C++ Programmierkurs. Wintersemester 04 / 05. Christian Hagemeier. Lehrstuhl Prof. Dr. Schrader Institut für Informatik Universität zu Köln

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1 C++ Programmierkurs 1 Wintersemester 04 / 05 Christian Hagemeier Lehrstuhl Prof. Dr. Schrader Institut für Informatik Universität zu Köln mittwochs 17 18:30 Uhr Hörsaal II der Physikalischen Institute Gliederung der Vorlesung : Organisatorisches und Einführung : Einführung und Kontrollstrukturen : Kontrollstrukturen : Kontrollstrukturen und Funktionen : Funktionen, Vektoren : Zeiger, Strings : Klassen und Datenabstraktion : Klassen : Überladen von Operatoren : Vererbung : Polymorphismus : Stream Ein /Ausgabe : Datei Ein /Ausgabe 2

2 3 Wiederholung Kontrollstrukturen if Auswahlstruktur if/else Auswahlstruktur while Wiederholungsstruktur for Wiederholungsstruktur switch Mehrfachauswahl Struktur do/while Wiederholungsstruktur Schleifenarten vs. Wiederholungsstrukturen 4 Schleifenarten: zählergesteuert for (while) (do/while) mit Abbruchwert while do/while Besonderheiten der Wiederholungsstrukturen: while: wiederholt solange bis Bedingung erfüllt ist do/while: mindestens ein Schleifendurchlauf garantiert for: Vereinfachung für zählergesteuerte Schleifen Prinzipiell kann jede Schleifenart durch jede Wiederholungsstruktur implementiert werden!

3 5 2.8 Zuweisungen in C++ Abkürzende Schreibweise: c = c + 3; c += 3; weitere Beispiele: d -= 4 (d = d - 4) e *= 5 (e = e * 5) f /= 3 (f = f / 3) g %= 9 (g = g % 9) Inkrement (+1) und Dekrement ( 1) Operatoren Pre Version: Ausführung vor Ausdruckauswertung Post Version: Ausführung nach Ausdruckauswertung 2.12 break und continue break Befehl sofortige Beendigung von while, for, do/while, switch Programm wird mit erster Anweisung nach beendeter Struktur fortgesetzt Übliche Anwendung: Vorzeitiges Beenden einer Schleife Rest von switch überspringen continue Befehl Nächste Iteration in while, for, do/while Überspringt Rest des Schleifenkörpers Bei while und do/while: Schleifenbedingung wird direkt nach continue überprüft Bei for: Inkrementierung wird direkt vorgenommen dann wird Schleifenbedingung überprüft 6

4 Logische Operatoren zur Verwendung in Bedingungen von Schleifen und if Befehlen Syntax: ( bedingung1 ) operator ( bedingung2 ) && (logisches und) wahr, wenn beide Bedingungen wahr sind Beispiel: if ( geschlecht == 1 && alter >= 65 ) ++maennlichersenior; (logisches oder) wahr, wenn mindestens eine der beiden Bedingungen wahr ist Logische Operatoren (2)! (logisches nicht, Negation) hier Syntax:!( bedingung ) liefert wahr, falls Bedingung falsch ist (und umgekehrt) if (! ( note == abbruchwert ) ) cout << nächste Note << grade << endl; Alternativ: if (note!= abbruchwert) cout << nächste Note << grade << endl; 8

5 9 Verwechselung von = und == Erzeugt meist keinen Syntaxfehler Problemaspekte: Ausdrücke, die einen Wert haben, können zur Entscheidung genutzt werden (Null = falsch, Nichtnull = wahr) Zuweisungen besitzen in diesem Sinne einen Wert (nämlich der, der zugewiesen wird) Verwechselung von = und == (2) Beispiel: if ( paycode == 4 ) cout << Bonus zugeteilt << endl; wenn paycode 4 ist, wird Bonus zugeteilt 10 Ersetzung von == durch =: if ( paycode = 4 ) cout << Bonus zugeteilt << endl; paycode wird auf 4 gesetzt (unabhängig vom Wert zuvor) Bedingung ist wahr (da 4 Nichtnull ist) Bonus wird in jedem Fall zugeteilt

6 11 Lvalues und Rvalues Lvalues Ausdrücke, die auf der linken Seite eines Ausdrucks benutzt werden können Können modifiziert werden (Variablen) x = 4 Rvalues Dürfen nur auf rechter eines Ausdrucks verwendet werden! Konstanten (wie beispielsweise Zahlen) 4 = x darf daher nicht geschrieben werden Lvalues können als Rvalues verwendet werden, jedoch nicht umgekehrt! 3. Funktionen 3.1 Programmkomponenten in C Mathematische Funktionen in C Funktionen 3.4 Zufallszahlen 3.5 Details zu Variablen 3.6 Rekursion 3.7 Referenzen 3.8 Besondere Funktionstypen 12

7 Programmkomponenten in C++ Module: Funktionen und Klassen Programme kombinieren neue und fertig erstellte Module: Neu: vom Programmierer erstellt Funktionen/Klassen Fertig erstellte: Standard Template Library Funktionen werden durch Funktionsaufruf gestartet Name und nötige Informationen (Argumente) Zum Verständnis: Analogie Chef zu Angestelltem: Ein Chef (die aufrufende Funktion) beauftragt einen Angestellten (die aufgerufene Funktion) eine Aktion auszuführen und nach Fertigstellung das Ergebnis zu berichten (Ergebnis zurückliefern). 14

8 Mathematische Funktionen in C++ Um gängige mathematische Berechnungen durchzuführen Headerdatei <cmath> muß dazu eingebunden werden Method Description Exa m p le ceil( x ) rounds x to the smallest integer not less than x ceil( 9.2 ) is 10.0 ceil( -9.8 ) is -9.0 cos( x ) trigonometric cosine of x cos( 0.0 ) is 1.0 (x in radians) exp( x ) exponential function ex exp( 1.0 ) is exp( 2.0 ) is fabs( x ) absolute value of x fabs( 5.1 ) is 5.1 fabs( 0.0 ) is 0.0 fabs( ) is 8.76 floor( x ) rounds x to the largest integer not greater than x floor( 9.2 ) is 9.0 floor( -9.8 ) is fmod( x, y ) remainder of x/y as a floatingpoint fmod( , ) is number log( x ) natural logarithm of x (base e) log( ) is 1.0 log( ) is 2.0 log10( x ) logarithm of x (base 10) log10( 10.0 ) is 1.0 log10( ) is 2.0 pow( x, y ) x raised to power y (xy) pow( 2, 7 ) is 128 pow( 9,.5 ) is 3 sin( x ) trigonometric sine of x sin( 0.0 ) is 0 (x in radians) sqrt( x ) square root of x sqrt( ) is 30.0 sqrt( 9.0 ) is 3.0 tan( x ) trigonometric tangent of x (x in radians) tan( 0.0 ) is 0 Fig. 3.2 M a th lib ra ry func tio ns. 16

9 Funktionen Modularisieren Programme Wiederverwendbarkeit: Funktionen können mehrfach aufgerufen werden Lokale Veriablen: Sind nur in der Funktion bekannt, in der sie definiert wurden Bis jetzt: alle in Funktionen definierten Variablen sind lokal Parameter: sind lokale Variablen, die beim Aufruf erzeugt werden stellen Informationen des Aufrufers bereit Funktionsdeklaration Nur nötig, wenn Funktionsdefinition nach Funktionsaufruf stattfindet Teilt Compiler Name, Rückgabewert und Parameter mit Funktionsprototyp Teilt Compiler Name, Argumenttypen und Rückgabewerttyp mit int square( int ); Funktion benötigt ein int Argument und gibt eine int Zahl zurück Funktionssignatur (= Name + Arrgumenttypen) double maximum( double, double, double ); 18 Funktionssignatur

10 19 Typumwandlung Beim Aufruf werden die Typen der übergebenen Werte wenn nötig entsprechend umgewandelt Beispiel: cout << sqrt( 4 ); wandelt int 4 in double 4.0 um. Regeln: Typen werden normalerweise automatisch konvertiert Wechsel von double zu int schneidet Nachkommastellen ab Sind in einem Ausdruck verschiedene Typen enthalten, so wird das Ergebnis in den höchsten Typ gewandelt (siehe nächste Folie) Beispiel: int * double double Datentypenhierarchie 20 long double double float unsigned long int long int unsigned int int unsigned short int (synonym für unsigned long) (synonym für long) (synonym für unsigned) (synonym für unsigned short) short int (synonym für short) unsigned char char bool (false wird 0, true wird 1)

11 21 Funktionsdefinition Beschreibt die Funktionsweise (Funktionskörper) Vor anderen Funktionen verborgen Format für Funktionsdefinition: rückgabewerttyp funktionsname( parameterliste ) { Deklarationen und Befehle } Parameterliste: Liste mit Typ Name für jedes Argument; kommasepariert Falls keine Argumente: void Rückgabewerttyp: Typ des Rückgabewerts (void falls keine Rückgabe) Funktionsdefinition (2) Beispiel: int square( int y ) { return y * y; } Schlüsselwort return: Liefert Rückgabewert zurück und gibt Kontrollfluß an Aufrufer zurück (falls kein Rückgabewert: return;) Funktionen können innerhalb anderer Funktionen definiert werden 22

12 23 Funktionsaufruf Beispiel: square( x ); Klammern sind Operator zum Funktionsaufruf Übermitteln Argument (hier: x) Funktion erhält eigene Kopie der Argumente Nach Ferfigstellung: Ergebnis wird zurückgegeben Funktionsargumente Konstanten: sqrt( 4 ); Variablen: sqrt( x ); Ausdrücke: sqrt( sqrt( x ) ); sqrt( 3 6x ); 24

13 25 Beispiel: Quadrieren 1 // Fig. 3.3: fig03_03.cpp 2 // Erzeugen und Verwenden einer benutzerdefinierten Funktion. 3 #include <iostream> 4 5 using std::cout; 6 using std::endl; 7 8 int square( int ); // Funktionsprototyp 9 10 int main() 11 { 12 // Wiederhole 10 mal und berechne und gib 13 // Quadrat jedes x aus 14 for ( int x = 1; x <= 10; x++ ) 15 cout << square( x ) << " "; // Funktionsaufruf cout << endl; return 0; // erfolgreiches Ende } // main 22 Beispiel: Quadrieren 26 1 // Fig. 3.3: fig03_03.cpp 2 // Erzeugen und Verwenden einer benutzerdefinierten Funktion. 3 #include <iostream> 4 5 using std::cout; 6 using std::endl; 7 8 int square( int ); // Funktionsprototyp 9 10 int main() 11 { 12 // Wiederhole 10 mal und berechne und gib 13 // Quadrat jedes x aus 14 for ( int x = 1; x <= 10; x++ ) 15 cout << square( x ) << " "; // Funktionsaufruf cout << endl; return 0; // erfolgreiches Ende } // main 22 Funktionsdeklaration: legt Datentyp des Rückgabewerts und der Argumente fest. square erwartet int und liefert int zurück. Klammern () bedeuten Funktionsaufruf. Wenn fertig wird Ergebnis zurückgeliefert.

14 27 Beispiel: Quadrieren (2) 23 // Funktionsdefinition zum Quadrieren: liefert int zurück 24 int square( int y ) // y ist eine Kopie des übergebenen Arguments 25 { 26 return y * y; // gibt Quadrat von y als int zurück } // square Definition von square. y ist eine Kopie des Arguments. Rückgabe: y * y. Beispiel: Maximum 28 1 // Fig. 3.4: fig03_04.cpp 2 // Ermittlung des Maximums von drei Fließkommazahlen. 3 #include <iostream> 5 using std::cout; 6 using std::cin; 7 using std::endl; 8 9 double maximum( double, double, double ); // Funktionsprototyp int main() 12 { 13 double number1; 14 double number2; 15 double number3; 17 cout << Drei Fließkommazahlen eingeben: "; 18 cin >> number1 >> number2 >> number3; // number1, number2 und number3 sind Argumente 21 // des Funktionsaufrufs der Funktion maximum 22 cout << "Maximum ist: " 23 << maximum( number1, number2, number3 ) << endl; return 0; // Funktion war erfolgreich Funktion maximum nimmt 3 Argumente (alle double), Rückgabetyp: double.

15 29 Beispiel: Maximum (2) 27 } // end main 28 Liste durch Kommata getrennt 29 // function maximum definition; für mehrere Parameter. 30 // x, y and z are parameters 31 double maximum( double x, double y, double z ) 32 { 33 double max = x; // assume x is largest if ( y > max ) // if y is larger, 36 max = y; // assign y to max if ( z > max ) // if z is larger, 39 max = z; // assign z to max return max; // max is largest value 43 } // end function maximum Drei Fließkommazahlen eingeben: Maximum ist: Drei Fließkommazahlen eingeben: Maximum ist: Drei Fließkommazahlen eingeben: Maximum ist: Zufallszahlen Funktion rand() (<cstdlib>) erzeugt Zufallszahl vom Typ unsigned int im Bereich 0 bis RAND_MAX (meist 32767) Aufruf: unsigned int i = rand(); Skalieren und Shiften von Zufallszahlen: Modulo Operator 10 % 3 ergibt 1 x % y liefert Zahl zwischen 0 und y-1 Beispiel: i = rand() % rand() % 6 erzeugt Zufallszahl zwischen 0 und 5 (Skalieren) +1 verschiebt den Bereich nach 1 bis 6 (Shiften) 30

16 31 Beispiel: Zufallszahlen (1) 1 // Fig. 3.7: fig03_07.cpp 2 // Beispiel für rand(). 3 #include <iostream> 5 using std::cout; 6 using std::endl; 7 8 #include <iomanip> 10 using std::setw; #include <cstdlib> // enthält Funktionsprototypen für rand() int main() 15 { 16 // Iteriere 20 mal 17 for ( int counter = 1; counter <= 20; counter++ ) { // erzeuge Zufallszahl [1,6] und gib sie aus 20 cout << setw( 10 ) << ( 1 + rand() % 6 ); // jede 5. Zahl beendet laufende Zeile 23 if ( counter % 5 == 0 ) 24 cout << endl; Beispiel Zufallszahlen (2) } // for return 0; // erfolgreiches Ende } // main()

17 33 Beispiel: Zufallszahlenverteilung Ermittele Verteilung der von rand() erzeugten Zufallszahlen: Simuliere 6000 Würfelwürfe Gib Anzahl der gewürfelten 1en, 2en,... Aus Sollten alle ca sein. Quellcode: Zufallszahlenverteilung (1) 34 1 // Fig. 3.8: fig03_08.cpp 2 // Werfe einen Würfel 6000 mal. 3 #include <iostream> 4 5 using std::cout; 6 using std::endl; 7 8 #include <iomanip> 9 10 using std::setw; #include <cstdlib> // enthält Funktionsprototyp von rand() int main() 15 { 16 int frequency1 = 0; 17 int frequency2 = 0; 18 int frequency3 = 0; 19 int frequency4 = 0; 20 int frequency5 = 0; 21 int frequency6 = 0; 22 int face; // enthält Ergebnis eines Würfelwurfs 23

18 35 Quellcode: Zufallszahlenverteilung (2) 24 // iteriere 6000 mal und speichere Ergebnis 25 for ( int roll = 1; roll <= 6000; roll++ ) { 26 face = 1 + rand() % 6; // Zufallszahl zwischen 1 und // ermittele gewürfelte Zahl und inkrementiere entspr. Zähler 29 switch ( face ) { case 1: // 1 gewürfelt 32 ++frequency1; 33 break; case 2: // 2 gewürfelt 36 ++frequency2; 37 break; case 3: // 3 gewürfelt 40 ++frequency3; 41 break; case 4: // 4 gewürfelt 44 ++frequency4; 45 break; 46 Quellcode: Zufallszahlenverteilung (3) case 5: // 5 gewürfelt 48 ++frequency5; 49 break; case 6: // 6 gewürfelt 52 ++frequency6; 53 break; default: // ungültige Zahl 56 cout << "Programm sollte hier nie landen! << endl; } // switch } // for // zeige Ergebnis in Tabellenform an 63 cout << Zahl" << setw( 13 ) << Häufigkeit << endl 64 << " 1" << setw( 13 ) << frequency1 << endl 65 << " 2" << setw( 13 ) << frequency2 << endl 66 << " 3" << setw( 13 ) << frequency3 << endl 67 << " 4" << setw( 13 ) << frequency4 << endl 68 << " 5" << setw( 13 ) << frequency5 << endl 69 << " 6" << setw( 13 ) << frequency6 << endl;

19 37 Quellcode: Zufallszahlenverteilung (4) return 0; // Programm erfolgreich } // main() Zahl Häufigkeit Pseudozufällige Zahlen Wird rand() mehrfach hintereinander aufgerufen, erzeugt es gleich Zufallszahlenfolge Pseudozufallszahlen: Voreingestellte Folge an Zufalls zahlen Gleiche Folge wird bei jedem Programmaufruf erzeugt Um unterschiedliche Folgen zu erhalten: Verwende Initialisierungszahl (seed) Entspricht einem zufälligen Startpunkt in der Folge Gleiche Initialisierungszahl erzeugt gleiche Zahlensequenz srand( seed ); Definiert in <cstdlib> muß vor rand() aufgerufen werden um Startpunkt festzulegen 38

20 39 Beispiel: Randomisierung der Zufallszahlen 1 // Fig. 3.9: fig03_09.cpp 2 // Randomisiertes Würfelprogramm. 3 #include <iostream> 4 5 using std::cout; 6 using std::cin; 7 using std::endl; 8 9 #include <iomanip> using std::setw; // enthält Prototypen für rand() und srand() 14 #include <cstdlib> int main() 18 { 19 unsigned seed; cout << Bitte seed eingeben: "; 22 cin >> seed; 23 srand( seed ); // wähle Startpunkt der Zahlenfolge Beispiel: Randomisierung der Zufallszahlen // wiederhole 10 mal 26 for ( int counter = 1; counter <= 10; counter++ ) { // wähle Zufallszahl aus [1,6] und gib sie aus 29 cout << setw( 10 ) << ( 1 + rand() % 6 ); // nach jeder 5. Zahl neue Zeile 32 if ( counter % 5 == 0 ) 33 cout << endl; } // for return 0; // Programm war erfolgreich } // main()

21 41 Beispiel: Randomisierung der Zufallszahlen Bitte seed eingeben: Bitte seed eingeben: Bitte seed eingeben: rand() erzeugt gleiche Folge bei gleichem Startwert. Wahl des Startpunktes Verwendung der aktuellen Uhrzeit als Startpunkt Seed braucht nicht mehr eingegeben werden srand( time ( 0 ) ); time( 0 ); <ctime> Liefert aktuelle Uhrzeit in Sekunden zurück 42

22 43 Aufzählungstyp Typ enum: Eine Menge an ints mit Namen: enum typename {constant1, constant2 }; Werte der Konstanten beginnen bei 0 und werden immer um 1 inkrementiert Konstanten benötigen eindeutige Namen Zuweisung eines int zu einem enum ist nicht erlaubt Verwendung der Konstanten! Beispiel: enum Status {CONTINUE, WON, LOST}; Status enumvar; enumvar = WON; // nicht erlaubt: enumvar = 1 Name der neuen Aufzählung wie Typ (beispielsweise int) zu verwenden! Beispiel: Würfelspiel Würfele mit zwei Würfeln Bei 7 oder 11 im ersten Wurf: Spieler gewinnt Bei 2, 3 oder 12 im ersten Wurf: Spieler verliert 4, 5, 6, 8, 9, 10: Wert wird Punktzahl ( points ) des Spielers Spieler muß erneut diese Punktzahl werfen, bevor er eine 7 würfelt um zu gewinnen Programm siehe Datei fig03_10.cpp im Internet 44

23 Details zu Variablen Attribute von Variablen: Bekannt: Name, Typ, Größe, Wert Speicherungsklasse Wie lange existieren sie im Speicher Geltungsbereich Von wo aus können Variablen referenziert werden Bindung (linkage) Falls Programm auf mehrere Dateien aufgeteilt ist: welche Dateien können Variablen nutzen Automatische Speicherungsklasse Variable wird erzeut, wenn Programm entsprechenden Block ausführt Variable wird zerstört, wenn Programm Block verläßt Nur lokale Variablen in Funktionen können automatisch sein Typ automatisch ist Defaultwert für solche Variablen Explizite Angabe durch Schlüsselwort auto Schlüsselwort register: Hinweis für Compiler, diese Variable in Hochgeschwindigkeitsregister zu speichern Meist unnötig, da Compiler dies selbsttätig entscheidet register und auto schließen sich aus Beispiel: register int counter = 1; 46

24 47 Statische Speicherungsklasse Variablen existieren während gesamtem Programmlauf Kann trotzdem nicht verfügbar sein: siehe Geltungsbereichsregeln (später) Schlüsselwort static: Für lokale Variablen in Funktionen Erhält Wert zwischen verschiedenen Funktionsaufrufen Weiterhin nur in eigener Funktion bekannt Geltungsbereich von Variablen (1) Geltungsbereich ist (bezogen auf eine Variable) der Teil des Programms, in dem diese Variable angesprochen werden kann 1. Datei Geltungsbereich: Ist etwas außerhalb einer Funktion definiert, so gilt es in der gesamten Datei z.b. bei globalen Variablen, Definition und Prototyp von Funktionen 2. Funktions Geltungsbereich: Betrifft nur Label (z.b. case Teil bei switch) Kann nur innerhalb der entsprechenden Funktion verwendet werden 48

25 49 Geltungsbereich von Variablen (2) 3. Block Geltungsbereich: Fängt bei Definition an und endet bei entsprechender } Kann nur in diesem Bereich angesprochen werden Betrifft lokale Variablen und Funktionsparameter Auch bei static Variablen gilt Block Geltungsbereich! Konzeptueller Unterschied: Speicherungsklasse vs. Geltungsbereich 4. Funktionsprototyp Geltungsbereich: Betrifft Parameterliste im Prototypen Namen im Prototypen sind optional (werden vom Compiler ignoriert) In einem Prototypen dürfen Namen nicht doppelt vorkommen Beispiel für Geltungsbereich 50 fig03_12.cpp im Internet Programm in Eigenarbeit anschauen und ausführen Was passiert bei Modifikationen bezüglich Speicehrungsklasse und Geltungsbereich?