Kompaktkurs C++ Volker Reichelt. Frühjahr Institut für Geometrie und Praktische Mathematik RWTH Aachen

Transkript

1 Kompaktkurs C++ Frühjahr 2005 Volker Reichelt Institut für Geometrie und Praktische Mathematik

2 Kompaktkurs C++ Organisatorisches A 2 Vorlesung: 9:30-11:00, Hörsaal IV Diskussion: im Anschluss an die Vorlesung Übung: 13:00-15:00 im CIP-Pool des IGPM, Hauptgebäude (Messdach) freiwillige Übungsaufgaben Beratung zu C++, Compiler, Editor etc. Aufgaben können auch zu Hause bearbeitet werden Teilnahmebescheinigung am Ende des Kurses

3 Kompaktkurs C++ Heutige Themen A 3 Einleitung Vom Problem zum Programm Compiler und Betriebssystem Grundlagen der Programmierung in C++

4 Kompaktkurs C++ A 4 Einleitung Vom Problem zum Programm

5 Kompaktkurs C++ Bausteine eines Programms A 5 Aufgabe: Berechnung der Zinsen eines Girokontos Daten: Kontostände, Zinssätze Speicher Arithmetische Operationen: +, *, -, / CPU Ein-/Ausgabe: Daten einlesen, Zinsen ausgeben Peripherie Kontrollfluss: Reihenfolge der Operationen CPU

6 Kompaktkurs C++ Programmiersprachen A 6 Programmiersprache: Schnittstelle zwischen Mensch und Computer Wichtige Merkmale einer Programmiersprache: Programmierparadigma : Wie kann ich meine Probleme/Lösung formulieren? Effizienz Portabilität Es gibt mehrere Hundert Programmiersprachen! Was macht C++ hier aus?

7 Kompaktkurs C++ Programmiersprachen A 7 Abstrakte Problemstellung C++ (Weiterentwicklung von C): objektorientiert, portabel, für große Projekte geeignet i.next(); C (eng verknüpft mit Unix): Hochsprache, portabel, für mittelgroße Projekte geeignet ++i; Assembler: etwas abstrakter als Maschinensprache, nicht portabel inc ax Maschinensprache: 40 maximale Effizienz, nicht portabel, weit entfernt vom Problem Computer

8 Kompaktkurs C++ Vom Problem zum Programm A 8 Design Implementierung Wartung Problem Editieren Bugfixing Algorithmus Compilieren Fehler Portierung Programm entwurf Testen Fehler Modifikation Erweiterung

9 Kompaktkurs C++ Literatur A 9 Bjarne Stroustrup: Die C++ Programmiersprache (Deutsche Ausgabe der Special Edition) Addison-Wesley, 2000, ISBN X C++-Standard: ISO/IEC 14882:2003 Nicolai Josuttis: Objektorientiertes Programmieren in C++ Addison-Wesley, 2. Auflage, 2001, ISBN Scott Meyers: Effektiv C++ programmieren Addison-Wesley,1997, ISBN Andrei Alexandrescu: Modernes C++ Design Mitp-Verlag, 2003, ISBN Karsten Urban: Eine Einführung in C++ Shaker Verlag, Aachen, 1998, ISBN

10 Kompaktkurs C++ A 10 Compiler und Betriebssystem

11 Kompaktkurs C++ Compiler A 11 Der C++-Standard ist relativ jung und ziemlich umfangreich. Daher: Verwende möglichst aktuelle Compiler! Im Kurs wird g++ aus der GNU Compiler Collection (GCC) benutzt. Dieser Compiler ist freie Software und für viele Plattformen (z. B. Linux, Mac OS und Windows) erhältlich. Die aktuelle Version ist GCC Bei Linux und diversen anderen freien Betriebssystemen ist der C- Compiler aus GCC der Systemcompiler. Der C++-Compiler ist daher oft schon installiert oder kann einfach als Paket nachinstalliert werden. Für GCC unter Windows und kommerzielle Compiler zum kostenlosen Download siehe

12 Kompaktkurs C++ Arbeiten mit g++ A 12 Dateinamen haben üblicherweise die Form name.ext. Gebräuchliche Endungen sind: Endung Dateityp.c Quelldatei C.C,.cc,.cpp,.c++,.cxx Quelldatei C++.h Header-Datei C/C++ keine Header-Datei C++.i,.ii Präprozessor-Ausgabe.s Assembler-Datei.o Objekt-Datei (nicht gelinkt) keine,.exe ausführbare Datei (Programm)

13 Kompaktkurs C++ Arbeiten mit g++ A 13 Übersetzen eines Programms, das aus einer Datei besteht: g++ -o hello hello.cc Dasselbe mit Warnungen (-Wall -W -pedantic) und Optimierung (-O2): g++ -Wall -W -pedantic -O2 -o hello hello.cc Starten des Programms: hello bzw../hello Übersetzen eines Programms, das aus zwei Dateien besteht: g++ -o hello hello1.cc hello2.cc Dasselbe in Teilschritten: g++ -c hello1.cc g++ -c hello2.cc g++ -o hello hello1.o hello2.o (erzeugt hello1.o) (erzeugt hello2.o) (linken)

14 Kompaktkurs C++ Das Unix-Dateisystem A 14 Dateien (Files) werden in Verzeichnissen (Directories) abgelegt, die in einer Baustruktur geschachtelt sind. Der Weg von der Wurzel (Root) des Baums bis zur Datei ist der Pfad (Path): /home/volker/kurs/hello.cc Spezielle Verzeichnisse: / root-verzeichnis ~ Home-Verzeichnis (hier /home/volker). aktuelles Verzeichnis.. Vorgängerverzeichnis

15 Kompaktkurs C++ Wichtige Befehle A 15 man, info <Befehl> <Befehl> -h, --help Zeige Hilfe an Zeige Hilfe an ls pwd cd <Verzeichnis> mkdir <Verzeichnis> rmdir <Verzeichnis> Zeige Inhalt des aktuellen Verzeichnisses (List) Aktuellen Pfad zeigen (Print Working Directory) Wechsle in ein Verzeichnis (Change Directory) Erstelle neues Verzeichnis (Make Directory) Lösche Verzeichnis (Remove Directory)

16 Kompaktkurs C++ Wichtige Befehle A 16 cat, more, less <Datei> nedit, emacs, vi <Datei> Anzeige der <Datei> Bearbeiten der <Datei> cp <Datei1> <Datei2> cp <Datei1> <Verzeichnis> Kopiere <Datei1> nach <Datei2> bzw. in <Verzeichnis> mv <Datei1> <Datei2> mv <Datei1> <Verzeichnis> Benenne <Datei1> nach <Datei2> um bzw. verschiebe nach <Verzeichnis> rm <Datei> Lösche <Datei>

17 Kompaktkurs C++ A 17 Grundlagen der Programmierung in C++ Datentypen Rechenoperationen Kontrollstrukturen Ein- und Ausgabe

18 Kompaktkurs C++ Hello World! A 18 #include <iostream> // This is the world s most famous program! int main() { std::cout << "Hello World!" << std::endl; return 0; } Compilieren: Starten: Ausgabe: g++ -o hello hello.cc hello Hello World!

19 Kompaktkurs C++ Hello World! A 19 #include <Datei> lädt die Header-Datei Datei. iostream ist eine C++-Systembibliothek zur Ein- und Ausgabe. std::cout ist die Standardausgabe. // macht den Rest der Zeile zum Kommentar. Jedes Programm beginnt in der Funktion main: int main() {... } Jeder Befehl wird mit ; abgeschlossen. return 0; gibt den Wert 0 an das Betriebssystem zurück.

20 Kompaktkurs C++ Kommentare und Einrückung A 20 Programme müssen geschrieben, zum Laufen gebracht, verbessert, modifiziert, portiert, erweitert werden. Daher ist es wichtig, dass der Mensch das Programm leicht erfassen und verstehen kann (und nicht nur der Computer). Um das Arbeiten zu erleichtern: Code strukturieren (z. B. durch Einrücken) und kommentieren! So nicht: #include <iostream> int main(){std ::cout<<"hello World!"<<std:: endl;return 0;}

21 Kompaktkurs C++ Kommentare A 21 int main() { // einzeiliger Kommentar // und noch eine Zeile Kommentar return 0; // mehr Kommentar } /* */ /* */ dieser Kommentar geht ueber mehrere Zeilen // und enthaelt einen weiteren Kommentar Schachtelungen /* mit Stern-Schraegstrich */ sind nicht moeglich! Fehler!!!

22 Kompaktkurs C++ Einfache Datentypen A 22 ganze Zahlen: short (1), int (1), long int (1l) unsigned short (1u), unsigned int (1u), unsigned long int (1ul) Fließkommazahlen: float (1.0f, 1.3e2f), double (1.0, 1.3e-4), long double (1.3e-4l) Wahrheitswerte: bool (true, false) Zeichen: char ( A, \n ), wchar_t (L A ), signed char, unsigned char, signed wchar_t, unsigned wchar_t benutzerdefinierte Aufzählungstypen: enum Farben { Rot, Gelb, Gruen, Blau }

23 Kompaktkurs C++ Variablendefinition A 23 Jede Variable muss mit Typ Name; angelegt werden: int i; double Zahl; Mit Typ Name = Wert; wird die Variable gleichzeitig initialisiert: int j = 3; char c = X ; Man kann mehrere Variablen gleichzeitig definieren: bool b1 = false, b2; gültige Variablennamen: i x1 hello u_name LastMatrix var0 var1ab this_is_a_most_unusually_long_name INT _int ungültige Variablennamen: 3var a fool $sys int zahle.bis foo~bar

24 Kompaktkurs C++ Variablen A 24 #include <iostream> int main() { double c = 10.1, d = c; // Initialisierung std::cout << "c = " << c << "\nd = " << d << std::endl; double e; e = 20.2; std::cout << "e = " << e << std::endl; // Zuweisung int i, j = i; i = 3; std::cout << "j = " << j << std::endl; // j!= 3!!! } return 0;

25 Kompaktkurs C++ const A 25 Durch const wird verhindert, dass eine Variable nach der Initialisierung ihren Wert ändert: int main() { int i = 1; i = 2; // OK const int j = 1; j = 2; // Fehler int const k = 1; k = 2; // Fehler } return 0; Die beiden Schreibweisen const int und int const sind äquivalent. const int ist ein neuer Datentyp, der sich von int unterscheidet.

26 Kompaktkurs C++ Ausdrücke (Expressions) A 26 Ausdrücke besitzen einen Wert. Sie bestehen wiederum aus Unterausdrücken, die durch Operatoren verbunden sind: int main() { int x = 100, y = 2; x; // x == 100 x + y; // x + y == 102 x = y; // x == 2 x = * x - (y - 9); // x == 35 return x = y = 0; // x == 0, y == 0 } Der Ausdruck x + y besteht aus den Operanden (Argumenten) x, y und dem Operator +. Das Ergebnis der Operation (102) wird hier nicht weiter verwendet. Auch die Zuweisung x = y ist ein Ausdruck. Der Zuweisungsoperator liefert den Wert der linken Seite nach der Zuweisung zurück.

27 Kompaktkurs C++ Operatoren A 27 Die Operatoren haben unterschiedliche Priorität: Für arithmetische Operatoren gilt Punkt- vor Strichrechnung. Die Zuweisung hat eine niedrigere Priorität. Die meisten Operationen gleicher Priorität werden von links nach rechts durchgeführt, lediglich die Zuweisung wird von rechts nach links abgearbeitet: ; // (2-1) - 1 int x = 1, y = 2; x = y = 3 + 2; // x = (y = (3+2)) Durch Klammern kann die Reihenfolge geändert werden.

28 Kompaktkurs C++ Operatoren A 28 Arithmetisch: +x -x x+y x-y x*y x/y x%y (Divisionsrest) Vergleich: x==y (gleich) x!=y (ungleich) x<y x>y x<=y x>=y Logisch:!x (nicht) x&&y (und) x y (oder) Bitweise: ~x x&y x y x^y (xor) x<<y (Links-Shift) x>>y (Rechts-Shift) Zuweisung: x=y x+=y x-=y x*=y x/=y x%=y x&=y x =y x^=y x<<=y x>>=y Inkrement / Dekrement: ++x (erhöhen, auswerten) x++ (auswerten, erhöhen) --x x-- Sonstige: x?y:z (bedingter Ausdruck: wenn x, dann y, sonst z) x,y (Sequenz: werte erst x, dann y aus und gebe y zurück)

29 Kompaktkurs C++ Operatoren A 29 Eine Zuweisung ist kein mathematisches gleich : i = i + 1; // i wird um 1 erhoeht ++i; // so geht s auch Achtung: Eine Variable darf pro Ausdruck höchstens einmal geändert werden! Andernfalls zeigt das Programm undefiniertes Verhalten : i = ++i; // Undefiniert! Achtung: Einzelne Teilausdrücke müssen nicht in einer bestimmten Reihenfolge ausgewertet werden! Beispiel: i = 1; j = i * (++i); // j==2 oder j==4! Ausnahme: x&&y und x y. Hier wird erst die linke Seite ausgewertet. Wenn das Gesamtergebnis dann schon feststeht, wird die rechte Seite gar nicht mehr ausgewertet: (x!= 0) && (y/x > 1); // Im Fall x==0 wird y/x nicht berechnet!

30 Kompaktkurs C++ Verzweigungen A 30 #include <iostream> int main() { int a = 1, b = 3; if (a > 1) std::cout << "a ist groesser als 1" << std::endl; if (a > b) std::cout << "a ist groesser als b" << std::endl; else std::cout << "b ist groesser oder gleich a" << std::endl; } return 0;

31 Kompaktkurs C++ Verzweigungen A 31 Struktur der if-anweisung: if (Bedingung) Anweisung_A else Anweisung_B Der else-zweig ist optional: if (Bedingung) Anweisung_A Eine Anweisung ist entweder genau ein Befehl oder ein Block {... } if-anweisungen können geschachtelt werden. Bei den else-zweigen ist dann allerdings Vorsicht geboten: if (x) if (y) a; else b; if (x) { if (y) a; else b; } // etwas uebersichtlicher if (x) { if (y) a; } else b; // Das ist etwas anderes! Im Zweifelsfall Klammern {... } setzen!

32 Kompaktkurs C++ Verzweigungen A 32 #include <iostream> int main() { int x = 1, a = -2, b = 3; if (x >= a) { if (x <= b) std::cout << "x liegt in [a,b]" << std::endl; else std::cout << "x ist groesser als b" << std::endl; } else std::cout << "x ist kleiner als a" << std::endl; } return 0;

33 Kompaktkurs C++ Ein- und Ausgabe A 33 Die Ein- und Ausgabekanäle von Programmen werden auch als Streams bezeichnet. In C++ sind folgende Kanäle bereits vordefiniert: std::cout std::cerr std::cin Standardausgabe (Shell/Bildschirm) Ausgabe für Fehlermeldungen Standardeingabe (Shell/Tastatur) Ausgegeben wird mit dem Links-Shift-Operator <<, eingelesen mit dem Rechts-Shift-Operator >>. Streams sind meistens gepuffert! Eingaben werden erst nach Drücken der Return-Taste angenommen. Ausgaben erfolgen erst, wenn der Puffer voll ist oder mit std::flush (bzw. std::endl für \n << std::flush) explizit geleert wird: std::cout << "Start!\n"; // u.u. keine Ausgabe! std::cout << "Fertig!\n" << std::flush; // erzwingt Ausgabe

34 Kompaktkurs C++ Ein- und Ausgabe A 34 #include <iostream> int main() { int a, b; double d; std::cout << "Bitte zwei ganze Zahlen eingeben: "; std::cin >> a >> b; std::cout << "Bitte eine reelle Zahl eingeben: "; std::cin >> d; std::cout << "a + b = " << a + b << std::endl; std::cout << "a * d = " << a * d << std::endl; } return 0; Bitte zwei ganze Zahlen eingeben: 3 4 Bitte eine reelle Zahl eingeben: 2.3 a + b = 7 a * d = 6.9

35 Kompaktkurs C++ Beispiel: Berechnung des Anhalteweges A 35 #include <iostream> int main() { double Verzoegerung, // Verzoegerung [m/(s*s)] ReaktionsZeit, // Reaktionszeit [s] v0; // Geschwindigkeit [m/s] std::cout << "Verzoegerung [m/s^2] (>0): "; std::cin >> Verzoegerung; if (Verzoegerung <= 0) { std::cerr << "Die Verzoegerung muss positiv sein!" << std::endl; return 1; // Fehlercode } std::cout << "Reaktionszeit [s] : "; std::cin >> ReaktionsZeit; std::cout << "Geschwindigkeit [m/s] : "; std::cin >> v0; std::cout << "... ergibt einen Anhalteweg von " << v0*reaktionszeit + 0.5*v0*v0/Verzoegerung << " m" << std::endl; } return 0;

36 Kompaktkurs C++ Vorsicht Falle! A 36 Welche Werte haben x und y? double x = 1/3, y = 1./3; Welchen Wert hat i? int i = 3.0/0.3; Welche Werte haben x und y? bool x = 0 < 0 < 0, y = 1 < 1 < 1; Was kann hier schiefgehen? int i; std::cout << i << ++i << std::endl; Welchen Wert hat x bzw. der Ausdruck x = 0,1? double x; x = 0,1; Welchen Wert hat i bzw. der Ausdruck + + i? int i=0; + + i; Welchen Wert hat i bzw. der Ausdruck i>0? unsigned int i = 1; i= -i; i>0;