Informatik für Ingenieure (InfIng)

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1 Informatik für Ingenieure (InfIng) C - Kontrollstrukturen Doz. Dipl.-Ing. H. Hiller WS 2012/13

2 Kontrollstrukturen Erinnern Sie sich? Frühstücks-Ei kochen, 6 Minuten Was tun, wenn kein Topf vorhanden ist? Herdplatte schon besetzt ist? die Eier noch im Karton sind? Was tun, wenn's nicht geradeaus läuft? Programme sind wie das Leben Nichts läuft einfach nur geradeaus! Vieles macht man doppelt! Manches macht man auch dreifach! Anderes macht man erst gar nicht! Start Öffne Schrank. Nimm Topf. Schließe Schrank. : Stop FH D Seite 2 FB 5

3 Kontrollstrukturen Kontrollstrukturen erlauben es vom sequenziellen Ablauf eines Programms abzuweichen Start anweisung_1 Wiederhole anweisung_2 solange, bis ein bestimmter Wert in anweisung_2 erreicht wird. Führe anweisung_4 nur dann aus, wenn die vorhergehende anweisung_3 einen gültigen Wert geliefert hat. anweisung_2 anweisung_3 anweisung_4 Stop Überspringe alle Anweisungen, wenn nicht alle Eingangsbedingungen erfüllt sind. FH D Seite 3 FB 5

4 Bedingungen Bedingungen Verzweigungen und Schleifen basieren auf Bedingungen Bedingungen können wahr oder falsch sein Ausführung erfolgt nur, wenn Bedingung erfüllt ist (also wahr ist) Wahr und Falsch Viele Programmiersprachen kennen den Datentyp BOOLEAN BOOLEAN hat 2 Werte: Wahr und Falsch bzw. TRUE und FALSE C kennt diesen Datentyp nicht Wahrheitsprüfung in C liefert immer einen Integerwert Integerwert ist von Null verschieden, wenn der Vergleich wahr ist Integerwert ist gleich Null, wenn der Vergleich falsch ist Wahr: ungleich 0 Falsch: gleich 0 FH D Seite 4 FB 5

5 Themen dieser Vorlesung Wir wollen folgenden Fragen nachgehen: 1. "Wie kann man bedingt Anweisungen ausführen?" Verzweigungen 2. "Wie kann man Anweisungen wiederholen?" Schleifen 3. "Wie kann man Anweisungen ab- bzw. unterbrechen?" Sprünge FH D Seite 5 FB 5

6 Übersicht Verzweigungen Schleifen Sprunganweisungen FH D Seite 6 FB 5

7 Bedingte Verzweigung (if..else) Bedingte Verzweigung Wahrheitswert entscheidet über die Ausführung von Anweisungen Syntax der if-anweisung if (ausdruck) else anweisung_1; anweisung_2; ausdruck ist wahr: Ausführung von anweisung_1 ausdruck ist falsch: Ausführung von anweisung_2 Einfach Alternative else ist optional und kann weggelassen werden if (ausdruck) anweisung; ausdruck ist wahr: Ausführung von anweisung_1 ausdruck ist falsch: anweisung_1 wird übersprungen ausdruck wahr anweisung_1 ausdruck wahr anweisung_1 falsch anweisung_2 falsch FH D Seite 7 FB 5

8 Bedingte Verzweigung (if..else) Einrückungen Ohne Bedeutung für den Compiler "Nur" ein Appell an die Lesbarkeit :-)) Runde Klammern Pflicht für das Argument der if-anweisung Geschweifte Klammern Optional bei lediglich einer Anweisung Pflicht bei zwei oder mehr Anweisungen Klammern bestimmen den Programmablauf Gleiche if - Anweisung, verschiedene Klammerung Welche Anweisungen werden ausgeführt? #1: Keine Anweisung wird ausgeführt #2: Ausgeführt wird anweisung_2 Was liegt hier vor: Absicht oder Fehler? Einrückung der anweisung_2 spricht für Fehler if (ausdruck) anweisung_1; anweisung_2; else anweisung_3; if (1 > 3) anweisung_1; anweisung_2; if (1 > 3) anweisung_1; anweisung_2; #1 #2 FH D Seite 8 FB 5

9 Bedingte Verzweigung (if..else) Beispiel Programm soll prüfen, ob ein gegebenes Zeichen ein kleiner Buchstabe ist Ist das Zeichen ein Kleinbuchstabe, so ist der zugehörige ASCII-Wert auszugeben #include <stdio.h> #include <ctype.h> int main() char c = 'm'; if ( (c >= 'a') && (c <= 'z') ) printf ("Das Zeichen %c ist ein kleiner Buchstabe.\n", c); printf ("Der ASCII-Wert ist %ddez.\n", c); else printf ("Was weiss ich, was das für ein Zeichen ist..."); return 0; FH D Seite 9 FB 5

10 Bedingte Verzweigung (if..else) Schachtelung else gehört immer zum unmittelbar vorhergehenden if Fehler bei Klammer oder Semikolon verändern den Programmablauf Beispiel Verändern einer Klammer bei geschachtelter if-anweisung if (x > 0) if (y > 0) a = 1; else a = 2; if (x > 0) if (y > 0) a = 1; else a = 2; if (x > 0) if (y > 0) a = 1; else a = 2; Ohne Klammern gehört das else zum zweiten if. Mit Klammern funktional kein Unterschied zu A, aber übersichtlicher. Mit zweiter Klammer etwas früher gesetzt, gehört das else zum ersten if FH D Seite 10 FB 5

11 Bedingte Verzweigung (if..else) Mehrfachverzweigung Verzweigung über mehrere Alternativen mittels else..if Syntax der Mehrfachverzweigung if (ausdruck_1)? anweisung_1; else if (ausdruck_2) anweisung_2; else if (ausdruck_n) a_1? a_2? anweisung_n; a_n else anweisung_m; a_m Auswertung der Ausdrücke in vorgegebener Reihenfolge Ergibt eine der Auswertungen wahr, wird die zugehörige Anweisung ausgeführt Ist kein Ausdruck wahr, wird die Anweisung im (letzten) else-zweig ausgeführt FH D Seite 11 FB 5

12 Bedingte Verzweigung (if..else) Bedingungsoperator (?:) Alternative zur Verwendung der Schlüsselwörter if und else Syntax ausdruck? anweisung_1 : anweisung_2 Tenärer Operator?: ist ein tenärer Operator (der einzige übrigens in ANSI C) if (a > b) ist äquivalent mit (a > b)? (x = 0) : (x = 1); x = 0; else x = 1; oder noch etwas raffinierter ausgedrückt x = (a > b)? 0 : 1; FH D Seite 12 FB 5

13 Fallunterscheidung (switch) Fallunterscheidung Berücksichtigung mehrerer Alternativen, nicht nur wahr oder falsch Prinzipiell auch mit if..else möglich (Nachteil: unübersichtlicher) Syntax der switch - Anweisung switch (ausdruck) case const_1: case const_n: default: anweisung_1; break; anweisung_n; break; anweisung_x; Auswertung des Ausdrucks liefert einen Wert vom Typ Integer Ergebnis wird verglichen mit den case - Lables (ganzzahlige Konstanten) Anschließend Sprung zu case - Lable, das mit Ergebnis übereinstimmt Fehlende Übereinstimmung führt zum (optionalen) default-lable FH D Seite 13 FB 5

14 Fallunterscheidung (switch) Abschluss eines case-blocks mittels break Anweisungen der nachfolgenden case - Lables werden nicht ausgeführt Programm wird nach der schließenden geschweiften Klammer fortgesetzt switch (ausdruck) case const_1: anweisung_1; break; Einsprung A Einsprung B case const_2: anweisung_2a; anweisung_2b; Fallthrough case const_3: anweisung_3; break; default: anweisung_x; Verzicht auf break am Ende eines case-blocks Nachfolgendes case-lable wird ebenfalls ausgeführt (ggf. auch weitere Lables) Prg.-Ausführung bis zum nächsten break bzw. Ende des switch (Fallthrough) FH D Seite 14 FB 5

15 Fallunterscheidung (switch) Beispiel Ausgabe der Anzahl Tage eines Monats #include <stdio.h> int main() int monat = 2; switch (monat) case 1: printf("31 Tage"); break; case 2: printf("28 Tage"); break; // Monat Januar hat 31 Tage // Sprung zum Ende von switch // weitere Lables für 3 bis 6 // Falltrough, da Juli und // August beide 31 Tage haben case 7: case 8: printf("31 Tage"); break; // weitere Lables für 9 bis 12 default: printf("kein gueltiger Monat"); return 0; FH D Seite 15 FB 5

16 Übersicht Verzweigungen Schleifen Sprunganweisungen FH D Seite 16 FB 5

17 Schleifen Schleifen Wiederholung einer oder mehrerer Anweisungen Realisierung jeglicher Formen von "Zählen" Anzahl Schleifendurchläufe Vorgegeben oder im Programmverlauf ermittelt Abbruchbedingung steuert die Schleifendurchläufe ist ein logischer Ausdruck (liefert wahr oder falsch) wird vor oder nach jedem Durchlauf überprüft 3 Arten von Schleifen while - Schleife do..while - Schleife for - Schleife Jochen Seelhammer - Fotolia.com FH D Seite 17 FB 5

18 while - Schleife while - Schleife Vorprüfende bzw. abweisende Schleife Syntax der while - Schleife ausdruck falsch while (ausdruck) anweisung; Schleifendurchläufe Abbruchbedingung wird vor Eintritt geprüft Kein Schleifendurchlauf wenn ausdruck falsch Anzahl der Schleifendurchläufe 0..n wahr anweisung while (a < b) // Anweisung x a = a + 1; printf("a=%d",a); FH D Seite 18 FB 5

19 while - Schleife Beispiel Auszugeben sind alle Integer-Zahlen von 0 bis 4 #include <stdio.h> int main() int i = 0; while (i <= 4) printf ("i = %d\n", i); i = i + 1; ; return 0; Was geschieht, wenn i zu Programmbeginn auf 5 gesetzt wird? FH D Seite 19 FB 5

20 do..while - Schleife do..while - Schleife Nachprüfende bzw. nicht-abweisende Schleife Syntax der do..while - Schleife anweisung do anweisung; while (ausdruck); ausdruck wahr Anzahl Schleifendurchläufe Abbruchbedingung wird nach Durchlauf geprüft Schleife wird mindestens einmal durchlaufen Anzahl der Schleifendurchläufe 1..n falsch do // Anweisung x a = a + 1; while (a > b); printf("a=%d",a); FH D Seite 20 FB 5

21 do..while - Schleife Beispiel Auszugeben sind alle Integer-Zahlen von 0 bis 4 #include <stdio.h> int main() int i = 0; do printf ("i = %d\n", i); i = i + 1; while (i <= 4); return 0; Was geschieht, wenn i zu Programmbeginn auf 5 gesetzt wird? FH D Seite 21 FB 5

22 for - Schleife for - Schleife Vorprüfende bzw. abweisende (Zähl-) Schleife Syntax for (ausdruck_1; ausdruck_2; ausdruck_3) anweisung; ausdruck_1: Laufindex, Initialisierung ausdruck_2: Abbruchkriterium ausdruck_2: Laufindex, Inkrementierung / Dekrementierung ausdruck wahr anweisung falsch Funktion Init des Laufindexes bei Schleifeneintritt (ausdruck_1) Auswertung der Abbruchbedingung (ausdruck_2) Wenn ausdruck_2 wahr ist, dann durchlaufe die Schleife und schalte dem Laufindex weiter (ausdruck_3) Laufindex Inkrementierung (z.b. i++) oder Dekrementierung (z.b. i--) for (i=0;i<n;i++) // Anweisung x a = a + i; ; printf("a=%d",a); FH D Seite 22 FB 5

23 for - Schleife Beispiel Auszugeben sind alle Integer-Zahlen von 0 bis 4 #include <stdio.h> int main() int i; for (i=0; i<=4; i++) printf ("i = %d\n", i); return 0; Keine separate Anweisung für die Laufvariable i (i = i+1 bzw. i++) FH D Seite 23 FB 5

24 Hörsaalübung Übung 1 Ausgabe aller Großbuchstaben (A.. Z) #include <stdio.h> int main() int i; for (i='a'; i<='z'; i++) printf ("%c ", i); return 0; #include <stdio.h> int main() int i = 'A'; do printf ("%c ", i++); while (i<= 'Z'); return 0; Beide Schleifen sind gleichwertig für die Lösung dieser Aufgabe. Präferenz hat die for Schleife, da übersichtlicher. FH D Seite 24 FB 5

25 Hörsaalübung Übung 2 Gegeben sei eine Variable name als ein Array mit 21 Feldern Es ist die Länge eines in name gespeicherten Vornamens zu ermitteln #include <stdio.h> int main() char name[21] = "Snoopy"; int i = 0; while (name[i]!= '\0') printf ("name[%i] = %c\n", i, name[i]); i = i + 1; printf ("%s hat %d Buchstaben", name, i); return 0; // Pruefung auf NUL-Byte // Laufindex erhoehen FH D Seite 25 FB 5

26 Hörsaalübung Übung 3 Aufforderung zur Eingabe eines kleinen Buchstabens Eingabeaufforderung ist bei Falscheingabe (z.b. einer Zahl) zu wiederholen #include <stdio.h> int main() char eingabe; do printf ("Eingabe Kleinbuchstabe: "); // Eingabeaufforderung eingabe = getchar(); // Einlesen von der Tastatur fflush(stdin); // Tastaturbuffer loeschen while ( (eingabe < 'a') (eingabe > 'z') ); printf ("\nes wurde der Buchstabe %c eingegeben", eingabe); return 0; FH D Seite 26 FB 5

27 Verschachtelte Schleifen Verschachtelte Schleifen Keine Einschränkungen für Anweisungen im Schleifenkörper Somit können auch Schleifen in einer Schleife vorkommen Schleifen werden durch übergeordnete Schleifen kontrolliert for (...) for (...) for (...) Verschachtelungstiefe Ausgedrückt durch die Anzahl an Ebenen abhängiger Schleifen Prinzipiell keine Begrenzung Mehr als drei Ebenen führen zu schwer verständlichem Code Uhrenvergleich ;-) Äußere Schleife entspricht dem Stundenzeiger Innere Schleife entspricht dem Minutenzeiger Während der Stundenzeiger um eine Einheit vorrückt, absolviert der Minutenzeiger einen kompletten Umlauf. Heino Pattschull - Fotolia.com FH D Seite 27 FB 5

28 Verschachtelte Schleifen Beispiel Ausgabe der Ziffern 0 bis 49 in 5 Zeilen #include <stdio.h> int main() int i, j; // Laufindizes der beiden Schleifen for (i=0; i <5; i++) for (j=0; j< 10; j++) printf("%d%d ", i, j); printf ("\n"); return 0; // aeussere Schleife, vgl. std-zeiger // innere Schleife, vgl. min-zeiger FH D Seite 28 FB 5

29 Endlosschleife Endlosschleife Ausführung einer Schleife ohne Unterbrechung Beabsichtigte Endlosschleifen Steuerungs-Algorithmen (z.b. Maus, Multitaskingsysteme) Applets (z.b. animierte Applets auf Webseiten) Unbeabsichtigte Endlosschleifen Mögliche Programmierfehler Schleife ohne Abbruchbedingung Schleife mit Abbruchbedingung, aber unerfüllbar Mögliche Auswirkungen Inaktivität des Programms dem Benutzer gegenüber ("Einfrieren") Absturz des Rechners durch hohe Ressourcenauslastung Endlosschleifen im täglichen Leben Akustischer Kurzschluss, Bild im Bild Wiederholte Ausgabe/Aufnahme eines Schallmusters/Bildes anweisungen schleife anweisungen WoGi - Fotolia.com FH D Seite 29 FB 5

30 Endlosschleife Beispiele 3 Endlosschleifen 1 beabsichtigt, 2 unbeabsichtigt (Fehler) Endlosschleife #1 Endlosschleife #2 Endlosschleife #3 #include <stdio.h> int main() while (1) printf("endlos"); return 0; #include <stdio.h> int main() int i=0; while (i < 10) printf("i=%d",i); return 0; #include <stdio.h> int main() int i=0; while (i < 10); printf("i=%d",i); return 0; Finden Sie die Fehler bei Endlosschleife #2 und #3 FH D Seite 30 FB 5

31 Übersicht Verzweigungen Schleifen Sprunganweisungen FH D Seite 31 FB 5

32 continue Sprung aus einer Schleife Abbruch eines Schleifendurchlaufs Restlicher Code im Schleifenblock wird übersprungen Schleife wird mit nächster Iteration fortgeführt Syntax while (ausdruck)... continue;... continue; Beispiel Summenbildung über gerade ganzzahlige Zahlen von i bis 10 while (i < 11) i = i + 1; if (i % 2) continue; s = s + i; printf("i = %d s = %d\n", i, s); // Module-Operation // Abbruch der Iteration bei ungeraden Zahlen FH D Seite 32 FB 5

33 break Sprung aus switch - Anweisung oder Schleife switch: Verlassen der switch - Anweisung Schleife: Verlassen der Schleife, keine weitere Iteration Programm wird mit nächster Anweisung fortgeführt Syntax while (ausdruck)... break; break; Beispiel Summenbildung über ganzzahlige Zahlen while (i < 11) i = i + 1; s = s + i; if (s > 10) break; printf("i = %d s = %d\n", i, s); FH D Seite 33 FB 5

34 return Rücksprung aus einer Funktion Rücksprung in die aufrufende Funktion, bzw. an die aufrufende Stelle Optional: Übergabe eines (Rückgabe-) Wertes an die aufrufende Funktion Rücksprung an jeder Stelle möglich, vorzugsweise am Ende einer Funktion Syntax return ausdruck; ausdruck: Datentyp ist festgelegt in Funktionsdefinition Beispiel Rücksprung an die aufrufende Stelle, bzw. Funktion in main() // Anweisungen funktion_a; int funktion_a ergebnis = summe(1,3); return; FH D Seite 34 FB 5

35 goto Sprung innerhalb einer Funktion Sprungziel muss durch eine Marke gekennzeichnet sein Programm wird nach der Sprungmarke fortgesetzt Syntax goto sprungmarke; : anweisung_2 sprungmarke: anweisung; sprungmarke sprungmarke: Sprungadresse innerhalb einer Funktion anweisung_3 Verwendung von goto anweisung_1 goto Unüberlegter Einsatz von goto führt leicht zu unübersichtlichen Programmen Einziger sinnvolle Einsatz: Abbruch einer mehrfach geschachtelten Schleife Formal ist goto niemals notwendig Einsatz von Schleifen anstelle von goto Sprunganweisungen mit goto widersprechen den Prinzipien der strukturierten Programmierung. FH D Seite 35 FB 5

36 goto Beispiel Auszugeben sind alle Zahlen von 0 bis 4 #include <stdio.h> int main() int i = 0; #include <stdio.h> int main() int i = 0; ohne goto anfang: printf("i = %i\n", i++); if (i <= 4) goto anfang; return 0; while (i <= 4) printf("i = %i\n", i++); return 0; Formal ist goto niemals notwendig. Jeder Algorithmus lässt sich durch Verzweigungen und Schleifen realisieren! FH D Seite 36 FB 5

37 Kreisverkehr? Endlosschleife! Klaus Eppele - Fotolia.com FH D Seite 37 FB 5