12 Templates - ZAIK - Universität zu Köln

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Zentrum für Angewandte Informatik Köln
Arbeitsgruppe Faigle / Schrader
Universität zu Köln
12
12.1
Templates
Funktions-Templates
In vielen Fällen ist es sinnvoll, Code der für einen
bestimmten Datentyp entwickelt wurde, auch für andere
Datentypen zu implementieren.
Beispiel (Maximum zweier Zahlen):
Folgender Code ermittelt das Maximum zweier Ganzzahlen:
int max ( int z1, int z2 )
{
if ( z1 < z2 )
return z2;
else
return z1;
}
Um diese Funktion auch für andere Datentypen zugänglich
zu machen, müssen wir für diese auch eigenen Quelltext
schreiben:
double
max (double
z1, double
z2);
unsigned max (unsigned z1, unsigned z2);
bruch
max (bruch
z1, bruch
z2);
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 210
Besser wäre es, diese Funktion mit einem „virtuellen“
Datentyp zu implementieren, der dann bei Bedarf durch einen
real existierenden Datentyp ersetzt wird.
Die Lösung hierfür sind Templates bzw. Schablonen.
• Die Definition einer Template-Funktion beginnt immer
mit dem Schlüsselwort template
• gefolgt von einer in die Zeichen < > eingeschlossenen
Liste von Typ-Platzhaltern.
• Jede Definition eines Typ-Platzhalters besteht aus dem
Schlüsselwort class gefolgt von dem Platzhalter (oft
der Buchstabe T).
Der Platzhalter (T) kann nun überall eingesetzt werden, wenn
der gewünschte Datentyp gemeint ist:
<template T>
T max ( T z1, T z2 )
{
if ( z1 < z2 )
return z2;
else
return z1;
}
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 211
Zugreifen kann man auf diese Funktion dann auf natürliche
weise durch:
int
m1 = max ( 1, 2 );
double m2 = max ( 1.0, 2.0 );
//...
• Der Compiler bestimmt automatisch, welcher Datentyp
für T eingesetzt werden soll.
• Wichtig hierbei ist, daß alle Funktionen und Operatoren,
die innerhalb der Templatefunktion benötigt werden,
auch für den Datentyp implementiert wurden.
• Für Typen die keinen Operator < kennen, läßt sich
natürlich auch nicht das Maximum mit obiger Funktion
bestimmen.
Zusätzlich ist es möglich dem Compiler zu sagen, welcher
Typ gemeint ist, indem man diesen zwischen die Zeichen <>
hinter den Funktionsnamen schreibt:
double m3 = max<char> (12345, 67890);
Dieser Aufruf wandelt die Eingabeparameter 12345 und
67890 in Zahlen vom Typ char um, ruft die entsprechende
max-Funktion auf und wandelt den Rückgabewert dann in
eine double-Zahl um.
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 212
12.2
Klassen-Templates
Analog zu den Funktionen lassen sich auch für
Klassen-Templates definieren:
Beispiel (Matrix):
In Aufgabe 26 wurde eine Matrix-Klasse implementiert,
deren Elemente durch double-Werte dargestellt werden.
Mit einem Klassen-Template kann diese auch für andere
Datentypen genutzt werden:
template <class T>
class Matrix {
private:
T **matrix;
//...
public:
T det () const;
Matrix operator* ( T d ) const;
T& operator() (unsigned n,unsigned m);
//...
};
WS 2001/02
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Seite 213
Es können nun verschiedene Matrizen verwendet werden:
matrix<double> doubleMatrix (4);
matrix<int>
intMatrix (3);
• Die Datentypen müssen hierbei natürlich auch wieder
die von der Klasse Matrix benötigten Operatoren und
Funktionen unterstützen.
• Aus diesem Grund ist es z.B. nicht möglich eine Matrix
vom Typ char* zu erstellen:
matrix<char *> charPtrMatrix (3);
führt zu einem Compilerfehler, da z.B. keine
Multiplikation mit diesem Datentyp möglich ist.
• Bei matrix<double> und matrix<int> handelt es
sich um zwei verschiedene Klassen. Aus diesem Grund
sind Zuweisungen wie doubleMatrix=intMatrix
nicht möglich.
WS 2001/02
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Seite 214
12.3
Templates mit Wertparametern
Neben Typparametern können wir auch sogenannte
Wertparameter innerhalb von Templates festlegen. Eine mit
template <class T, int N = 3>
class Matrix
{
T matrix [N][N];
//...
}
deklarierte Klasse würde neben dem Datentyp auch einen
Wert für N erwarten.
• Wird kein Parameter angegeben, so wird auf den
Standartwert 3 zurückgegriffen.
• N wird innerhalb der Klasse als Konstante behandelt und
bestimmt die Größe der Matrix. Diese kann also nicht
mehr Dynamisch geändert werden.
• Matrizen unterschiedlicher Größe haben automatisch
auch unterschiedliche Typen.
• Rechenoperationen, Zuweisungen usw. sind nur noch bei
Matrizen gleicher Größe möglich. Eine entsprechende
Überprüfung ist deshalb nicht mehr nötig.
WS 2001/02
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Seite 215
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Strings
Wir haben schon Zeichenketten als Felder einzelner Zeichen
kennengelernt:
char
char
s2 [
s2 [
*s1 = "Zeichenkette\0";
s2 [15];
0 ] = ’Z’;
1 ] = ’\0’;
Diese Art der Strings wurde von der Sprache C übernommen.
In C++ gibt es eine Klasse, welche den Umgang mit
Zeichenkette erheblich erleichtern.
Die Definition der Klasse string steht im gleichnamigen
Standard-Header und kann mit
#include <string>
in eigene Programme eingebunden werden.
Initialisieren kann man ein string-Objekt durch eine
C-String oder ein anderes string-Objekt.
string s1 ( "Zeichenkette" );
string s2 ( s1 );
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In der Klasse string sind verschiedene Funktionen und
überladene Operatoren enthalten, welche den Umgang
erheblich vereinfacht:
Zuweisungen:
s3 = s2;
s4 = "Zeichenkette";
Verkettung:
s5 = s1 + " " + s2 + "!";
Länge ermitteln:
int len = s2.length ();
Ein- und Ausgabe:
cin >> s6;
cout << s6 << endl;
Zugriff auf einzelne Buchstaben:
s7 [ 1 ] = ’X’;
Vergleich:
if ( s1 == s2 ) ...
else if ( s1 < s2 ) ...
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14
Streams
Wir haben schon eine Möglichkeit kennengelernt Meldungen
an den Benutzer auszugeben und Eingaben von ihm
anzufordern.
Mit den Befehlen
cout << "Geben Sie eine Zahl ein: ";
cin >> zahl;
cout << "Eingabe: " << zahl << endl;
wird der Benutzer aufgefordert, eine Zahl einzugeben,
welche dann direkt wieder ausgegeben wird.
Bei cout und cin handelt es sich um Objekte vom Typ
ostream bzw. istream.
Allgemein laufen alle Ein- und Ausgaben über Streams,
Ströme von Daten von Objekten zu anderen Objekten.
Der Transfer der Daten läuft hierbei über die überladenen
Operatoren << für die Aus- und >> für die Eingabe. Das
Stream-Objekt steht hierbei auf der linken Seite gefolgt von
einem oder mehreren Objekten und Manipulatoren (getrennt
durch die überladenen Operatoren).
WS 2001/02
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Seite 218
14.1
Ein- und Ausgabe über die Konsolen
Für die Ein- und Ausgabe über die Konsole stehen ein
Eingabeobjekt (cin) vom Typ istream und zwei
Ausgabeobjekte (cout und cerr) vom Typ ostream.
Zusätzlich gibt es noch den Objekttyp iostream, welcher
sowohl lesenden (z.B. von Tastatur) als auch schreibenden
Zugriff (auf den Bildschirm) ermöglicht.
Um diese Objekte nutzen zu können, muß die Headerdatei
iostream eingebunden werden.
Die Verwendung haben wir in vielen Beispielen schon
gesehen.
Alle folgenden Stream-Varianten sind (je nachdem ob es sich
um Ein- oder Ausgabestreams handelt) von diesen drei
Klassen abgeleitet.
Bei den Varianten handelt es sich um
• Filestreams (Zugriff auf Dateien) und
• Stringstreams (Zugriff auf Zeichenketten)
Die in den folgenden Folien vorgestellten Techniken lassen
sich auf alle Typen von Streams anwenden.
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Seite 219
14.2
Formatierung
Globale Formatierungen
Mit Hilfe der Methode flags von Streams lässt sich die
Ausgabe abändern. Als Parameter wird ein Zahlenwert
übergeben, welcher (binär kodiert) das gewünschte Format
enthält.
Dieser Parameter kann durch Verknüpfung mehrer
Konstanten mit Hilfe des Operators | gebildet werden.
Die Konstanten werden in der Klasse ios_base definiert
und werden mit ios_base::konstante angesprochen.
Um z.B. alle boolschen als Strings (true und false)
ausgeben zu lassen anstatt 1 und 0, kann man
cout.flags ( ios_base::boolalpha );
aufrufen. Definiert wird die Klasse ios_base in der
Headerdatei <ios>.
Die bisher gesetzten Flags lassen sich ermitteln, indem man
die Methode flags ohne Parameter aufruft.
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 220
Um alle bisher gesetzten Flags beizubehalten und nur ein
neues zu setzen kann der Rückgabewert mit hinzugefügt
werden:
cout.flags(cout.flags()|ios_base::showpos);
Das gleiche Verhalten erzielen wir durch Aufruf der Methode
setf. Das übergebene Flag wird den schon bestehenden
hinzugefügt:
cout.setf ( ios_base::showpos );
Um ein einmal gesetztes Flag wieder zurückzunehmen kann
man auf die Methode unsetf zurückgreifen:
cout.unsetf ( ios_base::showpos );
Die Flags im Überblick:
Flag
Bedeutung
boolalpha
Boolensche Werte ausschreiben
showbase
0 vor oktalen und 0x vor hexadez. Zahlen
showpos
+ vor positiven Zahlen anzeigen
uppercase
Grußbuchstaben bei scientific und showbase
showpoint
Nullen hinter dem Dezimalpunkt anzeigen
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 221
Die vorangegangene Flags werden immer als einziger
Parameter oder als Verknüpfung mit dem Operator | der
Methode setf übergeben
Andere Flags treten jedoch immer zusammen mit einem
Bereichsflag an, um zu kennzeichnen in welchen Kontext
diese stehen.
Um z.B. Zahlen in verschiedenen Zahlensystemen ausgeben
zu lassen muß setf mit einem zweiten Parameter aufgerufen
werden, welcher immer ios_base::basefield lautet.
Eine hexadezimale Ausgabe erhält man mit
cout.setf (ios_base::hex,
ios_base::basefield);
ios_base::basefield muß bei folgenden Flags immer
mit angegeben werden:
WS 2001/02
Flag
Bedeutung
dec
Zahlen dezimal kodieren
hex
Zahlen hexadezimal kodieren
oct
Zahlen oktal kodieren
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Seite 222
Für Gleitkommazahlen kann man folgende Flags in
verbindung mit ios_base::floatfield verwenden:
Flag
Bedeutung
scientific
Wissenschafliche Darst. (z.B. 4.2e-3)
fixed
Festkommadarstellung 0.0042
Zur Ausrichtung der einzelnen Ausgaben kann man in
Verbindung mit ios_base::adjustfield diese Flags
benutzen:
WS 2001/02
Flag
Bedeutung
left
Linksbündig ausrichten
right
Rechtsbündig ausrichten
internal
Am Dezimalpunkt ausrichten
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Seite 223
Manipulatoren
Mit Hilfe der Methoden flags, setf und unsetf können
wir das Verhalten von Streams global beeinflussen.
Meist ist jedoch nur eine Formatierung der als nächstes
auzugebenden Elemente gewünscht.
Um dieses zu erreichen bietet C++ Manipulatoren an, welche
genauso wie Daten mit den Opratoren << und >> an einen
Stream geschickt werden.
Um diese Manipulatoren zu nutzen, muß die Headerdatei
<iomanip> eingebunden werden.
Um z.B. eine Gleitkommazahl mit 4 Ziffern (nicht
Nachkommastellen) auf einer Breite von insgesamt 10
Zeichen auszugeben sind die Manipulatoren setw und
setprecision nötig:
cout <<
<<
<<
<<
setw ( 10 )
setprecision ( 4 )
12.3456789
endl;
liefert die Ausgabe 12.35, welcher 5 Leerzeichen
vorausgehen.
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 224
Den Manipulator endl haben wir in Beispielen schon
kennengelernt. Er fügt einen Zeilenumbruch hinzu. Analog
dazu liefert ends das Zeichen ’\0’, welches einen String
abschließt.
Folgende Manipulatoren sind gleichbedeutend zu den
entsprechenden Flags (s.o.) bzw. deren Negation und werden
ohne Parameter und Klammern an die Streams übergeben:
boolalpha
noboolalpha
showbase
noshowbase
showpoint
noshowpoint
showpos
noshowpos
uppercase
nouppercase
fixed
scientific
internal
left
right
dec
hex
oct
Diese Manipulatoren benötigen einen Parameter:
Manipulator
Funktion
setbase (n)
Zahlen zur Bases n ausgeben
setfill (c)
Füllzeichen c verwenden
setprecision (n)
Insgesamt n Ziffern anzeigen
setw (n)
Gesamtbreite der Ausgabe festlegen
WS 2001/02
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Seite 225
14.3
Weitere Methoden zur Ein- und Ausgabe
Neben den Operatoren << und >> gibt es noch verschiedene
Methoden um Daten an Streams zu übergeben bzw. von
diesen zu erhalten.
So ist es mit den Operatoren z.B. nicht möglich, einzelne
Zeichen oder eine bestimmte Anzahl von Zeichen zu lesen
bzw. zu schreiben, oder eine komplette Zeile zu lesen.
Die wichtigsten Methoden zum Lesen von Daten sind
• get (char& c)
Die erste Variante von get ließt einfach ein Zeichen aus
dem Stream ein und schreibt es in c.
• get (char* c, unsigned n, char t)
Die zweite Variante schreibt solange Zeichen in den
Puffer c bis entweder das zeichen t gefunden wird oder n
Zeichen eingelesen wurden. Wird der Parameter t nicht
mit angegeben wird das Zeilenendezeichen verwendet.
• getline (char* c, unsigned n, char t)
Diese Methode arbeitet genauso wie das vorangegangene
get. Einziger Unterschied ist, daß das Zeichen t nicht in
die Zeichenkette aufgenommen wird.
WS 2001/02
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Seite 226
• read (char* c, unsigned n)
read liest n Zeichen ein und schreibt sie in die
Zeichenkette c. Zeilenenden werden als normale Zeichen
behandelt und in c mit hineingeschrieben.
• ignore (unsigned n, char t)
Die Methode ignore verhält sich wie die Methode
getline. Die eingelesenen Daten werden jedoch nicht
gespeichert und zurückgegeben sondern verworfen.
Bei den Methoden get, getline und read muß darauf
geachtet werden, daß die Zeichenkette auch ausreichend Platz
für die zu lesenden Daten bereitstellt.
Zum Ausgeben von Daten stehen uns die beiden Methoden
• put (char c)
• write (const char* c, unsigned n)
zur Verfügung. put schickt ein Zeichen an den Stream
während write genau n Zeichen schreibt.
Methode zum Schreiben von Zeilen (analog zu getline
und der zweiten get-Variante) sind nicht vorhanden. Sie
können auf einfache Weise mit dem Operator << und dem
Manipulator endl nachgebildet werden.
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 227
14.4
Dateien
Daten lassen sich auch aus Dateien ein- und auslesen. Hierzu
muß ein Objekt vom folgenden Typ angelegt werden:
Datentyp
Verwendung
ifstream
Daten einlesen
ofstream
Daten schreiben
fstream
Daten lesen und schreiben
Die Ein- und Ausgabe erfolgt auf die bekannte Weise:
ofstream os;
ifstream is;
fstream ios;
os << "Ausgabe auf os" << endl;
is >> zahl;
// Hier ist beides Möglich
ios >> zahl; // zuerst schreiben
ios << "und dann lesen";
mit den Streams is, os und ios.
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 228
Um dem Compiler mitzuteilen wie die Datei heißt, kann man
den Namen an den Konstruktor übergeben:
ofstream os ("ausgabe.txt");
ifstream *is;
is = new ifstream ( "eingabe.txt" );
Dies ist jedoch nicht immer möglich. Es kann z.B.
vorkommen, daß man (nacheinander) zwei verschiede
Dateien mit einem Stream öffnen will.
Hierfür haben die Streams eine Methode open. Dieser kann
man genau wie beim Konstruktor einen Dateinamen
übergeben:
ofstream os;
os.open ( "ausgabe.txt" );
Geschlossen wird eine Datei automatisch, wenn das
entsprechende Objekt zerstört wird. Will man dies vorher
erledigen, so kann man dies mit der Methode close tun.
os.close ();
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 229
Dateiattribute
Beim Öffnen kann man einer Datei zusätzlich zum Namen
auch Flags übergeben, um dem Compiler mitzuteilen, wie er
die Datei zu behandeln hat.
Diese werden in der Klasse ios_base festgelegt und
können mit dem Operator | verknüpft und dem Konstruktor
bzw. der Funktion open übergeben werden.
Flag
Bedeutung
in
Datei zum lesen öffnen
out
Datei zum schreiben öffnen
app
Daten an Dateiende anfügen
ate
Öffnen und ans Ende springen
trunc
Datei leeren
Vor jedem Flag muß die Klasse ios_base in der die
Konstanten definiert wurden mit angegeben werden:
// Datei zum lesen öffnen
fstream f1 ( "Datei1", ios_base::in );
// Daten an Datei anhängen
fstream f2("Datei2",ios_base::app);
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 230
Wahlfreier Zugriff
Bisher hatten wir nur die Möglichkeit sequentiell auf Dateien
zuzugreifen, ohne innerhalb der Datei hin- und herzuspringen
um dort gezielt Daten zu lesen oder zu schreiben.
Bei Ausgabestreams kann mit dem Befehl seekp an eine
bestimmte Poition gesprungen werden. Mit
fstream fout ("Datei");
fout seekp ( 10 );
cout << "zehn";
fout seekp ( 100 );
cout << "hundert";
gelangt man auf das 10-te Zeichen innerhalb der Datei,
schreibt dort die Zeichenkette „zehn“ hin, springt dann auf
Zeichen 100 und schreibt da die „hundert“ hinein.
Als zusätzlichen Parameter kann man noch angeben von wo
aus gesprungen werden soll:
WS 2001/02
Parameter
Bezugspunkt
ios_base::beg
Dateianfang
ios_base::end
Dateiende
ios_base::cur
aktuelle Position
Programmierkurs C++
Seite 231
So kann man z.B. mit
fout.seekp (-42, ios\_base::cur)
42 Zeichen zurückgehen und mit
fout.seekp (42, ios\_base::cur)
dann wieder an die alte Stelle zurück. Der Befehl
fout.seekp (1, ios\_base::end)}
läßt den Dateizeiger auf das vorletzte Zeichen innerhalb der
Datei springen.
Mit der Methode tellp kann man die aktuelle Position
innerhalb der Datei herausfinden.
Für Eingabestreams heißen die Methoden seekg und
tellg. Die Funktionsweise ist identisch.
In Streams in denen man sowohl lesen als auch schreiben
kann, werden alle vier Methoden zur Verfügung gestellt und
die beiden Positionen getrennt voneinander verwaltet.
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 232
14.5
Der Status eines Streams
Beim Arbeiten mit Streams können verschiedene Probleme
auftreten. So ist es z.B. möglich, daß eine Zahl eingelesen
werden soll aber nur eine Zeichenkette verfügbar ist.
Aus diesem Grund ist es wichtig, daß man den Zustand eines
Streams vor und nach kritischen Operstionen abfragt.
Hierzu stehen verschiedene Methoden zur Verfügung:
Methode
Rückmeldung
eof
Dateiende erreicht
fail
Datenfehler ohne Datenverlust
bad
Datenfehler mit Datenverlust
good
weder Dateiende noch Datenfehler
Der Erfolg einer Operation kann auch direkt geprüft werden:
if ( cin >> zahl )
cout << "Zahl gelesen";
else
cout << "Fehler beim lesen";
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 233
Beispiel:
Einlesen von Zahlen Es sollen alle Zahlen aus einer Datei
eingelesen und ausgegeben werden. Unser erster Versuch
while ( infile >> zahl ) cout << zahl;
bricht jedoch ab, wenn z.B. Buchstaben verwendet werden.
Der zweite Versuch
while ( true )
if ( infile >> zahl )
cout << "=> " << zahl << endl;
führt zu einer Endlosschleife, da der Buchstabe den
Eingabestream „verstopft“. Erst die dritte Variante
while ( true )
if ( infile >> zahl ) cout << zahl;
else if ( ! infile.eof () )
{
infile.clear ();
infile.ignore ();
}
else break;
welche mit Hilfe der Methoden clear und ignore den
Status des Streams zurücksetzt und das fehlerhafte Zeichen
entfernt, führt zum Erfolg.
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 234
14.6
Stringstreams
Oft ist es nötig, Daten aus Strings genau so wie mit Streams
auszulesen bzw. einen String auf diese Weise zu erzeugen:
• Unterteilen einer Zeichenkette in Wörter
• Umwandeln von Zahlen in Zeichenketten und umgekehrt
• Formatierte Zeichenkette erzeugen
Die benötigten Klassen lauten istringstream,
ostringstream und stringstream. Den
Konstruktoren dieser Klassen kann man einen Variable vom
Typ string übergeben mit denen sie initialisiert werden.
Mit den für die übrigen Streams beschriebenen Funktionen
lassen sich Daten in die Streams hineinschreiben und wieder
auslesen.
Die aktuelle Zeichenkette kann mit der Methode str
ermittelt werden.
istringstream is ( "4711 42 1 2 3 4 5" );
int zahl;
while (is >> zahl) cout << zahl << endl;
ostringstream os ( "letzte zahl=" )
os << zahl;
cout << os.str () << endl;
WS 2001/02
Programmierkurs C++
Seite 235

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