Version 4.01 - 12. April 2012 Hydroinformatik I ”C++ und Visual C++” Olaf Kolditz & Bastian Kolditz TU Dresden / UFZ Leipzig Angewandte Umweltsystemanalyse Umweltinformatik SoSe 2012 c OGS Teaching 2012 2 Vorlesungskonzept Ein wesentlicher Bestandteil der Hydroinformatik ist die Informationsverarbeitung. Typische Hydrodaten sind z.B: digitale Gel¨andemodelle (DGM), Niederschlagsmessungen, Wasserpegel, Bodentemperaturen, Bodenkarten (Bodentypen), geologische Schnitte u.v.a. (s. Abb. 1 und 2) Abbildung 1: Informationsverarbeitung in der Hydrologie - Datentypen Eine grundlegende Methodik f¨ ur die Informationsverarbeitung ist die wissenschaftliche Programmierung. Daher besch¨aftigen wir uns im ersten Semester der Veranstaltung ’Hydroinformatik’ mit der objekt-orientierten Programmierung in C++. Es gibt zwei M¨ oglichkeiten eine Programmiersprache zu erlernen: mehr theoretisch oder mehr praktisch. Wir beschreiten den zweiten Weg. Das heißt anhand von dem, was wir f¨ ur das Programmieren ben¨otigen, erarbeiten wir uns die Theorie. Unser Motto ist ’Learning by doing’. 3 . Abbildung 2: Informationsverarbeitung in der Hydrologie - Beispiel aus der Hydrogeologie Organisatorisches Die Pr¨ ufung ’Hydroinformatik I’ (erstes Semester) ist eine Klausur. Die Pr¨ ufung ’Hydroinformatik II’ (zweites Semester) besteht aus zwei Teilen, einer Klausur und einer Programmier-Hausarbeit. Bei den Klausuren geht es um die Beantwortung von Verst¨ andnisfragen (siehe Testfragen zu jeder Vorlesung). Sprache: normalerweise in Deutsch. Da die Syntax von Computersprachen (wie C++) immer in Englisch ist, w¨ urde ich auch mal eine Vorlesung in Englisch anbieten. Konsultationen: immer nach der Vorlesung (Freitag ab 11 Uhr). Kontakt: jederzeit by e-mail ([email protected]), in dringenden F¨allen auch per Handy (0151 52739034), ich empfehle auch eine mailing Liste der Studenten anzulegen, wenn alle damit einverstanden sind. Vorlesungsunterlagen: lege ich erstmal auf meinem UFZ Server ab (http://www.ufz.de/index.php?de=11877). 4 Es gibt viele und sehr gute C++ B¨ ucher. Bei Amazon finden sie locker u ¨ ber 50 C++ B¨ ucher (Abb. 3). Sehr gut finde das Buch von Prinz & Prinz ”C++ - Lernen und professionell anwenden”, da es eine gute Kombination aus Theorie und Programm-Beispielen ist. Zu diesem Lehrbuch gibt es auch ein extra ¨ Ubungsbuch. Unsere Vorlesung lehnt sich an dieses Buch an. Abbildung 3: C++ Literatur Das heisst, etwas anders wird unsere Vorgehensweise sein. Im ersten Semester wollen wir zielgerichtet die C++ Grundlagen anhand der Entwicklung einer einfachen ’Datenbank’-Anwendung erlernen - learning-by-doing - und die Daten schließlich in einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI) sichtbar machen. Somit besch¨ aftigen wir uns auch zielgerichtet mit den Grundlagen von Visual C++. Das Vorlesungskonzept: • Zielgerichtetes Erlernen der C++ Grundlagen, • Entwicklung einer ’Datenbank’-Anwendung, • Umsetzung in eine graphische Benutzerschnittstelle (Visual C++, C++ GUI), siehe Abb. 4. 5 . Abbildung 4: Vorlesungs-Konzept Die Implementierung des Dialogs in Abb. 4 ist das erste greifbare Ziel der Veranstaltung Hydroinformatik I. In dieser GUI-Anwendung k¨onnen sie (fast) alles, was wir lernen werden, wiederfinden: Datentypen, Ein- und Ausgabe mit verschiedene Ger¨ aten (Tastatur, Bildschirm, Dateien), Klassen, Vererbung, Container (Listen, Vektoren) und graphische Programmierung unter Windows. Es lohnt sich also dranzubleiben ... Part I C ++ Basics Kapitel 1 Einfu ¨ hrung 7 ¨ KAPITEL 1 EINFUHRUNG 8 1.1 Historisches Die Programmiersprache C++ wurde von dem d¨anischen Informatiker Bjarne Stroustrup in den Bell Labs des nordamerikanischen Telekommunikationskonzerns AT&T (American Telephone & Telegraph Corporation) ab 1979/80 entwickelt. C++ stellt eine Weiterentwicklung der ebenfalls von AT&T entwickelten, Programmiersprache C dar. Die Programmiersprache C wurde als Grundlage f¨ ur C++ aufgrund seiner effizienten Codeverarbeitung und einfachen ¨ Ubertragbarkeit auf anderen Plattformen verwendet. C wurde in C++ nach dem Vorbild der Programmiersprache Simula-67 (1967), der ersten objektorientierten Programmiersprache, im Wesentlichen um ein Klassenkonzept, d.h. die Abbildung von Objekten in verschiedenen Klassen mit unterschiedlichen Attributen, erweitert. Daher wurde C++ zun¨achst unter dem Namen ’C mit Klassen’ (C with classes) entwickelt. Der Name C++ wurde 1983 von Rick Mascitti erstmals angewandt. Dabei ist das ++ eine Andeutung an den Inkrement-Operator (Inkrement: Erh¨ ohung einer Variable um 1), der die Verbesserungen gegen¨ uber dem Vorg¨ anger C zum Ausdruck bringen soll. Im Jahr 1985 erschien die erste Version von C++, die eine wichtige Grundlage f¨ ur die weitere Entwicklung und Standardisierung von C++ darstellte, da die Sprache zu dieser Zeit noch nicht akzeptiert war. Im Jahre 1989 erschien die erweiterte Version 2.0 von C++. In den 90er Jahren begann nun der Standardisierungs- und Vereinheitlichungsprozess von C++, der eingeleitet wurde durch das Buch ’The Annotated C++ Reference Manual’ (1990) von Margaret Ellis und Bjarne Stroustrup. Die genormte Fassung von C++ erschien 1998 (ISO/IEC 14882:1998), die 2003 mit einer neuen Version (ISO/IEC 14882:2003) nochmals nachgebessert wurde. Abbildung 1.1: Bjarne Stroustrup (http://www.research.att.com/bs/) 1.2 PARADIGMEN 1.2 9 Paradigmen Programmier-Paradigmen sind sogenannte Leitlinien / Konzepte f¨ ur die Gestaltung von Programmen, diese k¨onnen durch entsprechende Sprachmittel unterst¨ utzt werden. Allerdings bedeutet die Benutzung einer objekt-orientierten Sprache nicht automatisch ein objekt-orientiertes Programm (OOP). • Prozedurales Programmieren: Welche Prozeduren ben¨otigen Sie f¨ ur Ihr Programm ? Verwenden Sie die optimalen Algorithmen. • Modulares Programmieren: Welche Module ben¨otigen Sie f¨ ur Ihr Programm ? Strukturieren Sie Ihr Programm entsprechend modular. Die Daten sollten in den Modulen gekapselt sein. • Objekt-orientiertes Programmieren: Welche Klassen ben¨otigen Sie f¨ ur Ihr ¨ Programm ? Uberlegen Sie, welche Gemeinsamkeiten die Klassen haben, benutzen Sie das Konzept der Vererbung. • Datenabstraktion: Welche Datentypen ben¨otigen Sie f¨ ur Ihr Programm ? Erstellen Sie f¨ ur jeden benutzerdefinierten Typen m¨oglichst viele Operationen. 10 ¨ KAPITEL 1 EINFUHRUNG . Abbildung 1.2: Objekt-orientiertes Programmieren - OOP Die Abb. 1.2 soll das Konzept des Objekt-Orientierten Programmierens (OOP) mal aus einer anderen Sichtweise erl¨autern. Normalerweise bedeutet die Programmentwicklung (prozedural und modular) eine stetige Erweiterung des Codes (Abb. oben). Irgendwann ist das Programm dann so un¨ ubersichtlich geworden, dass eigentlich niemand mehr durchblickt. Die grundlegenden Idee von OOP dagegen sind, dass, erstens Objekte (logische Einheiten des Programms) streng gekapselt sind (sich also nicht gegenseitig beeinflussen) und, zweitens, dass es ganz schmale Schnittstellen zwischen diesen Objekten gibt (z.B. nur u urlich wachsen auch ¨ ber eine Adresse (sogenannte pointer)) (Abb. unten). Nat¨ diese Objekte weiter und stoßen irgendwann an Grenzen ... Ein Beispiel aus der Praxis unserer eigenen Programmentwicklung OpenGeoSys. Die Abb. 1.3 zeigt das objekt-orientierte Konzept der Kernels von OpenGeoSys zur L¨ osung von partiellen Differentialgleichungen. Letztlich f¨ uhren alle numerischen Methoden zur L¨osung von linearen Gleichungssystemen Ax = b. Daher haben wir ein Objekt konstruiert (PCS von ProCesS), das die Aufgabe u ur die Assemblierung und L¨osung der Gleichungs¨ bernimmt, alle Bausteine f¨ systeme einzusammeln. Dabei geht es um geometrische (Punkte, Polylinien, Fl¨ achen, Volumen), topologische (Element-Netze), numerische und physikalische Daten (z.B. Materialeigenschaften, Anfangs- und Randbedingungen). Entscheidend f¨ ur die Machbarkeit eines objekt-orientierten Konzepts ist, dass der Algorithmus zum Aufstellen und L¨osen der Gleichungssysteme vollkommen unabh¨ angig von dem spezifischen physikalischen Problem ist. Die Basisklasse 1.3 COMPILER 11 f¨ ur das PCS-Objekt ist CProcess, davon abgeleitet werden die speziellen Klassen f¨ ur die spezifischen Probleme (z.B. Str¨omung, Stoff- und W¨armetransport, Deformation). Wenn Sie diesen Abschnitt noch mal durchlesen, sollten sie allerdings stutzig werden, da neben dem erwarteten Begriff der Objekt-Orientierung auf der des Algorithmus auftaucht. Richtig, OpenGeoSys ist kein reines OOP sondern eine Kombination von objekt-orientierten und prozeduralen Konzepten. Anyway, der Schritt von C zu C++ (3. zur 4. Version, Abb. 1.3) bedeutete eine Reduzierung des Quellcodes von 10MB auf 3MB, also um 70% !!! Abbildung 1.3: Objekt-orientiertes Konzept des Kernels von OpenGeoSys 1.3 Compiler Bevor wir irgendetwas programmieren k¨onnen, ben¨otigen wir zwei Werkzeuge: einen Editor und einen Compiler. In der Abb. 1.4 sind die wichtigsten Schritte der Programmerstellung zu sehen. In der Computer-Welt (und deshalb auch in der Programmier-Welt) gibt es zwei verschiedene Philosophien: Microsoft (MS) und ’den Rest’. Um diesem Problem ’auszuweichen’ und fair zu sein, benutzen wir Werkzeuge aus beiden Welten. Wir beleuchten dieses ’Problem’ sp¨ater noch mal, wenn wir u ¨ ber Open Source Projekte (z.B. OpenGeoSys, unsere eigene Software-Entwicklung) sprechen. Wir installieren uns zun¨ achst den GNU Compiler (Abschn. 1.3.1) und sp¨ater den MS Compiler (Abschn. 1.3.2) f¨ ur das visuelle C++ Programmieren. ¨ KAPITEL 1 EINFUHRUNG 12 Editor Source file Header file Compiler Object file Linker Libraries Executable Abbildung 1.4: Quell-Code Kompilation 1.3.1 GNU Das GNU-Projekt wurde von Richard Stallman mit dem Ziel gegr¨ undet, ein vollst¨ andig freies Betriebssystem, genannt GNU (”GNU is not Unix”), zu entwickeln. Bekannt geworden ist das Projekt vor allen Dingen auch durch die von ihm eingef¨ uhrte GNU General Public License (GPL), unter der viele bekannte Softwareprojekte ver¨ offentlicht werden (Quelle: Wikipedia). Wenn ihr mehr u ¨ ber das GNU Projekt erfahren wollt, schaut nach unter http://de.wikipedia.org/wiki/GNU-Projekt Als Kompromiss benutzen wir cygwin (Abb. 1.5). Dass erm¨oglicht uns, auch unter Windows mit GNU Software arbeiten zu k¨onnen. Die Linux / Ubuntu ’Freaks’ haben die GNU Software automatisch mit dem Betriebssystem auf ihrem Rechner. Die Anleitung zur Installation finden sie im Anhang, Abschn. 11.3.2.2 (und wird nat¨ urlich in der Vorlesung besprochen) 1.3 COMPILER 13 . Abbildung 1.5: Ein Kompromiss: cygwin 1.3.2 MS Visual C++ Auch die nicht-MS-Fans m¨ ussen zugeben, das MS Visual C++ Studio ist eine tolle Entwicklungsumgebung. Die wird uns enorm helfen, wenn wir uns sp¨ater mit GUI Programmierung besch¨ aftigen. Die Express-Version von VC++ kann kostenlos direkt bei Microsoft unter http://www.microsoft.com/germany/express/download/webdownload.aspx heruntergeladen werden. 1.3.3 Qt Als plattformunabh¨ angiges visuelles C++ empfehle ich Qt (siehe Abschn. 10 und 11.4) ¨ KAPITEL 1 EINFUHRUNG 14 1.4 ”Hello World” Unser allererstes C++ Programm. 1.4.1 Grundlagen Jedes C/C++ Programm ben¨otigt eine main() Funktion int main() { return 0; } Die main() Funktion ist der ’Startpunkt’ eines jeden C/C++ Programms. Die wichtigsten Bausteine einer Funktion sind: • Typ (R¨ uckgabewert): int (return 0) • Name: main • Argumente: (), man kann die main Funktion auch mit Argumenten aufrufen, z.B. der Name der Eingabe-Datei, • Funktionsrumpf: ... Die Struktur der main() Funktion ist in der Abb. 1.6 dargestellt. function type function name function arguments function start function end int main() { ... return 0; } function block Abbildung 1.6: Struktur der Funktion main() 1.4 ”HELLO WORLD” 1.4.2 15 Exercise E1 Abbildung 1.7: cygwin aufrufen Abbildung 1.8: cygwin drive ist /cygwin/home/user, wechseln zum Arbeitsverzeichnis cd c:/myworkdirectory (oder copy und paste) Abbildung 1.9: slash (/) ist nicht gleich slash (\) ¨ Die einzige C Ubung: #include <stdio.h> int main() { printf("Hello World"); return 0; } Abbildung 1.10: Kommandozeile: gcc main.c, das Ergebnis ist a.exe, Aufruf des Programms: ./a Jetzt endlich zu C++ ... ¨ KAPITEL 1 EINFUHRUNG 16 #include <iostream> using namespace std; int main() { cout << "Hello World" << endl; return 0; } Abbildung 1.11: Kommandozeile: g++ main.cpp, mit ls den Inhalt des Verzeichnisses ansehen, das Ergebnis ist a.exe, Aufruf des Programms: ./a 1.5 Students Forum Vielen Dank f¨ ur Ihre Fragen zur Vorlesung! JB Der C compiler funktioniert, der C++ aber nicht: Wahrscheinlich haben sie nur den C Compiler (GCC) installiert. Die k¨onnen jederzeit cygwin Komponenten nachinstallieren, siehe Abschn. 11.3.2.2. ¨ DB Ich habe den MS VC++ installiert und kann die Ubungen nachvollziehen. Brauche ich den GNU Compiler von cygwin wirklich noch ?: Eigentlich nicht, mit MS VC++ haben sie einen kompletten Compiler mit allem drum und dran, dennoch kann ein Ausflug in die Konsolenwelt ja nicht schaden ... und sie k¨onnen sp¨ater in ihre Bewerbungen schreiben, dass sie auch unter Linux Programme entwickelt haben. MF Die aktuelle cygwin Installation sieht anders aus als im Skript beschrieben: [OK] Im Anhang (Abschn. 11.3.2.2) finden sie eine bessere Beschreibung der cygwin Installation. C++ und Mac Hier die Adresse http://developer.apple.com/TOOLS/xcode/ wo sie den MAC C++ compiler herunterladen und installieren k¨onnen. 1.6 TESTFRAGEN 17 Studentin, 07.05.2010 ”Das ist zwar alles sehr sch¨on - aber sehr verwirrend. Wie bekomme ich mein Programm zum Laufen?” Ich gebe zu, ich bombardiere sie mit neuen Begriffen (IT slang). Schauen sie sich bitte noch mal die Abb. 1.4 an. Dort sehen sie die einzelnen Schritte zur Erstellung eines Programms. Ich erkl¨ are es mal step-by-step. 1. Quell-Datei: Zun¨ achst m¨ ussen sie eine Quell-Datei erstellen (oder eine ¨ aus den Ubungen nehmen). Hierf¨ ur k¨onnen sie einen beliebigen Editor nehmen (z.B. Notepad von Windows). Diese Datei hat die Endung (extension) .cpp und enth¨alt die main() Funktion. 2. Kompilation: Im n¨ achsten Schritt muss diese Datei kompiliert, d.h. in Maschinencode u ur muss ein C++ Kompiler ¨ bersetzt werden. Hierf¨ (z.B. g++ von cygwin) installiert sein. Die cygwin Anweisung (also auf der Kommandozeile im cygwin Fenster) ist: g++ main.cpp. Im ¨ Ergebnis (wenn alles gut gegangen ist, also keine Ubersetzungsfehler aufgetreten sind) erhalten sie eine ausf¨ uhrbare Datei (executable), normalerweise: a.exe. 3. Jetzt k¨ onnen wir das Programm starten mit ./a.exe von der Kommandozeile. Das ./ ist wichtig, um dem Betriebssystem mitzuteilen, dass wir das Programm vom aktuellen Verzeichnis (wo a.exe liegt) starten wollen. Viel Gl¨ uck. 1.6 Testfragen 1. Was bedeutet das ++ im Namen der Programmiersprache C++ ? 2. Ist C++ eine standardisierte Programmiersprache ? 3. Was ist der Unterschied zwischen C und C++ ? 4. Was sind sogenannte Programmier-Paradigmen ? 5. Welche verschiedenen Programmier-Paradigmen kennen sie und worin unterscheiden sie sich ? 6. Welches Paradigma verfolgen wir in der Vorlesung ? 7. Was ist objekt-orientierte Programmierung ? 8. Was ist ein Kompiler ? 9. Erkl¨ aren sie die einzelnen Schritte bei einer Kompilierung (s. Abb. 1.4). ¨ 10. Welchen Kompiler benutzen sie f¨ ur die C++ Ubungen ? 11. Welche Funktion ben¨ otigt jedes C oder C++ Programm ? 18 12. Was ist der Typ einer Funktion ? 13. Was ist eine Parameterliste einer Funktion ? 14. Was ist der R¨ uckgabewert einer Funktion ? ¨ KAPITEL 1 EINFUHRUNG Kapitel 2 Datentypen Jede Programmiersprache bietet die Verwendung elementarer Datentypen an, wie z.B. Ganzzahlen oder Gleitkommazahlen, logische Ausdr¨ ucke oder Zeichenketten. Die Besonderheit von objekt-orientierten (OO) Sprachen ist die Erstellung benutzerdefinierter Datentypen. Dies war schon in der Sprache C mit sog. ’typedef struct’ Typen m¨ oglich. OO Sprachen, wie C++, bieten aber noch mehr an, die Verkn¨ upfung von benutzerdefinierten Datentypen mit den entsprechenden Methoden. Diese Konstrukte nennt man Klassen, aber darum geht es erst im n¨ achsten Kapitel. Zun¨ achst m¨ ussen wir uns (kurz) mit den handels¨ ublichen Datentypen herumschlagen. 2.1 Elementare Datentypen ¨ Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Ubersicht der elementaren Datentypen. Typ Wahrheitswerte Zeichen Ganzzahlen Gleitpunktzahlen Bezeichner bool char wchar t string short int long float double long double Erl¨auterung Wert kann true (=1) oder false (=0) sein Zeichen, statische Zeichenketten ’wide character type’ (≥ 2 Byte) Dynamische Zeichenketten Ganze Zahlen mit geringer Genauigkeit Ganze Zahlen mit hoher Genauigkeit Ganze Zahlen mit sehr hoher Genauigkeit Reelle Zahlen mit geringer Genauigkeit Reelle Zahlen mit hoher Genauigkeit Reelle Zahlen mit sehr hoher Genauigkeit ¨ Tabelle 2.1: Ubersicht elementarer Datentypen 19 20 2.2 KAPITEL 2 DATENTYPEN Speicherbedarf Die unterschiedlichen Datentypen werden durch den Compiler verschieden verarbeitet und gespeichert (Gr¨oße des ben¨otigten Speicherplatzes). Typ bool char int Speicherplatz 1 Byte 1 Byte 2/4 Byte short long float double long double 2 Byte 4 Byte 4 Byte 8 Byte 10 Byte Wertebereich (weniger geht leider nicht) -128 bis + 127 bzw. 0 bis 255 -32768 bis +32767 bzw. -2147483648 bis + 2147483647 -32768 bis +32767 -2147483648 bis + 2147483647 ± 3.4E+38, 6 Stellen Genauigkeit ± 1.7E+308, 15 Stellen Genauigkeit ± 1.7E+4932, 19 Stellen Genauigkeit Tabelle 2.2: Speicherbedarf elementarer Datentypen Der sizeof Operator ermittelt die ben¨otigte Speichergr¨oße f¨ ur einen bestimmten Datentypen, z.B. sizeof(float) = 4: eine einfach genaue Gleitkommazahl ¨ ben¨ otigt 4 Byte Speicher. Wir verwenden den sizeof Operator in der Ubung E34. 2.3 Escape-Sequenzen Escape-Sequenzen sind n¨ utzliche Helfer, z.B. zum Formatieren von Ausgaben oder f¨ ur die Benutzung von Sonderzeichen in der Ausgabe. Zeichen \a \b \t \n \v \r \0 \” \’ \? \\ Bedeutung alert (BEL) backspace (BS) horizontal tab (HT) line feed (LF) vertical tab (VT) carriage return (CR) end of string ” ’ ? \ Wirkung Ausprobieren eine Position zur¨ uck horizontaler Tabulator Zeilenumbruch vertikaler Tabulator Zeilenumbruch Zeilenende Zeichen Zeichen Zeichen Zeichen Tabelle 2.3: N¨ utzliche Escape-Sequenzen Anmerkung: Die Gr¨ oße eines Datentyps wird vom C++ Standard eigentlich nicht vorgegeben und kann Rechnerarchitektur und Compiler abh¨angig sein. In der Regel ist 2.4 TESTFRAGEN 21 der Speicherbedarf elementarer Datentypen aber gleich, z.B. double ben¨otigt i.d.R. 8 Byte. Es gibt allerdings auch Ausnahmen, z.B. f¨ ur string. Die Klasse std::string geh¨ ort zur Standard-Bibliothek. Die Gr¨oße eines Strings ist abh¨ angig von Rechnertyp, Betriebssystem und Compiler. Ein ’leerer’ String kann zwischen 4 und 8 Byte lang sein. 2.4 Testfragen 1. Was ist der genaueste Datentyp in C++ ? 2. Wie groß ist der Speicherbedarf von einem string Datentyp ? 3. Mit welcher Anweisung k¨ onnen wir den Speicherbedarf von elementaren Datentypen ermitteln ? 4. Was sind Escape-Sequenzen ? 5. Was ist der Unterschied zwischen den Escape-Sequenzen \n und \r ? 6. Was ist die C++ Entsprechung der Klasse cout f¨ ur einen Zeilenumbruch ? Kapitel 3 Ein- und Ausgabe Ein Programm (ob prozedural, modular, objekt-orientiert) ist eigentlich nichts weiter als eine Datenverarbeitung zwischen einer Eingabe (Input) und einer Ausgabe (Output). I und O k¨onnen mehr oder weniger schick gemacht sein: 1. I/O Standardger¨ate, 2. I/O Dateien, 3. Datenbanken (I) und Visualisierung (O). Aus didaktischen Gr¨ unden m¨ ussen wir leider mit dem Langweiligsten - I/O Standardger¨ ate - anfangen. Spannend wird’s, wenn Daten durch die Visualisierung ’lebendig’ werden. Die Abb. 3.1 zeigt eine professionelle Datenaufbereitung einen Porenraummodells in unserem Labor f¨ ur wissenschaftliche Visualisierung (TESSIN-VISLab) am UFZ in Leipzig. Die iostream Klasse Die Ein- und Ausgabe in C++ erfolgt mit sogenannten Str¨omen (streams). Die I/O-Stream-Klassen (Abb. 3.2) bieten vielf¨altige M¨oglichkeiten, die wir uns in ¨ den nachfolgenden Ubungen n¨aher anschauen. 22 23 . Abbildung 3.1: Wissenschaftliche Visualisierung ios istream ostream iostream Abbildung 3.2: I/O stream Klassen Die Klasse iostream geht durch Mehrfachvererbung aus den Klassen istream und ostream hervor. iostream stellt damit die Funktionalit¨at beider I/O Klassen zu Verf¨ ugung. 24 KAPITEL 3 EIN- UND AUSGABE 3.1 Die Standard-Streams Es gibt vier Standard-Streams: • cin: Standard-Eingabe u ¨ ber die Tastatur, Objekt der Klasse istream • cout: Standard-Ausgabe auf dem Bildschirm, Objekt der Klasse ostream • cerr und clog: zwei Objekte der Klasse ostream f¨ ur die Fehlerausgabe. Exercise E3.1: #include <iostream> using namespace std; int main() { int zahl; cout << "Bitte eine ganze Zahl eingeben: "; cin >> zahl; cout << zahl << endl; return 0; } Die Ein- >> und Ausgabeoperatoren << transportieren die Str¨ome von und zu den Eingabe- bzw. Ausgabeger¨aten. Dabei formatieren sie die Datentypen (z.B. ¨ int in der Ubung E3.1) entsprechend den Einstellungen der Klasse ios. Diese Einstellungen k¨ onnen durch Flags ver¨andert werden (siehe n¨achsten Abschnitt). 3.2 Formatierte Ausgaben Wir besch¨ aftigen uns mit der Gestaltung, d.h. Formatierung, von Ausgaben, eir wollen die Bildschirmausgabe schick machen, z.B. in Tabellenform, dass alles sch¨ on untereinander steht. Der zweite Aspekt der Formatierung ist die Genauigkeit von ausgegebenen Zahlenwerten. 3.2.1 Formatierte Ausgabe von Ganzzahlen ¨ In der nachfolgenden Ubung besch¨aftigen wir uns mit den verschiedenen Ausgabem¨ oglichkeiten von ganzen Zahlen. Exercise E3.2.1: #include <iostream> using namespace std; int main() { 3.2 FORMATIERTE AUSGABEN 25 int zahl; cout << "Bitte eine ganze Zahl eingeben: "; cin >> zahl; cout << uppercase // f¨ ur Hex-Ziffern << " oktal \t\t dezimal \t hexadezimal \n " << oct << zahl << " \t\t " << dec << zahl << " \t\t " << hex << zahl << endl; return 0; } 3.2.2 Formatierte Ausgabe von Gleitpunktzahlen ¨ In der nachfolgenden Ubung besch¨aftigen wir uns mit den verschiedenen Ausgabem¨ oglichkeiten von realen Zahlen. Methoden int precision(int n) Wirkung Genauigkeit wird auf n gesetzt Exercise E3.2.2: #include <iostream> using namespace std; int main() { double zahl; cout << "Bitte eine Gleitkommazahl eingeben: "; cin >> zahl; cout.precision(7); // auf sieben Stellen genau cout << "Standard: \t" cout << "showpoint: \t" << showpoint cout << "fixed: \t\t" << fixed cout << "scientific: \t" << scientific return 0; << << << << zahl zahl zahl zahl << << << << endl; endl; endl; endl; } 3.2.3 Ausgabe von Speicherbedarf ¨ In dieser Ubung benutzen wir den sizeof Operator, um den Speicherbedarf von Standard Daten-Typen zu bestimmen. Exercise E3.2.3: #include <iostream> 26 KAPITEL 3 EIN- UND AUSGABE using namespace std; int main() { cout << "Type\tNumber of bytes\n"; cout << "-----------------------\n"; cout << "bool\t\t" << sizeof(bool) << endl; cout << "char\t\t" << sizeof(char) << endl; cout << "short\t\t" << sizeof(short) << endl; cout << "int\t\t" << sizeof(int) << endl; cout << "long\t\t" << sizeof(long) << endl; cout << "float\t\t" << sizeof(float) << endl; cout << "double\t\t" << sizeof(double) << endl; cout << "long double\t" << sizeof(long double) << endl; return 0; } 3.3 Testfragen 1. Sind sie mit der Tab. 2.2 einverstanden ? 2. Welche Ein- und Ausgabeger¨ate kennen sie ? 3. Welche Klasse ben¨otigen wir f¨ ur die Standard-Ein- und Ausgabe ? 4. Was ist die Basis-Klasse f¨ ur alle Ein- und Ausgaben in C++ ? 5. Mit welcher Klasse k¨onnen wir sowohl Eingabe- als auch Ausgabestr¨ome benutzen ? 6. Welche Include-Datei ist notwendig, um mit I/O-Str¨omen arbeiten zu k¨ onnen ? 7. Wozu dient der Zusatz using namespace std; nach dem Include von Standard-Klassen, wie I/O Streams ? 8. Was bewirken die Stream-Operatoren << und >> ? 9. Was bewirken die Flags oct, dec, hex f¨ ur die formatierte Ausgabe von Ganzzahlen ? (ToDo) 10. Wie kann ich die Genauigkeit der Ausgabe von Gleikomma-Zahlen festlegen ? 11. Wie kann man den Speicherbedarf einer Variable ermitteln ? Schreiben sie die C++ Anweisung f¨ ur die Berechnung des Speicherbedarfs f¨ ur eine doppelt-genaue Gleitkomma-Zahl. Kapitel 4 Klassen source: TU Dresden Data abstraction class CStudent properties ... methods ... Instances CStudent *m_std; Abbildung 4.1: Das Klassen-Konzept - CStudent 27 28 KAPITEL 4 KLASSEN Das Sprachelement der Klassen sind das entscheidende Kriterium von objektorientierten Konzepten und die objekt-orientierte Programmierung (OOP). Klassen sind eine Art Schablone f¨ ur einen benutzerdefinierten Datentypen. Dar¨ uber hinaus enth¨ alt die Klasse neben den Daten auch alle Methoden (Funktionen), um mit den Daten der Klasse operieren zu k¨onnen. Unser Beispiel f¨ ur Klassen, das uns im Verlaufe der Vorlesung besch¨aftigen wird, ist - wie k¨onnte es anders sein - CStudent (Abb. 4.1). F¨ ur die Konzipierung von Klassen spielt die Abstraktion der Daten einer Klasse eine besonders wichtige Rolle. 4.1 Daten-Abstraktion Die Abb. 4.1 illustriert uns, dass eine Abstraktion von Daten (d.h. Eigenschaften) der Klasse Studenten eine durchaus vielschichtige Angelegenheit sein kann. Eine Aufstellung von Daten / Eigenschaften, die es aus ihrer Sicht zu ber¨ ucksichtigen gilt, ist ihre n¨achste Hausaufgabe. Der n¨ achste Block zeigt ihnen das Schema der Syntax der Klassen-Definition CStudent. Das Schl¨ usselwort f¨ ur die Klassen-Definition ist class, der Name ist CStudent. Der Klassen-Rumpf ist in geschweifte Klammer eingebettet. Wichtig ist der Abschluss mit einem Semikolon. Wie bereits erw¨ahnt, eine Klasse enth¨alt Daten (Eigenschaften) und Methoden (Funktionen) auf den Daten. Prinzipiell geht diese Datenabstraktion auch mit anderen Sprachen wie C. A data construct typedef struct {...} in C can be seen as an analogue to a C++ class. Die C Version: typedef struct { char* name_first; char* name_last; long matrikel_number; } TDStudent; TDStudent *student = NULL; Die C++ Version: class CStudent { data: ... methods: ... }; Bei der Namensgebung von Klassen wird oft ein ’C’ (CStudent) vorangestellt, um die Bedeutung als Klasse (wesentlicher Baustein des Programm-Konzepts) herauszustellen. 4.2 KLASSEN-DEKLARATION 29 Ein weiterer Vorzug von OO-Sprachen ist z.B. die Sichtbarkeit / Zugreifbarkeit von Daten zu regeln. Der nachfolgende Block zeigt das Datenschutz-Konzept von C++ (Sicherheitsstufen): Daten k¨onnen ¨offentlich sein (public) oder gezielt f¨ ur ’Freunde’ verf¨ ugbar gemacht werden (protected) oder nur exklusiv f¨ ur die eigene Klasse sichtbar zu sein (private). class CStudent { private: ... protected: ... public: ... }; 4.2 Klassen-Deklaration Im vorangegangenen Abschnitt haben wir uns mit der Datenabstraktion mittels Klassen besch¨ aftigt. So sollte konsequenterweise jede Klasse auch ihre eigenen sorry - eigenen Quelldateien besitzen. Die Deklaration von Klassen erfolgt u ¨ blicherweise in einer sogenannten Header-Datei *.h. F¨ ur die Methoden / Funktionen der Klasse ist eine *.cpp Datei reserviert. F¨ ur uns bedeutet dies, zwei Dateien anlegen: • student.h - die Deklaration der Klasse CStudent • student.cpp - die Methoden der Klasse CStudent Um mit der Klasse arbeiten zu k¨ onnen, m¨ ussen wir das entsprechende HeaderFile inkludieren. Dies erfolgt mit der Anweisung #include ”student.h” am Anfang unseres Main-Files. #include "student.h" int main { return 0; } 4.3 Instanzen einer Klasse An dieser Stelle m¨ ochten wir unsere Eingangsgraphik (Abb. 4.1) erinnern. Instanzen sind Kopien einer Klasse mit denen wir arbeiten k¨onnen, dass heißt 30 KAPITEL 4 KLASSEN diese bekommen echten Speicher f¨ ur ihre Daten (die nat¨ urlich f¨ ur jede Instanz einer Klasse unterschiedlich sein k¨onnen). Es gibt zwei M¨ oglichkeiten, Instanzen einer Klasse zu erzeugen: #include "student.h" void main() { // Creating an instances of a class - 1 CStudent m_std_A; // Creating an instances of a class - 2 CStudent *m_std_B; } Der direkte und der mittels eines sogenannten Zeigers (hierf¨ ur gibt ein ExtraKapitel). Wir werden sehen, dass der zweite Weg oft der bessere ist, da wir z.B. die Initialisierung und das Speichermanagement f¨ ur unsere Daten selber in die Hand nehmen k¨ onnen. Dies k¨onnen wir mittels sogenannter Konstruktoren und Destruktoren erledigen. Damit besch¨aftigen wir uns im n¨achsten Abschnitt. Exercise E4.3: #include "student.h" #include <iostream> using namespace std; int main() { CStudent *m_std_cpp; // pointer to an instance cout << "E41: Instances of classes" << endl; cout << "What have we created?\t : " << m_std << endl; cout << "What size has it?\t : " << sizeof(m_std) << endl; TDStudent *m_std_c; // pointer to TD return 0; } -> student.h // Class definition class CStudent { public: protected: private: }; // Type definition typedef struct { } TDStudent; 4.4 KONSTRUKTOR UND DESTRUKTOR 4.4 31 Konstruktor und Destruktor Wohl die wichtigsten Methoden von Klassen sind deren Konstruktoren CStudent() und Destruktoren ∼ CStudent(). Diese Funktionen haben den gleichen Namen wie die Klasse selbst. Der nachfolgende Block zeigt die Deklaration unserer ersten beiden Klassen-Funktionen in der Header-Datei students.h. class CStudent { public: CStudent(); // constructor ~CStudent(); // destructor }; Wie sehen die Konstruktor/Destruktor-Funktionen aus. #include "student.h" CStudent::CStudent() { } CStudent::~CStudent() { } Die Konstruktor/Destruktor-Funktionen werden ’automatisch’ aufgerufen beim Erzeugen (¨ uber die Zeiger-Version) und Zerst¨oren der Klassen-Instanz: • new ruft den dazugeh¨ origen Konstruktor auf, • delete ruft den dazugeh¨ origen Destruktor auf. Die Anwendung der Konstruktor/Destruktor-Funktionen ist im folgenden QuellcodeAbschnitt dargestellt. Exercise E4.4: #include <iostream> using namespace std; #include "student.h" int main() { CStudent* m_std = new CStudent(); // instance using constructor cout << "E44: Constructor of class CStudent" << endl; cout << "What have we created? m_std\t : " << m_std << endl; cout << "What size has it?\t : " << sizeof(m_std) << endl; cout << "What have we created? &m_std\t : " << &m_std << endl; cout << "What size has it?\t : " << sizeof(&m_std) << endl; return 0; } 32 4.5 KAPITEL 4 KLASSEN Dateninitialisierung mit dem Konstruktor Der Klassen-Konstruktor kann dar¨ uber hinaus auch zur Initialisierung von Daten f¨ ur die Klassen-Instanz benutzt werden. Ganz nebenbei schreiben wir unsere erste Klassen-Funktion in der Quell-Datei der Klasse students.cpp. Wir initialisieren den Namen unseres ersten Studenten. Exercise E4.5: CStudent::CStudent() { // Initializations name_first = "James"; name_last = "Bond"; } Daf¨ ur m¨ ussen wir die notwendigen Klassen-Variablen (member variables) f¨ ur den Namen bereitstellen. Praktischerweise ist es ratsam, die Daten und Methoden der Klasse zu trennen. Unsere Klassen-Deklaration nimmt langsam Gestalt an ... #include <string> using namespace std; class CStudent { // Data / Properties public: string name_first; string name_last; // Methods / Functions public: CStudent(); // constructor ~CStudent(); // destructor }; F¨ ur die Namen benutzen wir die string Klasse von C++ (auch hierzu gibt’s ein Extra-Kapitel). Um den Daten-Typ string aus dieser Klasse benutzen zu k¨ onnen, m¨ ussen wir die Klasse wie folgt inkludieren. #include <string> using namespace std; Exercise E4.5: #include <iostream> using namespace std; #include "student.h" 4.6 DATENSCHUTZ 33 int main() { CStudent* m_std = new CStudent(); // instance using constructor cout << "E45: Data initialisation by constructor of class CStudent" << endl; cout << "m_std->name_first\t : " << m_std->name_first << endl; cout << "m_std->name_last\t : " << m_std->name_last << endl; delete(m_std); return 0; } 4.6 Datenschutz Eine wichtige Eigenschaft der Sprache C++ ist die M¨oglichkeit, Daten unterschiedlich sichtbar zu machen. Eingangs des Kapitels haben wir gesehen, dass es verschiedene Schl¨ usselw¨ orter gibt, um Variablen zu klassifizieren: public, protected und private. Daten des Typs ’public’ sind u ¨ berall sichtbar, aus sie kann von u ¨berall im Programm zugegriffen werden - also auch ver¨andert werden. Dies kann sehr schnell problematisch werden, wenn das Programm sehr groß ist oder mehrere Programierer gleichzeitg entwickeln. Daten des Typs ’private’ sind nur f¨ ur die eigene Klasse sichtbar, dass auf sie k¨onnen nur durch Klassen-eigene Methoden zugegriffen werden. Private data sind f¨ ur andere Klassen verborgen. Nat¨ urlich gibt es noch einen Kompromiss: Mit dem Schl¨ usselwort ’protected’ kann man gewisse Daten f¨ ur ’befreundete’ Klassen ¨offnen. Dies ist im Wesentlichen das Datenschutz-Konzept von C++. ¨ In der folgenden Ubung sehen wir, wie man mit ’private’ data (Kontonummer) umgehen kann. Die Variable bank account ist als private Typ deklariert. class CStudent { public: long GetBankAccount(); void SetBankAccount(long); private: long bank_account; }; Die Zugriffsfunktion GetBankAccount() der Klasse CStudent gibt lediglich den Wert der Variable zur¨ uck, ihr Typ ist nat¨ urlich public. Die Kontonummer kann also zun¨ achst nicht von ’außen’ ge¨andert werden. long CStudent::GetBankAccount() { return bank_account; } 34 KAPITEL 4 KLASSEN void CStudent::SetBankAccount(long new_bank_account) { bank_account = new_bank_account; } Nat¨ urlich l¨ asst sich auch eine Funktion schreiben, mit der man private Daten von außen ¨ andern kann: SetBankAccount(long). Letztlich entscheidet der Programmierer, ob dieser Zugriff zul¨assig sein soll, wenn nicht gew¨ unscht, werden die Get und Set Zugriffsfunktionen einfach nicht bereitgestellt. ¨ Die nachfolgende Ubung zeigt zusammenfassend den Zugriff auf private Variablen von Außen. Exercise E4.6: int main() { CStudent* m_std = new CStudent(); // instance using constructor cout << "E46: Data security - using private data" << endl; cout << "m_std->GetBankAccount()\t : " << m_std->GetBankAccount() << endl; m_std->SetBankAccount(987654321); // changing private data cout << "m_std->GetBankAccount()\t : " << m_std->GetBankAccount() << endl; delete(m_std); return 0; } 4.7 TESTFRAGEN 4.7 35 Testfragen 1. Geben sie eine Definition von C++ Klassen mit eigenen Worten (max 5 S¨ atze). 2. Was ist ein benutzerdefinierter Datentyp ? 3. Welches Datennschutz-Konzept gibt es f¨ ur Klassen ? 4. Wozu brauchen wir zwei Dateien f¨ ur Klassen, eine H (Header) Datei und eine CPP (Quelltext) Datei ? 5. Was ist ein Inklude / Include ? 6. Was ist eine Instanz einer Klasse ? 7. Worin besteht der Unterschied zwischen den Anweisungen: CStudent m std 1 und CStudent* m std 2 ? 8. Was ist ein Konstruktor einer Klasse ? 9. Was ist das Gegenst¨ uck zum Klassen-Konstruktor ? 10. Wie k¨ onnen Daten / Variablen einer Klasse initialisiert werden ? 11. Schreiben sie den Quelltext f¨ ur den Klassen-Konstruktor und weisen sie den Variablen name first und name last ihren eigenen Namen zu. 12. Was verbirgt sich hinter der Anweisung: CStudent* m std = new CStudent() ? 13. Was ist der Unterschied zwischen CStudent und CStudent() ? 14. Wie kann ich meine Daten gegen einen externen Zugriff sch¨ utzen ? Kapitel 5 Strings ¨ Wir haben schon in mehreren Ubungen den Datentyp string benutzt, ohne diesen Datentyp etwas n¨ aher zu beleuchten. Dieses Vers¨aumnis soll in diesem Kapitel nachgeholt werden. 5.1 Die Standardklasse string String (in Deutsch Zeichenkette) ist vielmehr als nur ein Datentyp, string ist eine Standard-Klasse in C++. String ist eine der genialsten Weiterentwicklungen des C-Datentyps char, die das Hantieren mit Zeichen und Zeichenketten zu einem Kinderspiel macht, na sagen wir mal - uns das Programmierleben erheblich vereinfachen wird, wenn wir mit Zeichenketten operieren werden. So wird z.B. der erforderliche Speicherplatz f¨ ur Zeichenketten automatisch reserviert und bei Ver¨ anderungen angepasst. Wenn wir strings benutzen wollen, m¨ ussen den Header der string-Klasse wie folgt inkludieren. #include <string> // for using strings using namespace std; // for using standard names Wichtig ist auch die zweite Zeile using namespace std. Diese Anweisung besagt, dass wir im folgenden Standard-Namen benutzen. Sonst m¨ ussten wir vor jeder string-Operation noch den Zusatz std:: setzen. Zur Benutung von namespace f¨ ur die Strukturierung und Kapselung von Programmteilen gibt es sp¨ater ein Extrakapitel (9.2.2). An dieser Stelle zeigen wir die Bedeutung von using namespace std; in bew¨ ahrter Weise an einem Beispiel. Sie haben sicher schon bemerkt, dass wir bei #include manchmal eckige Klammern <> und manchmal G¨ansef¨ ußchen ” benutzen. Wir schauen uns dies, wie 36 5.2 OPERATIONEN MIT STRINGS 37 gesagt, genauer im Kapitel 9.2.2 an. Hier nur soviel, dass mit eckigen Klammern <> an Header-Dateien im Systemverzeichnis von C++ gesucht wird, w¨ahrend ” benutzerdefinierte, eigene Header (z.B. student.h) kennzeichnet und somit im aktuellen Arbeitsverzeichnis (also ./) nachgeschaut wird. 5.2 Operationen mit strings ¨ Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Ubersicht der wichtigsten string Operationen, die wir in diesem Kapitel verwenden. Methode .append() .c str() .clear() .compare() .erase() .find() .insert() .length() .replace() .resize() .substr() >> << getline() Erl¨ auterung verl¨ angert den String erzeugt Zeichenfeld mit dem Inhalt des Strings l¨ oscht den Inhalt des Strings vergleicht Strings l¨ oscht Zeichen im String sucht Zeichen in einem String f¨ ugt in den String ein ermittelt die L¨ange des Strings ersetzt Zeichen im String wichtig f¨ ur die Konvertierung von string zu char* andert L¨ ange des Strings ¨ gibt einen Substring zur¨ uck Eingabeoperator f¨ ur Strings Ausgabeoperator f¨ ur Strings liest Zeichen aus der Eingabe Tabelle 5.1: string Methoden 5.2.1 Initialisieren von strings Eine M¨ oglichkeit f¨ ur die Initialisierung von strings haben wir uns bereits in der Exercise E4.5 angesehen bei der Verwendung von Klassen-Konstruktoren. Der Standard-Konstruktor string() erzeugt einen leeren String. Eine zweite M¨ oglickeit besteht direkt bei der Deklaration des strings, wie folgt: Exercise E5.2.1: string exercise("Exercise: string initialisation"); cout << exercise.length() << endl; 38 5.2.2 KAPITEL 5 STRINGS Zuweisen von strings ¨ In der folgenden Ubung schauen wir uns an, wie wir mittels Tastatureingabe (Standard-Eingabe-Ger¨at) strings zuweisen und Teile von strings in andere kopieren zu k¨ onnen. Exercise E5.2.2: #include ... // Bitte f¨ ugen sie die notwendigen Header selbst ein main() {... string eingabe; string eingabe_anfang; string message("Bitte geben Sie eine Zeile mit der Tastatur ein. Schliessen Sie die Eingabe mit Enter ab"); //------------------------------------------------------------------cout << message << endl; // Ausgabe der Eingabeaufforderung getline(cin,eingabe); // Eingabe einer Zeile u ¨ber Tastatur eingabe_anfang(eingabe,0,10); // die ersten 10 Zeichen von eingabe werden nach eingabe_anfang kopiert cout << "Ihr Eingagetext: " << eingabe << endl; cout << "Die ersten 10 Zeichen des Eingagetextes: " << eingabe_anfang << endl; ...} 5.2.3 Verketten von strings Mit dem Operator + k¨onnen Strings miteinander verkn¨ upft werden und in einem ¨ neuen string name kopiert. In der folgenden Ubung produzieren wird aus Vorund Nachnamen den ganzen Namen. Exercise E5.2.3: string name; CStudent* m_std = new CStudent(); name = m_std->name_first + m_std->name_last; // oder name = m_std->name_first; name += m_std->name_last; Wie bekommen wir einen Zwischenraum (Leerzeichen) zwischen Vor- und Nachnamen ? 5.2.4 Vergleichen von strings Oft sind Abfragen notwendig, ob gewisse Zeichenketten gefunden wurden, um dann gewisse Operationen durchzuf¨ uhren. Hierf¨ ur bietet die String-Klasse mehrere M¨ oglichkeiten an, z.B. den exakten Vergleich (string::compare) oder einen 5.2 OPERATIONEN MIT STRINGS 39 ¨ Teil von Zeichenketten (string::find). Die nachfolgende Ubung zeigt, wenn der Nachname BOND gefunden wurde, dann wird der Vorname auf JAMES gesetzt (und nat¨ urlich der russische Geheimdienst informiert). Exercise E5.2.4: if(m_std->name_last.compare("BOND")==0) { m_std->name_first = "JAMES"; } ¨ Die nachfolgende Ubung zeigt, wie ein Programm beendet werden kann, wenn eine bestimmte Taste gedr¨ uckt wird. Hierf¨ ur werden einzelne Zeichen mit dem Operator == verglichen. string Taste("N"); while(Taste == "J") { cout << "Soll dieses Programm endlich beendet werden? (J/N)" << endl; getline(cin,Taste); } cout << "Programm-Ende" << endl; 5.2.5 Suchen in strings ¨ Diese Ubung zeigt ihnen, wie nach Zeichenketten in string suchen k¨onnen. Sie sehen, je nach Sorgfalt des Programmierers haben sie eventuell schlechte Karten, wenn ihr Vorname die Zeichenkette ’BON’ enth¨alt. Exercise E5.2.5: if(m_std->name_last.find("BON")!=string::npos) { m_std->name_first = "JAMES"; } 5.2.6 Einfu ¨ gen in strings Nun benutzen wir die Einf¨ uge-Funktion von strings (string::insert), um Vorund Nachnamen zusammenzusetzen. Dabei ermitteln wir zun¨achst die L¨ange des Vornamen mit string::length, setzen dann den Positionsz¨ahler pos um Eins hoch (Leerzeichen zwischen Vor- und Nachnamen) und f¨ ugen dann den Nachnamen mit string::insert ein. Exercise E5.2.6: 40 KAPITEL 5 STRINGS string name; int pos; if(m_std->name_first.find("JAMES")!=string::npos) { pos = m_std->name_first.length(); name.insert(pos+1,"BOND"); } 5.2.7 Ersetzen in strings Eine weitere n¨ utzliche String-Funktion ist das Ersetzen von Zeichen. In der ¨ nachfolgenden Ubung ¨andern wir den Nachnamen. Dazu wird zun¨achst wieder die L¨ ange des Vornamens mit string::length ermittelt und dann der neue Nachname eingef¨ ugt. So k¨onnen sie ihre Spuren verwischen ... ist auch praktisch bei Namens¨ anderungen z.B. infolge Heiraten (Beachten sie, dass Triple-Namen wie M¨ uller-Graf-Kleditsch nicht mehr zul¨assig sind). Exercise E5.2.7: string name; int pos; name = "JAMES" + " " + "CHRISTIE" if(m_std->name_first.find("JAMES")!=string::npos) { pos = m_std->name_first.length(); name.replace(pos+1,"BOND"); } Was passiert, wenn der neue Nachname l¨anger ist als der alte ? 5.2.8 L¨ oschen in strings Nat¨ urlich k¨ onnen auch Zeichen in einem string gel¨oscht werden. Diese Funktion passt den Speicherbedarf des gek¨ urzten Strings automatisch an. Exercise E5.2.8: string name; int pos; name = "JAMES" + " " + "CHRISTIE" if(m_std->name_first.find("JAMES")!=string::npos) { pos = m_std->name_first.length(); name.erase(pos); name.replace(pos+1,"BOND"); } Abschliessend kommen wir zu zwei weiteren Punkten, (1) das Umwandeln von C++ strings in C char und (2) das Auslesen von string Teilen. 5.2 OPERATIONEN MIT STRINGS 5.2.9 41 Umwandeln von strings in char Manchmal ist es notwendig C++ strings in C char umzuwandeln (wir ben¨otigen dies sp¨ ater, wenn wir mit der MFC Klasse CStrings f¨ ur grafische Benutzeroberfl¨ achen arbeiten). Die String-Methoden c str() und data() wandeln strings in char um. Aufgepasst, ab char m¨ ussen wir uns selber um das Speichermanagement k¨ ummern. fprintf(f," %s\n",name.c_str()); name.clear(); const char *char_string; char_string = name.data(); 5.2.10 Auswerten von Strings: Stringstreams Stringstreams ... l¨ asst sich kaum aussprechen .. es handelt sich aber definitiv nicht um stringdreams ... (sie erinnern sich an die Eingangsfolie der Vorlesung). Stringstreams sind eine sehr n¨ utzliche Sache, damit lassen sich Eingabedaten (von Tastatur und Datei) bequem als Stream auswerten. Um Stringstreams ¨ nutzen zu k¨ onnen, muss die Klasse sstream inkludiert werden. Die Ubung zeigt, wie man eine eingegebene Zeile (Vor- und Nachnahme) elegant zerlegen kann. Dabei wird die eingebene Zeile zun¨achst in den stringstream kopiert, danach wird input line wie ein normaler stream ausgelesen. Exercise E5.2.10: #include <iostream> #include <string> #include <sstream> using namespace std; int main() { string name; string name_first; string name_last; stringstream input_line; cout << "Geben Sie bitte Ihren Namen (Vor- und Nachnamen) ein: "; getline(cin,name); input_line.str(name); // Der Name wird nun zerlegt input_line >> name_first; cout << "Vorname:\t" << name_first << endl; input_line >> name_last; cout << "Nachname:\t" << name_last << endl; input_line.clear(); return 0; } 42 KAPITEL 5 STRINGS 5.3 Testfragen 1. Welche Klasse bietet uns C++ zur Verarbeitung von Zeichenketten an ? 2. Welchen Include ben¨otigen wir f¨ ur die Arbeit mit Zeichenketten ? 3. Wof¨ ur ist die Anweisung using namespace std n¨ utzlich ? 4. M¨ ussen wir selber Speicherplatz f¨ ur C++ Zeichenketten (Strings) reservieren ? 5. Wie k¨ onnen wir einen String, sagen wir mit der Zeichenkette ”Das ist eine gute Frage”, initialisieren ? 6. Wie k¨ onnen wir zwei Strings, ihren Vor- und Nachnahmen, miteinander verbinden ? 7. Mit welcher string Funktion kann ich Zeichenketten miteinander vergleichen ? 8. Schreiben sie eine Anweisung zum Vergleich der Klassen-Variable m std− >name last mit ihrem Nachnamen ? 9. Mit welcher string Funktion kann ich Zeichenketten suchen ? 10. Schreiben sie eine Anweisung zum Suchen ihres Vornamens in der KlassenVariable m std− >name first ? 11. Mit welcher string Funktion kann ich Teile in Zeichenketten erstetzen ? 12. Wie k¨ onnen wir die L¨ange von Strings ermitteln ? 13. Schreiben sie die Anweisungen, um ihren Nachnamen in die Zeichenkette ”JAMES BOND” nach ”JAMES” einzuf¨ ugen ? 14. Was passiert, wenn ihr Nachname l¨anger als ”BOND” ist ? 15. Mit welcher string Funktion k¨onnen wir Zeichen in einem String l¨oschen ? 16. Wir haben gesehen, dass es verschiedene Daten-Typen f¨ ur Zeichenketten in C, C++, MFC, .NET und Qt gibt. Zeichenketten geh¨oren zu den wichtigsten Daten-Typen bei der Programmierung. Wie k¨onnen wir einen C++ string in eine C Zeichenkette (char) umwandeln ? 17. K¨ onnen wir eine .NET Zeichenkette (String∧) in eine C++ Zeichenkette (string) umwandeln ? 18. Was ist ein stringstream ? 19. Welchen Include ben¨otigen wir f¨ ur die Arbeit mit Stringstreams ? Kapitel 6 Ein- und Ausgabe - II Nachdem wir uns im Kapitel 3 bereits mit der Ein- und Ausgabe u ¨ ber die Standard-Ger¨ ate (Tastatur und Bildschirm) besch¨aftigt haben, geht es in diesem Teil um die Dateiverarbeitung. 6.1 Die fstream Klassen Abb. 6.1 zeigt die Hierarchie der fstream Klassen. ios istream ostream iostream ifstream ofstream fstream Abbildung 6.1: Die fstream Klassen Diese sind von den bereits bekannten ios stream Klassen abgeleitet. 43 44 KAPITEL 6 EIN- UND AUSGABE - II • ifstream: ist von istream abgeleitet f¨ ur das Lesen von Dateien. • ofstream: ist von ostream abgeleitet f¨ ur das Schreiben von Dateien. • fstream: ist von iostream abgeleitet f¨ ur das Lesen und Schreiben von Dateien. 6.2 6.2.1 Arbeiten mit File-Streams File-Streams anlegen Er¨ offnungsmodus: Um eine Datei benutzen zu k¨onnen, muss diese zun¨achst ge¨ offnet werden. Daf¨ ur gibt es verschiedene M¨oglichkeiten (siehe Tab. 6.1). Flag ios::in ios::out ios::app ios::trunc ios::ate ios::binary Funktion Eine (existierende) Datei wird zum Lesen ge¨ offnet. Eine Datei wird zum Schreiben ge¨ offnet. Existierende Inhalte werden u ¨ berschrieben. Die neuen Inhalten werden an die existierenden angeh¨ angt. ¨ Eine bestehende Datei wird beim Offnen auf die L¨ ange 0 gek¨ urzt. Schreib- und Leseposition werden auf das Dateiende gesetzt. Schreib- und Leseoperationen werden im Bin¨ armodus ausgef¨ uhrt. Tabelle 6.1: Er¨offnungsmodi f¨ ur Dateien Die default Werte sind: • ios::in f¨ ur ifstream • ios::out | ios::trunc f¨ ur ofstream 6.2.2 File-Streams schließen Wir wissen schon, dass es bei objekt-orientierten Sprachen immer zwei passende Dinge gibt, z.B. Klassen-Konstruktoren und -Destruktoren. So ist zu erwarten, dass es zu einer Methode ’Datei ¨offnen’ (open()) auch eine Methode ’Datei schließen’ gibt (close()) (Tab. 6.4) 6.2.3 ¨ Ubung: Eine einfache Kopierfunktion ¨ In unserer ersten Ubung zur Dateiverarbeitung schreiben wir eine einfache Kopierfunktion. Exercise E6.2.3: Eine einfache file copy Funktion 6.2 ARBEITEN MIT FILE-STREAMS #include <iostream> #include <fstream> #include <string> using namespace std; // // // // for using for using for using namespace 45 cout ifstream / ofstream string for std functions int main() { //---------------------------------------------------------------ifstream input_file; // Instance of class ifstream input_file.open("input_file.txt"); // Open file "text_file.txt" string my_string; // Instance of class string input_file >> my_string; // Reading a string from file cout << my_string.data() << endl; // Output of string to screen //---------------------------------------------------------------ofstream output_file; // Instance of class ifstream output_file.open("output_file.txt"); // Open file "text_file.txt" output_file << my_string; // Writing a string to a file //---------------------------------------------------------------return 0; } Die Ein- >> und Ausgabeoperatoren << formatieren die Datentypen (z.B. int ¨ in der Ubung E6.2.3) entsprechend den Einstellungen der fstream Klasse. Diese Einstellungen k¨ onnen durch Flags ver¨andert werden (siehe n¨achsten Abschnitt). Die main() Funktion kann auch mit einer Parameterliste (int argc, char *argv[]) versehen werden. Die Anzahl der Parameter (argc) wird automatisch erkannt. MIt jedem Leerzeichen in der Tastatureingabe entsteht ein neuer Eingabeparameter (Abb. 6.2). int main(int argc, char *argv[]) { ifstream input_file; input_file.open(argv[1]); ofstream output_file; output_file.open(argv[2]); return 0; } // // // // Instance of class ifstream Open file, name from cin Instance of class ifstream Open file, name from cin Die Benutzung der main Funktion mit Eingabeparametern ist in der folgenden Abbildung zu sehen. Abbildung 6.2: Die main Funktion mit Parametern 46 6.2.4 KAPITEL 6 EIN- UND AUSGABE - II ¨ Ubung: Ein einfacher Konverter ¨ Ihre Frage nach dem Sinn der Ubung 6.2.3 ist vollkommen berechtigt, wozu ein Programm schreiben, um eine Datei zu kopieren. Das kann ich doch auch mit dem Windows-Explorer oder mit cp file1 file2 machen. Richtig, aber genauso funktionieren Kopierprogramme, Windows-Explorer ruft ’unser’ Ko¨ pierprogramm auf. Wenn wir auch nur kleine Anderungen in unserer Datei vornehmen wollen (z.B. eine laufenden Nummer in jede Zeile einf¨ ugen), kann uns der Windows-Explorer nicht mehr weiter helfen. Dies ist insbesondere dann argerlich, wenn die Datei ziemlich groß ist ... Auch hier sagen sie zu Recht, eine ¨ Nummerierung in eine gr¨oßere Datei einf¨ ugen, das kann ich z.B. auch mit EX¨ CEL machen. In der n¨achsten Ubung schreiben wir einen kleinen Konverter, also genau was EXCEL im Hintergrund macht, wenn wir eine neue Spalte einf¨ ugen. Exercise E6.2.4: Ein einfacher Konverter int main() { //---------------------------------------------------------------ifstream input_file; // Instance of class ifstream input_file.open("input.txt"); // Open file "text_file.txt" ofstream output_file; // Instance of class ifstream output_file.open("output.txt"); // Open file "text_file.txt" //---------------------------------------------------------------char line[80]; int i=0; while(input_file.getline(line,80)) // Loop condition { output_file << i << " " << line << endl; i++; // Incrementor (+1) } //---------------------------------------------------------------return 0; } Unser Konverter macht nichts anderes, als die Datei input.txt zu ¨offen, nacheinander alle Zeilen lesen und am Anfang der Zeile eine Nummer (i) einzuf¨ ugen und dann in die neue Datei output.txt zu schreiben. ¨ Was ist neu bei dieser Ubung. C++ Ding while() i++ Was tut’s eine Kontrollstruktur f¨ ur Schleifen (solange der Ausdruck in () wahr (true) ist wird die Schleife ausgef¨ uhrt) der Inkremetor (z¨ahlt Eins hoch) Tabelle 6.2: C++ news 6.2 ARBEITEN MIT FILE-STREAMS 47 Alle benutzten fstream Methoden finden sie in Tab. 6.4. 6.2.5 Einschub: Erstes Arbeiten mit MS VC++ Wir haben den Editor von MS VC++ ja schon mehrfach benutzt, da die Syntax ¨ des Quelltextes sehr sch¨ on angezeigt wird (Abb. 6.3). Uberhaupt ist MS VC++ ein sehr sch¨ ones Entwicklungssystem f¨ ur Programmentwicklung ... Wir f¨ uhren ¨ die Ubung E6.2.4 jetzt mal mit MS VC++ aus. Abbildung 6.3: Der MS VC++ Editor Standardm¨ aßig werden folgende Einf¨arbungen benutzt f¨ ur • Keywords: Blau • Kommentare: Gr¨ un • Normaler Quelltext: Schwarz • Includes: Rot 48 KAPITEL 6 EIN- UND AUSGABE - II • Zeichenketten: Rot Ich bin mir ziemlich sicher, dass man in einem gut versteckten MS VC++ Menupunkt alles selber einstellen kann ... Highlighting of sytax ... ist nur eines der sehr n¨ utzliches features (langsam gleiten wir in IT slang ab). Um MS VC++ richtig nutzen zu k¨onnen, m¨ ussen wir ein sogenanntes Projekt anlegen (mal sehen, ob ihre Begeisterung danach noch anh¨ alt). Die Schritte f¨ ur die Projekterstellung finden sie in der Anlage (Abschn. ??) ... Nachdem das Projekt angelegt ist, k¨onnen wir damit arbeiten. ¨ Abbildung 6.4: Ubersetzen sie das Projekt mit F7 (build solution) Abbildung 6.5: Das Debug Verzeichnis 6.2 ARBEITEN MIT FILE-STREAMS 49 MSVS legt allerhand Zeug’s an. Das executable finden sie im Unterverzeichnis Debug und kann nat¨ urlich mit einem Doppelklick gestartet werden. Wir starten die Konsolenanwendung aus MSVS mit Ctrl-F5 (Abb. 6.6). Abbildung 6.6: Starten der Konsolenanwendung mit Ctrl-F5 oder MenuAuswahl (Start without debugging) ¨ Hier wartet schon die erste Uberraschung auf uns: pwd wird nicht erkannt und wir werden aufgefordert eine Zeit einzugeben (Abb. 6.7). Abbildung 6.7: Das Debug Verzeichnis Was ist passiert ? • pwd ist ein Linux-Befehl, den kennt der Windows-Compiler nicht. • time gibt es auch als DOS-Befehl, hat aber eine ganz andere Bedeutung: nicht Ausgabe der Zeit sondern Zeit ¨andern. Wir sehen also, dass unser Quellcode von verschiedenen Compilern unterschiedlich interpretiert wird. 50 KAPITEL 6 EIN- UND AUSGABE - II . Abbildung 6.8: Der Windows bereinigte Quelltext Sie sehen ’Sch¨ onheit’ hat auch ihren Preis ... dennoch die Funktionalit¨at der MS VC++ Entwicklungsumgebung, das muss man neidlos anerkennen, ist einfach Klasse. 6.3 File-Streams und Klassen Wir wollen eine Lesefunktion f¨ ur die Klasse CStudent schreiben. Bevor wir damit beginnen, m¨ ussen wir uns Gedanken u ur die ¨ ber eine geeignete Struktur f¨ Darstellung eines CStudent Datensatzes in einer Datei machen. Der Vorschlag f¨ ur die Strukturierung von Datens¨atzen ist die Benutzung von Schl¨ usselw¨ortern zur Trennung von Datenbl¨ocken, z.B. #STUDENT $NAME_FIRST James $NAME_LAST Bond ... #STOP Wir benutzen zwei verschiedene Symbole f¨ ur Schl¨ usselw¨orter: 6.3 FILE-STREAMS UND KLASSEN 51 • keyword # : zur Trennung von Datens¨atzen f¨ ur eine Instanz von CStudent, • subkeyword $ : zur Identifizierung der einzelnen Daten f¨ ur die CStudent Instanz. • #STOP zeigt das Ende der Datenbasis an. (Eigentlich w¨are dies nicht n¨ otig, da das Dateiende auch mit dem Parameter eof (end-of-file) abgefragt werden kann. Wir werden aber sehen, dass mit #STOP einiges einfacher zu programmieren ist.) Exercise E6.3: Implementierung der CStudent Lesefunktion ios::pos_type CStudent::Read(ifstream& input_file) { //---------------------------------------------------------------------string input_line; char buffer[256]; // MAX_LINE ios::pos_type position; //---------------------------------------------------------------------while(true) { position = input_file.tellg(); input_file.getline(buffer,256); input_line = buffer; if(input_line.size()<1) // empty line continue; // Dealing with keywords if(input_line.find(’#’)!=string::npos) // keyword found return position; // Dealing with subkeywords if(input_line.find("$NAME_FIRST")!=string::npos) { input_file.getline(buffer,256); input_line = buffer; name_first = input_line; } if(input_line.find("$NAME_LAST")!=string::npos) { input_file >> name_last; } if(input_line.find("$subkeyword")!=string::npos) { input_file >> member; } } //---------------------------------------------------------------------return position; } 52 KAPITEL 6 EIN- UND AUSGABE - II Der Lesealgorithmus funktioniert wird folgt: Nach dem Auffinden eines Schl¨ usselworts #STUDENT, wird in einer while Schleife nach subkeywords ($) gesucht, wenn gefunden, werden der CStudent Instanz die Werte aus der Eingabedatei zugewiesen (also die Namen). Wenn das n¨achste Schl¨ usselwort (#STUDENT oder #STOP) gefunden wird, geht’s mit der vorletzten Position raus aus der Funktion. Die vorletzte position ist wichtig, damit die letzte Zeile sp¨ater nochmal gelesen werden kann, um das Schl¨ usselwort auswerten zu k¨onnen ... Die Implementierung der main Funktion, in der die CStudent::Read() Funktion aufgerufen wird, ist im folgenden Block dargestellt. #include <iostream> #include <fstream> #include <string> #include "student.h" using namespace std; // // // // // for for for for for using cout using ifstream / ofstream using string using CStudents std functions int main() { //---------------------------------------------------------------// File handling ifstream input_file; // ifstream instance input_file.open("data_set.txt"); if(!input_file.good()) // Check is file existing { cout << "! Error in STD::Read: file could not be opened" << endl; return 0; } input_file.seekg(0L,ios::beg); // Rewind file //---------------------------------------------------------------CStudent* m_std = new CStudent(); // CStudent instance m_std->Read(input_file); //---------------------------------------------------------------input_file.close(); return 0; } Die main Funktion besteht aus zwei Teilen, dem File-Handling und dem Aufruf der Lesefunktion. Beim File-Handling wird der stream aus der Datei data set.txt ge¨ offnet, anschließend erfolgt der Test, ob das File erfolgreich ge¨offnet werden konnte; wenn nicht, wir die main Funktion sofort beendet. ¨ Was ist neu bei dieser Ubung. Wir benutzen den Referenz-Operator & (Kapitel 7) als Parameter der Funktion CStudent::Read(). Eine Referenz ist eigentlich nicht anderes als ein anderer Bezeichner (Alias) f¨ ur eine bereits existierende Instanz eines Objekts. Es kann also mehrere solcher Referenzen geben und vor Benutzung einer Referenz muss die Instanz des Objekts physikalisch (also speicherm¨aßig) vorhanden sein, sonst ’crashed’ unser Programm. 6.4 FSTREAM METHODEN 53 C++ Ding ifstream& input file Was tut’s eine Reference auf ein Objekt wird in Kapitel 7 ausf¨ uhrlich abgehandelt Tabelle 6.3: C++ news 6.4 fstream Methoden Die bisher benutzten fstream Methoden sind in der Tab. 6.4 zusammengestellt. Methode open() good() seekg(pos,ios::beg) seekg(0L,ios::beg) tellg() getline(buffer,256) close() >> << Funktion offnet die Datei ¨ ¨ tested erfolgreiche Offnung der Datei geht zur Position pos in der Datei spoolt zum Dateianfang zur¨ uck merkt sich die aktuelle Position im stream holt eine Zeile der L¨ ange 256 (Zeichen) aus dem stream und kopiert diese in buffer schließt Datei Eingabeoperator f¨ ur Dateien Ausgabeoperator f¨ ur Dateien Tabelle 6.4: fstream Methoden Die string Auswertung spielt bei der Lesefunktion eine wichtige Rolle, daher haben wir uns wir uns im vorangegangenen Kapitel mit der string Klasse besch¨aftigt. 54 KAPITEL 6 EIN- UND AUSGABE - II 6.5 Testfragen 1. Was ist die Basis-Klasse f¨ ur alle Ein- und Ausgaben in C++ ? 2. Was sind die C++ Klassen f¨ ur das Lesen und Schreiben von Dateien ? 3. Welchen Include ben¨otigen wir f¨ ur das Arbeiten mit I/O File-Klassen ? 4. Was sind die Standard-Flags f¨ ur File-Streams (Lesen und Schreiben) ? 5. Mit welchem Flag k¨onnen wir zu schreibende Daten an eine existierende Datei anh¨ angen ? 6. Was ist der Unterschied zwischen ASCII- und Bin¨ar-Formaten ? 7. Mit welchem Flag k¨onnen wir Daten in einem Bin¨ar-Format schreiben ? Mit welcher Anweisung wird ein File ge¨offnet ? Mit welcher Anweisung wird ein File geschlossen ? 8. Was bewirken die Stream-Operatoren << und >> ? 9. Wie k¨ onnen wir mit Dateinamen in unserem Hauptprogramm main(...) arbeiten ? 10. Welche Anweisung ben¨otigen wir f¨ ur die Erzeugung einer Instanz f¨ ur einen Eingabe-Strom ? 11. Welche Anweisung ben¨otigen wir f¨ ur die Erzeugung einer Instanz f¨ ur einen Ausgabe-Strom ? 12. F¨ ur die Erstellung einer Datenbank ist es wichtig einzelnen Datens¨atze zu trennen. Wie k¨ onnen wir soetwas in der Datenbank-Datei bewerkstelligen ? 13. Ist es wichtig das Ende einer Datenbank-Datei, z.B. mit einem Schl¨ usselwort #STOP, zu markieren ? ¨ 14. Mit welcher Abfrage k¨onne wir pr¨ ufen, ob die Offnung einer Datei erfolgreich war ? 15. Mit welcher Anweisung k¨onnen wir die aktuell gelesene Position in einer ge¨ offneten Datei abfragen ? 16. Mit welcher Anweisung k¨onnen wir zu einer bestimmten Position in einer ge¨ offneten Datei springen ? 17. Mit welcher Anweisung k¨onnen wir eine komplette Zeile aus ge¨offneten Datei auslesen ? Kapitel 7 Referenzen und Zeiger Referenzen und Zeiger (pointer), d.h. die Symbole & und * sind uns bereits mehrfach begegnet, z.B. in der Parameterliste der main() Funktion ... Generell k¨ onnen Zeiger und Referenzen als einfache Variable, Parameter oder R¨ uckgabewert (return) einer Funktion auftauchen. ¨ In der Ubung E6.3 haben wir bereits mit Referenzen gearbeitet und festgestellt, dass Referenzen eigentlich nichts anderes als andere Bezeichner (Alias) f¨ ur eine bereits existierende Instanz eines Objekts sind. Es kann also mehrere solcher Referenzen geben. Bei der Definition eines Zeigers wird also kein neuer Speicher reserviert. Die Instanz des Objekts muss physikalisch (also speicherm¨aßig) nat¨ urlich vorhanden sein, sonst ’verabschiedet’ sich unser Programm gleich wieder. x &ref_x Referenz auf das Objekt Objekt im Speicher Abbildung 7.1: Referenzen auf Objekte 55 x y 56 KAPITEL 7 REFERENZEN UND ZEIGER 7.1 7.1.1 Referenzen Das Call-by-reference Prinzip - Referenzen als Parameter Def: Eine Referenz ist nichts anderes als ein anderer Name (Alias) f¨ ur ein bereits existierendes Objekt. Bei der Definition einer Referenz wird also kein neuer Speicherplatz f¨ ur das Objekt belegt (außer nat¨ urlich die 4 Byte f¨ ur die Referenz selbst). Die Abb 7.2 soll das Konzept des Referenzierens noch einmal verdeutlichen. • x ist die Instanz eines Datentyps T • &ref x ist eine Referenz (Verweis) auf x ¨ In der ersten Ubung sehen die Definition von Referenzen und Zeigern im Quelltext ¨ Ubung: E7.1.1 double x = 1.23456789; double* ptr_x; double& ref_x = x; // initialisation is needed ¨ Die Bildschirmausgabe der ersten Ubung zeigt Folgendes: Abbildung 7.2: Referenzen auf Objekte Eine Referenz (ref x) muss bei der Definition initialisiert werden (mit x), sonst bekommen sie eine Fehlermeldung beim Kompilieren. Der Referenztyp-Parameter (&) ist ein Aliasname f¨ ur das ’richtige’ Argument. Beim Aufruf der Funktion wird der Referenz-Parameter mit dem Objekt initialisiert. Die Funktion arbeitet also direkt mit dem von außen u ¨ bergebenen Argu¨ ment. Das ’Call-by-reference’ Prinzip ist sozusagen eine Ubergabe-von-Außen. Wir schauen uns dies mal an bei der CStudent-Lesefunktion aus der letzten Vorlesung. ¨ Ubung: E7.1.1 7.2 ZEIGER 57 Definition: CStudent::Read(ifstream& ref_input_file) Aufruf: ifstream input_file; CStudent* m_std = new CStudent(); // CStudent instance m_std->Read(input_file); Was passiert ? Beim Aufruf der Lese-Funktion Read wird die Adresse des ifstream Objekts (input file) an die Funktion u ¨bergeben. Das heisst die Lese-Funktion arbeitet intern mit dem ’richtigen’ Objekt. ’Call-by-reference’ Prinzip erm¨oglicht es also der Funktion einen Zugriff auf Daten des Aufrufers. Beim sogenannten ’Call-by-value’ Prinzip k¨onnen Funktions-Argumente innerhalb der Funktion nicht ge¨ andert werden. 7.1.2 Referenzen als Ru ¨ ckgabe-Wert Referenzen auf Objekte k¨ onnen auch R¨ uckgabe-Werte von Funktionen sein. ¨ Ubung: E7.1.2 (aus [5]) Definition: string& message() { static string m_str("Vorsicht Speicher-Falle"); return m_str; } Aufruf: !!! Das Objekt muss nach dem Verlassen der Funktion noch existieren ¨ Was ist neu bei dieser Ubung. C++ Ding static Was tut’s Speicherklasse: der Speicher f¨ ur das Objekt bleibt w¨ahrend der gesamten Programmausf¨ uhrung bestehen, wird in Kapitel 7.3 ausf¨ uhrlich abgehandelt. Tabelle 7.1: C++ news 7.2 Zeiger Zeiger sind eine der Grundideen moderner Programmiersprachen. Dabei arbeitet man nicht direkt mit den Daten-Bl¨ocken im Speicher sondern mit deren Adressen. Dies macht insbesondere Sinn, wenn es um große Daten-Objekte geht 58 KAPITEL 7 REFERENZEN UND ZEIGER oder bei Objekten, die erst zur Laufzeit angelegt werden (z.B. Vektoren, Listen, Strings). Das Klassen-Prinzip unterst¨ utzt die Zeigertechnik optimal, da die Klasse ihre Daten ja selber verwaltet (siehe Klassenkonstruktur) Der Zeiger (pointer) auf ein Objekt repr¨asentiert dessen Adresse und Daten-Typ. 7.2.1 Definition von Zeigern ¨ Die nachfolgende Ubung zeigt, wie wir Zeiger definieren und mit ihnen arbeiten k¨ onnen. F¨ ur den Zugriff auf Zeiger gibt es den sogenannten Verweisoperator ’*’. ¨ Ubung: E7.2 (aus [5]) int main() { int i, *ptr_i; // Definitionen i = 100; // Zuweisung ptr_i = &i; // Dem Zeiger wird die Adresse der integer Variable i // zugewiesen *ptr_i += 1; // Die integer Variable i wird um Eins erh¨ oht (i += 1;) } ⇒Geben sie Werte und Adressen der Integer-Variable i und den Zeiger auf i (i ptr) aus. Unabh¨ angig vom Daten-Typ ist der ben¨otigte Speicher f¨ ur eine Zeigervariable immer gleich groß - der zur Speicherung ben¨otigte Platz f¨ ur die Adresse des Objekts (4 Byte auf einer 32-Bit-Rechner-Architektur, siehe auch Abb. 7.2). ¨ Was ist neu bei dieser Ubung. C++ Ding *ptr i*i Was tut’s Verweisoperator (un¨ar: ein Operand) Multiplikations-Operator (bi¨ar: zwei Operanden) Tabelle 7.2: C++ news: Operatoren 7.2.2 NULL Zeiger Wir haben gesehen, dass Referenzen auf Daten-Objekte zwingenderweise initialisiert werden m¨ ussen (sonst streikt der Kompiler). Zeiger m¨ ussen eigentlich nicht initialisiert werden, ihnen wird bei der Definition eine ’vern¨ unftige’ Adresse zu gewiesen. Dies bedeutet noch lange nicht, dass sich hinter dieser Adresse etwas Vern¨ unftiges verbirgt. Daher ist es ratsam, auch Zeiger zu initialisieren, um Nachfragen zu k¨ onnen, ob sie tats¨achlich auf existierende Objekte zeigen. Zum Initialisieren von Pointern gibt es den NULL-Zeiger. 7.3 ZEIGER UND ARRAYS 59 double* ptr_x = NULL; ptr_x = &x; if(!ptr_x) cout << "Warning: ptr_x does not have a meaningful adress"; Der linke Operand der Operators = muss immer auf eine ’sinnvolle’ Speicherstelle verweisen. Dieser wird daher auch als so genannter L-Wert (L(eft) value) bezeichnet. Wenn eine Fehlermeldung ’wrong L-value’ erscheint, wissen sie, dass keine ’sinnvolle’ Adresse vergeben wurde, dies spricht wiederum f¨ ur eine Initialisierung von Zeigern mit Zero-Pointer. 7.2.3 Zeiger als Parameter Der Verweisoperator ist uns unl¨ angst schon mal begegnet bei der erweiterten main() Funktion mit Eingabeparametern: int main(int argc, char* argv[]) 7.3 Zeiger und Arrays Wie bereits gesagt, die Verzeigerungs-Technik ist eine der Besonderheiten von objekt-orientierten Sprachen, wie z.B. von C++. Mit solchen Pointern k¨onnen wir auch gr¨ oßere Daten-Objekte wie Vektoren verwalten. Die zentrale Idee ist: Wenn Startpunkt (id Adresse) und L¨ange des Vektors bekannt sind, wissen wir eigentlich alles und k¨ onnen auf alle Vektor-Daten zugreifen. 7.3.1 Statische Objekte Bei der Einf¨ uhrung der String-Klasse hatten wir bereits mit Zeichenketten zu tun. Aus der Sicht des Speichers ist eine Zeichenkette ein Vektor der eine bestimmte Anzahl von Zeichen enth¨alt. Vektoren k¨onnen nat¨ urlich f¨ ur (fast) alle Datentypen definiert werden. Im n¨achsten Kapitel (8) besch¨aftigen wir uns mit sogenannten Containern, damit k¨onnen z.B. Vektoren, Listen etc. f¨ ur ganze Klassen generiert werden. char Zeichenkette[80]; int iVektor[50]; double dVektor[50]; 7.3.2 Dynamische Objekte Bisher haben wir uns fast ausschließlich mit Datentypen besch¨aftigt, deren Speicherbedarf bereits w¨ ahrend der Kompilierung fest steht und reserviert wird (bis auf Strings-Objekte). Es gibt aber auch die M¨oglichkeit, den Speicherbedarf w¨ ahrend der Programmausf¨ uhrung zu ¨andern - dies geht mit dynamischen Daten-Objekten. Die werden wir folgt deklariert. 60 KAPITEL 7 REFERENZEN UND ZEIGER char* Zeichenkette; int* iVektor; double* dVektor; Nun m¨ ussen wir uns allerdings selber um die Speicherreservierung k¨ ummern. ¨ Dies erfolgt mit dem new-Operator und wird in der n¨achsten Ubung gezeigt. Wir ahnen schon, wenn es etwas zum Vereinbaren von Speicher gibt, muss es wohl auch das Gegenst¨ uck - freigeben von Speicher - geben. Nat¨ urlich habe sie Recht. Dies erledigt der delete-Operator. double* dVektor; dVektor = new double[1000]; delete [] dVektor; Die Anwendung beider Operatoren zum Speichermanagement sowie eine M¨oglich¨ keit, den verbrauchten Speicher zu messen, werden in der folgenden Ubung gezeigt. ¨ Ubung: E7.3.2 #include <iostream> // for using cout #include <malloc.h> // for using malloc_usable_size using namespace std; int main() { char* Zeichenkette; // Definitions long size_memory; // Auxiliary variable for memory size Zeichenkette = new char[1000]; // Memory allocation size_memory = malloc_usable_size(Zeichenkette); // calculation of memory delete [] Zeichenkette; // Memory release return 0; } HomeWork: HW7.3.2 Schreiben sie ein kleines Programm, mit der sie den ben¨otigten Speicher ermitteln k¨onnen und pr¨ ufen sie, ob die Freigabe des Speichers funktioniert hat. Zeiger k¨ onnen auch verschachtelt werden: Zeiger auf Zeiger ... Damit lassen sich mehrdimensionale Datenstrukturen schaffen, z.B. Matrizen. 7.4 Summary Das Verstehen und Arbeiten mit Zeigern und Referenzen ist nicht ganz einfach und braucht eine ganze Zeit der praktischen Anwendung. Der *Operator 7.4 SUMMARY 61 **matrix *matrix[0] *matrix[1] *matrix[2] *matrix[1][0] *matrix[1][1] *matrix[1][2] Abbildung 7.3: Die Definition einer Matrix mittels Pointer kann beispielsweise als Zeiger auf etwas und gleichzeitig f¨ ur dynamische Vektoren benutzt werden. Dies scheint zun¨achst absolut verwirrend zu sein, beim ¨ genaueren Uberlegen aber: * ist lediglich die Startadresse f¨ ur den Vektor. Merken sie sich erst einmal nur, dass es geschickter (und schneller) ist, nicht mit den Daten-Objekten direkt sondern mit Verweisen darauf (also deren Adressen) zu arbeiten. Die nachfolgende Tabelle und Abbildung sollen das Thema ’Referenzen und Zeiger’ noch einmal illustrieren. Syntax double x double* ptr double& ref double* dVektor Bedeutung Definition einer doppelt-genauen Gleitkommazahl (Speicherbedarf 8 Byte) Zeiger auf eine doppelt-genauen Gleitkommazahl (Speicherbedarf 4 Byte) Referenz auf eine doppelt-genaue Gleitkommazahl (Speicherbedarf 4 Byte) Zeiger auf einen Gleitkommazahl-Vektor Tabelle 7.3: Zeiger und Referenzen ptr_x &ptr_x Adresse von ptr_x x &x ptr_x Adresse von x Wert von ptr_x x *ptr_x Wert von x Abbildung 7.4: Referenzen und Zeiger (nach [5]) 62 KAPITEL 7 REFERENZEN UND ZEIGER 7.5 Testfragen 1. Was ist &x ? (x ist ein beliebiger Datenobjekt T, z.B. eine Gleitkommazahl: double x) 2. Was ist eine Referenz &ref? 3. Was bedeutet die Anweisung: &ref = x? 4. Erkl¨ aren sie kurz (mit eigenen Worten) das Zeiger-Konzept in C++? 5. Was bewirkt der NULL Zeiger, d.h. *ptr = NULL ? 6. Was bedeutet die Anweisung: ptr = &x? 7. M¨ ussen Referenzen (&) und Zeiger (*) auf Daten-Objekte initialisiert werden ? 8. Was bewirkt die Definition long l[1000] speichertechnisch ? 9. Wie groß ist der Speicherbedarf des statischen Datenobjekts long l[1000] ? 10. Wie groß ist der Speicherbedarf des dynamische Datenobjekts long* ptr l = new long[1000] ? 11. Woher kommt der Unterschied (4 Byte auf einem 32Bit Rechner) im Speicherbedarf zwischen statischen und dynamischen Datenobjekten. 12. Zusatzfrage: Was bedeutet die Definition **ptrptr (Zeiger auf Zeiger), was f¨ ur ein Datenkonstrukt entsteht ? Kapitel 8 Container Wir haben bereits mit der String-Klasse gesehen, dass C++ neben der Basisfunktionalit¨ at einer Programmiersprache auch sehr n¨ utzliche Erweiterungen, wie das Arbeiten mit Zeichenketten, anbietet. Diese Erweiterungen geh¨oren zum Standard von C++, geh¨ oren also zum ’Lieferumfang’ des Compilers dazu und heißen daher auch Standard-Klassen. Diese Klassen bilden die sogenannte Standard-Bibliothek (STL - STandard Library). In diesem Kapitel besch¨ aftigen wir uns mit sogenannten Containern mit denen Daten organisiert, gespeichert und verwaltet werden k¨onnen, z.B. Listen und Vektoren. In der Abb. 8.1 sind die wichtigsten Elemente der Container dargestellt. Der Begriff Container soll verdeutlichen, dass Objekte des gleichen Typs z.B. in einer Liste gespeichert werden. Und wie immer bei Klassen, werden nat¨ urlich auch die Methoden f¨ ur den Zugriff oder die Bearbeitung von diesen Objekten bereitgestellt. Die Speicherverwaltung f¨ ur Container-Elemente erfolgt dynamisch zur Laufzeit (siehe Kapitel Speicherverwaltung). Die Abb. 8.1 zeigt auch, welche verschiedenen Typen von Containern es gibt: Sequentielle Container: sind z.B. Vektoren, Listen, Queues und Stacks. Vektoren sind Felder (arrays) in denen die einzelnen Elemente nacheinander angeordnet sind. Bei einer Liste kennt jedes Element nur seine Nachbarn (Vorg¨ anger- und Nachfolgeelement). Queues (wir kennen dies von Druckern) sind Warteschlangen, die nach dem FIFO-Prinzip (first in, first out) funktionieren. Das heißt, dass zuerst eingef¨ ugte Element wird auch zuerst verarbeitet (z.B. Druckjobs). Stacks sind sogenannte Kellerstapel, die nach dem LIFO-Prinzip (last in, first out) funktionieren. Das bedeutet, das zuletzt eingef¨ ugte Element wird zuerst verarbeitet. Assoziative Container: sind z.B. Maps (Karten) und Bitsets. Die Elemente sind nicht wie bei sequentiellen Container linear angeordnet sondern in bestimmtem Strukturen (z.B. Baumstrukturen). Dies erm¨oglicht einen besonders schnellen Datenzugriff, der u usselung erfolgt. ¨ ber eine Verschl¨ 63 64 KAPITEL 8 CONTAINER Container sequential Container Vectors Stacks associative Container Queues Sets Maps Bitsets Abbildung 8.1: C++ Container (Bildquellen: www.prachensky.com) Die Besonderheit der C++ Container ist die dynamische Speicherverwaltung. Das heisst, Einf¨ ugen und Entfernen von Container-Elementen ist sehr einfach, wir brauchen uns nicht selbst um das Speichermanagement zu k¨ ummern. Dies u ¨ bernehmen die Konstruktoren und Destruktoren (siehe Abschnitt 4.4) der jeweiligen Container-Klasse. 8.1 Sequentielle Container Ein weiterer Grund f¨ ur die Bereitstellung von Containern ist, dass die Elemente gemeinsame Datentypen und Methoden haben. Der Datentyp T eines Containers ist nat¨ urlich eine (beliebige) Klasse. Die Tab. 8.1 listet die Klassentemplates f¨ ur einige sequentielle Container sowie die ben¨otigen Include-Files auf. Ein Klassentemplate ist nichts weiter als eine formale Beschreibung der Syntax. 8.2 VECTORS 65 Klassen-Template vector<T,Allocator> list<T,Allocator> stack<T,Container> queue<T,Container> Include-Files <vector> <list> <stack> <queue> Tabelle 8.1: Klassentemplates f¨ ur sequentielle Container • vector: Schl¨ usselwort • < ... >: Parameterliste • T: erster Parameter, Datentyp des Vektors • Allocator: zweiter Parameter, Speichermodell des Vektors Die Methoden sequentieller Container sind sehr einfach, intuitiv zu bedienen und sie sind gleich f¨ ur Vektoren, Listen etc. Ein Auswahl der wichtigsten gemeinsamen Methoden finden sie in der nachfolgenden Tabelle. Methode size() push back(T) pop back() insert(p,T) erase(p) clear() resize(n) Bedeutung Anzahl der Elemente, L¨ange de Containers Einf¨ ugen eines Elements am Ende L¨ oschen des letzten Elements Einf¨ ugen eines Elements vor p L¨ oschen des p-Elements (an der Stelle p) L¨ oscht alle Elemente ¨ Andern der Containerl¨ange Tabelle 8.2: Methoden f¨ ur sequentielle Container 8.2 Vectors The standard vector is a template defined in namespace std and presented in <vector>. The vector container is introduced in stages: member types, iterators, element access, constructors, list operations etc. The structure of a vector is illustrated in Fig. 8.2. Abbildung 8.2: Structure of vectors Following lines are necessary in order to use the vector container in your sources code. 66 KAPITEL 8 CONTAINER #include <vector> using namespace std; Types: Very different types can be used in vectors. A vector e.g. of integers can be declared in this way. // Declaration and construction vector<int> v; Constructors: With the above source code a vector of integer types is constructed as well. Stack operators: The functions push back and pop back treat the vector as a stack by adding and removing elements from its end. // Input elements to vector for(i=0;i<9;i++) { v.push_back(i+1); } Iterators: Iterators can be used to navigate containers without the programmer having to know the actual type to identify the elements, e.g. for inserting and deleting elements. A few number of key functions allow to step through the elements, such as begin() pointing to first element and end() pointing to the one-past-last element. An example of a loop through all vector elements using the iterator is given below. // Navigating vector elements for(vector<int>::iterator it=v.begin(); it!=v.end(); ++it) { cout << *it << ’\n’; } Vector elements can be addressed directly by element number. Fast data access is an advantage of vectors. Abbildung 8.3: Access to vector elements In contrast, vectors are not as flexible as lists. Deleting and adding of elements within the vector is complicated (Fig. 8.4). 8.2 VECTORS 67 Abbildung 8.4: Deleting elements Programming exercises 8.2.1 Defining vectors In the first exercise we just define a vector and insert some elements into it in order to show the concept. Exercise 8.2.1 #include <iostream> // for using cout #include <vector> // for using vectors using namespace std; // for std functions void main() { //------------------------------------------------------cout << "E81 - Working with vectors" << endl; //------------------------------------------------------vector<int>my_vector; // Declaration of vector my_vector.push_back(1); // Inserting an element to vector my_vector.push_back(3); my_vector.push_back(5); for(int i=0;i<(int)my_vector.size();i++) { cout << my_vector[i] << endl; // Access to vector elements } //------------------------------------------------------} 8.2.2 Vectors and data base ¨ In der n¨ achsten Ubung werden einige Dinge, die wir bisher gelernt haben, zusammenbringen. Sie werden sehen, dass ’gut’ programmierte Dinge einfach ’zusammengebaut’ werden k¨ onnen: Objekte (Kapitel 4), IO-Methoden (Kapitel 6), Stringverarbeitung (Kapitel 5). 68 KAPITEL 8 CONTAINER Exercise 8.2.2 #include <iostream> #include <fstream> #include <string> #include <vector> #include "student.h" using namespace std; // // // // // // for for for for for for using cout using ifstream / ofstream using string using vectors using CStudents std functions #define MAX_ZEILE 256 bool STDRead(ifstream&); int main() { //---------------------------------------------------------------cout << "E82: an object-oriented DB read function" << endl; //---------------------------------------------------------------// 1 File handling ifstream input_file; // ifstream instance input_file.open("data_base.txt"); if(!input_file.good()) // Check is file existing { cout << "! Error: input file could not be opened" << endl; return 0; } //---------------------------------------------------------------// 2 Read data base STDRead(input_file); //---------------------------------------------------------------return 0; } Unser Programm besteht aus drei gekapselten Teilen: • main(): Das Hauptprogramm: die Steuerzentrale, hier wir i.W. das Dateimanagement erledigt. • STDRead(ifstream&): Die u ur die komplet¨ bergeordnete Lesefunktion f¨ te Datenbank, hier befindet sich eigentlich nur eine Schleife, welche die Objekt-Lesefunktion aufruft, solange Daten in der Datei vorhanden sind. • CStudent::Read(ifstream): Die Objekt-Lesefunktion, die liest die eigentlichen Daten f¨ ur jeden Datensatz aus der Datenbankdatei. ¨ Der einzige Ubergabeparameter ist die Datenbank-Datei: std file. 8.2 VECTORS 69 Exercise 8.2.2 continued /************************************************************************** STDLib-Method: Task: Reading all STD objects 06/2009 OK Implementation **************************************************************************/ bool STDRead(ifstream& std_file) { //-1-------------------------------------------------------------------char line[MAX_ZEILE]; string line_string; ios::pos_type position; vector<CStudent*>std_vector; CStudent* m_std = NULL; //---------------------------------------------------------------------//OK STDDelete(); //-2-------------------------------------------------------------------// rewind the file std_file.seekg(0,ios::beg); //-3-------------------------------------------------------------------// OBJ reading, keyword loop cout << "STDRead" << endl; while (!std_file.eof()) { std_file.getline(line,MAX_ZEILE); line_string = line; if(line_string.find("#STOP")!=string::npos) break; if(line_string.find("#STUDENT")!=string::npos) { m_std = new CStudent(); position = m_std->Read(std_file); // from E63 std_vector.push_back(m_std); std_file.seekg(position,ios::beg); } } // eof //---------------------------------------------------------------------cout << "Number of data sets: " << std_vector.size() << endl; return true; } 8.2.3 Updating your data base entry Homework 8.2.3a: Please update your data base entries and send it by mail to me ([email protected]). Homework 8.2.3b: Please write a print function for the CStudent class. 70 8.3 KAPITEL 8 CONTAINER Lists A list is a sequence optimized for insertion and deletion of elements. They allow a very flexible organization of elements. But the price for flexibility is a relatively slow access to data. List provides bidirectional iterators (Fig. 8.3). This implies that a STL list will typically be implemented using some form of a doubly-linked list. Abbildung 8.5: Structure of lists Following lines are necessary in order to use the list container in your sources code. #include <list> using namespace std; Types: All data types are possible for lists, e.g. a class. // Declaration list<CStudent*> std_list; list<int> int_list; Constructors: With the above source code a list for class instances is constructed as well. Stack operators: Lists provide same typical member functions as for vectors. // Insert list elements at end CStudent* m_std; my_list.push_back(m_std); Iterators: Again iterators can be used to navigate lists. We show an example for deleting a specific element from the list. Identification of the list element is by name (Fig. 8.6). Abbildung 8.6: Deleting list elements The following exercise shows how conveniently we can deal with lists, i.e. in order to sort, reverse, merge, and unify lists. The unifying function removes 8.3 LISTS 71 multiple entries from lists, which is a very nice tool in order to clean a data base. Exercise 8.3 #include <iostream> // for using cout #include <list> // for using lists using namespace std; // for std functions typedef list<int>INTLIST; void display(list<int>); int main() { int i; list<int>list1; INTLIST list2; // Filling the list with random numbers for(i=0;i<4;i++) { list1.push_back(rand()%10); list2.push_back(rand()%10); } display(list1); // Display the list display(list2); // Putting first element to the end as well list1.push_back(list1.front()); list1.reverse(); // Reverse list list1.sort(); // Sort list list1.merge(list2); // Merge two lists list1.sort(); // Remove multiple entries #1 list1.unique(); // Remove multiple entries #2 return 0; } void display(list<int>my_list) { int i; list<int>::const_iterator iterator; iterator = my_list.begin(); while(iterator != my_list.end()) { i = *iterator; cout << i << endl; ++iterator; } } The concept of the data base read function is illustrated in Fig. 8.7. 72 KAPITEL 8 CONTAINER main() Files STDRead(ifstream&) STD::Read() Abbildung 8.7: Data base read concept The last exercise shows how we can delete entries from the students data base (i.e. people we don’t like) // Deleting list elements CStudent* m_std = NULL; list<CStudent*>::const_iterator p = std_list.begin(); while(p!=std_list.end()) { m_std = *p; if(m_std->GetStudentName()=="James Bond") { my_list.remove(*p); break; } ++p; } // Deleting repeated entries std_list.unique(); 8.4 Testfragen 1. Was sind C++ Container ? 2. Welche Typen von C++ Containern kennen sie ? 3. Worin besteht der Unterschied zwischen sequentiellen und assoziativen Containern ? 4. Welche sequentiellen Container kennen sie ? 5. Erkl¨ aren sie die Syntax des Vektor-Containers: vector<int>my vector . 6. Was ist der Unterschied zwischen Vektoren und Listen ? 7. Was sind die Gemeinsamkeiten von Vektoren und Listen ? 8. Welcher Include ist notwendig f¨ ur das Arbeiten mit Vektoren ? 9. Welcher Include ist notwendig f¨ ur das Arbeiten mit Listen ? 8.4 TESTFRAGEN 73 10. Ben¨ otigen wir den Zusatz (Namensraum) using namespace std, wenn ja warum ? 11. Mit welcher Instruktion k¨ onnen Elemente in Vektoren und Listen einf¨ ugen ? 12. Wo werden sequentielle Container-Elemente mit der Instruktion ugt ? push back(T) eingef¨ 13. Mit welcher Anweisung k¨ onnen wir die L¨ange von sequentiellen ContainerElementen bestimmen ? 14. Mit welcher Anweisung k¨ onnen wir einen Vektor platt machen (d.h. alle Elemente l¨ oschen) ? 15. Wie k¨ onnen wir auf ein Vektor-Element, sagen wir das 17te Element des Vektors vector<int>my vector, direkt zugreifen ? 16. Quellcode verstehen: Erkl¨ aren sie die Struktur (1,2,3) der DB-Lese-Funktion ¨ 8.2.2. Beginnen sie mit der PaSTDRead(ifstream& std file) in der Ubung rameterliste. 17. Wie k¨ onnen wir unsere Studenten-Klasse CStudent in die DB-Anwendung ¨ (Ubung 8.2.1) einbinden ? ¨ 18. Was ist eigentliche Lesefunktion f¨ ur unsere Studenten-Datens¨atze (Ubung 8.2.2) ? 19. Mit welchem Befehl k¨ onnen wir die Reihenfolge von Listen-Elementen umkehren ? 20. K¨ onnen wir Listen-Elemente sortieren, wenn ja wie, mit welcher Instruktion ? 21. Mit welchem Befehl k¨ onnen wir mehrere Listen zusammenf¨ uhren ? 22. K¨ onnen wir doppelte Elemente aus einer Liste entfernen sortieren, wenn ja wie, mit welcher Instruktion ? 23. Was ist ein Iterator ? 24. Quellcode verstehen: Erkl¨ aren sie die Funktion ¨ 8.3. Beginnen sie mit der void display(list<int>my list) der Ubung Parameterliste. 25. Wie k¨ onnen wir Elemente aus einer Liste entfernen ? Kapitel 9 Andere Sprachelemente Wir haben das Ende der C++ Grundvorlesung erreicht (hoffentlich ein Grund zur Freude). Das Ziel der Vorlesung ’Hydroinformatik’ ist allerdings bei Weitem noch nicht erreicht. Sie erinnern sich, wir wollen eine Dialog-gef¨ uhrte DatenbankAnwendung (Fig. 4) mit C++ entwickeln. Sie werden sehen, dass wir fast alle Bausteine beisammen haben (außer die Grafik-Programmierung mit Visual C++) und die Realisierung unser Applikation (nach der langen Vorbereitung) dann sehr schnell geht. Bevor wir zum graphischen (Visual) C++ kommen, wollen wir Sprachelemente (C++ news), die wir zuvor schon benutzt haben, aber noch nicht explizit besprochen haben, hier kurz einf¨ uhren. 9.1 Kontrollstrukturen Bei Kontrollstrukturen handelt es sich um Sprachelemente f¨ ur bedingte Anweisungen und Schleifen mit Z¨ahlern und Bedingungen. Control if-else switch-case for while Bedeutung Anweisungen mit Bedingungen Fallunterscheidungen Schleifen mit Z¨ahlern Schleifen mit Bedingungen Tabelle 9.1: Kontrollstrukturen Verschachtelungen von Kontrollstrukturen sind nat¨ urlich m¨oglich. 74 9.1 KONTROLLSTRUKTUREN 9.1.1 75 if-else Es geht um die Ausf¨ uhrung von Anweisungen und Alternativen unter bestimmten Bedingungen. Ausf¨ uhrung einer Anweisung unter einer Bedingung (siehe, ¨ z.B. Ubung 8.2.2): if(logische Bedingung) {...} // Ausf¨ uhrung, wenn Bedingung erf¨ ullt ist Ausf¨ uhrung einer Anweisung unter einer Bedingung mit Alternative (else) (sie¨ he, z.B. Ubung 8.2.2): if(logische Bedingung) {...} // Ausf¨ uhrung, wenn Bedingung erf¨ ullt ist else {...} // Ausf¨ uhrung, wenn Bedingung nicht erf¨ ullt ist 9.1.2 switch-case Die Kontrollstruktur switch-case bietet die M¨oglichkeit von Fallunterscheidungen durch Ausdr¨ ucke (z.B. Aufz¨ ahlungen durch Zahlen). Der Schalter switch springt entsprechend dem Zahlenausdruck in einen Fall case. switch(Ausdruck) { case 0: // wenn Ausdruck == 0 ... // Anweisungen break; // Verlassen default: // wenn kein Ausdruck zutrifft } Es gibt eine weitere Variante, wo der Ausdruck ein Zeichen sein kann. switch(Ausdruck) { case ’A’: // wenn Ausdruck == A ... // Anweisung break; // Verlassen } Eine weitere M¨ oglichkeit diese Kontrollstruktur elegant einzusetzen ist die Benutzung von enum - einem Konstrukt f¨ ur eigene Z¨ahler. enum Wochentag {Montag,Dienstag,Mittwoch,Donnerstag,Freitag,Samstag,Sonntag} Die einzelnen Wochentage bekommen dann aufsteigende Werte (von 0 beginnend) zugewiesen. Dann k¨ onnen wir unsere Fallunterscheidung (z.B. f¨ ur das Mensa-Men¨ u) wie folgt schreiben: 76 KAPITEL 9 ANDERE SPRACHELEMENTE switch(Wochentag) { case Montag: // wenn Wochentag == 0 case Dienstag: // wenn Wochentag == 1 ... case Sonntag: // wenn Wochentag == 6 } 9.1.3 for Die for Schleife ist eine Schleife mit einem Z¨ahler. for(int i=0;i<stop;i++) { ... // Anweisungen } Die Anweisungen im Funktionsrumpf {...} werden solange ausgef¨ uhrt, bis der Z¨ ahler den Wert stop erreicht (das heißt, f¨ ur den Wert stop wird die Schleife nicht mehr ausgef¨ uhrt). Bei jedem Schleifendurchlauf wird der Z¨ahler i um Eins (i++) hochgez¨ ahlt. Ich habe gerade mal nachgesehen. In unserem Programmsystem OpenGeoSys wird die for-Schleife u ¨ ber 4000 mal verwendet! Wir haben ¨ sie z.B. in der Ubung 8.2.1 zum Generieren von Vektor-Elementen benutzt. 9.1.4 while Die while Schleife ist eine Endlos-Schleife mit einer Bedingung. while(Bedingung) { ... // Anweisungen } Die Anweisungen im Funktionsrumpf {...} werden ausgef¨ uhrt, solange die Bedingung erf¨ ullt (das heißt, der numerische Wert Bedingung muss gr¨oßer als 0 sein). Um aus der Schleife herauszukommen, muss also der Wert der Bedingung ge¨ andert werden - oder ’hart’ abgebrochen werden (siehe n¨achster Abschn. 9.1.5) In unserem Programmsystem OpenGeoSys wird die while-Schleife fast 500 mal ¨ verwendet! Wir haben sie f¨ ur unsere Lesefunktion (Ubung 8.2.1) und beim Ite¨ rieren in Listen (Ubung 8.2.1) verwendet. 9.1.5 continue, break, return Es gibt mehrere M¨ oglichkeiten, um Kontrollstrukturen (vorzeitig) verlassen zu k¨ onnen. ¨ 9.2 GULTIGKEITSBEREICHE 9.2 77 Gu ¨ltigkeitsbereiche F¨ ur alles, was wir deklarieren, Funktionen, Klassen, Variablen gibt es G¨ ultigkeitsbereiche. Wenn irgendwo etwas definieren, ist es also nicht u ¨ berall sichtbar. Wir hatten uns mit diesem Thema schon bei der Definition von ’privaten’ Klassen-Elementen besch¨ aftigt (Abschn. 4.6). Die Abb. ?? zeigt das Prinzip von lokalen und globalen G¨ ultigkeitsbereichen. Wir sollen immer versuchen soviel wie m¨ oglich lokal zu definieren, das unterst¨ utzt die Daten-Kapselung in unserem Programm. Klassen sind immer nur dort sichtbar, wo ihre Header-Dateien inkludiert worden sind. 9.2.1 Namensbereiche Sind uns auch schon mehrfach begegnet bei der Verwendung von Strings, Vektoren und Listen. Dabei wurde nach dem Includieren der entsprechenden HeaderDateien die Anweisung using namespace std benutzt. Strings, Vektoren und Listen geh¨ oren zum Namensraum der Standard-Bibliothek STL. #include <strings> std::my_string("Beispiel ohne Namensbereich"); using namespace std; my_string("Beispiel mit Namensbereich"); Wir k¨ onnen auch eigene Namensbereiche definieren. namespace Meins { // hier sind Funktionen des Namensbereichs class CStudent } using namespace Meins; Wozu ? Wenn sie ihren Programmcode mit einem anderen Entwickler zusammenf¨ uhren wollen und es gibt mehrere Klassen CStudent, dann k¨onnen sie sicher auf ihre Funktion zugreifen, wenn sie ihren Namensraum gesetzt haben. 9.2.2 Compiler-Direktiven – # Alles was mit # anf¨ angt, versetzt den Kompiler in den Alarmzustand - es sind sogenannte Kompiler-Direktiven, das heißt beim Kompilieren werden gewisse Weichen gestellt. 78 KAPITEL 9 ANDERE SPRACHELEMENTE Direktive #include #define #ifdef #ifndef #endif #define Wirkung Einf¨ ugen einer Header-Datei Definition einer Direktive Wenn die Direktive gilt Wenn sie nicht gilt Ende der Direktive Definition eines Makros Tabelle 9.2: Compiler-Direktiven 9.2.2.1 Includes Ohne Includes geht gar nichts, sie erinnern sich, selbst um einfache Bildschirmausgaben mit cout machen zu k¨onnen mussten wir Klasse iostream einf¨ ugen. An dieser Stelle nochmal zur Erinnerung. Es gibt Arten von Includes: <Header> Die eckigen Klammern bedeuten, es geht um einen System-Inklude. Es wird im Systemverzeichnis (dort wo C++ installiert ist) gesucht. ”Header” Die G¨ ansef¨ ußchen bedeuten, es geht um einen eigenen Inklude. Es wird lokalem Verzeichnis gesucht. Wenn der Programm-Code verzweigt ist, also eine komplexere Verzeichnisstruktur hat, m¨ ussen Pfade der Inklude-Dateien mit angegeben werden, sonst werden sie nicht gefunden. Keine Angst, in diesem Falle bekommen sie sofort eine eindeutige Fehler-Meldung beim Versuch zu Kompilieren. 9.2.2.2 Bedingte Kompilation Eine sehr n¨ utzliche Sache sind Direktiven f¨ ur die Kompilation von Test-Versionen. Gerade w¨ ahrend der Entwicklung m¨ochte man neue Programmteile einfach anund ausschalten k¨ onnen. Dies geht mit der Kompiler-Direktive (KD) #ifdef. #define TEST #ifdef TEST ... #endif // Anschalten der Direktive TEST Wenn die Kompiler-Direktive TEST an ist, wird der Programmtext von der Stelle #ifdef bis #endif beim Kompilieren u ¨ bersetzt, ansonsten einfach ignoriert. Kompiler-Direktiven sind immer aus, wenn sie nicht explizit eingeschaltet werden. Das Gegenst¨ uck von #ifdef ist #infdef, also wenn die Kompiler-Direktive aus ist. Oft m¨ ussen Funktionen u ¨berarbeitet werden. Mit Kompiler-Direktiven kann man sehr sch¨ on eine neue Variante der Funktion entwickeln und die alte 9.3 TESTFRAGEN 79 erstmal zu Vergleichszwecken beibehalten. Erst wenn alles richtig funktioniert, schmeißt man das alte Zeug weg. ¨ Ubung 9.2.2.2: #define NEW_VERSION // Anschalten der Direktive NEW_VERSION #ifdef NEW_VERSION ... // wenn NEW_VERSION an ist #else ... // wenn NEW_VERSION aus ist #endif ¨ Ich empfehle ihnen, das mal in irgendeiner Ubung auszuprobieren. Wichtig: Denken sie immer an das #endif zum Ausschalten, sonst gilt die KompilerDirektive bis zum Ende des gesamten Programms. 9.2.2.3 Makros Die Kompiler-Direktive #define kann auch zur Definition sogenannter Makros verwendet werden, z.B. f¨ ur Konstanten, die man oft benutzt. Es geht aber auch f¨ ur einfache Funktionen oder sogar Print-Anweisungen. #define PI 3.1416 // Definition der Zahl PI #define MULT(a,b) ((a)*(b)) #define PRINT(x) cout << (#x) << ": " << (x); Der Makro-Einsatz sollte aber nicht u ur ¨ bertrieben werden, eigentlich gibt es daf¨ richtige Funktionen. Bei Makros werden z.B. keine Pr¨ ufungen durch den Kompiler gemacht, daher sind sie fehleranf¨allig. 9.3 Testfragen 1. Was sind Kontrollstrukturen, welche kennen sie ? 2. Bei welcher logischen Bedingung wird eine if-Anweisung ausgef¨ uhrt ? 3. Lassen sich Kontroll-Strukturen verschachteln ? 4. Mit welcher Kontrollstruktur k¨onnen wir Fallunterscheidungen programmieren ? 5. Welche Ausdr¨ ucke k¨ onnen wir bei der switch-case Kontrollstruktur benutzen ? 6. Wie kann ich eine Kompiler-Direktive an- und ausschalten ? 80 KAPITEL 9 ANDERE SPRACHELEMENTE ¨ 7. Schreiben sie die Ubung 9.2.2.2 f¨ ur die Benutzung von #ifndef anstelle von #ifdef um. 8. Erl¨ autern sie den Kopf der for-Schleife: for(int i=0;i<stop;i++), welchen Daten-Typ hat stop ? 9. Was ist eine Endlos-Schleife, wie kommen wir daraus ? 10. Was sind Namensbereiche ? 11. Was m¨ ussen wir tun, um die Arbeit mit C++ Standard-Klassen zu vereinfachen, d.h anstelle von std::my string() direkt my string() benutzen zu k¨ onnen ? 12. Was sind Kompiler-Direktiven, was bewirken diese ? 13. Wie k¨ onnen wir Kompiler-Direktiven an- und ausschalten ? 14. Worin besteht der Unterschied bei Includes mit eckigen Klammern < ... > bzw. mit G¨ ansef¨ ußchen ”...” ? ¨ 15. Schreiben sie die Ubung 9.2.2.2 f¨ ur die Benutzung von #ifndef anstelle von #ifdef um ? 16. Was sind Makros ? 17. Welche beiden Einsatzm¨oglickeiten von Makros gibt es ? 18. Worin besteht die Gefahr, Makros als Funktionsersatz zu benutzen ? Part II Visual C++ Kapitel 10 Qt Die Geschichte: Bei der ersten HI-I Vorlesung gabe es ziemlich peinliche ei¨ ne Panne. Die (mit viel M¨ uhe vorbereiteten Ubungen) liefen zwar mit meiner MSVC++ (professional) Version aber (nicht ohne Weiteres) mit freien MSVC++ Express Version, wo die MFC standartm¨aßig nicht mehr dabei ist. Dies zeigt uns aber, auch beim Programmieren niemals nur auf ein Pferd setzen. Wichtig ist, unser eigener Code muss C++ Standard sein, den k¨onnen wir dann problemlos in verschiedene GUI Frameworks, wie MSVC++, Qt etc. einbauen. Warum jetzt ¨ noch Qt ? Wir werden in den Ubungen sehen, dass Qt sehr dicht an C++ Standards dran ist und Qt ist a cross-platform GUI. Qt l¨auft auf Windows, Linux, Mac ... In der Anlage 5.1 finden sie eine Anleitung zur Installation von Qt. 10.1 Hello Qt Wie es sich f¨ ur ein ordentliches Programmier-Framework geh¨ort, ist die erste ¨ Ubung ”Hello World” auf graphisch. ¨ Ubung: 10.1 #include <QApplication> #include <QLabel> int main(int argc, char *argv[]) { QApplication app(argc,argv); QLabel *label = new QLabel("Hello Qt!"); label->show(); return app.exec(); } 82 10.2 EXECUTABLE VON DER KONSOLE STARTEN 83 Sehr erfreulich ist die N¨ ahe von Qt zum Standard C++, es gibt eine klassische main() Funktion. Die Komposition von ”Hello Qt” ist sehr einfach: • Es wird eine Qt Application angelegt (¨ahnlich wie bei Windows, aber doch irgendwie einfacher), • Es wird ein Label angelegt, das mit der Methode →show() angezeigt wird. Qt bietet auch die M¨ oglichkeit, einfach HTML code zu integrieren. Ersetzen sie die QLabel Zeile wie folgt. QLabel *label = new QLabel("<h2><i>Hello<!i>""<font color=red>Qt!</font></h2>"); Abbildung 10.1: Hallo Qt 10.2 Executable von der Konsole starten Um ein ausf¨ uhrbares Qt Programm zu erzeugen ben¨otigen wir 3+1 Schritte: • Gehen sie in ihre Start - Programme Men¨ u (Windows) und starten sie die den Qt command prompt (Fig. 10.2). Abbildung 10.2: Qt Kommando Zeile • Mit qmake -project erzeugen sie ein Qt Projekt. • Mit qmake legen sie ein makefile an. • Mit mingw32-make (kein Leerzeichen) kompilieren sie das Projekt und generieren ein ausf¨ uhrbares Programm. • Mit E10 1 HelloQt.exe starten sie das Programm. 84 KAPITEL 10 QT . Abbildung 10.3: Die Schritte in Bildern ... 10.3 Quit - Schaltfl¨ achen ¨ Die n¨ achste Ubung zeigt uns, wie einfach mit Schaltfl¨achen (Push Button) gearbeitet werden kann. #include <QApplication> #include <QPushButton> int main(int argc, char *argv[]) { QApplication app(argc,argv); QPushButton *button = new QPushButton("Quit"); QObject::connect(button, SIGNAL(clicked()),&app, SLOT(quit())); button->show(); return app.exec(); } Im Unterschied zu ”Hello Qt” ist eine Kommunikation mit dem Anwender (dr¨ ucken der Schaltfl¨ ache) notwendig. Die Signalverarbeitung erfolgt u ¨ ber die Object-Methode connect. QObject::connect(button, SIGNAL(clicked()),&app, SLOT(quit())); 10.4 DIALOGE 85 Dabei wird die Nachricht SIGNAL(clicked()) mit der Schaltfl¨ache Quit mit einem sogenannten SLOT(quit())) verbunden. Abbildung 10.4: Hallo Qt 10.4 Dialoge Zum Abschluss unsere Dialog-Anwendung. Dabei wird in der main Funktion eine Instanz der Klasse QDialog erzeugt. #include <QtGui/QApplication> #include "dialog.h" int main(int argc, char *argv[]) { QApplication a(argc, argv); Dialog w; w.show(); return a.exec(); } Der Header des Dialogs enth¨ alt im Wesentlichen die Resourcen-Elemente, z.B. die Schaltfl¨ ache pushButtonReadDB zum Lesen der Datenbank sowie die dazugeh¨ origen Funktionen on pushButtonReadDB clicked(). class Dialog : public QDialog { Q_OBJECT public: Dialog(QWidget *parent = 0); ~Dialog(); private: Ui::Dialog *ui; QListWidget QPushButton QPushButton QPushButton *listWidget; *pushButtonReadDB; *pushButtonAdd; *pushButtonDelete; 86 KAPITEL 10 QT QLineEdit *lineEditNameFirst; QLineEdit *lineEditNameLast; private slots: void on_pushButtonReadDB_clicked(); void on_pushButtonAdd_clicked(); void on_pushButtonDelete_clicked(); void on_listWidget_clicked(); }; Die Implementierung des Dialogs besteht aus drei Teilen: 1. Konstruktion der grafischen Resourcen-Elemente: pushButton (Schaltfl¨achen), listWidget (Liste), lineEdit (Editierfelder), 2. Signalverarbeitung: Wenn pushButtonReadDB gedr¨ uckt wurde, f¨ uhre die Funktion on pushButtonReadDB clicked aus, 3. Layout: Es werden horizontale und vertikale Boxen angelegt. Dialog::Dialog(QWidget *parent) : QDialog(parent), ui(new Ui::Dialog) { ui->setupUi(this); // 1.1 - pushButton pushButtonReadDB = new QPushButton(tr("&Read DB")); pushButtonAdd = new QPushButton(tr("&Add DS")); pushButtonDelete = new QPushButton(tr("&Delete DS")); // 1.2 - listWidget QString name = "Tom Hanks"; QStringList names; names << name << "Alice Wunderland" << "Bob Dylan" << "Carol Crow" << "Donald Dug" << "Emma Thomson"; listWidget = new QListWidget(); for (int row = 0; row < 5; ++row) { listWidget->addItem(names[row]); } //1.3 - lineEdit lineEditNameFirst = new QLineEdit(); lineEditNameFirst->insert("Tom"); lineEditNameLast = new QLineEdit(); lineEditNameLast->insert("Hanks"); // 2 - connect connect(pushButtonReadDB,SIGNAL(clicked()),this, SLOT(on_pushButtonReadDB_clicked())); connect(pushButtonAdd,SIGNAL(clicked()),this, SLOT(on_pushButtonAdd_clicked())); connect(pushButtonDelete,SIGNAL(clicked()),this, 10.4 DIALOGE 87 SLOT(on_pushButtonDelete_clicked())); connect(listWidget,SIGNAL(itemSelectionChanged()),this, SLOT(on_listWidget_clicked())); //3 - Layout QHBoxLayout *leftTopLayout = new QHBoxLayout; leftTopLayout->addWidget(lineEditNameFirst); leftTopLayout->addWidget(lineEditNameLast); QVBoxLayout *leftLayout = new QVBoxLayout; leftLayout->addLayout(leftTopLayout); leftLayout->addWidget(listWidget); QVBoxLayout *rightLayout = new QVBoxLayout; rightLayout->addWidget(pushButton); rightLayout->addWidget(pushButtonAdd); rightLayout->addWidget(pushButtonDelete); rightLayout->addStretch(); QHBoxLayout *mainLayout = new QHBoxLayout; mainLayout->addLayout(leftLayout); mainLayout->addLayout(rightLayout); setLayout(mainLayout); } Das Ergebnis der Dialog-Implementierung sehen wir in Abb. 10.5. Abbildung 10.5: Qt Dialog Um zu pr¨ ufen, ob die Signalverarbeitung hinter den Kn¨opfchen funktioniert, rufen wir eine MessageBox auf. void Dialog::on_pushButtonAdd_clicked() { QMessageBox msgBox; msgBox.setText("pushButtonAdd clicked"); 88 KAPITEL 10 QT msgBox.exec(); } 10.5 QT PROJEKT 10.5 89 Qt Projekt Es ist ihnen hoffentlich gelungen, Qt f¨ ur ihr Betriebssystem erfolgreich zu installieren. Eine kurze Installationsanleitung war im Skript [?] (Abschn. 12.8) zu finden. Hier noch mal die Web-Seite f¨ ur den Download http://qt.nokia.com/products. Der große Vorteil von Qt ist die Plattformunabh¨angigkeit sowie die freie Verf¨ ugbarkeit unter der GPL (Gnu Public License). Wir starten Qt mit einem Doppelklick auf das Desktop-Symbol (Abb. 11.4). Abbildung 10.6: Qt Start Wenn alles gut geht gegangen ist sollten sie im Qt User Interface (UI) landen (Abb. 11.4). Abbildung 10.7: Qt Creator Zun¨achst m¨ ussen wir ein neues (leeres) Qt Projekt anlegen (Abb. 11.4-10.11). Abbildung 10.8: Neues Qt Projekt anlegen - Schritt 1 Schritte: • pro Datei 90 KAPITEL 10 QT . Abbildung 10.9: Neues Qt Projekt anlegen - Schritt 2 Abbildung 10.10: Neues Qt Projekt anlegen - Schritt 3 Abbildung 10.11: Neues Qt Projekt anlegen - Schritt 4 10.5 QT PROJEKT 91 Nachdem ein leeres Qt Projekt angelegt ist, f¨ ugen wir zun¨achst eine existierende Quell-Datei mit der main Funktion hinzu (Abb. 10.12). Abbildung 10.12: Hinzuf¨ ugen einer Quell-Datei Es k¨ onnen weitere Quell-Dateien hinzugef¨ ugt werden, wie z.B. der Qt Plotter (Abb. 10.13). Abbildung 10.13: Qt Editor 92 KAPITEL 10 QT Unser Projekt ist schon kompilierf¨ahig. Mit einem Druck auf das ”gr¨ une Kn¨opfchen” (Abb. 10.14) wird kompliert und das Programm ausgef¨ uhrt. Abbildung 10.14: Kompilation und Programmstart Im Ergebnis haben wir unseren ersten Qt Plot (Abb. 10.15), unheimlich - nicht wahr. Abbildung 10.15: Qt Plotter Jetzt schauen wir uns die Sache mal etwas genauer an. ¨ Ubung: E10.5 #include <QApplication> #include "plotter.h" int main(int argc, char *argv[]) { QApplication app(argc, argv); // Data int numPoints = 100; QVector<QPointF> points0; QVector<QPointF> points1; for (int x = 0; x < numPoints; ++x) { points0.append(QPointF(x, uint(qrand()) % 100)); points1.append(QPointF(x, uint(qrand()) % 100)); 10.5 QT PROJEKT 93 } // Plotter Plotter plotter; plotter.setWindowTitle(QObject::tr("Jambi Plotter")); plotter.setCurveData(0, points0); plotter.setCurveData(1, points1); PlotSettings settings; settings.minX = 0.0; settings.maxX = 100.0; settings.minY = 0.0; settings.maxY = 100.0; plotter.setPlotSettings(settings); plotter.show(); // return app.exec(); } Dies soll als kurze Einf¨ uhrung in Qt erstmal gen¨ ugen, es geht weiter im n¨achsten Semester. Part III Anlagen / Software Kapitel 11 Software-Installation 95 96 11.1 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION Glossar Compiler ist ein Programm (z.B. g++), das eine Quelldatei in Maschinencode u ¨bersetzt. Quelldatei ist ein File (z.B. main.cpp), das Quellcode enth¨alt. Quellcode sind s¨ amtliche C++ Anweisungen. Maschinencode ist ein ausf¨ uhrbares Program, z.B. a.exe. 11.2 CYGWIN INSTALLATION 11.2 97 cygwin Installation In dieser Anlage finden sie eine Anleitung zur Installation von cygwin - dies ist eine Linux-Umgebung f¨ ur Windows. In dieser Umgebung k¨onnen sie die GNU C und C++ Compiler verwenden. Abbildung 11.1: Schritt 1: Gehen sie auf cygwin Web Seite - www.cygwin.com. Klicken sie auf das cygwin Symbol (Install or update now!). Abbildung 11.2: Schritt 2: Laden sie die setup.exe Datei auf ihren Rechner herunter und f¨ uhren sie die setup.exe aus. 98 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION . Abbildung 11.3: Schritt 3: Das cygwin setup Programm wird gestartet. Hier sehen sie auch die aktuelle Versionsnummer (2.573.2.3). Best¨atigen sie mit Weiter. Abbildung 11.4: Schritt 4: W¨ahlen sie das Verzeichnis zur Installation von cygwin aus, z.B. das Verzeichnis, in dem die Anwendungsprogramme sind (C:/Programme). Behalten sie die Voreinstellungen. Best¨atigen sie mit Weiter. 11.2 CYGWIN INSTALLATION 99 . Abbildung 11.5: Schritt 5: cygwin ben¨otigt ein tempor¨ares Verzeichnis f¨ ur die Installation, das sp¨ ater gel¨ oscht werden kann. Behalten sie die Voreinstellungen. Best¨ atigen sie mit Weiter. Abbildung 11.6: Schritt 6: Benutzen sie die voreingestellte direkte Internetverbindung. Best¨ atigen sie mit Weiter. 100 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION . Abbildung 11.7: Schritt 7: W¨ahlen sie die download site, am besten die Dresdner: http://ftp.inf.tu-dresden.de; Best¨atigen sie mit Weiter. Liste der 6 zu installierenden Pakete aus der Kategorie ’Devel’: • binutils: The GNU assembler linker and binary utilities (release 200806242) [6MB] • gcc-core: C compiler (release 3.4.4.999) [3.6MB] • gcc-g++: C++ compiler (release 3.4.4.999) [7.8MB] • gcc-mingw-core: support headers and libraries for GCC (release 200505221) [69kB] • gcc-mingw-g++: support headers and libraries for GCC C++ (release 20050522-1) [1.9MB] • mingw-runtime library (release 3.15.2-1) [372kB] 11.2 CYGWIN INSTALLATION 101 . Abbildung 11.8: Schritt 8: Nun erscheint die Liste der packages, die installiert ¨ werden k¨ onnen. Offnen sie dem Baum Devel (klicken Sie auf das Plus-Symbol). W¨ ahlen sie die oben aufgef¨ uhrten Pakete aus, welche f¨ ur die Installation von C und C++ ben¨ otigt werden. Best¨ atigen sie mit Weiter. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen ihnen, welche Markierungen aktiviert sein m¨ ussen, um den C (GCC) und den C++ (G++) zu installieren. Eigentlich reicht es, die binutils, gcc-core und gcc-g++ auszuw¨ahlen, die restlichen Pakete (mingw) m¨ ussten automatisch aktiviert werden. Egal, u ufen sie, ob ¨ berpr¨ alles wie in den nachfolgenden Abbildungen markiert ist. Viel Erfolg! 102 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION . Abbildung 11.9: Schritt 8a: (aktive) Auswahl der binutils Abbildung 11.10: Schritt 8b: (aktive) Auswahl der C und C++ Compiler Die nachfolgenden Pakete sollte automatisch markiert werden, bitte u ufen ¨ berpr¨ sie dies sicherheitshalber. 11.2 CYGWIN INSTALLATION 103 . Abbildung 11.11: Schritt 8c: (automatische) Auswahl von Hilfspaketen Abbildung 11.12: Schritt 8d: (automatische) Auswahl von Hilfspaketen Abbildung 11.13: Schritt 9: Behalten sie die Voreinstellungen, um eine cygwin Verkn¨ upfung auf ihrem desktop zu erstellen. Schließen sie die Installation ab. 104 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION Im Ergebnis der Installation erhalten sie eine desktop Verkn¨ upfung mit cygwin, das nun mit einem Doppelklick gestartet werden kann. Abbildung 11.14: Schritt 8d: cygwin desktop Verkn¨ upfung Starten sie cygwin mit einem Doppelclick auf die desktop Verkn¨ upfung. Abbildung 11.15: Start von cygwin Mit einem Rechtsklick auf den oberen Balken gelangen sie in das EigenschaftenMenu und k¨ onnen Einstellungen (z.B. Farben) nach ihrem Geschmack ¨andern. 11.2 CYGWIN INSTALLATION 105 . Abbildung 11.16: Das Eigenschaften-Menu von cygwin Testen sie, ob die Compiler einsetzbar sind, indem sie diese einfach aufrufen: • gcc - Aufruf des C Compilers • g++ - Aufruf des C++ Compilers Da sie die Compiler ohne etwas zu tun aufrufen, erhalten sie die Meldung: keine Eigabedateien. Abbildung 11.17: Aufruf der Compiler ¨ Nun kann es also endlich losgehen mit der ersten Ubung ⇒ Abschnitt 1.4. 106 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION 11.3 LINUX 11.3.1 ¨ Ubersicht einiger grundlegenden Linux-Befehle Befehl / command Bedeutung Hilfe man info apropos whatis Klassische Hilfe (verlassen mit Q) Online Hilfe von GNU (verlassen mit Q) Schl¨ usselw¨ ortersuche bei man-Seiten Kurzbeschreibung zu einem Kommando / Schl¨ usselwort Dateien ls ls -attr file cp Quelle Ziel mv Datei1 Datei2 mv Datei V1 rm Dateien rmdir Verzeichnis find find/ Dateien auflisten Dateiattribute auflisten Dateityp ermitteln Kopiert Quelle nach Ziel Datei1 umbenennen in Datei2 Verschiebt Datei in das Verzeichnis V1 Dateien l¨ oschen Verzeichnis l¨ oschen Suche nach Dateien Suche startet im Root-Verzeichnis / im ganzen System Verzeichnisse pwd ./ cd mkdir rm Verzeichnis rmdir ls gibt aktuelles Arbeitsverzeichnis an aktuelles Verzeichnis Wechsel des aktuellen Verzeichnisses ein Verzeichnis anlegen ein Verzeichnis l¨ oschen ein leeres Verzeichnis l¨ oschen Verzeichnisinhalt auflisten Systembefehle shutdown -h shutdown Uhrzeit shutdown -t Sekunden reboot oder shutdown -r uname Herunterfahren des Systems Herunterfahren des Systems bei Uhrzeit (z.B.: 14.00) Herunterfahren des Systems nach Anzahl der Sekunden Neustart des Systems Systeminformationen ausgeben ¨ Diese Ubersicht basiert auf ’Linux auf einem Blatt’ von Christian Helmbold (www.helmbold.de) (siehe n¨achste Seite) 11.3 LINUX 107 weitere Informationen und Erkl¨ arungen ¨ deutsche Ubersichten: ¨ - Pdf-Ubersicht ’Linux auf einem Blatt’ (auch zum Download) www.helmbold.de/linux - Linux-Befehle f¨ ur Einsteiger http://www.linux-fuer-alle.de/doc show.php?docid=33 ¨ - Ubersicht f¨ ur wichtige Linux-Befehle und Programme http://www.tnt-computer.de/yanip/lbefehle.html ¨ englische Ubersichten ¨ - umfangreiche Ubersicht mit Parametern und Beispielen http://www.computerhope.com/unix.htm#04 - Vergleich zwischen MS-DOS- und Linux-Befehlen http://www.yolinux.com/TUTORIALS/unix for dos users.html Wir arbeiten uns jetzt mal mit der online-Hilfe ’man’ (steht f¨ ur Manual) weiter vor. Abbildung 11.18: Benutzen der online Hilfe Mit dem Befehl man ls k¨ onnen wir uns die Optionen von ls (Dateien auflisten) anzeigen lassen. 108 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION . Abbildung 11.19: Optionen von ls (Dateien auflisten) 11.3 LINUX 11.3.2 109 Profile Wir n¨ ahern uns der L¨ osung, einfach in das Verzeichnis zu gelangen, in dem sich ¨ ¨ unsere Ubungen befinden. Ahnlich wie in DOS die Programme autoexec.bat und config.sys beim Start des Betriebsystems automatisch ausgef¨ uhrt werden, ist es bei LINUX ein so genanntes Profile: .bash profile. In diese Datei k¨onnen eigene Befehle eingetragen werden. Eigentlich ist es ganz einfach .... cd C:/User/TEACHING/C++/EXERCISES Durch diese Instruktion in der .bash profile wechseln wir direkt in das Ver¨ zeichnis, in dem sich unsere Ubungen befinden. Nachdem wir verschiedene Editoren ausprobiert haben (und erhebliche Unterschiede in der Behandlung von Zeilenenden (CR) gesehen haben), ließ sich zu ¨ allem Ubel unsere m¨ uhsam editierte .bash profile mit dem Windows-Explorer nicht speichern (es liegt an dem Punkt am Anfang des Datei-Namens). Ich kann ihre Entt¨ auschung gut verstehen, nicht umsonst gibt es Windows und LinuxAnh¨ anger. Dennoch m¨ ussen wir eine L¨osung finden oder ? 11.3.2.1 L¨ osung 1: unix2dos Nach unserem Schiffbruch mit dem Speichern einer ’.bash profile’ unter Windows (’denkt’ vor dem Punkt kommt der Datei-Name und nach dem Punkt die File-Extension, also nix vor dem Punkt heißt f¨ ur Windows, kein Datei-Name ... so ist das, wenn Programme zu viel denken). Die zweite L¨ osung ist eine Dateikonvertierung. Linux bietet zwei Programme an: dos2unix und unix2dos, mit denen man Dateien plattformgerecht konvertieren kann (Fig. 11.20) Abbildung 11.20: Wandeln zwischen Linux und Dos-Dateien 110 11.3.2.2 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION L¨ osung 2: Cygwin (the Linux point of view) Wir brauchen einen ’einfachen’ Editor f¨ ur cygwin, d.h. wir m¨ ussen nachinstallieren (siehe Abschn. ) Abbildung 11.21: Nachinstallieren des vi Editors Nach der vi Installation m¨ ussen wir in das Verzeichnis (home directory) gelangen, wo sich die .bash profile Datei befindet. Abbildung 11.22: home directory und dessen Inhalt 11.3 LINUX 111 Wir ¨ offnen die .bash profile Datei mit dem vi Editor wie folgt: Abbildung 11.23: Starten des vi Editors Jetzt k¨ onnen wir mal einen Linux-Editor live erleben (danach werden sie Win¨ dows noch mehr ’lieben’ ...). Nach dem Offnen der Datei gehen sie mit dem Kursor dorthin, wo sie Text einf¨ ugen m¨ochten. Dann dr¨ ucken sie die ’i’ Taste, der insert Modus wird gestartet. Nun k¨onnen sie den Befehl zum Wechseln in ihr ¨ ¨ Ubungsverzeichnis eingeben cd ... Um die Anderungen zu speichern, dr¨ ucken sie ’Esc’ ’:’ ’w’. vi wechselt nun in den File-Modus ’w’ steht f¨ ur write ... so einfach ist das. Abbildung 11.24: Editieren und speichern 112 Befehl i a Esc: w q q! 11.3.3 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION Wirkung Wechseln in den Insert/Einf¨ uge-Modus Wechseln in den Append/Anh¨angen-Modus Wechseln in den Kommando-Modus Write: Datei speichern (im Kommando-Modus) ¨ Quit: Datei ohne Anderung verlassen (im Kommando-Modus) ¨ Quit: Datei ohne Anderung verlassen (im Kommando-Modus) Make Mit den Make utilities k¨onnen ganze Projekte kompiliert werden, die aus vielen Quelltext-Dateien bestehen. Nachfolgend sehen sie die Instruktionen des makefile f¨ ur die Kompilierung unseres Projekts. Dabei werden die Quell-Dateien main.cpp und student.cpp kompiliert, gelinkt und die ausf¨ uhrbare Datei a.exe erzeugt. # OPTFLAG = -O3 C++ = g++ $(OPTFLAG) -Wall CFile = main.cpp student.cpp OFile = main.o student.o .SUFFIXES: .o .cpp .h .cpp.o: $(C++) -c -o $*.o $< main: $(OFile) $(C++) -o main $(OFile) clean: rm -f *.o 11.4 QT INSTALLATION 11.4 Qt Installation Qt installation 113 114 KAPITEL 11 SOFTWARE-INSTALLATION Zur Qt Installation gehen sie auf folgende Web-Seite und folgen den Schritten gem¨ aß den Abbildungen: http://www.qtsoftware.com/products/. W¨ahlen die freie LGPL Lizenz. Dabei wird die Installationsdatei f¨ ur das entsprechende Betriebssystem heruntergeladen (Abb. 11.25). Abbildung 11.25: Qt Installationsdatei f¨ ur Windows Nach der Installation haben sie den Qt Creator zur Verf¨ ugung (Abb. 11.26). Abbildung 11.26: Qt Creator Kapitel 12 Questions 12.1 Testfragen - Kapitel 1 - Einfu ¨ hrung 1. Was bedeutet das ++ im Namen der Programmiersprache C++ ? 2. Ist C++ eine standardisierte Programmiersprache ? 3. Was ist der Unterschied zwischen C und C++ ? 4. Was sind sogenannte Programmier-Paradigmen ? 5. Welche verschiedenen Programmier-Paradigmen kennen sie und worin unterscheiden sie sich ? 6. Welches Paradigma verfolgen wir in der Vorlesung ? 7. Was ist objekt-orientierte Programmierung ? 8. Was ist ein Kompiler ? 9. Erkl¨ aren sie die einzelnen Schritte bei einer Kompilierung (s. Abb. 1.4). ¨ 10. Welchen Kompiler benutzen sie f¨ ur die C++ Ubungen ? 11. Welche Funktion ben¨ otigt jedes C oder C++ Programm ? 12. Was ist der Typ einer Funktion ? 13. Was ist eine Parameterliste einer Funktion ? 14. Was ist der R¨ uckgabewert einer Funktion ? 115 116 12.2 KAPITEL 12 QUESTIONS Testfragen - Kapitel 2 - Datentypen 1. Was ist der genaueste Datentyp in C++ ? 2. Wie groß ist der Speicherbedarf von einem string Datentyp ? 3. Mit welcher Anweisung k¨onnen wir den Speicherbedarf von elementaren Datentypen ermitteln ? 4. Was sind Escape-Sequenzen ? 5. Was ist der Unterschied zwischen den Escape-Sequenzen \n und \r ? 6. Was ist die C++ Entsprechung der Klasse cout f¨ ur einen Zeilenumbruch ? 12.3 Testfragen - Kapitel 3 - Ein- und Ausgabe I 1. Sind sie mit der Tab. 2.2 einverstanden ? 2. Welche Ein- und Ausgabeger¨ate kennen sie ? 3. Welche Klasse ben¨otigen wir f¨ ur die Standard-Ein- und Ausgabe ? 4. Was ist die Basis-Klasse f¨ ur alle Ein- und Ausgaben in C++ ? 5. Mit welcher Klasse k¨onnen wir sowohl Eingabe- als auch Ausgabestr¨ome benutzen ? 6. Welche Include-Datei ist notwendig, um mit I/O-Str¨omen arbeiten zu k¨ onnen ? 7. Wozu dient der Zusatz using namespace std; nach dem Include von Standard-Klassen, wie I/O Streams ? 8. Was bewirken die Stream-Operatoren << und >> ? 9. Was bewirken die Flags oct, dec, hex f¨ ur die formatierte Ausgabe von Ganzzahlen ? (ToDo) 10. Wie kann ich die Genauigkeit der Ausgabe von Gleikomma-Zahlen festlegen ? 11. Wie kann man den Speicherbedarf einer Variable ermitteln ? Schreiben sie die C++ Anweisung f¨ ur die Berechnung des Speicherbedarfs f¨ ur eine doppelt-genaue Gleitkomma-Zahl. 12.4 TESTFRAGEN - KAPITEL 4 - KLASSEN 12.4 117 Testfragen - Kapitel 4 - Klassen 1. Geben sie eine Definition von C++ Klassen mit eigenen Worten (max 5 S¨ atze). 2. Was ist ein benutzerdefinierter Datentyp ? 3. Welches Datennschutz-Konzept gibt es f¨ ur Klassen ? 4. Wozu brauchen wir zwei Dateien f¨ ur Klassen, eine H (Header) Datei und eine CPP (Quelltext) Datei ? 5. Was ist ein Inklude / Include ? 6. Was ist eine Instanz einer Klasse ? 7. Worin besteht der Unterschied zwischen den Anweisungen: CStudent m std 1 und CStudent* m std 2 ? 8. Was ist ein Konstruktor einer Klasse ? 9. Was ist das Gegenst¨ uck zum Klassen-Konstruktor ? 10. Wie k¨ onnen Daten / Variablen einer Klasse initialisiert werden ? 11. Schreiben sie den Quelltext f¨ ur den Klassen-Konstruktor und weisen sie den Variablen name first und name last ihren eigenen Namen zu. 12. Was verbirgt sich hinter der Anweisung: CStudent* m std = new CStudent() ? 13. Was ist der Unterschied zwischen CStudent und CStudent() ? 14. Wie kann ich meine Daten gegen einen externen Zugriff sch¨ utzen ? 12.5 Testfragen - Kapitel 5 - Strings 1. Welche Klasse bietet uns C++ zur Verarbeitung von Zeichenketten an ? 2. Welchen Include ben¨ otigen wir f¨ ur die Arbeit mit Zeichenketten ? 3. Wof¨ ur ist die Anweisung using namespace std n¨ utzlich ? 4. M¨ ussen wir selber Speicherplatz f¨ ur C++ Zeichenketten (Strings) reservieren ? 5. Wie k¨ onnen wir einen String, sagen wir mit der Zeichenkette ”Das ist eine gute Frage”, initialisieren ? 6. Wie k¨ onnen wir zwei Strings, ihren Vor- und Nachnahmen, miteinander verbinden ? 118 KAPITEL 12 QUESTIONS 7. Mit welcher string Funktion kann ich Zeichenketten miteinander vergleichen ? 8. Schreiben sie eine Anweisung zum Vergleich der Klassen-Variable m std− >name last mit ihrem Nachnamen ? 9. Mit welcher string Funktion kann ich Zeichenketten suchen ? 10. Schreiben sie eine Anweisung zum Suchen ihres Vornamens in der KlassenVariable m std− >name first ? 11. Mit welcher string Funktion kann ich Teile in Zeichenketten erstetzen ? 12. Wie k¨ onnen wir die L¨ange der in einem Objekt der Klasse std::string verwalteteten Zeichenkette ermitteln ? 13. Schreiben sie die Anweisungen, um ihren Nachnamen in die Zeichenkette ”JAMES BOND” nach ”JAMES” einzuf¨ ugen ? 14. Was passiert, wenn ihr Nachname l¨anger als ”BOND” ist ? 15. Mit welcher string Funktion k¨onnen wir Zeichen in einem String l¨oschen ? 16. Wir haben gesehen, dass es verschiedene Daten-Typen f¨ ur Zeichenketten in C, C++, MFC, .NET und Qt gibt. Zeichenketten geh¨oren zu den wichtigsten Daten-Typen bei der Programmierung. Wie k¨onnen wir einen C++ string in eine C Zeichenkette (char) umwandeln ? 17. K¨ onnen wir eine .NET Zeichenkette (String∧) in eine C++ Zeichenkette (string) umwandeln ? 18. Was ist ein stringstream ? 19. Welchen Include ben¨otigen wir f¨ ur die Arbeit mit Stringstreams ? 12.6 Testfragen - Kapitel 6 - Ein- und Ausgabe II 1. Was ist die Basis-Klasse f¨ ur alle Ein- und Ausgaben in C++ ? 2. Was sind die C++ Klassen f¨ ur das Lesen und Schreiben von Dateien ? 3. Welchen Include ben¨otigen wir f¨ ur das Arbeiten mit I/O File-Klassen ? 4. Was sind die Standard-Flags f¨ ur File-Streams (Lesen und Schreiben) ? 5. Mit welchem Flag k¨onnen wir zu schreibende Daten an eine existierende Datei anh¨ angen ? 6. Was ist der Unterschied zwischen ASCII- und Bin¨ar-Formaten ? 12.7 TESTFRAGEN - KAPITEL 7 - REFERENZEN UND ZEIGER 119 7. Mit welchem Flag k¨ onnen wir Daten in einem Bin¨ar-Format schreiben ? Mit welcher Anweisung wird ein File ge¨offnet ? Mit welcher Anweisung wird ein File geschlossen ? 8. Was bewirken die Stream-Operatoren << und >> ? 9. Wie k¨ onnen wir mit Dateinamen in unserem Hauptprogramm main(...) arbeiten ? 10. Welche Anweisung ben¨ otigen wir f¨ ur die Erzeugung einer Instanz f¨ ur einen Eingabe-Strom ? 11. Welche Anweisung ben¨ otigen wir f¨ ur die Erzeugung einer Instanz f¨ ur einen Ausgabe-Strom ? 12. F¨ ur die Erstellung einer Datenbank ist es wichtig einzelnen Datens¨atze zu trennen. Wie k¨ onnen wir soetwas in der Datenbank-Datei bewerkstelligen ? 13. Ist es wichtig das Ende einer Datenbank-Datei, z.B. mit einem Schl¨ usselwort #STOP, zu markieren ? ¨ 14. Mit welcher Abfrage k¨ onne wir pr¨ ufen, ob die Offnung einer Datei erfolgreich war ? 15. Mit welcher Anweisung k¨ onnen wir die aktuell gelesene Position in einer ge¨ offneten Datei abfragen ? 16. Mit welcher Anweisung k¨ onnen wir zu einer bestimmten Position in einer ge¨ offneten Datei springen ? 17. Mit welcher Anweisung k¨ onnen wir eine komplette Zeile aus ge¨offneten Datei auslesen ? 12.7 Testfragen - Kapitel 7 - Referenzen und Zeiger 1. Was ist &x ? (x ist ein beliebiger Datenobjekt T, z.B. eine Gleitkommazahl: double x) 2. Was ist eine Referenz &ref? 3. Was bedeutet die Anweisung: &ref = x? 4. Erkl¨ aren sie kurz (mit eigenen Worten) das Zeiger-Konzept in C++? 5. Was bewirkt der NULL Zeiger, d.h. *ptr = NULL ? 6. Was bedeutet die Anweisung: ptr = x? 120 KAPITEL 12 QUESTIONS 7. M¨ ussen Referenzen (&) und Zeiger (*) auf Daten-Objekte initialisiert werden ? 8. Was bewirkt die Definition long l[1000] speichertechnisch ? 9. Wie groß ist der Speicherbedarf des statischen Datenobjekts long l[1000] ? 10. Wie groß ist der Speicherbedarf des dynamische Datenobjekts long* ptr l = new long[1000] ? 11. Woher kommt der Unterschied (4 Byte auf einem 32Bit Rechner) im Speicherbedarf zwischen statischen und dynamischen Datenobjekten. 12. Zusatzfrage: Was bedeutet die Definition **ptrptr (Zeiger auf Zeiger), was f¨ ur ein Datenkonstrukt entsteht ? 12.8 Testfragen - Kapitel 8 - Container 1. Was sind C++ Container ? 2. Welche Typen von C++ Containern kennen sie ? 3. Worin besteht der Unterschied zwischen sequentiellen und assoziativen Containern ? 4. Welche sequentiellen Container kennen sie ? 5. Erkl¨ aren sie die Syntax des Vektor-Containers: vector<int>my vector . 6. Was ist der Unterschied zwischen Vektoren und Listen ? 7. Was sind die Gemeinsamkeiten von Vektoren und Listen ? 8. Welcher Include ist notwendig f¨ ur das Arbeiten mit Vektoren ? 9. Welcher Include ist notwendig f¨ ur das Arbeiten mit Listen ? 10. Ben¨ otigen wir den Zusatz (Namensraum) using namespace std, wenn ja warum ? 11. Mit welcher Instruktion k¨onnen Elemente in Vektoren und Listen einf¨ ugen ? Nennen sie mindestens zwei M¨oglichkeiten. 12. Wo werden sequentielle Container-Elemente mit der Instruktion push back(T) eingef¨ ugt ? 13. Mit welcher Anweisung k¨onnen wir die L¨ange von sequentiellen ContainerElementen bestimmen ? 12.9 TESTFRAGEN - KAPITEL 9 - ANDERE SPRACHELEMENTE 121 14. Mit welcher Anweisung k¨ onnen wir einen Vektor platt machen (d.h. alle Elemente l¨ oschen) ? 15. Wie k¨ onnen wir auf ein Vektor-Element, sagen wir das 17te Element des Vektors vector<int>my vector, direkt zugreifen ? 16. Quellcode verstehen: Erkl¨ aren sie die Struktur (1,2,3) der DB-Lese-Funktion ¨ STDRead(ifstream& std file) in der Ubung 8.2.2. Beginnen sie mit der Parameterliste. 17. Wie k¨ onnen wir unsere Studenten-Klasse CStudent in die DB-Anwendung ¨ (Ubung 8.2.1) einbinden ? ¨ 18. Was ist eigentliche Lesefunktion f¨ ur unsere Studenten-Datens¨atze (Ubung 8.2.2) ? 19. Mit welchem Befehl k¨ onnen wir die Reihenfolge von Listen-Elementen umkehren ? 20. K¨ onnen wir Listen-Elemente sortieren, wenn ja wie, mit welcher Instruktion ? 21. Mit welchem Befehl k¨ onnen wir mehrere Listen zusammenf¨ uhren ? 22. K¨ onnen wir doppelte Elemente aus einer Liste entfernen sortieren, wenn ja wie, mit welcher Instruktion ? 23. Was ist ein Iterator ? 24. Quellcode verstehen: Erkl¨ aren sie die Funktion void ¨ display(list<int>my list) der Ubung 8.3. Beginnen sie mit der Parameterliste. 25. Wie k¨ onnen wir Elemente aus einer Liste entfernen ? Nennen sie mindestens zwei M¨ oglichkeiten. 12.9 Testfragen - Kapitel 9 - Andere Sprachelemente 1. Was sind Kontrollstrukturen, welche kennen sie ? 2. Bei welcher logischen Bedingung wird eine if(...)-Anweisung ausgef¨ uhrt ? 3. Lassen sich Kontroll-Strukturen verschachteln ? 4. Mit welcher Kontrollstruktur k¨onnen wir Fallunterscheidungen programmieren ? 122 KAPITEL 12 QUESTIONS 5. Welche Ausdr¨ ucke k¨onnen wir bei der switch-case Kontrollstruktur benutzen ? 6. Wie kann ich eine Kompiler-Direktive an- und ausschalten ? ¨ 7. Schreiben sie die Ubung 9.2.2.2 f¨ ur die Benutzung von #ifndef anstelle von #ifdef um. 8. Erl¨ autern sie den Kopf der for-Schleife: for(int i=0;i<stop;i++), welchen Daten-Typ hat stop ? 9. Was ist eine Endlos-Schleife, wie kommen wir daraus ? 10. Was sind Namensbereiche ? 11. Was m¨ ussen wir tun, um die Arbeit mit C++ Standard-Klassen zu vereinfachen, d.h anstelle von std::my string() direkt my string() benutzen zu k¨ onnen ? 12. Was sind Kompiler-Direktiven, was bewirken diese ? 13. Wie k¨ onnen wir Kompiler-Direktiven an- und ausschalten ? 14. Worin besteht der Unterschied bei Includes mit eckigen Klammern < ... > bzw. mit G¨ ansef¨ ußchen ”...” ? ¨ 15. Schreiben sie die Ubung 9.2.2.2 f¨ ur die Benutzung von #ifndef anstelle von #ifdef um ? 16. Was sind Makros ? 17. Welche beiden Einsatzm¨oglickeiten von Makros gibt es ? 18. Worin besteht die Gefahr, Makros als Funktionsersatz zu benutzen ? Literaturverzeichnis [1] Stroustrup B. The programming languages C++. Addison-Wesley, Reading, 1991. [2] Blanchette J and Summerfield M. C++ GUI Programming with Qt 4. Prentice Hall, Boston, 2006. [3] Kolditz O. Computational methods in environmental fluid mechanics. Springer, Berlin-Heidelberg, 2002. [4] Breymann U. C++ Einf¨ uhrung und professionelle Programmierung. Hanser, M¨ unchen-Wien, 2001. [5] Kirch-Prinz U and Prinz P. C++ Lernen und professionell anwenden. mitp, Heidelberg, 2007. 123 Inhaltsverzeichnis Part I - C++ Basics 6 1 Einf¨ uhrung 7 1.1 Historisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Paradigmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.1 GNU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.2 MS Visual C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.3 Qt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 ”Hello World” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.2 Exercise E1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.5 Students Forum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.6 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4 2 Datentypen 19 2.1 Elementare Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3 Escape-Sequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 Ein- und Ausgabe 22 3.1 Die Standard-Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2 Formatierte Ausgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.1 24 Formatierte Ausgabe von Ganzzahlen . . . . . . . . . . . 124 INHALTSVERZEICHNIS 3.3 125 3.2.2 Formatierte Ausgabe von Gleitpunktzahlen . . . . . . . . 25 3.2.3 Ausgabe von Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4 Klassen 27 4.1 Daten-Abstraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.2 Klassen-Deklaration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.3 Instanzen einer Klasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.4 Konstruktor und Destruktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.5 Dateninitialisierung mit dem Konstruktor . . . . . . . . . . . . . 32 4.6 Datenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.7 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5 Strings 36 5.1 Die Standardklasse string . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 5.2 Operationen mit strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2.1 Initialisieren von strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2.2 Zuweisen von strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.2.3 Verketten von strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.2.4 Vergleichen von strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5.2.5 Suchen in strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.2.6 Einf¨ ugen in strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.2.7 Ersetzen in strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.2.8 L¨ oschen in strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.2.9 Umwandeln von strings in char . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.2.10 Auswerten von Strings: Stringstreams . . . . . . . . . . . 41 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.3 6 Ein- und Ausgabe - II 43 6.1 Die fstream Klassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.2 Arbeiten mit File-Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.2.1 File-Streams anlegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.2.2 File-Streams schließen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ Ubung: Eine einfache Kopierfunktion . . . . . . . . . . . . 44 6.2.3 44 126 INHALTSVERZEICHNIS 6.2.4 ¨ Ubung: Ein einfacher Konverter . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.2.5 Einschub: Erstes Arbeiten mit MS VC++ . . . . . . . . . 47 6.3 File-Streams und Klassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6.4 fstream Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 6.5 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 7 Referenzen und Zeiger 7.1 Referenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 56 7.1.1 Das Call-by-reference Prinzip - Referenzen als Parameter 56 7.1.2 Referenzen als R¨ uckgabe-Wert . . . . . . . . . . . . . . . 57 Zeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 7.2.1 Definition von Zeigern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 7.2.2 NULL Zeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 7.2.3 Zeiger als Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Zeiger und Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7.3.1 Statische Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7.3.2 Dynamische Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 7.5 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 7.2 7.3 8 Container 63 8.1 Sequentielle Container . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 8.2 Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 8.2.1 Defining vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 8.2.2 Vectors and data base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 8.2.3 Updating your data base entry . . . . . . . . . . . . . . . 69 8.3 Lists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 8.4 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 9 Andere Sprachelemente 9.1 74 Kontrollstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 9.1.1 if-else . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 9.1.2 switch-case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 9.1.3 for . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 9.2 9.3 9.1.4 while . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 9.1.5 continue, break, return . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 G¨ ultigkeitsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 9.2.1 Namensbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 9.2.2 Compiler-Direktiven – # . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Part II - Visual C++ mit Qt 81 10 Qt 82 10.1 Hello Qt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 10.2 Executable von der Konsole starten . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 10.3 Quit - Schaltfl¨ achen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 10.4 Dialoge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 10.5 Qt Projekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Part III - Anlagen / Software 94 11 Software-Installation 95 11.1 Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 11.2 cygwin Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 11.3 LINUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 ¨ 11.3.1 Ubersicht einiger grundlegenden Linux-Befehle . . . . . . 106 11.3.2 Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 11.3.3 Make . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 11.4 Qt Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 12 Questions 115 12.1 Testfragen - Kapitel 1 - Einf¨ uhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 12.2 Testfragen - Kapitel 2 - Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . 116 12.3 Testfragen - Kapitel 3 - Ein- und Ausgabe I . . . . . . . . . . . . 116 12.4 Testfragen - Kapitel 4 - Klassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 12.5 Testfragen - Kapitel 5 - Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 12.6 Testfragen - Kapitel 6 - Ein- und Ausgabe II . . . . . . . . . . . 118 12.7 Testfragen - Kapitel 7 - Referenzen und Zeiger . . . . . . . . . . 119 128 INHALTSVERZEICHNIS 12.8 Testfragen - Kapitel 8 - Container . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 12.9 Testfragen - Kapitel 9 - Andere Sprachelemente . . . . . . . . . . 121
* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project
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