Übungen zum C++-Kurs
Schnelleinstieg in die imperative Programmierung mit C++

Hilfen zur Programmierumgebung

• Emacs-Tastatur-Kurzreferenz

Literatur

Bjarne Stroustrup, “The C++ Programming Language”, Third Edition, Addison-Wesley, ISBN 0-201-88954-4.

Dieses Buch gibt es auch auf Deutsch und sollte in der Fachbereichsbibliothek verfügbar sein. Die meisten Beispiele in der Vorlesung und in den Übungen sind schamlos daraus abgekupfert. Auf Deutsch ist eine vierte Auflage erhältlich, die ich aber nicht kenne.

Nicolai M. Josuttis, “The C++ Standard Library. A Tutorial And Reference”, Addison-Wesley, ISBN 0-201-37926-0.

Die Standard C++-Bibliothek hält umfangreiche Funktionen bereit, die viele Aufgaben übernehmen kann. Gleichzeitig ist diese Bibliothek eines sehr komplexes Software-Werkzeug. Um effektiv mit der Bibliothek umzugehen, brauchen Sie ein Tutorial und eine Referenz. Das Buch von Josuttis bietet beides.

Eine vollständige Referenz für den C++-Sprachstandard, zusammen mit Erläuterungen, finden Sie in

Margaret Ellis, Bjarne Stroustrup, “The Annotated C++ Reference Manual”, ISBN 0-201-51459-1.

Warnung! Nichts für Anfänger!

Hier noch eine Online-Referenz zur Standard Template-Library

Bemerkungen

Sie sollten immer genügend Stoff zum Üben hier vorfinden. Wenn Sie nicht alle Aufgaben lösen können, verfallen Sie nicht in Panik. Sind die Schwierigkeiten fachlicher Natur? Dann lesen Sie die Folien nochmal. Wenn Sie die Aufgabe immer noch nicht verstehen, fragen Sie unsere Bremser. Haben Sie Schwierigkeiten mit dem Compiler? Fragen Sie Ihre Kommilitonen und/oder unsere Bremser.

Von Zeit zu Zeit werden neue Übungen in die Abschnitte eingefügt. Schauen Sie also ruhig mal bereits bekannte Abschnitte durch, vielleicht finden Sie ja eine neue Aufgabe. Wenn Sie sich nicht erinnern können, die Aufgabe bereits gelöst zu haben, sollten Sie sie vielleicht einfach (noch einmal) versuchen.

Übungen

Beherrschung der Programmierumgebung

Aufgabe 1 (2003-04-28)

#include <iostream>

int main(int argc, const char *argv) {
  int sum;
  int a;
  int b;

  std::cout << "Please enter a and b: ";
  std::cin >> a >> b;
  sum = a*b;
  std::cout << "The sum of " << a << " and " << b << " is "
            << sum << std::endl;
  return 0;
}

• Das Programm hat einen Fehler (den Sie sicherlich herausfinden, wenn Sie das Programm übersetzen und einige Male ausführen). Korrigieren Sie ihn.
• Das Semikolon ist ein unscheinbares Zeichen. Was passiert, wenn Sie es mal weglassen?
• Was passiert, wenn Sie “std::” weglassen?
• Was passiert, wenn Sie “<< std::endl” weglassen?
• Geben Sie Unsinn ein, wenn Sie zur Eingabe aufgefordert werden. Versuchen Sie es mal mit Kommazahlen oder mit Text.
• Ersetzen Sie die Deklarationen von a und b durch Deklarationen mit Initialisierung:

    int a = 0;
    int b = 0;
  

  Geben Sie erneut Unsinn ein. Passiert jetzt etwas anderes?
• Ersetzen Sie in den Deklarationen von a, b und sum das “int” durch “double”. Geben Sie jetzt Kommazahlen und Ganzzahlen ein.
• Versuchen Sie statt * verschiedene andere Operatoren: /, %, &, |
(Hinweis: Fügen Sie für die letzten zwei Aufgabenteile die Zeile “std::cout.setf(std::ios::hex, std::ios::basefield);” vor der ersten Benutzung von std::cout ein.)
• Versuchen Sie mal, ob Sie das Programm zum Ablauf bekommen, wenn Sie statt * den Operator < nehmen (Hinweis: Wenn Sie den Datentyp von sum entsprechend abändern, geht das. Dann ist natürlich sum kein passender Name mehr...)
• Versuchen Sie mit dem GNU C++-Compiler mal folgendes: “g++ -E Ex1.cc -o Ex1.i”. Schauen Sie danach mal in die neu entstandene Datei “Ex1.i”. Finden Sie Ihren eigenen Code noch wieder? Wo kommt der ganze Rest her?
• Wenn Sie Schwierigkeiten mit der vorangegangenen Aufgabe haben: Erzeugen Sie eine Datei “Ex2.h”, in die Sie folgendes schreiben:

  int i;
  

  Dann erzeugen Sie eine Datei “Ex2.cc”, in die Sie folgendes schreiben:

  #include "Ex2.h"
  
  int main(int argc, const char *argv[]) {
    i = 3;
  }
  

  Dann tippen Sie “g++ -E Ex2.cc -o Ex2.i” und schauen mal, was nun in Ex2.i steht. Ahnen Sie nun, was “#include” macht?

Typen und Deklarationen

Aufgabe 1 (2003-04-28)

Verifizieren Sie, ob die angegeben Größen den in der Vorlesung angegebenen Ungleichungen genügen. (Siehe dazu die Folien.)

#include <iostream>

int main(int argc, const char *argv) {
  std::cout << "Size of int: " << sizeof(int) << std::endl;
}

Aufgabe 2 (2003-04-28)

Aufgabe 3 (2003-04-28)

Sind die gewonnenen Erkenntnisse auf float, double und long double übertragbar?

Aufgabe 4 (2003-04-28)

Aufgabe 5 (2003-04-28)

Lösen Sie diese Aufgabe einmal für alle standardkonformen Implementierungen. Versuchen Sie auch, die Grenzen Ihrer besonderen Implementierung von C++ ausfindig zu machen und die Aufgabe für diesen besonderen Fall (der nicht unbedingt standardkonform sein muß!) zu lösen.

Nutzen Sie dafür Ihre Erkenntnisse aus den Aufgaben 1 bis 3.

Aufgabe 6 (2003-05-07)

union FloatDouble {
  float f;
  double d;
};

1. Finden Sie sizeof(double) heraus
2. Schreiben Sie eine union, bei der Sie einen double mit einem Array von unsigned char passender Größe überlagern
3. Schreiben Sie eine Funktion, mit der Sie das Array in hexadezimaler oder binärer Schreibweise ausgeben können
4. Benutzen Sie diese Funktion, um die binäre Repräsentation einfacher double-Werte (z.B. 0.0, 1.0, 2.0, 1024.0, 0.5, 0.25, 0.3125) herauszufinden

Bonusaufgabe: Auf Intel-CPUs entspricht die Darstellung von Floating-Point-Werten dem IEEE-Standard 754. Lokalisieren Sie den Text des Standards oder ein vergleichbares Dokument) und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse (Hinweis: Die Darstellung von Floating-Point-Werten gehorcht in Java per Definition diesem Standard. Möglicherweise finden Sie also in der Java-Sprachdefinition einige Hinweise.)

Aufgabe 7 (2003-05-07)

Verwenden Sie das Ergebnis aus Aufgabe 9, um herauszufinden, ob Ihre Funktionen idempotent sind, d.h., ob Sie eine Zahl ausgeben und wieder einlesen können, um dasselbe Bitmuster zu erhalten, bzw. ob Sie eine Zahl einlesen und danach ausgeben können, um dieselbe Ausgabe zu erhalten. (Wenn Ihnen das nicht gelingt, versuchen Sie erst mal den Rest der Aufgabe. Wenn Ihnen das auf Anhieb für alle Floating-Point-Werte gelingt, kommen Sie mal beim Lehrstuhl vorbei :-))

Versuchen Sie, den Artikel "How to Print Floating-Point Numbers Accurately" von Guy L. Steele ausfindig zu machen (steht in der Bibliothek...). Bei Steele ist das ganze Problem plötzlich nicht mehr so einfach...

Aufgabe 8 (2003-05-09)

Testen Sie Ihre Funktion mit folgendem Hauptprogramm:

#include <iostream>

enum Direction { down, up };

double sum (float array[], int n, Direction d) {
  // hier kommt Ihr Code hinein
}

int main(int argc, const char *argv[]) {
  const float eps = 1.19209290e-07F;
  float array[] = { eps, eps, 1.0F, 1.0F };
  float sum1 = sum(array, sizeof(array)/sizeof(array[0]), up);
  float sum2 = sum(array, sizeof(array)/sizeof(array[0]), down);

  std::cout.precision(10);

  std::cout << "sum 1 = " << sum1 << ", sum 2 = " << sum2 << std::endl;

  return 0;
}

Bonusfrage 1: Die Zahl eps hat die Eigenschaft, die kleinste positive Zahl mit 1 + eps ≠ eps zu sein. Wieso ist das relevant dafür, daß die Summen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich berechnet werden?

Bonusfrage 2: Wie groß ist der relative Fehler (also der prozentuale Unterschied zwischen den berechneten Lösungen und der korrekten Lösung)?

Bonusfrage 3: Angenommen, alle aufzusummierenden Werte sind größer als Null. Mit welcher Aufsummierungsstrategie bekommt man den relativen Fehler möglichst klein?

Structs

Arrays und Pointer

Aufgabe 1 (2003-04-29)

• Ein Pointer auf ein Zeichen
• Ein Array von 10 Ganzzahlen
• Ein Zeiger auf ein Array von Zeichen

Aufgabe 2 (2003-04-29)

#include <iostream>

int main(int argc, const char *argv[]) {
  int a;
  int b;

  std::cout << "Please enter a and b: ";
  std::cin >> a >> b;
  /* Fill in the code here! */
  std::cout << "After the swap, a = " << a << ", b = " << b << std::endl;
}

Schreiben Sie nun eine Funktion, die zwei Variablen vertauscht. Benutzen Sie dazu folgendes Muster:

#include <iostream>

void swap(int* a, int* b) {
  /* Fill in the code here! */
}

int main(int argc, const char *argv[]) {
  int a;
  int b;

  std::cout << "Please enter a and b: ";
  std::cin >> a >> b;
  /* Fill in the code here, use swap() defined above! */
  std::cout << "After the swap, a = " << a << ", b = " << b << std::endl;
}

Aufgabe 3 (2003-04-29)

char str[] = "a short string";

Funktionen

Aufgabe 1 (2003-04-29)

• Eine Funktion times2, die einen int als Parameter erhält und die das Doppelte des Parameters zurückliefert
• Eine Funktion times2, die einen double als Parameter erhält und die das Doppelte des Parameters zurückliefert. Was passiert, wenn Sie beide Funktionen in derselben Datei definieren?
• Eine Funktion countBits, die einen unsigned long als Parameter erhält und die Anzahl der eins-Bits in der binären Repräsentation dieser Zahle zurückliefert
• Eine Funktion isPowerOf2, die einen unsigned long als Parameter erhält und true liefert, wenn es sich bei dem Parameter um eine Potenz von 2 handelt und false sonst. (Hinweis: Wenn x eine von 0 verschiedene ganze Zahl ist, wie hängen dann die binären Repräsentationen von x und x - 1 zusammen, falls x eine (bzw. keine) Potenz von 2 ist?

Aufgabe 2 (2003-05-05)

• A(0,y) = y+1
• A(x+1,0) = A(x,1)
• A(x+1,y+1) = A(x, A(x+1,y))

Implementieren Sie nicht nur die Rekursion selbst, sondern auch Funktionen, bei denen Sie die Rekursion am Bildschirm verfolgen können, z.B. anhand der Einrücktiefe:

Entering Fib(3)
  Entering Fib(2)
    Entering Fib(1)
    Returning 1
    Entering Fib(0)
    Returning 1
  Returning 2
  Entering Fib(1)
  Returning 1
Returning 3

Aufgabe 3 (2003-05-05)

Aufgabe 4 (2003-05-05)

happy with what you have to be happy with

be 1
happy 2
have 1
to 1
what 1
with 2
you 1

Aufgabe 5 (2003-05-06)

Aufgabe 6 (2003-05-06)

Aufgabe 7 (2003-05-07)

Aufgabe 8 (2003-05-07)

Schreiben Sie ihr Programm so, daß auch negative Zahlen ausgegeben werden können. Welche Probleme treten dabei auf den typischen Zweierkomplementmaschinen auf? (Hinweis: Der Wertebereich eines int ist nicht symmetrisch um 0.)

Templates

Aufgabe 1 (2003-05-09)

Aufgabe 2 (2003-05-09)

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