "Destruktor aufgerufen fuer: " << name_z << endl; delete[] name_z; // gibt Heap frei

10 C++ für Anfänger des Programmierens, Ergänzungen Rieckeheer GSO-Hochschule Nürnberg November void Aktie::schreib() { cout << name_z << " " << kurs << endl; int main(int argc, char* argv[]) { { cout << "Anfang 1.Block " << endl; Aktie papier[2]; papier[0].schreib(); papier[1].schreib(); cout << "Ende 1.Block " << endl; { cout << "Anfang 2.Block " << endl; Aktie papier[2]; papier[0].schreib(); papier[1].schreib(); cout << "Ende 2.Block " << endl; cin.get(); In den folgenden Programmteilen wollen wir die Änderung vornehmen, den reservierten Speicherplatz echt dynamisch zu gestalten. Dazu lesen wir in einen Puffer ein, stellen mit strlen() die aktuelle Länge fest und kopieren mit strcpy() den Inhalt des Puffers in den Namen name_z. Die Funktion strlen() stammt aus <cstring>, hat den Prototyp size_t strlen(const char *s); und gibt die Anzahl der Zeichen vor dem beendenden Nullzeichen zurück. Die leere Zeichenkette hat also die Länge Null. Für die geeignete Speicherplatzreservierung muss daher ein Zeichen mehr für die beendende Null reserviert werden. Die Klasse string der Standard-Bibliothek verwenden wir aus pädagogischen Gründen nicht, um das Vorgehen mit dynamischen Feldern üben zu können. In freier Wildbahn ist die Verwendung der Bibliothek vorzuziehen. Aktie::Aktie(): wortfeldlaenge(20) // Objektkonstante hier in Initialisiererliste initialisieren { char puffer[20]; // hier (bei statischem Feld) puffer[wortfeldlaenge] nicht erlaubt // Pufferlaenge >= wortfeldlaenge noetig cout << "Name der Aktie? "; puffer[0]='\0'; // ueberliest sogar fuehrende CR while( puffer[0] == '\0' ) {cin.get(puffer, wortfeldlaenge, '\n'); name_z = new char[strlen(puffer)+1]; // reserviere auf Heap den noetigen Speicher strcpy(name_z, puffer); // kopiere in Name cout << "Kurs der Aktie? ";