Progr ammierk urs. 'SoSe' Markus Geveler Inst. f. Applied Mathematics, TU Dortmund.

Transkript

1 Progr ammierk urs 'SoSe' 2014 Markus Geveler Inst. f. Applied Mathematics, TU Dortmund

2 Lesson 6 Was machen wir heute hier? Vertiefung: kurz: static member, operator overloading, scope C++ standard lib & Standard Template Library (STL) mehr zu Speicher, pointer und references debugging [ Hardware und Software]

3 static members Statische (static) member variables struct Foo static unsigned num_instances; unsigned id; Foo() : id(++num_instances) } }; unsigned Foo::num_instances = 0; int main() Foo f; Foo g; cout << f.id << endl; cout << g.id << endl; cout << Foo::num_instances << endl; } num_instances wird von allen Objekten der Klasse geteilt!

4 static members Statische (static) member functions struct VectorSum static Vector& value(vector& v1, Vector& v2) for(unsigned long i(0) ; i < v1.size() ; ++i) v1[i] += v2[i]; } return v1; } };... Vector v_1; Vector v_2; VectorSum::value(v_1, v_2); bisher: class-member immer an Objekte gebunden jetzt: static class-member: nur an Klasse gebunden keine Instanziierung nötig! deklarieren mit static Zugriff mit scope operator :: drüber reden: wozu? noch ein Beispiel: private static member getter

5 operator over loading operators sind functions! struct Scalar float data; Scalar(float d = 0.f) : data(d) } }; Scalar& operator+(scalar& a, Scalar& b) a.data += b.data; return a; }; Syntax: intuitiv klar was passiert?

6 operator over loading copy assignment operator um mit unseren Scalar Objekten rechnen zu können, brauchen wir noch Etwas: struct Scalar float data; Scalar(float d) : data(d) } Scalar& operator=(scalar& b) this->data = b.data; return *this; } }; der ist etwas anders als operator+ drüber reden: was ist anders?

7 operator over loading was kann man damit denn jetzt machen? Scalar a(2.f); Scalar b(3.f); Scalar c; c = a + b; jetzt mitdenken: übertragen auf unsere Vektor- und Matrix-Klassen? ist auch eine Übungsaufgabe...

8 scope Sichtbarkeit in C++ es gibt in C++ mehrere Arten von Sichtbarkeit sie geben an, ob und von wem ein bestimmtes 'Stück' Code (Variable/Konstante, function oder Klasse) zugreifbar ist diese Sichtbarkeitstufen (scope) sind: 'class': innerhalb einer Klasse sichtbar 'global': für alle sichtbar (bzw. zunächst nur in der Datei. Daher auch oft: 'file') 'local': nur in der einschließenden Struktur (z.b.: function) sichtbar 'namespace': Namensräume können verwendet werden, um ein Projekt weiter zu strukturieren: jetzt einen solchen namespace kennen wir schon: std, den namespace für die C++ standard Bibliothek

9 namespaces Beispiel: namespace people class Consumer... };... } so ist Consumer zunächst nur im Namensraum people sichtbar es gibt mehrere Möglichkeiten auf Consumer zuzugreifen innerhalb von people: klar haben wir schon gesehen: der scope-operator '::' wie in std::cout auch people::consumer das using-statement: using namespace people;

10 C++ standard lib Datei Ein/Ausgabe ein Beispiel: #include <iostream> #include <fstream> #include <string> using namespace std; int main () string filename; cin >> filename; ifstream ifs ( s, ifstream::in ); while (ifs.good()) cout << (char)ifs.get(); ifs.close(); } weiter lesen: weiter lesen:

11 C++ standard lib Tutorial

12 STL Was enthält die STL? Container zur Speicherung von Daten, z.b.: Vektoren, Listen,... Iteratoren für den Zugriff auf die Daten im Container (lernen wir gleich) Algorithmen zu diesen Containern: Sortieren, u.a. Wofür? der sichere und effiziente Umgang mit Daten im Speicher ist schwierig: die STL wurde gemacht, um möglichst viel davon vor Entwicklern zu verstecken; Beispiel: vermeide (Re-)Allokationen es gibt gute Lösungen für bestimmte Aufgaben - das Rad muss nicht neu erfunden werden; Beispiel: quicksort (der für die meisten Fälle schnellste Sortieralgorithmus)

13 STL container generische sequentielle Container: vector, list und andere #include <vector> using namespace std;... vector<double> v; v.push_back(23.4); v.push_back(0.); v.push_back(-2.222); v.push_back(2.*1./3.); double a(v.front()); unsigned long i(v.size()); Container interface: allgemein bool empty() const : ist der Container leer? size type size() const : wieviele Elemente? size type ist nur sowas wie unsigned long void clear() : alle Elemente entfernen

14 STL iteratoren Was ist das? vector<float> v;... vector<float>::iterator current = v.begin(); while(current!= v.end()) std::cout << *current << std::endl; ++current; } Iteratoren repräsentieren Elemente in einem Container stellen eine Verbindung zwischen den Daten und ihrer Position im Container her Iteratoren sind demnach Container-spezifisch in sequentiellen Containern wie vector verhalten sich Iteratoren wie Indices offenbar gibt es in vector spezielle Iteratoren: begin und end man kann Iterator dereferenzieren(wie pointer): Zugriff auf Daten darunter man kann iterator erhöhen (mit ihm rechnen): Zugriff auf Position

15 STL iteratoren Wozu Iteratoren? vector<int> v;... v.erase(v.begin() + 5); etwas langsamer als anderer Zugriff sicher! manche Operationen erfordern Iteratoren was ist eigentlich vector<int>::iterator? class VectorIterator }; template<typename T> class vector typedef VectorIterator iterator; };

16 STL container Container interface: sequentielle Container schon gesehen: push back auch möglich (deque,...) : push_front auch möglich: pop front/back zusätzlich: [ ] overload für indizierten Zugriff zusätzlich: at( ) member-function für indizierten Zugriff vector<cat> v; Cat meow_1(v.at(i)); Cat meow_2(v[i]); was ist der Unterschied? - Semantisch: keiner, aber......intern wird bei Verwendung von at auf Gültigkeit des Zugriffs überprüft und eine exception geworfen, falls dies nicht der Fall ist! Der access operator macht das nicht! Implikation: at ist langsamer aber sicherer!

17 STL container Container interface: sequentielle Container nochmal: es geht wie immer besser die STL arbeitet mit C++11 eng zusammen Beispiel: ranged for-loops vector<int> vec; vec.push_back(10); vec.push_back(111); for(auto v_i : vec) cout << v_i << endl; } Semantik: 'for all v_i in v'

18 STL algorithm Algorithmen der STL: sequence : z.b.: count, find sorting : z.b.: sort, partial sort, max, lower bound,... numeric : z.b.: accumulate, inner product,... #include <vector> #include <algorithm> #include <iostream> vector<int> v; vector<int>::iterator item; ostream_iterator<int> out(cout," "); // generate array for ( long i(0) ; i < 10; ++i) v.push_back(i); // shuffle the array random_shuffle( v.begin(), v.end() ); copy( v.begin(), v.end(), out ); // sort the array in ascending order sort( v.begin(), v.end() ); copy( v.begin(), v.end(), out );

19 STL Tutorial

20 nochmal Speicher pointer arithmetics Speicheraddressen sind pointer variables in C++ : wissen wir wie schlau sind die? int nvalue = 7; int *pnptr = &nvalue; cout cout cout cout << << << << pnptr pnptr pnptr pnptr << endl; + 1 << endl; + 2 << endl; + 3 << endl; was kommt z.b. raus wenn int 4 byte groß sind? 0012FF7C 0012FF FF FF88

21 nochmal Speicher pointer arithmetics nochmal, diesmal am Beispiel mit array arrays und pointer sind dasselbe: wissen wir Konsequenzen? int an_array[5] = 9, 7, 5, 3, 1 }; cout << *(an_array + 1) << endl; // prints 7

22 debugging mit gdb Führen Sie eine Speicherschutzverletzung mit pointer-arithmetics herbei PÜ verwenden Sie ein array dereferenzieren Sie einen pointer, der sich aus der Basisaddresse plus Addressarithmetik ergibt kompilieren Sie mit dem zusätzlichen flag '-ggdb' starten Sie den Debbugger mit 'gdb <executable>' starten Sie das Programm im Debugmodus mit 'run' rufen Sie den Aufrufstack ab mit 'bt' finden Sie die richtige Zeile mit 'list'

23 nochmal Speicher memory leaks wie entstehen Speicherlöcher? void do_something() int* pnvalue = new int; } wenn man diese function aufruft, wird Speicher alloziiert, der nie wieder freigegeben werden kann heap Variablen haben effektiv keinen scope der pointer schon! der pointer geht out of scope, wenn die function terminiert Speicherlöcher beeinträchtigen das Programm und alle anderen Programme im System

24 nochmal Speicher memory leaks noch mehr Beispiele: pointer reassignment int nvalue = 5; int* pnvalue = new int; pnvalue = &nvalue; // old address lost, memory leak results double-allocation int* pnvalue = new int; pnvalue = new int; // old address lost, memory leak results

25 memor y leak detection Führen Sie ein Speicherloch herbei PÜ machen Sie absichtlich einen der Fehler (pointer out-of-scope, pointer reassignment oder reallocation) wie auf den letzten Folien starten sie ihr Programm mit 'valgrind <executable>'

26 smar t pointer Das Problem: Vec<double>* a(new Vec<double>()); Vec<double>* b(a); delete a; //EVIL!!! b->data()[0] = 0; Die Lösung std::shared_ptr ist ein sog. smart pointer (auch auto-pointer) wir müssen uns nicht mehr um manuelles Löschen bemühen wird der DTOR von shared_ptr aufgerufen, wird nur wenn keine anderen Kopien mehr die Daten benötigen (ownership) gelöscht wichtig in Verbindung mit STL Containern!' #include<memory> //do not care about deletion std::shared_ptr<vec<double> > astl(new Vec<double>()); std::shared_ptr<vec<double> > bstl(astl);

27 smar t pointer Das Problem: vector<person*> persons; persons.push_back(new Producer("Knut")); was passiert, wenn man nun pop_back aufruft? implizit wird erst mal der Person* im Speicher des Containers gelöscht...der liegt ja auf dem Heap... drüber nachdenken - ist eine Übungsaufgabe

28 nochmal Speicher pointer und constness int nvalue = 5; int* const pnptr1 = &nvalue; //const pointer const int* pnptr2 = &nvalue; //pointer to const const int* const pnptr3 = &nvalue; //const pointer to const

29 nochmal Speicher references und pointer int nvalue = 5; Int* const pnvalue = &nvalue; Int& rnvalue = nvalue; *pnvalue = 6; rnvalue = 6;

30 call paradigm, retur n paradigm int foo1(bar b) } //call by value int foo2(bar& b) } //call by reference int foo3(bar* b) } //call by address int foo1() } //return by value int& foo2() } //return by reference int* foo3() } //return by address

31 pointers und lvalues class Foo public: float* get_data() return data; } private: float* data; }; Foo f; f.get_data() = new float[100000]; //will not compile, why?

32 pointers und lvalues class Foo public: float*& get_data() return data; } private: float* data; }; Foo f; f.get_data() = new float[100000]; //correct, but beware! An lvalue (locator value) represents an object that occupies some identifiable location in memory (i.e. has an address). Es gibt inzwischen fünf Arten von expressions. Uns reicht: Eine expression ist 'lvalue oder nicht'.

33 pointer und ar r ays mehrdimensionale arrays float matrix[30][500]; //set all values to zero for(unsigned long i(0) ; i < 30 ; ++i) for(unsigned long j(0) ; j < 500 ; ++j) matrix[i][j] = 0.f; } } float** matrix;... matrix = new float*[n]; for(int i(0) ; i < n ; ++i) matrix[i] = new float[m];...

34 Hardware und Software Hardware materielle Teile des Computers CPU + Arbeitsspeicher Persistenzspeicher (Festplatte) Grafikchip Mainboard, auf das alles aufgebracht ist

35 Hardware und Software Software erst einmal für uns: 'Programme' befindet sich bei der Ausführung im Arbeitsspeicher hauptsächlich: Anweisungen zur Informationsverarbeitung ein Betriebssystem ist ein solches Programm

36 Hardware Aufbau eines Computers 'in unserem Sinne' Zentraleinheit: Hauptprozessor CPU Arbeitsspeicher (random access memory RAM) zur kurzfristigen Speicherung von Informationen, Kennzeichen: klein, schnell, Informationen sind weg, wenn kein Strom mehr da Plattenspeicher (hard disk, storage) zur langfristigen Speicherung, Kennzeichen: gross, langsam, Informationen bleiben langfristig erhalten Eingabegeräte: Tastatur, Maus, etc. Ausgabegeräte: Monitor, Drucker, etc. Verbindung über Netzwerk: verschiedene Techniken je nach Anwendungszweck unterschiedliche Leistungsparameter

37 Hardware Die CPU: Von-Neumann Architektur Steuerwerk (CU) steuert die Ausführung von Programmen hat dafür eigenen Speicher (wichtig!) Rechenwerk (ALU) führt einfache arithmetische Operationen aus: addieren, multiplizieren Gemeinsamer Speicher für Programm und Daten I/O zum Bildschirm von der Tastatur, etc.

38 Hardware Jenseits der CPU... Hardware ist nicht so 'einfach' Hardware ist parallel Hardware ist verteilt im Folgenden: immer nur eine, normale CPU

39 Software I Betriebssystem (OS) Ein Betriebssystem ist die Software, die die Verwendung eines Computers ermöglicht. Es verwaltet Betriebsmittel wie Speicher, Ein- und Ausgabegeräte und steuert die Ausführung von Programmen, insbesondere: Benutzerverwaltung Laden und Ausführung von Programmen Verwaltung der Prozessorzeit Verwaltung des Speicherplatzes für Anwendungen Verwaltung der angeschlossenen Ger ate Verbindung zur Aussenwelt (Netzwerk)

40 Software I Betriebssystemkernel Betriebssysteme bestehen in der Regel aus einem Kern (kernel), der die Hardware des Computers verwaltet, sowie grundlegenden Systemprogrammen, die dem Start des Betriebssystems und dessen Konfiguration dienen. Beispiele für Betriebssysteme: Windows, Mac OS, Linux, Android, ios Zugang zum OS: Kommandozeile (lernen wir gleich kennen) grafische Benutzeroberfläche

41 Software II Compiler ein geschriebenes Programm nicht ohne weiteres für den Rechner verständlich vor der Ausführung durch den Rechner Umwandlung Notwendig Programm muss übersetzt werden Übersetzung durch Compiler erst danach Ausführung durch Rechner möglich auch Betriebssystem und Compiler sind Programme

42 Programmieru ng Definition Programmiersprache: formalisierte Sprache die Sätze bestehen aus Worten eines festgelegten Zeichenvorrats (Alphabet) gültige Sätze müssen anhand einer endlichen Regelmenge (Syntax) gebildet werden legt die Bedeutung (Semantik) eines Satzes fest Programm: eine Reihe von Sätzen, die in einer Programmiersprache formuliert sind

43 Programmiersprachen Arten maschinennahe Programmiersprachen: betrachten explizit Speicherzellen und Register hängen vom konkreten Prozessor und der Rechnerarchitektur ab Maschinensprache, Assemblersprache höhere Programmiersprachen: Abstraktion von der konkreten Hardware Cobol, Fortran, C, C++, Java Akademisches Interesse: Prolog, Lisp

44 Programmiersprachen Arten höherer Programmiersprachen imperative Sprachen: Pascal, C, C++, Java ablauforientierte Sicht persistenter Zustand wird schrittweise verändert funktionale Sprachen: Lisp, Haskell Problemlösung durch mathematische Funktionen beschreiben logische Sprachen: Prolog Problemlösung durch logische Formeln beschreiben Merke: Objektorientierung ist nur eine Ausprägung von imperativen Sprachen

45 Software III Linker Was ist in unserem HelloWorld Programm passiert? eine einzelne Datei, die den Quelltext (Sourcecode) enthält, wurde zu einem Programm (einer Objektdatei) compiliert:

46 Software III Linker Objekte nicht unbedingt aus einer Datei: das können ganze Bibliotheken sein! auch externe Bibliotheken (Wiederverwendung) unterscheide statisches/dynamisches Linken wir haben den Linker gerade implizit mitaufgerufen

47 Software III Linker Unter einem Linker oder Binder (auch: Bindelader) versteht man ein Computerprogramm, das einzelne Programmmodule zu einem ausführbaren Programm zusammenstellt (verbindet).