Software Praktikum: C++ und LEDA / STL Sommersemester 2003

Transkript

1 Software Praktikum: C++ und LEDA / STL Sommersemester 2003 Oliver Zlotowski FB IV Informatik Universität Trier 20. Mai 2003

2 Hallo, Welt! #include <iostream> int main() { std::cout << "Hallo, Welt\n"; return 0; #include <iostream> veranlaßt den Compiler, die Deklaration der Standard- Ein-/Ausgabe aus iostream einzufügen Operator «(»sende nach«) gibt die Zeichenkette auf dem Standardausgabe- Stream std::cout aus \n ist das Zeilentrennzeichen std::endl erzeugt auch einen Zeilenumbruch in der Ausgabe Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 1

3 Namensbereich der Standardbibliothek die Standardbibliothek ist im Namensbereich std Beispiel: std::cout benutzt explizit Standard-cout andere Standardheaderdateien #include <string> #include <list> zur Verwendung der Typen muß das Präfix std:: vorangestellt werden std::string s = "Software Praktikum: C++, LEDA und STL"; std::list<std::string> L; // eine Standard-list von Standard-string Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 2

4 Namensbereich der Standardbibliothek weitere Möglichkeit Standard-Typen zu nutzen #include <string> using namespace std; // macht den Standard-string verfügbar // macht std-namen ohne std:: verfügbar string s = "Ignorance is bliss!"; // OK: string ist std::string schlecht alle Namen im Namensbereich std nun global zugreifbar kann zu Konflikten führen besser #include <string> using std::string; // macht den Standard-string verfügbar // macht nur std::string ohne std:: verfügbar string s = "Ignorance is bliss!"; // OK: string ist std::string Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 3

5 Ausgabe die iostream-bibliothek definiert die Ausgabe für jeden eingebauten Typ die Ausgabe für benutzerdefinierte Datentypen ist einfach zu definieren als Default werden Werte in eine Folge von Zeichen umgewandelt void f(int i) { cout << "Der Wert von i ist " << i << endl; cout << B << y << e << \n ; // Ausgabe von Zeichenkonstanten Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 4

6 Strings Konkatenation von Strings string s1 = "Hallo"; string s2 = "Welt!"; void f() { string s3 = s1 + "," + s2 ; // Konkatenation von Strings if (s3 == "Hallo,Welt!") s3 += "\n"; // Vergleich von Strings; Newline anhängen cout << s3; Teilstrings, Ersetzung string name = "Oliver Zlotowski"; void f() { string s = name.substr(7,9); // s = "Zlotowski"; substr(index,länge) name.replace(0,6,"sophie"); // name wird "Sophie Zlotowski"; replace(index,länge) Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 5

7 Eingabe Standardbibliothek bietet zur Eingabe die Klasse istream für alle eingebauten Typen an istream basisert wie ostream auf Zeichenkettenrepräsentation Operator» (»empfange von«) wird als Eingabeoperator für den Standardeingabe- Stream cin benutzt void f() { int i; char c; double d; cin >> i >> c >> d; // lies ein int, char und ein double // nach i, c und d Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 6

8 Eingabe Einlesen ganzer Zeilen mit getline() void f() { string str; cout << "Please enter your name!\n"; getline(cin,str); cout << "Hallo, " << str << "!\n"; Einlesen in ein Feld von char void g() { char v[4]; cin.width(4); cin >> v; // lies hoechstens 3 Zeichen ein; haenge \0 an cout << "v = " << v << endl; Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 7

9 Container Container verwalten eine Menge von Objekten gleichen Typs Beispiel: vector struct contact { string name; int number; ; vector<contact> phone_book(1000); // vector von 1000 Elementen void print_contact(int i) { cout << phone_book[i].name << " " << phone_book[i].number << "\n"; void resize_phone_book(int n) { // vergoessert um n phone_book.resize(phone_book.size() + n); Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 8

10 Container vector size() liefert Anzahl der Elemente zurück Achtung vector<contact> V[1000] ereugt 1000 leere Vektoren vector<contact> V(1000) erzeugt einen Vektor mit 1000 Komponenten Kopieren von Vektoren void f(vector<contact>& v) { vector<contact> v2 = phone_book; // Zuweisung bewirkt das v = v2; // Kopieren seiner Elemente //... Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 9

11 Container vector vector nimmt per Default keine Überprüfung des Indexbereiches vor Vektor mit Bereichsüberprüfung template <class T> class Vec : public vector<t> { public: Vec() : vector<t>() { Vec(int s) : vector<t>(s) { T& operator[](int i) { return at(i); // Bereichs"uberpr"uft const T& operator[](int i) const { return at(i); // Bereichs"uberpr"uft ; at() wirft eine Ausnahme des Typs out of range, falls ihr Argument außerhalb des Indexbereiches des zugehörigen vectors liegt Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 10

12 Container vector Beispiel Vec<contact> phone_book(1000); void print_contact(int i){ cout << phone_book[i].name << " " << phone_book[i].number << "\n"; int main() { try { //... for (int i = 0; i < ; ++i) print_contact(i); //... catch (out_of_range) { cerr << "Bereichsfehler\n"; catch (...) { cerr << "Unbekannte Ausnahme geworfen!\n"; return 0; Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 11

13 Container vector Zwei Fehlerbehandlungen out of range-ausnahmen... unbekannte Ausnahmen (Default-Ausnahme-Handler) Fehlermeldungen werden auf den Standardfehlerausgabe-Stream cerr ausgegeben Zugriff außerhalb des Indexbereiches (i = 1000) wirft eine out of range- Ausnahme Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 12

14 Container list für das Einfügen und Löschen von Telefonbucheinträgen ist eine dynamische Datenstruktur wie eine Liste geeigneter list<contact> phone book; Iteration über die Liste; Suche nach einem Eintrag s void print_contact(const string& s) { // Definition eines Alias LI f"ur den Listeniterator-Typ typedef list<contact>::const_iterator LI; for (LI it = phone_book.begin(); it!= phone_book.end(); ++it) { // konstante Referenz als Abkuerzung durch Derefernzierung von i const contact& c = *i; if (s == c.name) { cout << c.name << " " << c.number << "\n"; break; // verlasse die Schleife, wenn s gefunden Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 13

15 Container list Suche nach s beginnt am Anfang und läuft, bis s gefunden wurde oder das Ende der Liste erreicht wurde Benutzer muß den genauen Typ eines Iterators für einen Standardcontainer nicht kennen der Typ ist Bestandteil der Containerdefinition und kann über seinen Namen angesprochen werden wird kein Element des Containers verändert, benutzt man den Typ const iterator, ansonsten den einfachen iterator-typ Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 14

16 Container list Hinzufügen und Löschen in einer Liste typedef list<contact>::iterator liter; void f(const contact& c, liter i, liter p) { phone_book.push_front(c); // Hinzufuegen am Anfang phone_book.push_back(c); // Hinzufuegen am Ende phone_book.insert(i,c); // vor dem Element, auf das i // verweist c einfuegen phone_book.erase(p); // Element, auf das p verweist loeschen Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 15

17 Container map die Datenstruktur map untersützt das Einügen, Löschen und Suchen auf Basis von Werten effizienter als eine Liste eine Map wird auch als assoziatives Feld bezeichnet map<string,int> phone_book; void print_contact(const string& s) { int num = phone_book[s]; if (num > 0) cout << s << << num << \n ; string ist der Schlüsseltyp, int ist der Wertetyp exisitiert kein Schlüssel mit Wert s in der Map, wird der Defaultwert des Wertetyps (für int ist das 0) zurückgeliefert Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 16

18 Übersicht der Standardcontainer vector<t> list<t> queue<t> deque<t> priority queue<t> stack<t> set<t> multiset<t> map<key,wert> multimap<key,wert> ein variable großer Vektor eine doppelt verkettete Liste eine Schlange (FIFO) double ended queue eine nach Wert sortierte Queue ein Stack (LIFO) eine Menge eine Menge, in der ein Wert mehrfach enthalten sein kann ein assoziatives Feld eine Map, in der ein Schüssel mehrfach enthalten sein kann Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 17

19 Algorithmen Standardbibliothek stellt eine Reihe von allgemein gebräuchlichen Algorithmen zur Verfügung Beispiel: Sortieren, Kopieren und Anhängen void f(vector<int>& V, list<int>& L) { sort(v.begin(),v.end()); copy(v.begin(),v.end(),back_inserter(l)); // Elemente anhaengen copy(v.begin(),v.end(),l.end()); // Schlecht: schreibt hinter // das Ende copy(v.begin(),v.end(),l.begin()); // Ueberschreibt Elemente back inserter() fügt die Elemente am Ende eines Containers an, und sorgt dafür das der Container erweitert wird Äquivalent ist der front inserter() Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 18

20 Algorithmen Einsatz von Iteratoren häufig auftretende Iteratoren sind begin() und end() aber auch viele Algorithmen liefern als Rückgabewert Iteratoren Beispiel: find() int count(const string& s, char c) { int n = 0; string::const_iterator it = find(s.begin(),s.end(),c); while (it!= s.end()) { ++n; it = find(it + 1,s.end(),c); // beginne hinter der Fundstelle des // zuletzt gefundenen c s return n; void f() { string str = "Mary had a little lamb"; int a_count = count(str, a ); Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 19

21 Algorithmen Einsatz von Iteratoren count() zählt das Vorkommen eines bestimmten Zeichens find()-algorithmus liefert einen Iterator auf das erste Vorkommen eines Wertes in einer Sequenz oder aber das dem letzten Element folgende Element der Sequenz Verallgemeinerung von count template <class Iter, class T> int count(iter from, Iter too_far, T x) { int n = 0; Iter it = find(from,too_far,x); while (it!= too_far) { ++n; ++it; // springe zum naechsten Element it = find(it,too_far,x); return n; Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 20

22 Algorithmen Einsatz von Iteratoren Anwendung auf beliebige Container void f(list<complex>& L, vector<string>& V, string s) { int i1 = count(l.begin(),l.end(),complex(1,3)); int i2 = count(v.begin(),v.end(),"welt"); int i3 = count(s.begin(),s.end(), x ); void g(char c[], int sz) { int i4 = count(c,c + sz, z ); int i5 = count(c,c + sz / 2, z ); count() ist eine Funktion der Standardbibliothek Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 21

23 Algorithmen Iteratortypen ein Iterator ist ein abstrakte Zeiger, der in der Regel auf ein Element in einem Container verweist ein Iterator ist ein Objekt eines Typs, der alle notwendigen Informationen speichert, um auf einem Containern arbeiten zu können Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 22

24 Algorithmen Iteratortypen der list<t>::iterator ist etwas komplizierter aufgebaut allen Iteratoren gemeinsam ist ihre Semantik und die Benennung ihrer Operationen ++ auf einen Iterator angewendet, liefert das nächste Element * liefert das Element zurück, auf das der Iterator verweist... Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 23

25 Algorithmen Iteratorten und Ein-/Ausgabe Notation der Iteratoren auf Ein- und Ausgabestreams, wird durch den istream iterator bzw. ostream iterator übertragen int main() { string from, to; cin >> from >> to; // Hole Namen von Quell- und Zieldatei ifstream is(from.c_str()); // Eingabe-Stream istream_iterator<string> ib(is); // Eingabe-Iterator fuer Stream istream_iterator<string> ie; // Eingabe-Waechter vector<string> V(ib,ie); // ein aus der Eingabe initialisierter Vektor sort(v.begin(),v.end()); // Sortiere den Vektor ofstream os(to.c_str()); // Ausgabe-Stream ostream_iterator<string> ob(os,"\n"); // Ausgabe-Iterator fuer Stream copy(v.begin(),v.end(),ob); // Kopiere Vektor zur Ausgabe return!is.eof()!os.is_good(); // Liefere Fehlerstatus Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 24

26 Algorithmen Traversierung und Prädikate Iteratoren ermöglichen das Schreiben von Schleifen, um Sequenzen zu durchlaufen Standardbibliothek stellt die Funktion for each() zur Verfügung, mit der eine Funktion für jedes Element des Sequenz aufgerufen wird map<string,int> histogram; void Count(const string& s) { histogram[s]++; // speichere Haeufigkeit von s void Print(const pair<const string, int>& p) { cout << p.first << << p.second << \n ; Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 25

27 Algorithmen Traversierung und Prädikate int main() { istream_iterator<string> ib(cin); istream_iterator<string> ie; for_each(ib,ie,count); for_each(histogram.begin(),histogram.end(),print); return 0; map besteht aus einer Sequenz von Paaren der Form: Schlüssel, Wert hier: pair<string,int> auf erste Element von einem pair wird mit first zugegriffen, auf das zweite mit second die Paare in einer map sind immer nach ihrem Schlüssel sortiert Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 26

28 Algorithmen Traversierung und Prädikate find()-funktion dient zum Finden eines Wertes in einer Sequenz allgemeinere Variante: suche nach einen Wert, der eine spezielle Anforderung (Prädikat) erfüllt bool gt_42(const pair<const string,int>& p) { return p.second > 42; void f(map<string,int>& M) { typedef map<string,int>::const_iterator iter; iter it = find_if(m.begin(),m.end(),gt_42); //... void g(const map<string,int>& M) { int c42 = count_if(m.begin(),m.end(),gt_42); //... Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 27

29 Algorithmen Traversierung und Prädikate gt 42 steuert die Funktionen find if() und count if() ein Prädikat wird für jedes Element der Sequenz aufgerufen und liefert einen Booleschen Wert, den der Algorithmus nutzt, um eine gewünschte Aktion auszuführen find if() sucht so lange, bis sein Prädikat true liefert count if() zählt, wie häufig sein Prädikat true liefert Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 28

30 Algorithmen, die Elementfunktionen benutzen for each(ib,ie,count) wendet die Funktion Count() auf jedes Element der Sequenz an häufig speichern Container Zeiger auf Objekte und es soll für jedes Objekt eine Methode aufgerufen werden void draw(form* p) { p->draw(); void f(list<form*> L) { for_each(l.begin(),l.end(),draw); Umständlich, da wir eine globale Funktion definieren müssen! Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 29

31 Algorithmen, die Elementfunktionen benutzen Verallgemeinerung dieser Technik void g(list<form*>& L) { for_each(l.begin(),l.end(),mem_fun(&form::draw)); das Template mem fun() hat als Argument den Zeiger auf eine Elementfunktion die Funktion erzeugt etwas, daß es ermöglicht für jedes Element in der Sequenz die Methode Form::draw() zu rufen mem fun()-mechanismus ist wichtig, damit die Standardalgorithmen auch für Container benutzt werden können, die polymorphe Objekte verwalten Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 30

32 Übersicht der Algorithmen der Standardbibliothek for each() find() find if() count() count if() replace() replace if() copy() unique copy() sort() merge() führt Funktion für jedes Element aus findet erstes Auftreten des Arguments findet erste Übereinstimmung des Prädikats ermittelt die Häufigkeit eines Elements zählt Übereinstimmung des Prädikats ersetzt Element durch neuen Wert ersetzt Element, das mit Prädikat übereinstimmt, durch neuen Wert kopiert Elemente kopiert Elemente, die keine Duplikate sind sortiert Elemente mischt Sequenzen Diese Algorithmen und weitere können auf Elemente von Containern, strings und eingebaute Felder angewendet werden. Oliver Zlotowski, FB IV Informatik, Universität Trier 31