8. Grundlagen von Funktionen

8. Grundlagen von Funktionen
C++ Programm
Bestandteile eines C++ - Programms
C++ Kern
vordefinierte Datentypen, Operatoren, Befehle
Standardbibliothek
vordefinierte Funktionen und Klassen
Anwender
Selbsterstellte Funktionen, Klassen,
Sonstiges
externe Bibliotheken
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Beispiele für Funktionen
Formeln/mathematische Funktionen
while (fabs (x*x-a) >=1.0e-10 );
flaeche=pow(durchmesser,2)*pi/4;
x1=sqrt( b**2 - 4*a*c);
y=cos(x*pi);
s=log(y)
ir=rand();
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Beispiele für Funktionen
Andere Funktionen
Sortieren der Elemente eines Vektors
erforderlich: Vektorelemente + Anzahl
Ergebnis: sortierter Vektor
Suchen eines Elements in einem Vektor
erforderlich: Vektorelemente + Anzahl +
Suchelement
Ergebnis: gefundener Index (Stelle)
Ein-/Ausgabe eines Vektors
erforderlich: Vektorelemente + Anzahl
Ergebnis: eingelesener/angezeigter Vektor
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8.1 Einfache selbstgeschriebene Funktionen
Merkmale
Eine Funktion hat einen Wert (Typ)
Eine Funktion hat (mehrere) Parameter
Die Parameter sind Variable, Konstante oder Ausdrücke ( wie hier x*x-a )
Prinzipieller Aufruf :
funktionsname(parameter1,parameter2,.....,parameter_n)
die Funktion erscheint rechts vom = Operator (R-Wert)
also z.b. w=widerstand(laenge,durchmesser) ;
cout<<widerstand(laenge,durchmesser) <<endl;
Ausnahme
Funktionen vom Typ void stehen nicht rechts vom = Operator.
also z.b. swap(a,b);//vertauscht a und b
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Prototyp
Selbstgeschriebene Funktion/Beispiel
// Funktion
# include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
int main()
{
// Deklarationen
double func_widerstand(double,double);
double laenge, radius, widerstand;
// Eingabe
cout << "Laenge (m) angeben :";
cin >> laenge;
cout << "Radius (mm) angeben :";
cin >> radius;
// Plausibilitätsbetrachtung
if ( radius <= 0 ) // unzulässig
{
cout << " Radius muss > 0 sein ";
return 1;
}
else
// Eingabedaten in Ordnung
{
widerstand= func_widerstand(laenge,2*radius);
//
Ausgabe
cout << " Laenge \t" << laenge << " m" << endl;
cout << " Radius \t" << radius <<" mm" << endl;
cout << " Widerstand \t" <<widerstand <<" Ohm"<<endl;
return 0;
}
}
aktuelle Parameter
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double func_widerstand (double p_laenge,double p_durchmesser)
{
const double pi=3.14159, rho=0.0178;
double flaeche;
flaeche=pow(p_durchmesser,2)*pi/4;
return rho*p_laenge/flaeche;
}
formale Parameter
Definition
Aufruf
Variante 1: alles in einer Datei
z.B. main.cpp
Üblicherweise kommt main zuerst
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Selbstgeschriebene Funktion/Dateien
Variante 2
Jede „Funktion“ in einer separaten Quellcodedatei
main.cpp enthält „das Programm“
func.cpp enthält die Definition der Funktion
Jede Datei wird dabei separat übersetzt und nach
allen Übersetzungen wird durch den Linker
die exe-Datei erzeugt.
Hinweis:
In diesem Fall muss in func.cpp
#include <cmath>
enthalten sein.
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Signatur
Die Signatur einer Funktion besteht aus der
Anzahl und dem Typ der Parameter unter Berücksichtigung der
Reifenfolge
double func_widerstand(double,double);
Dies ist wichtig, um Funktionen mit gleichem Namen
unterscheiden zu können. Der Compiler vergleicht die
Signaturen und ruft dann entsprechend passende auf.
Es wird ein Link-Fehler angezeigt, wenn es keine passende
Funktion gibt.
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8.2 Prototyp (Deklaration)
Im Programmteil, wo die Funktion aufgerufen wird,
ist der Funktionsprototyp anzugeben.
Erforderlich ist die Angabe von
Typ und Name der Funktion, sowie der Typ der Parameter
double func_widerstand(double,double);
Namen für die Parameter sind erlaubt, aber nicht erforderlich
double func_widerstand(double laenge,double durchmesser);
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8.3 Definition
Definition
Angabe von
Typ der Funktion
entspricht dem Typ des return-Wertes
Name der Funktion
wie ein Variablenname
Deklarationsliste
Typ und Name der Parameter
(genauer : formale Parameter)
Funktionsblock
{hier steht was die Funktion macht }
im Funktionsblock wird der Wert der Funktion
ermittelt und durch return wert;
beendet und dem dem aufrufenden Programm das
Ergebnis (wert) übergeben
Ist die Funktion vom Typ void, so wird sie durch
return;
beendet.
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Definition/Beispiel
double func_widerstand (double p_laenge,double p_durchmesser)
{
const double pi=3.14159, rho=0.0178;
double flaeche;
flaeche=pow(p_durchmesser,2)*pi/4;
return rho*p_laenge/flaeche;
}
Achtung:
Alle hier vorkommenden Größen sind lokale Größen der Funktion
p_laenge, p_durchmesser, pi, tho, flaeche
Ist die Funktion vom Typ void darf mittels return kein Wert
zurückgegeben werden (also nur return; ).
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8.4 Funktionsaufruf
Aufruf
Im aufrufenden Programm (genauer: in der aufrufenden Funktion)
werden anstelle der formalen Parameter die aktuellen Parameter eingesetzt:
funktionsname(aktuellerparameter1,....,aktuellerparametern)
Die aktuellen Parameter können Ausdrücke sein!
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Ablauf des Aufrufs
Beim Aufruf der Funktion erfolgt ein Sprung aus dem aufrufenden
Programmteil zur Adresse der Funktion, die „Rücksprungadresse“ wird
gemerkt und nach einem return dorthin „zurückgesprungen“.
Alle für das Unterprogramm benötigten Objekte werden auf dem Stack
gespeichert
(formale Parameter, lokale Variable, Rücksprungadresse).
-> hoher „organisatorischer“ Aufwand bei „kleinen“ Funktionen
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Parameterübergabe
Programm
Aufruf, Rücksprungadresse merken
widerstand(laenge,2*radius)
Aktuelle Parameter auswerten und auf formale Parameter kopieren
widerstand(p_laenge,p_durchmesser)
Funktionsblock ausführen
(lokale Objekte : p_laenge,p_durchmesser,flaeche,pi,rho)
Rücksprungadresse holen, Wert mittels return übergeben
Programm
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Parameterübergabe
Beim Aufruf werden die aktuellen Parameter ausgewertet (Ausdrücke)
Speicher auf dem Stack für lokale Variable, formale Parameter
Rücksprungadresse werden bereitgestellt
Die Werte der aktuellen Parameter werden auf die formalen Parameter
kopiert
Technik der Parameterübergabe : Call by Value
Konsequenz : Die aktuellen Parameter können in der Funktion
nicht geändert werden (da nicht bekannt)!
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Parameterübergabe
Vorteil
Ausdrücke werden nur ein mal ausgewertet, wenn der Parameter häufig
in der Funktion verwendet wird.
Parameter können nicht versehentlich geändert werden
(Überschreiben von „Konstanten“)
Nachteil
Parameter mit hohem Speicherplatzbedarf werden dupliziert !!!
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Beispiele/1 Summation
Man erstelle eine Funktion, welche die Summe der natürlichen Zahlen
von 1 bis n durch Summation bestimme.
summe(n) = 1+ ...+n
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Beispiel/1: Summation
int summe (int n)
{
int h=0;
for (int i=1;i<=n;i+=1)
h+=i;
return h;
}
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Beispiele 2/ Vertauschen
Man erstelle eine Funktion, welche die Werte zweier ganzer
Zahlen vertauscht.
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Beispiele 2/Vertauschen
// Funktionsaufruf/Variablentausch
#include <iostream>
using namespace std;
void main()
{
int a=2,b=3;
void swap (int,int);
cout << " programm anfang a " << a << " b " << b << endl;
swap(a,b);
cout << " programm ende
a " << a << " b " << b << endl;
}
void swap (int i1,int i2)
{
int h;
cout << " swap anfang
i1 " << i1 << " i2 " << i2 << endl;
h=i1;
i1=i2;
i2=h;
cout << " swap ende
i1 " << i1 << " i2 " << i2 << endl;
}
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Vertauschen/Ergebnis
Und nun?
->Lösung später
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8.5 Rekursion
Man erstelle eine Funktion, welche die Summe der natürlichen Zahlen
von 1 bis n durch Summation bestimme.
summe(n) = 1+ ...+n
= 1+ ...+(n-1) + n (falls n>1)
= summe(n-1) + n (falls n>1)
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Rekursion
Bei der Definition einer Funktion darf die Funktion selbst verwendet werden.
0
falls n <= 0
summe(n) =
n + summe(n-1) falls n > 0
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Beispiel/Summation rekursiv
int summe (int n)
{
if ( n<= 0 )
return 0;
else
return n + summe(n-1);
}
Rekursive Programme lassen sich in der Regel leichter formulieren
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8.6 Eindimensionale Vektoren als Parameter
// Vektoren als Parameter
#include <iostream>
using namespace std;
void main()
{
double y[10]={2.1,4.2,6.3,8.4,10.5,12.6,14.7,16.8,18.9,20},ergebnis;
double summe( double[],int); // Prototyp
ergebnis=summe(y,5); // Aufruf
cout<<" Ergebnis "<<ergebnis<<endl;
}
double summe ( double p_x[],int n) // Definition
{
double summe=0.0;
for (int i=0;i<=n;i++)
summe+=p_x[i];
return summe;
}
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Eindimensionale Vektoren als Parameter
double summe( double[],int); // Prototyp
-> im Prototyp ist nach dem Typ eine [] anzugeben bei Vektoren
ergebnis=summe(y,5); // Aufruf
-> im Aufruf ist nur der Name des Vektors anzugeben.
Die Anzahl der verwendeten Komponenten steht in einen separaten Parameter vom Typ int.
double summe ( double p_x[],int n) // Definition
-> in der Definition ist ebenfalls [] anzugeben.
Achtung:
In diesem Fall wird keine lokale Kopie angelegt. Es wird mit den Originaldaten gearbeitet.
-> genaue Technik später
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8.7 Testen von Funktionen
Funktionen sollten in der Regel ausserhalb der Einsatzumgebung separat getestet werden.
Daher ist für den Test ein separates main zu erstellen, welches dies übernimmt: Treiber.
Dieses Programm hat somit die Aufgabe, den für die Funktion erstellten Testplan
durchführen zu können.
Variante 1: Die erforderlichen Daten werden im Dialog/aus einer Datei gelesen
Variante 2: alle Beispieldaten werden im main festgelegt.
In diesem Fall können unterschiedliche Varianten eines Programmabbruchs nicht
getestet werden.
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Testen von Funktionen/Beispiel Variante 1
// Funktion
# include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
int main()
{
// Deklarationen
double func_widerstand(double,double);
double laenge, radius, widerstand;
// Eingabe
cout << "Laenge (m) angeben :";
cin >> laenge;
cout << "Radius (mm) angeben :";
cin >> radius;
// Plausibilitätsbetrachtung
if ( radius <= 0 ) // unzulässig
{
cout << " Radius muss > 0 sein ";
return 1;
}
else
// Eingabedaten in Ordnung
{
widerstand= func_widerstand(laenge,2*radius);
//
Ausgabe
cout << " Laenge \t" << laenge << " m" << endl;
cout << " Radius \t" << radius <<" mm" << endl;
cout << " Widerstand \t" <<widerstand <<" Ohm"<<endl;
return 0;
}
}
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Alternative:
zusätzlicheSchleife, um mehrere
Eingaben zu ermöglichen
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Testen von Funktionen/Beispiel Variante 2
// Funktion
# include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
int main()
{
// Deklarationen
double func_widerstand(double,double);
// Abbruchfälle
cout<< “Fall 1 Laenge -1
Durchmesser 1
Ergebnis “<< widerstand(-1,0)<<endl;
cout<< “Fall 2 Laenge 0
Durchmesser 1
Ergebnis “<< widerstand(0,10)<<endl;
cout<< “Fall 3 Laenge 1
Durchmesser -1
Ergebnis “<< widerstand(1,-1)<<endl;
cout<< “Fall 4 Laenge 1
Durchmesser 0
Ergebnis “<< widerstand(1,0)<<endl;
cout<< “Fall 5 Laenge a
Durchmesser b
Ergebnis “<< widerstand‘a‘,‘b‘)<<endl; //!!!!!!!!!!!
//Normalfall
cout<< “Fall 6 Laenge 5
Durchmesser 0.25
Ergebnis “<< widerstand(5,0.25)<<endl;
// Grenzfaelle
cout<< “Fall 7 Laenge 5
Durchmesser 0.0001 Ergebnis“<< widerstand(5,0.0001)<<endl;
cout<< “Fall 8 Laenge 0,05 Durchmesser 0.25
Ergebnis “<< widerstand(0.05,0.25)<<endl;
}
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