Tietorakenteet ja C-kieliTietorakenteet ja C-kieliTkT Jarno Mielikäinen

e-mail: Jarno.Mielikainen@lut.fiVastaanotto: ke 11-12

LuennotLuennot

Noudattavat Lasse Lensun luentomonistetta, josta tulee korjattu versio lähiaikoina

Mahdollisista eroavaisuuksista kerrotaan kurssin kotisivuilla

To 16-17:45 Pe 12-13 Luentoviikot 1-4: C-kieli Luentoviikot 5-7: tietorakenteita Loput: algoritmeja

HarjoituksetHarjoitukset

EI pakolliset, mikroluokassa 6325 ti 16-18, 18:00-19:30, ke 12-14

to 8.30-10, 10-12, 12-14, pe 10-12Olennainen osa oppimistaKokeile, jos et osaa, kysyRatkaisut annetaan, jos et ymmärrä, kysyJos löydät vaihtoehtoisen/paremman

ratkaisun, kerro

HarjoitustyötHarjoitustyöt

1. harjoitustyö 3. periodin lopussa2. harjoitustyö 4. periodin lopussa

TentitTentit

1. välikoe 5.3 klo 162. välikoe 7.5 klo 16Tentti 14.5 klo 16

n Alpha 21164A533MHz,C-kieli,

kuutiollinen algoritmi

TRS-80,2.03 MHz

Basic,lineaarinenalgoritmi

10 0.6 s 200 ms

100 0.6 ms 2.0 s

1000 0.6 s 20 s

10000 10 min 3.2 min

100000 7 päivää 32 min

1000000 19 vuotta 5.4 h

Kurssin tavoitteet: C-kieliKurssin tavoitteet: C-kieli

C-kielisten ohjelmien luku ja kirjoitustaidot

Ymmärrät kaikki C:n rakenteetOsoittimien (pointterien) käyttötaitoYleiskatsaus kirjastofunktioihinTietoinen C:n sudenkuopista

Kurssin tavoitteet: Kurssin tavoitteet: tietorakenteettietorakenteet

Yleisempien tietorakenteiden tuntemus:taulukot, pinot, jonot, listat, puut, keot ja graafit

Tietorakenteen valinta käytettävien operaatioiden perusteella (lisääminen, poistaminen, jne.)

Kurssin tavoitteet: algoritmitKurssin tavoitteet: algoritmit

Johdattelua algoritmien kompleksisuus analyysiin

LajittelualgoritmejaHakualgoritmeja

Miksi C-kieli?Miksi C-kieli?

C-kielen data-tyypit ja operaatiot vastaavat laitteistotason tarjoamia

Ohjelmat ovat hyvin siirrettävissä toisiin laitteisto- ja käyttöjärjestelmäympäristöihin

Yleisesti käytössäLinux, Apache, gcc, jne.MISRA C, http://www.misra.org.uk/NVIDIA:n Cg, DX9:n HLSL, OpenGL

2.0:n shader kielet, BrookGPU

C-kielen historiaC-kielen historia

Kernigan & Ritchie (K&R), 1972ISO/IEC 9899-1990 (C89, ANSI C)ISO/IEC 9899-1999 (C99)Tällä kurssilla käsitellään C89:ä

#include <stdio.h>

int main(void){ printf(”Tervetuloa kurssille!\n”); return 0; /* paluuarvo == 0 OK */}

Pääohjelma

C-OhjelmaC-Ohjelma

”Loppu”

”Alku”

Kertoo kääntäjälle syöttö- ja tulostusfunktioista (printf + muut)

MerkkijonovakiotMerkkijonovakiot

Ympäröidään lainausmerkeillä Vie muistitilaa merkkien lukumäärän verran + 1,

jonka vie merkkijonon päättävä merkki ’\0’ Voidaan jatkaa toiselle riville

”merkki””jono”tai”merkki\jono”

Kenoviivalla voidaan myös jatkaa mitä tahaansa tekstiä toiselle riville

MuuttujatMuuttujat

Muuttujat on määriteltävä ennen käyttöä, välittömästi ’{’:n jälkeen

Muuttujan nimi alkaa kirjaimella(a-z, A-Z)Seuraavat merkit voivat olla kirjaimia tai

’_’ tai numeroita (0-9)Muuttujanimen maksimipituus 31 merkkiäNimet ’A’ ja ’a’ eivät ole samat

MuistimääritteetMuistimääritteet

Määrite Tarkoitus

auto Muutujat ovat oletusarvoisesti tällaisia

const Muuttujan arvo on vakio

register Vihje kääntäjälle viittauksien nopeuttamiseksi

extern Muuttujan määritelmä löytyy muualta

static Muuttuja on olemassa ohjelman suorituksen ajan

typedef Tyyppimäärittely

volatile Arvo voi muuttua ulkoisista syistä

C-kielen varatut sanatC-kielen varatut sanat

auto double int struct

break else long switch

case enum register typedef

char extern return union

const float short unsigned

continue for signed void

default goto sizeof volatile

do if static while

KokonaislukutietotyypitKokonaislukutietotyypitTyyppi Tulkinta Tavutchar Yksittäinen merkki 1signed char etumerkillinen merkki 1unsigned char etumerkitön merkki 1short int lyhyt kokonaisluku väh. 2unsigned short etumerkitön kokonaisluku väh. 2int kokonaisluku väh. 2unsigned int etumerkitön kokonaisluku väh. 2long int pitkä kokonaisluku väh. 4unsigned long etumerkitön pitkä

kokonaislukuväh. 4

GNU Compiler Collection(GCC)GNU Compiler Collection(GCC)

GCC, http://gcc.gnu.org/, on käytössä ainakin koulun Unix koneissa

Käyttö:gcc –ansi –Wall –okohde lahde.cmissä kohde on ajettavan ohjelman nimi jalahde.c lähdetiedoston nimi

käännetty ohjelma ajetaan:./kohde

LiukulukutyypitLiukulukutyypit

Tyyppi Tulkinta

float liukuluku

double kaksoistarkkuudenliukuluku

long double vielä tarkempiliukuluku

VakiotVakiot

. tai E:n sisältävät luvut ovat tyyppiä double

F numeron perässä määrittää floatinTyypille long double lisää LMuutoin luku on tyyppiä intKokonaisluvuille L määrittää

tyypin long int

-1.2325E+34

c:n E+X tarkoittaa 10+X

-1.23F25E+34F

-1.23L25E+34L

1232534

123L2534L

Liukulukuja ei vertailla näinLiukulukuja ei vertailla näin

#include <stdio.h>int main(void){ float a=1.345,b=1.123,c; c=a+b; if (c == 2.468) printf("Yhtäsuuret\n"); else printf("Erisuuret! c:n arvo on %13.10f, tai%f\n",c,c);}

Yhtäsuuruuden testaamiseen käytetään == operaattoria

% leveys . tarkkuus f, määrittää tulostuskentän leveyden ja liukuluvun tarkkuuden

Liukulukujen vertailuaLiukulukujen vertailua

#include <stdio.h>#define EPSILON 0.0001int main(void){ float a=1.345,b=1.123,c; c=a+b; if (abs(c-2.468)<EPSILON) printf("Yhtäsuuret\n"); else printf("Erisuuret! c:n arvo on %13.10f, tai%f\n",c,c);}

abs() on itseisarvofunktio

EPSILON korvataan 0.0001:lläennen varsinaista käännöstä

C:n operaattoritC:n operaattorit

VertailuoperaattoritAritmeettiset operaattoritBittitason operaattoritSijoitusoperaattoritsizeof operaattoriEhtolausekeTyyppimuunnos

VertailuoperaatoreitaVertailuoperaatoreita

suurempi kuin >suurempi tai yhtäsuuri kuin >=pienempi kuin <pienempi tai yhtäsuuri kuin <=yhtäsuuri ==erisuuri !=looginen ja &&looginen tai ||kääntää totuusarvon !

VertailuaVertailua

#include <stdio.h>

int main(void){ int a=3; const int alaraja=3; const int ylaraja=7;

if(a<ylaraja && a>=alaraja) printf("%i <= a < %i\n", alaraja, ylaraja);}

luodaan kokonaislukuvakiot

alaraja <= a < ylaraja

Short-Circuit EvaluationShort-Circuit EvaluationEnsimmäinen epätosi &&-operaatorin

yhdistämä lauseke päättää evaluoinnin

int a=0, b=1, c=2; if((b=a) && (b=c+2)) printf("Ihme\n");

b saa arvoksi 0:n ei 2+2=4koska (b=a) on epätosi eli nolla

Ensimmäinen tosi ||-operaatorin yhdistämä lauseke päättää evaluoinnin

int b=1, c=2; if(!((b=c) || (b=c+2))) printf("Ihme\n");b saa arvoksi 2:n ei 2+2=4

koska (b=c) on tosi eli ei-nolla

Aritmeettiset operaattoritAritmeettiset operaattorit

yhteenlasku +vähennyslasku -kertolasku *jakolasku /jakojäännös (kokonaisluvuille) %

int x=23,y=2; float z;z=x/y; /* z == 11 */

Jakolasku suoritetaan tyypille int, jonka jälkeentulos sijoitetaan tyyppiin float

Tapahtuu implisiittinen tyyppimuunnos

TyyppimuunnoksetTyyppimuunnokset

Lausekkeessa olevat eri tyyppiset tietotyypit muutetaan samaksi ennen lausekkeen arvon laskentaa

Implisiittisessä tyyppimuunnoksessa”alempi” korotetaan ”ylemmäksi”esim. int -> float

int x=23;float y=2, z;

z=x/y; /* z == 11.5 */

Eksplisiittinen tyyppimuunnosEksplisiittinen tyyppimuunnos

Muoto: (tyyppi) lauseke

int x=23,y=2; float z;

z=(float)x/y; /* z == 11.5 */

Ekspliittisen tyyppi-muunnoksen käyttö selkeyttää koodia

int a=2;float b, c=4;b=(float)a+c; /* b = a+c */

++ ja -- operaattorit++ ja -- operaattorit

++ lisää muuttujan arvoa yhdellä-- vähentää yhdenoperaattori muuttujan nimen edessä (++a):

ensin muutetaan arvoa ja sitten lasketaan lausekkeen arvo

operaattori nimen perässä (a--): ensin lasketaan lausekkeen arvo ja sitten muutetaan arvoa int x=1,y=2;

x=y++; /* x==2, y==3 */x=--y; /* x==2, y==2 */

LukujärjestelmätLukujärjestelmät

Kymmenjärjestelmä:13.5610 = 1*101+3*100+ 5*10-1+ 6*10-2

Binääriluvut:011011112=0*27+1*26+1*25+0*24+1*23+1*22+1*21+1*20=11110

Sama heksadesimaalimuodossa:0110 1111 6 F6F16

A=1010, B=1110, C=1210

D=1310, E=1410, F=1510

Bittien käsittely operaattoritBittien käsittely operaattoritA 01011111

B 11110101

Biteittäin suoritettava ja (AND) A & B 01010101

Biteittäin suoritettava tai (OR) A | B 11111111

Biteittäin suoritettava poissulkeva tai (XOR)

A ^ B 10101010

Siirto vasemmalle biteittäin A << 1 10111110

Siirto oikealle biteittäin B >> 2 00110111

Yhden komplementti (kääntää bitit) ~A 10100000

Bittioperaatioiden käytöstäBittioperaatioiden käytöstä |-operaatiota käytetään

bittien päälle laittamiseen

^ -operaatiota käytetään bittien tilan vaihtamiseen

&-operaatiolla voidaan nollata halutut bitit

luku 11110000

maski 00110011luku^maski 11000011

luku 11110000

maski 00110011luku|maski 11110011

luku 11110000

maski 00110011luku&maski 00110000

Bittien käsittelyäBittien käsittelyä

#include <stdio.h>tulosta_bitit(char str[], unsigned char c);int main(void){unsigned char a=0x5F, b=0xF5;tulosta_bitit("a", a);tulosta_bitit("b", b);tulosta_bitit("a & b", a & b); tulosta_bitit("a && b", a && b);

Bittitason ja (AND)

Looginen ja operaatio

Etuliitteellä 0x merkitään heksadesimaalilukuja

Bittien käsittelyä IIBittien käsittelyä II

tulosta_bitit("a | b", a | b); tulosta_bitit("a ^ b", a ^ b);tulosta_bitit("a << 1", a << 1);tulosta_bitit("a >> 2", a >> 2);tulosta_bitit("~a", ~a); return 0;}

Bittitason tai (OR)

Bittitason poissulkeva tai (XOR)

Yhden komplementti (kääntää bitit)

Bittien tulostusBittien tulostus

tulosta_bitit(char str[], unsigned char c){ int bitti; printf("%s:\t", str); for(bitti = 7; bitti >= 0; bitti--) { if((c & (1 << bitti )) != 0 ) printf( "1" ); else printf( "0" ); } printf("\n");}

SijoitusoperaattoritSijoitusoperaattorit

+= -= *= /= %=

&= |= ^= <<= >>=

Seuraaville sijoitusoperaattoreille

(lauseke1) = (lauseke1) operaattori (lauseke2)tiivistetty muoto onlauseke1 operaattori=lauseke2

X*=(Y+Z);

X=X*(Y+Z);

Sijoitusoperaattorin ’=’ lisäksi löytyy joukko tiivistettyjäsijoitusoperaattoreita

sizeof operaattori ja ehtolausekesizeof operaattori ja ehtolauseke

sizeof operaattori antaa muuttujan viemän tilan tavuina, kaksi muotoa:sizeof(tyyppi)

sizeof muutuja lauseke1 ? lauseke2 : lauseke3

jos laukeke1 on tosi koko lausekkeen arvoon lauseke2 muutoin lauseke3

Z=(X>Y)?X:Y;

if(X>Y) Z=X; else Z =Y;

Tärkeysjärjestys/assosiatiivisuus Tärkeysjärjestys/assosiatiivisuus taulukkotaulukko

Operaattori Assosiatiivisuus

() [] -> . vasemmalta oikealle

~ ++ -- - (tietotyyppi) * & sizeof oikealta vasemmalle

* / % vasemmalta oikealle

+ - vasemmalta oikealle

<< >> vasemmalta oikealle

< <= > >= vasemmalta oikealle

== != vasemmalta oikealle

& vasemmalta oikealle

^ vasemmalta oikealle

| vasemmalta oikealle

&& vasemmalta oikealle

|| vasemmalta oikealle

?: oikealta vasemmalle

= += -= *= /= %= &= |= ^= <<= >>= oikealta vasemmalle

, vasemmalta oikealle

Operaattoreiden Operaattoreiden tärkeysjärjestystärkeysjärjestys

a=c==4;a=(c==4)

Sulkujen käyttö selkeyttää järjestystä a=b+=c;

a=(b+=c);

2*5%3(2*5)%3

== tärkeämpi kuin =

= ja += yhtätärkeitäassosiatiivisuus oikealta vasemmalle

* ja % yhtätärkeitäassosiatiivisuus vasemmaltaoikealle

(2*5)%3 == 1

Itsemääritellyt tietotyypitItsemääritellyt tietotyypit

Määrite Tarkoitus

enum Määrittelee nimettyjä kokonaisluku vakioita

struct Joukko tietotyyppejä

union Joukko vaihtoehtoisia tietotyyppejä

enum luku {nolla, yksi, kaksi}; enum luku l=yksi;

Tietueet (structure)Tietueet (structure) struct paivays{ int paiva; int kuukausi; int vuosi; }; struct paivays paiva1={15, 1, 2004}, paiva2;

Ei voi sisältää struct paivaystyyppistä muuttujaa

Tietoalkioiden ryhmittelyynUseiden arvojen palauttamiseen funktiostaLinkitettyjen listojen rakentamiseen

UnionUnion

union U{ double d; char c[2]; int i; }

d (8 tavua)

c (2)

i (4 tavua)

Kaksi lähdekooditiedostoaKaksi lähdekooditiedostoa#include <stdio.h>

extern int lisaa(int);

int main(void){ int a = 0; a = lisaa(a); printf("a = %i\n", a); a = lisaa(a); printf("a = %d\n", a); return 0; }

Toisessa lähdekooditiedostossa määritellyn funktion esittely

Funktion paluuarvo muuttaa pääohjelman muuttujan arvoa

printf():n parametri %d tai %i tulostaa kokonaisluvun

Funktion lisaa() määrittelyFunktion lisaa() määrittelyint lisaa(int i) { static int j = 1; return i + (j++); }

Muuttuja j on staattinen eli olemassa koko ohjelman

suorituksen ajan. Ensimmäisellä kutsukerralla funktio

alustaa muuttujan j arvoon ’1’.

j:tä kasvatetaan yhdellä paluuarvonmääräämisen jälkeen