Prednáška 23

Nepreberané črty jazykov C a C++

Dnešná prednáška bude venovaná (pomerne plytkému) prehľadu rôznych čŕt jazykov C a C++, ktoré sa počas semestra nepreberali. Tento prehľad by mal poslúžiť ako pomôcka pri štúdiu existujúcich programov, resp. ako inšpirácia pre ďalšie samoštúdium.

Znalosť materiálu z tejto prednášky nebude vyžadovaná na skúške. Rovnako nie je odporúčané na skúške tento materiál využívať bez dôkladného samostatného oboznámenia sa s ním.

Táto prednáška nepokrýva objektovo-orientované programovanie v jazyku C++. Objektovo-orientované programovanie (v jazyku Java) bude hlavnou náplňou druhého semestra programovania.

Rozdiely medzi jazykmi C a C++

Jazyk C vznikol okolo roku 1972 na podporu vývoja operačného systému Unix; jazyk C++ okolo roku 1985. Programy v jazyku C sú väčšinou súčasne aj korektnými programami v jazyku C++ (ide ale o isté zjednodušenie). Obidva tieto jazyky existujú vo viacerých štandardoch, v ktorých sa postupne pridávali nové črty.

V priebehu semestra sme programovali v jazyku C++. Veľká časť konštrukcií, ktoré sme v programoch využívali, však pochádza už z jazyka C. Výnimkami sú však napríklad nasledujúce črty jazyka C++, ktoré v jazyku C nie sú k dispozícii:

• V jazyku C nie je možné predávanie parametrov funkcií referenciou. Namiesto toho je potrebné používať smerníky.
• V jazyku C nefungujú operátory new a delete. Namiesto nich treba použiť funkcie popísané nižšie.
• Na používanie typu bool a konštánt true a false je potrebná knižnica stdbool (t. j. #include <stdbool.h>). Zabudovaný booleovský typ má názov _Bool a nadobúda hodnoty 0 a 1.
• Štandardnými knižnicami jazyka C sú spomedzi štandardných knižníc jazyka C++ v zásade tie začínajúce písmenom c, napríklad cstdio. Namiesto #include <cstdio> potom v C píšeme #include <stdio.h>.
  • V jazyku C špeciálne nie je možné používať knižnicu iostream a v nej definované štandardné vstupno-výstupné prúdy cin a cout.
• V jazyku C je potrebné pri deklarácii premennej typu struct struktura písať aj kľúčové slovo struct.
• V starších verziách jazyka C nefungujú mnohé konštrukcie jazyka C++, ktoré sme bežne používali – napríklad komentáre vo forme //, deklarácie premenných inde ako na začiatku funkcie, atď.

Nepreberané črty jazyka C (použiteľné aj v C++)

Enumerované typy

Enumerované typy pozostávajú z vymenovania niekoľkých hodnôt, ktoré sa stanú celočíselnými konštantami. To je občas užitočné na sprehľadnenie zdrojového kódu.

Príklad:

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // definicia enumerovaneho typu farba
    enum farba {biela, modra, cervena, zelena, cierna};  
    // definicia premennej typu farba     
    farba f = biela;                                     
    f = zelena; 
    cout << f << endl; // vypise 3
}

Zložený typ (union)

Zložený typ umožňuje na jednom mieste pamäte uchovávať hodnotu, ktorá môže byť viacerých dátových typov (narozdiel od štruktúr však vždy ide o práve jednu hodnotu). Definuje sa podobne ako štruktúra, avšak s použitím kľúčového slova union namiesto struct.

Príklad:

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

union zlozenyTyp {
    int n;
    char s[100];
};

int main() {
    zlozenyTyp z;
    z.n = 10;
    cout << z.n << endl;  // vypise 10
    strcpy(z.s, "abcd");
    cout << z.s << endl;  // vypise abcd
    cout << z.n << endl;  // vypise nejaky nezmysel
}

Napríklad pri aritmetických stromoch by použitie zloženého typu umožnilo ušetriť trochu pamäte tým, že by sme si v každom uzle pamätali buď jeho hodnotu, alebo operátor, pričom typ uzla by sme rozlišovali podľa toho, či sú smerníky na oboch synov rovné NULL.

Operátory

Okrem operátorov, ktoré sme používali, existuje niekoľko ďalších, ako napríklad nasledujúce:

• Bitové operátory pracujú s celým číslom ako s poľom bitov (vhodnejšie sú unsigned typy):
  • << a >> posúvajú bity doľava a doprava, zodpovedajú násobeniu a deleniu mocninami dvojky.
  • & (and po bitoch), | (or po bitoch), ^ (xor po bitoch), ~ (negácia po bitoch).
• Ternárny operátor ? s použitím (podmienka)?(hodnota pre true):(hodnota pre false), napríklad cout << x << " je " << ((x%2==0) ? "parne" : "neparne") << endl;

Cyklus do-while

Cyklus do-while je obdobou cyklu while s vyhodnocovaním podmienky na konci iterácie. Nasledujúce dva spôsoby písania cyklu sú viac-menej ekvivalentné:

do { 
    prikazy;
} while(podmienka);

while (true) {
    prikazy;
    if (!podmienka) break;
}

Makrá a konštanty

Konštantu možno zadefinovať napríklad aj takto:

#define MAXN 100

Narozdiel od konštanty s definíciou

const int maxN = 100;

sa tu konštantná premenná MAXN reálne nevytvára (nevyhradzuje sa pre ňu pamäťové miesto); všetky výskyty MAXN sú preprocesorom kompilátora nahradené „ešte v zdrojovom kóde” konštantou 100.

Okrem konštánt možno definovať aj zložitejšie makrá s parametrami:

/* Definicia makra: */
#define MIN(X,Y) ((X) < (Y) ? (X) : (Y))

/* Priklad pouzitia: */
cout << MIN(a*a, b+5);

/* Preprocesor vykona substituciu za MIN, ktorou dostane: */
cout << ((a*a) < (b+5) ? (a*a) : (b+5));

• Bez dostatočného množstva zátvoriek by pri použití makra MIN mohlo dôjsť k „interakcii s okolím”.
• Vo všeobecnosti je odporúčané vyvarovať sa použitia makier.

Delenie programu na súbory

Väčšie programy je zvyčajne žiadúce rozdeliť na viacero zdrojových súborov. Často sa tiež môže zísť vytvorenie vlastnej knižnice.

Kompilátory, ako napríklad g++, spravidla umožňujú skompilovať viacero zdrojových súborov naraz. Pri volaní g++ z príkazového riadku môžeme písať napríklad

g++ -o program subor1.cpp subor2.cpp subor3.cpp

Takéto volanie ale môže byť úspešné len za dvoch podmienok:

• Funkciu main musí obsahovať práve jeden z kompilovaných zdrojových súborov.
• Ak sa v niektorom súbore suborA.cpp využíva funkcia f z iného súboru suborB.cpp, musí byť funkcia f v súbore suborA.cpp zadeklarovaná (t. j. uvedie sa hlavička funkcie f nasledovaná bodkočiarkou, bez samotného tela – čiže definície – funkcie f).

V súbore lib.cpp môžeme mať napríklad definície dvoch funkcií f a g:

/* Subor lib.cpp */

int f(int n) {
    return n + 1;
}

int g(int n) {
    return n*2;
}

Môžeme teraz do súboru prog.cpp napísať program, ktorý tieto funkcie deklaruje a následne využíva:

/* Subor prog.cpp */

#include <iostream>
using namespace std;

int f(int n);
int g(int n);

int main(void) {
    int n;
    cin >> n;
    cout << f(n) << " " << g(n) << endl;
    return 0;
}

Program potom možno skompilovať volaním

g++ -o prog prog.cpp lib.cpp

Manuálne deklarovanie všetkých funkcií môže byť obzvlášť pri veľkých knižniciach a programoch pozostávajúcich z veľkého množstva súborov ťažkopádne. Typickým riešením je preto presunutie všetkých deklarácií do špeciálneho hlavičkového súboru (angl. header file), v našom prípade napríklad lib.h. Direktíva #include "lib.h" potom prekopíruje do súboru, ktorý ju obsahuje, kompletný obsah súboru lib.h, čím sa vlastne deklarujú všetky funkcie z knižnice lib.cpp.

Pre náš príklad vyššie tak teraz máme 3 súbory. Súbor lib.cpp je rovnaký ako vyššie, súbor lib.h obsahuje

/* Subor lib.h */

int f(int n);
int g(int n);

a súbor prog.cpp obsahuje

/* Subor prog.cpp */

#include "lib.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main(void) {
    int n;
    cin >> n;
    cout << f(n) << " " << g(n) << endl;
    return 0;
}

Program skompilujeme rovnako ako vyššie:

g++ -o prog prog.cpp lib.cpp

Rozdiel medzi direktívami #include "lib.h" a #include <lib.h> spočíva v tom, že kým v prvom prípade sa hlavičkový súbor hľadá najprv v aktuálnom adresári, v druhom prípade sa prehľadávajú iba adresáre, ktoré sú na danom systéme predvolené (typicky ide o adresáre obsahujúce hlavičky štandardných knižníc).

Zopár užitočných funkcií

Alokácia pamäte

• V jazyku C nie sú definované operátory new a delete, resp. new[] a delete[].
• Pamäť sa alokuje funkciou malloc, ktorá alokuje kus pamäte s daným počtom bajtov.
  • V prípade neúspechu vráti NULL.
  • V prípade úspechu vráti smerník na void, ktorý je následne nutné pretypovať.
• Uvoľnenie pamäte realizuje funkcia free.
• Pri výpočte veľkosti potrebnej pamäte sa zvyčajne používa operátor sizeof.

#include <cstdlib>   // resp. #include <stdlib.h> v C

/* vytvorime pole 100 int-ov */
int *a = (int *)malloc(sizeof(int) * 100);
/* odalokujeme pole a */
free(a);

Triedenie

• Funkcia qsort z knižnice stdlib.h.
• Dostane pole, počet jeho prvkov, veľkosť každého prvku a funkciu, ktorá porovná dva prvky.
  • Funkciu teda posielame ako parameter.
  • Táto porovnávacia funkcia dostane dva smerníky typu void * (na dva prvky poľa).
  • Vráti záporné číslo, ak prvý prvok je menší, nulu, ak sú rovnaké a kladné číslo, ak je prvý väčší.
• Ak si napíšeme porovnávaciu funkciu, môžeme triediť prvky hocijakého typu.

int compare(const void *a, const void *b) {
    return (*(int*)a - *(int*)b);
}
int a[] = {5, 3, 2, 4, 1};
qsort(a, 5, sizeof(int), compare);

• Existuje napríklad aj funkcia bsearch na binárne vyhľadávanie v utriedenom poli.

Nepreberané črty jazyka C++

Generické funkcie

Občas sa zíde napísať algoritmus, ktorý by mohol pracovať na dátach rôznych typov. Napríklad triediť môžeme celé alebo desatinné čísla, reťazce, zložitejšie štruktúry s určitým kľúčom a pod.

V C++ sa dajú písať takzvané generické funkcie, ktoré možno „parametrizovať” podľa typu:

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T> 
T vratPrvok(T *a, int k) {
    T result = a[k];
    return result;
} 

int main() {
    int a[5] = {1,2,3,4,5};
    cout << vratPrvok(a, 1) << endl;  // vypise 2
}

• Viac v letnom semestri.

Preťaženie operátorov

Pre novovytvorené typy je možné štadardným operátorom jazyka C++ priradiť novú sémantiku pomocou tzv. preťaženia. Napríklad v nasledujúcom príklade definujeme operátor < na menách, ktorý najprv porovnáva podľa priezviska a následne podľa krstného mena.

struct meno {
    char *krstne, *priezvisko;
};

bool operator < (const meno &x, const meno &y) {
    return strcmp(x.priezvisko, y.priezvisko) < 0
            || strcmp(x.priezvisko, y.priezvisko) == 0
            && strcmp(x.krstne, y.krstne) < 0;
}

• Podobne môžeme zadefinovať napríklad operátory + a * pre štruktúry reprezentujúce polynómy alebo komplexné čísla...
• cout << "Hello" používa preťažený operátor << pre výstupný prúd na ľavej strane a reťazec na pravej strane.

Reťazce typu string

• V C++ je možné okrem klasických C-čkových reťazcov použiť aj typ string z C++.
• Jeho použitie je elegantnejšie, sám si určuje potrebnú veľkosť pamäte.
• Reťazce tohto typu sú objekty, do funkcií ich odovzdávame väčšinou referenciou.
• K jednotlivým znakom pristupujeme pomocou [] (ako u polí) alebo pomocou metódy at.

#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    char cstr[100] = "Ahoj\n";
    string str = "Ako sa mas?\n";
    string str2;

    /* Do str mozno pomocou operatora = korektne priradit konstantne retazce,
       C-ckove retazce (polia znakov), aj ine premenne typu string. */
    str2 = "Ahoj\n";
    str2 = cstr;
    str2 = str;

    /* Meranie dlzky retazca: */
    cout << "Dlzka je: " << str.length() << endl;

    /* Funguje porovnanie pomocou ==, !=, <, ...
     * (bud dvoch C++ stringov, alebo C++ stringu a C stringu)
     * Pomocou operatora + mozno realizovat zretazenie. */
    str2 = cstr + str;
    str2.push_back('X');   // prida jeden symbol na koniec retazca
    str2.push_back('\n');
    cout << str2 << endl;

    if (str < str2) {
        cout << "Prvy je mensi" << endl;
    } else if (str == str2) {
        cout << "Rovnaju sa" << endl;
    } else {
        cout << "Druhy je mensi" << endl;
    }
}

• Pomocou metódy c_str() možno získať z reťazca typu string premennú typu const char*.

Dátová štruktúra vector

Súčasťou štandardnej knižnice jazyka C++ je viacero rôznych dátových štruktúr. Ide pritom o generické štruktúry, ktoré môžu uchovávať dáta rôznych typov (čo je o poznanie elegantnejšie riešenie, ako to naše s dataType; v jednom programe napríklad môžeme mať štruktúry uchovávajúce rôzne typy).

Na tomto mieste spomeňme dátovú štruktúru vector [1]:

• O niečo podarenejšia verzia dynamických polí z prednášky.
• Deklarovať ho možno jedným z nasledujúcich spôsobov:

vector<int> a;       // vytvori pole celych cisel
vector<int> a(10);   // vytvori pole 10 celych cisel, ktore vsetky nastavi na vychodziu hodnotu
vector<int> a(5,1);  // vytvori pole 5 celych cisel, ktore nastavi na 1

• Prístup k prvkom vector-u je možný dvoma spôsobmi:
  • Klasicky pomocou a[index] – podobne ako pri poliach sa ale v takom prípade nekontroluje rozsah.
  • Alternatívne možno použiť a.at(index) – v prípade indexu mimo rozsahu program hneď spadne (presnejšie vyhodí výnimku) a nenarobí chaos v pamäti.
• V obidvoch prípadoch môžeme aj priraďovať: a[index] = value; a.at(index) = value;

• Ďalšie metódy na prácu s vector-mi:
  • a.push_back(x) vloží hodnotu x ako nový prvok na koniec poľa, podľa potreby pritom pole realokuje a pod.
  • a.size() vráti počet prvkov v poli.
  • a.resize(n) alebo a.resize(n, value) zmení počet prvkov v poli na n, pričom buď zahodí nadbytočné prvky alebo pridá nové – tie budú mať hodnotu value alebo východziu hodnotu.

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> a;
    for (int i = 0; i <= 10; i++) {
        a.push_back(i);
    }
    for (int i = 0; i < a.size(); i++) {
        cout << a[i] << endl;  // alebo a.at(i)
    }
}

Algoritmus na triedenie:

• V knižnici <algorithm>

//triedime normalne pole
int A[6] = {1, 4, 2, 8, 5, 7};
sort(A, A + 6);

//triedime vektor
vector <int> A;
sort(A.begin(), A.end());

//triedime podla nasej porovnavacej funkcie, napr. podla absolutnej hodnoty
struct cmp {
    bool operator()(int x, int y) { return abs(x) < abs(y); }
};
cmp c;
sort(A.begin(), A.end(), c);

Range-based for loop

• Špeciálny cyklus cez prvky vektora a pod.
  • nepotrebujeme zavádzať premennú pre index
  • podobný for cyklus uvidíte podrobnejšie v Jave

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std; 

void vypis(const vector<int> &a) {
  // vypise vsetky prvky vektora a
  for (const int &value : a) { 
    cout << value << ' ';
  }
  cout << '\n';  
}

int main() {
  vector<int> a;

  // do vektora a vlozi prvky 0,..,5
  for(int value : {0,1,2,3,4,5}) {
    a.push_back(value);
  }

  vypis(a);  // vypise 0 1 2 3 4 5
 
  // zvysi kazdy prvok vektora o 1
  for (int &value : a) { 
    value++;
  }

  vypis(a); // vypise 1 2 3 4 5 6
}