1. Algorytmy
Procedura służąca rozwiązaniu problemu określona przez działania jakie należy wykonać oraz porządek w jakim te działania zostaną wykonane nosi nazwę algorytmu. Przed napisaniem programu służącego rozwiązaniu określonego problemu niezbędne jest dogłębne poznanie, zrozumienie i rozważny plan jego rozwiązania. Rozważmy taki oto przykład (bardzo często pojawiający się w różnych podręcznikach programowania) "algorytm ubierania się" : (1) załóż majtki, (2) załóż skarpetki, (3) załóż podkoszulek, (4) załóż spodnie, (5) załóż sweter, (6) załóż kurtkę, (7) załóż buty. Mamy tu wymienione działania jakie należy wykonać wyrażone w czasowniku "załóż" oraz porządek w jakim mają one być wykonane wyrażony cyframi. Gdybyśmy nie trzymali się określonego porządku wykonania działań moglibyśmy np. założyć skarpetki na buty albo majtki na spodnie. Dlatego bardzo ważny jest etap projektowania programu oraz konstruowania algorytmów, jeśli na tym etapie popełnione zostaną błędy logiczne Twój program nie będzie działał prawidłowo mimo np. właściwej składni.
2. Struktury sterujące
Zazwyczaj instrukcje programu wykonywane są jedna po drugiej w porządku w jakim zostały napisane. Jest to wykonanie sekwencyjne. Język C++ pozwala programiście określić inny sposób wykonania programu tzn. kolejne wykonane wyrażenie będzie inne niż następne występujące w sekwencji jest to tzw. przekazywanie sterowania. Wszystkie programy mogą być napisane w oparciu o trzy struktury sterujące : sekwencji, wyboru, powtórzenia. Struktura sekwencji jest wbudowana w C++. Dopóki nie jest powiedziane inaczej instrukcje wykonywane są jedna po drugiej. C++ daje programiście trzy struktury wyboru :instrukcja if, instrukcja if/else oraz switch. Są również trzy struktury wyboru : while, do/while, for. Daje to nam w sumie siedem struktur sterujących. Słowa te są słowami kluczowymi nie mogą być one użyte jako identyfikatory, a także dla nazw zmiennych.
2.1. Struktury wyboru
2.1.1. Struktura if.
Instrukcja if ma następującą składnię :
if(warunek){ instrukcja; instrukcja; instrukcja; ...; }
Jeśli warunek jest prawdziwy instrukcje wewnątrz nawiasów klamrowych są wykonywane. Jeśli warunek jest fałszywy instrukcje te są pomijane. Jeśli po instrukcji if ma być wykonana tylko jedna instrukcja można pominąć nawiasy klamrowe np. :
if(ocena>=2) cout<<"Zdales";
Struktura wyboru if jest stosowana wtedy, gdy chcemy skorzystać z alternatywnych sekwencji wykonania programu. Załóżmy taki warunek:
Jeśli ocena jest równa lub większa niż 3 Wyświetl "Zdałeś"
Jeśli warunek jest prawdziwy (true) wyświetlone zostaje Zdałeś, dopiero potem zostaje wykonane następne wyrażenie w programie. Jeśli natomiast warunek jest fałszywy (false) instrukcja Wyświetl "Zdałeś" jest pomijana i wykonywane jest kolejna instrukcja. Przełóżmy teraz to, co napisałem na język C++ :
// ocena.cpp - struktura wyboru if. #include <iostream.h> int main() { int ocena; cout<<"Wprowadz ocene :\n"; cin>>ocena; if(ocena>=3){ cout<<" \nZdales\n "; } //tutaj mogą następować inne instrukcje programu return 0; }
Żeby wszystko było bardziej czytelne w programach nie będę używał znaków z "ogonkami". Poza tym niektóre kompilatory nie pozwalają na ich używanie.
2.1.2. Struktura if/else
Struktura if/else ma następującą składnię :
if(warunek){ instrukcja; instrukcja; instrukcja; ...; } else{ instrukcja; instrukcja; instrukcja; ...; }
Jeśli warunek jest prawdziwy(true) instrukcje wewnątrz nawiasów klamrowych są wykonywane, jeśli warunek jest fałszywy(false) wykonywane są instrukcje wewnątrz nawiasów klamrowych po instrukcji else np. :
if(ocena>=3) cout<<"Zdales"; else cout<<"Nie zdales";
Jeśli do wykonania jest tylko jedna instrukcja to można pominąć nawiasy klamrowe.W przypadku, gdy warunek będzie prawdziwy tzn. wartość zmiennej ocena będzie równa lub większa od trzech, zostanie wyświetlony napis "Zdales", a dopiero wówczas zostaną wykonane kolejne instrukcje programu. Jeżeli warunek będzie fałszywy tzn. wartość zmiennej ocena będzie mniejsza od trzech, wyświetlony będzie napis "Nie zdales", po tym będą wykonywane kolejne instrukcje programu.
Oprócz instrukcji if/else C++ dostarcza operator warunkowy (?:). Jest to jedyny operator trójargumentowy w C++. Pierwszy operand jest warunkiem, drugi jest wartością dla całego wyrażenia warunkowego jeśli warunek jest prawdziwy, a trzeci jest wartością dla całego wyrażenia jeśli warunek jest fałszywy np. :
cout<<(ocena>=3 ? "Zdales" : " Nie zdales");
Jeśli warunek jest prawdziwy to wyrażenie ewoluuje do wartości "Zdales". W przypadku, gdy warunek jest fałszywy wyrażenie będzie miało wartość "Nie zdales". Nawiasy są potrzebne dla zachowania właściwej kolejności działań. Zamiast wartości możesz podać działania do wykonania i napisać:
ocena>=3 ? cout<<"Zdales" : cout<<"Nie zdales";
2.1.3. Struktura wyboru switch.
Składnia instrukcji :
switch (wyrażenie sterujące) { case etykieta: instrukcja; ...; break ; case etykieta: instrukcja ; ... ; break; ... default: instrukcja ; ... ; break; }
Struktura switch składa się z serii przypadków case i opcjonalnego przypadku default. Po słowie kluczowym switch następuje wyrażenie sterujące(jest nim np. zmienna ujęta w nawiasy). Wartość tego wyrażenia jest porównywana z każdą z etykiet case. Jeśli wynik porównania jest prawdziwy wykonane zostaną instrukcje po tym przypadku case. Instrukcja break powoduje, że wykonanie programu jest kontynuowane od pierwszej instrukcji po strukturze switch. Jeżeli nie byłoby nigdzie w strukturze switch instrukcji break to po wystąpieniu dopasowania instrukcje wszystkich pozostałych przypadków case zostaną wykonane. Jeśli nie wystąpi dopasowanie w żadnym z przypadków case, przypadek domyślny default zostanie wykonany. Każdy przypadek case może zwierać jedną lub więcej instrukcji. W przypadku case nie są wymagane nawiasy klamrowe, gdy wykonane ma być wiele instrukcji. Instrukcja switch może być stosowana tylko do testowania stałych wyrażeń całkowitych. Oto praktyczne zastosowanie struktury switch :
// ocena.cpp - struktura wyboru switch. #include <iostream.h> int main() { unsigned short int ocena; cout<<"Wprowadz ocene :\n"; cin>>ocena; switch(ocena){ case 1: cout<<"Pala\n"; break; case 2: cout<<"Bardzo slabo\n"; break; case 3: cout<<"Trojka to dobra ocena\n"; break; case 4: cout<<"Czworka to bardzo dobra ocena\n"; break; case 5: cout<<"Piatka to super ocena\n"; break; case 6: cout<<"Szostka to najfafniejsza ocena\n"; default: cout<<"To nie jest ocena\n"; break; } //tutaj mogą następować inne instrukcje programu return 0; }
Po wprowadzeniu wartości zmiennej poprzez instrukcję cin<<ocena; struktura switch zostaje uruchomiona. Wartość wyrażenia sterującego mającego postać (ocena) porównywana jest z każdą z etykiet case. Jeśli użytkownik wprowadził np. 4, wystąpi dopasowanie (case 4:) i instrukcje dla tego przypadku zostaną wykonane (cout<<"Czworka to bardzo dobra ocena\n";) wyświetlony zostanie napis "Czworka to bardzo dobra ocena\n" i nastąpi wyjście ze struktury switch bezpośrednio po instrukcji break;
Niżej podaję kod źródłowy do programu bez instrukcji break oraz rezultaty działania programu :
// ocena.cpp - struktura wyboru switch bez break. #include <iostream.h> int main() { unsigned short int ocena; cout<<"Wprowadz ocene :\n"; cin>>ocena; switch(ocena){ case 1: cout<<"Pala\n"; case 2: cout<<"Bardzo slabo\n"; case 3: cout<<"Trojka to dobra ocena\n"; case 4: cout<<"Czworka to bardzo dobra ocena\n"; case 5: cout<<"Piatka to super ocena\n"; case 6: cout<<"Szostka to najfafniejsza ocena\n"; default: cout<<"To nie jest ocena\n"; } //tutaj mogą następować inne instrukcje programu return 0; }
2.2. Struktury powtórzenia
2.2.1 Struktura powtórzenia while
Składnia instrukcji:
while(warunek) { instrukcja; instrukcja; ...; }
Podobnie jak w instrukcji if jeśli po while ma być tylko jedna instrukcja to można pominąć nawiasy klamrowe. Dopóki warunek będzie prawdziwy(true) instrukcje wewnątrz nawiasów klamrowych będą powtarzane. Jeśli warunek stanie się fałszywy(false) powtarzanie kończy się i wykonywana jest kolejna instrukcja programu. Do częstych błędów należy tworzenie nieskończonych pętli tj. takich, w których wyrażenie warunkowe nigdy nie staje się fałszywe. Aby zobaczyć działanie struktury powtórzenia while w działaniu napiszemy teraz krótki program służący obliczaniu średniej arytmetycznej klasy. Przed przystąpieniem do pisania programu musimy się zastanowić jakie instrukcje i w jakiej kolejności program ma wykonać. Algorytm będziemy formułowali niejako "od góry" czyli od ogółu do szczegółu. Napiszmy więc co program ma robić:
1. Oblicz średnią arytmetyczną klasy
Niestety taki stopień uogólnienia nie sposób przełożyć na C++. Spróbujmy napisać trochę bardziej szczegółowy algorytm obliczania średniej :
1. Inicjuj zmienne
2. Wprowadź i zsumuj stopnie
3. Oblicz i wyświetl średnią
Niestety, aby w łatwy sposób napisać program w C++ musimy algorytm obliczania średniej bardziej uszczegółowić :
1. Ustaw średnią na zero
2. Ustaw liczbę uczniów
3. Ustaw licznik na zero
4. Ustaw wynik na zero
5. Kiedy licznik jest mniejszy lub równy liczbie uczniów
o Wprowadź następny stopień
o Dodaj stopień do wyniku
o Dodaj jeden do licznika
6. Ustaw średnią klasy na wynik podzielony przez liczbę uczniów
7. Wyświetl średnią klasy
Z takim stopniem szczegółowości możemy przystąpić do pisania programu w języku C++. Oto "przełożony" na język C++ algorytm obliczania średniej:
// Project1.cpp struktura while. #include <iostream.h> int main() { float srednia=0; int stopien=0, licznikPetli=1, wynik=0, liczbaUczniow=0; cout<<"Ilu jest uczniow w Twojej klasie ?\n"; cin>>liczbaUczniow; while(licznikPetli<=liczbaUczniow){ cout<<"Wprowadz stopien "<<licznikPetli<<" ucznia\t"; cin>>stopien; // pojedynczy stopień wynik=wynik+stopien; licznikPetli=licznikPetli+1; } srednia=static_cast<float>(wynik)/liczbaUczniow; cout<<"Srednia w Twojej klasie wynosi\t"<<srednia; return 0; }
Zgodnie z naszym planem program najpierw inicjuje zmienne. Zmienna srednia została zadeklarowana jako float czyli liczba z miejscami dziesiętnymi. Zmienne wykorzystywane do przechowywania wyników powinny być zwykle inicjowane wartością zero przed ich użyciem. Jeśli zmienna nie zostanie zainicjowana przed jej użyciem będzie zawierać poprzednią wartość przechowywaną w komórkach pamięci. Zmienne licznika są z reguły inicjowane wartością zero lub jeden w zależności od ich użycia. Niezainicjowane zmienne przechowują błędne wartości(tzw. niezdefiniowaną wartość) ostatnio przechowywaną pod adresem zarezerwowanym dla tej zmiennej. Według konwencji przyjętej przez wielu programistów zmienne inicjowane są w ten sposób, że każda zmienna jest inicjowana w oddzielnej linii. Poprawia to czytelność programu. Dobrze jest, gdy przyjmiemy pewne reguły co do zasad nazywania zmiennych i ściśle się ich trzymamy. Ułatwia to późniejsze testowanie i wykrywanie błędów w programie. Warto nadawać zmiennym nazwy zgodne z ich przeznaczeniem. Ja preferuję rozpoczynanie nazw zmiennych z małej litery. Po inicjacji zmiennych program prosi użytkownika o podanie liczby uczniów jego klasie. Wartość wpisana przez użytkownika jest przypisywana do zmiennej liczbaUczniow. W ten sposób zmienna liczbaUczniow jest inicjowana wartością wpisywaną przez użytkownika. Następnie program rozpoczyna pętlę while. Dopóki warunek jest prawdziwy tzn. licznikPetli jest mniejszy lub równy zmiennej liczbaUczniow instrukcje znajdujące się w nawiasach klamrowych są wykonywane. Program prosi użytkownika o podanie stopnia ucznia poprzez kaskadową instrukcję cout<<"Wprowadz stopien "<<licznikPetli<<" ucznia\t";. Używa on zmiennej licznikPetli do wyświetlania numeru ucznia, którego stopień chcemy wprowadzić. Następnie instrukcja wynik=wynik+stopien; dodaje do zmiennej wynik wartość zmiennej stopien, wówczas wartość tego działania przypisywana jest do zmiennej wynik. Po tym zmienna licznikPetli jest zwiększana o jeden. Po tym warunek pętli while jest ponownie sprawdzany. Jeśli jest on fałszywy będzie wykonywana następna instrukcja po nawiasach klamrowych. Jak wiemy z poprzedniego odcinka kursu wynik z dzielenia całkowitego jest liczbą całkowitą, średnia tymczasem nie zawsze jest całkowita. Chcąc wytworzyć zmiennoprzecinkowe obliczenie z wartościami całkowitymi, musimy utworzyć tymczasowe wartości, które są liczbami zmiennoprzecinkowymi(tzn. z miejscami dziesiętnymi). C++ dostarcza jednoargumentowy operator rzutowania abyśmy mogli to wykonać(static_cast<typ danych>(zmienna)). Użycie operatora rzutowania jest nazywane jawną konwersją. Wartość przechowywana w zmiennej wynik jest nadal liczbą całkowitą. Natomiast obliczenie z wartości zmiennoprzecinkowej wartości(tymczasowej wersji zmiennej wynik) podzielonej przez całkowitą wartość zmiennej liczbaUczniow. Kompilator C++ zna informację tylko o sposobie obliczania wyrażeń, w których typy danych operandów są identyczne. Aby móc przeprowadzić wyrażenie z mieszanymi operandami przeprowadzana jest promocja(zwana konwersją niejawną) na wybranych operandach np. jeżeli mamy jeden operand typu float, a drugi typu int operandy typu int są promowane do float. Dokładne reguły promocji zostaną omówione w następnych odcinkach kursu. Po przeprowadzeniu jawnej konwersji zmiennej wynik i niejawnej konwersji zmiennej liczbaUczniow przeprowadzane jest działanie dzielenia na tymczasowych zmiennoprzecinkowych wartościach tych zmiennych i wynik tego działania przypisywany jest do zmiennej srednia. Po tym program wyprowadza wartość średniej na ekran.
2.2.2. Struktura powtórzenia for
Struktura ta ma składnię:
for (inicjacja zmiennej; warunek kontynuacji pętli; inkrementacja/dekrementacja zmiennej) { instrukcja; instrukcja; ...; }
Struktura powtórzenia for jest doskonałym narzędziem wszędzie tam gdzie zachodzi potrzeba powtarzania kontrolowanego licznikiem. W strukturze for wymagane są dwa średniki. Najlepiej będzie gdy wyjaśnię na przykładzie jak działa ta struktura.
// for.cpp Powtarzanie kontrolowane licznikiem #include <iostream.h> int main() { for(int licznik=1;licznik<=100;licznik++) cout<<licznik<<"\n"; return 0; }
Gdy struktura for rozpoczyna wykonywanie najpierw deklarowana jest(jako typ int) i inicjowana(wartością 1) zmienna licznik. Po tym sprawdzany jest warunek kontynuacji pętli. Ponieważ wartość zmiennej licznik jest 1, warunek jest prawdziwy, więc wyświetlane jest 1. Następnie zmienna licznik jest inkrementowana(licznik++). Więcej operatorach inkrementacji w dalszej częścikursu. Cały ten proces jest kontynuowany, aż zmienna licznik osiągnie wartość 100. Dla struktury for nie ma znaczenia czy użyjesz pre- czy postinkrementacji. Wartość licznika zwiększana jest dopiero gdy ciało for zostanie wykonane.
2.2.3. Struktura powtórzenia do/while
Struktura do/while jest podobna do struktury while. W strukturze while warunek kontynuacji pętli jest sprawdzany zanim jej ciało zostanie wykonane, natomiast w do/while sprawdza warunek kontynuacji pętli po tym, jak ciało pętli zostaje wykonane. Wynika z tego, że ciało zostanie wykonane przynajmniej jeden raz. Składnia instrukcji:
do{ instrukcja; instrukcja; ...; } while(warunek);
Kiedy warunek jest fałszywy wykonanie programu jest kontynuowane od pierwszej instrukcji po while.
2.2.4. Instrukcje break i continue
Instrukcja break kiedy jest wykonywana w strukturze while, for, do/while, switch powoduje bezpośrednie wyjście z tej struktury.
//break.cpp przykład użycia break #include <iostream.h> int main() { int a; for(a=1;a<=20;a++){ if(a==10) break; cout<<a<<" "; } return 0; }
Gdy wartość zmiennej a osiągnie wartość 10 pętla for zostanie przerwana.
Wyrażenie continue, kiedy jest wykonywana w strukturze while, for, do/while, switch pomija pozostałe wyrażenia w ciele tej struktury i kontynuuje następną iteracją.
//continue.cpp przykład użycia break #include <iostream.h> int main() { int a; for(a=1;a<=20;a++){ if(a==10) continue; cout<<"a="<<a<<"\t"; } return 0; }
Gdy wartość zmiennej a będzie się równała 10 dalsze wyrażenia w pętli for zostaną pominięte tzn. program wyświetli wszystkie wartości zmiennej a od 1 do 20 z pominięciem wyświetlenia wartości 10.
3. Operatory przypisania
C++ zwiera różne operatory, których celem jest skrócenie wyrażeń przypisania. Np. :
a=a*3;
może zostać napisane jako:
a*=3;
Dowolne wyrażenie w postaci zmienna=zmienna operator wyrażenie może zostać przekształcone do zmienna operator=wyrażenie. Przy czym operator musi być jednym z operatorów dwuargumentowych +, -, *, /, %.
4. Operatory inkrementacji i dekrementacji
W C++ wbudowane są też jednoargumentowe operatory inkrementacji i dekrementacji.
Wyrażenie w postaci ++a inkrementuje zmienną a o 1, a następnie używa nowej wartości a w wyrażeniu w którym jest a. Wyrażenie w postaci a++ najpierw używa a w wyrażeniu w którym a występuje, a następnie zwiększa a o jeden.
Wyrażenie w postaci --a zmniejsza a o jeden, a następnie używa nowej wartości a w wyrażeniu w którym a występuje. Wyrażenie w postaci a-- najpierw wykorzystuje a w wyrażeniu w którym a występuje a potem zmniejsza a o jeden.
5. Operatory logiczne
C++ dostarcza również operatorów logicznych aby umożliwić nam formułowanie bardziej złożonych warunków. C++ sprawdza pod względem prawdy lub fałszu wszystkie wyrażenia, które zawierają operatory relacyjne, równości oraz operatory logiczne.
5.1. Operator iloczynu logicznego(AND)
Operator iloczynu logicznego zapisujemy : &&. Tabela prawdy dla tego operatora :
WYRAŻENIE1 WYRAŻENIE2 WYRAŻENIE1 && WYRAŻENIE2 flase false false false true false true false false true true true
Czyli np. mamy wyrażenie:
if((a<10) && (b==5))
Jeśli wartość pierwszego wyrażenia i drugiego wyrażenia będzie miało wartość true wartość całego wyrażenia będzie miało wartość true. Jeśli którekolwiek z tych wyrażeń będzie miało wartość false, wartość całego wyrażenia będzie miało wartość false. Operator iloczynu logicznego stosujemy wtedy, gdy chcemy się upewnić, że dwa warunki są prawdziwe.
5.2. Operator sumy logicznej(OR)
Operator sumy logicznej zapisujemy: ||. Tabela prawdy dla tego operatora pokazuje wszystkie możliwe kombinacje:
WYRAŻENIE1 WYRAŻENIE2 WYRAŻENIE1 || WYRAŻENIE2 flase false false false true true true false true true true true
Logiczne OR stosujemy wtedy, gdy chcemy się upewnić, że jeden lub dwa warunki są prawdziwe.
5.3. Operator negacji logicznej
Operator negacji logicznej ! jest, w przeciwieństwie do operatorów && i ||, operatorem jednoargumentowym. Operator ten ma tylko jeden warunek jako wyrażenie. Jest on umieszczany przed warunkiem np.
if( !(wyrażnie==wyrażenie))
Możemy to zapisać również za pomocą operatora relacyjnego != :
if(wyrażenie!=wyrażenie)
Tabela prawdy dla tego operatora:
WYRAŻENIE !WYRAŻENIE true false false true
6. Ćwiczenia
1. Napisz program, który obliczy średnie zużycie paliwa. Program powinien pobierać liczbę przejechanych kilometrów i zatankowanych litrów przy każdym tankowaniu. Program powinien obliczyć i wyświetlić zużycie paliwa przy każdym tankowaniu, a także dla wszystkich tankowań.
2. 2. Napisz program wyświetlający potęgi liczby 2(2,4,8,16 ..).
3. 3. Napisz program odczytujący promień koła i obliczający oraz wyświetlający średnicę, obwód oraz pole.
4. 4. Napisz program odczytujący 3 niezerowe wartości zmiennoprzecinkowe(float) oraz określający i wyświetlający informację, czy mogą one stanowić długość boków trójkąta.
5. 5. Trójkąt prostokątny może mieć boki, których długości są liczbami całkowitymi. Trójka pitagorejska musi spełniać jeden warunek: suma kwadratów dwóch boków musi być równa kwadratowi przeciwprostokątnej. Znajdź wszystkie trójki pitagorejskie dla wartości nie dłuższych niż 500.
eulal