Vorbereitung 27.5.2025

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20250527/ad-20250527.tex

+% ad-20250527.pdf - Lecture Slides on Algorithms and Data Structures in C/C++
+% Copyright (C) 2018-2024, 2025  Peter Gerwinski
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+
+% README: C++: Templates, Container-Templates, Exceptions, Typ-Konversionen, intelligente Zeiger
+
+\documentclass[10pt,t]{beamer}
+
+\usepackage{pgslides}
+\usepackage{tikz}
+%\usepackage{rotating}
+
+\newcommand{\underconstruction}{%
+  \begin{picture}(0,0)
+    \color{black}
+    \put(6,-2.2){\makebox(0,0)[b]{\includegraphics[width=1.5cm]{Zeichen_123.pdf}}}
+    \put(6,-2.5){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{Änderungen\\vorbehalten}}}
+  \end{picture}}
+
+\title{Algorithmen und Datenstrukturen in C/C++}
+\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski}
+\date{27.\ Mai 2025}
+
+\begin{document}
+
+\maketitleframe
+
+\nosectionnonumber{\inserttitle}
+
+\begin{frame}
+
+  \shownosectionnonumber
+
+  \begin{itemize}
+    \item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
+      \hfill\makebox(0,0)[br]{\raisebox{2.25ex}{\url{https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/ad}}}
+    \item[\textbf{2}] \textbf{Arrays und Zeiger für Fortgeschrittene}
+    \item[\textbf{3}] \textbf{Langzahl-Arithmetik}
+    \item[\textbf{4}] \textbf{Kryptographie und Fehlerbehandlung}
+    \item[\textbf{5}] \textbf{Einführung in C++}
+      \begin{itemize}
+        \vspace{-\smallskipamount}
+        \item[\textbf{\dots}]
+        \color{medgreen}
+%        \item[5.0] Was ist C?
+%        \item[5.1] Was ist C++?
+%        \underconstruction
+%        \item[5.2] Elementare Neuerungen in C++ gegenüber C
+%        \item[5.3] Referenz-Typen
+%        \item[5.4] Überladbare Operatoren und Funktionen
+%        \item[5.5] Namensräume
+        \color{medgreen}
+        \item[5.6] Objekte
+        \item[5.7] Strings
+        \color{red}
+        \item[5.8] Templates
+        \item[5.9] Container-Templates
+        \item[5.10] Exceptions
+        \item[5.11] Typ-Konversionen
+        \item[5.12] Intelligente Zeiger
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{6}] \textbf{Datenorganisation}
+    \vspace{-\smallskipamount}
+    \item[\textbf{\dots}]
+  \end{itemize}
+  \vspace*{-1cm}
+
+\end{frame}
+
+\setcounter{section}{4}
+\section{Einführung in C++}
+\addtocounter{subsection}{5}
+\subsection{Objekte}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+  \begin{center}
+    \begin{minipage}{5cm}
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        ¡struct TBase
+        {
+        };¿
+      \end{lstlisting}
+    \end{minipage}\\[0.5cm]
+    \begin{minipage}{6cm}
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        ¡struct TInteger: public TBase
+        {
+          int content;
+        };¿
+      \end{lstlisting}
+    \end{minipage}
+    \begin{minipage}{5cm}
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        ¡struct TString: public TBase
+        {
+          char *content;
+        };¿
+      \end{lstlisting}
+    \end{minipage}
+  \end{center}
+\end{frame}
+
+\subsubsection{Zugriffsrechte}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+  \showsubsubsection
+  \begin{itemize}
+    \item
+      \lstinline{public}, \lstinline{private}, \lstinline{protected}\\[\smallskipamount]
+      nicht nur Bürokratie, sondern auch Kapselung\\
+      (Maßnahme gegen "`Namensraumverschmutzung"')
+    \medskip
+    \item
+      \lstinline{struct}: standardmäßig \lstinline{public}\\[\smallskipamount]
+      \lstinline{class}: standardmäßig \lstinline{private}
+    \medskip
+    \item
+      \lstinline{friend}-Funktionen und -Klassen
+    \medskip
+    \item
+      Klasse als Namensraum:\\
+      \lstinline{static}-"`Member"'-Variable\\
+      \lstinline{static}-"`Methoden"'\\
+      Deklarationen von z.\,B.\ Konstanten und Typen
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsubsection{Konstruktoren und Destruktoren}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+  \showsubsubsection
+  \begin{itemize}
+    \item
+      leerer Standard-Konstrutor
+    \item
+      \newterm{Copy-Konstruktor}
+    \item
+      Konstruktor-Aufruf als "`Initialisierung"'
+    \item
+      Konstruktor-Aufruf mit \lstinline{new}\\
+      Destruktor-Aufruf mit \lstinline{delete}
+    \item
+      automatischer Destruktor-Aufruf\\
+      beim Verlassen des Gültigkeitsbereichs
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsection{Strings}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+  \begin{itemize}
+    \item
+      \lstinline{#include <string>}
+    \item
+      String-Klasse
+    \item
+      String-Konstante sind \lstinline{const char *}
+    \item
+      C-kompatiblen String extrahieren: \lstinline{c_str ()}
+    \item
+      In String schreiben: \lstinline{#include <sstream>}, \lstinline{ostringstream}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsection{Templates}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+  Anwendung desselben Quelltextes auf verschiedene Datentypen
+  \begin{itemize}
+    \item
+      \lstinline{template <typename x> ...}
+    \item
+      \lstinline{template <class x> ...}
+  \end{itemize}
+  \pause
+  Vorsicht: Fehler werden erst bei Instantiierung erkannt!
+  \pause
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Template-Spezialisierung:\\
+      \lstinline{template <> foo <int> ...}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsection{Container-Templates}
+
+\begin{frame}
+%  \showsection
+  \showsubsection
+  \vspace*{-0.25cm}
+  \begin{tabular}{ll}
+    \lstinline|array| & Array mit fester Größe \\
+    \lstinline|bitset| & festes Array von Bits (Booleans) \\
+    \lstinline|vector| & dynamisches Array \\
+    \lstinline|vector <bool>| & dynamisches Bit-Array \\
+    \lstinline|forward_list| & einfach-verkettete Liste \\
+    \lstinline|list| & doppelt-verkettete Liste \\
+    \lstinline|set| & binärer Baum \\
+    \lstinline|multiset| & mehrfache Elemente zulässig \\
+    \lstinline|unordered_set| & Hash-Tabelle \\
+    \lstinline|unordered_multiset| & mehrfache Elemente zulässig \\
+    \lstinline|map| & binärer Baum mit separaten Schlüsselwerten \\
+    \lstinline|multimap| & mehrere Elemente pro Schlüssel \\
+    \lstinline|unordered_map| & Hash-Tabelle mit separaten Schlüsselwerten \\
+    \lstinline|unordered_multimap| & mehrere Elemente pro Schlüssel \\
+    \lstinline|stack| & Stack \\
+    \lstinline|queue| & FIFO \\
+    \lstinline|deque| & \emph{\textbf{d}ouble-\textbf{e}nded \textbf{que}ue} \\
+    \lstinline|priority_queue| & geordneter Push-Pop-Container
+  \end{tabular}\\[3pt]
+  \url{https://cplusplus.com/reference/stl/}
+  \vspace*{-1cm}
+\end{frame}
+
+\subsubsection{Iteratoren}
+
+\begin{frame}[fragile]
+%  \showsection
+  \showsubsection
+  \showsubsubsection
+
+  Pointer-Arithmetik:
+  \medskip
+  \begin{lstlisting}
+      int prime[5] = { 2, 3, 5, 7, 11 };
+      for (int *p = prime; p != prime + 5; p++)
+        std::cout << *p << std::endl;
+  \end{lstlisting}
+
+  \bigskip
+  Iterator als Verallgemeinerung:
+  \medskip
+  \begin{lstlisting}
+      std::array <int, 5> prime = { { 2, 3, 5, 7, 11 } };
+      for (std::array <int, 5>::iterator p = prime.begin (); p != prime.end (); p++)
+        std::cout << *p << std::endl;
+  \end{lstlisting}
+\end{frame}
+
+\subsection{Exceptions}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+  \begin{lstlisting}
+    try
+    {
+      ...
+      throw <value>;
+      ...
+    }
+    catch (<type> <variable>)
+    {
+      ...
+    }
+    catch ...
+  \end{lstlisting}
+  \vspace*{-4.6cm}\hspace*{5cm}
+  \begin{minipage}{7cm}
+    \begin{itemize}
+      \item
+        Nach den \lstinline{catch()}-Statements wird,
+        soweit nicht anders programmiert, das Programm fortgesetzt.
+      \medskip
+      \item
+        \lstinline{throw;} (ohne Wert):\\
+        an übergeordneten Exception-Handler weiterreichen
+      \medskip
+      \item
+        C-Äquivalent:\\
+        \lstinline{setjmp()}, \lstinline{longjmp()}
+      \medskip
+      \item
+        speziell für \lstinline{<type>}:\\
+        Nachfahren von \lstinline{class exception}
+      \medskip
+      \item
+        veraltet:\\
+        \newterm{dynamic exception specifications}
+    \end{itemize}
+  \end{minipage}
+\end{frame}
+
+\subsection{Typ-Konversionen}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+
+  \begin{itemize}
+    \item
+      In C:
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        char *hello = "Hello, world!";
+        uint64_t address = (uint64_t) hello;
+        printf ("%" PRIu64 "\n", address);
+      \end{lstlisting}
+    \smallskip
+    \item
+      alternative Syntax in C++:
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        char *hello = "Hello, world!";
+        uint64_t address = uint64_t (hello);
+        cout << address << endl;
+      \end{lstlisting}
+    \smallskip
+    \item
+      zusätzlich in C++:\\
+      implizite und explizite Typumwandlung zwischen Zeigern auf Klassen\\
+      \lstinline{dynamic_cast<>()}\\
+      \lstinline{static_cast<>()}\\
+      \lstinline{reinterpret_cast<>()}\\
+      \lstinline{const_cast<>()}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+
+  \url{https://www.cplusplus.com/doc/tutorial/typecasting/}
+
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Zuweisung: Zeiger auf abgeleitete Klasse an Zeiger auf Basisklasse\\
+      \textarrow\ implizite Typumwandlung möglich
+    \smallskip
+    \item
+      Zuweisung: Zeiger auf Basisklasse an Zeiger auf abgeleitete Klasse\\
+      \textarrow\ nur explizite Typumwandlung möglich:\\
+      \hspace*{0.76cm}\lstinline{dynamic_cast<>()}, \lstinline{static_cast<>()}
+    \smallskip
+    \item
+      implizite Typumwandlungen in der Klasse definieren:
+      \begin{itemize}
+        \item
+          Initialisierung durch Konstruktor
+        \item
+          Zuweisungs-Operator
+        \item
+          Typumwandlungsoperator
+      \end{itemize}
+    \smallskip
+    \item
+      implizite Typumwandlungen ausschalten:\\
+      Schlüsselwort \lstinline{explicit}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+
+  \url{https://www.cplusplus.com/doc/tutorial/typecasting/}
+
+  \begin{itemize}
+    \item
+      \lstinline{dynamic_cast<>()}\\
+      Zuweisung: Zeiger auf Basisklasse an Zeiger auf abgeleitete Klasse\\
+      explizite Typumwandlung mit Prüfung, ggf.\ Exception
+    \smallskip
+    \item
+      \lstinline{static_cast<>()}\\
+      Zuweisung: Zeiger auf Basisklasse an Zeiger auf abgeleitete Klasse\\
+      explizite Typumwandlung ohne Prüfung
+    \smallskip
+    \item
+      \lstinline{reinterpret_cast<>()}\\
+      Typumwandlung ohne Prüfung zwischen Zeigern untereinander\\
+      und zwischen Zeigern und Integer-Typen
+    \smallskip
+    \item
+      \lstinline{const_cast<>()}\\
+      "`\lstinline{const}"' ein- bzw.\ ausschalten
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsection{Intelligente Zeiger}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+
+  \textbf{Warum?}
+  \begin{itemize}
+    \item
+      bereits freigegebene Zeiger werden u.\,U.\ weiterhin verwendet
+    \item
+      Speicherlecks
+    \item
+      uninitialisierte Zeiger
+  \end{itemize}
+
+  \medskip
+
+  \begin{itemize}
+    \item
+      \lstinline{shared_ptr}
+    \item
+      \lstinline{weak_ptr}
+    \item
+      \lstinline{unique_ptr}
+    \item
+      \lstinline{move()}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+
+  \textbf{Wie?}
+  \begin{itemize}
+    \item
+      R-Wert-Referenztypen: \lstinline{&&}
+    \item
+      \lstinline{move()}-Funktion
+  \end{itemize}
+
+  \bigskip
+
+  Literatur:
+  \begin{itemize}
+    \item
+      \url{http://thbecker.net/articles/rvalue_references/section_01.html}
+    \item
+      \url{http://www.artima.com/cppsource/rvalue.html}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\end{document}

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