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Commit c38edbc0 authored by Peter Gerwinski's avatar Peter Gerwinski
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Musterlösung 5.11.2018

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#include <string.h>
int fun_1 (char *s)
{
int x = 0;
for (int i = 0; i < strlen (s); i++)
x += s[i];
return x;
}
int fun_2 (char *s)
{
int i = 0, x = 0;
int len = strlen (s);
while (i < len)
x += s[i++];
return x;
}
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% hp-musterloesung-20181105.pdf - Solutions to the Exercises on Low-Level Programming / Applied Computer Sciences
% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018 Peter Gerwinski
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% This document is free software: you can redistribute it and/or
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% Attribution-ShareAlike 3.0 License, or under the terms of the
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% Foundation, either version 3 of the License, or (at your option)
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% but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
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% along with this document. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
%
% You should have received a copy of the Creative Commons
% Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License along with this
% document. If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
% README: Ausgabe von Hexadezimalzahlen, Einfügen in Strings, Länge von Strings
\documentclass[a4paper]{article}
\usepackage{pgscript}
\begin{document}
\section*{Hardwarenahe Programmierung\\
Musterlösung zu den Übungsaufgaben -- 5.\ November 2018}
\exercise{Ausgabe von Hexadezimalzahlen}
Schreiben Sie eine Funktion \lstinline{void print_hex (uint32_t x)},
die eine gegebene vorzeichenlose 32-Bit-Ganzzahl \lstinline{x}
als Hexadezimalzahl ausgibt.
(Der Datentyp \lstinline{uint32_t} ist mit \lstinline{#include <stdint.h>} verfügbar.)
Verwenden Sie dafür \emph{nicht\/} \lstinline{printf()} mit
der Formatspezifikation \lstinline{%x} als fertige Lösung,
sondern programmieren Sie die nötige Ausgabe selbst.
(Für Tests ist \lstinline{%x} hingegen erlaubt und sicherlich nützlich.)
Die Verwendung von \lstinline{printf()}
mit anderen Formatspezifikationen wie z.\,B.\ \lstinline{%d}
oder \lstinline{%c} oder \lstinline{%s} ist hingegen zulässig.
\points{8}
(Hinweis für die Klausur: Abgabe auf Datenträger ist erlaubt und erwünscht,
aber nicht zwingend.)
\solution
Um die Ziffern von \lstinline{x} zur Basis 16 zu isolieren,
berechnen wir \lstinline{x % 16} (modulo 16 = Rest bei Division durch 16)
und dividieren anschließend \lstinline{x} durch 16,
solange bis \lstinline{x} den Wert 0 erreicht.
Wenn wir die auf diese Weise ermittelten Ziffern direkt ausgeben,
sind sie \emph{Little-Endian}, erscheinen also in umgekehrter Reihenfolge.
Die Datei \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-1.c} setzt diesen Zwischenschritt um.
Die Ausgabe der Ziffern erfolgt in \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-1.c}
über \lstinline{printf ("%d")}
für die Ziffern 0 bis 9. Für die darüberliegenden Ziffern
wird der Buchstabe \lstinline{a} um die Ziffer abzüglich 10 inkrementiert
und der erhaltene Wert mit \lstinline{printf ("%c")} als Zeichen ausgegeben.
Um die umgekehrte Reihenfolge zu beheben,
speichern wir die Ziffern von \lstinline{x}
in einem Array \lstinline{digits[]} zwischen
und geben sie anschließend in einer zweiten Schleife
in umgekehrter Reihenfolge aus (siehe \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-2.c}).
Da wir wissen, \lstinline{x} eine 32-Bit-Zahl ist
und daher höchstens 8 Hexadezimalziffern haben kann,
ist 8 eine sinnvolle Länge für das Ziffern-Array \lstinline{digits[8]}.
Nun sind die Ziffern in der richtigen Reihenfolge,
aber wir erhalten zusätzlich zu den eigentlichen Ziffern führende Nullen.
Da in der Aufgabenstellung nicht von führenden Nullen die Rede war,
sind diese nicht verboten; \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-2.c} ist daher
eine richtige Lösung der Aufgabe.
\breath
Wenn wir die führenden Nullen vermeiden wollen,
können wir die \lstinline{for}-Schleifen durch \lstinline{while}-Schleifen ersetzen.
Die erste Schleife zählt hoch, solange \lstinline{x} ungleich 0 ist;
die zweite zählt von dem erreichten Wert aus wieder herunter
-- siehe \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-3.c}.
Da wir wissen, daß die Zahl \lstinline{x} höchstens 32 Bit,
also höchstens 8 Hexadezimalziffern hat,
wissen wir, daß \lstinline{i} höchstens den Wert 8 erreichen kann,
das Array also nicht überlaufen wird.
Man beachte, daß der Array-Index nach der ersten Schleife "`um einen zu hoch"' ist.
In der zweiten Schleife muß daher \emph{zuerst\/} der Index dekrementiert werden.
Erst danach darf ein Zugriff auf \lstinline{digit[i]} erfolgen.
\breath
Alternativ können wir auch mitschreiben,
ob bereits eine Ziffer ungleich Null ausgegeben wurde,
und andernfalls die Ausgabe von Null-Ziffern unterdrücken
-- siehe \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-4.c}.
\breath
Weitere Möglichkeiten ergeben sich, wenn man bedenkt,
daß eine Hexadezimalziffer genau einer Gruppe von vier Binärziffern entspricht.
Eine Bitverschiebung um 4 nach rechts
ist daher dasselbe wie eine Division durch 16,
und eine Und-Verknüpfung mit 15$_{10}$ = f$_{16}$ = 1111$_2$
ist dasselbe wie die Operation Modulo 16.
Die Datei \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-5.c} ist eine in dieser Weise abgewandelte Variante
von \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-3.c}.
Mit dieser Methode kann man nicht nur auf die jeweils unterste Ziffer,
sondern auf alle Ziffern direkt zugreifen.
Damit ist kein Array als zusätzlicher Speicher mehr nötig.
Die Datei \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-6.c} setzt dies auf einfache Weise um.
Sie gibt wieder führende Nullen mit aus,
ist aber trotzdem eine weitere richtige Lösung der Aufgabe.
Die führenden Nullen ließen sich auf die gleiche Weise vermeiden
wie in \gitfile{hp}{20181105}{loesung-1-4.c}.
Die Bitverschiebungsmethode hat den Vorteil,
daß kein zusätzliches Array benötigt wird.
Auch wird die als Parameter übergebene Zahl \lstinline{x} nicht verändert,
was bei größeren Zahlen, die über Zeiger übergeben werden, von Vorteil sein kann.
Demgegenüber steht der Nachteil,
daß diese Methode nur für eine ganze Anzahl von Bits funktioniert,
also für Basen, die Zweierpotenzen sind (z.\,B.\ 2, 8, 16, 256).
Für alle anderen Basen (z.\,B.\ 10) eignet sich nur die Methode
mit Division und Modulo-Operation.
\exercise{Einfügen in Strings}
Wir betrachten das folgende Programm (\file{aufgabe-2.c}):
% \begin{lstlisting}[style=numbered]
\begin{lstlisting}
#include <stdio.h>
#include <string.h>
void insert_into_string (char src, char *target, int pos)
{
int len = strlen (target);
for (int i = pos; i < len; i++)
target[i+1] = target[i];
target[pos] = src;
}
int main (void)
{
char test[100] = "Hochshule Bochum";
insert_into_string ('c', test, 5);
printf ("%s\n", test);
return 0;
}
\end{lstlisting}
Die Ausgabe des Programms lautet:
\lstinline[style=terminal]{Hochschhhhhhhhhhh}
\begin{enumerate}[\quad(a)]
\item
Erklären Sie die Ausgabe.
\points{3}
% \workspace{12}
\item
Schreiben Sie die Funktion \lstinline|insert_into_string()| so um,
daß sie den Buchstben \lstinline{src} an der Stelle \lstinline{pos}
in den String \lstinline{target} einfügt.\par
Die Ausgabe des Programms müßte dann
\lstinline[style=terminal]{Hochschule Bochum} lauten.
\points{2}
% \workspace{13}
\item
Was kann passieren, wenn Sie die Zeile
\lstinline{char test[100] = "Hochshule Bochum";}\\
durch
\lstinline{char test[] = "Hochshule Bochum";}
ersetzen und warum?
\points{2}
% \workspace{10}
\item
Was passiert, wenn Sie
\lstinline{char test[100] = "Hochshule Bochum";}\\
durch
\lstinline{char *test = "Hochshule Bochum";}
ersetzen und warum?
\points{2}
% \workspace{10}
% \item
% Schreiben Sie eine Funktion
% \lstinline{void insert_into_string_sorted (char src, char *target)},
% die voraussetzt, daß der String \lstinline{target} alphabetisch sortiert ist
% und den Buchstaben \lstinline{src} an der alphabetisch richtigen Stelle
% einfügt. Diese Funktion darf die bereits vorhandene Funktion
% \lstinline|insert_into_string()| aufrufen.\\
% \points{4}\par
% Zum Testen eignen sich die folgenden Zeilen im Hauptprogramm:
% \begin{lstlisting}[gobble=8]
% char test[100] = "";
% insert_into_string_sorted ('c', test);
% insert_into_string_sorted ('a', test);
% insert_into_string_sorted ('d', test);
% insert_into_string_sorted ('b', test);
% \end{lstlisting}
% Danach sollte \lstinline{test[]} die Zeichenfolge \lstinline{"abcd"} enthalten.
% \workspace{14}
% \item
% Wie schnell (Landau-Symbol in Abhängigkeit von der Länge $n$ des Strings)
% arbeitet Ihre Funktion
% \lstinline{void insert_into_string_sorted (char src, char *target)}
% und warum?
% \points{1}
% \workspace{10}
% \item
% Beschreiben Sie -- in Worten oder als C-Quelltext --, wie man die Funktion\\
% \lstinline{void insert_into_string_sorted (char src, char *target)}
% so gestalten kann,\\
% daß sie in $\mathcal{O}(\log n)$ arbeitet.
% \points{3}
% \workspace{35}
\end{enumerate}
\solution
Wird nachgereicht.
\exercise{Länge von Strings}
Strings werden in der Programmiersprache C durch Zeiger auf \lstinline{char}-Variable realisiert.
Beispiel: \lstinline{char *hello_world = "Hello, world!\n"}
Die Systembibliothek stellt eine Funktion \lstinline{strlen()} zur Ermittlung der Länge von Strings\\
zur Verfügung (\lstinline{#include <string.h>}).
\begin{itemize}
\item[(a)]
Auf welche Weise ist die Länge eines Strings gekennzeichnet?
\points{1}
\item[(b)]
Wie lang ist die Beispiel-String-Konstante \lstinline{"Hello, world!\n"},
und wieviel Speicherplatz belegt sie?\\
\points{2}
\item[(c)]
Schreiben Sie eine eigene Funktion \lstinline{int strlen (char *s)},
die die Länge eines Strings zurückgibt.\\
\points{3}
\end{itemize}
Wir betrachten nun die folgenden Funktionen (Datei: \gitfile{hp}{20181105}{aufgabe-3.c}):
\begin{center}
\begin{minipage}{8cm}
\begin{lstlisting}[gobble=8]
int fun_1 (char *s)
{
int x = 0;
for (int i = 0; i < strlen (s); i++)
x += s[i];
return x;
}
\end{lstlisting}
\end{minipage}%
\begin{minipage}{6cm}
\vspace*{-1cm}
\begin{lstlisting}[gobble=8]
int fun_2 (char *s)
{
int i = 0, x = 0;
int len = strlen (s);
while (i < len)
x += s[i++];
return x;
}
\end{lstlisting}
\vspace*{-1cm}
\end{minipage}
\end{center}
\begin{itemize}
\item[(d)]
Was bewirken die beiden Funktionen?
\points{2}
\item[(e)]
% Von welcher Ordnung (Landau-Symbol) sind die beiden Funktionen
% hinsichtlich der Anzahl ihrer Zugriffe auf die Zeichen im String -- und warum?
% Sie dürfen für \lstinline{strlen()} Ihre eigene Version der Funktion voraussetzen.
% \points 3
% \item[(f)]
Schreiben Sie eine eigene Funktion,
die dieselbe Aufgabe erledigt wie \lstinline{fun_2()},\\
nur effizienter.
\points{4}
\end{itemize}
\solution
\begin{itemize}
\item[(a)]
\textbf{Auf welche Weise ist die Länge eines Strings gekennzeichnet?}
Ein String ist ein Array von \lstinline{char}s.
Nach den eigentlichen Zeichen des Strings enthält das Array
\textbf{ein Null-Symbol} (Zeichen mit Zahlenwert 0,
nicht zu verwechseln mit der Ziffer \lstinline{'0'}) als Ende-Markierung.
Die Länge eines Strings ist die Anzahl der Zeichen
\emph{vor\/} diesem Symbol.
\item[(b)]
{\bf Wie lang ist die Beispiel-String-Konstante \lstinline{"Hello, world!\n"},
und wieviel Speicherplatz belegt sie?}
Sie ist 14 Zeichen lang (\lstinline{'\n'} ist nur 1 Zeichen;
das Null-Symbol, das das Ende markiert, zählt hier nicht mit)
und belegt Speicherplatz für 15 Zeichen
(15 Bytes -- einschließlich Null-Symbol / Ende-Markierung).
\item[(c)]
\textbf{Schreiben Sie eine eigene Funktion \lstinline{int strlen (char *s)},
die die Länge eines Strings zurückgibt.}
Siehe die Dateien \gitfile{hp}{20181105}{loesung-3c-1.c} (mit Array-Index)
und \gitfile{hp}{20181105}{loesung-3c-2.c} (mit Zeiger-Arithmetik).
Beide Lösungen sind korrekt und arbeiten gleich schnell.
Die Warnung \lstinline[style=terminal]{conflicting types for built-in function "strlen"}
kann normalerweise ignoriert werden;
auf manchen Systemen (z.\,B.\ MinGW) hat jedoch die eingebaute Funktion \lstinline{strlen()}
beim Linken Vorrang vor der selbstgeschriebenen,
so daß die selbstgeschriebene Funktion nie aufgerufen wird.
In solchen Fällen ist es zulässig, die selbstgeschriebene Funktion
anders zu nennen (z.\,B.\ \lstinline{my_strlen()}).
\item[(d)]
\textbf{Was bewirken die beiden Funktionen?}
Beide addieren die Zahlenwerte der im String enthaltenen Zeichen
und geben die Summe als Funktionsergebnis zurück.
Im Falle des Test-Strings \lstinline{"Hello, world!\n"}
lautet der Rückgabewert 1171 (siehe \gitfile{hp}{20181105}{loesung-3d-1.c} und \gitfile{hp}{20181105}{loesung-3d-2.c}).
\item[(e)]
% \textbf{Von welcher Ordnung (Landau-Symbol) sind die beiden Funktionen
% hinsichtlich der Anzahl ihrer Zugriffe auf die Zeichen im String -- und warum?
% Sie dürfen für \lstinline{strlen()} Ihre eigene Version der Funktion voraussetzen.}
%
% Vorüberlegung: \lstinline{strlen()} greift in einer Schleife
% auf alle Zeichen des Strings der Länge $n$ zu,
% hat also $\mathcal{O}(n)$.
%
% \lstinline{fun_1()} ruft in jedem Schleifendurchlauf
% (zum Prüfen der \lstinline{while}-Bedingung) einmal \lstinline{strlen()} auf
% und greift anschließend auf ein Zeichen des Strings zu,
% hat also $\mathcal{O}\bigl(n\cdot(n+1)\bigr) = \mathcal{O}(n^2)$.
%
% \lstinline{fun_2()} ruft einmalig \lstinline{strlen()} auf
% und greift anschließend in einer Schleife auf alle Zeichen des Strings zu,
% hat also $\mathcal{O}(n+n) = \mathcal{O}(n)$.
%
% \item[(f)]
\textbf{Schreiben Sie eine eigene Funktion,
die dieselbe Aufgabe erledigt wie \lstinline{fun_2()},
nur effizienter.}
Die Funktion wird effizienter,
wenn man auf den Aufruf von \lstinline{strlen()} verzichtet
und stattdessen die Ende-Prüfung in derselben Schleife vornimmt,
in der man auch die Zahlenwerte der Zeichen des Strings aufsummiert.
Die Funktion \lstinline{fun_3()} in der Datei \gitfile{hp}{20181105}{loesung-3e-1.c}
realisiert dies mit einem Array-Index,
Die Funktion \lstinline{fun_4()} in der Datei \gitfile{hp}{20181105}{loesung-3e-2.c}
mit Zeiger-Arithmetik.
Beide Lösungen sind korrekt und arbeiten gleich schnell.
\textbf{Bemerkung:} Die effizientere Version der Funktion
arbeitet doppelt so schnell wie die ursprüngliche,
hat aber ebenfalls die Ordnung $\mathcal{O}(n)$.
\end{itemize}
\end{document}
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......@@ -172,7 +172,7 @@
\points{3}
\end{itemize}
Wir betrachten nun die folgenden Funktionen (Datei: \gitfile{hp}{20171120}{aufgabe-3.c}):
Wir betrachten nun die folgenden Funktionen (Datei: \gitfile{hp}{20181105}{aufgabe-3.c}):
\begin{center}
\begin{minipage}{8cm}
\begin{lstlisting}[gobble=8]
......
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
void print_hex (uint32_t x)
{
while (x)
{
int digit = x % 16;
if (digit < 10)
printf ("%d", digit);
else
printf ("%c", 'a' + digit - 10);
x /= 16;
}
}
int main (void)
{
print_hex (0xcafe42);
printf ("\n");
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
void print_hex (uint32_t x)
{
char digit[8];
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
digit[i] = x % 16;
x /= 16;
}
for (int i = 7; i >= 0; i--)
{
if (digit[i] < 10)
printf ("%d", digit[i]);
else
printf ("%c", 'a' + digit[i] - 10);
}
}
int main (void)
{
print_hex (0xcafe42);
printf ("\n");
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
void print_hex (uint32_t x)
{
char digit[8];
int i = 0;
while (x)
{
digit[i] = x % 16;
x /= 16;
i++;
}
while (i > 0)
{
i--;
if (digit[i] < 10)
printf ("%d", digit[i]);
else
printf ("%c", 'a' + digit[i] - 10);
}
}
int main (void)
{
print_hex (0xcafe42);
printf ("\n");
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
void print_hex (uint32_t x)
{
char digit[8];
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
digit[i] = x % 16;
x /= 16;
}
int printing = 0;
for (int i = 7; i >= 0; i--)
{
if (printing || digit[i] != 0)
{
printing = 1;
if (digit[i] < 10)
printf ("%d", digit[i]);
else
printf ("%c", 'a' + digit[i] - 10);
}
}
}
int main (void)
{
print_hex (0xcafe42);
printf ("\n");
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
void print_hex (uint32_t x)
{
char digit[8];
int i = 0;
while (x)
{
digit[i] = x & 0x0000000f;
x >>= 4;
i++;
}
while (i > 0)
{
i--;
if (digit[i] < 10)
printf ("%d", digit[i]);
else
printf ("%c", 'a' + digit[i] - 10);
}
}
int main (void)
{
print_hex (0xcafe42);
printf ("\n");
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
void print_hex (uint32_t x)
{
int i = 32;
while (i > 0)
{
i -= 4;
int digit = (x >> i) & 0x0000000f;
if (digit < 10)
printf ("%d", digit);
else
printf ("%c", 'a' + digit - 10);
}
}
int main (void)
{
print_hex (0xcafe42);
printf ("\n");
return 0;
}
#include <stdio.h>
int strlen (char *s)
{
int l = 0;
while (s[l])
l++;
return l;
}
int main (void)
{
printf ("%d\n", strlen ("Hello, world!\n"));
return 0;
}
#include <stdio.h>
int strlen (char *s)
{
char *s0 = s;
while (*s)
s++;
return s - s0;
}
int main (void)
{
printf ("%d\n", strlen ("Hello, world!\n"));
return 0;
}
#include <stdio.h>
int strlen (char *s)
{
int l = 0;
while (s[l])
l++;
return l;
}
int fun_1 (char *s)
{
int x = 0;
for (int i = 0; i < strlen (s); i++)
x += s[i];
return x;
}
int fun_2 (char *s)
{
int i = 0, x = 0;
int len = strlen (s);
while (i < len)
x += s[i++];
return x;
}
int main (void)
{
printf ("%d\n", fun_1 ("Hello, world!\n"));
printf ("%d\n", fun_2 ("Hello, world!\n"));
return 0;
}
#include <stdio.h>
int strlen (char *s)
{
char *s0 = s;
while (*s)
s++;
return s - s0;
}
int fun_1 (char *s)
{
int x = 0;
for (int i = 0; i < strlen (s); i++)
x += s[i];
return x;
}
int fun_2 (char *s)
{
int i = 0, x = 0;
int len = strlen (s);
while (i < len)
x += s[i++];
return x;
}
int main (void)
{
printf ("%d\n", fun_1 ("Hello, world!\n"));
printf ("%d\n", fun_2 ("Hello, world!\n"));
return 0;
}
#include <stdio.h>
int fun_3 (char *s)
{
int i = 0, x = 0;
while (s[i])
x += s[i++];
return x;
}
int main (void)
{
printf ("%d\n", fun_3 ("Hello, world!\n"));
return 0;
}
#include <stdio.h>
int fun_4 (char *s)
{
int x = 0;
while (*s)
x += *s++;
return x;
}
int main (void)
{
printf ("%d\n", fun_4 ("Hello, world!\n"));
return 0;
}
......@@ -40,6 +40,7 @@ Musterlösungen:
* [15.10.2018: Fibonacci-Zahlen, fehlerhaftes Programm, "Hello, world!"](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20181015/hp-musterloesung-20181015.pdf)
* [22.10.2018: ROT13-Verschlüsselung, Programm analysieren, Kalender-Berechnung](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20181022/hp-musterloesung-20181022.pdf)
* [29.10.2018: Strings, Primzahlen, Datum-Bibliothek](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20181029/hp-musterloesung-20181029.pdf)
* [05.11.2018: Ausgabe von Hexadezimalzahlen, Einfügen in Strings, Länge von Strings](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20181105/hp-musterloesung-20181105.pdf)
* [12.11.2018: Text-Grafik-Bibliothek, Datum-Bibliothek, Kondensator](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20181112/hp-musterloesung-20181112.pdf)
Tafelbilder:
......
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