Studiul elementelor de bază din limbajul C++

Transcription

1 PRELEGERE IV PROGRAMAREA CALCULATOARELOR ŞI LIMBAJE DE PROGRAMARE Studiul elementelor de bază din limbajul C++ I. Tipuri de programare. Structura unui program C++ Pe piaţa mondială a programării, limbajul C++ a ajuns unul dintre cele mai răspândite şi apreciate limbaje de nivel mediu. Impunerea acestui limbaj se datorează nu numai calităţilor şi posibilităţilor oferite de programarea în C++, care permit aplicarea adecvată a mecanismelor de reprezentare, de prelucrare şi de control ale acesteia în construirea de programe modulare şi structurate pentru rezolvarea problematicilor şi imperativelor diverselor domenii de activitate umană, ci şi fabricarea pe o scară uriaşă şi la preţuri accesibile a microcalculatoarelor şi reţelelor de calculatoare. Astfel, diferitele variante ale acestui limbaj ce s-au succedat într-o perioadă relativ scurtă de timp, probează în plus atenţia deosebită ce i s-a acordat de către specialiştii din industria software. Cu limbajul C++ se pot realiza programe de gestiune a datelor, programe pentru grafică, editoare de texte, programe pentru calcule ştiinţifice şi economice şi, chiar, programe de sistem. În plus, acesta constituie un instrument de programare util, mai ales, în învăţămîntul superior. Cîteva programe C++, în care gradul de complexitate variază crescător de la primul către ultimul, sînt prezentate după introducere. Nucleul de bază al lui C++ îl constituie limbajul C care a fost creat, în anul 1970, în laboratoarele Bell, de către Dennis Ritchie. Prima carte de programare în limbajul C a apărut, în 1978, sub semnătura autorilor Dennis Ritchie şi Brian Kernighan. Forma standard ANSI (American National Standard Institute) a acestuia şi o serie de variante standardizate s-au anunţat după Completările aduse de firma Borland formei Turbo C şi versiunilor 1.0 şi 2.0 ale acesteia (un grup de funcţii video pentru modurile text şi grafic, posibilitatea organizării memoriei în funcţie de cerinţele aplicaţiei, un compilator rapid, un editor profesional de texte, un depanator, un ansamblor integrat, etc.) au permis folosirea lor pe calculatoare personale compatibile IBM PC/XT/AT şi realizarea unei programării structurate şi modulare. Prima extensie a limbajului C s-a notat cu C+. Păstrînd toate elementele limbajului C, această primă extensie urmăreşte realizarea unei programării rapide şi eficientă. După 1980, aplicînd principiile programării orientate pe obiect (POO) formei ANSI a limbajului C, Bjorne Stroustrup generează şi standardizează limbajul C++. Cu începere din 1988, la fel ca în cazul limbajului C, firma Borland din SUA pregăteşte forma Turbo C++ pentru calculatoare personale compatibile IBM PC/XT/AT. Ultimele versiuni ale lui Turbo C++ apar după 1990 şi permit o compatibilitate în sus alături de o serie de înlesniri, cum ar fi: lucrul cu ferestre şi meniuri, un sistem de help adaptat la context, lucrul cu mouse-ul şi foarte multe programe utilitare. II. Structura unui program C++ Structura generală a unui program în limbajul C++ cuprinde un număr arbitrar de module program, care se prezintă sub forma unei construcţii arborescente cu frunzele orientate în jos şi descrie desfacerea în subprobleme a problemei de soluţionat precum şi legăturile logice existente între acestea. Modulul care constituie rădăcina are caracterul de modul 1

2 principal (main), pentru care calculatorul generează un cod special ce va constitui pentru sistemul de operare codul de recunoaştere al programului, la faza de lansare în execuţie a programului. Fiecare modul de program la rîndul său este format din funcţiile care concură la rezolvarea unei subprobleme. Intern, aceste funcţii formează fişiere de program. Cu alte cuvinte, programul C++ este ansamblul fişierelor de program care grupează toate funcţiile necesare rezolvării unei probleme, constituind ceea ce se numeşte un proiect. Fişierele de program pot fi compilate şi testate independent, chiar de programatori diferiţi, şi apoi grupate într-un proiect, utilizînd opţiunile comenzii Project din menu-ul Turbo C++. Deoarece funcţia rămîne elementul de bază în construcţia unui program şi, în plus, prezentarea ei completă se face abia în capitolul 4, acum, se impun cîteva precizări, strict necesare în înţelegerea şi urmărirea programelor specificate pe parcursul lucrării, cu privire la sintaxa, modul de definire şi prototipul (modul de declarare) ale acesteia. Funcţia este modalitatea obişnuită prin care programatorul îşi stabileşte un set generalizat de instrucţiuni, referitor la rezolvarea unei acţiuni, în care prezenţa variabilelor specificate prin argumente nu este obligatorie. Deoarece prin intermediul argumentelor (atunci cînd există), funcţia poate efectua prelucrările componente cu diverse valori, returnînd rezultate de un tip precizat, rezultă că ea poate fi activată în acelaşi modul de program ori de cîte ori contextul de rezolvare o impune. Funcţiile din acelaşi modul de program sau din module de program diferite se pot apela reciproc. Un apel recursiv se generează atunci cînd o funcţie se apelează pe ea însăşi de un numar finit de ori. Două elemente definitorii intervin în structura unei funcţii: antetul sau linia de definiţie a funcţiei; corpul funcţiei. Antetul cuprinde informaţii utilizate la apelarea funcţiei din diferite puncte ale programului, şi anume: tipul rezultatului, numele funcţiei şi lista parametrilor formali. Pentru fiecare parametru se precizează tipul şi numele simbolic de recunoaştere. Corpul funcţiei este format din directive preprocesor, declaraţii de tip şi o listă de instrucţiuni, care codifică prelucrările ce urmează să le facă funcţia în diferite activări concrete. Definiţia funcţiei poate interveni sau nu (de exemplu, funcţia standard) în programul sursă, alături de diverse apeluri ale acesteia. În general, definiţia unei funcţii se plasează după modulul main(). De aceea, pentru verificarea corectitudinii apelului unei funcţii, compilatorului i se furnizează informaţii cu privire la tipul rezultatului, la numărul şi tipurile parametrilor, la eventuale conversii de tip în lista parametrilor, chiar la începutul programului prin prototipul funcţiei. Formatul unui prototip de funcţie este, de fapt, un şablon simplificat al antetului funcţiei respective. Acesta cuprinde tipul rezultatului, numele funcţiei şi lista cu declaraţiile parametrilor formali. Numele de recunoaştere ale parametrilor formali sînt opţionale. Pe lîngă posibilitatea de definire a funcţiilor de tip utilizator, biblioteca limbajului pune la dispoziţia programatorului un număr ridicat de funcţii standard (predefinite) gata compilate. La lista funcţiilor matematice uzuale, a funcţiilor destinate tratării şirurilor, a valorilor ordinale sau a fişierelor se adaugă cele care oferă posibilităţi de utilizare mai simplă, în diferite operaţii de intrare/ieşire, a dispozitivelor calculatorului (cum ar fi: ecranul, imprimanta, etc.) şi ale căror coduri sînt înglobate în aşa-numitele directive. 2

3 Sintaxa unei directive începe cu simbolul # şi menţionarea ei la începutul unui program permite procesorului includerea, înainte de trecerea programului prin faza de compilare, a codurilor funcţiilor standard apelate. O funcţie poate fi apelată de mai multe ori în diverse situaţii concrete. Apelul unei funcţii trebuie să fie în concordanţă cu modul de definire al funcţiei şi cuprinde numele funcţiei urmat între paranteze simple de lista parametrilor actuali. Orice neconcordanţă de număr, de tip, de dimensiune sau de poziţie între listele de parametri formali şi actuali este semnalată ca eroare de sintaxă. În cazul standard, programatorul nu trebuie să cunoască structura propiu-zisă a funcţiilor, ci doar sintaxa apelurilor acestora. Opţional, diverse declaraţii de variabile şi definiţii de tipuri pot fi organizate în aşa-numitul modul de date comune (globale). Pe lîngă modulul de date globale, la care are acces orice funcţie din componenţa programului, fiecare modul de program poate să conţină declaraţii de variabile şi definiţii de tipuri specifice utilizabile numai în acel modul. Schematic, structura unui program C++ se poate reprezenta în modul următor (extensia fişierului program în formatul sursă este.cpp, de exemplu nimic.cpp): Program_cpp: directive procesor prototipuri de funcţii declaraţii globale modulul principal (main) funcţii Conştientizarea procesului de fixare a numărului, a ordinii şi a structurii funcţiilor componente unui modul de program implică un grad ridicat de dificultate şi nu este unic, acesta depinzînd de complexitatea problemei de rezolvat, de metoda matematică utilizată în aflarea soluţiei, de experienţa utilizatorului şi nu în ultimul rînd de configuraţia hardware a sistemului de prelucrare automată a datelor. Nu sînt tipare standardizate pentru găsirea unui răspuns corect, deşi în matematică pentru partea de demonstrare automată a teoremelor sînt încercări reuşite de formalizare a acestui proces cu ajutorul computerului. Pentru începători, şi nu numai, se recomandă întocmirea unei scheme logice sau a unei reprezentări în limbajul pseudocod care, după cum vom vedea în primul capitol, constituie un ghid logic în configurarea corectă a acestui proces. In concluzie, după faza de compilare a modulelor din programul sursă, generată prin activarea comenzii Compile, rezultă produsele (codurile) corespunzătoare obiect sau binar translatabile (BT). În faza de execuţie, activată prin comanda Run, acestea împreună cu codurile funcţiilor standard din bibliotecile de tip C++ sau utilizator trec, mai întîi, prin faza de editare a legăturilor, pentru obţinerea produsului executabil sau a produsului imagine memorie translatabilă (IMT), apoi urmează execuţia propiu-zisă a fişierului executabil cu date de test. III. Cîteva exemple de programe C++ Programele C++ se scriu cu litere mici. Numerotarea liniilor din structura programelor prezentate mai jos este un subterfugiu prin care se speră o urmărire uşoară şi o înţelegere rapidă a textului acestora din partea cititorului, neintervenind în formatul general al instrucţiunilor. 3

4 Aşa cum s-a precizat deja, la sfîrşitul fiecărui program într-un chenar se prezintă conţinutul ecranului utilizator în urma lansării în execuţie a programului cu datele de test introduse de programator, adică mesajele şi rezultatele corespunzătoare furnizate de către computer. Primul program nu rezolvă nimic, al doilea tipăreşte pe ecranul monitorului cuvîntul NIMIC, iar ultimele calculează media aritmetică a n valori reale prin intermediul instrucţiunilor for, while şi do - while. Observaţie. Comentariul din primele linii anunţă scopul programului respectiv şi este delimitat de /* şi */. Indiferent de situarea lui în componenţa programului acesta este ignorat de calculator începînd cu faza de compilare. Se recomandă, aşa cum se observă în ultimele trei programe, alinierea frazelor într-un text clar şi uşor de urmărit pentru ca scrierea programului să permită totodată şi întocmirea documentaţiei acestuia. Spre deosebire de limbajul C, în C++ pe lîngă comentarii imbricate solicitate explicit prin meniul de opţiuni, se pot utiliza comentarii sfîrşit de linie //. Textul care urmează după // pînă la sfîrşitul liniei se consideră un text comentariu. Comentariu sfîrşit de linie poate să apară şi printre liniile de comentariu delimitate prin /* şi */. a. /* Programul nu rezolva nimic */ ; //Instructiunea vida Modulul principal al programului (main) se declară în linia numerotată cu 1, iar liniile 2-4 descriu blocul determinat de instrucţiunea vidă. Acoladele sînt separatorii care delimitează o construcţie sintactică de tipul bloc sau instrucţiune compusă. Vom vedea mai tîrziu că acoladele intervin în structura instrucţiunilor atunci cînd, practic, este nevoie de mai multe instrucţiuni în locul în care sintaxa lor prevede doar o instrucţiune. b. /* Programul scrie cuvintul NIMIC */ printf( \n\n NIMIC \n\n ); //Se scie vocabula NIMIC - NIMIC - Acum, vom lămuri numai liniile 1 şi 4, care, în ordine, precizează directiva standard de introducere/vizualizare date (stdio.h) şi respectiv funcţia predefinită printf() de scriere, pe dispozitivul standard de ieşire al calculatorului (display-ul), a textelor şi datelor în forma cerută de programator. Pe rîndul marcat de cursor (liniuţa de inserare), din prima coloană se tipăreşte cuvîntul NIMIC, lăsîndu-se un rînd liber atît înaintea rîndului scris cît şi după acesta. c. /* Programul calculeaza media aritmetica a n valori reale introduse de la tastatura calculatorului cu ajutorul lui for */ 4

5 int i, nr_elem; float x; double suma = 0, medie_a; prinf( \n Introduceti nr. val. care intra in medie : ); scanf( %d, &nr_elem); for( i = 1 ; i <= nr_elem ; i++ ) printf( \n Introduceti o valoare reala oarecare : ); scanf( %f, &x); suma += x; medie_a = suma/nr_elem; //Formula de calcul a mediei printf( \n Media aritmetica este = %f, medie_a, \n ); Introduceti nr. val. care intra in medie : 3 Introduceti o valoare reala oarecare : 4. Introduceti o valoare reala oarecare : 5. Introduceti o valoare reala oarecare : 6. Media aritmetica este = În liniile 4-6 se declară următoarele tipuri de variabile: i şi nr_elem întregi, x reală în simplă precizie, iar suma şi medie_a reale în dublă precizie. Variabila suma se iniţializează cu zero. Tipărirea textelor din liniile 7, 11 şi 16 este precedată de poziţionarea cursorului la început de rînd (\n). În general, înţelesul acestor texte este un indiciu de cum ar trebui să acţioneze operatorul pe perioada execuţiei programului. Liniile 8 şi 12 descriu directiva de introducere a datelor cunoscute (nr_elem şi x) de la claviatura calculatorului. Argumentul %d este un descriptor de valoare întreagă, iar %f unul de valoare reală. Instrucţiunea for permite execuţia repetată a grupului de operaţii din intervalul cu valori diferite pentru variabilile cu care se lucrează. Astfel, operaţiile de scriere a textului Introduceţi o valoare reală, de citire a valorii variabilei x şi de sumare a lui x la variabila suma se produc de nr_elem ori. Evidenţa contorizării exacte a numărului de repetării este ţinută prin variabila i, care primeşte valori în intrvalul închis [1, nr_elem] cu pasul de variaţie 1. Expresia i++ este echivalentă cu ++i sau cu i = i+1;. Linia 15 descrie o instrucţiune de atribuire prin care se aplică formula de calcul a mediei aritmetice. d. /* Programul calculeaza media aritmetica a n valori reale introduse de la tastatura calculatorului cu ajutorul lui while */ #include <conio.h> 5

6 int i = 1, nr_elem; float x; double suma = 0, medie_a; clrscr(); printf( \n Introduceti numarul valorilor care\ intra in medie : ); scanf( %d, &nr_elem); while(i <= nr_elem) print( \n Introduceti o valoare reala \ oarecare : ); scanf( %f, &x); suma += x; i++; medie_a = suma/nr_elem; printf( \n Media aritmetica este = %f, medie_a, \n ); getch(); Introduceti nr. val. care intra in medie : 2 Introduceti o valoare reala oarecare : 14. Introduceti o valoare reala oarecare : 6. Media aritmetica este = Din directiva conio.h se utilizează, în linia 8, funcţia de vidare a ecranului, clrscr(), şi, în linia 20, funcţia de citire fără ecou (de la tastatura monitorului) a unui caracter, getch(). Includerea acesteia în program se face prin linia 2. Iniţializarea contorului i s-a realizat în linia 5, simultan cu declararea acestuia de tip întreg. Execuţia repetată a grupului de linii se simbolizează cu instrucţiunea while, care se produce atîta timp cît se verifică testul i<=nr_elem. Întoarcerea la ecranul editorului se face după apăsarea unei taste oarecare de pe claviatura microcalculatorului, adică după satisfacerea funcţiei getch(). e. /* Programul calculeaza media aritmetica a n valori reale introduse de la tastatura calculatorului cu ajutorul lui do-while */ #include <conio.h> int i = 1,nr_elem; float x; double suma = 0, medie_a; clrscr(); printf( \n Introduceti numarul valorilor care\ intra in medie : ); scanf( %d, &nr_elem); do print( \n Introduceti o valoare reala\ 6

7 oarecare : ); scanf( %f, &x); suma += x; i++; while(i <= nr_elem); medie_a = suma / nr_elem; printf( \n Media aritmetica este = %f, medie_a); getch(); Introduceti nr. val. care intra in medie : 4 Introduceti o valoare reala oarecare : 2. Introduceti o valoare reala oarecare : 5. Introduceti o valoare reala oarecare : 6. Introduceti o valoare reala oarecare : 11. Media aritmetica este = Aşa cum se anunţă în comentariul de la începutul programului, ciclarea grupului de linii se realizează cu instrucţiunea do - while din liniile 32 şi 39. 7