ORGANIZACE, ÚVOD DO C++, REFERENCE PB161 PROGRAMOVÁNÍ V JAZYCE C++ Nikola Beneš 20. února 2024 There are only two kinds of languages: the ones people complain about and the ones nobody uses. (Bjarne Stroustrup) https://www.stroustrup.com/quotes.html 1 CÍLE PŘEDMĚTU • ukázat základní prvky C++ • moderní C++ podle standardu C++20 • podpořit praktické programátorské schopnosti • intenzivním programováním • s důrazem na kvalitu kódu 2 ORGANIZACE PŘEDMĚTU Hlavní studijní materiál: Učební text • organizační informace (kapitola A) • sbírka příkladů • blokové větší úkoly Cvičení • přípravné příklady (typ p) – vyřešit do soboty před cvičením • rozšířené příklady (typ r) – řešeny na cvičeních (body za aktivitu) Komunikace • diskuse na cvičení, přednášce • diskusní fórum v ISu Bodování, hodnocení • přečtěte si organizační informace! 3 DOKUMENTACE http://cppreference.com 4 NÁSTROJE Překladač – GCC (verze 10 a vyšší) • binárka g++, nikoli gcc • použití: g++ -std=c++20 -Wall -Wextra soubor.cpp • vytvoří binárku a.out (možno změnit pomocí -o jméno_binárky) • -Wall -Wextra zapínají varování překladače • alternativně můžete použít clang++ dostatečně nové verze Statická analýza – clang-tidy • (balík clang nebo llvm) • odhalování podezřelých konstrukcí / potenciálních chyb • „varování navíc“ • použití: clang-tidy soubor.cpp -- -std=c++20 • vyžaduje konfigurační soubor .clang-tidy 5 NÁSTROJE Analýza programu za běhu – valgrind • odhalování různých problémů (zejména správy paměti) • použití neinicializované paměti • čtení/zápis mimo alokovanou paměť • únik paměti (memory leak) • použití valgrind --leak-check=full cesta_k/binárce Nástroje na serveru aisa • module add gcc-13.1; module add llvm-16.0.6 • příklady ve sbírce obsahují makefile • stačí použít make • řešení se zkompiluje, zkontroluje pomocí clang-tidy a spustí pod valgrindem 6 PLÁN SEMESTRU Blok 1 • základy syntaxe a sémantiky C++ • životní cyklus a vlastnictví • složené typy, metody a operátory Blok 2 • práce s pamětí a zdroji, ukazatele, princip RAII • realizace OOP v C++, výjimky • anonymní funkce, lexikální uzávěry (lambdy) Blok 3 • součtové typy • knihovna algoritmů • práce s řetězci, vstup a výstup 7 PŘEDPOKLADY Základní schopnost programování a algoritmizace • na úrovni kurzů IB111, IB002 Základní znalost nízkoúrovňového programování • na úrovni kurzu PB071 • povědomí o paměti, zásobník vs. halda Znalost základů OOP a principů programovacích jazyků • na úrovni kurzu PB006 • volání hodnotou vs. volání odkazem • časná vs. pozdní vazba (virtuální metody) 8 PROGRAMOVACÍ JAZYK C++ HISTORIE A VÝVOJ 1978 C K&R C with Classes B. Stroustrup 1979 C++ 1983 ISO C++98 1998 ISO C++03 2003 ISO C++11 2011 ISO C++14 2014 ISO C++17 2017 ISO C++20 2020 ISO C++23 2023 1989 ISO C89 1999 ISO C99 2011 ISO C11 2017 ISO C17 2023 ISO C23 9 CHARAKTERISTIKA C++ • imperativní, staticky typovaný jazyk • objektově-orientovaný; hodnotová sémantika • s funkcionálními prvky • podporuje generické programování a metaprogramování • částečně zpětně kompatibilní s C • rozsáhlá standardní knihovna • nové standardy přinášejí významné změny malloc free new delete unique_ptr 10 CHARAKTERISTIKA C++ • přímý vztah kódu a hardware • abstrakce, které (téměř) nic nestojí https://twitter.com/timur_audio/status/1227282748685115393 • neplatíte za to, co nepoužíváte • co používáte, je alespoň tak rychlé, jako co byste napsali sami https://en.cppreference.com/w/cpp/language/Zero- overhead_principle https://isocpp.org/wiki/faq 11 CHARAKTERISTIKA C++ • vysoká rychlost kódu • rozsáhlé možnosti metaprogramování (tvorba abstrakcí) • RAII (deterministická správa zdrojů) • jiný pohled na sémantiku objektů • ve srovnání s většinou v současnosti populárních jazyků • vhodné pro • větší projekty • systémové aplikace • rychlou grafiku • embedded zařízení 12 PRVNÍ PROGRAM #include #include int main() { std::cout << "What is your name? "; std::string name; std::cin >> name; /* try instead: */ // std::getline(std::cin, name); std::cout << "Hello, " << name << "!\n"; } Poznámka: O typu std::string a vstupu/výstupu bude řeč později. 13 hello.cpp ZÁKLADY SYNTAXE Použití hlavičkových souborů • #include • <...> hledá mezi systémovými soubory, "..." lokálně • čistě textové vložení • standard C++20 obsahuje moduly, ale podpora je zatím slabá • soubory ze standardní knihovny nemají příponu • vlastní hlavičkové soubory: typicky .h, .hpp, .hh apod. 14 ZÁKLADY SYNTAXE Podprogramy (funkce) • hlavička funkce: typ jméno_funkce(formální argumenty) • typ void pro funkce, které nic nevrací • seznam argumentů ve tvaru typ jméno • tělo funkce – blok příkazů • vrácení hodnoty z funkce – příkaz return int clamp(int value, int low, int high) { return value < low ? low : value > high ? high : value; } Funkce main – speciální, stejně jako v C 15 fun.cpp JEDNODUCHÉ TYPY Pravdivostní hodnoty – bool • literály true, false Celočíselné typy • int • základní typ pro celá čísla • znaménkový typ, rozsah dle platformy • (různé modifikátory: unsigned, long atd.) • std::size_t • neznaménkový knihovní typ pro velikosti objektů, polí apod. • hlavičkový soubor (nebo jiné, viz dokumentaci…) • std::int8_t, std::uint8_t, std::int16_t, … • knihovní typy pro celá čísla s konkrétní bitovou šířkou • předpona u – neznaménkový typ • hlavičkový soubor 16 JEDNODUCHÉ TYPY Celočíselné literály • zapsané desítkově: 42, 17, … • zapsané osmičkově: 052, 021, … • zapsané šestnáctkově: 0x2a, 0x11, … • zapsané dvojkově: 0b101010, 0b10001, … • typ je int nebo vyšší, pokud je hodnota mimo rozsah • suffix u znamená neznaménkový typ (modifikátor unsigned) • (suffix zu pro std::size_t až od C++23) 17 JEDNODUCHÉ TYPY Čísla s plovoucí řádovou čárkou (floating-point) • double • běžně používaný typ pro floating-point čísla • formát IEEE-754 binary64 (pokud to platforma podporuje) • float (binary32), long double (dle platformy) • literály s desetinnou tečkou: 3.14, 1.0, … • implicitně typu double • jiné typy pomocí suffixů f nebo l Znaky • char (typicky jednobajtový) • char32_t (UTF-32 codepoint) a jiné; více o nich později • literály v apostrofech: 'a', '\n', … 18 TYPOVÉ KONVERZE Implicitní • mezi různými číselnými typy • konverze na bool – nula na false, ostatní na true Explicitní • static_cast(výraz) • základní konverze, většinou bezpečná • (typ) výraz (možná znáte z C) • vždy nebezpečné, nepoužívejte • varování -Wold-style-cast • typ(výraz) • stejný význam jako výše, jen pro „jednoslovné“ typy • považujeme za OK pro číselné typy, char, bool, (volání konstruktoru); jinak nepoužívejte více o typových konverzích později 19 PROMĚNNÉ, INICIALIZACE Deklarace (hodnotové) proměnné • bez inicializace: typ jméno; • u jednoduchých typů – neinicializovaná (lokální) proměnná • (u složených typů záleží na konstruktoru, viz později) • s inicializací: typ jméno = výraz; • tohle není přiřazení • vícenásobná deklarace: jména oddělená čárkami Rozsah platnosti proměnné (scope) • lokální proměnné: od místa deklarace do konce akt. bloku • deklarace uvnitř některých příkazů (za chvíli): do konce příkazu • parametry funkce: od hlavičky do konce těla funkce • globální proměnné: od místa deklarace do konce souboru • (jmenné prostory, třídy, …) • hledání jména (lookup): od vnitřních rozsahů k vnějším 20 scope.cpp VÝRAZY, PŘIŘAZENÍ Výrazy • literály, proměnné • volání funkcí (skutečné parametry jsou výrazy) • aplikace operátorů (operandy jsou výrazy) • … • výraz zakončený ; je jednoduchý příkaz Přiřazení • = je operátor • a = b je výraz • vrací referenci na a (viz dále) • vedlejší efekt: modifikuje a • a musí být modifikovatelná l-hodnota • proměnná, položka složeného datového typu, … 21 PODMÍNKOVÉ PŘÍKAZY Příkaz if • if (podmínka) příkaz • podmínka může být i deklarace • volitelně následováno else příkaz • od C++17 varianta if (inicializace; podmínka) • buď deklarace nebo jednoduchý příkaz • rozsah deklarovaných proměnných – do konce příkazu if • včetně případných else větví if (int x = answer(); x < 10) { std::cout << "small " << x << '\n'; } else { std::cout << "large " << x << '\n'; } 22 if.cpp PODMÍNKOVÉ PŘÍKAZY Příkaz switch • switch (výraz) příkaz • výraz může být i deklarace • příkaz je typicky blok • od C++17 varianta switch (inicializace; výraz) • jako u if • uvnitř příkazu návěští case konstanta:, default • vykonávání programu skočí na odpovídající case nebo default, pokud žádný není • dále se pokračuje v bloku bez ohledu na návěští • opuštění příkazu switch pomocí break • rozsah deklarovaných proměnných – do konce příkazu switch 23 PŘÍKAZY CYKLU Příkaz while • while (podmínka) příkaz • podmínka může být i deklarace • rozsah deklarovaných proměnných – do konce příkazu while • podmínka se testuje vždy před vykonáním příkazu • má-li hodnotu false, cyklus se ukončí Příkaz do while • do příkaz while (podmínka); • podmínka nesmí být deklarace • podmínka se vyhodnocuje vždy po vykonání příkazu 24 while.cpp PŘÍKAZY CYKLU Příkaz for obecný • for (inicializace; podmínka; iterace) příkaz • inicializace je deklarace nebo výraz • iterace je libovolný výraz • sémantika: { inicializace; while (podmínka) { příkaz iterace; } } Příkaz for po prvcích (range-based) – uvidíme příště 25 PŘÍKAZY CYKLU Příkaz break • ukončí aktuální cyklus (nebo příkaz switch) Příkaz continue • skočí na konec těla cyklu • v cyklu for se tedy po skoku ještě provede iterace for (int i = 0; i < 10; ++i) { if (i == 3) continue; std::cout << i << '\n'; } 26 for.cpp HODNOTOVÁ SÉMANTIKA, REFERENCE A CONST & HODNOTOVÁ SÉMANTIKA Jazyk C++ Přiřazení mění hodnotu int a, b; a = 1; a = 2; b = a; a 1 b a 2 b a 2 b 2 Jazyk Python Přiřazení přesměruje odkaz a = 1 a = 2 b = a a 1 a 1 2 a b 1 2 27 HODNOTOVÁ SÉMANTIKA Vazba proměnné na hodnotu • vazba proměnné na hodnotu („místo v paměti“) je fixní • po dobu existence proměnné • nemůžeme „přesměrovat“ proměnnou jinam • hodnota se vytváří inicializací • přiřazení hodnotu přímo mění • inicializace i přiřazení tedy vytvářejí kopie Volání funkcí • hodnoty předaných výrazů se použijí pro inicializaci parametrů 28 VOLÁNÍ FUNKCÍ Volání hodnotou (call by value) • hodnota skutečného argumentu funkce se uloží do parametru (formálního argumentu funkce) – jde o kopii hodnoty • modifikace parametru se navenek nijak neprojeví • (jediný způsob volání funkcí v C) Volání odkazem (call by reference) • skutečný argument musí být l-hodnota • „to, co může stát vlevo u přiřazení“ • proměnná, položka složeného datového typu, … • parametr je svázán přímo s hodnotou skutečného argumentu • modifikace parametru přímo mění hodnotu předané entity • (v C můžeme simulovat pomocí ukazatelů) • v C++ k tomuto účelu používáme tzv. reference 29 REFERENCE Deklarace nového jména pro existující hodnotu • typ& jméno = výraz • výraz musí být l-hodnota1 (proměnná, položka složeného typu, …) • alias, jiné jméno pro stejnou věc int a = 1; int b = 2; int& ref = a; // whatever happens to ref, happens to a ref = b; ref += 7; • reference (typ&) můžeme předávat do funkcí a vracet z funkcí • reference vrácená z funkce je l-hodnota 1 pokud typ nemá kvalifikátor const, viz dále 30 ref1.cpp PŘEDÁVÁNÍ PARAMETRŮ HODNOTOU VS. REFERENCÍ void by_val(int x) { x += 4; } void by_ref(int& x) { x += 4; } int main() { int a = 38; by_val(a); std::cout << a << '\n'; by_ref(a); std::cout << a << '\n'; } 31 ref2.cpp REFERENCE Na co si dát pozor? • reference neřeší problém životnosti • nedržet referenci na objekt, který přestal existovat • dangling reference • nevracet z funkce referenci na lokální proměnnou nebo hodnotový parametr int& bad() { int x = 1; return x; } int& also_bad(int x) { return x; } int& good(int& x) { return x; } int& also_good(int& x) { int& y = x; return y; } 32 ref3.cpp NEMODIFIKOVATELNOST Klíčové slovo const • deklaruje záměr neměnit hodnotu (read-only) • použití s hodnotovými proměnnými – deklarace konstant • globálních i lokálních const int answer = 42; int main() { for (int i = 0; i < 10; ++i) { const int m = i * answer + 10; std::cout << m << '\n'; } } 33 const.cpp NEMODIFIKOVATELNOST Použití s referencemi • const typ& • deklaruje záměr neměnit hodnotu skrze tuto referenci • tj. reference jen pro čtení • (může se vázat i k hodnotám, které nejsou l-hodnoty) int a = 1; int& ref = a; const int& cref = a; • použití při volání funkcí • nevytváříme kopii • vhodné pro předávání větších objektů (složených typů) • nedává smysl pro jednoduché hodnoty a jiné malé objekty • uvidíme příště 34 ref4.cpp AUTOMATICKÁ DEDUKCE TYPU AUTOMATICKÁ DEDUKCE TYPU Klíčové slovo auto • smíme použít místo typu v místě deklarace • od C++14 i jako návratový typ funkcí • od C++20 i pro parametry funkcí • generické funkce • skutečný typ dedukuje kompilátor • podle inicializace • podle výrazu za return • podle místa volání • samotné auto znamená vždy hodnotu, ne referenci • auto& znamená referenci • const auto& znamená konstantní referenci 35 auto.cpp AUTOMATICKÁ DEDUKCE TYPU Klíčové slovo decltype • chceme-li deklarovat proměnnou stejného typu jako jiná proměnná nebo výraz • použití zejména v generických funkcích auto slow_pow(auto num, int exp) { decltype(num) result = 1; for (; exp > 0; --exp) { result *= num; } return result; } 36 auto.cpp NESPECIFIKOVANÉ A NEDEFINOVANÉ CHOVÁNÍ CHOVÁNÍ ZÁVISLÉ NA IMPLEMENTACI Implementačně závislé chování (implementation-defined behaviour) • závisí na konkrétní implementaci překladače • jeho efekt musí být dokumentován • příklad: počet bitů v bajtu, velikosti číselných typů, … Nespecifikované chování (unspecified behaviour) • závisí na konkrétní implementaci překladače • jeho efekt nemusí být dokumentován • příklad: pořadí vyhodnocování skutečných argumentů funkce Standard definuje meze, v nichž se chování implementace pohybuje. Na konkrétní implementaci není vhodné se spoléhat. 37 NEDEFINOVANÉ CHOVÁNÍ – UNDEFINED BEHAVIOUR https://en.cppreference.com/w/cpp/language/ub • efekt může být úplně libovolný • překladač smí předpokládat, že takové chování nenastává • to umožňuje některé optimalizace • souvisí se zero-overhead principle • příklady: • indexace mimo hranice pole • přístup do uvolněné paměti • čtení z neinicializované proměnné • použití reference na již neexistující hodnotu • nekonečný cyklus bez vedlejších efektů • přetečení u znaménkových typů • porušení vstupní podmínky funkce standardní knihovny Program, který obsahuje nedefinované chování, je vždy nekorektní. 38 TESTOVÁNÍ TESTOVÁNÍ Programy obsahují chyby • je to tak Testování programů • důležitá součást vývoje • různé úrovně testování • unit testing – testování malých jednotek kódu Nástroje pro unit testing • v základu si vystačíme bez nich • velká řada různých frameworků • např. https://github.com/catchorg/Catch2 39 OVĚŘENÍ PLATNOSTI TVRZENÍ Makro assert • hlavičkový soubor • assert(podmínka) • tvrzení, že v tomto místě programu podmínka platí • použití: • pro jednoduché testování • formulace vstupních / výstupních podmínek • jiná pomocná tvrzení (invarianty cyklů, …) • při neplatnosti podmínky program selže • při kompilaci v režimu „debug“ (implicitně) Poznámka: Znaky čárka , uvnitř podmínky musí být chráněny závorkami. (Příklad uvidíme někdy později.) 40 PŘÍKLAD POUŽITÍ assert auto digit_sum(auto num, auto base) { // preconditions assert(num >= 0 && base >= 2); /* ... */ } int main() { assert(digit_sum(42, 10) == 6); assert(digit_sum(1337, 10) == 14); assert(digit_sum(1337, 2) == 6); assert(digit_sum(1330, 11) == 30); } 41 test_example.cpp Program testing can be a very effective way to show the presence of bugs, but is hopelessly inadequate for showing their absence. (Edsger W. Dijkstra) 42