Angewandte Mathematik und Programmierung Einführung in das Konzept der objektorientierten Anwendungen zu wissenschaftlichen Rechnens mit C++ und Matlab SS2013
Organisatorisches Dozenten Gruppe: Ango (2.250), Ludger Buchmann(2.250) Webseite: http://www.gm.fh-koeln.de/~afomusoe Fachemail: OOP_AngewandteMathe_FHKOELN@yahoogroups.com Sprache: Deutsch und Englisch Voraussetzung: keine Unterlagen: Vorlesungsfolien, Skript, RRZN/Uni Hannover - C++ für C-Programmierer(1998) und RRZN/Uni Hannover Grundlagen der Programmierung mit Beispielen in C++ und Java(2000) Sprechstunden: Mittwochs bis Freitags(09:30-11:30 und 13:00-14:30) Erwartungen: Aktive Teilnahme an Vorlesung und Übung ( Punktsystem ) Aktives eigenständiges Programmieren (mind. 1 Übungsaufgabe pro Rubrik!) Auseinandersetzen mit den Übungsaufgaben, zumindest Fragen formulieren können! Gemeinsam Spaß beim Studium von C++ und OOP Programmierung haben Angewandte Mathematik und Programmierung 2
C++ Tools Zur Programmierung benötigen Sie einen Editor und einen Compiler: Sie wissen schon: Programme werden als einfacher (ASCII-)Text in einem Editor aufgesetzt. Es gibt einfache bis komplexe Editoren mit sehr schönen Benutzeroberfläche. Wir werden ein Paar Exemplare benutzen. Alles was wir brauchen: Mingw GCC für C++ Hilfsprogram Notepad++ (Hilfsprogramm zum Kodieren) Dev-C++ Visual C++ 2010 Express Merken: Vermeiden Sie jede Art von Ablenkung. Verwenden Sie nur diese Tools für die ganze Vorlesung. Bitte für die Tests, reichen Sie nur die Quelldateien ein. Programmierung und Angewandte Mathematik 3
Compiler Die genaue Handhabung der Compiler variiert sehr stark von System zu System. Zum Beispiel in UNIX mit Kommandozeile oder Makefiles starten und MS- DOS/Windows meist mit integrierten grafischen Oberflächen. Steht das Programm komplett in einer Datei progname.cpp, dann lässt es sich beispielsweise mit dem Mingw GCC Compiler auf jedem System übersetzen mit dem Aufruf "g++ progname.cpp -o progname" und starten mit "progname" -o in diesem Sinne bedeutet Output Ordner, und progname ist der Ordner. progname ist ein Executable Datei. Also progname.exe Der Compiler g++ kompiliert progname.cpp pp und erstellt die progname.exe Programmierung und Angewandte Mathematik 4
Reservierte Schlüsselwörte in C/C++ Auto, const, double, float, int, short, struct, unsigned, break, continue, else, for, long, signed, switch, void, case, default, enum, goto, register, sizeof, typedef, volatile, char, do, extern, if, return, static, union, while, virtual. Programmierung und Angewandte Mathematik 5
Datentypen Für die Verarbeitung von Informationen in einem Programm müssen im Speicher des Rechners Plätze (Variablen) zur Aufnahme dieser Informationen reserviert werden. Bevor diese Variablen benutzt werden können, müssen sie zuerst deklariert werden. Dies geschieht am Anfang einer Funktion vor allen ausführbaren Anweisungen. Prinzipiell gibt zwei Arten von Datentypen, die Primitive (vorgegeben) und Nicht- Primitive (Benutzerdefiniert) aber Unter einem Datentyp versteht man eine Zusammenfassung von Wertebereichen und Operationen zu einer Einheit. Anstelle von Datentyp wird mitunter der Begriff Wertart verwendet. Programmierung und Angewandte Mathematik 6
Datentypen- Für später! benutzerdefinierte Datentypen (user-defined types) Die Ableitungsvorschrift ist Bestandteil eines Programms. Der Datentyp wird vom Programmierer als Benutzer der Programmiersprache eingeführt. Programmierung und Angewandte Mathematik 7
Elementare Datentypen Elementare Datentypen sind Integer (Teilbereich der ganze Zahlen) Real (Teilbereich der reellen Zahlen) Boolean (Wahrheitswerte) Char (Zeichen aus einem bestimmten Zeichensatz) Diese Datentypen sind in den meisten Programmiersprachen - oft in verschiedenen Varianten vordefiniert (oder vorgegeben) Alle anderen Datentypen lassen sich aus den elementaren Datentypen ableiten (konstruieren). Die Werte der elementaren Datentypen sind skalar, unterscheiden sich syntaktisch eindeutig voneinander. Programmierung und Angewandte Mathematik 8
Deklaration von elementare Datentypen Die Deklaration führt einen Namen ein und ordnet ihm einen Typ zu. Siehe Beispiele: Anhang! Programmierung und Angewandte Mathematik 9
Datentypen Abgeleitete Datentypen Mit Hilfe von Konstruktoren kann aus einem oder mehreren Basisdatentypen ein neuer Datentyp abgeleitet werden. Als Basisdatentyp kommen elementare oder zuvor abgeleitete Datentypen in Frage. Vordefinierte abgeleitete Datentypen Diese Datentypen sind nicht in allen Programmiersprachen vordefiniert, Beispiele sind String (Zeichenketten) Complex (komplexe Zahlen) Sind derartige Datentypen vordefiniert, so kann mit ihnen wie mit elementaren Datentypen gearbeitet werden. In anderen Sprachen müssen diese Datentypen aus den elementaren Datentypen abgeleitet werden, also z.b String aus Char und Complex aus Real. Programmierung und Angewandte Mathematik 10
Deklaration und Definition Definition und Deklaration sind zwei verschiedene Dinge in C++ oder in der Programmierung überhaupt. Eine Deklaration informiert den Compiler über die Eigenschaften etwa von einem Typen oder einer Funktion, definiert aber keinen Code, der im ausführbaren Programm verwendet wird. Also namens Gebung von Variablen und Methoden. Wenn wir ein struct/method/klasse/variable deklarieren, deklarieren wir im Grunde nur ein Muster. Beispiel: void hallo(); // Deklaration von "hallo" (ohne Definition) Eine Definition andererseits, definiert etwas, das im ausführbaren Programm tatsächlich existiert, etwa eine Variable oder Code-Zeilen. void hallo(){ ::std::cout << "Hallo!\n"; } // Definition von "hallo" ***int main(){ hallo (); Return 0; } // Verwendung von "hallo in main Angewandte Mathematik und Programmierung 11
Paradigmen Der Schwerpunkt in dieser Vorlesung liegt auf der Vermittlung objektorientierter Programmiermethoden, in einfacher und anschaulicher Form, anhand zahlreicher konkreter Beispiele und Übungsaufgaben. Wichtig! Ob die Programmiersprache nun C++, Java, Visual Basic oder einen anderen Namen trägt, ist sekundär; Wichtig ist das Verständnis der dahinter stehenden Grundkonzepte. Objektorientierte Programmierung ist ein Paradigma. Paradigma: Ein Beispiel, das als Muster oder Modell dient. Vier vorwiegend bekannte Haupttypen: Prozedurale/Imperative Logische Funktionale Objektorientierte Angewandte Mathematik und Programmierung 12
Paradigmen Viele von Ihnen haben bisher nur prozedurale programmiert. Imperative /prozedurale Paradigma: Die Funktionen stehen im Vordergrund. Mit bedingten Anweisungen und Sprung-Anweisungen können Programmteile übersprungen oder wiederholt werden. Bei prozeduralen Programmiersprachen werden zu lösende Probleme in Teilprobleme aufgeteilt -auch Funktionen (C/C++) bzw. Prozeduren (Modula, PASCAL) genannt. Angewandte Mathematik und Programmierung 13
Paradigmen Funktionale- Paradigmen: Menge von Funktionsdefinitionen und einem Ausdruck. Typischer Vertreter ist die Sprache LISP. Logische-Paradigmen: Hier werden nur Fakten und Regeln angegeben. Problemlösung wird nicht genauer spezifiziert, sondern vom Interpreter-Programm erstellt. Man kann Logische Paradigmen in Prolog und SQL sehen. Unterschiede: Funktionale und logische Stille trennen sehr klar die WELCHE Aspekte eines Programms (Programmierer Verantwortung) und die WIE Aspekte (Durchführungsbeschlüsse). Imperative/prozedurale p und objektorientierte Programme enthalten im Gegensatz sowohl die Spezifikation und die Details der Implementierung, sie sind untrennbar miteinander verbunden. Angewandte Mathematik und Programmierung 14
Paradigmen- objektorientiert Hier stehen die Daten (Eigenschaften) und nicht die Funktionen oder Prozeduren des Programms im Vordergrund. Die Daten werden in Objekten gekapselt (Information hiding), die auch über Funktionalitäten verfügen, um die Daten zu ändern. In diesem Zusammenhang spricht man jedoch nicht von Funktionen, sondern von Mthd Methoden. Programme werden aus verschiedenen Objekten aufgebaut. Beispiel-Sprachen: C Sprache wurde im Hinblick auf objektorientierte i Programmierung zu C++ weiterentwickelt. C++ ist hybrid aus imperativem/prozeduralem C und objektorientierten Erweiterungen aufgebaut. Heute ist Java neben C++ state of the Art. Angewandte Mathematik und Programmierung 15
C und C++ - was ist neu in C++? Objektorientierte Konzepte : Klassen, Vererbung (auch Mehrfachvererbung), Kapselung, Polymorphismus, Function Overriding und Overloading, Operator Overloading Viele Ähnlichkeiten mit Java, aber auch einige Unterschiede im Detail Klassen als benutzerdefinierte Typen Referenzen : Verstecken e e von Daten Garantierte Initialisierung und Finalisierung Steuerbare implizite Typumwandlung Dynamische Typung (Bindung) Eine Referenz ist ein Alias für ein existierendes Objekt; wird intern typischerweise durch Pointer realisiert Spielt bei der Parameterübergabe by reference an eine Funktion und bei Operator Overloading eine wichtige Rolle Angewandte Mathematik und Programmierung 16
C und C++ - was ist neu in C++? Templates : Exceptions Namespaces Zur Parametrisierung von Klassen oder Funktionen Zur standardisierten Fehlerbehandlung, ähnlich wie in Java Ähnliches Konzept wie Packages in Java; vor allem um Namenskollisionen zu vermeiden (z.b. zwei mal denselben Namen für eine Klasse), relativ neu in C++ Angewandte Mathematik und Programmierung 17
C und C++ - was ist neu in C++? Syntaktische Details Datentyp bool, Kommentare mit //, Datentypkonversion mit Funktionsschreibweise type(...), Deklaration von Variablen nicht nur am Anfang eines Blocks, Default-Werte für Argumente in Funktionen/Methoden C++ Standard Library Komplette C Standard Library, plus neue Funktionalität iostream Library: Als Eratz (oder besser als zweite Möglichkeit) der Input/Outpt Funktionen (stdio.h) der C Standard Library Standard Template Library (STL): Klassen für vectors, queues, lists etc. Angewandte Mathematik und Programmierung 18