Intensivkurs C++ Formalien - Institut für Neuroinformatik
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Rahmen Grundlagen Aufgaben
Formalien
Intensivkurs C++
Tag 1: Grundlagen
Der Kurs besteht aus 10 Einheiten von je (maximal) 8 Stunden.
Sebastian Houben
Jeder Tag wird von einer Vorlesung eingeleitet, an die sich betreute
InstitutProgrammier
für Neuroinformatik
übungen anschließen. In beiden Wochen stehen die
www.ini.rub.de/research/groups/rtcv/
Freitage zur Wiederholung von Stoff zur Verfügung.
Die Aufgaben können in Gruppen von bis zu drei Studierenden
18.02.2019
gelöst werden. Die Bearbeitung aller Aufgaben ist Voraussetzung für
die erfolgreiche Teilnahme. Es gibt eine Liste, in der jeden Tag die
erfolgreich bearbeiteten Aufgaben abgezeichnet werden.
Alle Aufgaben sollten um 16:30 fertig bearbeitet sein, da der Raum
pünktlich um 17:00 Uhr verlassen werden muss.
Die Aufgaben werden benotet. Die Gesamtnote ergibt sich aus dem
Durchschnitt der Tagesnoten.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 3Rahmen Grundlagen Aufgaben
Formalien
Nicht vollständig bearbeitete Aufgaben können am Freitag derselben
Woche nachgereicht werden.
Es ist möglich, bis zu 3 Tage entschuldigt zu fehlen. Dies betrifft
sowohl Krankheit wie auch anderweitige Termine wie z.B. Klausuren.
Bitte melden Sie sich dazu entweder persönlich am Tag vorher beim
Dozenten oder per Mail über cplusplus@ini.rub.de ab. Die
Aufgaben können nachgereicht werden (siehe oben).
Es gibt eine Kurs-Homepage mit aktuellem Material auf
http://ini.rub.de/courses/teaching
/courses/intensive course c winter term 2018/
Viel Spaß mit C++!
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 4Rahmen Grundlagen Aufgaben
Warum C++?
Stärken:
C++ ist schnell!
C++ ist unglaublich flexibel.
C++ ist typsicher.
C++ ist gut organisiert; für sehr große Projekte geeignet.
C++ ist ein weit verbreiteter Industriestandard.
C++ ist extrem portabel.
Schwächen:
C++ erscheint (dem Anfänger) oft unnötig komplex.
Relativ viel “boilerplate” code
Teilweise kryptische Syntax (bei fortgeschrittenen Konzepten, z.B.
Funktionszeiger)
Teils schwer lesbare Fehlermeldungen
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 5Rahmen Grundlagen Aufgaben
Ziel dieses Kurses
Einführung der Grundkonzepte der Programmiersprache C++
Es ist leicht, mit einer Darstellung von C++ ganze Regalwände zu
füllen. C++ ist sehr umfangreich. Deshalb kann dieser Kurs keinen
Anspruch auf Vollständigkeit haben.
Ganz wichtig: Hands on! Dies ist ein Praktikum, keine Vorlesung!
Learning by doing, sonst bleibt nur die Hälfte hängen.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 6Rahmen Grundlagen Aufgaben
Voraussetzungen
Jeder Teilnehmer sollte Erfahrung mit einer halbwegs modernen
(imperativen) Programmiersprache haben: Java, Javascript, Python,
Lua, Pearl, PHP, C, Objective-C, C#, ...
Erfahrung mit einer objektorientierten Sprache (z.B. Java oder Python)
ist von Vorteil.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 7Rahmen Grundlagen Aufgaben
Verwandschaft zu C, Java und anderen Sprachen
C++ ist (fast) eine Obermenge von C. Das heißt, dass fast aller
C-Code in C++ gültig ist. Allerdings bietet C++ wesentlich bessere
Möglichkeiten zur Strukturierung eines Programms und ermutigt
deshalb zu einem besseren Stil (modularer, gut wartbarer Code).
Java verfolgt ähnliche Ziele wie C++. Viele aus Java bekannte
Konzepte übertragen sich auf die Programmierung in C++, aber C++
bietet generell mehr Möglichkeiten, mehr Kontrolle, und als Preis
dafür leider oft weniger Komfort.
Viele moderne Sprachen orientieren sich an C++, insbesondere an
seiner Syntax. Wer eine andere Programmiersprache kennt, wird
deshalb vieles wiedererkennen, aber mit Sicherheit auch neue
Konzepte lernen, die er dann möglicherweise in anderen Sprachen
vermisst.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 8Rahmen Grundlagen Aufgaben
Hello World
Für die ganz Ungeduldigen - “Hello World” sieht in C++ so aus:
helloworld.cpp
#include
using namespace std;
int main()
{
coutRahmen Grundlagen Aufgaben
Hello World
Starten Sie Visual Studio
Legen Sie ein neues Projekt an: Neues Projekt → Leeres Projekt;
Name=“HelloWorld”
Fügen Sie eine Datei hinzu: Projekt → Neues Element hinzufügen →
Code → C++-Datei; Name=”main.cpp”
(Menü Projekt Eigenschaften) → Konfigurationseigenschaften →
Linker → System; Setzen Sie “Subsystem” auf “Konsole”.
Tippen Sie das “Hallo-Welt”-Programm ein:
#include
using namespace std;
int main()
{
coutRahmen Grundlagen Aufgaben
Dateistruktur, Compiler und Linker, Präprozessor
Dateistruktur eines C++-Programms
Ein typisches C++-Programm ist über mehrere Dateien (oft mit
Endung .cpp) verteilt.
Jede Datei kann einzeln vom Compiler in eine sogenannte
Objektdatei übersetzt werden.
In einem letzten Schritt bündelt der Linker die Objektdateien zu einem
ausführbaren Programm.
Beispiel: Ein Programm besteht aus den Dateien main.cpp, algo.cpp
und tools.cpp. Daraus soll ein ausführbares Programm erstellt werden.
Folgende Schritte sind notwendig:
1 Der Compiler übersetzt main.cpp in main.obj.
2 Der Compiler übersetzt algo.cpp in algo.obj.
3 Der Compiler übersetzt tools.cpp in tools.obj.
4 Der Linker setzt main.obj, algo.obj und tools.obj zum
ausführbaren Programm (beispiel.exe) zusammen.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 11Rahmen Grundlagen Aufgaben
Dateistruktur, Compiler und Linker, Präprozessor
Q: Wie können Programmteile (Funktionen, Klassen) in verschiedenen
Dateien von einander wissen, so dass sie sich gegenseitig aufrufen
können?
A: Meist gibt es zu jeder .cpp-Datei eine Header-Datei (.h oder .hpp).
Die Header-Datei enthält ausschließlich Deklarationen, während die
.cpp-Datei die zugehörige Implementierung enthält. Einer
.cpp-Datei wird Wissen über andere Programmteile durch Einbinden
der entsprechenden Header-Dateien mitgeteilt.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 12Rahmen Grundlagen Aufgaben
Dateistruktur, Compiler und Linker, Präprozessor
Q: Wo wird definiert, welche Dateien zusammengehören, um ein
ausführbares Programm zu bilden?
A: Das ist nicht Teil der Programmiersprache! Dies wird von jeder
Programmierumgebung unterschiedlich gelöst. Visual Studio
speichert diese Information in sogenannten Projektdateien (Solutions),
die wiederum in Arbeitsbereiche organisiert sind. Jedes Projekt
entspricht einer Bibliothek oder einem ausführbaren Programm. Ein
Projekt definiert Quellen (.cpp) und Header (.h), sowie welche
Bibliotheken verwendet werden sollen und wo diese zu finden sind.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 13Rahmen Grundlagen Aufgaben
Dateistruktur, Compiler und Linker, Präprozessor
main.cpp
#include "square.h"
int main()
{
int s = square(7);
}
square.h
#ifndef SQUARE_H
#define SQUARE_H
int square(int value); // Deklaration
#endif
square.cpp
int square(int value) // Implementierung
{
return value * value;
}
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 14Rahmen Grundlagen Aufgaben
Dateistruktur, Compiler und Linker, Präprozessor
Bibliotheken
Niemand sollte das Rad neu erfinden. Für viele Standardaufgaben gibt
es sehr gute Bibliotheken (z. B. die boost-Bibliotheken, Qt, usw.).
Eine Bibliothek besteht aus zwei Teilen:
Die eigentliche Bibliothek (Windows: .lib oder .dll; Linux: .a oder .so;
Mac: .a oder .dylib) enthält die Implementierung, also das, was den
.cpp-Dateien entspricht).
Die Deklarationen zu einer Bibliothek stehen in den entsprechenden
Header-Dateien. Diese gehören fest zur Bibliothek.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 15Rahmen Grundlagen Aufgaben
Dateistruktur, Compiler und Linker, Präprozessor
Beispiel: Unser Programm (main.cpp, algo.cpp, tools.cpp)
verwendet die Bibliothek matrix, bestehend aus matrix.lib und
matrix.h. Nehmen wir an, dass die Routinen aus matrix nur innerhalb
von algo.cpp verwendet werden.
1 Der Compiler übersetzt algo.cpp in algo.obj. Er liest die
Definitionen aus matrix.h ein, wobei ihm völlig egal ist, ob sich die
Implementierungen zu den Definitionen in einer anderen .cpp-Datei
oder in einer Bibliothek befinden.
2 Der Linker setzt main.obj, algo.obj, tools.obj und
matrix.lib zum ausführbaren Programm (beispiel.exe)
zusammen.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 16Rahmen Grundlagen Aufgaben
Dateistruktur, Compiler und Linker, Präprozessor
Präprozessor-Macros
Alle Präprozessor-Macros beginnen mit dem Symbol #.
#include "dateiname" wird durch den Inhalt der Datei ersetzt.
Die Datei wird zuerst im aktuellen Projekt gesucht. So werden Dateien
aus dem eigenen Projekt eingebunden.
#include wird durch den Inhalt der Datei ersetzt.
Die Datei wird im Include-Suchpfad gesucht. Diese Syntax wird für
Header aus Bibliotheken verwendet.
#define NAME oder #define NAME Wert, z.B. #define
WIDTH 80. Definition einer Konstanten.
#ifdef, #ifndef, #else und #endif werden zur bedingten
Kompilierung verwendet. Beispiel:
#ifdef DEBUG
coutRahmen Grundlagen Aufgaben
Dateistruktur, Compiler und Linker, Präprozessor
Oft binden Header-Dateien weitere Header ein.
Dies geschieht rekursiv, so dass ein einziges #include Statement
eine große Menge an Headern einbinden kann.
Deshalb ist oft unklar, ob ein Header bereits (implizit) eingebunden
wurde oder nicht.
Damit jeder Header nur maximal einmal in eine .cpp-Datei
eingebunden wird, verwendet man sogenannte Include-Guards:
#ifndef MEIN_HEADER_H
#define MEIN_HEADER_H
...Inhalt...
#endif
Dabei ist MEIN HEADER H irgendein eindeutiger String, meist einfach
der Dateiname.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 18Rahmen Grundlagen Aufgaben
Kommentare
Zeilen-Kommentar:
// Diese ganze Zeile ist ein Kommentar.
int magic = 42; // siehe "Per Anhalter durch die Galaxis" ...
Block-Kommentar:
int magic = /*42*/ 1001;
/* Als magische Zahl ist 1001 viel schoener als 42.
Das liegt an ihrer Primfaktorzerlegung:
7 * 11 * 13 = 1001. */
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 19Rahmen Grundlagen Aufgaben
Variablen und Funktionen
Variablen: Typ Name;
int a;
int b = 7;
int c, d = 3, e = f(b);
Funktionen: Typ Name(Parameterliste)
int f(int x); // Deklaration von f
int f(int x) // Implementierung von f
{
return x * (1 - x);
}
int foo(int a, int b, float c, bool flag = true);
Funktionsaufrufe
int ergebnis = foo(f(7), d, 3.14159);
foo(-42, 3, 3.14159, true);
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 20Rahmen Grundlagen Aufgaben
Vorwärtsdeklaration
Beispiel: Rekursion über zwei Funktionen.
void foo()
{
if (...) bar();
}
void bar()
{
if (...) foo();
}
Problem: Der Compiler arbeitet von vorn nach hinten und weiß deshalb
nicht, was nach der aktuellen Stelle im Programm noch kommt. Innerhalb
der Funktion foo ist bar noch nicht deklariert, wird aber aufgerufen.
Fehler! Da hilft: die Vorwärtsdeklaration
void bar(); // Vorwaertsdeklaration von bar
void foo()
{
if (...) bar();
}
void bar()
{
if (...) foo();
}
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 21Rahmen Grundlagen Aufgaben
Datentypen
void: “kein Wert”, tritt oft als Rückgabetyp von Funktionen auf
Logik: bool, mit Werten true, false, belegt 1 Byte
Ganzzahl: char (8 Bit), int (meist 32 Bit).
Konstanten: 42, -5, ’a’, ’\n’, ’\\’, ’\’’
Modifikatoren: unsigned, short, long, long long
→ unsigned long long int (= unsigned long long)
Fließkomma: float (meist 32 Bit IEEE), double (meist 64 Bit IEEE)
Konstanten: -1.0, 3.14159, .01, +5.77e-18
C-Strings: char s[256] = "Hallo, Welt"; (char-Array)
C++-Strings: string s = "Hallo, Welt"; (String-Objekt)
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 22Rahmen Grundlagen Aufgaben
Datentypen
Zeiger: int* Zeiger = Speicheradresse
Referenz: int& Referenz = anderer Name für eine Variable
void*: Zeiger auf untypisierten Speicher
Konstante nullptr: ungültiger Zeiger
Aufzählungen: enum FileFormat { wav, mp3, ogg };
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 23Rahmen Grundlagen Aufgaben
Datentypen
Zusammengesetzte Typen: class, struct, union
C-Arrays: int a[20], bool b[64][64]
STL-Container: vector, list, deque, set, multiset, map,
multimap
Alias-Namen für Typen: typedef Typ Name;
Genauer: typedef [Variablendefinition mit neuem Namen
als Variablennamen];
Es gibt viele weitere Typen, z.B. Funktionszeiger, STL-Iteratoren,
Templates, ...
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 24Rahmen Grundlagen Aufgaben
Operatoren
::
() [] . -> ++ -- dynamic cast static cast
reinterpret cast const cast typeid
++ -- ∼ ! sizeof new delete
* & + - (unary)
(type)
.* ->*
* / %
+ - (binary)
>
< > =
== !=
&
ˆ
|
&&
||
a ? b : c
= *= /= %= += -= >>=Rahmen Grundlagen Aufgaben
Kontrollstrukturen
Block
{
Kommando1;
Kommando2;
...
}
Bedingte Ausführung 1
if (Bedingung) Kommando1; [else Kommando2];
Bedingte Ausführung 2
switch (Ausdruck)
{
case Konstante1:
Kommandos1;
break;
case Konstante2:
Kommandos2;
break;
...
default:
KommandosN;
}
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 26Rahmen Grundlagen Aufgaben
Kontrollstrukturen
For-Schleife
for (Kommando1; Bedingung; Kommando2) Kommando3;
For-Schleife (range-based)
for (Typ Variable : Container/Range) Kommando;
While-Schleife
while (Bedingung) Kommando;
Do-While-Schleife
do Kommando; while (Bedingung);
Die Schlüsselwörter break und continue sind in allen Schleifen
verfügbar.
goto existiert (considered harmful, of course).
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 27Rahmen Grundlagen Aufgaben
Programm-Parameter
Ein Konsolenprogramm kann mit Parametern aufgerufen werden:
beispiel.exe -f 17 message=Hallo
Diese Parameter stehen der main-Funktion zur Verfügung:
int main(int argc, char** argv)
{
...
return 0;
}
argc: argument count - Anzahl der Parameter (+ 1)
argv: argument values oder argument vector
Der Typ von argv ist char**: Ein Zeiger auf einen Zeiger von
Zeichen (Characters).
Für heute reicht es aus zu wissen, dass argv[1] das erste
Argument des Programms ist.
Es ist gültig, falls argc > 1 erfüllt ist.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 28Rahmen Grundlagen Aufgaben
Konsolen-Ausgabe
Das Objekt cout im Namensraum std ist ein sogenannter Stream
(Datenstrom).
Jedes Konsolenprogramm hat drei Standard-Streams:
(Tastatur-)Eingabe (cin), Ausgabe (cout), und Fehler (cerr). Wir
benutzen hier nur cout.
Beispiel:
#include
using namespace std;
coutRahmen Grundlagen Aufgaben
Typumwandlung
Beispiele statischer Typumwandlung:
int a = 3;
double b = a; // impliziter cast int -> double
double c = 2.7;
int d = c; // impliziter cast double -> int: Warnung oder Fehler!
int e = (int)c; // expliziter cast (okay), setzt e = 2.
int f = int(c); // expliziter cast, neue Syntax.
int g = int(round(c)); // setzt g = 3.
bool b1 = 17; // 0 -> false, Rest -> true
bool b2 = nullptr; // nullptr -> false, alle anderen Zeiger -> true
Typecasts elementarer Typen sind meist unkritisch
Das Thema wird im Zusammenhang mit Klassen und Vererbung
komplizierter.
In altem C-Code werden oft Zeiger in Integers und zurück
umgewandelt. Das ist sehr gefährlich, denn Zeiger auf 64bit-Systemen
passen nicht in einen int!
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 30Rahmen Grundlagen Aufgaben
Typumwandlung
Zahlen in Strings wandeln und zurück
Umwandlung auf C-Art
int wert = 42;
char str[50];
sprintf(str, "%d", wert); // str = "42";
int wert2 = strtol(str, nullptr, 10); // wert2 = 42;
Umwandlung auf C++-Art
int wert = 42;
stringstream ss;
ss > wert2; // wert2 = 42;
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 31Rahmen Grundlagen Aufgaben
Debugging!
HowTo Debug...
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 32Rahmen Grundlagen Aufgaben
Hilfe, Referenz, Dokumentation
gutes Tutorial:
http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/
Referenz-Dokumentation:
http://www.cplusplus.com/doc/
http://www.cplusplus.com/reference/
Linux/Mac:
man-pages!
Windows:
MSDN
Weitere Quellen:
Programmierfragen, Fehlermeldungen: Google, Stack Overflow.
Algorithmen: Wikipedia.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 33Rahmen Grundlagen Aufgaben
Anwesenheitsaufgabe (10 Punkte)
Schreiben Sie ein Programm mit Namen inkrement, das eine ganze
Zahl als Argument erwartet, eins addiert, und das Ergebnis ausgibt. Falls
kein Argument übergeben wurde soll das Programm eine Fehlermeldung
ausgeben.
Beispiel:
$ inkrement 1234
1234 + 1 = 1235
$ inkrement -1234
-1234 + 1 = -1233
$ inkrement
Fehler: Es wurde keine Zahl uebergeben.
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 34Rahmen Grundlagen Aufgaben
Anwesenheitsaufgabe (40 Punkte)
Schreiben Sie ein Programm mit Namen primzahltest, das als
Argument eine positive ganze Zahl erwartet. Prüfen Sie, ob ein Argument
vorhanden ist und ob die übergebene Zahl positiv ist. Das Programm
bestimmt, ob diese Zahl prim ist oder nicht. Verwenden Sie den folgenden
(ineffizienten aber korrekten) Algorithmus (hier als Pseudo-Code):
bool ist_prim(unsigned int n)
{
if (n == 1) return false;
schleife: fuer jedes i >= 2, i*iRahmen Grundlagen Aufgaben
Anwesenheitsaufgabe (30 Punkte)
Schreiben Sie ein Programm, dass die Primfaktorzerlegung einer Zahl
ausgibt. Beispiel:
$ primfaktorzerlegung 24
24 = 2 * 2 * 2 * 3
$ primfaktorzerlegung 1
1 = 1
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 36Rahmen Grundlagen Aufgaben
Anwesenheitsaufgabe (20 Punkte)
Modifizieren Sie das Programm so, dass gleiche Primfaktoren zu Potenzen
gruppiert werden. Beispiel:
$ primfaktorzerlegung 24
24 = 2 ˆ 3 * 3
Intensivkurs C++ 18.02.2019 — Sebastian Houben 37Sie können auch lesen
