Willkommen! Informatik I/II PVK. 2 Über mich Name: Benjamin Knecht Vertiefungsrichtung: Computer & Netzwerke Hilfsassistent für Technische Informatik.

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1 Willkommen! Informatik I/II PVK

2 2 Über mich Name: Benjamin Knecht Vertiefungsrichtung: Computer & Netzwerke Hilfsassistent für Technische Informatik I/II Projektleiter für Orxonox (www.orxonox.net)www.orxonox.net Verwendung von Programmiersprachen im Studium 1. Semesterarbeit (Symbian C) 2. Semesterarbeit (Java) Masterarbeit (C++)

3 Informatik I/II PVK3 Kursablauf Montag: Grundlagen in C/C++ Dienstag: Objektorientierung in C++ und mögliche Prüfungsaufgabe Mittwoch: Einführung in Java und Unterschiede zu C++ Donnerstag: Konzepte der OO- Programmierung (Bäume, Backtracking, Spieltheorie etc.) Freitag: Prüfungsaufgaben für Informatik II, Fragen und Vertiefung Slides sind auf: www.benjaminknecht.ch/info-pvkwww.benjaminknecht.ch/info-pvk

4 Informatik I/II PVK4 Was wird besprochen? Inhalt der Zusammenfassung Grundlagen zum Verständnis von C/C++ und Java Programmierkonzepte Prüfungsaufgaben Falls erwünscht Übungsaufgaben

5 Informatik I/II PVK5 Fragen Fragen bitte sofort stellen bei … Unklarheiten Fehler meinerseits Anregungen zum Kursablauf mehr Theorie? mehr eigenständiges Arbeiten? Besprechung bestimmter Übungen

6 Informatik I/II PVK6 Ablauf heute Allgemeines zum Programmieren Variablen und Basistypen Operatoren Schleifen Arrays und Pointer char-Array (string) Referenzen Funktionen

7 Informatik I/II PVK7 Programmieren allgemein Implementierung von Algorithmen Berechnungen Such-Algorithmen Verarbeitung von Daten Datenbanken Simulieren von Abläufen Spiele etc...

8 Informatik I/II PVK8 Erstellung eines Programms Compiler Quellcode Assembler Assemblerprogramm Maschinencode Linker Ausführbares Programm Lader/Binder Programm im Speicherbereich Instruktionen... Program Counter Variablen... Bibliotheken Hauptspeicher

9 Informatik I/II PVK9 Compiler – gcc und g++ Compiler für C++ (g++) Kompilieren g++ -g –c file1.cpp –I ~/include/ Linken g++ -Wall -o myprog myprog.o file1.o –L ~/lib/ -lmylib

10 Informatik I/II PVK10 Fehler Kompilierfehler (z.B.: Syntaxfehler) Linkerfehler (fehlende Bibliothek) Laufzeitfehler (runtime error) Fehler der zur Zeit des Kompilierens nicht klar war segmentation fault (Fehler bei Speicherzugriff)

11 Informatik I/II PVK11 Variablen & Basistypen Wir kennen folgende Basistypen charchar c = 'A'; (ASCII-Satz) intint i = 100231564; doubledouble d = 3.123456; floatfloat f = 3.23f; boolbool isTrue = true; Speicherplatz der Datentypen abhängig von Betriebssystem sizeof Operator findet Grösse des Typs Rundungsungenauigkeit bei Fliesskommazahlen

12 Informatik I/II PVK12 Definitionsbereiche Befinden sich in Definiert als CHAR_MIN, SCHAR_MAX, UINT_MIN, DOUBLE_MAX etc. unsigned und signed Erstes Bit wird für Vorzeichen benötigt Variablen laufen über kann nur schwer geprüft werden

13 Informatik I/II PVK13 Namenskonvention Variablennamen dürfen '_', 'a-z', 'A-Z' und '0-9' enthalten. Verboten: Zahlen am Anfang __ am Anfang (zwei '_') _Grossbuchstaben Keywords Empfohlen wird camelCase für Variablen und für Klassennamen CamelCase Mehr gute Styletipps: http://www.orxonox.net/wiki/c++_styleguide http://www.orxonox.net/wiki/c++_styleguide

14 Informatik I/II PVK14 Typenkonversion Implizite Konvertierung int i = 3.425; // i == 3 Explizite Konvertierung (float)15/4 Typenkonversion hat höhere Präzendenz als /

15 Informatik I/II PVK15 Null Basistypen haben alle einen speziellen Null- Wert int0 double0.0 float0.0f char'\0' boolfalse (Pointer)null

16 Informatik I/II PVK16 Arithmetische Operatoren 5 bekannte arithmetische Operatoren +, -, *, /, % Lesevorgang von links nach rechts Unterschiedliche Präzedenz *, /, % binden stärker als +, - Präzedenzliste in Zusammenfassung

17 Informatik I/II PVK17 Verkürzte Operatoren ++, --, +=, *= etc. i++; ist eine Kurzform von i=i+1; i--; entspricht i=i-1; achte auf Unterschied von i++ und ++i i+=3; ist eine Kurzform von i=i+3; etc.

18 Informatik I/II PVK18 Anweisungen Werte werden kopiert mit = int a = 3; int b = a; // Kopie von Integer Deklaration schafft bereits Speicherplatz, aber noch undefiniert Wird erst bei grösseren Objekten wichtig

19 Informatik I/II PVK19 Vergleichsoperatoren Vergleichsoperatoren erzeugen einen boolschen Ausdruck ==, !=,, >= lässt sich immer nach true oder false auswerten bool tiny = number <= 0.000001; true 1false 0 0 false!= 0 true Achtung == nie mit = verwechseln!

20 Informatik I/II PVK20 Logische Operatoren Logische Operatoren verknüpfen boolsche Ausdrücke &&, ||, ! bool b = 17 < a && a < 30; auf keinen Fall 17 < a < 30 ist immer true b != 0 && a/b < 1.3 sollte b == 0 gelten, teilen wir bei a/b durch 0 obiger Ausdruck wird aber fehlerfrei ausgewertet, weil ein false auf der linken Seite weiteres Auswerten erübrigt

21 Informatik I/II PVK21 Bit Operatoren Bitoperatoren verändern Werte auf Bitebene >, |, &, ^, ~ es gibt auch verkürzte Versionen (<<= etc.) i >>= 1; entspricht i /= 2; Vorsicht: ^ ist nicht für Exponenten sondern XOR- Operation ~ nicht mit boolschem ! verwechseln

22 Informatik I/II PVK22 Scopes Scopes werden mit {, } eingegrenzt Variablen sind nur innerhalb ihres Scopes sichtbar Scopes können beliebig verschachtelt werden Existieren Variablen mit gleichem Namen, so zählt die lokalere Variable

23 Informatik I/II PVK23 Scopes Beispiel int a = 3; int main() { double b = a*3.14159; { char a = 'h'; b -= a; b += ::a; } a++; return 0; } Obwohl die Variable a mehrmals deklariert wird, ist folgender Code korrekt. Wegen dem Scope ist klar, für welche Bereiche a ein int ist und wann ein char ::a holt vom Scope versteckte, globale Variablen hervor

24 Informatik I/II PVK24 if-else Statements if (Bedingung1) { Anweisung1; // Falls Bedingung1 wahr } else { Anweisung2; // Falls Bedingung1 falsch }

25 Informatik I/II PVK25 if-else Statements Vorsicht bei einzeiligen if-Statements und Verschachtelung if (x < 0) if (y != 0) // do something else if (y != 0) // do something else

26 Informatik I/II PVK26 if-else Statements else gehört zu zweitem if if (x < 0) if (y != 0) // do something else if (y != 0) // do something else

27 Informatik I/II PVK27 Inline if Wenn man einen Ausdruck schnell testen will (Bedingung) ? wahr : falsch Bsp: int a = (x > 0) ? x : 0; Gilt aber generell als schlechter Programmierstil

28 Informatik I/II PVK28 switch Statement switch (Integerausdruck) { case Konstante1: Anweisung1; break; case Konstante2: case Konstante3: Anweisung2; break; default: Standardanweisung; } Integerausdruck kann auch ein char sein

29 Informatik I/II PVK29 for, while und do-while Schleife for (Initialisierung; Bedingung; Update) {} while (Bedingung) {} do {} while (Bedingung) for (int i = 0, int j = 1; j < size; i++, j++) Ist Bedingung leer, so ist sie immer true Vorzeitiges abbrechen (break) oder weiterfahren (continue) möglich. Ansonsten Ausführung bis Bedingung falsch. Alle Schleifen sind gegenseitig austauschbar

30 Informatik I/II PVK30 Arrays Arrays sind fixe Bereiche einer konstanten Länge und eines beliebigen Typs im Speicher Deshalb müssen Arrays auch mit einer Konstanten deklariert/initialisiert werden int days[30]; // 30 ist konstant int days[30] = {20, 21, 24, 32, 24, 20, 16}; int days[] = {20, 21, 24}; // size 3 Der Index des Arrays geht von 0 bis length-1 int t = (days[0] + days[1])/2; Wird auf ein Element ausserhalb der Grösse des Arrays zugegriffen wird ein Laufzeitfehler ausgelöst

31 Informatik I/II PVK31 Mehrdimensionale Arrays Arrays können auch beliebig mehrdimensional sein int test[][2] = {{1,2},{2,3},{4,5}}; Grösse des Arrays kann aber nur für erste Dimension wie oben automatisch erkannt werden int test[][] = {{1,2},{4,5}}; Geht also nicht

32 Informatik I/II PVK32 Char-Arrays Eine besondere Sorte von Arrays sind die char-Arrays oder Strings char name[] = Stefan; Strings sind terminiert mit dem null-char '\0' Das obere Array hat also die Länge 7 Vorsicht: 'a' + 'b' wird nicht zu ab. Stattdessen werden ASCII werte addiert. Weil char-Arrays so grauenhaft sind, wird in C++ ein string Object zur Verfügung gestellt char-Arrays sind in der Regel also zu vermeiden

33 Informatik I/II PVK33 Pointer Ein Pointer zeigt irgendwo auf den Speicher Variable Funktion etc. int number = 100; int* pt = &number; *pt = 200; & liefert die Speicheradresse einer beliebigen Variable Mit * kann man den Pointer wieder dereferenzieren und auf den Wert an der Speicheradresse zugreifen. Je nach Architektur ist ein Pointer nur wenige Bytes gross (Adresse im Speicher)

34 Informatik I/II PVK34 Pointer 2 Pointer sind meistens von einem Datentyp. Es gibt aber auch den void-Pointer (void)* pt = (void*)&a; Oder aber einen Pointer auf einen Pointer int a = 5; int* b = &a; int** c = &b; Vorsicht bei solchen Deklarationen double *p1, p2; Die Pointer Variable hat jedoch ihren eigenen Typ

35 Informatik I/II PVK35 Arrays sind ja nur Pointer Die Variable des Arrays zeigt auf das erste Element im Speicher int a[] = {1,5,9,4,8,6} 1 5 9 4 8 6... a

36 Informatik I/II PVK36 Arrays sind ja nur Pointer Die Variable des Arrays zeigt auf das erste Element im Speicher int a[] = {1,5,9,4,8,6} 1 5 9 4 8 6... a int* b = a;,b

37 Informatik I/II PVK37 Arrays sind ja nur Pointer Die Variable des Arrays zeigt auf das erste Element im Speicher int a[] = {1,5,9,4,8,6} 1 5 9 4 8 6... a int* b = a; b = &a[3]; b

38 Informatik I/II PVK38 Arrays sind ja nur Pointer Die Variable des Arrays zeigt auf das erste Element im Speicher int a[] = {1,5,9,4,8,6} 1 5 9 8 6... a int* b = a; b = &a[3]; b *b = 10; 10 Es können also mehrere Pointer auf ein Ziel zeigen oder auf Teile von Objekten

39 Informatik I/II PVK39 Referenzen Eine Referenz ist ein Alias einer anderer Variable (also ein anderer Name, aber die gleiche Stelle im Speicher) int fussball = 11; int& soccer = fussball; keine Kopie des Wertes Eine Referenz muss beim Deklarieren initialisiert werden und kann ihre Speicheradresse nachher nicht mehr ändern Eine Referenz verhält sich wie ein Pointer der bereits dereferenziert wurde.

40 Informatik I/II PVK40 Dynamische Speicherverwaltung Bisher war bereits zu Compilezeit klar wieviel Speicher genutzt wird. Man kann aber auch zur Laufzeit Speicher allozieren. Dies macht man mit dem new-Operator double* p_value = new double; Der new-Operator gibt immer einen Pointer des erzeugten Typs zurück. Also die Adresse des allozierten Speicher.

41 Informatik I/II PVK41 Dynamische Speicherverwaltung Speicher der mit new alloziert wurde wird nicht mehr am Ende des Scopes freigegeben. Deshalb muss der Programmierer alles was er mit new erzeugt hat irgendwann auch selbst wieder mit delete löschen. Ansonsten gibt es Memory Leaks double* p_value = new double;... delete p_value;

42 Informatik I/II PVK42 Dynamische Arrays Arrays können jetzt auch dynamisch erstellt werden (also nicht mit konstanter Länge) int* a_ptr = new int[10]; delete [] a_ptr; Alle Pointer (ausser void-Pointer) kann man inkrementieren a_ptr+1 == &a_ptr[1] *(a_ptr+2) == a_ptr[2]

43 Informatik I/II PVK43 Funktionen typenName funktionsName (argumentenListe) { Anweisungen; return value; } Sowohl typenName als auch argumentenListe kann void sein Bei einem Funktionsaufruf werden Argumente und Rückgabewert hin und her kopiert.

44 Informatik I/II PVK44 Inline Funktionen Bei einem konventionellen Funktionsaufruf passiert dies: Speichern der aktuellen Adresse (für Rücksprung) Sichern von lokalen Variablen Kopieren der Argumente Abarbeiten der Funktion Kopieren des return-values Rücksprung Wiederherstellung des Ausgangszustandes Deshalb gibt es inline-Funktionen, welche direkt in den Code kopiert werden. inline double square(double x) { return x*x; }

45 Informatik I/II PVK45 Call by Value double cube(double x) { return x*x*x; } Bei kleinen Werten wie double kein Problem, aber was ist mit grösseren Objekten wie zum Beispiel Arrays?

46 Informatik I/II PVK46 Functioncall für Arrays int smallest(int arr[]); Da ein Array aber auch ein Pointer ist könnte man das auch so schreiben: int smallest(int* arr); Das gilt natürlich nicht nur für Arrays sondern auch für Pointer allgemein. Dieser Aufruf kopiert das Array nicht, sondern nur die Adresse Das heisst aber auch, dass alle Veränderungen auf den Originaldaten stattfinden!

47 Informatik I/II PVK47 Call by Reference int devide(double& x, double q) { if (q != 0) { x /= q; return 0; } return 1; } Ändert den Originalwert von x x muss nicht dereferenziert werden Rückgabewert gibt an, ob die Operation geglückt ist

48 Informatik I/II PVK48 Default Argumente double pow(double x, int e = 2); Defaultwerte werden nur in den Prototypen gesetzt. Dies erzeugt eigentlich zwei Funktionen (eine mit und eine ohne das zweite Argument) pow(2.0); // ist 2^2 (= 4) pow(2.0, 3); // ist 2^3 (= 8) Defaultargumente müssen immer zuletzt stehen double pow(int e = 2, double x); ist also nicht erlaubt

49 Informatik I/II PVK49 Functionpointer Prototypen kennen wir ja schon: double f(double x); Funktionspointer sind einfach Pointer auf den Speicher wo die Funktion sich befindet double (*pf)(double); Dieser Functionpointer kann auf alle Funktionen zeigen die einen double annehmen und einen double als Rückgabewert haben. Ein Aufruf geht dann ganz einfach: pf = f; double result = pf(8.23);

50 Informatik I/II PVK50 Templates Eine Funktion (oder sogar Klasse) kann für unterschiedliche Typen erzeugt werden. template void Swap(Any &a, Any &b) { … } Beispiele dazu wären vector<> und list<> Der Compiler erzeugt jeweils die Funktionen einzeln für jeden Typ on demand

51 Informatik I/II PVK51 Prüfungsaufgabe 1 Programmanalyse Meistens eine Funktion gegeben und deren Funktion gefragt. Vorgehen: Verschiedene Werte ausprobieren und Resultate vergleichen Array-Zustände mitnotieren Auf Syntax achten Keywords

52 Informatik I/II PVK52 Prüfungsaufgabe 1 Schreiben Sie für die folgenden drei Teilaufgaben jeweils den Inhalt des Arrays a in die dafür vorgesehene Tabelle. Die Werte des Arrays werden dabei von einer Teilaufgabe zur nächsten übertragen. Das Array a werde an der Adresse 100 angelegt. int a [8] = {2,4,6,8,10,12,14,16}; a[3] = 5; *a = a[6]; a[6] = (int)a; int* b = &a[4]; for (int i=0; i<4; i++) b[i] = 2*a[i];

53 Informatik I/II PVK53 Lösung zu vorherigem Slide 2 4 6 5 10 12 14 16 14 4 6 5 10 12 100 16 14 4 6 5 28 8 12 10

54 Informatik I/II PVK54 Prüfungsaufgabe 1 (cont.) Zu ermitteln ist der Inhalt von c direkt nach dem Aufruf von foo in main. Schreiben Sie das Resultat in die dafür vorgesehene Tabelle. void foo(int src[], int dest[], int size) { for (int i=0; i<size; i++) { int a=0; for (int i2=0; i2<=i; i2++) { a = a+src[i2]; } dest[i] = a; } int main() { int b[6] = {2,5,0,-4,-4,1}; int c[6] = {0,0,0,0,0,0}; foo(b,c,6); return 0; }

55 Informatik I/II PVK55 Lösung zu vorherigen Slide 2 7 7 3 -1 0 Jeweils die Summe der vorherigen Elemente des Ursprungsarrays

56 Informatik I/II PVK56 Prüfungsaufgabe 1 (cont.) Zu wie vielen Lesezugriffen auf das Array b führt der obige Aufruf von foo(b,c,6)? Die Funktion foo ist ineffizient implementiert. Schreiben Sie eine neue Funktion foo, mit der gleichen Funktionalität aber nur einer for-Schleife. Die Signatur ist bereits angegeben. void foo(int src[], int dest[], int size) { //Insert your code here

57 Informatik I/II PVK57 Lösung zu vorherigen Slide 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 = 21 Zugriffe auf das Array void foo(int src[], int dest[], int size) { int sum = 0; for (int i = 0; i < size; i++) { sum += src[i]; dest[i] = sum; }