Ubungspaket 19 ¨
Programmieren eigener Funktionen
Ubungsziele: ¨
1. Implementierung und Kodierung eigener Funktionen 2. Rekapitulation des Stack-Frames
3. Parameter¨ ubergabe mittels Stack und Stack-Frame Skript:
Kapitel: 44 Semester:
Wintersemester 2021/22 Betreuer:
Thomas, Tim und Ralf Synopsis:
Funktionen sind eine sch¨ one M¨ oglichkeit, ein Programm zu strukturie-
ren und ¨ ubersichtlich zu gestalten. Doch bereitet dieses Konzept vie-
len Programmieranf¨ angern eine Reihe von Problemen, was eigentlich
v¨ ollig unn¨ otig ist. Indem wir erste kleinere Funktionen selber schreiben,
schauen wir uns die wesentlichen Konzepte im Detail an.
Teil I: Stoffwiederholung
Aufgabe 1: Deklaration und Definition
F¨ur den sicheren Umgang mit Funktionen ist es wichtig, dass man die einzelnen Bestand- teile einer Funktion gut kennt und sie voneinander abgrenzen kann. Gem¨aß Kapitel 44 k¨onnen wir folgende Komponenten voneinander unterscheiden. Beschreibe in eigenen Wor- ten, was jeder der folgenden Begriffe bedeutet und illustriere deine Erl¨auterungen jeweils anhand eines Minibeispiels.
1. Funktionskopf:
Beschreibung:
Beispiel:
2. Parameterliste:
Beschreibung:
Beispiel:
3. Funktionsrumpf:
Beschreibung:
Beispiel:
4. Funktionsdeklaration:
Beschreibung:
Beispiel:
5. Funktionsdefinition:
Beschreibung:
Beispiel:
Aufgabe 2: Stack-Frame
Gegeben sei die Funktionsdefinition
1 int m u l _ a d d ( int a , int b , int c )
2 {
3 int res ;
4 res = a * b + c ;
5 r e t u r n res ;
6 }
sowie der Funktionsaufruf i = mul add( 10, 5, -15 ). Erkl¨are anhand dieses Beispiels, was ein Stack-Frame ist und wie mit seiner Hilfe Parameter sowie Ergebnisse zwischen der aufrufenden Stelle und der Funktion ¨ubergeben werden.
Aufgabe 3: Funktionsaufruf
Erkl¨are mit eigenen Worten, was bei einem Funktionsaufrufder Reihe nach passiert. Nimm dazu als Beispiel obigen Funktionsaufruf i = mul add( 10, 5, -15 ).
1. . . .
2. . . .
3. . . .
Aufgabe 4: Funktionsabarbeitung
Gegeben sei folgendes Programm:
1 # i n c l u d e < s t d i o . h >
2
3 int f ( int a , int b )
4 {
5 int i ;
6 i = a - b ;
7 r e t u r n 2 * i ;
8 }
9
10 int m a i n ( int argc , c h a r ** a r g v )
11 {
12 int i = 4711 , j ;
13 j = f ( i , 4 7 0 0 ) ;
14 p r i n t f ( " j = % d \ n " , j ) ;
15 }
Zeichne den zur Funktionf()geh¨orenden Stack-Frame zu den angegebenen
”Zeitpunkten“:
1. Stack-Frame, wie er f¨urf() vom Compiler definiert wird:
2. Stack zu Beginn des Funktionsaufrufs (Funktionsaufruf in Zeile 13):
3. Stack w¨ahrend des Funktionsaufrufs (Ende Zeile 6):
4. Stack am Ende des Funktionsaufrufs (Ende Zeile 7):
5. Stack nach Ende des Funktionsaufrufs (Anfang Zeile 14):
6. Was wird im Hauptprogramm ausgegeben?
Teil II: Quiz
Aufgabe 1: Programmanalyse
Gegeben sei das folgende kleine Programm:
1 # i n c l u d e < s t d i o . h >
2
3 int m a x _ d i f ( int a , int b , int c , int d )
4 {
5 int d1 = a - b ;
6 int d2 = c - d ;
7 r e t u r n ( d1 > d2 ) ? d1 : d2 ;
8 }
9
10 int m a i n ( int argc , c h a r ** a r g v )
11 {
12 p r i n t f ( " m a x _ d i f = % d \ n " , m a x _ d i f ( 2 , 1 , 9 , 8 ) ) ; 13 p r i n t f ( " m a x _ d i f = % d \ n " , m a x _ d i f ( 2 , 0 , 8 , 9 ) ) ; 14 p r i n t f ( " m a x _ d i f = % d \ n " , m a x _ d i f ( 1 , 3 , -1 , -1 ) ) ; 15 p r i n t f ( " m a x _ d i f = % d \ n " , m a x _ d i f ( 10 , -13 , -2 , -10 ) ) ;
16 }
Erkl¨are in eigenen Worten, was die Funktionmax dif() macht:
Erkl¨are im Detail, was die Anweisung und der Ausdruck in Zeile 7macht und wie man sie mittels if elseformulieren w¨urde:
Welche vier Zahlen werden in den Zeilen 12-15 ausgegeben?
Wie sieht der Stack-Frame aus, der durch den Funktionsaufruf in Zeile 14 angelegt wird?
Wie sieht er am Ende von Zeile 7 unmittelbar vor dem Ende der Funktion aus?
Aufgabe 2: Verschachtelte Funktionsaufrufe
Gegeben sei folgendes Programm:
1 # i n c l u d e < s t d i o . h >
2
3 int f ( int i )
4 {
5 int j = i * 2 + 1;
6 p r i n t f ( " f : i = %3 d j = %3 d \ n " , i , j ) ;
7 r e t u r n j - i - 2;
8 }
9
10 int g ( int i )
11 {
12 int j = i * 3 - 1;
13 p r i n t f ( " g : i = %3 d j = %3 d \ n " , i , j ) ; 14 r e t u r n j - 2 * ( i - 3) ;
15 }
16
17 int m a i n ( int argc , c h a r ** a r g v )
18 {
19 int i = 1 , j = 2;
20 p r i n t f ( " m a i n : i = %3 d j = %3 d \ n " , i , j ) ; 21 i = f ( i - g ( i - j - 10) ) + f ( j + g ( i + j ) ) ; 22 j = g ( i - f ( i - j - 10) ) - g ( j + f ( i + j ) ) ; 23 p r i n t f ( " m a i n : i = %3 d j = %3 d \ n " , i , j ) ;
24 }
Welche Ausgaben werden vom Programm gemacht? Gehe davon aus, dass bei der Addition der linke Operand vor dem rechten Operanden ausgewertet wird.
Zeichne die Stack-Frames der einzelnen Funktionen, wie sie unmittelbar vor Ausf¨uhrung derprintf()-Anweisung aussehen, wenn der Ausdruck aus Zeile21ausgewertet wird (vier Stack-Frames); trage auch die sich ergebenden return-Werte ein.
Teil III: Fehlersuche
Aufgabe 1: Fehler bei der Verwendung von Funktionen
In folgendem Programm befinden sich wieder einige Fehler. Finde und korrigiere sie. Die Funktionhallo()soll zwei Parameter vom Typintbekommen und die Differenz zur¨uckge- ben, sofern der erste Parameter gr¨oßer als der zweite ist; andernfalls soll die Summe beider Parameter zur¨uckgegeben werden. Sollten Parameter fehlen, einfach welche ausdenken.
1 # i n c l u d e < s t d i o . h >
2
3 int h a l l o ( int i , j ) ;
4 [
5 if ( i > j )
6 r e t u r n i - j ;
7 e l s e r e t u r n ;
8 )
9 int m a i n ( int argc , c h a r ** a r g v )
10 {
11 p r i n t f ( " h a l l o = % d \ n " , h a l l o ( 1; 2 ) ) ; 12 p r i n t f ( " h a l l o = % d \ n " , h a l l o [ 2 , 1 ] ) ;
13 p r i n t f ( " h a l l o = % d \ n " , h a l l o { h a l l o ( 1 , 1 ) } , 4 7 1 1 ) ; 14 p r i n t f ( " h a l l o = % d \ n " , h a l l o ( 2 ) + 2 ) ;
15 }
Teil IV: Anwendungen
Aufgabe 1: Programmieren einer einfachen Funktion
1. Aufgabenstellung
Programmiere eine Funktion int my mult(), die zwei Parameter vom Typ int hat und deren Produkt als Funktionswert zur¨uckgibt. Wie immer bei solchen Aufgaben durchlaufen wir den regul¨aren Software Life Cycle.
Beispiel: Aufruf: res = my mult( 4, 5) Ausgabe: res= 20 2. Pflichtenheft: Aufgabe, Eingabe, Entwurf, Ausgabe, Sonderf¨alle
3. Testdaten
Parameter 1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameter 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ergebnis: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Implementierung
5. Kodierung
6. Stack Frame
Zeichne den Stack-Frame der Funktionmy mult( 4, 5 ), wie er vor dem Funktions- aufruf, nach der Parameter¨ubergabe (Beginn der Funktion) und bei Ausf¨uhrung der return-Anweisung (Ende der Funktion) aussieht.
Aufgabe 2: Programmieren einer weiteren Funktion
1. Aufgabenstellung
Implementiere eine Funktionint test div(), die zwei Parameter vom Typinthat und ¨uberpr¨uft, ob sich diese beiden Zahlen ohne Divisionsrest dividieren lassen. Das Ergebnis ist als Funktionswert zur¨uckzugeben. Eine Division durch Null muss nicht
¨uberpr¨uft werden (kann aber ;-)).
Beispiele:
Aufruf: test div( 4, 2 ) ⇒ 1 test div( 5, 3 ) ⇒ 0
2. Pflichtenheft: Aufgabe, Eingabe, Ausgabe, Sonderf¨alle
3. Testdaten
Parameter 1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameter 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ergebnis: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Implementierung
5. Kodierung
6. Stack Frame
Zeichne den Stack-Frame der Funktiontest div( 5, 4), wie er vor dem Funktions- aufruf, nach der Parameter¨ubergabe (Beginn der Funktion) und bei Ausf¨uhrung der return-Anweisung (Ende der Funktion) aussieht.
Aufgabe 3: Funktion mit einem Array als Parameter
Im Ausblick von Kapitel44haben wir schon gesehen, wie man ein Array an eine Funktion
¨ubergeben kann. Entsprechend ¨uben wir dies einfach ein wenig ein.
1. Aufgabenstellung
Definiere ein Array mit 15 Elementen vom Typ int. Die Elemente sollen als Wert array[ index ] = 40 - 2 * indexerhalten. Implementiere eine Funktion, die ein beliebiges Array mit Elementen vom Typ int in der Form
”Index, Wert“ ausgibt.
Rufe diese Funktion mit dem oben angelegten Array auf und vergleiche, ob die Aus- gabe mit der Initialisierung ¨ubereinstimmt.
2. Pflichtenheft: Aufgabe, Eingabe, Ausgabe, Sonderf¨alle
3. Testdaten
Keine notwendig, da das Array nur wie vorgegeben initialisiert und ausgegeben wird.
4. Implementierung
5. Kodierung
6. Stack Frame
Zeichne den Stack-Frame der Funktion print array am Ende ihrer Abarbeitung.
Ber¨ucksichtige dabei die konkreten Adressen des eigentlichen Arrays (aktueller Pa- rameter) und der Werte der formalen Parameter.
Aufgabe 4: Einfache Statistikaufgaben
Mit ein paar grundlegenden Programmierkenntnissen kann man in einfacher Weise statis- tische Parameter von Messdaten bestimmen. Stellen wir uns vor, wir haben n Messwerte x0, . . . , xn−1. Dann ist der Mittelwert ¯x definiert als: ¯x = 1nPn−1i=0 xi. Hinzu kommt noch die Standardabweichung σ, die wie folgt definiert ist:
σ =
v u u t
1 n−1
n−1
X
i=0
(xi−x)¯ 2 . 1. Aufgabenstellung
Entwickle ein Programm, dass sowohl den Mittelwert als auch die Standardabwei- chung einer gegebenen Messreihe bestimmt. Dabeik¨onnenfolgende Vorgaben ber¨uck- sichtigt werden:
1. Die Berechnung von Mittelwert und Standardabweichung sollte nach M¨oglich- keit innerhalb einer eigenen Funktion geschehen.
2. Die Daten k¨onnen bereits in einem Array vorliegen. Um das Programm aus- reichend testen zu k¨onnen, sollten gleich mehrere Arrays mit unterschiedlichen
2. Wichtiger Hinweis
Bei Verwendung mathematischer Funktionen wiesqrt() muss im Programm die Da- teimath.hmittels#include <math.h>eingebunden werden, um dem Compiler diese und andere Funktionenbekannt zu machen. Ferner muss dem Compiler zus¨atzlich die Option-lmubergeben werden (einfach ans Ende des Kommandos anh¨¨ angen), damit er die mathematische Bibliothek dazu bindet.
3. Pflichtenheft: Aufgabe, Eingabe, Ausgabe, Sonderf¨alle, Testf¨alle
4. Testdaten
Daten x¯ σ Min. Max.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Entwurf
6. Implementierung
Da die einzelnen Algorithmen mittlerweile sehr einfach sind, ersparen wir uns hier eine abstrakte algorithmische Beschreibung.
7. Kodierung
Da die vollst¨andige Implementierung l¨anger als nur ein paar Zeilen ist, versucht dies einfach auf einem extra Blatt Papier.
8. Zusatzaufgabe
Man mag es kaum glauben, aber sowohl den Mittelwert als auch die Standardab- weichung kann man gemeinsam in einem Schleifendurchlauf berechnen. Dies klingt etwas merkw¨urdig, da man doch den Mittelwert f¨ur die einzelnen Terme der Stan- dardabweichung ben¨otigt. Aber es reicht tats¨achlich aus, wenn man den Mittelwert erst ganz zum Schluss weiß. Dies bekommt man heraus, in dem man sich die Terme der Standardabweichung etwas genauer anschaut und alles ein wenig umformt. Die Interessierten finden hierzu ein paar Infos auf der Webseite und k¨onnen bzw. sollten versuchen, dies umzusetzen.
