Prednáška 13

Smerníková aritmetika

Na smerníkoch možno vykonávať určité operácie, súhrn ktorých býva honosne nazývaný smerníkovou aritmetikou. Nech p, p1, p2 sú smerníky definované ako

T *p;
T *p1;
T *p2;

kde T označuje nejaký typ. Nech n je typu int. Potom:

• p + n označuje smerník na n-tý pamäťový úsek (postačujúci práve na uchovanie hodnoty typu T) za adresou p.
  • Napríklad p+n je to isté ako &p[n] a *(p+n) je to isté ako p[n].
  • p++ je skratkou pre p = p+1, ...
• Operátor [ ] je teda nadbytočný – p[n] je len skratkou pre často používaný výraz *(p+n).
• p - n označuje smerník na n-tý pamäťový úsek (postačujúci práve na uchovanie hodnoty typu T) pred adresou p.
• p1 - p2 je celé číslo k také, že p1 == p2 + k. Zmysluplný výsledok možno očakávať len vtedy, keď p1 a p2 sú adresami prvkov v tom istom poli (v jedinom súvislom kuse pamäte).
• Smerníky tiež možno prirodzene porovnávať relačnými operátormi ==, <, >, <=, >=, !=. Výsledok je zmysluplný opäť len vtedy, keď p1 a p2 sú adresami prvkov v tom istom poli.

Program, ktorý najprv načíta pole a následne prvky tohto poľa vypíše od konca, tak možno napísať napríklad aj takto:

#include <iostream>
using namespace std;

const int maxN = 1000;

int main(void) {
    int a[maxN];
    int N;
    cout << "Zadaj pocet cisel: ";
    cin >> N;
    for (int i = 0; i <= N-1; i++) {
        cout << "Zadaj cislo " << i + 1 << ": ";
        cin >> *(a + i);    
    }
    for (int i = N-1; i >= 0; i--) {
        cout << *(a + i) << " ";
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

Ladenie programov so smerníkmi

• Smerníky môžu byť nepríjemným zdrojom chýb, keďže kompilátor nekontroluje, či sú používané správne.
• Napríklad možno čítať aj zapisovať mimo alokovanej pamäte.
• S odchytávaním takýchto chýb môžu pomôcť automatizované nástroje, ako napríklad Valgrind (pre Linux) alebo Dr. Memory (pre Windows aj Linux).
• Návod na prácu s programom valgrind

Deklarácie so smerníkmi a poľami

Na dnešnej prednáške budeme kombinovať smerníky a polia – budeme tak písať výrazy obsahujúce súčasne operátor [ ] pre prístup k danému prvku poľa a dereferenčný operátor * pre smerníky. Na správnu interpretáciu takýchto výrazov je potrebné vedieť nasledujúce:

• Operátor [ ] má vyššiu prioritu ako *. Napríklad zápis *a[10] teda treba chápať ako *(a[10]). To znamená, že vezmeme pole a, pozrieme sa na jeho desiaty prvok a následne na tento desiaty prvok aplikujeme derefernciu. Prvky poľa a sú teda (v prípade, že robíme niečo zmysluplné) smerníky. Naopak (*p)[10] znamená nasledovné: vezmeme p, aplikujeme dereferenciu (p je teda smerník), ktorej výsledkom je pole a pozrieme sa na desiaty prvok tohto poľa.
• Operátor [ ] je zľava asociatívny a operátor * je sprava asociatívny. To znamená, že napríklad a[2][3] je to isté ako (a[2])[3] a **p je to isté ako *(*p).

Napríklad deklaráciu

int *a[10]; // t. j. *(a[10])

teraz treba chápať takto: ak vezmeme a, pozrieme sa na niektorý z desiatich prvkov tohto poľa a nakoniec aplikujeme dereferenciu, dostaneme hodnotu typu int. Zadeklarovali sme teda desaťprvkové pole smerníkov na int. Rovnako možno intepretovať aj nasledujúce deklarácie:

int **a;         // a je smernik na smernik na int; kazde pole smernikov na int tak mozno priradit do a (ale nie opacne)
int (*a)[10];    // a je smernik na pole desiatich celych cisel
int *(*(a[10])); // a je desatprvkove pole smernikov na smerniky na int
int **a[10];     // to iste, ako na predchadzajucom riadku

Dvojrozmerné polia

Doposiaľ sme pracovali iba s jednorozmernými poľami. Často je však potrebné pracovať s viacrozmernými údajmi – tými sú napríklad tabuľky, matice, atď. Na tejto prednáške sa zameriame na dvojrozmerný prípad, potreba ktorého vyvstáva najčastejšie.

Najjednoduchší – hoci väčšinou nepraktický – spôsob práce s takýmito údajmi poskytuje priamo C++ v podobe takzvaných viacrozmerných polí. Prácu s dvojrozmernými poľami si teraz v stručnosti ukážeme. Ide o jednoduché rozšírenie jednorozmerných polí – akurát namiesto i-teho prvku a[i] pristupujeme k prvkom a[i][j] v i-tom riadku a j-tom stĺpci dvojrozmerného poľa.

#include <iostream>
using namespace std;

int main(void) {
    /* Vytvorime pole s dvoma riadkami a piatimi stlpcami a rovno ho aj inicializujeme: */ 
    int a[2][5] = {{1,2,3,4,5},{6,7,8,9,10}}; 

    /* Vypiseme pole ako tabulku: */
    for (int i = 0; i <= 1; i++) {
        for (int j = 0; j <= 4; j++) {
            cout << a[i][j] << " ";
        }
        cout << endl;
    }

    return 0;
}

Dvojrozmerné pole o m riadkoch a n stĺpcoch sa v pamäti reprezentuje ako jediný súvislý úsek, v ktorom idú za sebou jednotlivé riadky reprezentované ako jednorozmerné polia. To je znázornené na nasledujúcom obrázku.

Z tejto reprezentácie ale vyplýva, že typ dvojrozmerného poľa je inherentne previazaný s dĺžkou jednotlivých riadkov (t. j. s počtom stĺpcov). To sa ukazuje byť nepraktické napríklad pri predávaní dvojrozmerných polí ako parametrov pre funkcie, v hlavičkách ktorých je nutné tento počet stĺpcov zadať:

...

void f1(int a[2][5]) {
    ...
}

void f2(int a[][5]) {
    ...
}

void f3(int (*a)[5]) {
    ...
}

void f4(int a[][]) {   // uz samotny tento zapis vyusti v chybu
    ...
}

int main(void) {
    int a[2][5];
    
    ...
   
    f1(a); // OK
    f2(a); // OK
    f3(a); // OK
    f4(a); // nefunguje

    ...
}

Budeme preto hľadať pohodlnejší spôsob práce s dvojrozmernými údajmi.

Polia smerníkov

Omnoho pohodlnejšou alternatívou k dvojrozmerným poliam sú polia smerníkov. Dvojrozmerné dáta tu uchovávame prostredníctvom poľa, i-ty prvok ktorého je smerníkom ukazujúcim na prvý – t. j. vlastne nultý – prvok i-teho riadku. Pre každý riadok potom môžeme naalokovať samostatné pole pre jeho prvky. Má to okrem iného tú výhodu, že jednotlivé riadky nemusia byť rovnako dlhé. Zatiaľ si však len ukážme spôsob, ako vytvoriť pole smerníkov reprezentujúce obdĺžnikovú tabuľku typu m krát n; to bude v pamäti reprezentované podobne, ako na nasledujúcom obrázku.

Nasledujúci program vytvorí pole smerníkov, ktoré reprezentuje obdĺžnikovú tabuľku o m krát n celých číslach, načíta do nej prvky zo vstupu a nakoniec na výstup vypíše aritmetické priemery hodnôt v jednotlivých jej stĺpcoch.

#include <iostream>
using namespace std;

const int max_m = 200;

int main(void) {
    int m,n;
    int *a[max_m];
    cout << "Zadaj pocet riadkov: ";
    cin >> m;
    cout << "Zadaj pocet stlpcov: ";
    cin >> n;
    
    /* Alokuj jednotlive riadky: */
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        a[i] = new int[n];           // a[i] je smernik na i-ty riadok
    }
    
    /* Nacitanie prvkov tabulky: */
    cout << "Zadaj cisla tabulky:" << endl;
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        for (int j = 0; j <= n-1; j++) {
            cin >> a[i][j];          // nacitaj j-ty prvok i-teho riadku 
        }
    }
    
    /* Spocitaj a vypis priemery hodnot v jednotlivych stlpcoch: */
    for (int j = 0; j <= n-1; j++) {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
            sum += a[i][j];
        }
        cout << "Priemer hodnot v stlpci " << j + 1 << " je " << (sum * 1.0)/m << endl;
    } 

    /* Uvolnenie pamate: */
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        delete[] a[i];
    }

    return 0;
}

Dynamicky alokované polia smerníkov

Aj samotné polia smerníkov je možné alokovať dynamicky, čo umožňuje počas behu nastaviť nielen veľkosť jednotlivých riadkov, ale aj ich počet. Príklad s priemermi jednotlivých stĺpcov tak vieme prepísať napríklad nasledovne:

#include <iostream>
using namespace std;

int main(void) {
    int m,n;
    int **a;
    cout << "Zadaj pocet riadkov: ";
    cin >> m;
    cout << "Zadaj pocet stlpcov: ";
    cin >> n;
    
    /* Alokuj pole smernikov na riadky: */
    a = new int *[m];
    
    /* Alokuj jednotlive riadky: */
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        a[i] = new int[n];           // a[i] je smernik na i-ty riadok
    }
    
    /* Nacitanie prvkov tabulky: */
    cout << "Zadaj cisla tabulky:" << endl;
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        for (int j = 0; j <= n-1; j++) {
            cin >> a[i][j];          // nacitaj j-ty prvok i-teho riadku 
        }
    }
    
    /* Spocitaj a vypis priemery hodnot v jednotlivych stlpcoch: */
    for (int j = 0; j <= n-1; j++) {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
            sum += a[i][j];
        }
        cout << "Priemer hodnot v stlpci " << j + 1 << " je " << (sum * 1.0)/m << endl;
    } 
    
    /* Uvolnenie pamate: */
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        delete[] a[i];
    }
    delete[] a;
    
    return 0;
}

Príklad: výšková mapa

Pokračujme ukážkou o niečo väčšieho programu využívajúceho dynamicky alokované polia smerníkov. Ten bude v obdĺžnikovej tabuľke celých čísel uchovávať výškovú mapu nejakého územia, v ktorom nadmorská výška nadobúda hodnoty medzi 0 a 2000 metrami nad morom.

Program na vstupe najprv dostane dvojicu prirodzených čísel m a n. Výškovou mapou potom bude obdĺžnik pozostávajúci z m krát n štvorčekov, kde každý zo štvorčekov bude mať danú nejakú nadmorskú výšku od 0 po 2000 metrov nad morom (nadmorská výška 0 znamená more a kladná nadmorská výška znamená pevninu). Následne program postupne prečíta zo vstupu nadmorské výšky všetkých štvorčekov.

Takto zadanú mapu program vykreslí pomocou knižnice SVGdraw, pričom každý štvorček dostane určitú farbu podľa svojej nadmorskej výšky. Následne zavolá funkciu najvyssiVrch, ktorá nájde najvyšší bod (resp. jeden z najvyšších bodov) vykresľovaného územia a v mape ho zvýrazní rámikom.

Príklad vstupu a výstupu:

22 11
 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
 0 20 40 60 80 100 120 140 120 0 0
 0 40 80 120 160 200 240 280 190 100 0
 0 60 120 180 240 300 360 420 260 100 0
 0 80 160 240 320 400 480 560 260 100 0
 0 100 200 300 400 500 600 700 330 100 0
 0 120 240 360 480 600 720 840 400 100 0
 0 140 280 420 560 700 840 980 470 100 0
 0 160 320 480 640 800 960 700 200 0 0
 0 180 360 540 720 900 700 500 0 0 0
 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 680 100 0
 0 220 440 660 880 1100 1320 1540 750 100 0
 0 240 480 720 960 1200 1440 1680 820 100 0
 0 260 520 780 1040 1300 1560 1820 1200 400 0
 0 280 560 840 1120 1400 1680 1960 1500 600 0
 0 240 480 720 960 1200 1440 1680 1000 400 0
 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 680 100 0
 0 160 320 480 640 800 960 1120 540 100 0
 0 120 240 360 480 600 720 840 400 100 0
 0 80 160 240 320 400 480 560 260 100 0
 0 40 80 120 160 200 240 280 120 0 0
 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Samotný program:

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

/* velkost stvorceka mapy v pixeloch */
const int stvorcek = 15;

int **vytvorMapu(int m, int n) {
    /* Vytvori a vrati na vystupe mapu (obdlznikovu tabulku) s m riadkami a n stlpcami. */
    int **a;
    a = new int *[m];
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        a[i] = new int[n];
    }
    return a;
}

void zmazMapu(int m, int n, int **a) {
    /* Uvolni z pamate mapu s m riadkami a n stlpcami.
       Parameter n je nadbytocny, ale mohol by sa zist, keby napriklad 
       bolo treba z pamate uvolnovat aj jednotlive prvky matice a. */
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        delete[] a[i];
    }
    delete[] a;
}

void nacitajMapu(int m, int n, int **a) {
    /* Nacita hodnoty (nadmorske vysky) do uz vytvorenej mapy velkosti m krat n. */
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        for (int j = 0; j <= n-1; j++) {
            cin >> a[i][j];
        }
    }
}

void farba(SVGdraw &drawing, int r, int g, int b) {
    /* Nastavi farbu ciary aj vyplne na dane hodnoty. */
    drawing.setLineColor(r, g, b);
    drawing.setFillColor(r, g, b);
}

void vykresliMapu(int m, int n, int **a, SVGdraw &drawing) {
    /* Ofarbi jednotlive stvorceky mapy podla ich nadmorskej vysky:
     * modra -- more (nadmorska vyska 0)
     * zelena -- niziny (nadmorska vyska 1,...,200)
     * hneda -- "pohoria" (nadmorska vyska 200,...,2000) */
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        for (int j = 0; j <= n-1; j++) {
            /* nastavenie farby podla hodnoty */
            if (a[i][j] == 0) {
                farba(drawing, 0, 0, 255);
            } else if (a[i][j] <= 200) {
                double x = a[i][j] / 200.0;
                farba(drawing, x * 255, 127 + x * 127, 0);
            } else {
                double x = (a[i][j] - 200) / 1800.0;
                farba(drawing, 255 - x * 150, 255 - x * 200, 0);
            }
            /* Vykreslenie stvorceka; POZOR: vymena suradnic */
            drawing.drawRectangle(j * stvorcek, i * stvorcek, stvorcek, stvorcek);
        }
    }
}

void najvyssiVrch(int m, int n, int **a, int &riadok, int &stlpec) {
    /* Najde v mape a o rozmeroch m krat n stvorcek s najvyssou nadmorskou vyskou
       a jeho suradnice ulozi do premennych riadok resp. stlpec. */
    riadok = 0;
    stlpec = 0;
    for (int i = 0; i <= m-1; i++) {
        for (int j = 0; j <= n-1; j++) {
            if (a[i][j] > a[riadok][stlpec]) {
                riadok = i;
                stlpec = j;
            }
        }
    }
}

int main(void) {
    /* nacitaj rozmery matice */
    int m, n;
    cin >> m >> n;

    /* vytvor a nacitaj maticu */
    int **a = vytvorMapu(m, n);

    nacitajMapu(m, n, a);

    /* zobraz maticu */
    SVGdraw drawing(n * stvorcek, m * stvorcek, "mapa.svg"); // POZOR: vymena suradnic
    vykresliMapu(m, n, a, drawing);

    /* najdi najvyssi vrch a zvyrazni ho stvorcekom */
    int riadok, stlpec;
    najvyssiVrch(m, n, a, riadok, stlpec);

    drawing.setLineColor("black");
    drawing.setLineWidth(3);
    drawing.setNoFill();
    drawing.drawRectangle(stlpec * stvorcek, riadok * stvorcek, stvorcek, stvorcek); // POZOR: vymena suradnic

    /* ukonci vykreslovanie */
    drawing.finish();

    /* uvolni pamat matice */
    zmazMapu(m, n, a);
    
    return 0;
}

Polia reťazcov

Každý reťazec je pole znakov, ktoré možno interpretovať aj ako smerník na char. Pole reťazcov teda možno implementovať ako pole smerníkov na char. Keďže sa vo väčšine aplikácií môžu vyskytovať reťazce rôznych dĺžok, ukazuje sa tu byť užitočná vlastnosť polí smerníkov spomínaná vyššie – jednotlivé ich riadky môžu mať rôzne dĺžky.

Nasledujúci jednoduchý program je ukážkou použitia takto implementovaných polí reťazcov. Zo vstupu postupne načítava riadky, až kým je zadaný prázdny riadok. Tie postupne ukladá do poľa. Na záver sa všetky tieto reťazce vypíšu na výstup, oddelené medzerami.

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

const int maxN = 1000;
const int maxRiadok = 1000;

int main(void) {
    char *a[maxN];
    char riadok[maxRiadok];
    int N = 0;
    while (N <= maxN-1) {                 
        cin.getline(riadok, maxRiadok);      // nacitame jeden riadok zo vstupu
        if (strcmp(riadok, "") == 0) {       // v pripade prazdneho riadku ukoncime nacitavanie
            break;
        }
        /* 
           Alokujeme pamat pre N-ty retazec pola a.
           (Musi byt o 1 vacsia, nez jeho dlzka -- dovodom je znak \0 na konci).
        */
        a[N] = new char[strlen(riadok) + 1]; 
        strcpy(a[N], riadok);
        N++;
    }
    // Vypiseme jednotlive riadky oddelene medzerami:
    for (int i = 0; i <= N-1; i++) {
        cout << a[i] << " ";
    }
    // Uvolnime pamat:
    for (int i = 0; i <= N-1; i++) {
        delete[] a[i];
    }

    return 0;
}

Cvičenie: prerobte tento program tak, aby namiesto poľa a fixnej veľkosti maxN používal dynamické pole.

Zadávanie argumentov programu z príkazového riadku

Polia reťazcov umožňujú okrem iného aj napísať program, ktorý dostane a spracuje jeden alebo viacero argumentov z príkazového riadku a na základe nich prípadne „upraví svoje správanie”. Príkladom programu využívajúcim túto funkcionalitu je aj samotný kompilátor g++. Jeho najjednoduchšie volanie

g++ program.cpp

obsahuje okrem názvu programu g++ aj argument program.cpp – ten dáva kompilátoru informáciu o tom, ktorý zdrojový súbor má kompilovať.

Na písanie programov umožňujúcich spracovanie takýchto argumentov je potrebné využiť „jemne pokročilejšiu” verziu funkcie main s hlavičkou

int main(int argc, char **argv)

– tú automaticky generujú viaceré pokročilejšie textové editory alebo IDE (napríklad NetBeans). Význam parametrov argc a argv je nasledovný:

• argv je pole reťazcov (resp. pole smerníkov na char) a argc je počet reťazcov v tomto poli.
• Reťazec argv[0] je vždy názov programu.
• Reťazce argv[1],...,argv[argc-1] sú jednotlivé argumenty.

Nasledujúci jednoduchý program postupne vypíše všetky argumenty, ktoré dostal z príkazového riadku.

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char **argv) {
    for (int i = 0; i <= argc-1; i++) {
        cout << argv[i] << endl;
    }
    return 0;
}