C++ Prof. Peter Sommerlad Fredy Ulmer

Transkript

1 Programmieren 3 C++ Standardbibliothek Einführung Prof. Peter Sommerlad Fredy Ulmer

2 Was Sie diese Woche erwartet: Eine weitere Warnung! std::vector<> Iteratoren Algorithmen std::set<> std::map<> Sie kennen schon: o std::string o std::cin o std::cout Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 2

3 C++ ist nicht Java noch eine Warnung C++ wie auch die STL sind für Profis gemacht wir hoffen, Sie dazu zu machen! C++ HSR Programmierer sind für die korrekte Nutzung der Klassen und Algorithmen verantwortlich manchmal komische Compilerfehlermeldungen manchmal "eigenartiges" Verhalten der Programme manchmal definiert undefiniertes Verhalten i.d.r. werden keine Exceptions geworfen o fragen Sie ihren Betreuer! Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 3

4 C++ ist nicht Java C++ Wahrheitswerte In C++ gibt es bool (nicht wie in Java boolean) bool ist kompatibel mit int o ACHTUNG: manchmal verwirrend, wenn bool ungewollt bei Rechenoperationen mitmacht Wahrheit ist grosszügig definiert: o 0 ist falsch o alles andere ist wahr, das gilt auch für nahezu beliebige Typen man kann also fast alles als Bedingung verwenden Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 4

5 std::vector<> Der Standardcontainer für die Sammlung gleichartiger Elemente Es gibt bei boost ein "gleichartiges" Element für heterogene Sammlungen ( boost::any ) Man kann hinten anfügen push_back() o Grösse wird automatisch angepasst! Zugriff über Index ist möglich v[5] Initialisierung über Iteratoren möglich o kommt noch Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 5

6 std::vector<> Kurze Einführung Definition eines vectors (Headerfile <vector>) vector<int> V(10); Länge eines vectors: cout << V.size() << endl; Zugriff auf ein Element: V[5] = 15; cout << V[7] << endl; Datentyp der Elemente im vector Vorsicht: die Indizes gehen von 0 bis (max-1), falsche Indizes werden nicht überprüft! o Es gibt keine Exceptions bei Zugriff ausserhalb! Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 6

7 std::vector Nutzung Element an vector anhängen: V.push_back(99); Letztes Element löschen: V.pop_back(); Alle Elemente im vector löschen V.clear(); Anzahl der Element ermitteln cout << V.size(); Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 7

8 Idiom: Einlesen in Schleife Um einen vector von der Standardeingabe zu füllen, benötigt man im einfachen Fall eine Schleife. o Ein Stream Objekt (cin) kann auch als Schleifenbedingung dienen! (DEMO) #include <iostream> #include <vector> using namespace std; int main(){ vector<int> v; int input; while(cin >> input) { v.push_back(input); } } #include <iostream> #include <vector> using namespace std; int main(){ vector<int> v; int input; while(cin) { cin >> input; v.push_back(input); } } Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 8

9 Iteratoren C++ vs. Java Java kennt 2 Arten von Iteratoren: package java.util; public interface Iterator<E> { boolean hasnext(); E next(); void remove(); } package java.util; public interface Enumeration<E> { boolean hasmoreelements(); E nextelement(); } C++ definiert Iteratoren über definierte Operatoren: (für Iterator it) o *it Zugriff auf das aktuelle Element auf das it verweist o ++it weiter zum nächsten Element o it!= v.end() Ende-Erkennung über Vergleich zweier Iteratoren Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 9

10 Iteratoren C++ vs. Java Wie bekommt man nun einen Iterator? public interface Iterable<T> { Iterator<T> iterator(); } Standardcontainer definieren ::iterator Typ Factory-Methoden o begin() Anfang des Containers o end() Ende des Container (hinter dem Ende!) vector<int>::iterator it = v.begin(); while(it!= v.end()){ cout << *it << endl; ++it; } for ( vector<int>::iterator it = v.begin(); (it!= v.end()); ++it){ cout << *it << endl; } Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 10

11 Idiom: Ausgeben in Schleife Um den eingelesenen vector<int> auszugeben existieren verschiedene Möglichkeiten: o klassisch: vector<int>::iterator it = v.begin(); while(it!= v.end()){ cout << *it << endl; ++it; } o modern: for ( vector<int>::iterator it = v.begin(); it!= v.end(); ++it){ cout << *it << endl; } for_each(v.begin(),v.end(), cout << _1 << "\n"); copy(v.begin(),v.end(), ostream_iterator<int>(cout,"\n")); Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 11

12 vector<> Iteratoren vector<>::iterator o Typ des Iterators begin(), end() o Iteratoren zur Benutzung vector<int>, size() == 6 begin() end() Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 12

13 vector<> Iteratoren vector<int> v = vector<int> iterator it; Was erhalten Sie bei folgenden Anweisungen? raten Sie ruhig und diskutieren Sie mit ihrem Nachbarn o *v.begin begin()? o it = v.begin(); ++it; ++it; *it? o it = v.begin(); it = it +3; *it? o it = v.begin(); it[3]? o it = v.begin(); *++it = 7? 7 Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 13

14 C++ Iteratoren Diskussion In modernem C++ werden Iteratoren selten direkt zum Iterieren benutzt, sondern als Parameter für fertige Algorithmen, die das Iterieren vornehmen (copy, find, accumulate) Die STL Algorithmen verwenden meistens ein Paar von Iteratoren, die Anfang und Ende eines Bereichs bedeuten. o das Ende zeigt immer "hinter" den zu iterierenden Bereich Der mittels end() ermittelte Iterator kann nur zum Vergleichen verwendet werden, da er hinter das Ende eines Containers verweist. Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 14

15 Reverse Iteratoren std::vector<> und std::string definieren auch Iteratoren, die "von hinten" iterieren: o rbegin() o rend() o std::vector<>::reverse_iterator -> Typ Zum durchlaufen benutzt man auch ++! for( vector<int>::reverse_iteratorreverse_iterator it = v.rbegin() rbegin(); it!= v.rend() rend(); ++it){ cout << *it << endl; } Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 15

16 Spezialiteratoren für I/O ostream_iterator Die Standardbibliothek definiert spezielle Iteratoren für die Nutzung der Algorithmen für I/O-Streams (cout) std::ostream_iterator<typ> o dient zur Ausgabe von Elementen des Typs vector<int> v; // abfüllen... // zeilenweise ausgeben: copy(v.begin(),v.end(), ostream_iterator<int>(cout,"\n")); o Konstruktorparameter: ostream& -> wohin geht die Ausgabe (cout) Trenner -> optionaler Trenner als String Konstante "\n" o Templateparameter Typ muss immer angegeben werden! o Iterator-Objekt wird bei Algorithmen per Wert angegeben Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 16

17 std::string und Iteratoren Auch std::string definiert Iteratoren o damit können Algorithmen, die auf Iteratoren aufbauen auch auf Strings angewendet werden string s("hello world"); sort(s.begin(),s.end()); cout << s << endl; //-> " Hdellloorw" Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 17

18 Spezialiteratoren für I/O istream_iterator std::istream_iterator<typ> o dient zur Einlesen von Elementen des Typs Wie das Ende markieren? o Spezialobjekt ohne Stream als EOF-Marker o istream_iterator<typ> eof; istream_iterator<int> eof; vector<int> v(istream_iterator<int>(cin),eof); // Vector von Eingabe abfüllen... o Konstruktorparameter: istream& -> woher kommt die Eingabe ACHTUNG: "whitespace" (Leerzeichen, Zeilentrenner, Tabs) wird überlesen o >> Operator wird intern genutzt o evtl. für istream_iterator<char> problematisch Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 18

19 Spezialiteratoren für I/O istreambuf_iterator std::istreambuf_iterator<typ> o dient zur Einlesen von Elementen des Typs normalerweise ist das char o Endemarker wie bei istreambuf_iterator o Konstruktorparameter: istream& -> woher kommt die Eingabe liest auch whitespace ein istreambuf_iterator<char> eof; cout << distance(istreambuf_iterator<char>(cin),eof)<< endl; // wieviele Zeichen auf der Standardeingabe? Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 19

20 Erste nützliche Algorithmen copy Kopiert einen Bereich o schon gesehen, um vector auszugeben find Elemente suchen count Elemente zählen accumulate Elemente summieren Iteratoren-Funktion: distance Abstand zwischen zwei Iteratoren Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 20

21 distance() Zählt die Elemente, die zwischen zwei Iteratoren liegen. distance(v.begin(),v.end()) == v.size() ist effizient Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 21

22 Suchen mit find() Der Algorithmus find sucht über Iteratoren nach einem Wert. liefert einen Iterator als Ergebnis: o auf das gefundene Element, oder o das Ende des Bereichs, falls nicht gefunden istream_iterator<int> eof; vector<int> v(istream_iterator<int>(cin),eof); Bereichsende! if (find(v.begin(),v.end(),42)!= v.end()) cout << "I found the answer 42" <<endl; else cout << "no answer found" << endl; Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 22

23 Suchen mit find() vector<int> mit folgender Belegung: begin() find(v.begin(),v.end(),42) end() find(v.begin(),v.end(),43) Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 23

24 Zählen mit count() int count(inputiterator first, InputIterator last, value) zählt, wie oft value im Bereich [first,last) vorkommt. braucht #include <algorithm> istream_iterator<int> eof; vector<int> v(istream_iterator<int>(cin),eof); cout << "Anzahl der Nullen: " << count(v.begin(),v.end(),0) << endl; Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 24

25 Summieren mit accumulate() T accumulate(inputiterator first, InputIterator last, T startvalue) summiert Werte aus Iteratoren Bereich auf. braucht #include <numeric> istream_iterator<int> eof; vector<int> v(istream_iterator<int>(cin),eof); cout << "Summe der Eingaben :" << accumulate(v.begin(),v.end(),0) << endl; Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 25

26 vector<> mit boost::assign initialisieren ausser mit iteratoren ist es aufwändig einen vector zu initialisieren: using namespace std; vector<int> v; v.push_back(31); v.push_back(41); v.push_back(59); v.push_back(26); // mühsam... es sei denn, man nutzt <boost/assign.hpp> using namespace boost::assign; v += 31,41,59,26; ACHTUNG: in Eclipse für das Projekt den Include Pfad um boost ergänzen! o z.b. c:/cygwin/usr/include/boost-1_33_1/ Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 26

27 Programmieren 3 C++ Standardbibliothek STL (2) Prof. Peter Sommerlad Fredy Ulmer

28 STL Überblick Container vector deque list set multiset map multimap stack queue priority_queue Arrays Type a[n] Pseudo- Container string istream (-buf) ostream (-buf) bieten Zugriff Iterator-Kategorien InputIterator OutputIterator ForwardIterator BidirectionalIterator RandomAccessIterator Pointer Type *p wirken auf I/O stream Iteratoren istream_iterator istreambuf_iterator ostream_iterator ostreambuf_iterator helfen nutzen Funktoren Prädikate unary_function binary_function ptr_fun, mem_fun, mem_fun_ref Algorithmen-Kategorien non-modifying comparison searching binary search modifying sequence uninitialized sequence sorting merging set operations heap operations permutations miscellaneous numerics Iteratorfunktionen Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 28

29 std::set<t> Neben vector<> und string gibt es auch eine Standardklasse für Mengen von Elementen. Jedes Element kann nur einmal vorkommen. std::set ist automatisch sortiert. Neben den Standard-Container Methoden definiert std::set, solche, die mit Element- Werten arbeiten, statt mit Iteratoren: o s.find(element e) o s.insert(element e) kein push_back(e)! o s.erase(element e) Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 29

30 Set / Multiset set erlaubt keine Duplikate, multiset schon Für den Element Typ muss der < Operator definiert sein, wegen Sortierung o für int, string, etc. automatisch der Fall o wir lernen später, wie man das für eigene Typen macht, bzw. Sortierreihenfolge ändert. Set: Multiset: Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 30

31 Demo std::set<int> Einlesen einer Menge von Zahlen sortierte Ausgabe Prüfen ob eine Zahl vorhanden ist o direkt im set möglich! Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 31

32 std::map<k,v> Definiert eine Nachschlagetabelle für sog. keyvalue Paare. o analog Java's java.util.map, aber sortiert. Jeder Key darf nur einmal vorkommen. o ausser bei std::multimap<k,v> Die map ist nach Keys sortiert. Es gibt einen effizizienten Suchzugriff auf Values, wenn man nach dem key sucht. Map: 1 z Multimap: 2 x 4 y 3 y 5 y 6 z 1 z 1 x 3 y 2 y 3 y 3 z Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 32

33 Diskussion std::map Maps sind eine sehr wichtige Datenstruktur, auch bekannt als "assoziatives Array" oder Dictionary alle Skripting Sprachen verwenden extensiv solche Maps o Perl, Ruby, awk,... Die Möglichkeit unter einem "Namen" einen Wert zu hinterlegen ist auch in C++ sehr wertvoll Der Zugriff über [key] macht Programme i.d.r. gut lesbar Values können geändert werden, Keys nicht o nur über neu-eintragen und löschen des alten Keys Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 33

34 Iterator für std::map std::pair<t1,t2> Da jedes Element einer map ein Paar aus Key und Value ist, gibt es dafür eine Standard Datenstruktur: o std::pair<key,value> map::iterator verweist nicht auf key, bzw. value der Einträge, sondern auf diese Paare o Das macht die Verwendung von map in manchen Algorithmen "unhandlicher" als set oder vector. Zugriff: o map<string,int>::iterator it=m.begin(); o Key über: (*it).first bzw. it->first o Value über: (*it).second bzw. it->second Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 34

35 Demo map map<string, double> Preisliste o Preise einlesen o Liste ausgeben o Preise ergänzen und ändern Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 35

36 boost::assign für maps Maps initialisieren ist auch unhandlich: using namespace std; map<string,int> m; m["frodo"]=21; m["bilbo"]=123; m["gandalf"]=502; m["harry Potter"]= -42; // mühsam... auch hier hilft boost::assign: using namespace boost::assign; insert(m)("frodo",21)("bilbo",123) ("Gandalf",502)("Harry Potter",-42); Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 36

37 STL Theorie Schnupperinfo schon einmal zum nachschlagen...

38 Die Standard Template Library STL Die STL besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Container: Eine Menge von Objekten eines bestimmten Typs verwalten. Iteratoren: Über eine Menge von Objekten wandern (iterieren). Algorithmen: Mengen in irgendeiner Form bearbeiten. (sortieren, auffinden, löschen, modifizieren...) Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 38

39 Zusammenspiel Iteratoren werden insbesondere dazu benutzt um Containerelemente anzusprechen. Algorithmen arbeiten auf Containern und verwenden dabei Iteratoren. Iteratoren als Bindeglied zwischen Containern und Algorithmen. Container vector<> set<> map<> string Iteratoren begin() end() istream_iterator ostream_iterator Algorithmen find() copy() count() accumulate() Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 39

40 Iteratoren Konzepte Praktisch alle Algorithmen der STL setzen auf Iteratoren auf Iteratoren legen z.b. folgende Positionen fest: o Anfang und Ende o Einfüge und Löschposition o Position eines Suchergebnisses Ein Range (Bereich) ist ein Paar zusammengehöriger Iteratoren o z.b. [begin(), end()) bilden einen Range. o Das Ende des Range gehört nicht mehr zum Range, der Anfang sehr wohl ("halboffen") Zugriff *end() ist undefiniert! Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 40

41 Iteratoren: Verhalten Folgende fundamentale Operationen sind für alle Iteratoren definiert T& iterator::operator*() operator*() bezeichnet * bei *it o Liefert das Element, an dessen Position sich der Iterator befindet. Sofern das Element Komponenten hat, kann mit dem Operator -> darauf zugegriffen werden iterator::operator++() o Setzt den Iterator ein Element weiter. immer die Prä- Inkrement Variante verwenden (++pos). iterator::operator==() iterator::operator!=() o "zeigen" die Iteratoren auf das gleiche Element? oder nicht? Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 41

42 Iterator Kategorien Grund für Kategorien Container unterstützen unterschiedliche Iterator-Mächtigkeit o z.b. sequentieller bzw. wahlfreier Zugriff Algorithmen benötigen unterschiedlich "starke" Iteratoren. o Algorithmen sind i.d.r so definiert, die "schwächste" Annahme zu machen. Bei "stärkeren" Iteratortypen als Parameter werden automatisch optimierte Implementierungen der Algorithmen verwendet "Magie" durch Template Specialization Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 42

43 Iterator Kategorien (1) Input-Iterator o einmaliger Durchlauf möglich/gefordert o lesender Zugriff via operator*() nur einmal möglich, danach Element "verbraucht" o Modell: istream_iterator<t> Output-Iterator o einmaliger Durchlauf möglich/gefordert o nur schreibender Zugriff via operator*() nur einmal möglich! *iter=value; o Modell: ostream_iterator<t> Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 43

44 Iterator Kategorien (2) Forward-Iterator o mehrmaliger Durchlauf möglich/gefordert o Zugriff via operator*() beliebig oft nur eingeschränkt, falls const_iterator o "normale" Iteration, kompatibel zu Input- und Output- Iterator Bidirectional-Iterator o zusätzlich ist -- operator--() definiert o vorwärts und rückwärts möglich Modell: list<t>::iterator Random Access-Iterator o zusätzlich ist operator[]() definiert o Integer-Addition ist möglich (statt advance() Funktion) o Subtraktion zusammengehörender Iteratoren liefert Distanz o Modell: vector<t>::iterator Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 44

45 Einfügen mit Insertion Iteratoren Insertion Iteratoren sind spezielle Output-Iteratoren, die es erlauben in Container etwas einzufügen. o *iter = value; // ist definiert und fügt value ein o ++iter; // ist definiert aber ein "no-op" back_inserter(container &) o nutzt push_back Methode des Containers um Elemente einzufügen o funktioniert für string, vector, deque, list oder einen eigenen, der push_back(const T&) definiert front_inserter(container &) o analog back_inserter, aber mit push_front Aufruf o funktioniert für deque, list oder eigene Container mit push_front(const T&) inserter(container&,iterator pos) o fügt Elemente an der Position pos ein. o nutzt Container Methode insert(iterator,const T&) des Containers Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 45

46 Anwendung Insertion Iteratoren #include <iostream> #include <vector> ints in vector #include <iterator> einlesen und using namespace std; wieder ausgeben int main() { vector<int> v; typedef istream_iterator<int> input; copy(input(cin),input(),back_inserter(v)); copy(v.begin(),v.end(),ostream_iterator<int>(cout,"\n")); } #include <iostream> #include <set> ints in set einlesen und #include <iterator> sortiert ausgeben using namespace std; int main() { set<int> s; typedef istream_iterator<int> input; copy(input(cin),input(),inserter(s,s.begin())); copy(s.begin(),s.end(),ostream_iterator<int>(cout,"\n")); } Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 46

47 Container Methoden mit Iteratoren Container(InputIterator first, InputIterator last) o Erzeuge Container mit Elementen aus Range [first,last) iterator begin(), iterator end() o (const_)iterator auf erstes/hinter letztes Element erase(iterator p) o Entferne Element p aus Container erase(iterator first, iterator last) o Entferne Elemente des Range [first,last) aus dem Container reverse_iterator rbegin(), reverse_iterator rend() o liefere die Reverse-Iteratoren Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 47

48 Container Methoden mit Iteratoren (II) insert(iterator p,const T& value) o füge value an Position p ein insert(iterator p,size_type n, const T& value) o füge n Elemente mit Wert value an Position p ein insert(iterator p, InputIterator first, InputIterator last) o füge Elemente aus dem Range [first,last) an Position p ein Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 48

49 Methoden mit Iteratoren für Assoziative C. insert(inputiterator first, InputIterator last) o füge Elemente aus Range ein, nur (multi-) set und map iterator find(const T& k) o Suche Element äquivalent zu k und liefere Iterator auf dieses oder end(), falls k nicht gefunden iterator lower_bound(const T& k) o Suche Element k und liefere Iterator auf k oder die Stelle wo k kommen müsste iterator upper_bound(const T& k) o Suche erstes Element grösser als k und liefere den Iterator dafür Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 49

50 Container Methoden Bevorzuge Range-Operationen statt Schleife mit einzelnen Operationen o Konstruktor o erase() o insert() #include <iostream> #include <set> ints in set einlesen und #include <iterator> sortiert ausgeben using namespace std; int main() { typedef istream_iterator<int> input; input eof; // trick to force the following as data! set<int> s(input(cin),eof); copy(s.begin(),s.end(),ostream_iterator<int>(cout,"\n")); } Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 50

51 Operationen für Container X container; X container1(container2) container.~x() container.size() container.maxsize() bool container.empty() container1 = container2 container1.swap(container2) swap(container1, container2) container1 == container2 container1 < container2 Standardkonstruktor, erzeugt leeren Container Copy-Konstruktor Destruktor, löscht alle Elemente und gibt den Speicherplatz frei Aktuelle Anzahl von Elementen Maximal mögliche Anzahl von Elementen true, falls Container leer Zuweisungsoperator, alle Elemente kopieren Vertauscht die Container, als Methode und als globale Funktion Vergleichsoperatoren, entsprechend auch!=, >, <= und >= X steht für den Datentyp des Containers, z.b. vector<int> Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 51

52 Operationen für Container mit Iteratoren X container1(anf, end) container.begin() container.end() container.rbegin() container.rend() container.insert(pos,elem) container.erase(pos) container.erase(anf,end) container.clear() Erzeugt Container und initialisiert ihn mit Elementen aus Iteratorenbereich Liefert Iterator auf das erste Element Liefert Iterator für die Position hinter(!) dem letzten Element Liefert Reverse-Iterator auf das letzte Element Liefert Reverse-Iterator für die Position vor(!) dem ersten Element Fügt eine Kopie von elem an Iteratorposition pos ein Löscht Element an Iteratorposition Löscht alle Elemente des Bereichs Löscht alle Elemente des Containers Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 52

53 Container Datentypen Container::value_type Container::size_type Container::reference Container::const_reference Container::iterator Container::const_iterator Datentyp eines Container Elementes Ganzahliger, vorzeichenloser Wert für Grössenangaben Referenztyp auf Container-Element dito, nur lesend verwendbar Iteratortyp dito, nur lesend verwendbar Container steht für den Datentyp des Containers, zbsp. vector<int> Prog3: P. Sommerlad, F. Ulmer 53