C++ für Wissenschaftliches Rechnen
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- Alke Bieber
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1 C++ für Wissenschaftliches Rechnen Dan Popović Interdisziplinäres Institut für Wissenschaftliches Rechnen, Universät Heidelberg 13. Oktober 2009 Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
2 C++ für Wissenschaftliches Rechnen 1 Warum C++? Motivation 2 Vorausgesetzte Techniken 3 Das erste Programm 4 Grundlagen C++ Datentypen Kontrollfluss Funktionen 5 Abstrakte Datentypen und ihre Realisierung in C++ Klassen Konstruktoren und Destruktoren 6 Vererbung in C++ 7 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Virtuelle Funktionen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen 8 Templates und generische Programmierung 9 Die Standard Template Library (STL) Bespiel einer Container-Klasse: Vektoren Das Iterator-Interface 10 Built-in Dan Popović ALgorithmen (IWR, Heidelberg) der STLC++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
3 Warum C++? Motivation Anforderungen an die Programmiersprache Effizienz... des Programms der Entwicklung Hardware-nahe Programmiersprachen Integration mit existierendem Code Abstraktion Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
4 Warum C++? Motivation Vergleich von C++ mit anderen Sprachen Fortran & C + schneller Code + gute Optimierungen nur prozedurale Sprachen wenig Flexibilität schlechte Wartbarkeit C++ + gute Wartbarkeit + schneller Code + gute Integration mit Fortran und C Bibliotheken + hoher Abstraktionsgrad schwerer zu optimieren meistens mehr Speicherverbrauch Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
5 Warum C++? Motivation Vergleich von C++ mit anderen Sprachen Fortran & C + schneller Code + gute Optimierungen nur prozedurale Sprachen wenig Flexibilität schlechte Wartbarkeit C++ + gute Wartbarkeit + schneller Code + gute Integration mit Fortran und C Bibliotheken + hoher Abstraktionsgrad schwerer zu optimieren meistens mehr Speicherverbrauch Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
6 Literatur Literatur Literatur zu C++ B. Stroustrup: C++ Die Programmiersprache (Die Bibel) A. Willms: C++ Programmierung (Für Anfänger gut geeignet) S. Oualline: Practical C++-Programming O Reilly-Verlag: Scientific C++ Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
7 Vorausgesetzte Techniken Grundlegende vorausgesetzte C++-Kenntnisse Um die Vorzüge von C++ auszunutzen, sind abstrakte Techniken notwendig. Folgende grundlegenden Konzepte sind als Basis unumgänglich: Grundlegende Datentypen und Kontrollstrukturen: int, double, bool, char,... conditionals: if, switch,... loops: for, while Grundlegende Programmstrukturen: Funktionen Rekursive und iterative Programmierung Zeiger und Referenzen Klassen und Vererbung class und struct private, public, protected Konstruktoren und Destruktoren public, private-vererbung (rein) virtuelle Funktionen abstrakte Basisklassen Polymorphismus von Funktionen, Überladen von Operatoren Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
8 Das erste Programm Ein erstes Programm: Hello World Hallo, Welt! // use the iostream extension # include <iostream > // main i s always the f i r s t function to be c a l l e d int main(int argc, char** argv) std::cout << "Hello, World..." << std::endl; return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
9 Grundlagen C++ Datentypen Datentypen in C++ Die elementaren Datentypen in C++ sind: int: Ganzzahlen, int a = 2; char: Zeichen, char a = b ; float: Gleitkommazahlen 4 Byte, float b = 3.14; double: Gleitkommazahlen 8 Byte, double c = ; bool: Wahrheitswerte, bool d = false; Daneben gibt es eine Vielzahl erweiterter Datentypen und die Möglichkeit, beliebige eigene zu definieren. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
10 Kontrollfluss Grundlagen C++ Kontrollfluss if-verzweigungen: # include <iostream > int main(int argc, char** argv) int a = 5; if (a < 0) std::cout << "Hello, World..." << std::endl; else std::cout << "Hello, World..." << std::endl; return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
11 Grundlagen C++ Realisierung von Schleifen Kontrollfluss for-schleifen, while-schleifen, do..while-schleifen. for-schleifen for (int i=1; i<10; i++)... while-schleifen int i = 0; while (i <10)... ++i; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
12 Grundlagen C++ Realisierung von Schleifen Kontrollfluss for-schleifen, while-schleifen, do..while-schleifen. for-schleifen for (int i=1; i<10; i++)... while-schleifen int i = 0; while (i <10)... ++i; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
13 Grundlagen C++ Realisierung von Schleifen Kontrollfluss for-schleifen, while-schleifen, do..while-schleifen. for-schleifen for (int i=1; i<10; i++)... while-schleifen int i = 0; while (i <10)... ++i; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
14 Grundlagen C++ Funktionen Funktionen Funktionen Funktionen dienen zur Kapselung von Programmabschnitten und können bei Bedarf aufgerufen werden. In C++ haben sie immer die Syntax Rueckgabetyp Funktionsname( Parameter1, Parameter2,..); Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
15 Grundlagen C++ Funktionen Ein Beispielprogramm mit Funktion # include <iostream > using namespace std; // A function that greets everyone void greet() cout << "Hello, World." << endl; // main function int main(int argc, char** argv) greet(); return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
16 Grundlagen C++ Funktionen Call-by-Reference und Call-by-Value Bei Call-by-Value wird die Adresse des Objekts als Funktionsparameter übergeben und keine Kopie des Objekts erzeugt: void swap_wrong (int a, int b) int tmp = a; a = b; // does not work, a and b are l o c a l copies b = tmp; // in the scope of the function void swap_right (int& a, int& b) int tmp = a; a = b; b = tmp; // t h i s works Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
17 Grundlagen C++ Funktionen Call-by-Reference und Call-by-Value // main function int main(int argc, char** argv) int a=5, b=6; // Ausgabe 5, 6 swap_wrong(a, b) std::cout << a << ", " << b << std::endl; // Ausgabe 6, 5 swap_right(a, b) std::cout << a << ", " << b << std::endl; return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
18 Abstrakte Datentypen und ihre Realisierung in C++ Klassen und Datentypen Klassen Eine C++-Klasse definiert einen Datentyp. Ein Datentyp ist eine Zustandsmenge mit Operationen, die die Zustände ineinander überführen. Beispiel: Beispielklasse class ComplexNumbers public:... void print() std::cout << u << " + i * " << v << std::endl; private: double u, v; ; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
19 Abstrakte Datentypen und ihre Realisierung in C++ Klassen und Datentypen Klassen // usage of the complex number c l a s s int main (int argc, char** argv) ComplexNumber a, b, c; a.print(); // output? c = a + b; // where defined? return 0; ; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
20 Abstrakte Datentypen und ihre Realisierung in C++ Klassen Klassen und Datentypen C++ ermöglicht die Kapselung des Datentyps, d.h. Trennung von Implementierung und Interface. public: Interface-Spezifikation, private: Daten und Implementierung. Von außen kann nur auf Methoden und Daten im public-teil zugegriffen werden. Implementierung der Methoden kann ausserhalb der Klasse geschehen. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
21 Abstrakte Datentypen und ihre Realisierung in C++ Konstruktoren und Destruktoren Konstruktoren Der Befehl ComplexNumber a; veranlasst den Compiler, eine Instanz der Klasse zu erzeugen. Zur Initialisierung wird ein Konstruktor aufgerufen. Es können verschiedene Konstruktoren existieren (Polymorphismus!). In gewissen Fällen erzeugt der Compiler default-konstruktoren. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
22 Konstruktoren Abstrakte Datentypen und ihre Realisierung in C++ Konstruktoren und Destruktoren Die Klasse ComplexNumber mit zwei Konstruktoren: class ComplexNumbers public: // some constructors ComplexNumber() u = 0; v = 0; // d e f a u lt ComplexNumber(double re, double im) // i n i t i a l i z e with u = re; v = im; // given numbers void print()... private: double u, v; ; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
23 Konstruktoren Abstrakte Datentypen und ihre Realisierung in C++ Konstruktoren und Destruktoren // usage of the complex number c l a s s int main (int argc, char** argv) ComplexNumber a(3.0,4.0); ComplexNumber b(1.0,2.0); ComplexNumber c; a.print(); // output : 3 + i 4 c = a + b; // where defined? return 0; ; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
24 Abstrakte Datentypen und ihre Realisierung in C++ Konstruktoren und Destruktoren Destruktoren Dynamisch erzeugte Objekte können vernichtet werden, falls sie nicht mehr benötigt werden. Das Löschen von Objekten übernimmt der Destruktor. Destruktoren sind insbesondere auszuimplementieren, wenn die Klasse Zeiger (etwa Felder!) enthält. Ebenso bei Verwendung von dynamischen Speicher in einer Klasse. Stichworte zur Dynamischen Speicherverwaltung: new, delete. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
25 Vererbung in C++ Vererbung in C++ Vererbung bedeutet, dass das Verhalten eines Datentyps an einen abgeleiteten Datentyp weitergegeben werden kann. Die Datentypen stehen dabei in Ist-ein Relation: Ein Mensch ist auch ein Säugetier, d.h. Klasse Mensch ist von Klasse Säugetier abzuleiten. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
26 Vererbung in C++ Vererbung in C++ // example of i n h e r i t a n c e in C++ class Matrix public:... private: double data[3][3]; // (3 x 3) Matrix ; // the derived c l a s s class SymMatrix: public Matrix public: double getentry(int i, int j) return data[i][j]; // e r r o r : data p r i v a t e in base c l a s s // performance?... // derived constructor c a l l s a constructor of base c l a s s SymMatrix() : Matrix()... ; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
27 Vererbung in C++ Verschiedene Arten der Vererbung in C++ Bei Vererbung ist darauf zu achten, auf welche member die abgeleitete Klasse Zugriff erhält verschiedene Arten der Vererbung: private-vererbung: Alle Elemente der Basisklasse werden private Member der abgeleiteten Klasse. public-vererbung: public-member der Basisklasse werden public-member der abgeleiteten Klasse, private wird zu private. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
28 Vererbung in C++ Verschiedene Arten der Vererbung in C++ Private member der Basisklasse bleiben immer privat (sonst macht die Kapselung keinen Sinn). Problem: private-member sind zu stark gekapselt, public-member überhaupt nicht. Ausweg: protected-member, auf die abgeleitete Klassen zugreifen können. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
29 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Virtuelle Funktionen Virtuelle Funktionen Klassenhierarchie mit virtuellen Funktionen class GeomObject // base c l a s s for geo objects public: virtual double area() return 0.0;... ; class Triangle : public GeomObject // a derived c l a s s public: double area() return 0.5 * a * h;... private: double h, a; ; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
30 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Virtuelle Funktionen Virtuelle Funktionen Wofür benötigen wir virtuelle Funktionen? Virtuelle Funktionen Wenn Basis- und abgeleitete Klasse enthalten Mitglieder gleichen Namens enthalten Welche Methode wird aufgerufen? int main() GeomObject* geo; Triangle t; geo = &t; std::cout << geo->area << std::endl; //? return 0; ; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
31 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Virtuelle Funktionen Virtuelle Funktionen Lösung: Falls nicht anders angegeben, die Methode des Basisobjekts (!). Durch das Schlüsselwort virtual wird der Aufruf an die abgeleitete Klasse durchgereicht. Stichwort Late Binding, d.h. Zuordnung Methodenname Implementierung erst zur Laufzeit. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
32 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Virtuelle Funktionen Dynamischer Polymorphismus Die Technik der späten Typ-Bindung mit virtuellen Funktionen hat einen eigenen Namen: Dynamischer Polymorphismus Genaue Typbestimmung zur Laufzeit. Realisierung über: Virtuelle Funktionen (function lookup table), Überschreiben von Funktionen. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
33 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Virtuelle Funktionen Dynamischer Polymorphismus Die Technik der späten Typ-Bindung mit virtuellen Funktionen hat einen eigenen Namen: Dynamischer Polymorphismus Genaue Typbestimmung zur Laufzeit. Realisierung über: Virtuelle Funktionen (function lookup table), Überschreiben von Funktionen. Vorteile des dynamischen Polymorphismus Basisklassen sind Obermengen der abgeleiteten Klassen Algorithmen, die auf Basisklasse operieren, können auch auf den abgeleiteten Klassen operieren. Beispiel: Liste, die Pointer auf GeomObjects speichert. Pointer kann auf ein Triangle-Objekt oder jedes andere GeomObject-Objekt zeigen! Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
34 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen Oftmals sind virtuelle Funktionen nicht sinnvoll in der Basisklasse definierbar. Dann Deklararation der Funktion in der Basisklasse als rein virtuell : virtual printarea() = 0. Abgeleitete Klassen müssen rein virtuelle Funktionen implementieren. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
35 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen Abstrakte Basisklassen Enthält eine Basis-Klasse eine rein virtuelle Funktionen, heisst die Klasse abstrakt. Von abstrakten Klassen können keine Objekte instanziiert werden. Eine abstrakte Basisklasse definiert einheitliches Erscheinungsbild (Interface) einer Abstraktion. Algorithmen operieren auf diesem Interface, d.h. unabhängig der tatsächlichen Implementierung. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
36 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen Beispiel: Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
37 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen Beispiel: Integration mit der Mittelpunktsregel midpoint rule boxes p(x) = x 3-2x+2 p(x) = sin(x) 4 p(x) x Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
38 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen Erklärung des Beispiels: Der Algorithmus Mittelpunktsregel integriert beliebige Funktionen Es existiert eine (u.u. abstrakte) Basis-Klasse für Funktionen Allgemeine Funktionen wie Polynome, Sinus,... werden von der Basisklasse abgeleitet. Mittelpunktsregel operiert nur auf der Funktionsschnittstelle! Es folgt der Code zum Beispiel, es wird ein Sinus integriert: Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
39 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen // main. cpp : Test der I n t e g r a t i o n mit der Funktions S c h n i t t s t e l l e // System Header i n k l u d i e r e n #include <cstdlib> #include <iostream> #include <cmath> // eigene Header i n k l u d i e r e n #include "sinus.h" #include "mittelpunktsregel.h" // main Funktion int main ( int argc, char argv ) // Objekt der Klasse Mittelpunktsregel anlegen MittelpunktsRegel mipur (100); // Sinus Objekt erzeugen Sinus s1 ; // I n t e g r a t i o n der Polynome testen std : : cout << "Integral Sinus: " << mipur. integralauswerten ( s1, 2.0,2.0) << std : : endl ; std : : cout << "Integral Sinus: " << mipur. integralauswerten ( s1, ,6.2890) << std : : endl ; std : : cout << std : : endl ; return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
40 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen // mittelpunktsregel. h : Die Klasse Mittelpunktsregel #include "funktion.h" #ifndef #define MIPUREGEL H MIPUREGEL H // Mittelpunktsregel Klasse class MittelpunktsRegel public : MittelpunktsRegel ( int anzahl ) : n( anzahl ) MittelpunktsRegel () ; // I n t e g r a l e i n e r Funktion auswerten double integralauswerten ( Funktion& f, double a, double b) const double erg = 0. 0 ; double h = (b a )/(1.0 n ) ; // Laenge der I n t e r v a l l e // Anteile der einzelnen Boxen aufsummieren for ( int i =0; i<n ; ++i ) double x = a + i h h ; // I n t e r v a l l Mittelpunkt erg += h f. auswerten ( x ) ; // Funktionsauswertung return erg ; private : int n ; ; #endif Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
41 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen // funktion. h : Abstrakte S ch ni ttst elle nk las se fuer Funktionen // Inklusions Waechter #ifndef FUNKTION H #define FUNKTION H // Abstrakte B a s i s k l a s s e fuer Funktionen class Funktion public : // Konstruktoren Funktion () ; // v i r t u e l l e r Destruktor v i r t u a l Funktion () ; // Funktion auswerten, r e i n v i r t u e l l! virtual double auswerten ( double x ) const = 0; private : ; #endif Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
42 Virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Funktionen und abstrakte Basisklassen Abstrakte Basisklassen und Schnittstellen #include <cmath> // i n k l u d i e r e B a s i s k l a s s e / S c h n i t t s t e l l e #include "funktion.h" #ifndef #define SINUS H SINUS H // Kapselungs Klasse fuer den Sinus class Sinus : public Funktion public : Sinus () // Erfuellung der S c h n i t t s t e l l e double auswerten ( double x ) const return sin ( x ) ; private : ; #endif Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
43 Templates und generische Programmierung Templates Templates Code-Schablonen Templates ermöglichen die Parametrisierung von Klassen und Funktionen. Templates entkoppeln Funktionen oder Algorithmen vom Datentyp. Zulässige Parameter: Standard-Typen wie int, double,..., Eigene Typen (Klassen), Templates. Templates ermöglichen statischen Polymorphismus (siehe später). Templates verallgemeinern Code Generische Programmierung. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
44 Templates und generische Programmierung Beispiel: Templatisierte Funktion # include <iostream > // example for a function template template <class T> T getmax(const T& a, const T& b) return (a>b)? a : b; int main () int i=5, j=6, k; double l=10.4, m=10.25, n; k = getmax<int>(i,j); n = getmax<double>(l,m); std::cout << k << ", " << n << std::endl; // output : 6, 10.4 return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
45 Templates und generische Programmierung Beispiel: Templatisierte Array-Klasse // a c l a s s that takes a template parameter template <class T> class Array public: int add(const T& next, int n); T& at(int n); T& operator[](int n) return at(n); private: T data[10]; ; // add a new data member template <class T> int Array<T>::add(const T& next, int n) if (n>=0 && n<10) data[n] = next; return 0; else return 1; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
46 Templates und generische Programmierung Beispiel: Templatisierte Array-Klasse // get a c e r t a i n data member template <class T> T& Array<T>::at(int n) if (n>=0 && n<10) return data[n]; // main program # include <iostream > int main() Array<int> c; c.add(3,0); c.add(4,5); c.add(0,1); std::cout << c.at(5) << std::endl; // output : 4 Array<char> d; d.add( x,9); std::cout << d.at(9) << std::endl; // output : x return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
47 Templates und generische Programmierung Weiteres zu Templates Mehrere Template-Parameter sind möglich Parameter können default-werte haben Templates können ausspezialisiert werden Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
48 Die STL STL Die Standard Template Library In C++ gibt es viele vorgefertigte Template-Container, die ohne Kenntnis der Implementierung verwendet werden können. Sie sind in einer Bibliothek, der STL, zusammengefasst. Die STL ist eine Sammlung von Template Klassen und Algorithmen, bietet viele Containerklassen (Klasse, die eine Menge anderer Objekte verwaltet), hat dabei vereinheitlichte User-Interfaces für die Container, ist in der C++-Standardbibliothek enthalten. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
49 Die STL Container-Arten der STL Die STL stellt verschiedene Arten von Containern bereit: Sequentielle Container Beispiele: Vektoren, Listen Container adapter Eingeschränktes Interface zu beliebigen Containern Beispiele: Stacks, Queues Assoziative Container Schlüssel-Wert Container Beispiel: Maps, Multimaps Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
50 Die STL Vor- und Nachteile der STL Vor- und Nachteile der STL + Dynamisches Speichermanagment + Vermeidung von array-überläufen + Hohe Qualität der Container + Optimierbarkeit durch statischen Polymorphismus Unübersichtliche Fehlermeldungen Hohe Anforderungen an Compiler und Entwickler Nicht alle Compiler sind STL-fähig (obwohl die STL im C++-Standard enthalten ist) Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
51 Die STL Bespiel einer Container-Klasse: Vektoren Beispiele für die Verwendung von STL-Containern: vector Vector-Container # include <iostream > # include <vector > int main() // example usage of an STL vector int result = 0; std::vector<int> x(100); for (int j=0; j<100; j++) x[j] = j; x. push_back(100); for (int j=0; j<x.size(); j++) result += x[j]; // output : 5050 std::cout << result << std::endl; return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
52 Die STL Das Iterator-Interface Das Iterator-Interface Iteratoren bieten Zugriff auf die Elemente eines Containers. Sie Iterieren über die Elemente eines Containers, Liefern Zeiger auf Container-Elemente, Werden von jeder Container-Klasse bereitgestellt, Gibt es in rw - und einer w -Varianten, Helfen, array-überläufe zu vermeiden. Die Iteratoren werden von vielen STL-Algorithmen wie Sortieren, Suchen u. ä. verwendet. Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
53 Die STL Das Iterator-Interface Beispiel: Iteratorieren über eine Map Map-Container mit Iterator # include <iostream > #include <map> # include <cstring > int main() // example usage o f an STL map std::map <std::string, int> y; y["eins"] = 1; y["zwei"] = 2; y["drei"] = 3; y["vier"] = 4; std::map<std::string, int>::iterator it; for (it=y.begin(); it!=y.end(); ++it) std::cout << it->first << ": " << it->second << std::endl; // output : 1: eins // 2: zwei... usw. return 0; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
54 STL Algorithmen Algorithmen Algorithmen, die die STL bereitstellt Die STL enthält viele hilfreiche Algorithmen, die Elemente eines Datencontainerns manipulieren können, die Iteratoren zum Elementzugriff verwenden. Beispiele: Sortieren Suchen Kopieren Umkehren der Reihenfolge im Container... Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
55 STL Algorithmen Algorithmen Beispiel: Sortier-Algorithmen für Vektoren Verschiedene Sortierungen für Vektoren stehen bereit Unterscheidung z.b. durch: Benutzte Vergleichsoperation Bereich der Sortierung Stabilität Komplexität des Standard-Sortierers für Vektoren: O(n log n) ideal O(n 2 ) ungünstigster Fall eigene Vergleichsfunktionen möglich Achtung: (doppelt verkettete) Listen sind auf Einfügen und Löschen von Elementen optimiert spezielle Sortier-Algorithmen Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
56 Algorithmen STL Algorithmen Beispiel: Verwendung eines Sortier-Algorithmus für Vektoren // a vector for i n t e g e r s vector<int> x; x. push_back(23); x. push_back(-112); x. push_back(0); x. push_back(9999); x. push_back(4); x. push_back(4); // sort the i n t e g e r vector sort(v.begin(), v.end()); // output : for (int i = 0; i<x.size(); i++) cout << x[i] << "\t"; Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
57 Weiterführende Literatur Weiterführende Literatur Literatur zu Scientific Computing with C++ N. Josuttis: C++ Templates The Complete Guide T. Veldhuizen: Techniques for Scientific C++ T. Veldhuizen: Template Metaprogramming E. Unruh: Prime Number Computation (historisches Beispiel für TMP) Dan Popović (IWR, Heidelberg) C++ für Wissenschaftliches Rechnen 13. Oktober / 49
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