ZASADY PROGRAMOWANIA STRUKTURALNEGO ( ZAP - zima 2016 ) prof. nzw. dr hab. inż. Barbara Putz

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Instytut Automatyki i Robotyki ZASADY PROGRAMOWANIA STRUKTURALNEGO ( ZAP - zima 2016 ) prof. nzw. dr hab. inż. Barbara Putz pok. 306, bputz@mchtr.pw.edu.pl Język programowania: C/C++ Środowisko programowania: Qt Creator Wykład 1 : Podstawowe pojęcia, proste programy, instrukcje warunkowe.

2 Informacje organizacyjne 2 ZASADY PROGRAMOWANIA STRUKTURALNEGO TYGODNIOWY WYMIAR ZAJĘĆ Rok ak. Semestr W L P ECTS 2016/2017 I 1 E /2017 II Program, regulamin i harmonogram zajęć, literatura, prezentacje do wykładu: na witrynie przedmiotu ZAP w systemie komunikacji ze studentami (SKS) - tam też będą zamieszczane oceny z zajęć laboratoryjnych i egzaminu: (wejście przez login i hasło, które każdy student otrzyma w mailu). Tymczasowo niniejsza prezentacja będzie pod adresem:

3 Zespół prowadzący ćwiczenia laboratoryjne 3 nr pokoju prof. Barbara Putz 306 dr inż. Anna Sztyber 339 dr inż. Marcin Stachura 341 mgr inż. Alicja Cegielska 345 mgr inż. Bartłomiej Fajdek 341 mgr inż. Jan Klimaszewski 307 mgr inż. Maciej Przybylski 307 mgr inż. Kornel Rostek 339 Bliższe dane (godziny konsultacji, ) będą w ogłoszeniach SKS oraz na stronie Instytutu Automatyki i Robotyki:

4 Program wykładu 2 Temat 1: Podstawowe pojęcia i proste programy. Pojęcia algorytmu, programu, kodu wykonywalnego. Kompilacja i wykonanie programu. Sieci działań. Struktura programu. Komentarze i dokumentacja programu. Zmienne i ich nazwy, podstawowe typy: całkowite, rzeczywiste, znakowe i napisowe. Definicje zmiennych. Instrukcje: czytania, pisania, przypisania. Klasyfikacja typów. Stałe, wyrażenia i funkcje standardowe. Instrukcje: warunkowa, złożona. Instrukcje cykliczne: pętla for, pętle sterowane warunkiem. Instrukcje przerywające wykonanie pętli. Instrukcja wielokrotnego wyboru. Temat 2: Tablice, rekordy i pliki. Tablice: definiowanie tablic, zmienna tablicowa i indeksowana. Operacje na tablicach. Algorytmy sortowania i przeszukiwania w tablicach, porównanie złożoności obliczeniowej. Struktury i rekordy, operacje wykonywane na rekordach. Definiowanie plików, zasady dostępu, operacje wejścia wyjścia. Temat 3: Funkcje i rekurencja. Zasady definiowania i wywołania funkcji. Funkcje z typem i funkcje typu void. Parametry formalne i aktualne. Wiązanie parametrów przez wartość i referencję. Zasięg nazw, zasłanianie. Rekurencja jako jedna z podstawowych technik konstruowania algorytmów. Zasada działania rekurencji i warunek końca. Przykłady algorytmów rekurencyjnych.

5 Program wykładu (c.d.) 3 Temat 4: Wskaźniki i listy. Zmienne dynamiczne i wskaźniki. Przydział i zwalnianie pamięci. Dynamiczna rezerwacja tablic. Listy jednokierunkowe: zasada tworzenia, podstawowe operacje na listach. Listy dwukierunkowe i cykliczne. Iteracyjne i rekurencyjne algorytmy przetwarzania list. Temat 5: Struktury drzewiaste. Drzewa binarne i binarne drzewa sortowane (BST). Podstawowe operacje na drzewach z wykorzystaniem rekurencji. Drzewa wyważone (AVL i RBT). Kopce, B-drzewa, zastosowania do baz danych. Złożoność obliczeniowa. Temat 6: Przegląd algorytmów, algorytmy grafowe. Przegląd zasad konstruowania algorytmów: programowanie typu dziel i zwyciężaj, programowanie dynamiczne, algorytmy z powrotami, metody zachłanne. Grafy i algorytmy grafowe: problem najkrótszej ścieżki, minimalne drzewa rozpinające grafów. Temat 7: Wstęp do ZAP II. Modułowa budowa programów. Elementy programowania obiektowego. Temat 8: Przygotowanie do egzaminu. Przykłady zadań egzaminacyjnych z rozwiązaniami. Przegląd najczęściej popełnianych błędów, wskazówki, jak ich unikać.

6 Efekty kształcenia 3 1. WIEDZA: uporządkowana wiedza ogólna obejmująca: kluczowe zagadnienia z zakresu konstrukcji języka strukturalnego i programowania strukturalnego w języku C/C++ zagadnienia konstruowania algorytmów dla prostych zadań przetwarzania danych klasyfikację algorytmów i dobór struktur danych 2. UMIEJĘTNOŚCI: praktyczna umiejętność opracowania algorytmu i wynikającego stąd programu strukturalnego w języku C/C++ (z wykorzystaniem struktur dynamicznych włącznie) dla prostego zadania programistycznego praktyczną umiejętność napisania i uruchomienia w trakcie 45 min. zajęć programu w środowisku C/C++ na podstawie otrzymanego zadania umiejętność posługiwania się kompilatorem i debuggerem 3. KOMPETENCJE SPOŁECZNE: nawyk ustawicznego kształcenia się i wyszukiwania nowych informacji, aby radzić sobie z rozwiązywaniem nowych, nietypowych zadań.

7 Weryfikacja efektów kształcenia 3 1. ZALICZENIE ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH: 2 sprawdziany złożone z części teoretycznej (2 zadania do opracowania w rękopisie) i praktycznej (1 zadanie do uruchomienia w postaci programu na komputerze) każda część do napisania na jednej godzinie zajęć, oceniana w skali 0-6 pkt, max. 2 pkt dodatkowe za aktywność na zajęciach. sprawdzian 1: koniec listopada, sprawdzian 2: koniec stycznia sprawdzian poprawkowy: ostatnie zajęcia (tylko dla jednej części teor. i jednej prakt.) warunek zaliczenia ćwiczeń i dopuszczenia do egzaminu: min. 6 pkt z każdego sprawdzianu (na 12 możliwych). 2. EGZAMIN: część zadaniowa (18 pkt ) - opracowanie w rękopisie 5 zadań wymagających napisania funkcji lub całych programów, czas trwania: 60 minut część testowa (8 pkt) 8 pytań jednokrotnego wyboru z zakresu algorytmów i struktur danych, czas trwania: 5 minut warunek zdania egzaminu: uzyskanie min. 13 pkt łącznie z obu części egzaminu. możliwość zwolnienia z pisemnej części egzaminu: min. 11 pkt z każdego sprawdzianu, min. 23 pkt łącznie. SZCZEGÓŁY: REGULAMIN ZAJĘĆ i HARMONOGRAM będą w SKS, tymczasem:

8 Kompilacja i wykonanie programu 4 zob. anim1.swf Błędy kompilacji jeśli kompilator nie rozumie programu źródłowego. Błędy wykonania programu jeśli program po kompilacji nie daje się wykonać. Błędy logiczne jeśli program wykonuje się nieprawidłowo.

9 Prezentacja algorytmu w postaci sieci działań 6 Algorytmy przedstawiane są z różnym stopniem szczegółowości. Najczęściej stosuje się: opis słowny lub sieci działań (schematy blokowe). Symbole graficzne do budowy sieci działań Przykłady: Początek Koniec Instrukcja Tak Warunek prawdziwy? Nie Rozgałęzienie

10 Program w C/C++ 7 STRUKTURA PROGRAMU # include <iostream> dołączanie plików nagłówkowych bibliotek... using namespace std; int main ( ) { definicje, deklaracje i instrukcje return 0; } // udostępnienie nazw ze standardowych bibliotek // po znakach // wpisujemy komentarze ignorowane przez kompilator funkcja main (główna) - musi być w programie... inne funkcje (przed lub za funkcją main) - niekonieczne SŁOWA KLUCZOWE: ciąg znaków o ściśle określonym znaczeniu; np. (tych będziemy używać): bool break case char const continue do else extern false float for goto if int namespace new not or return short sizeof struct switch true using void while SYMBOLE SPECJALNE: jednoznakowe: + - * / = < > ( ) [ ] { }., ; : ' ^ % ~ dwuznakowe (dwa znaki traktowane jako całość):!= <= >= == && itd.

11 Przykłady programów 8 Najprostsza funkcja main: int main ( ) { return 0; } To samo w innej konwencji zapisu nawiasów klamrowych: int main ( ) { return 0; } 1) Wydrukować większą wartość spośród dwóch wczytanych: 2) Wczytać imię i numer grupy, a następnie wydrukować powitanie: # include <iostream> // dołączamy bibliotekę wejścia-wyjścia using namespace std; // standardowy początek programu int main ( ) { double x, y; // definicje zmiennych rzeczywistych x i y cin >> x >> y; // wczytywanie zmiennych x i y if (x > y) // jeśli x>y cout << x; // wydrukuj x else // w przeciwnym razie cout << y; // wydrukuj y return 0; } #include <iostream> using namespace std; int main ( ) { int nrgrupy; string imie; // definicje zmiennych: całkowitej (int) i napisowej (string) cout << "Podaj imie: \n"; // drukowanie tekstu zapraszającego do pisania i przejście do nowej linii (\n) cin >> imie; // wczytywanie tekstu napisanego przez użytkownika cout << "Podaj numer grupy: " ; // drukowanie tekstu zapraszającego do pisania cin >> nrgrupy; // wczytywanie liczby napisanej przez użytkownika cout << "Witaj " << imie << " w grupie " << nrgrupy << " :) " << endl; // drukowanie powitania return 0; // i przejście do nowej linii (endl) }

12 Środowisko programowania 9 Na zajęciach laboratoryjnych obowiązuje: środowisko programowania Qt Creator z biblioteki Qt w wersji (z roku 2013) biblioteka wieloplatformowa, bezpłatna, typu open source, z kompilatorem MinGW4.7, qt-windowsopensource mingw47_32-x86-offline.exe, do pobrania ze strony: Zmiana wersji językowej: Narzędzia>Opcje>Środowisko>Język Można też używać wersji najnowszej 5.7.0, do pobrania stąd: Tworzymy tylko aplikacje konsolowe: Sesje i projekty > Utwórz projekt > Projekt nieużywający Qt > Zwykły projekt C++ Tymczasowo wprowadzenie do obsługi Qt Creator jest pod adresem:

13 Szkielety aplikacji konsolowych w Qt Creator 10 Szkielet nowego programu po wykonaniu Utwórz projekt > Projekt nieużywający Qt > Zwykły projekt C++ Tu dołączamy ew. inne biblioteki Tę linię możemy usunąć A tu wpisujemy własne definicje i instrukcje Okno wynikowe - po wykonaniu Uruchom : Ctrt-R albo Wynik działania programu (Naci w polskiej wersji językowej skrót od: Naciśnij Enter, aby zamknąć to okno)

14 Zmienne, ich typy i nazwy 14 Zmienną nazywa się daną mogącą przyjmować różne wartości. Każda zmienna występująca w programie ma swoją nazwę i musi mieć określony typ Najprostsze typy zmiennych: całkowite (int) rzeczywiste (double) znakowe (char) 'a' 'A' '?' napisowe (string) "Wcisnij jakis klawisz" "Napisz swoje imie" Znaki w apostrofach pojedynczych, napisy w apostrofach podwójnych. Nazwa zmiennej Dowolny ciąg liter i cyfr zaczynający się od litery (tylko litery alfabetu łacińskiego). Znak podkreślenia jest traktowany jak litera. Małe i duże litery są rozróżniane. Nazwy zmiennych muszą się różnić od słów kluczowych. Nazwy poprawne: a A4 a4 _A4 liczbapunktow przyklad_1 NowyTyp Nazwy błędne: 5gr przykład_1 przyklad-1 a+b a[4] Wszystkie zmienne występujące w programie muszą być zdefiniowane przed ich pierwszym użyciem.

15 Definiowanie zmiennych 15 Definicja zmiennej Informuje o typie zmiennej i przydziela na nią pamięć. Najpierw podaje się typ, a potem wymienia nazwy wszystkich zmiennych tego typu. Definicja zmiennych typ zmienna1, zmienna2,...; Zmienne mogą być definiowane w dowolnym miejscu, jak tylko zajdzie potrzeba ich wykorzystania. Definicja zmiennej może być nawet wpleciona w instrukcje, np. połączona z instrukcją przypisania wartości początkowej (to jest zalecane - przykłady dalej). Przykład definicji zmiennych prostych : int i,j,k; double x1,x2,y1,y2 ; char znak_wczytany, znakwczytany; string nazwa_pliku, nazwapliku, filename; zalecany styl nazwy zmiennych zaczynać z małej litery styl1 styl2 Przykładowy zalecany styl programowania:

16 Wyrażenia arytmetyczne 16 Wyrażenia - zapis tworzony z wykorzystaniem stałych, zmiennych, funkcji i łączących je operatorów i nawiasów okrągłych. OPERATORY ARYTMETYCZNE + - * / % dodawanie odejmowanie mnożenie dzielenie reszta z dzielenia (modulo) lub symbol lub symbol liczby dodatniej liczby ujemnej Resztę z dzielenia można wyznaczyć tylko dla argumentów całkowitych: 5%2 czyli 1 (reszta z dzielenia 5 przez 2=1) 6%3 czyli 0 PRIORYTET OPERATORÓW - wewnątrz jednej pary nawiasów okrągłych 1. jednoargumentowy + oraz - (symbol liczby dodatniej oraz ujemnej) 2. * / % (dodawanie i odejmowanie) Przykłady: b UWAGA: W sytuacjach wątpliwych -b / 2*a oznacza a -b / (2*a) b najpewniejszym sposobem jest 2 -b / 2 / a oznaczają 2a używanie nawiasów okrągłych. Wyrażenie z dwoma jednoargumentowymi minusami -5+3*-8 daje wynik -29, bo kolejność obliczeń odpowiada wyrażeniu (-5) + (3* (-8))

17 Konwersja typów 17 Dzielenie można wykonać dla różnych typów argumentów. W razie potrzeby kompilator dokonuje niejawnej konwersji typów, np. zamienia liczbę rzeczywistą na całkowitą, obcinając ją. UWAGA: dzielenie dwóch liczb całkowitych daje wynik całkowity (!!) powstały przez obcięcie części ułamkowej wyniku dzielenia: 8/3 = /3 = /3 = /3 = Operatory rzutowania postaci: typ (nazwa zmiennej) lub: (typ) nazwa zmiennej służą do jawnej konwersji typów, np. double(x) zamienia dowolny typ zmiennej x na typ double. To samo wykona się dla (double)x. Dzięki temu np. możemy policzyć dokładnie iloraz x/y w przypadku, gdy x i y są typu int, pisząc: double(x)/y albo (double)x/y Można napisać też po prostu: x*1.0/y Ale uwaga: nie wolno napisać tak: double(x/y), to niczego nie zmienia!

18 Instrukcje 18 INSTRUKCJE - polecenia dla komputera - zmuszają go do przetwarzania danych podczas procesu obliczeniowego. UWAGA: w C++ każda instrukcja kończy się średnikiem. Na początek: instrukcja pisania instrukcja czytania instrukcja przypisania instrukcja złożona instrukcja warunkowa

19 Instrukcja pisania (drukowania) 19 Instrukcja drukowania wyników Służy do wyprowadzania wyników (wartości wyrażeń) na standardowe urządzenia wyjściowe komputera (domyślnie na konsolę, czyli monitor ). Wymaga dołączenia pliku nagłówkowego biblioteki iostream (mamy to gotowe w szkielecie Qt): #include <iostream>... cout << wyrażenie1 << wyrażenie2...; W rzeczywistości cout jest obiektem tzw. klas strumieni wejścia-wyjścia, zaś << operatorem, ale dla uproszczenia będziemy mówili o instrukcji drukowania. Np.: cout <<34 <<x << y+5; cout << endl; cout << " Wynik = " << x+2*y <<endl; Funkcja endl oznacza przejście do nowej linii i jest równoważna wstawieniu \n do napisu: cout << " napisz swoje imie " << endl; cout << " napisz swoje imie \n" ;

20 Instrukcja czytania 20 Instrukcja czytania danych Służy do wprowadzania danych (nadawania wartości zmiennym) ze standardowego urządzenia wejściowego komputera (domyślnie z konsoli, czyli klawiatury ). #include <iostream> //... cin >> zmienna1 >>zmienna2...; // UWAGA: // Tu muszą być pojedyncze zmienne, a nie całe wyrażenia! Np.: cin >> x; cin >> y; cin >> x >> y; cin >> znak; równoważne

21 Instrukcja przypisania 21 INSTRUKCJA PRZYPISANIA ( podstawienia ) Służy do nadawania zmiennej nowej wartości: ZMIENNA = WYRAŻENIE; // ta zmienna powinna być wcześniej zdefiniowana lub: typ ZMIENNA = WYRAŻENIE; //a tu definiujemy zmienną i od razu nadajemy jej wartość początkową Typ zmiennej i wyrażenia nie muszą się zgadzać. Np. w przypadku podstawienia wartości rzeczywistej pod zmienną całkowitą następuje obcięcie części ułamkowej - jest to niejawna konwersja typów (niezalecane!) int k = -10.6; // k będzie równe -10 int k = int (-10.6); // k będzie równe -10 zalecany styl jawna konwersja typów Przykłady instrukcji przypisania: k = 3; x = k-4.5; k = k+1; // zwiększ wartość k o 1 double y = 2.5*(x+3)/2; z = a ; imie = "Witold ";

22 Instrukcja złożona 22 INSTRUKCJA ZŁOŻONA (inaczej: blokowa, grupująca) Tworzy z ciągu instrukcji jedną. Można używać jej wszędzie tam, gdzie wolno zastosować tylko jedną instrukcję. { ciąg instrukcji } ciąg instrukcji - instrukcje zakończone średnikami, wykonywane w kolejności zapisania. Przykład instrukcji złożonej: { suma=suma+x; ile=ile+1; } UWAGA: Instrukcja złożona kończy się klamrą, dodatkowy średnik za klamrą nie jest konieczny (ale nie jest błędem).

23 Instrukcje warunkowe - wprowadzenie 23 Instrukcja if Instrukcja if-else if (serce) na_niebiesko ; if (a<0) cout << ujemna ; if (serce) na_niebiesko ; else na_czerwono ; if (a<0) cout << ujemna ; else cout << nieujemna ;

24 Instrukcja warunkowa if 24 Instrukcja warunkowa uzależnia wykonanie instrukcji w programie od spełnienia lub niespełnienia warunku. Najprostsze warunki zawierają wyrażenia arytmetyczne, operatory relacji i nawiasy okrągłe. OPERATORY RELACJI > >= (większy równy) < <= == (równy)!= (nierówny) if (warunek) instrukcja zalecany styl Przykład: if (liczba>0) suma = suma+liczba; Uwaga: tu musi być jedna (!) instrukcja; w szczególności może to być instrukcja złożona: if (warunek) { ciąg instrukcji } zalecany styl Przykład: if (a>0) { s = s+a; k = k+1; }

25 Instrukcja warunkowa if-else 25 if (warunek) instrukcja1 else instrukcja2 zalecany styl Przykład: if (liczba>0) s_dod = s_dod+liczba; else s_niedod = s_niedod+liczba; Uwaga: Każda z powyższych instrukcji musi być jedną (!) instrukcją; w szczególności może to być instrukcja złożona: if (warunek) { ciag_instrukcji_1 } else { ciag_instrukcji_2 } zalecany styl Przykład: if (a>0) { sd = sd+a; kd = kd+1; } else { snd = snd+a; knd = knd+1; }

26 Instrukcje warunkowe zagnieżdżone (1) 26 if (...)... else if (...)... if (serce) na_niebiesko ; else if (trojkat) na_czerwono ; if (a<0) cout << ujemna ; else if (a>0) cout << dodatnia ;

27 Instrukcje warunkowe zagnieżdżone (2) 27 if (a<0) cout << ujemna ; else if (a>0) cout << dodatnia ; else cout << zero ; if (a<0) cout << ujemna ; if (a>0) cout << dodatnia ; else cout << zero ; Błąd logiczny!!!

28 Instrukcje warunkowe zagnieżdżone (3) 28 Przykłady instrukcji warunkowych zagnieżdżonych: if (w1) if (w1) i1 if (w2) else i1 if (w2) else i2 i2; else i3; Obowiązuje zasada: else przyporządkowane jest najbliższemu wstecz if W sytuacjach wymagających zmiany tej zasady konieczne jest ujęcie instrukcji if w klamry {...} : if (w1) { if (w2) i1 } else i2; UWAGA: Również w sytuacjach wątpliwych najpewniejszym sposobem jest tworzenie instrukcji złożonych za pomocą klamer.