Mikrorechentechnik II

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1 Mikrorechentechnik II Einführung in C++ Technische Universität Dresden Sommersemester 2010 Professur für Prozessleittechnik Prof. Dr.-Ing. L. Urbas

2 Warum C++? Bewährte objektorientierte Sprache in den Einsatzfeldern Echtzeitsysteme, Safety Critical Systems, KFZ, Computervision, Hardwarenah: Das bessere C Einschränkungen: striktere Typüberprüfung, const Erweiterungen: Überladen von Funktionen, Defaultargumente, Referenzen Höhere Abstraktionsmittel zur Beherrschung von Komplexität. Sprachsammlung Objektorientierte Programmierung: class Generische Programmierung: template TU Dresden, Präsentationsname XYZ Folie 2 von XYZ

3 Ablauf Ringpraktikum Zeitraum für Praktikumsversuche: bis Einschreibung in die Versuche: Voraussichtlich bis Wie in MRT1 Jede der 5 Studienrichtung bietet eine Reihe von Praktika an, aus denen je eines ausgewählt wird Jede Gruppe führt 5 Praktika durch 3

4 Termine und Themen Einführung C Klassen, Methoden und Objektinstanzen Überladen von Methoden und Operatoren Virtuelle Klassen und abstrakte Klassen Generische Programmierung mit Templates Standard Templates Library Boost Dies Academicus 4

5 Unterlagen Folien, Tafelbilder, Termine, Telefonnummern, Software, etc. 5 dort unter Studium, Downloads Literatur zum Selbststudium (SLUB) Lippmann, Lajoie, Moo ( ) C++ Primer. Addison- Wesley Stroustrup ( ) Die C++-Programmiersprache. Deutsche Übersetzung der Special Edition. Addison-Wesley Sedgewick (2002) Algorithmen in C++. Pearson Studium Handliche Referenz (9,90 EUR) L oudon (2003) C++. Kurz und gut. O Reillys Optimierung des Codes (SLUB) Meyers (2006) Effective C++. Addison-Wesley Meyers (2001) Effective STL. Addision-Wesely

6 Übersicht Teil 1: Wiederholung Sprachelemente C Teil 2: Einführungsbeispiel UPN-Rechner Funktionsorientiert, Datenorientiert, Objektorientiert Teil 3: Konzepte der Objektorientierung Polymorphie Kapselung Vererbung Teil 4: Einführung in C++ Syntaxelemente von C, aber doch ganz anders Klassen und Objekte 6

7 Warum Objektorientierung (OO)? OO als Antwort auf einige Probleme bei der Entwicklung großer Programme Wachsende Komplexität fordert Mittel zur stärkeren Abstraktion und dem Verstecken von Implementierungsdetails: Konzept der Klasse als Kombination von Daten und Methoden. Wiederverwendung von Daten und Methoden in unterschiedlichen Kontexten benötigt fast immer etwas Anpassung: Konzept der Vererbung als Modifikationsstrategie für Klassen Nahtlose Integration neuer Datentypen: Überladen von Methoden und Operatoren 7

8 Problem 1: Integration neuer Datentypen C: char s[100]; strcpy(s, "hello "); strcat(s, "world"); C++: string s; s = "hello "; s += "world"; Implementierungsdetails sind versteckt! Zeichenketten sind kein integraler Bestandteil von C Programmierung durch Aufruf von Funktionen ( str ) Erweiterbarkeit der Sprache limitiert Zeichenketten sind kein integraler Bestandteil von C++ Aber: Nahtlose Integration neuer Datentypen durch Klassen (string) Überladen von Operatoren (=, +=) 8

9 Problem 2: Initialisierung Funktionsprototypen für einen Kellerspeicher in C, typischerweise in einem Header definiert: void stack_init(stack s, int max_size); int stack_push(stack s, int value); int stack_pop(stack s, int *value); void stack_clear(stack s); void stack_destroy(stack s); Gewünschte Funktionalität: push, pop, clear Zusätzlich Speicherverwaltung (häufig Fehlerquelle!): Vor der Benutzung: init Nach der Benutzung: destroy C++: Construktur C++: Destruktor 9

10 Problem 3: Wiederverwendung Stack nimmt Elemente vom Typ int auf void stack_init(stack s, int max_size); int stack_push(stack s, int value); int stack_pop(stack s, int *value); void stack_clear(stack s); void stack_destroy(stack s); Typsicherer Stack für Daten vom Typ double oder char* in C? Lösungsansätze: Drei unterschiedliche Programme Ein Programm mit union-konstrukt und interner Behandlung der Unterschiede C++: Templates 10

11 Problem 4: Zentralisierung Aufgabenstellung: neuer Datentyp complex Modifikation von printf derart, dass printf diesen Typen handeln kann Problem: Quellen von printf müssten verfügbar sein Lösungsansätze in objektorientierten Paradigmen: Dezentralisierung: Datentypen haben Methoden, die selbst für die Formatierung der Ausgabe sorgen! 11

12 Grundelemente objektorientierter Sprachen Polymorphie (Vielgestaltigkeit) 12 Hinter Funktionen und Operatoren mit gleichen Namen können sich je nach Kontext unterschiedliche Algorithmen verbergen Klassenkonzepte Zusammenfassung von Daten und Methoden Zugriffskontrolle auf Daten und Methoden verstecken von Implementierungsdetails vor Klassenbenutzern Vererbung von Daten und Methoden Wiederverwendung in anderen Kontexten durch gezielte Änderung an Teilen Dynamische Speicherverwaltung für Objekte

13 Polymorphie Zur Unterscheidung von Funktionen (Methoden) und Operatoren wird vom Compiler nicht nur der Namen sondern auch der Typ der Argumente herangezogen. C: double f(int a, int b); double f(double a, double b); fehler z = f(1.5,1.3) C++: double f(int a, int b); double f(double a, double b); z = f(1.5,1.3) Ruft double f(double, double) 13

14 Polymorphie Zur Unterscheidung von Funktionen (Methoden) und Operatoren wird vom Compiler nicht nur der Namen sondern auch der Typ der Argumente herangezogen. Programmierer können Operatoren für eigene Typen definieren C: int k, i=1, j=2; double e, f=1, g=2; Point3D u, v = {1,2,3}, w = v; k = i + j; e = f + g; u = v + w; 14 Operatoren nur für elementare Typen C++: int k, i=1, j=2; double e, f=1, g=2; Point3D u, v(1,2,3),,w(v); k = i + j; e = f + g; u = v + w; operator+ in Klasse Point3D

15 Klassen Grundlegendes Sprachkonstrukt objektorientierter Sprachen Klasse (in C++) = Abstrakter Datentyp mit 15 Daten Methoden (Elementfunktionen) Operatoren (+,-, ) für die Klassen Zugriffskontrolle für Daten und Methode Konstruktor, Destruktor Verweis auf Elternteile, von denen Daten und Elementfunktionen geerbt werden

16 C++ : class class cfilter { float x1; float y1; // alter x-wert // alter y-wert Schlüsselwort class + Typname Elementdaten wie in struct public: void Reset () { x1=0.0; y1=0.0; } }; Zugriffskontrolle Elementfunktion mit Implementierung 16

17 Teil 3: Sprachelemente von C++: das bessere C Programmdateien Programmdatei, Header und #include-anweisung Ein-/Ausgabe Elementare Datentypen Datentypen Variablen: Vereinbarung und Implementierung Felder Zeiger und Referenzen Speicheranforderung new und delete Funktionen Schnittstellendefinition Defaultparameter Abstrakte Datentypen class 17

18 Programmdateien Programmdatei 18 Enthält den eigentlichen Algorithmus Dateierweiterung *.cpp oder *.cc Einbinden via #include- Direktive #include <stdio.h> #include "meins.h" #include <iostream> Header-Datei Schnittstellenvereinbar ung von Funktionen und Variablen Dateierweiterung: *.h oder *.hh (STL auch ohne Erweiterung) Preprozessor sucht in Systemverzeichnis Preprozessor sucht in Entwicklerverzeichnissen C++ Standard Template Library

19 Ein-/Ausgabe auf Console EinAusgabe Ersatz der C-stdio-Library durch iostream-library iostream profitiert von den neuen Konzepten in C++: Klassen, Überladen von Operatoren, Ausgabe Vordefinierte Ausgabeströme std::cout, std::cerr, std::clog Ausgabeoperator <<: Ausgabestrom << Objekt Namensraum #include <iostream> std::cout << "hallo" << std::endl; 19

20 Eingabe EinAusgabe Eingabeoperator >>: Eingabestream >> Objekt Lese drei Ganzzahlen von dem Eingabestrom: int i, j, k; std::cin >> i >> j >> k; Eingabe wird Wort für Wort, getrennt durch White Space (Leerzeichen, Tabulator, Zeilentrenner) gelesen. Einlesen bis zum Ende der Eingabe while (std::cin >> i) { std::cout << i; } 20

21 Ein-Ausgabe aus Strömen FileIO Verschiedene Ein-/Ausgabe-Quellen und Senken möglich: Console/Standard Ein/Ausgabekanäle: std::cout, std::cerr, std::clog, std::cin #include <iostream> Dateien: std::ifstream, std::ofstream #include <fstream> Zeichenketten: std::istrstream, std::ostrstream #include <strstream> 21

22 Kommentare C++ unterstützt den mehrere Zeilen überstreckenden C-Kommentar /*. */ Neu: Einzelzeilenkommentar // Beispiel: // kbhit function checks for keyboard input void kbhit() { } // do something. Alles von "//" bis zur Ende der Zeile wird ignoriert 22

23 Integrierte Datentypen Deklaration mit Initialisierung char int float double bool unsigned signed short Zeichen (1 Byte) Ganzzahl Fließkommazahl (einfach) Fließkommazahl (doppelt) Logischer Wert Wertebereich ohne Vorzeichen Wertebereich mit Vorzeichen 2 Byte int i=10; Modifier ohne Type: int short j; unsigned k1, k2=1, k3; long ilong; double d = 10.0; Liste j = 2; k1 = 2*i; u = i; u ist nicht deklariert const double pi = ; Double 2pi = ; long long long 23 long int 4 Byte. long double (12 Byte) 8 Byte. Groß/Kleinschreibung! Variablennamen müssen mit Buchstaben anfangen!

24 Variablen variables C typ name [=wert]; C++ typ name [=wert]; typ name(wert); int i=4, j=5; int i=4, j(5); Keine Deklaration nach erstem Statement in Block mehr möglich 24 { } Variablendeklaration Statements Deklaration auch zwischen Statements möglich { } Variablendeklaration Statements Variablendeklaration Statement

25 Kopiekonstruktor anstelle Zuweisung (und cast) C: int i; float f; f = i; // entspricht: f = (float) i; C++ int i; float f; f = float(i); Kopiekonstruktor Auch für neue, selbstdefinerte Typen definierbar 25

26 Konstanten const C Konstanten werden über den Präprozessor definiert C++ Konstanten werden wie Variablen deklariert #define MAX 1024 while (i < MAX) { const int MAX = 1024; while (i < MAX) { Nachteil: Lediglich Textersetzung, keine Typüberprüfung, limitiert auf integrale Typen 26 Das Schlüsselwort const wird auch in anderen Kontexten verwendet, um anzuzeigen, dass nur lesender Zugriff erlaubt ist

27 Felder wie in C 10 aufeinanderfolgende Ganzzahlen! Zusammengehörige Daten gleichen Typs können in Feldern gespeichert werden. Bei der Vereinbarung wird die Feldgröße in eckige Klammern angegeben. Der Zugriff auf ein einzelnes Element erfolgt unter Angabe eines Indexes in eckigen Klammern Index [0, Feldgröße) int a[10]; a[5] = 7; a[10] = 9; Das 6.te Element (wir zählen ab 1) bekommt den Wert 7 Achtung: Keine gültige Speicherstelle 27

28 Zeiger und Referenzen Referenz reference C (auch C++) void swap(int *i, int *j) { } main() { } 28 int t = *i; *i = *j; *j = t; int a=10, b=5; swap(&a, &b); Adressoperator cout << a << b << endl; C++ void swap(int& i, int& j) { int t = i; i = j; j = t; } main() { int a=10, b=5; swap(a, b); cout << a << b << endl; }

29 Überladen von Funktionen polymorph!! Zur Unterscheidung von Funktionen wird vom Compiler nicht nur der Namen sondern auch der Typ der Argumente herangezogen Die Definition einer bestehenden Funktion mit gleichem Namen aber unterschiedlichen Argumenten wird Überladen genannt Zur Übersetzungszeit wird entschieden, welche Funktion aufgerufen werden soll kein Laufzeitoverhead Zuordnung muss eindeutig möglich sein, sonst Übersetzungsfehler! 29

30 Default Argumente defaultparam Argumente von Funktionen können mit Defaultparametern versehen werden Syntax: typ funcname([typ argname [=defaultwert], ]) Achtung: Reihenfolgeeffekt, sobald ein Argument mit defaultwert versehen wurde, müssen alle folgenden ebenfalls defaultwerte haben void sample(double &value, double t=0.1); void sample(double &value, double t=0.1, double e); Nicht erlaubt void sample(double &value, double t=0.1, double e=0.001); 30

31 Speicheranforderungen memory C: Aufruf von Funktionen (malloc, free) C++: Integrierte Sprachelemente zur dynamischen Anforderung und Freigabe von Speicherplatz: new delete Erweiterbar: Funktion von new und delete kann für eigene Typen definiert werden (Konstruktor, Destruktor) und transparent genutzt werden. 31

32 Teil 2: Klassen und Objekte in C++ Eine Klasse definiert einen neuen abstrakten Datentyp und einen neuen Gültigkeitsbereich Klassenelemente wie in struct Elementfunktionen wie einfache Funktionen 32

33 class class cfilter { float K; float T; float Ta; public: }; // Filterverstärkung // Filterzeitkonstante // Tastzeit Zugriffskontrolle: public, protected, private void Reset () { x1=0.0; y1=0.0; } Elementfunktion mit int Param (float k, float t, float ta); Implementierung void SimStep (float x, float &y); Funktionsvereinbarung Semikolon! Schlüsselwort class/struct + Typname Elementdaten wie in struct 33