Informatik III: Aufgabenblock 1. 1 Datei eintippen, Programmkopf erstellen, kompilieren

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1 Informatik III: Aufgabenblock 1 Endgültige Version vom 6. Oktober 2003 Abgabe vor dem 7. Nov Datei eintippen, Programmkopf erstellen, kompilieren Wenn Sie schon erfahren im Umgang mit UNIX und mit einem Editor Ihrer Wahl sind, dann können sie die Aufgaben 1 und 2 sehr schnell erledigen. Nachdem Sie gelesen haben, wie der Editor funktioniert, benutzen Sie ihn bitte, um ein erstes C-Programm einzutippen. Bitte tippen Sie dieses Programm selbst ein, um zu lernen, welche Zeichen beim C-Programmieren häufig verwendet werden, und wo sie auf der Tastatur zu finden sind. #include <stdio.h> void main(){ printf("hello World!\n"); } Anschließend speichern Sie das Programm unter dem Namen world.c ab. Machen Sie sich bitte mit den Unix-Kommandos zum Auflisten, Umbenennen und Löschen von Dateien und Verzeichnissen, zum Erzeugen von Verzeichnissen, und dem man-system der Hilfeseiten vertraut. 1.1 Programmkopf Erstellen Sie einen Programmkopf, der später jedes Ihrer Programme einleiten soll und speichern Sie ihn. Dies ist ein Kommentartext, in dem stehen soll, wer Sie sind. Er könnte beispielsweise so aussehen (die Zeile mit $Id$ wird später erklärt): /******************************************************************** * * Claus Muster, Elektrotechnik, 4. Sem., Mat-Nr * Sabine Beispiel, Wirtschafts-ET, 4. Sem., Mat-Nr * * * * $Id$ ********************************************************************/ 1

2 1.2 world.c kompilieren Nachdem Sie nun die Unix-Shell und den Editor benutzen können, ist es an der Zeit, den C- Compiler kennenzulernen. Bitte lesen Sie zuerst unsere Hinweise zum C-Compiler, wenn Sie es noch nicht getan haben. Sie sollten nun das von Ihnen abgetippte Programm world.c kompilieren, linken und ausführen. Bitte benutzen Sie nie die Form des Compiler-Aufrufs, die eine Datei a.out erzeugt, sondern verwenden Sie immer ein Argument -o, um eine ausführbare Datei mit demselben Namen wie das Quellprogramm zu erzeugen: gcc -o world world.c Der Grund hierfür ist, daß sie sonst irgendwann nicht mehr genau wissen, aus welchem Programm das File a.out erzeugt worden ist. Lassen Sie nun das Programm world laufen und sehen Sie sich die Ausgabe an. Dann ändern Sie das Programm so, daß es eine Begrüßung in Deutsch oder in irgendeinem Slang ausgibt. 1.3 Persönliche Begrüßung Erweitern Sie nun das Programm world um eine persönliche Begrüßung. Dazu soll das Programm einen Namen einlesen, und die Person persönlich begrüßen. Zum Einlesen eines Namens muß in dem Programm Speicherplatz für den Namen bereitgestellt werden. Dies geschieht mit einer Zeile der Form char name[100]; welche eine Variable name deklariert, die einen String von bis zu 100 Zeichen enthalten kann. Danach sollte vielleicht eine Aufforderung ausgedruckt werden, einen Namen einzugeben. Das Einlesen eines Namens geschieht mit der Zeile scanf("%s",name); und die Ausgabe, indem der Aufruf von printf noch ein zusätzliches Argument bekommt: printf("hallo %s!\n",name); Dabei gibt die Zeichenfolge %s an, wo in der Ausgabe der Name stehen soll. Es gibt noch weitere solcher Formatzeichen, wichtig ist %d zur Ausgabe einer ganzen Dezimalzahl, und %g zur Ausgabe einer reellen Zahl. Erweitern Sie das Programm world.c um eine solche persönliche Begrüßung. Erweitern Sie das Programm um eine Schleife, die weitere Namen einliest und die Personen begrüßt. Überlegen Sie sich ein Abbruchkriterium, zum Beispiel ein bestimmtes Zeichen zu Beginn eines Wortes. Verwenden Sie die Eingabeumlenkung, um Ihr Begrüßungsprogramm anhand einer vorher in einer Datei gespeicherten Liste von Namen zu testen. 2

3 2 Zahl einlesen Nun sollen Sie ein erstes Programm vollständig selbst schreiben. Dies ist Aufgabe 1.14 im Buch von Zeiner: Folgender Pseudocode beschreibt einen Algorithmus, der die Ziffern einer positiven ganzen Zahl einliest und den entsprechenden Zahlenwert berechnet. Zahl = 0 Zeichen c lesen (mit getchar() ) Solange c kein \n Zeichen ist wiederhole Falls das Zeichen eine gültige Ziffer ist dann aus bisheriger Zahl und der neuen Ziffer neue Zahl berechnen sonst Fehlermeldung ausgeben Zeichen c lesen Zahl ausgeben Programmieren sie diese Aufgabe in einem eigenen Programm und testen Sie dieses. Im Kolloquium mit den Hiwis werden Sie eine Änderung vornehmen müssen, daher sollten sie Ihr Programm auch gut verstanden haben. Der Aufbau einer Zahl in diesem Algorithmus erfolgt dabei nach dem Horner-Schema zur Auswertung von Polynomen: Die Ziffern ( ) werden ja von links nach rechts gelesen ( ), und ergeben (im Dezimalsystem mit Basis ) die Zahl Diese Formel wird hier aber nicht so verwendet, sondern Sie berechnen in jedem Schritt: Genauso sollte man auch bei der Auswertung von Polynomen verfahren, also man rechnet! #"$&% ('*)+,% )+&% statt -"$&%&%.&% -'&%/,%,% und spart eine Multiplikation pro Term. Verpacken Sie den Algorithmus zum Einlesen von Zahlen in eine Funktion, die die eingelesene Zahl zurückliefert. Schreiben Sie ein Hauptprogramm, welches zunächst die Eingabebasis einliest, und dann in einer Schleife eingegebene Zahlen von der Eingabebasis in die Dezimaldarstellung umwandelt und mit der normalen printf-anweisung ausgibt: 3

4 printf("die Zahl ist %d!\n",zahl); Freiwillig: Schreiben Sie analog eine Funktion zur Ausgabe von Zahlen in einer bestimmten Basis. Dabei verwenden Sie die C-Operatoren % (Modulo) und Division. Die Formel ergibt die letzte Ziffer der Zahl in der Basis. Sie können also die Funktion zum Umdrehen einer Zeichenkette hier wieder gebrauchen. Die Funktion sollte folgendermaßen definiert sein: void itoab(int i, int basis, char ziel[]) Freiwillig: Schreiben Sie ein Hauptprogramm, welches zunächst Eingabebasis und Ausgabebasis einliest, und dann in einer Schleife eingegebene Zahlen von der Eingabebasis in die Ausgabebasis umwandelt. Extraaufgabe: Wer möchte, kann die Umwandlungsroutinen auf Basen größer als 10 ausdehnen. In diesem Fall sollten die Ziffern, die größer als 9 sind, durch Buchstaben dargestellt werden, es folgt a mit dem Ziffernwert 10, b mit 11, usw. 3 Software-Technik Um ordentliche Programme schreiben zu können, müssen sie einige Hilfswerkzeuge kennenlernen. Wichtige Werkzeuge sind natürlich der Editor und der Compiler. Der Compiler kann sehr geschickt von einem Werkzeug aufgerufen werden, das sich make nennt und im folgenden eingeführt wird. Weitere Werkzeuge sind die Versionskontrolle mit RCS oder CVS und der Debugger (z.b. ddd), die in späteren Aufgaben behandelt werden. 3.1 Make-File Verwenden Sie für die folgenden Aufgaben das Make-file matrix.mak. Das Kommando make sollten Sie kennenlernen. Im Buch finden Sie Informationen dazu in Abschnitt Passen Sie das Makefile an Ihre Dateinamen an und übersetzen Sie das Programm mit make -f matrix.mak In Zukunft sollten Sie für jede Aufgabe ein getrenntes Verzeichnis anlegen, in dem Sie auch ein Makefile, möglichst mit dem Namen Makefile, anlegen. Dann können Sie die Files für diese Aufgabe mit dem Kommando make oder make programmname kompilieren. 3.2 Modularisierung Die folgenden Aufgaben haben das Ziel, für jede Teilaufgabe eine neue Funktion zu schreiben. Dabei soll jede Funktion eine (kleine, überschaubare) Aufgabe ausführen. Die Aufteilung der Aufgaben in solche überschaubaren Teilaufgaben nennt man Modularisierung, und sie ist ein wichtiger Aspekt der Erstellung von Software, die man auch weiterhin pflegen kann. Sie sollten Ihre Programme auch so modularisieren, daß möglichst keine globalen Variablen benutzt werden. 4

5 Globale Variablen erschweren das Verständnis einer Funktion, denn die Effekte einer Funktion können nicht mehr an den Ein- und Ausgabe-Parametern erkannt werden, sondern eine Funktion könnte theoretisch jede beliebige globale Variable ändern. Dadurch werden solche Programme schwer zu verstehen und sinnvoll zu verändern. Zusammenhängende Routinen können in einer gemeinsamen Datei stehen, aber verschiedenartige Aufgaben sollten auch dateimäßig getrennt werden. Die Parameterdefinition steht dann in einem Header-file wie mat.h, das in jedem C-File eingelesen wird. 4 Matrix speichern In den folgenden Aufgabenblöcken werden sie regelmäßig mit Matrizen rechnen müssen. Eine Matrix ist ein zweidimensionales Feld von Zahlen, die meist als double gespeichert werden. Für die Speicherung von Matrizen gibt es zwei Möglichkeiten: ' Eine Matrix mit bekannter Größe, z.b. kann mit double matrix_a[12][17]; definiert werden. Auf das Element wird dann mit dem Ausdruck matrix_a[i][j] zugegriffen. Ein solcher Zugriff wird intern umgerechnet auf einen Zugriff auf das Element mit index im Speicher. Weil in dieser Formel die Anzahl der Spalten bekannt sein muss, kann eine solche Matrix nur mit fester Größe an eine Unterfunktion übergeben werden. Wenn Matrizen verschiedener Größe behandelt werden sollen, dann ist es besser, die Matrix als Vektor von Zeigern zu speichern, die jeweils auf eine Zeile zeigen. (Mehr über Zeiger lesen Sie im Buch in Abschnitt 1.6 und Kapitel 9 und 10). Die Deklaration einer Matrix ist dann double **m_b; und es wird wie vorher mit m_b[i][j] auf Element zugegriffen. In diesem Fall wird aber keine Umrechnung der Adressen vorgenommen, sondern es wird zweimal einem Zeiger gefolgt. Allerdings enthält die Deklaration der Matrix noch nicht die Reservierung des Speicherplatzes. Dies geschieht mit einer Hilfsroutine, die den Speicher reserviert und die Zeiger entsprechend setzt: /* Reserviere eine Matrix von n * m Elementen */ double ** new_matrix(int n, int m){ double **mat; int j; /* reserviere Platz für Zeiger und Daten */ mat = (double ** ) malloc(n*sizeof(double* )); mat[0] = (double* ) calloc(n*m,sizeof(double)); 5

6 } /* Setze nun die Zeiger */ for (j=1; j<n; j++){ mat[j] = mat[j-1]+m; } return mat; /* Gebe Matrix frei */ void free_matrix(double ** mat){ free(mat[0]); free(mat); } Diese Routinen finden Sie im File mat_alloc.c. Zum Testen der Verwendung von Matrixen schreiben Sie bitte eine Routine, die eine Matrix ausgibt, und eine Routine die eine rechteckige Matrix von gegebener Größe erzeugt und sie mit einem Teil des Pascal schen Dreiecks füllt: Schreiben Sie ein Hauptprogramm, das diese beiden Routinen testet. Die Routinen seien folgendermaßen deklariert: /* erzeuge eine n*m Matrix mit Pascalschem Dreieck*/ double ** pascalmatrix (int n, int m); /* Drucke eine n*m Matrix aus */ void print_matrix (double ** matrix, int n, int m); 5 Datei Ein/Ausgabe Die bisher verwendeten Programme hatten keine Argumente in der Kommandozeile, und haben alle direkt von der Eingabe gelesen und direkt auf die Ausgabe geschrieben. Nun wollen wir das Matrix-Testprogramm so ändern, daß es auch von einer Datei lesen kann. Bitte lesen Sie Abschnitt 1.8.3, oder die Man-Pages für die Funktionen fprintf, fscanf, fopen, fclose, fgetc, fflush. Wenn wir Eingaben von einer Datei lesen möchten, so übergeben wir den Namen der Datei am besten als Argument in der Kommandozeile. Im Hauptprogramm sind die Kommandozeilenargumente verfügbar. Die vollständige Deklaration der main-funktion ist: int main (int argc, char* argv[]); 6

7 ' Dies bedeutet, daß main einen int-wert zurückgeben sollte, und zwei Argumente bekommt: Zunächst eine Zahl argc ( argument count ), die angibt, wieviele Worte in der Kommandozeile mit dem Programmaufruf standen. argv ( argument vector ) ist ein Vektor von Strings, ein String pro Wort in der Kommandozeile. Also ist argv[0] der Name, mit dem das Programm aufgerufen wurde, argv[1] ist das erste Kommandozeilenargument. In der Datei mat_input.c finden Sie eine Routine, die eine Matrix einliest. Sehen sie sich diese Routine an und testen Sie sie aus, indem Sie eine Datei mit einer Beispielmatrix erzeugen. Das Format ist aus dem Quelltext ersichtlich. Schreiben Sie ein Hauptprogramm, das eine Matrix aus einer Datei einliest (der Dateiname sollte als erstes Argument in der Kommandozeile übergeben werden) und sie auf der Ausgabe ausgibt. Erweitern Sie die Routine zur Matrixausgabe so, daß die Matrix in eine Datei geschrieben wird. Sie sollte nun folgender Definition entsprechen und in dem File mat_output.c stehen: /* Gebe eine Matrix in eine Datei aus */ void mat_output ( double **mat, int n, int m, FILE *outputfile); 6 Matrix Multiplikation Schreiben Sie eine Routine zur Matrixmultiplikation, die zwei kompatible Matrizen miteinander multiplizieren kann. Kompatibel heißt, daß die zweite Dimension der ersten Matrix gleich ist mit der ersten Dimension der zweiten Matrix, denn nur dann kann man sinnvoll multiplizieren. Testen Sie diese Routine, indem Sie ein Testprogramm schreiben und es mit einigen Beispielen testen. Testen Sie auch nicht-quadratische Matrizen! Beispiele: ' " " ' ' ' (1) Oder für alle x,y,z,a,b,c: % % (2) 7