Języki programowania

Transkrypt

1 Języki programowania Nowoczesne techniki programowania Wykład 1 Witold Dyrka witold.dyrka@pwr.wroc.pl 5/10/2011

2 Prawa autorskie Slajdy do wykładu powstały w oparciu o slajdy Bjarne Stroustrupa do kursu Foundations of Engineering II (C++) prowadzonego w Texas A&M University

3 Program wykładów 1. Pierwszy program. Obiekty, typy i wartości 2. Wykonywanie obliczeń. Błędy 3. Pisanie i wykańczanie programu 4. Techniki pisania funkcji i klas 5. Strumienie wejścia/wyjścia 6. Wskaźniki i tablice 7. Systematyka technik i języków programowania

4 Program laboratorium Pisanie algorytmów Język C++

5 Materiały Literatura Bjarne Stroustrup. Programowanie: Teoria i praktyka z wykorzystaniem C++. Helion (2010) Jerzy Grębosz. Symfonia C++ standard. Edition 2000 (2008) Dowolny podręcznik języka C++ w standardzie ISO 98 Środowisko programistyczne Microsoft Visual C++ (rekomendowane) Dowolne środowisko korzystające z GCC

6 Warunki zaliczenia Projekt programistyczny (50%) po trzecim wykładzie (2.XI.2011 r.) termin oddania (4.I.2012 r.) Kolokwium (50%) środa, r. Na zaliczenie >50% pkt.

7 Zasady Nie toleruję plagiatów dot. projektów i programów na laboratorium Nie toleruję ściągania dot. kolokwium i sprawdzianów na laboratorium Zachęcam do korzystania z konsultacji ze mną: PT 10-11, pok. 118A/D-1 pomiędzy sobą

8 Dlaczego programowanie?

9 Programowanie w medycynie Na przykład: Tomografia oprogramowanie skanera, przesyłanie sygnałów, przetwarzanie obrazu Chirurgia wspomagana robotami wizualizacja, precyzyjne sterowanie narzędziami, sterowanie na odległość Inne: automatyczne badania (np. krwii), urządzenia ultradźwiękowe, komputery kieszonkowe i tzw. mobile health care Natychmiastowy dostęp do danych pacjenta Projekty medyczne realizowane przez znajomą, niewielką firmę informatyczną z Wrocławia: obsługa magazynu lekarstw i apteki szpitala optymalizacja produkcji granulatu w dużej firmie farmaceutycznej

10 Czym jest programowanie? Powiedzeniem bardzo szybkiemu kolesiowi co ma dokładnie robić Planem rozwiązywania problemu przez komputer Określeniem kolejności wykonywanych działań Z tym, że: współczesne programy zawierają miliony linii kodu i koncentrują się na manipulacji danymi Może więc: Określeniem struktury i zachowania programu oraz sprawdzeniem czy wykonuje on zadanie prawidłowo i dostatecznie sprawnie

11 Czy programowanie jest trudne? Zasadniczo jest łatwe: Napisz maszynie co ma robić Dlaczego jest więc trudne? ;-) Chcemy by komputer robił złożone rzeczy, a on jest tylko maszyną Rzeczywistość jest bardziej skomplikowana niż nam się wydaje, a my nie zawsze zdajemy sobie sprawę z implikacji tego czego chcemy Programowanie jest rozumieniem, tego co chcemy zautomatyzować Programowanie łączy teorię i praktykę

12 Pierwszy program #include <iostream> int main() { } std::cout << "Hello, world!\n"; return 0; // dołącza plik nagłówkowy biblioteki przydatnych // narzędzi // main() jest początkiem każdego programu C++ // wyświetla 13 znaków: Hello, world! // i przechodzi do nowej linii // zwraca wartość oznaczającą sukces // Cudzysłów typu " " ogranicza literał łańcuchowy // \n oznacza początek nowej linii // Średnik ; kończy każdą instrukcję // Nawiasy klamrowe { } grupują instrukcje w blok // main() jest funkcją, która nie pobiera argumentów i zwraca wartość całkowitą (int) oznaczającą sukces (0) lub błąd (!0)

13 Pierwszy program (2) /* Pierwszy program - cele poznanie: kompilatora, środowiska deweloperskiego (IDE) środowiska uruchomieniowego */ sprawdzenie reakcji na błędy zapomniany nagłówek, zapomniany cudzysłów kończący łańcuch znakowy pomyłka w nazwie (np. retrun) zapomniany średnik lub nawias klamrowy #include <iostream> int main() { } cout << "Hello, world!\n"; system( pause ); return 0; // dołącza plik nagłówkowy biblioteki narzędzi // main() jest początkiem każdego programu C++ // wyświetla 13 znaków: Hello, world! // i przechodzi do nowej linii // czeka na wciśnięcie klawisza // zwraca wartość oznaczającą sukces

14 Liczy się styl Większa część kodu to jakby gotowy formularz Jedyna instrukcja, która coś robi to: cout << "Hello, world!\n" I taki podział jest zupełnie normalny:-) bez komentarzy, dołączania bibliotek itp. kod nie będzie prosty, zrozumiały, godny zaufania i efektywny Nie wystarczy by jakoś działało kod musi być elegancki i poprawny

15 Kompilacja i konsolidacja Kod źródłowy C++ hello_world.cpp Kompilator C++ Kod obiektowy hello_world.obj Program wykonywalny hello_world.exe Konsolidator (ang. linker) Kod obiektowy biblioteki iostream.obj Kompilator - sprawdza kod napisany w języku programowania - generuje kod obiektowy, specyficzny dla architektury komputera i systemu operacyjnego Konsolidator dołącza kod obiektowy wykorzystywanych bibliotek i porządkuje przestrzeń programu

16 Obiekty, typy i wartości Programowanie polega przede wszystkim na manipulowaniu danymi. Teraz zajmiemy się: wprowadzeniem i wyświetlaniem danych zmiennymi przechowującymi dane pojęciem typu i bezpieczeństwa typu

17 Wprowadzanie i wyświetlanie /* Program wczytujący imię i witający się z użytkownikiem */ #include <iostream> #include <string> int main() { } std::cout << "Prosze podac swoje imie (i nacisnac" << " 'enter'):\n"; string imie; // Ta instrukcja to deklaracja zmiennej (imie) // Zmienna posiada określony typ (string) std::cin >> imie; std::cout << "Czesc, " << imie << '\n'; // Kilka wartości może zostać wyświetlonych w jednej instrukcji // Pominięto return 0; jest ono opcjonalne w main()

18 Wczytywanie zmiennych Typ zmiennej określa co można z nią zrobić W naszym przypadku: std::cin >> imie; wczytuje znaki ze standardowego wejścia (np. klawiatury), aż do znaku białego (ang. whitespace) Znak biały to np. spacja, tabulator, znak nowej linii

19 Wprowadzenie łańcuchów /* Program wczytujący imię i nazwisko oraz witający się z użytkownikiem */ #include <iostream> #include <string> int main() { } std::cout << "Prosze podac swoje imie i nazwisko:\n"; string pierwszy; string drugi; std::cin >> pierwszy >> drugi; string nazwisko = pierwszy + ' ' + drugi; std::cout << "Czesc, " << nazwisko << '\n'; // wczytuje dwa łańcuchy znakowe // deklaracja oraz inicja(liza)cja // zmiennej nazwisko // Dla typu string, operator + oznacza konkatenację, czyli sklejanie łańcuchów.

20 Wprowadzenie liczb całkowitych /* Program wczytujący imię i wiek oraz witający się z użytkownikiem */ #include <iostream> #include <string> int main() { } std::cout << "Prosze podac swoje imie i wiek:\n"; string imie; int wiek; // Zmienna całkowita jest typem wbudowanym, // więc nie potrzebuje dołączania nagłówka std::cin >> imie >> wiek; std::cout << "Czesc, " << imie << ', masz ' << wiek <<lat'\n';

21 Liczby zmiennoprzecinkowe // Proste działania arytmetyczne #include <iostream> #include <cmath> int main() { } std::cout << "Podaj liczbę zmiennoprzecinkową: "; double n; // zmienna zmiennoprzecinkowa typu double std::cin >> n; std::cout << "n = " << n << "\nn+1 = " << n+1 // '\n' oznacza nową linię << "\ntrzy razy n = " << 3*n << "\ndwa n = " << n+n << "\nn kwadrat = " << n*n << "\npolowa z n = " << n/2 << "\npierwiastek kwadratowy z n = " << sqrt(n) // funkcja biblioteczna << std::endl; // to też oznacza nową linię

22 Typy i literały Typy wbudowane bool logiczny (Boolowski) char znakowy int całkowitoliczbowy short, long, signed, unsigned double zmiennoprzecinkowy Literały logiczne: true false Literały znakowe: 'a', 'x', '4', '\n', '$' Literały całkowitoliczbowe 0, 1, 123, -6, 0x34, 0xa3 Literały zmiennoprzecinkowe float 1.2, ,.3, -0.54, 1.2e3,. 3F,.3F Typy biblioteki standardowej string łańcuch znakowy complex<scalar> liczby zespolone Literały łańcuchowe "asdf", "Howdy, all y'all! Literały zespolone complex<double>(12.3,99) Typy użytkownika complex<float>(1.3f)

23 Deklaracja i inicjacja zmiennej int a = 7; int b = 9; a: b: 7 9 char c = 'a'; double x = 1.2; string s1 = "Hello, world"; string s2 = "1.2"; s1: s2: x: c: 'a' "Hello, world" 3 "1.2"

24 Obiekty Obiekt jest fragmentem pamięci, który przechowuje wartość pewnego typu Zmienna jest nazwanym obiektem == deklaracja nazywa obiekt int a = 7; char c = 'x'; complex<double> z(1.0,2.0); string s = "qwerty"; z: a: c: 'x' s: 6 "qwerty"

25 Bezpieczeństwo typów Zasada bezpieczeństwa typów: Każdy obiekt będzie użyty tylko zgodnie z jego typem Zmienna będzie użyto dopiero po inicjacji Tylko operacje zdefiniowane dla zadeklarowanego typu zmiennej będą użyte Każda operacja zdefiniowana dla zmiennej nadaje jej prawidłową wartość Ideał statycznej kontroli typów Program naruszający bezpieczeństwo typów nie zostanie skompilowany Kompilator zgłasza każde naruszenie Ideał dynamicznej kontroli typów Jeśli program narusza bezpieczeństwo typów, zostanie to wykryte w czasie uruchomienia Istnieje kod, który wykrywa każde naruszenie nie znalezione przez kompilator

26 Bezpieczeństwo typów w C++ C++ nie zapewnia (pełnej) statycznej kontroli typów Żaden powszechnie używany język nie jest w pełni bezpieczny Pełna statyczna kontrola typów mogłaby za bardzo ograniczać programistę C++ nie zapewnia (pełnej) dynamicznej kontroli typów Istnieją inne języki, które ją zapewniają Pełna dynamiczna kontrola typów mogłaby za bardzo ograniczać programistę Pełna dynamiczna kontrola typów często generuje większy i wolniejszy kod Będziemy uczyć się technik zapewniających bezpieczeństwo typów.

27 Naruszenie bezpieczeństwa typów niejawne zawężanie (ang. implicit narrowing) // Uwaga: C++ nie zabrania próby umieszczenia dużej wartości // w małej zmiennej (chociaż kompilator może ostrzec przed tym). int main() { int a = 20000; a: char c = a; int b = c; if (a!= b) //!= oznacza relację nierówności cout << "ups!: " << a << "!=" << b << '\n'; else cout << "Świetnie! Mamy duże znaki\n"; } c:??? Spróbuj, jaka będzie wartość b na Twoim komputerze

28 Naruszenie bezpieczeństwa typów (niezainicjowana zmienna) // Uwaga: C++ pozwala użyć niezainicjowanej zmiennej. // Jednak kompilator przeważnie ostrzega przed tym. int main() { int x; // x otrzymuje losową wartość początkową char c; // c otrzymuje losową wartość początkową double d; // d otrzymuje losową wartość początkową // nie każda zawartość komórki pamięci stanowi poprawną // wartość zmiennoprzecinkową double dd = d; // potencjalny błąd: niektóre implementacje // nie kopiują niepoprawnych wartości zmiennoprzecinkowych cout << " x: " << x << " c: " << c << " d: " << d << '\n'; } Zawsze inicjuj swoje zmienne. Wyjątek: zmienne, których wartości są wprowadzane z zewnątrz. Uwaga: tryb debugowania może inicjować zmienne

29 Ideały programistyczne Bezpieczeństwo typów Szybkość wykonywania Dostosowanie do danej platformy sprzętowej i systemowej Możliwość uruchomienia na wielu platformach oraz otrzymanie tych samych wyników Zgodność z innym kodem lub systemem Łatwość konstrukcji Łatwość utrzymania Jako inżynierowie jesteśmy zawsze skazani na kompromisy.

30 Ideały programistyczne Bezpieczeństwo typów Szybkość wykonywania Dostosowanie do danej platformy sprzętowej i systemowej Możliwość uruchomienia na wielu platformach oraz otrzymanie tych samych wyników Zgodność z innym kodem lub systemem Łatwość konstrukcji Łatwość utrzymania Jako inżynierowie jesteśmy zawsze skazani na kompromisy.

31 Poprawne nazwy w C++ rozpoczynają się zawsze literą mogą zawierać litery, cyfry i podkreślenia np. poprawne nazwy to: x, liczba_elementow, Fouriera_transformata, z2 niepoprawne są natomiast: 12x, czas$do$konca, glowna linia Nie należy rozpoczynać nazw podkreślnikiem, np. _foo, składnia zarezerwowana dla kompilatora Nie może definiować nazw, używanych jako słowa kluczowe języka, np. int, if, while, double

32 Dobre nazwy w C++ DOBRE: Nazwy znaczące w danym kontekście: suma_czesciowa, licznik_elementow, eksport_pszenicy Krótkie nazwy używane konwencjonalnie: ZŁE: x jako zmienna lokalna, i jako indeks pętli. Skróty i skrótowce są mylące Za długie nazwy program nieczytelny, łatwo o literówkę: suma_wszystkich_elementow, pozostale_wolne_miejsca_w_tablicy_symboli

33 Jeszcze jeden pomysł na program... // Konwersja cali na cm i centymetrów na cale: #include <iostream> int main() { const double cm_na_cal = 2.54; int wartosc; char jednostka; while (std::cin >> wartosc >> jednostka) { // wczytuje w pętli if (jednostka == '\"') // znak cala jest znakiem specjalnym w C++ std::cout << wartosc << "\" == " << wartosc*cm_na_cal << "cm\n"; else if (jednostka == 'c') // 'c' jak w cm std::cout << wartosc << "cm == " << wartosc/cm_na_cal << "\"\n"; else return 0; // kończy jeśli podana zła jednostka, np. 'q' } }

34 Dziś najważniejsze było to, że... Warto, aby inżynier biomedyczny nauczył się dobrze programować W programowaniu liczy się styl Możemy korzystać ze zmiennych różnych typów Zmienna to nazwany obiekt Każdy obiekt należy używać tylko zgodnie z jego typem

35 A za 2 tygodnie... Wykonywanie obliczeń Radzenie sobie z błędami