Московский государственный технический университет имени Н . Э. Баумана А.Ю. Быков Решение задач на языках программирования Сии Си++ Методические указания к выполнению лабораторных работ Москва ИЗДАТЕЛЬСТВО МГТУ им. Н. Э . баумана 2 О17 УДКОО4.43 -018.1 Б95 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: Факультет <<Информатика и системы управлениЯ>> Кафедра <<Информационная безопасность» Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия Быков,А. Ю. Б95 Решение задач на языках программирования Си и Си++ : методические указания к вьmолнению лабораторных работ / А Ю. Быков. на, 2017. - Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баума 244, [4] с. : ил. Рассмотрены особенности решения практических задач на языках программирования Си и Си++. Представлены примеры программи рования с комментариями. Описаны возможности библиотеки клас сов МFС. Для студентов, обучающихся по специальностям <<Компьютерная безопасность>> и «Информационная безопасность автоматизирован ных систем,>, а также по другим специальностям с изучением про граммирования. УДКОО4.43 -018.1 © МГГУим. Н.Э. Баумана, 2017 © Оформление. Издательство МГГУим. Н.Э. Баумана, 2017 Предисловие Одним из наиболее распространенных языков программирования , особенно в операционных системах типа Linux, является язык Си++, также пmроко распространен его предшественник - язык Си. Пред лагаемые вниманию учащихся методиqеские указания по дисциплине <<Алгоритмиqеские языки» посвящены решению задач с применением этих языков. Издание состоит из двух частей. Первая qасть включает в себя девять лабораторных работ, призванных изучить основные сред ства языка Си, вторая - состоит из шести работ, рассматривающих основные средства языка Си++ и библиотеки MFC. Цель выполнения таких лабораторных работ заключается в полу чении студентами навыков и умений практиqеской разработки про грамм на указанных языках и расширении знаний об этих языках. Первая часть лабораторных работ призвана научить студентов раз рабатьmать программы, использующие следующие синтаксические конструкции и возможности языка Си ( с некоторыми элементами языка Си++ ): • операции для расчета выражений; • условный оператор; • операторы циклов; • массивы , в том числе динамические; • структуры; • функции; • динамические структуры данных, такие как шrn:ейные списки; • функции ввода-вьmода в файлы; • возможности графического интерфейса пользователя для опера ционной системы Wmdows. Вторая часть лабораторных работ обучит студентов разработке про грамм, использующих следующие синтаксиqеские конструкции и воз можности языка Си++: • классы; • перегрузка стандартных операций; • наследование классов; • абстрактные классы и полиморфизм; • потоковая многозадаq:ность; • бибшютека классов MFC. При вьmолнении лабораторных работ целесообразно использовать программный продукт Microsoft Visual Studio версии 2013 или более поздних. Студенты могут получить этот программный продукт бес платно, воспользовавnrnсь программой DreamSpark (бывшая MSDN М) [1], для этого достатоq:но зарегистрироваться на сайте библиотеки МПУ им. Н. Э. Баумана. По каждой лабораторной работе студенты должны подготовить от чет, в котором необходимо последовательно и полно представить все основные шаги алгоритма решения задачи. В тексте программы следу ет представить соответствующие комментарии. В содержание отчета включают титульный лист, обозначают цель работы и условие задачи, представляют программу с комментариями, результаты работы программы (скриншот экрана). При необходимости можно представить результаты расчета контрольного примера неболь шой размерности, разработанной программой, и ручной расчет этого же контрольного примера. В обязательном порядке в заключении к отчету приводятся выводы. Типовые варианты лабораторных работ представлены в приложении к методическим указаниям. Студенты выбирают вариант в соответствии с номером студента внутри группы, представленным в системе «Элек тронный университет>>. Введение Язык программирования Си, разработанный в США сотруД1Шками фирмы Bell Lab в начале 1970-х гг. для операционной системы (ОС) UNIX, вместе с языком Си++, который дополнительно к возможностям языка Си включает в себя объектно-ориентированные средства, - наи более распространенные языки программирования. Первое описание языка Си дано его авторами - Б. Керниганом и Д. Ритчи [2]. Язык Си иногда называют языком программирования среднего уровня. С одной стороны, язык поддерживает операции низ кого уровня (операци:и над битами), а базовые типы отражают те же объекты, что и язык Ассемблера (байты, машинные слова, символы, строки). С другой - он имеет основные управляющие конструкции, присущие языкам высокого уровня. Таким образом , язык Си можно использовать для решения как системных, так и прикладных задач (хотя язык создавался преж,де всего для системного программирования). Язык программирования Си++ разработан фирмой Bell Labs в на чале 1980-х гг., создателем языка считается Бьерн Страуструп [З]. Он предложил ряд усовершенствований к языку Си, главное, включил в него объектно-ориентированные средства. Первоначально новый язык называли <<Си с классамю>, название <<Си++>> появилось в 1983 г. Синтаксис языка Си++ (Си) оказался настолько удачным, что мно гие языки программирования, созданные позднее для других целей, например для разработки интернет-приложений, наследовали основные элементы синтаксиса языка Си++ . К таким языкам относятся: Java, С# (Си шарп) , РНР, JavaScript. Изучив язык Си++, освоить данные языки можно достаточно быстро. Часть 1 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ НА ЯЗЫКЕ ПРОГРАММИРОВАНИЯ СИ С ЭЛЕМЕНТАМИ ЯЗЫКА СИ++ Лабораторная работа № 1.1 Изучение операций языка Си. Программирование линейных и разветвляющихся алгоритмов 1.1.1. Цель и задачи работы, требования к результатам ее выполнения Цель работы состоит в овладении навыками разработки программ на языке Си, имеющих линейную структуру, и программ, реализующих разветвляющиеся алгоритмы, т. е. использующих условный оператор и (или) оператор-переклюqатель. Для достижения цели необходимо вьmолнить следующие задаqи: • изучить учебные материалы, посвященные константам и пере менным, а также условному оператору и переключателю языка Си [2, 4] ; • разработать программы на языке Си для решения предложенных вариантов заданий; • отладить программы; • вьmолнить с помощью программы решение контрольного при мера и его ручной расчет. Вьmолнив работу, нужно подготовить отqет. 1.1.2. Краткая характеристика объекта изучения. Понятия переменной и типа данных Одним из основных понятий, используемых в процедурных языках программирования, является понятие переменной. Переменная - это поименованная либо адресуемая иным способом область памяти, адРес которой можно использовать для осуществления доступа к данным. Данные, находящиеся в переменной (т. е. по указанному адресу памя ти), называются значением этой переменной. Переменная принадлежит определенному типу данных. 1ип данных определяет: • внугреннее представление данных в памяти компьютера; • множество значений, которые могут принимать велwпrn:ы этого типа; • операции и функции, которые можно применять к величинам этого тиnа. Переменная используется для хранения данных в процессе вьmол нения программ. Значение переменной можно изменять с помощью операции присваивания. Стандартные типы языка Си В языке Си существуют стандартные типы, которым могут принад лежать переменные. В языке Си стандарта ANSI классификация тиnов имеет следующий вид (также указана размерность переменной типа в оперативной па мяти): • целые: - беззнаковые: unsigned char - переменная этого типа занимает в памяти 8 бит; unsigned short - 16 бит; unsigned int - 32 бита (в Wm32); unsigned long - 32 бита (в Wm32); -знаковые: char - 8 бит; short - 16 бит; int - 32 бита (в Wm32); long - 32 бита (в Wm32); • вещественные: float - 32 бита; douЬle - 64 бита; long douЬle - 80 бит. Назначение и диапазоны стандартных типов представлены в табл. 1.1. Следует отметить особенность типа char (unsigned char) в языке Си, отличающегося слабой типизацией. Поэтому символьный тип исполь- зуется двояко: с одной стороны, для хранения кодов символов в коди ровке ASCII, с другой - для хранения целых чисел в заданном диа пазоне. Таблица 1.1 Назначение и диапазоны стандартных типов Тип даю-1:ых unsigned char char unsigned short short unsigned int int unsigned Iong Iong float douЫe longdouЫe Размер, бит Диапазон значений 0... 255 -128 ... 127 0... 65 535 -32 768 ... 32 767 О .. .4 294 967 295 -2 147 483 648 ... 0.. .4 294 967 295 Небольшие целые числа без знака и коды символов Небольшие целые числа со знаком и АSСП-коды Целые числа без знака Целые числа со знаком Большие целые числа без знака Назначение тиnа Большие цельте числа со знаком Большие целые числа без знака -2 147 483 648 ... 3.4Е-38 ... 3.4Е + 38 Большие целые числа (по модулю) (7 значаших цифр) со знаком Научные расчеты 1.7Е-308 ... 1.7Е + 308 Научные расчеты (по модулю) ( 15 значащих цифр) 3.4Е-4932 ... 3.4Е + 4932 Финансовые расчеты (по модулю) ( 19 значаших цифр) Дополнительно компанией Мicrosoft введены так называемые плат форменно-независимые целые типы, по сути, новые имена для уже существующих типов, но их размерность не будет изменяться при переходе к другим платформам (размерность этих типов в битах явным образом присутствует в названии): int8 intlб int32 int64 (long long) unsigned int8 unsigned intlб unsigned int32 unsigned - int64(unsigned long long) Кроме того, дополнительно введены следующие типы, имена кото рых являются :ключевыми словами: bool - 1 байт, возможные значения true (1) и false (О) ; wchar_ t - 2 байта (соответствует типу unsi gned s hort), обычно используется для хранения кодов символов в кодировке Unicode (1 символ кодируется 2 байтами). Обт,явления переменных в языке Си Общий формат объявления переменных: [<спецификатор_класса_памя ти> ] <имяl> [ =<инициализаторl>] , [ <модификатор>] <тип> <имя2> [=<инициализатор2>] , ... , <имяN>[=<инициализаторN>] ; Необязательный элемент <спецификатор_класса памяти> (необя зательный элемент далее в записи форматов будет помещаться в квад ратные скобки) - одно из ктоqевых слов: auto , register, static , extern . Необязательный элемент <модификатор> - ключевые слова const, volati le и др. Модификатор const означает, qто инициализация (присвоение на чального значения) переменной обязательна, и далее знаqение пере менной изменять нельзя. Модификатор volatile означает, что данная переменная может быть изменена где-то в другом месте, а необязатель но в этом потоке, например, в другом потоке (модификатор влияет на режим оптимизации работы компилятора). Пример: i nt i , j =lO ; const float рi=З.14 ; /* Далее запрещено изменять pi */ extern douЫe ременной в Это другом месте unsigne d char Cl= ' А' , есть описание , значение определение пе С2=10 , СЗ ; Константы в языке Си Кроме переменных в программе часто используются константы. Константа - это значение , которое не может быть изменено в про цессе работы программы. В языке Си выделяют следующие разновидности констант, которые могут иметь разные типы и формы представления. 1. Целые константы Целые константы существуют для представления в программе целых значений; константы могут иметь разные типы. Тип константы опре деляет ее представление в оперативной памяти: кодировку константы, объем в байтах, какой набор значений может представлять константа, а также операции, которые можно вьmолнять с константой. Существу ют следующие типы целых констант: • int (по умолчанию); в оперативной памяти константа данного типа кодируется, в Wm32 - 4 байтами, примеры: 1245, 6, 175, 5, 1425; • long; в оперативной памяти константа кодируется 4 байтами в Win 32 и будет иметь этот тип, если диапазон выходит за тип int в операционных системах, в которых тип long занимает больше места, чем тип int или явно указывается тип с помощью суффикса 1 (L), примеры: 121, 14567L, 125234L; • unsigned int и unsigned long; для явного указания необхо димо использовать суффикс u (U), примеры: 105u (unsigned int), 105ul (unsigned long). Целые константы всегда задают неотрицательные значения, для за дания отрицательного значения используют операцию <<унарный ми нус>>, которую применяют к целой константе: -1000, -2001. Целые константы также могут иметь различные формы представле ния. Формы представления введены для удобства программиста, одно и то же значение константы может быть представлено в различных формах в исходном тексте программы, при этом после компиляции полученный исполняемый код и кодирование константы в памяти будут идентичны и не будут зависеть от формы представления. Для целых констант существуют три формы представления: • в десятичной системе счисления (по умолчанию) - 1234, 3781, 346; • в шестнадцатеричной системе счисления признаком данного представления являются два первых символа константы Ох (или ОХ), в константе можно использовать шестнадп,атеричные цифры: 0... 9, А (а), В (Ь), ..., F (f), примеры: 0xl0, 0xl0acd, 0XFFFF; • в восьмеричной системе счисления признаком данного представ ления является первый символ О, в константе можно использовать восьмеричные цифры: 0... 7, примеры: 010, 070, 01237; 2. Вещественные константы Вещественные константы служат для представления вещественных значений, которые могут иметь целую и дробную части. По аналогии с целыми константами, существуют различные типы и формы пред-