Programmierkurs. SoSe Markus Geveler Inst. f. Applied Mathematics, TU Dortmund.

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1 Programmierkurs SoSe 2013 Markus Geveler Inst. f. Applied Mathematics, TU Dortmund

2 Lesson 8 Was machen wir heute hier? mehr zu pointern und Speicher mehr zu pointern und Polymorphie mehr zu Klassen und Klassenhierarchien operator overloading C++ standard library C++ Standard Template Library (STL)

3 Speicher So verwendet man pointer sicher struct House House* left_neighbour; House* right_neighbour; ; wie initialisiert man diese member? wie testet man, ob es überhaupt Nachbarn gibt?

4 Speicher So verwendet man pointer sicher struct House House* left_neighbour; House* right_neighbour; ; wie initialisiert man diese member? wie testet man, ob es überhaupt Nachbarn gibt? struct House House() : left_neighbour(nullptr), right_neighbour(nullptr) ; House* left_neighbour; House* right_neighbour;

5 Speicher So verwendet man pointer sicher struct House House() : left_neighbour(nullptr), right_neighbour(nullptr) ; House* left_neighbour; House* right_neighbour; House h;... if(h.right_neighbour == nullptr) h.right_neighbour = new House();

6 Speicher Abschließendes dazu dieses Thema ist so komplex, dass es selbst ganze Bücher darüber gibt nur fortwährender praktischer Einsatz bringt die nötige Erfahrung die Übungen hier sind ein guter Startpunkt dafür oder:

7 Speicher Achtung schwierig! Wer das ohne viel Hilfe schafft, ist schon sehr gut! PÜ fügen Sie ihrer Klasse Producer einen private member vom Typ Consumer** hinzu ändern Sie den CTOR so, dass diese member variable als array von Consumer* Objekten angelegt wird. Die Anzahl der Consumer soll per CTOR gesetzt werden können fügen Sie ihrer Klasse eine member-function 'consumer(...)' hinzu, die an einer gegebenen Stelle dem array einen neuen Consumer hinzufügt fügen Sie ihrer Klasse einen DTOR hinzu, die das ganze Consumer-array aufräumt. Achten Sie dabei darauf, dass nur dann Consumer Objekte freigegeben Werden können, wenn sie auch existieren!

8 Polymorphie Wir erinnern uns: Bäcker waren auch Personen was heisst das noch mal? allgemein: Objekte von Typ einer Klasse erben auch den Typ einer Oberklasse. D.h. wir können je nach Situation einen Bäcker als Person oder als Bäcker auffassen! Beispiel für eine Basisklasse: class Person public: std::string get_name() return name; Person(std::string n) : name(n) protected: std::string name; ;

9 Polymorphie Und jetzt? class Producer : public Person public: Producer(std::string n) : Person(n) std::string get_name() return "Producer " + this->name; ; void produce() std::cout << "Producer " << name << " producing!" << std::endl; function get_name wird überschrieben (member function overwrite) was ist der Unterschied zu overloading?

10 Polymorphie Und jetzt? Person p("p"); Producer pr("pr"); //use objects as instances of their actual class std::cout << p.get_name() << std::endl; std::cout << pr.get_name() << std::endl; //as opposed to: Person * pp(&p); Person * prp(&pr); std::cout << pp->get_name() << std::endl; std::cout << prp->get_name() << std::endl; //get it right std::cout << pp->get_name() << std::endl; std::cout << ((Producer*)prp)->get_name() << std::endl; //use function exclusively accessible for subclass ((Producer*)prp)->produce(); Merke: Polymorphie in C++ bedeutet: pointer auf Objekte eines Typs sind typkompatibel mit pointern auf Instanzen der (aller) Oberklasse(n)

11 class hierarchies virtual member functions class Person public: virtual std::string get_name() return name;... protected: std::string name; ; virtual erzwingt, dass die function in jeder Unterklasse Überschrieben werden muss (jede muss ihre eigene Version haben)

12 class hierarchies pure virtual member functions class Person public: virtual std::string get_name() = 0;... ;... //ERROR! not valid: Person p;... //valid: Producer p("p"); Person* pp(&p); man kann auch dafür sorgen, dass Klassen nicht instanziiert werden können! dafür: pure virtual functions: functions, die mit '= 0' deklariert werden Klassen mit mindestens einer pure virtual function heissen abstract class und können nicht instanziiert werden trotzdem kann man pointer dieses Typs erzeugen!

13 static member 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 Zugri mit scope operator :: drüber reden: wozu? am Beispiel

14 operator overloading 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?

15 operator overloading 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?

16 operator overloading 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...

17 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 einschlieenden 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

18 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;

19 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:

20 C++ standard lib Tutorial

21 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)

22 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

23 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

24 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; ;

25 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!

26 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'

27 STL 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);

28 STL 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

29 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 );

30 STL Tutorial