Programowanie obiektowe C++Programowanie zorientowane obiektowo

Wykład 0

Witold Dyrkawitold.dyrka@pwr.wroc.pl

26/09/2011

Prawa autorskie itp.

Wiele slajdów do tego wykładu powstało w oparciu o:● slajdy Bjarne Stroustrupa

do kursu Foundations of Engineering II (C++) prowadzonego w Texas A&M Universityhttp://www.stroustrup.com/Programming

Materiały

Literatura● Bjarne Stroustrup. Programowanie: Teoria i praktyka z

wykorzystaniem C++. Helion (2010)● Jerzy Grębosz. Symfonia C++ standard. Edition 2000 (2008)● Dowolny podręcznik programowania zorientowanego obiektowo

w języku C++ w standardzie ISO 98● www.cplusplus.com - The C++ Reference Network (j.ang.)

Środowisko programistyczne● Microsoft Visual C++ (rekomendowane)● Dowolne środowisko korzystające z GCC

Plan na dziś● Bezpieczeństwo typów● Kontener vector● Obsługa błędów

Bezpieczeństwo typówZasada bezpieczeństwa typów:● Każdy obiekt będzie użyty tylko zgodnie z jego typem

● Zmienna będzie użyta 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

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

// Uwaga: C++ nie zabrania próby umieszczenia dużej wartości// w małej zmiennej (chociaż kompilator może ostrzec przed tym).

int main(){

int a = 20000;char c = a;int b = c;if (a != b) // != oznacza relację nierówności

cout << "ups!: " << a << "!=" << b << '\n';else

cout << "Świetnie! Mamy duże znaki\n";}

Spróbuj, jaka będzie wartość b na Twoim komputerze

20000a:

???c:

Naruszenie bezpieczeństwa typówniejawne zawężanie (ang. implicit narrowing)

// Uwaga: C++ pozwala użyć niezainicjowanej zmiennej. // Jednak kompilator przeważnie ostrzega przed tym.

int main(){

int x; // x otrzymuje “losową” wartość początkowąchar c; // c otrzymuje“losową” wartość początkowądouble 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

Naruszenie bezpieczeństwa typów(niezainicjowana zmienna)

Plan na dziś● Bezpieczeństwo typów● Kontener vector● Obsługa błędów

Vector – kontener danych● W zasadzie wszystkie interesujące obliczenia dotyczą zbiorów danych.● Do zapisu kolekcji danych może posłużyć klasa kontenerowa vector

// wczytywanie pomiarów temperaturyint main(){

vector<double> temps; // deklaracja zmiennej temps, która jest wektorem typu double// przechowującej listę temperatur (takich jak 32.4)

double temp; // zmienna przechowująca pojedyńczy pomiarwhile (cin>>temp) // cin wczytuje wartość i zapisuje ją w temp

temps.push_back(temp); // zapisanie temperatury w wektorze// … inne operacje …

}// wyrażenie cin>>temp będzie spełnione (wartość true) dopóki na wejściu cin// nie pojawi się coś czego nie można uznać za double: np. wyraz „koniec”

1 4 2 3 5

5v:

elementy v:

v[0] v[1] v[2] v[3] v[4]

size()

Wektor● Vector jest typem danych zdefiniowanym w bibliotece

standardowej C++● vector<T> przechowuje sekwencję wartości typu T● Można to wyobrazić sobie tak:

● Niech wektor o nazwie v posiada 5 elementów: {1,4,2,3,5}:

v:

Uzupełnianie wektora danymivector<int> v;vector<int> v; //// tworzy pusty wektortworzy pusty wektor

v.push_back(1);v.push_back(1); // // dodaje element o wartości dodaje element o wartości 11

v.push_back(4);v.push_back(4); // // dodaje element o wartości dodaje element o wartości 44//// na końcu ( na końcu (the backthe back))

v.push_back(3);v.push_back(3); // // dodaje element o wartości dodaje element o wartości 33 //// na końcu na końcu 3 341

2 41

1 1

0

vv[0] v[1] v[2][0] v[1] v[2]

v.push_back(3);zmienna (obiekt) metoda (funkcja)

Używanie wektorów// liczenie średniej i mediany temperatur:int main(){vector<double> temps; // temperatury w stopniach Celsjuszadouble temp;while (cin>>temp) temps.push_back(temp); // wczytuje wektor temperaturdouble sum = 0;for (int i = 0; i< temps.size(); ++i) sum += temps[i]; // suma temperatur cout << "Średnia temperatury: " << sum/temps.size() << endl; sort(temps.begin(),temps.end()); cout << "Mediana temperatury: " << temps[temps.size()/2] << endl;}

Ideał● Powinniśmy móc w dowolny sposób wykorzystać

podstawowe elementy języka i podstawowe biblioteki ● Sprawdźmy czy jest tak z wczytywaniem i sortowaniem

wektorów?

Przykład – lista słów/* Lista slow – kod samego sedna programu:

wczytuje listę łańcuchów do wektora łańcuchów,sortuje w kolejności alfabetyczneji drukuje posortowany wektor.

*/vector<string> words;string s;while (cin>>s && s != "quit") // && oznacza AND (iloczyn logiczny) words.push_back(s); // wczytywanie

sort(words.begin(), words.end()); // sortowaniefor (int i=0; i<words.size(); ++i) cout<<words[i]<< "\n"; // drukowanie

Przykład – usuwanie powtórzeń// Program usuwa powtórzone wyrazy

vector<string> words;

string s;

while (cin>>s && s!= "quit") words.push_back(s);

sort(words.begin(), words.end());

for (int i=1; i<words.size(); ++i)

if(words[i-1]==words[i])

“pozbądź się i-tego wyrazu (words[i])” // (pseudokod)

for (int i=0; i<words.size(); ++i) cout<<words[i]<< "\n";

// Usunąć powtórzone wyrazy można na wiele sposobów, niektóre całkiem zagmatwane.

// Celem dobrego programisty jest wybrać proste i jasne rozwiązanie

// biorąc pod uwagę takie ograniczenia jak czas kodowania, czas działania, pamięć.

Usuwanie wyrazów – rozwiązanie// Usuwa powtórzone wyrazy poprzez kopiowanie tylko wyrazów unikalnych

vector<string> words;

string s;

while (cin>>s && s!= "quit") words.push_back(s);

sort(words.begin(), words.end());

vector<string>w2; // wektor przechowujący wyrazy unikalne

if (0<words.size()) { // rób tylko jeśli wektor words nie pusty

w2.push_back(words[0]); // wstaw pierwszy element do w2

for (int i=1; i<words.size(); ++i)

if(words[i-1]!=words[i]) // jeśli dwa kolejne wyrazy w words różne

w2.push_back(words[i]); // dodaje nowy wyraz do w2

}

cout<< "znaleziono " << words.size()-w2.size() << " powtórzeń\n";

for (int i=0; i<w2.size(); ++i) cout << w2[i] << "\n";

Plan na dziś● Bezpieczeństwo typów● Kontener vector● Obsługa błędów

Błędy w programie● Podstawowym celem programisty jest

poprawność kodu

● “ … uświadomiłem sobie, że od teraz dużą część mojego życia spędzę szukając i poprawiając moje własne błędy.” Maurice Wilkes

● “Przypuszczam, że unikanie, znajdowanie i poprawianie błędów stanowi 95% lub więcej wysiłku w poważnym tworzeniu oprogramowania.” Bjarne Stroustrup

Błędy w programie● Źródła błędów● Rodzaje błędów● Sprawdzanie argumentów funkcji

● Raportowanie błędów● Wykrywanie błędów● Wyjątki

● Debugowanie (odrobaczanie)● Testowanie

Źródła błędów● Słaba specyfikacja

(80% dużych projektów wysypuje się przez złą specyfikację)

● Niekompletny program● Nieoczekiwane argumenty funkcji

(np. funkcja sqrt() nie przyjmie wartości -1)

● Niespodziewane dane wejściowe(np. uszkodzony plik z danymi)

● Niespodziewany stan● Błędy logiczne

Rodzaje błędów● Błędy kompilacji

● błędy typów● błędy składni

● Błędy konsolidacji● Błędy czasu wykonania (ang. run-time)

● wykryte przez system („program się wysypał”)● wykryte przez biblioteki (wyjątki)● wykryte przez kod użytkownika

● Błędy logiczne● wykryte przez programistę/testera

Oczekiwania

Każdy program1)Powinien wytworzyć pożądany wynik dla każdego

poprawnego wejścia

2)Powinien zwrócić sensowny komunikat o błędzie dla niepoprawnych danych wejściowych

Twój program3)Nie musi przejmować się błędami sprzętu

4)Nie musi przejmować się błędami systemu5)Może zakończyć działanie po znalezieniu błędu

Błędy argumentów funkcji

Kompilator sprawdza liczbę i typy argumentów funkcji:

int pole(int wysokosc, int szerokosc){ return wysokosc*szerokosc;}

int x1 = pole(7); // błąd kompilacji: zła liczba argumentówint x2 = pole("siedem", 2); // błąd kompilacji: argument 1 ma zły typint x3 = pole(7, 10); // okint x5 = pole(7.5, 10); // działa, ale: 7.5 zostanie obcięte do 7;

// większość kompilatorów zgłosi ostrzeżenieint x = pole(10, -7); // typy się zgadzają, ale wartość -7 nie ma sensu!!!

Obsługa błędówint x = pole(10, -7); // typy się zgadzają, ale wartość -7 nie ma sensu!!!

● Tym błędem musi zająć się programista● Dwie strategie sprawdzania poprawności argumentów

● sprawdza wywołujący funkcję+ wie jak obsłużyć błąd- musi znać specyfikację funkcji, dłuższy i nieczytelny kod

● sprawdza funkcja wywoływana+ prostszy, bardziej elegancki kod- nie wie co zrobić z błędem

● Pomysł: funkcja zwraca informacje o błędzie, a wywołujący decyduje co z tym zrobić

● Zwracanie wartości błędu int pole(int wysokosc, int szerokosc) // zwraca -1 jeśli błędne dane

{

if(wysokosc <=0 || szerokosc <= 0) return -1;

return wysokosc*szerokosc;

}● Wywołujący musi (może?) sprawdzić wynik i podjąć działanie

int z = pole(x,y);

if (z<0) {

cerr<<"Problem z obliczaniem pola";

return;

// …● Kolejny problem: jaką wartość błędu może zwracać funkcja max()?

Raportowanie błedów (1)

Raportowanie błędów (2)● Ustawianie znacznika błędu:

int errno = 0;

int pole(int wysokosc, int szerokosc) {

if(wysokosc <=0 || szerokosc <= 0) errno = 7;

return wysokosc*szerokosc;

}

● Wywołujący musi (może?) sprawdzić wynik i podjąć działanieint z = pole(x,y);

if (errno==7) {

cerr<<"Problem z obliczaniem pola";

return;

// …

● Te same problemy co poprzednio – nie używaj!!

● Zgłaszanie wyjątków:class Zle_pole { }; // Tak w C++ definiujemy typ użytkownika, tutaj – typ błędu

int pole(int wysokosc, int szerokosc) {

if (wysokosc <=0 || szerokosc <= 0) throw Zle_pole(); // wyrzucamy obiekt typu

return wysokosc*szerokosc; // Zle_pole

}

● Wywołujący próbuje czy we fragmencie kodu nie zgłoszono wyjątku, chwyta go i decyduje co zrobićtry {

int z = pole(x,y); // jeżeli pole() nie zgłosiło wyjątku

} // wykonuje przypisanie i idzie dalej

catch(Zle pole) { // jeżeli pole() zgłosiło wyjątek Zle_pole(), obsługuje go:

cerr << "Ups! Problem z obliczaniem pola";}

Raportowanie błedów (3)

Wyjątki - idea

www.sidzina.net.pl

msw-pttk.org.pl

artofmanliness.com

Program, czyli grupa funkcji przybywana dzikie i niebezpieczne tereny. Jedna z nich wyrusza na rekonesans

Wtem, napotyka problem:

Reszta „chwyta”, że żółta flara oznacza misia i podejmuje dalsze działania

Sygnalizuje go rzucając wyjątek:

Dlaczego wyjątki?● Obsługa wyjątków jest uniwersalna

● Nie można o nich zapomnieć: wystarczy, że umieścisz całość programu w bloku try … catch, a program zakończy działanie, jeśli wyjątek pojawi się i nie zostanie obsłużony

● Prawie każdy typ błędu można zgłosić wyjątkiem

● Jednak to wciąż programista musi zastanowić się co zrobić z każdym wyjątkiem

Wyjątki – błąd „poza zakresem”int main()try { vector<int> v(10); // wektor 10-ciu int-ów for (int i = 0; i<v.size(); ++i) v.at(i) = i; // ustawiamy wartości

// at(i) = [i] + wyjątek zakresu for (int i = 0; i<=10; ++i) // drukujemy 10 wartości (???) cout << "v[" << i << "] == " << v.at(i) << endl;} catch (out_of_range&) { // wyjątek out_of_range cerr << "ups – któryś indeks wektora poza zakresem\n";} catch (…) { // wszystkie inne wyjątki cerr << "ups – jakiś błąd\n";}

Odrobaczanie

Na proces debugowania składa się:1) Zauważenie, że coś działa inaczej niż oczekiwano2) Sprawdzenie co tak na prawdę się dzieje3) Poprawienie

A jak tego nie robić?dopóki (program nie sprawia wrażenia działającego) {

zaglądam tu i tam, szukając czegoś co wygląda dziwnie;

zmieniam to, aby wyglądało “lepiej”;

}

Krok 1: zadbaj o strukturę programu

Jeżeli masz znaleźć błąd– program musi być łatwy do czytania1) Komentuj – wyjaśniaj swoje pomysły2) Używaj znaczących nazw3) Rób wcięcia – trzymaj się jednego stylu4) Podziel kod na małe funkcje - unikaj funkcji dłuższych

niż strona kodu5) Jeśli to możliwe, unikaj skomplikowanego kodu, np.

zagnieżdżonych pętli i instrukcji warunkowych

6) Używaj funkcji bibliotecznych – są sprawdzone

Krok 2: skompiluj program

Jeśli program się nie kompiluje - sprawdź:1) Czy zakończyłeś literały łańcuchowe ('') i znakowe (')?

2) Czy zakończyłeś każdy blok ({ })3) Czy zamknąłeś wszystkie nawiasy?4) Czy każda nazwy została zadeklarowana?

5) Czy każda nazwa została zadeklarowana przed użyciem?6) Czy zakończyłeś każdą instrukcję wyrażeniową

średnikiem?

Krok 3: Prześledź program● Podejdź do tego jakbyś był komputerem

● Czy dane na wyjściu spełniają Twoje oczekiwania?● Warto „wyrzucić” wartości paru zmiennych na wyjście błędu:

cerr << "x == " << x << ", y == " << y << '\n';● Uważaj – musisz zobaczyć to co programu rzeczywiście

robi, nie to co uważasz, że powinien robić:for (int i=0; 0<month.size(); ++i) { // błąd!for( int i = 0; i<=max; ++j) { // podwójny błąd!

● Gdzie szukać błędu?

Krok 3: Gdzie szukać błędu?● Wprowadź „testy poczytalności” (ang. sanity checks),

if (liczba_elementow<0)

throw runtime_error("ujemna liczba elementow");if (maksymalny_sensowny<liczba_elementow)

throw runtime_error("nieoczekiwanie wielka liczba elementow");if (x<y) throw runtime_error("niemozliwosc: x<y");

● Napisz je tak, aby nie trzeba było ich usuwać z kodu w momencie, gdy program będzie wyglądał na ukończony

Krok 3: Gdzie szukać błędu?Warunki początkowe i końcowe

class Zly_argument { };

class Zle_pole { };

int pole(int wysokosc, int szerokosc) {

if (wysokosc <=0 || szerokosc <= 0) throw Zly_argument();int p = wysokosc*szerokosc;if (p<=0) throw Zle_pole();

return p;

}

Zasady● Zawsze przemyśl warunki początkowe i końcowe● Zapisz je przynajmniej w postaci komentarza● Sprawdzaj, gdy szukasz błędu● Kiedy w przykładzie warunek początkowy będzie spełniony, a końcowy nie?

Krok 3: Gdzie szukać błędu? Sprawdź przypadki brzegowe

● Czy zainicjowałeś każdą zmienną sensowną wartością?● Czy funkcja dostała prawidłowe argumenty?● Czy funkcja zwróciła prawidłową wartość?● Czy poprawnie obsłużyłeś pierwszy i ostatni element?

(np. pętli)● Czy poprawnie obsłużyłeś przypadki puste?

(brak elementów, brak wejścia)● Czy poprawnie otworzyłeś plik?● Czy rzeczywiście wczytałeś wejście i zapisałeś wyjście?

Kilka ogólnych zasad● “Jeżeli nie możesz znaleźć błędu, szukasz w złym

miejscu”● Nie dowierzaj swojemu przekonianiu, że wiesz gdzie jest

błąd● Nie zgaduj, kieruj się danymi na wyjściu:

– Szukaj od miejsca, gdzie wiesz, że jest okCo się dzieje dalej, dlaczego?

– Szukaj przed miejscem, gdzie dostałeś zły wynikCo mogło się wydarzyć?

● Znalezłeś robaka? ● Zastanów się, czy naprawienie go rozwiązuje cały problem● Często „szybka poprawka” wprowadza nowe błędy

● Jeśli programista mówi: „znalazłem ostatni błąd”, to żartuje;-)

Dziś najważniejsze było to, że...● Każdy obiekt używamy tylko zgodnie z jego typem

● Nie wymyślamy koła!● wykorzystujemy bibliotekę standardową,

– np. typ vector zamiast tablicy

● Raportujemy błędy przy użyciu mechanizmu wyjątków

● Jeśli programista mówi: „znalazłem ostatni błąd”, to żartuje;-)

A za 2 tygodnie...

...zajmiemy się klasami:

● Klasy● Implementacja i interfejs● Konstruktory● Funkcje składowe● Składowe stałe● Składowe statyczne

● Typ wyliczeniowy