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Lezione 1: ripasso di C ed introduzione al C++, parte 1

Indice

• 1.1 Introduzione
  • 1.1.1 linguaggio di programmazione e linguaggio macchina
  • 1.1.2 linguaggi intepretati o compilati
  • 1.1.3 C e C++
• 1.2 Un primo programma
  • 1.2.1 il codice sorgente
  • 1.2.2 uno scheletro vuoto
  • 1.2.3 la prima compilazione
  • 1.2.4 scrivere a schermo
  • 1.2.5 il lavoro del compilatore
  • 1.2.6 parametri passati a linea di comando
  • 1.2.7 parametri chiesti all'utente del programma
• 1.3 Le variabili
  • 1.3.1 la loro inizializzazione
  • 1.3.2 l'attributo const
  • 1.3.3 gli array di variabili
  • 1.3.4 gli indici degli array
  • 1.3.5 la definizione di un array mediante il suo contenuto
  • 1.3.6 il casting fra diversi tipi in C
  • 1.3.7 il casting in C++
• 1.4 Gli operatori
  • 1.4.1 l'operatore di assegnazione
  • 1.4.2 operatori aritmetici
  • 1.4.3 operatori aritmetici composti con assegnazione
  • 1.4.4 operatori di incremento
  • 1.4.5 pre-incremento e post-incremento
  • 1.4.6 operatori relazionali
  • 1.4.7 operatori logici
  • 1.4.8 le precedenze fra operatori
• 1.5 Le strutture di controllo
  • 1.5.1 gli scope
  • 1.5.2 if ... else
  • 1.5.3 switch
  • 1.5.4 il ciclo for
  • 1.5.5 il ciclo while
  • 1.5.6 il ciclo do ... while
  • 1.5.7 l'interruzione di un ciclo
• 1.6 Le funzioni
  • 1.6.1 un primo esempio
  • 1.6.2 funzioni senza tipo di ritorno
  • 1.6.3 funzioni ed omonimia
  • 1.6.4 il prototipo di una funzione e la sua implementazione
  • 1.6.5 valori di default degli argomenti di una funzione
  • 1.6.6 l'esportazione delle funzioni in librerie
  • 1.6.7 il file libreria.h
  • 1.6.8 il file libreria.cc
  • 1.6.9 il file main.cpp
  • 1.6.10 librerie in C++
  • 1.6.11 le funzioni inline
  • 1.6.12 funzioni matematiche
  • 1.6.13 un esempio: radice quadrata ed elevamento a potenza
  • 1.6.14 accesso all'orologio del computer
  • 1.6.15 un test di performance
• 1.7 Direttive al preprocessore
  • 1.7.1 la direttiva #include
  • 1.7.2 variabili del preprocessore
  • 1.7.3 le macro del preprocessore
• 1.8 La scrittura del proprio programma
  • 1.8.1 la nomenclatura di variabili e funzioni
  • 1.8.2 la dimensione degli scope
  • 1.8.3 l'utilizzo dei commenti nel codice sorgente
  • 1.8.4 l'indentazione del codice sorgente
  • 1.8.5 la fattorizzazione di un programma
  • 1.8.6 dettagli
  • 1.8.7 unit testing
• 1.9 Le opzioni di compilazione
  • 1.9.1 il caso di librerie non di default
• 1.10 Gli errori di compilazione
• 1.11 ESERCIZI

1.1 Introduzione

1.1.1 linguaggio di programmazione e linguaggio macchina

• le istruzioni che un calcolatore segue per eserguire i compiti assegnati sono scritte in linguaggio macchina, che non è umanamente intelleggibile
• i linguaggi di programmazione sono gli strumenti di scrittura umana delle istruzioni per il calcolatore
• la traduzione delle istruzioni scritte in linguaggi di programmazione in istruzioni per il calcolatore è effettuata da appositi programmi
• l'esecuzione di un programma corrisponde al momento in cui il calcolatore segue le istruzioni impartite

1.1.2 linguaggi intepretati o compilati

• esistono due grandi categorie di linguaggi di programmazione:

linguaggi interpretati

• la traduzione del programma avviene automaticamente durante la sua esecuzione
• le istruzioni sono lette e tradotte riga per riga, quindi spesso il programmatore può scrivere la riga successiva dopo aver osservato il risultato dell'istruzione precedente
• il programma è in generale lento, perché la traduzione contestuale non è ottimizzata
• python è un linguaggio di programmazione interpretato

linguaggi compilati

• la traduzione del programma avviene prima della sua esecuzione, tramite l'invocazione di istruzioni specifiche di compilazione
• il programma va concepito nella sua interezza prima dell'esecuzione
• le istruzioni vengono eseguite velocemente
• C e C++ sono esempi di linguaggi di programmazione compilati

1.1.3 C e C++

• C è un linguaggio di programmazione:
  • imperativo, cioè che impartisce sequenze di istruzioni al calolatore
  • procedurale, cioè che permette di raggruppare istruzioni in procedure
• C++ è un linguaggio di programmazione:
  • che estende il C:
    • un programma C compila anche in C++
    • la sintassi del C è valida anche in C++
    • esistono concetti nuovi nel C++
    • esiste più libertà nel C++
  • object oriented, cioè che permette di definire nuovi tipi di variabili all'interno dei programmi
    • vedremo che si tratta di un cambio di paradigma fondamentale
  • permette la programmazione template, che è una forma di generalizzazione delle istruzioni impartite al calcolatore
    • vedremo che porta alla creazione di molte librerie di utilità generale
• esistono diverse versioni del linguaggio C++: C++98 (che useremo noi), C++03, C++11 (che accenneremo), C++14, C++17

1.2 Un primo programma

1.2.1 il codice sorgente

• la sequenza di istruzioni scritte nel linguaggio di programmazione sono salvate in un file di testo, che è solitamente chiamato codice sorgente
• gli editor di testo dedicati alla programmazione contengono strumenti specifici che permettono di evidenziare la sintassi del codice e talvolta controllarne la grammatica ed ortografia
• oltre alle istruzioni, in un codice sorgente si possono inserire commenti, che sono frasi ignorate durante la compilazione
  • i commenti in C iniziano con /* e terminano con */:

  /* questo è un commento
  */

• ATTENZIONE: i simboli di apertura e chiusura di commenti non funzionano come parentesi
  • scrivere /* /* */ */ non è come scrivere ( ( ) )
• in C++ i commenti possono anche iniziare con // e terminano automaticamente a fine riga:

  // questo è un commento

1.2.2 uno scheletro vuoto

• il programma più semplice e autoconsistente è costituito dalla sequenza di istruzioni relative alla funzione main
• ogni programma deve contenere una ed una sola funzione chiamata main, che viene eseguita dal calcolatore quando il programma viene lanciato
• esistono due versioni della funzione main
  • una senza argomenti che corrisponde al caso in cui il programma sia eseguito da SHELL senza argomenti:

  int main ()
    {
      return 0 ;
    }

  • una con argomenti in ingresso che corrisponde al caso in cui il programma sia eseguito da SHELL con l'aggiuntda di argomenti mediante una frase scritta a linea di comando:

  int main (int arcg, char ** argv)
    {
      return 0 ;
    }

• entrambe le versioni illustrate della funzione main implementano un programma funzionante che, quando viene eseguito, restituisce alla SHELL un numero intero, chiamato exit status
  • per convenzione si sceglie di restituire il numero 0 se tutto è andato bene, mentre un numero non nullo è usato per segnalare che ci sono stati problemi durante l'esecuzione (esistono codici di errori codificati, tuttavia il programmatore ha la libertà di aggiungerne o cambiarli)

suggerimenti

• si consiglia di svolgere tutti gli esercizi presentati in ogni lezione in una cartella dedicata, quindi, dopo aver aperto una SHELL:

  > mkdir Lab2_Modulo1   
  > cd Lab2_Modulo1 
  > mkdir Lezione_01
  > cd Lezione_01
  > touch main_00.cpp
  

  • il comando touch crea un file vuoto, in questo caso con nome main.cpp. Aprite quindi il file con il vostro editor preferito, scrivete il codice e salvate
  • il nome del file che contiene il codice sorgente può essere scelto arbitrariamente. Noi useremo sempre il suffisso .cpp per i codici sorgenti che contengono la funzione main (vedremo che il codice sorgente di un programma può essere spezzato in più file)
• nello scrivere un programma, ogni volta che si apre una parentesi graffa la si chiuda immediatamente, per non dimenticarlo
• non dimenticate le variabili di ritorno delle funzioni, main incluso

1.2.3 la prima compilazione

• create un codice sorgente main.cpp con lo scheletro vuoto descritto al paragrafo precedente
• il sorgente va compilato perché possa essere eseguito dal calcolatore
• per compilare il programma si utilizza il comando c++, chiamato compilatore:

  > c++ -o main_00 main_00.cpp
  

  • l'argomento -o main_00 dice al compilatore di chiamare l'eseguibile con il nome main_00
• per eseguire il programma (nel caso di mainsenza argomenti):

  > ./main_00
  >
  

  • non succede nulla, infatti non ci sono istruzioni all'interno della funzione main
  • l'istruzione return 0 non dice di scrivere a schermo 0, ma di restituire alla SHELL il valore 0 (questo valore può essere intercettato ed utilizzato mediante i comandi di SHELL)

suggerimenti

• includete sempre all'inizio del codice sorgente un commento che contenga il comando di compilazione del programma

1.2.4 scrivere a schermo

• oltre ai comandi fondamentali disponibili di default, il C++ offre insiemi di istruzioni dedicate allo svolgimento di specifici compiti, questi sono incapsulate in librerie (identificate da un nome come iostream, cmath ...)
• bisogna sempre dichiarare al programma che si vuole utilizzare una o più librerie (usando il comando #include <nome-della-libreria>)
• per scrivere a schermo, si utilizza la libreria iostream che gestisce il flusso (stream) di informazione in input (i) ed output (o) durante l'esecuzione del programma:

  #include <iostream>
  
  int main (int arcg, char ** argv)
    {
      std::cout << "42" << std::endl ;
      return 0 ;
    }

  • la linea #include <iostream> dice al compilatore di utilizzare la libreria iostream
    • il compilatore sa dove trovare le librerie standard tramite variabili di ambiente della SHELL
  • la variabile cout (che abbrevia character output) rappresenta lo strumento di output; in questo caso, essendo quello standard (std::) si tratta dello schermo
  • la variabile endl è la fine della linea, essendo quella standard è un accapo
  • il simbolo << rappresenta l'operatore di redirezione, che sposta quello che sta alla propria destra verso sinistra. Quindi in questo caso prima endl viene incollato a 42, quindi l'insieme dei due viene inviato allo schermo.
• l'esecuzione del programma visualizzerà a schermo 42:

  > c++ -o main_01 main_01.cpp
  > ./main_01 
  42
  

1.2.5 il lavoro del compilatore

• la compilazione di un programma di divide in tre fasi

preprocessing

• creazione del programma da compilare:
  • vengono eseguite le direttive date al preprocessore, sono le istruzioni che iniziano con il simbolo #
  • ad esempio, l'istruzione #include <iostream> chiede al preprocessore di copiare al posto della linea stessa tutto il codice sorgente contenuto nella libreria iostream

compilazione

• il compilatore vero e proprio entra in azione in questo stadio ed effettua:
  • controllo sintattico del programma
    • ad esempio, itn invece di int dà errore
  • controllo grammaticale del programma
  • traduzione del codice sorgente in linguaggio macchina
• ogni funzione, creata in linguaggio macchina, diventa un oggetto del compilatore

linking

• in questo ultimo passaggio, vengono connessi i vari oggetti del compilatore
  • nel nostro esempio, la parte pre-compilata delle librerie viene debitamente connessa alle chiamate presenti nella funzione main
• NOTA BENE: gli oggetti del compilatore non hanno a che fare con la programmazione ad oggetti, si tratta di uno sfortunato caso di omonimia

1.2.6 parametri passati a linea di comando

• si possono passare informazioni al programma aggiungendo parametri a linea di comando
• la SHELL passa alla funzione main la frase scritta dall'utente, sotto forma di array di stringhe di tipo C
  • argc è il numero di elementi dell'array
  • argv è l'array stesso

  #include <iostream>
  
  int main (int arcg, char ** argv)
    {
      std::cout << "42" << std::endl ;
      std::cout << "ecco il nome dell'eseguibile: " << argv[0] << "\n" ;
      return 0 ;
    }

1.2.7 parametri chiesti all'utente del programma

• la liberia <iostream> può essere anche utilizzata per leggere informazioni dalla tastiera

  #include <iostream>
  
  int main (int arcg, char ** argv)
    {
      int numero = 0 ;
      std::cout << "inserisci un numero\n" ;
      std::cin >> numero ;
      std::cout << "hai inserito: " << numero << "\n" ;
      return 0 ;
    }

  • la tastiera è identificata da std::cin
  • l'operatore >> trasferisce l'informazione dall'esterno verso il programma:

  > ./main_03 
  inserisci un numero
  4 
  hai inserito: 4
  

1.3 Le variabili

• le informazioni sono manipolate dal programma sotto forma di variabili, che indicano zone di memoria del calcolatore riservate dal programma per la memorizzazione dell'informazione
• diversi tipi di oggetti hanno bisogno di dimensioni differenti di memoria e di un formato diverso di scrittura
• per ogni differente possibilità esiste un tipo associato in C++, che contiene le informazioni di lunghezza e formattazione
• i principali tipi sono i seguenti:

tipo	Keyword	contenuto
Boolean	bool	vero/falso
Character	char	singoli caratteri
Integer	int	numeri interi fra -32768 fino a 32767
Floating point (virgola mobile)	float	numeri razionali
Double floating point	double	numeri razionali
Valueless	void	nessun tipo

1.3.1 la loro inizializzazione

• le variabili si definiscono ed inizializzano utilizzando le keyword indicate in tabella precedente:

  // definizione di due numeri interi
  int num1 = 0 ;
  int num2 = 3 ;
  // somma di due numeri interi
  int somma = num1 + num2 ; 
  std::cout << "Somma: " << somma << std::endl ; 
  // definizione di due numeri razionali
  float razionale1 = 3.1416 ;
  double razionale2 = 1.4142 ; 
  // definizione di un carattere
  char lettera = 'à ;
  // definizione di un valore booleano
  bool condizione = true ;

  • NOTA BENE: le variabili di tipo char sono definite con valori indicati fra apici, non fra virgolette

suggerimenti

• non appena una variabile viene definita, assegnarle sempre un valore, tipicamente optando per una delle seguenti scelte:
  • si assegna un valore di default, che abbia senso nei calcoli a seguire;
  • si assegna un valore palesemte insensato, in modo che se ci si scorda di assegnare il valore corretto alla variabile, il programma non funzioni o dia risultati palesemente insensati;
• definire una variabile per riga, per chiarezza di lettura;
• dare nomi esplicativi alle variabili (e quindi anche sufficientemente lunghi).

1.3.2 l'attributo const

• l'attributo const premesso ad una variabile indica che essa non può cambiare di valore durante l'esecuzione del programma.
• se nel codice sorgente si prova a modificare una variabile dichiarata const, il compilatore si accorge di questo errore di grammatica di programmazione e non compila, restituendo un errore:

  > c++ -o main_05 main_05.cpp
  main_05.cpp:10:12: error: cannot assign to variable 'numerò with const-qualified type 'const int'
      numero = numero + 1 ;
      ~~~~~~ ^
  main_05.cpp:9:15: note: variable 'numerò declared const here
      const int numero = 0 ;
      ~~~~~~~~~~^~~~~~~~~~
  1 error generated.
  

1.3.3 gli array di variabili

• ad una variabile è associata una zona di memoria nella RAM, che è dove il calcolatore scrive la variabile durante le operazioni
• in C++ è possibile definire una zona di memoria estesa, chiamata array, predisposta a contenere un elenco di variabili dello stesso tipo giustapposte in celle di memoria contigue

  // array di 5 numeri interi
  int num_array[5] ;

  • la dimensione dell'array, indicata fra parentesi nella definizione della variabile, non può essere una variabile (nemmeno const), deve essere un numero scritto nel codice sorgente
• le singole celle di memoria sono accessibili tramite l'operatore operator[] applicato al nome della variabile, che si scrive utilizzando le parentesi quadre come nell'esempio che segue:

  num_array[0] = 3 ;
  num_array[1] = 6 ;
  num_array[2] = 9 ;
  num_array[3] = 11 ;
  num_array[4] = 131 ;

1.3.4 gli indici degli array

• gli indici delle celle di memoria di un array lungo N partono a 0 e finiscono ad N-1
• il compilatore non sempre si accorge che gli indici siano in questo intervallo
• qualunque tentativo di leggere una zona di memoria all'esterno di questo intervallo può produrre un errore in fase di compilazione, oppure un comportamento inatteso del programma
  • provate, nel caso dell'array precedente, a includere queste istruzioni nel vostro programma:

  int index = 4 ;
  std::cout << num_array[index + 1] << std::endl ;

• NOTA BENE: si tratta di errori difficili da trovare, bisogna prestare molta attenzione agli indici di lettura degli array

1.3.5 la definizione di un array mediante il suo contenuto

• un array può essere anche definito indicandone esplicitamente la lista degli elementi fra parentesi graffe:

  float float_array[] = {2., 3.14} ;
  std::cout << float_array[0] << std::endl ;
  std::cout << float_array[1] << std::endl ;

1.3.6 il casting fra diversi tipi in C

• il casting in C è la conversione fra diversi tipi di variabili numeriche
• siccome le medesime operazioni fra tipi diversi possono dare risultati differenti (provate a calcolare il valore della frazione 3/5 come rapporto fra due variabili int o come rapporto fra due variabili float), è importante sapere come convertire variabili in maniera esplicita, utilizzando la sintassi (type) numero per convertire la variabile numero nel tipo type:

  int numero_intero = 4 ;
  float numero_razionale = (float) numero_intero ;

1.3.7 il casting in C++

• in C++ l'operazione di casting ha portata più ampia e può essere realizzato con operatori dedicati. Quello con la funzionalità equivalente al type cast delC è:

  float secondo_razionale = static_cast<float> (numero_intero) ;

• NOTA BENE uno dei vantaggi di usare l'espressione C++ del cast è che questo è facilmente rintracciabile nel codice sorgente!

1.4 Gli operatori

• Gli operatori predefiniti in C++ permettono di compiere operazioni fra variabili
• Per ogni tipo di variabile, esistono operatori corrispondenti alle operazioni che si possono fare fra queste variabili
• gli operatori si comportano alla stregua di funzioni, con variabili in ingresso e variabili di ritorno
• tipicamente un operatore agisce su un singolo di tipo, quindi l'applicazione di operatori a più di un tipo implica un casting implicito fatto dal compilatore

1.4.1 l'operatore di assegnazione

• attribuiscono il valore iniziale ad una variabile:

  int numero = 5 ;

  • in questo caso, il tipo in ingresso è un int (la variabile stessa è una sorta di argomento implicito dell'operatore)
  • l'effetto dell'operatore è quello di assegnare alla variabile numero il valore che sta a destra del simbolo =
  • il tipo in uscita è ancora int ed è il valore assegnato alla variabile

  std::cout << (numero = 7) << std::endl ;

  • di conseguenza, le assegnazioni si possono fare in cascata:

  int numero_2 = numero = 7 ;

• anche per l'operatore di assegnazione si realizza il casting implicito:

  float razionale = 5 ;

  • 5 è di tipo int, quindi viene prima convertito in float (5.) e poi passato come argomento all'operatore di assegnazione

1.4.2 operatori aritmetici

• corrispondono alle tipiche operazioni matematiche fra numeri interi o razionali

  float R1 = 5. ;
  float R2 = 5. ;
  float R3 = R1 + R2 ;
  std::cout << R3 << std::endl ;
  R3 = R3 + 4.5 ;
  std::cout << R3 << std::endl ;

1.4.3 operatori aritmetici composti con assegnazione

• gli operatori aritmetici esistono anche composti con l'operatore di assegnazione

  R3 += 2.1 ;
  std::cout << R3 << std::endl ;

• l'operazione precedente è equivalente a equivalente a

   R3 = R3 + 2.1 ;

  operatore	op. composto	operazione
  +	+=	addizione
  -	-=	sottrazione
  *	*=	moltiplicazione
  /	/=	divisione
  %	%=	resto della divisione tra interi

1.4.4 operatori di incremento

• L'incremento o decremento unitario di una variabile si può ottenere anche con operaori dedicati:

  operatore	operazione
  ++	incremento unitario
  --	decremento unitario

• l'operatore agisce direttamente sulla variabile al quale viene applicato, similmente agli operatori composti:

  int num = 5 ;
  ++num ;
  std::cout << num << std::endl ;
  --num ;
  std::cout << num << std::endl ;

1.4.5 pre-incremento e post-incremento

• ciascun operatore esiste in due versioni:
  • pre-incremento o pre-decremento: la variabile a cui viene applicato viene modificata dall'operatore prima dell'esecuzione di eventuali altre operazioni che accadono in quella linea (++num, --num), quindi l'operatore restituisce la variabile stessa
  • post-incremento o post-decremento: la variabile a cui viene applicato viene modificata dall'operatore dopo dell'esecuzione di eventuali altre operazioni che accadono in quella linea (num++, num--)

  int num1 = 5 ;
  std::cout << ++num1 << std::endl ;
  int num2 = 5 ;
  std::cout << num2++ << std::endl ;
  std::cout << num2 << std::endl ;

  • gli operatori di post-incremento e post-decremento creano una copia della variabile alla quale sono applicati, incrementano la variabile e restituiscono la copia (che non è stata incrementata)
  • di conseguenza, gli operatori di post-incremento e post-decremento sono più lenti di quelli di pre-incremento e pre-decremento e richiedono che sia possibile creare una copia della variabile alla quale sono applicati
• gli operatori di incremento vengono tipicamente utilizzati per aumentare o diminuire il valore delle variabili indice dei cicli

1.4.6 operatori relazionali

• gli operatori relazionali confrontano tra loro i valori di due variabili

• prendono in ingresso due variabili e restituiscono un valore booleano che indica se la relazione è soddisfatta o meno

  operatore	operazione
  ==	uguaglianza
  !=	non uguaglianza
  <	minore di
  <=	minore o uguale
  >	maggiore di
  >=	maggiore o uguale

• NOTA BENE: l'operatore di uguaglianza ha due segni = nel nome, perché l'operatore con un solo = assegna il valore di destra alla variabile di sinistra. La confusione tra i due operatori è una frequente sorgente di errori!

1.4.7 operatori logici

• gli operatori logici codificano le relazioni fra variabili booleane:

  operatore	operazione
  &&	and
  ||	or
  !	not

• NOTA BENE: spesso ha luogo casting implicito fra variabili intere e booleane: in questo caso lo 0 risulta falso, mentre ogni altro valore intero risulta vero

1.4.8 le precedenze fra operatori

• se in una singola linea di un codice sorgente vengono effettuate diverse operazioni, il calcolatore le esegue da destra verso sinistra, rispettando l'ordine imposto da eventuali parentesi e una serie di regole di precedenza

• ecco una tabella ridotta alle operazioni più comuni, gli operatori nelle righe più in alto hanno precedenza rispetto a quelli delle righe sottostanti

categorie di priorità
a++, a[]
++a, !
a*b, a/b, a%b
a+b, a-b
<, <=, >, >=
==, !=
&&
```
=, +=, -=, *=, /=, %=

• la lista completa delle precedenze si trova qui

1.5 Le strutture di controllo

• Le strutture di controllo sono il metodo che si utilizza nei linguaggi di programmazione procedurali per gestire il flusso di istruzioni che il calcolatore deve eseguire. Esistono tre tipi di strutture di controllo:
  • sequenza: si tratta della configurazione di default: le istruzioni si susseguono una dopo l'altra
  • selezione: a seconda che una condizione sia o meno soddisfatta, il calcolatore sceglie di eseguire diverse istruzioni
  • ciclo: un insieme di istruzioni viene ripetuto un certo numero di volte, in funzione di un algoritmo che decide quando l'iterazione è terminata

1.5.1 gli scope

• nel codice sorgente diverse istruzioni vengono raggruppate in insiemi chiamati scope, delimitati da parentesi graffe
• le variabili definite all'interno di uno scope rimangono definite solamente fino alla chiusura dello scope e vengono automaticamente rimosse alla chiusura della parentesi graffa
• singole istruzioni all'interno di una struttura di controllo possono essere sostituite da un intero scope

1.5.2 if ... else

• la sequenza if (condizione) {scope} else {scope alternativo} realizza una selezione binaria, nella quale una istruzione o uno scope di istruzioni vengono eseguiti nel caso in cui venga soddisfatta una condizione booleana
• opzionalmente, uno scope alternativo può essere eseguito nel caso in cui la condizione risulti falsa

  int num1 = 5 ;
  if (num1 % 2 == 0) 
    {
      std::cout << num1 << " è pari\n" ;
    }
  else  
    {
      std::cout << num1 << " è dispari\n" ;
    }

1.5.3 switch

• la sequenza switch ... case ... default realizza una selezione fra molte opzioni, basata sul valore di una variabile:

  int num2 = 2 ;
  switch (num2) {
    case 1:
      // blocco di istruzioni
      std::cout << "uno\n" ;
      break;
    case 2:
      // blocco di istruzioni
      std::cout << "due\n" ;
      break;
    default:
      std::cout << "altri numeri\n" ;
      // blocco di istruzioni
  }

• nella struttura di controllo switch (espressione) vengono eseguite le istruzioni che stanno sotto la linea case tale per cui espressione è uguale al valore riportato dopo la parola chiave case
• per evitare che vengano eseguite anche le istruzioni riportate dopo i case seguenti, solitamente si inserisce in ogni blocco di istruzioni il comando break, che interrompe l'esecuzione dello scope
  • la situazione in cui le istruzioni eseguite non siano soltanto quelle del case corrispondente al valore di espressione prende il nome di fallthrough
  • il comando break può essere utilizzato anche per interrompere l'esecuzione di un ciclo
  • la presenza di un break non è obbligatoria
• oltre ai vari case, si può aggiungere un ulteriore caso, che contiene istruzioni da svolgere nell'evenienza in cui nessuno dei case venga soddisfatto, che viene etichettato con la parola chiave default
  • il caso di default non è obbligatorio

1.5.4 il ciclo for

• la struttura di controllo for () è un modo di implementare la struttura di controllo a ciclo, tipicamente nel caso in cui al ciclo sia associato un conteggio

• nella parentesi che segue il comando for sono solitamente riportate tre istruzioni, separati da un punto e virgola:

  • inizializzazione: dove viene inizializzata (e talvolta definita) una variabile che conta il numero di cicli, detta contatore
  • controllo: dove si verifica se il numero di cicli abbia oltrepassato una determinata soglia
  • incremento: dove si incrementa il contatore

    int N = 10 ;
    for (int i = 0 ; i < N ; ++i)
      {
        std::cout << "il doppio di " << i << " vale: " << 2 * i << std::endl ;
      }

  

  • le variabili definite fra parentesi rimangono definite soltanto all'interno dello scope del ciclo
  • l'operazione di controllo viene compiuta prima di effettuare nell'iterazione corrispondente
  • l'operazione di incremento viene compiuta dopo che è stata effettuata l'iterazione corrispondente

• c'è molta libertà nella scrittura di un ciclo for: i tre campi fra parentesi possono anche essere vuoti ed il programma compila

  • utilizzare una scrittura non ortodossa del ciclo for può portare ad errori logici nel programma, che possono condurre a risultati inaffidabili in fase di esecuzione

1.5.5 il ciclo while

• la struttura di controllo while () consente di implementare un ciclo fintanto che una condizione risulta vera
• nella parentesi che segue l'istruzione while è codificata un'affermazione da verificare (condizione); se l'affermazione è vera (condizione soddisfatta), lo scope del ciclo viene effettuato

  int N = 10 ;
  int i = 0 ;
  while (i < N)
    {
      std::cout << "il doppio di " << i << " vale: " << 2 * i << std::endl ;
      ++i ;
    }

  
  • il controllo sulla condizione viene effettuato prima dell'esecuzione dell'iterazione corrispondente

1.5.6 il ciclo do ... while

• talvolta conviene che la condizione di proseguimento del ciclo venga verificata dopo l'esecuzione dello scope (ad esempio quando, prima della prima esecuzione dello scope, non ha senso effettuare il controllo)
• per ottenere questo comportamento, si utilizza la sintassi do { ... } while ()

  do
    {
      std::cout << "il doppio di " << i << " vale: " << 2 * i << std::endl ;
      ++i ;
    }
  while (i < 2 * N) ;

1.5.7 l'interruzione di un ciclo

• oltre a terminare quando la condizione di controllo diventa falsa, l'esecuzione di un ciclo può essere interrotta con due comandi:
• l'istruzione break che interrompe l'esecuzione dell'iterazione ed esce dal ciclo
• l'istruzione continue che interrompe l'esecuzione dell'iterazione e passa a quella successiva

• l'esistenza di questi comandi permette di aggiungere controlli aggiuntivi oltre alla condizione presente nella parentesi delle istruzioni for e while, rendendo la programmazione più elastica
• questo permette addirittura di lasciare i controlli nelle parentesi vuoti ed effettuarli direttamente nello scope del ciclo
  • aumenta considerevolmente il rischio che il ciclo non termini mai

1.6 Le funzioni

• insiemi di istruzioni che svolgono un compito preciso e spesso ripetuto all'interno di uno o più programmi vengono solitamente raggruppate in funzioni, che si utilizzano come un singolo comando
• le funzioni hanno un nome, una o più variabili in ingresso e restituiscono una sola variabile, con il comando return

1.6.1 un primo esempio

• le funzioni vanno definite prima di essere chiamate e possono essere simultaneamente definite e implementate (come nel caso sottostante)

  int raddoppia (int input_value) 
    {
      return 2 * input_value ;
    }
  
  int main (int arcg, char ** argv)
    {
    
      for (int i = 0 ; i < 5 ; ++i)
        {
          std::cout << "il doppio di " << i << " vale: " << raddoppia (i) << std::endl ;
        }
      return 0 ;
    }

1.6.2 funzioni senza tipo di ritorno

• una funzione che non restituisce alcun valore si definisce con la parola chiave void (indicatore del tipo di ritorno invece di int , float ...) ed al suo interno l'istruzione return è immediatamente seguita da una virgola

  int raddoppia (int input_value) 
    {
      return 2 * input_value ;
    }
  
  void scriviAschermo (int input_value) 
    {
      std::cout << "ecco il numero da scrivere: " << input_value << std::endl ;
      return ;
    }
  
  int main (int arcg, char ** argv)
    {
        for (int i = 0 ; i < 5 ; ++i)
        {
          scriviAschermo (raddoppia (i)) ;
        }
  
      return 0 ;
    }

1.6.3 funzioni ed omonimia

• il nome di una funzione, insieme ai suoi tipi in ingresso, la identifica univocamente
• nello stesso programma non possono esistere due funzioni diverse con lo stesso nome e gli stessi tipi in ingresso
• funzioni con lo stesso nome, ma con tipi in ingresso diversi, possono invece coesistere: questa proprietà del C++ si chiama overloading

  int raddoppia (int input_value) 
    {
      return 2 * input_value ;
    }
  
  float raddoppia (float input_value) 
    {
      return 2 * input_value ;
    }

1.6.4 il prototipo di una funzione e la sua implementazione

• definire una funzione prima di essere chiamata è necessario per permettere il controllo grammaticale del codice sorgente da parte del compilatore
• per effettuare il controllo grammaticale, al compilatore è sufficiente conoscere il nome della funzione, la variabili in ingresso e quelle in uscita
• è quindi lecito anticipare questa informazione sotto forma di prototipo, posticipando la scrittura dell'implementazione della funzione:

  int raddoppia (int) ;
  
  int main (int arcg, char ** argv)
    {
    
      for (int i = 0 ; i < 5 ; ++i)
        {
          std::cout << "il doppio di " << i << " vale: " << raddoppia (i) << std::endl ;
        }
      return 0 ;
    }
  
  int raddoppia (int input_value) 
    {
      return 2 * input_value ;
    }

  • ciò permette di lasciare più in evidenza la funzione main rispetto alle altre
  • nella scrittura del prototipo, non è necessario indicare il nome delle variabili (ma è permesso)

1.6.5 valori di default degli argomenti di una funzione

• nel prototipo, oppure nell'implementazione, si possono assegnare valori di default alle variabili, questi saranno i valori utilizzati dalla funzione per quella variabile nel caso in cui il valore non venga passato al momento della chiamata della funzione

  int raddoppia (int input_value = 0) 
    {
      return 2 * input_value ;
    }

  • il valore di default deve essere attribuito solamente in uno dei due luoghi
  • in caso di funzioni con più variabili in ingresso, se ad una variabile viene assegnato un valore di default anche le variabili seguenti devono possederlo, per evitare situazioni di ambiguità

1.6.6 l'esportazione delle funzioni in librerie

• funzioni che vengono utilizzate in più di un programma main possono essere scritte in un file diverso, in modo che non sia necessario riscriverle ogni volta
• ogni funzione, dopo essere stata compilata, diventa un oggetto del compilatore
• dopo la compilazione, il linker (che è il terzo passaggio della compilazione) connette le varie funzioni per costruire l'eseguibile finale
• per permettere al compilatore di controllare la grammatica in fase di compilazione, è sempre necessario mettere nel codice sorgente del main il prototipo delle funzioni
• questa struttura viene realizzata tipicamente con tre file: libreria.h, libreria.cc, main.cpp

1.6.7 il file libreria.h

• libreria.h: è il file che contiene il codice sorgente dei prototipi delle altre funzioni

  #ifndef libreria_h
  #define libreria_h
  
  int raddoppia (int) ;
  
  #endif

  • le linee che iniziano con # sono istruzioni al preprocessore, si tratta del controllo di una condizione: se non è definita una variabile (#ifndef) con il nome libreria_h, si considera tutto quello che segue fino ad #endif
  • questo permette di non definire due volte il prototipo di una funzione, che genererebbe un errore di compilazione
  • chiamato in generale header file

1.6.8 il file libreria.cc

• libreria.cc: è il file che contiene il codice sorgente delle funzioni secondarie

  #include "libreria.h"      
  
  int raddoppia (int input_value) 
    {
      return 2 * input_value ;
    }

  • il codice sorgente include libreria.h per ereditare tutte le definizioni e gli altri #include che stanno al suo interno

1.6.9 il file main.cpp

• main.cpp: è il file che contiene il codice sorgente della funzione main

  #include <iostream>
  #include "libreria.h"
     
  int main (int arcg, char ** argv)
    {
    
      for (int i = 0 ; i < 5 ; ++i)
        {
          std::cout << "il doppio di " << i << " vale: " << raddoppia (i) << std::endl ;
        }
      return 0 ;
    }

  • il codice sorgente include libreria.h per ereditare tutte le definizioni e gli altri #include che stanno al suo interno
  • il file libreria.cc non viene mai incluso, ma va indicato nel comando di compilazione:

    > c++ -o main_16 libreria.cc main_16.cpp
    

• NOTA BENE i file indicati fra parentesi angolate nelle istruzioni #include vengono cercati, dal preprocessore, in cartelle predefinite
  • se il nome del file è racchiuso tra doppi apici il file viene dapprima cercato nella cartella in cui si sta compilando e successivamente in cartelle predefinite

1.6.10 librerie in C++

• si possono creare ed includere più di una libreria in un programma
• le librerie di C++ funzionano in questo modo, con i codici sorgente delle librerie spesso già compilati ed il file da includere indicato fra parentesi angolate, come ad esempio #include <iostream>

suggerimenti

• è utile organizzare le proprie librerie per funzionalità, sia per strutturazione logica del proprio programma che per decidere che cosa includere e compilare in ogni programma
• l'utilizzo di una funzione comporta rallentamento nel programma, perché richiede al calcolatore di cercare in memoria la funzione di passarle gli argomenti e di recuperarne l'output, che sono operazioni aggiuntive

1.6.11 le funzioni inline

• si può utilizzare la parola chiave inline, per chiedere al compilatore di sostituire la funzione con la sua implementazione.

• questo si fa (è vantaggioso) solo per funzioni piccole per cui il tempo di esecuzione delle operazioni codificate è confrontabile con il tempo di chiamata di una funzione non inline

  #ifndef libreria_h
  #define libreria_h
  
  inline int raddoppia (int input_value) 
    {
      return 2 * input_value ;
    }
  
  #endif

  • in questo caso, la funzione va definita prima del main, quindi nel file .h
  • il compilatore può decidere di ignorare la parola chiave inline quando non sono soddisfatti determinati criteri (quindi l'istruzione inline è una richiesta o proposta fatta al compilatore, non un comando)

1.6.12 funzioni matematiche

• la libreria cmath offre un'utile estensione delle operazioni matematiche
• per poterla utilizzare, bisogna includerne il file .h corrispondente: #include <cmath>
• la libreria contiene funzioni e variabili notevoli
  • la lista delle funzioni notevoli si trova qui, contiene funzioni trigonometriche, funzioni di potenza, iperboliche...

1.6.13 un esempio: radice quadrata ed elevamento a potenza

• un esempio di utilizzo delle funzioni presenti in cmath riguarda l'elevamento a potenza e la radice quadrata:

  float num = 4.5 ;
  std::cout << "quadrato di " << num << ": " << pow (num, 2) << "\n" ;
  num = pow (num, 2) ;
  std::cout << "radice di " << num << ": " << sqrt (num) << "\n" ;
  std::cout << "radice di " << num << ": " << pow (num, 0.5) << "\n" ;

• la funzione pow ha come primo argomento la base della potenza, come secondo argomento il suo esponente
• utiilzzare l'espressione num * num invece di pow (num, 2)
  è meno dispendioso in termini di tempo di esecuzione

1.6.14 accesso all'orologio del computer

• un'altra libreria di uso frequente ctime
• l'istruzione clock () restituisce il tempo di calcolo del processore consumato dal programma, espresso in cicli di calcolo
  • la frequenza dei cicli di calcolo è disponibile nella variabile CLOCKS_PER_SEC
• l'istruzione ctime () resituisce il tempo trascorso a partire dal primo gennaio 1970

1.6.15 un test di performance

• se volessimo confrontare la velocità di esecuzione della funzione pow (x, 2) rispetto all'operazione x * x potremmo ripetere entrambe le operazioni molte (N) volte e misurare il tempo di calcolo nei due casi:

  double start = (double) clock () / CLOCKS_PER_SEC ; 
  for (double i = 0; i < N; ++i) 
    {
      test += pow (i, 2) ; 
    }
  double stop = (double) clock () / CLOCKS_PER_SEC ;
  std::cout << "tempo di esecuzione per pow: " << stop - start << " secondi\n" ;
  
  start = (double) clock () / CLOCKS_PER_SEC ; 
  for (double i = 0; i < N; ++i) 
    {
      test += i * i ; 
    }
  stop = (double) clock () / CLOCKS_PER_SEC ;
  std::cout << "tempo di esecuzione per i*i: " << stop - start << " secondi\n" ;

• si otterrebbe un risultato di questo tipo:

tempo di esecuzione per pow: 30.2506 secondi
tempo di esecuzione per i*i: 3.91943 secondi

1.7 Direttive al preprocessore

• l'insieme di istruzioni che iniziano con il simbolo # si chiamano direttive al preprocessore perché vengono lette ed interpretate prima della fase di compilazione
• si tratta di istruzioni che non riguardano la fase di compilazione del programma, quindi macro e variabili del preprocessore sono concetti diversi rispetto alle funzioni e variabili di C++

1.7.1 la direttiva #include

• come abbiamo già visto, questa istruzione viene utilizzata quando si scrivono librerie di funzioni in un file separato da quello che contiene il codice sorgente del main program
• seguendo questa direttiva, il preprocessore sostituisce alla linea l'intero file riportato dopo #include

1.7.2 variabili del preprocessore

• la direttiva #define definisce variabili del preprocessore
• viene estensivamente utilizzata, unitamente al controllo booleano #ifndef (se non è definita), per impedire la doppia definizione del prototipo di una funzione e per impedire che si crei un circolo infinito di istruzioni #include:

  #ifndef libreria_h
  #define libreria_h
  
  int raddoppia (int) ;
  
  #endif

• è invalso nell'uso utilizzare #define anche in sostituzione di variabili del C++

  #define NUMERO 150

  • si tratta di una cattiva pratica di programmazione, perché può portare a comportamenti inattesi del programma (inclusi problemi di compilazione) e rende difficile la fattorizzazione del codice sorgente
  • in questo caso, NUMERO non è una variabile del C++, bensì il preprocessore sostituisce il testo NUMERO con il testo 100 nel programma prima della compilazione
  • quando si utilizzano questi metodi poco ortodossi, è buona regola utilizzare prassi sintattiche che differenzino chiaramente le effettive variabili del C++ dalle sostituzioni di testo del preprocessore, ad esempio scrivendone il nome interamente in caratteri maiuscoli

1.7.3 le macro del preprocessore

• si possono anche definire macro del preprocessore, che sono espressioni che richiamano in forma il comportamento delle funzioni del C++

  #define quadrato(a) a*a

• utilizzare le macro del processore come funzioni può produrre disastri, questo programma:

  int main (int argc, char ** argv)
    { 
      double numero = 3. ;
      double risposta = quadrato (numero + 1.) ;
    
      std::cout << "Il quadrato di " << numero + 1. 
                << " vale " << risposta << "\n" ;
      return 0 ;
    }

  produce come output:

  Il quadrato di 4 vale 7
  

  infatti la sostituzione operata dal preprocessore genera questa istruzione

  double risposta = numero + 1. * numero + 1. ;

1.8 La scrittura del proprio programma

• perché un codice sorgente compili, bisogna rispettare sintassi e grammatica del C++
• perché un programma funzioni, bisogna evitare errori logici nell'uso del C++ e nella funzionalità degli algoritmi
• perché un codice sorgente sia leggibile, è buona cosa seguire regole aggiuntive di buon senso nella scrittura

1.8.1 la nomenclatura di variabili e funzioni

• scegliete nomi di funzioni e variabili lunghi ed autoesplicativi
• scegliete nomi che riguardino il ruolo effettivo di variabili e funzioni: ad esempio, se una variabile o una funzione servono nel programma per ottenere un determinato calcolo, ma abbiano funzionalità più ampia, il loro nome deve riflettere l'effettiva funzionalità
• scegliete un sistema consistente di nomenclatura, ad esempio:
  • le funzioni iniziano con lettere minuscole, le variabili con lettere maiuscole
  • nei nomi compposti da più parole, si divide il nome con un _ (e.g. calcola_media), oppure rendendo maiuscola ogni parola all'interno (e.g. calcolaMedia)

1.8.2 la dimensione degli scope

• scegliete di scrivere scope piccoli: se il numero di istruzioni in uno scope è molto alto, spezzatelo in sotto-gruppi tramite funzioni
• una numero indicativo di istruzioni oltre il quale pensare se spezzare lo scope in funzioni è 7

1.8.3 l'utilizzo dei commenti nel codice sorgente

• molti commenti nel codice sorgente aiutano a capire cosa facciano funzioni e variabili, descrivendo il loro contenuto o la loro funzionalità
• i commenti possono essere utilizzati per chiarire che cosa sta succedendo nel codice sorgente
• la spiegazione di eventuali formule utilizzate, oppure il link a pagine web di riferimento, possono essere inseriti nei commenti
• nel caso di scope molto lunghi, per cui la chiusura di parentesi graffe non si vede insieme all'apertura, si possono usare commenti per ricordare al lettore quale scope sia chiuso da una graffa:

  int main (int argc, char ** argv)
    { 
      for (int i1 = 0 ; i1 < 100 ; ++i1)
        {
          /* tante istruzioni che si susseguono */
        } // ciclo su i1
      return 0 ;
    }

1.8.4 l'indentazione del codice sorgente

• indentare il codice sorgente coerentemente aiuta enormemente la lettura del codice sorgente
• tutte le istruzioni di uno stesso scope devono inizare alla medesima colonna
• quando si apre uno scope, le istruzioni devono inziare in posizione rientrata rispetto allo scope precedente: scegliete una regola (ad es. 2 colonne) ed attenetevi rigorosamente a quella
  • imparate ad usare con cognizione di causa il tasto TAB, oppure non utilizzatelo
• decidete se aprire le parentesi graffe alla fine di una linea, oppure dopo essere andati accapo
• non chiudete parentesi graffe su una linea in cui ci sono istruzioni

1.8.5 la fattorizzazione di un programma

• molto spesso pezzi di codice sorgente vengono riciclati copiandoli da programmi vecchi ed incollandoli in programmi nuovi
• per facilitare questa operazione e per rendere il codice sorgente più comprensibile, è buona norma mantenere il più vicino possible tutte le istruzioni relative ad un medesimo blocco logico del programma
  • definire le variabili appena prima che vengano utilizzate (cioè NON tutte all'inizio del programma)
  • NON sparpagliare per il programma istruzioni che logicamente si susseguono

1.8.6 dettagli

• il C++ distingue maiuscole da minuscole, quindi num e Num sono due variabili diverse
• il C++ non riconosce caratteri speciali come lettere accentate, quindi non usatele nei codici sorgente
• esistono caratteri riservati al C++, come le virgolette, gli apici, o il backslash: nell'output a schermo evitate di utilizzarli, oppure fateli precedere con il carattere \\, che dice al compilatore di non utilizzare il carattere successivo come carattere riservato

1.8.7 unit testing

• quando si scrive un nuovo programma, è utile compilare il codice sorgente molto spesso
• ad ogni passaggio importante del programma, fate uno unit test, cioè test di compilazione ed esecuzione
  • scrivere la funzione main vuota è un passaggio importante (una unit da testare)
  • includere una libreria è una unit da testare
  • aggiungere la definizione di una variabile rilevante per il programma è una unit da testare
  • aggiungere una struttura di controllo vuota, cioè ancora prima di avere scritto istruzioni all'interno, è una unit da testare
• procedendo in questo modo, si semplifica molto l'identificazione delle cause di errori, perché sono tipicamente da ricercare soltanto nelle ultime aggiunte al codice sorgente
• in caso di programmi molto complessi, è buona pratica preparare tante versioni della funzione main, dove ciascuna fa da test di un aspetto specifico del programma, ad esempio una funzione main per fare il test di ogni libreria creata

1.9 Le opzioni di compilazione

• durante la compilazione di un codice sorgente, il compilatore (c++) prende in ingresso diversi parametri. Alcuni sono elencati qui:

  parametro	ruolo
  *.cc, *.cpp	codice sorgente dell'implementazione: deve esserci una sola funzione main
  -o eseguibile	nome da assegnare all'eseguibile: valore di default è a.out
  -O0	compilazione veloce e non ottimizzata, esecuzione lenta
  -O2	compilazione ottimizzata e lenta, esecuzione più veloce
  -O3	compilazione ottimizzata e lenta, esecuzione più veloce
  -Wall	accende tutti i Warning: il compilatore avvisa in caso di problemi sospetti
  -Werror	trasforma Warning in errori: il compilatore non compila se ci sono Warning

  • provate a confrontare l'uso di pow (x, 2) con x * x a diversi livelli di ottimizzazione: che cosa cambia?
  • una lista completa di opzioni di compilazione si trova qui

1.9.1 il caso di librerie non di default

• nel caso si utilizzino librerie non di default, si può istruire il compilatore riguardo alla loro posizione nel computer:

  parametro	ruolo
  -l[linalg]	nome (*) della libreria precompilata (oggetto del compilatore) da linkare al programma
  -L[/path/to/shared-libraries]	la cartella dove stanno le librerie da linkare
  -I[/path/to/header-files]	dove stanno gli header file da includere

  • (*) il nome della libreria deve essere linalg.dll in Windows, liblinalg.so su Unix-like (e.g. Linux), linalg.dylib su MacOSX
• spesso (come vedremo per ROOT) pacchetti esterni forniscono anche un comando che prepara queste opzioni per il compilatore

1.10 Gli errori di compilazione

• in caso di errore di compilazione, il compilatore mostra a schemo la descrizione degli errori che ha riscontrato
• il messaggio di errore è solitamente utile a capire il problema:

  > c++ -o main_05 main_05.cpp
  main_05.cpp:10:12: error: cannot assign to variable 'numerò with const-qualified type 'const int'
      numero = numero + 1 ;
      ~~~~~~ ^
  main_05.cpp:9:15: note: variable 'numerò declared const here
      const int numero = 0 ;
      ~~~~~~~~~~^~~~~~~~~~
  1 error generated.
  

  • in questo caso, il compilatore indica il file con il codice sorgente problematico, la linea alla quale ha trovato un errore e la ragione per la quale ha ritenuto che ci fosse un problema
• spesso un singolo errore genera altri errori in cascata,
  quindi è consigliato risolvere gli errori uno per uno, iniziando dal primo che si trova

1.11 ESERCIZI

• Gli esercizi relativi alla lezione si trovano qui