PRG29003: Introdução a C++

Próxima aula

Apresentação

Programas precisam armazenar e organizar dados de forma eficiente, o que depende do tipo de problema a ser resolvido, da quantidade de dados a serem manipulados, e da forma com que dados são representados. Para isso existe o conceito de estruturas de dados, que são justamente formas de armazenar e organizar dados. Algumas estruturas de dados corriqueiras são:

• Filas
• Pilhas
• Listas
• Tabelas de dispersão (hash)
• Árvores

... porém há muitas outras (faça uma pesquisa se ficou curioso).

Em PRG2 serão estudadas as estruturas de dados acima listadas, as quais são de uso comum em programas em geral. O estudo será orientado a pequenos projetos, com a intenção de mostrar possíveis usos dessas estruturas.

• Projeto 1: (fila, pilha, lista)
  
• Projeto 2: (tabela hash)
• Projeto 3: (árvores)
• Projeto 4: projeto de estruturas de dados

O estudo dessas estruturas será dividido em duas etapas:

1. Uso das estruturas de dados: as estruturas de dados são apresentadas, destacando-se suas características, operações e aplicações. Os projetos serão desenvolvidos usando estruturas de dados já existentes.
2. Implementação das estruturas de dados: Algumas estruturas de dados serão implementadas, podendo ser semelhantes às estruturas e4studadas na etapa 1, ou outras estruturas de dados. Como resultado, cada equipe terá ao final criado uma biblioteca de programação contendo suas novas estruturas de dados.

Aquecimento: revisão sobre PRG1

Antes de iniciar com PRG2, uma pequena atividade deve ser feita para revisar algumas coisas vistas em PRG1. Nada melhor que um pequeno problema feito em partes

Classificação de risco de vida para pacientes cardíacos

O exemplo abaixo está contido no livro Classification and Regression Trees, de Leo Breiman, Jerome Friedman, Richard Olshen e Charles Stone, editora Chapman & Hall, 1984. Na Universidade da California, no centro Médico de San Diego, quando um paciente com ataque cardíaco é recebido, dezenove variáveis são medidas ao longo das primeiras 24 horas. Essas incluem pressão sanguínea, idade, e 17 outras variáveis ordenadas e binárias (booleanas) que sumarizam os sintomas médicos considerados importantes indicadores da condição do paciente. O objetivo de um estudo médico feito entre os anos 70 e 80 foi o desenvolvimento de um método para identificar pacientes de alto risco (que não sobreviverão ao menos 30 dias) com base nos dados obtidos nas primeiras 24 horas. O diagrama abaixo mostra uma regra de classificação que foi produzida nesse estudo. A letra F significa que não há um risco alto, e a letra G quer dizer paciente de alto risco. Escreva um programa que classifique pacientes como baixo risco (F) ou alto risco (G).

Série de Fibonacci

Em matemática, a sequência de Fibonacci corresponde aos números: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, ... ... que pode ser descrita pela relação de recorrência $F_{n}=F_{n-1}+F_{n-2}$ ... com valores iniciais $F_{0}=1$ e $F_{1}=1$. Numerosas formas na natureza apresentam essa sequência, como neste girassol (cujas flores se dispõem em uma espiral): Escreva um programa que mostre os N primeiros números dessa sequência, sendo N um parâmetro informado pelo usuário.

Previsão de tempo
A previsão do tempo na costa brasileira pode ser feita de forma aproximada usando-se um barômetro e um termômetro. Uma estimativa com boa chance de acerto se baseia na tabela abaixo: Escreva um programa que forneça uma estimativa da previsão do tempo, usando essa tabela.

A linguagem C++

• Introdução a C++ (USP)
• Introdução a C++ (UFRGS)
• Introdução a C++ (UFRJ)

A linguagem de programação a ser usada se chama C++. Como indica o nome, essa linguagem é uma extensão à linguagem C, de forma a aderir ao paradigma de orientação a objetos. Como esse assunto será visto em profundidade na 4a fase, na disciplina de POO (Programação Orientada a Objetos), faremos um uso mais superficial dessa linguagem. Quer dizer, usaremos algumas de suas construções, mas não nos deteremos em seus aspectos teóricos. O objetivo de usar C++ é introduzir essa linguagem, que será usada em próximas disciplinas.

• Uma breve apresentação da linguagem C++

Mas o que tem de especial a linguagem C++ ? Muita coisa, se comparada à linguagem C. Veja este exemplo sobre string em ambas linguagens:

Linguagem C	Linguagem C++
#include <stdio.h> #include <string.h> int main() { char nome[32], sobrenome[32]; char nomeCompleto[64]; printf("Nome: "); scanf("%32s", nome); printf("Sobrenome: "); scanf("%32s", sobrenome); strcpy(nomeCompleto, nome); strcat(nomeCompleto, " "); strcat(nomeCompleto, sobrenome); printf("Nome completo: %s\n", nomeCompleto); return 0; }	#include <iostream> #include <string> using namespace std; int main() { string nome, sobrenome, nomeCompleto; cout << "Nome: "; cin >> nome; cout << "Sobrenome: "; cin >> sobrenome; nomeCompleto = nome + " " + sobrenome; cout << "Nome completo: " << nomeCompleto << endl; }

Obs: para compilar o programa C++, grave-o em um arquivo com extensão .cpp ou .cc e compile-o assim (supondo que o arquivo se chame main.cpp):

g++ -std=c++11 -o exemplo main.cpp

Algumas características básicas de C++ podem ser identificadas:

• A estrutura de um programa em linguagem C é muito parecida em C++: assim como na linguagem C, em C++ um programa possui a função main. A execução do programa inicia nessa função. Argumentos de linha de comando podem ser passados pelos parâmetros argc e argv. Outras funções podem existir no programa, sendo declaradas e implementadas como se faria em C.
• Declaram-se variáveis em C++ da mesma forma que em C: variáveis são declaradas precedidas pelo seu tipo, como neste exemplo:

  int x;
  float y;
  bool ok;
  

  Os tipos nativos da linguagem C são os mesmos em C++ (int, char, double, float, short, long), porém em C++ há também o tipo bool, que aceita os valores true e false. Outro detalhe: em C++ variáveis podem ser declaradas em qualquer linha de uma função, e não apenas no início de funções ou bloco de sentenças (aquelas contidas entre chaves).
• As estruturas de controle da linguagem C são as mesmas em C++: estruturas de controle if, while, do {} while, e for são usadas em C++ da mesma forma que em C. Existem algumas facilidades no uso de for em C++, que serão mostradas no momento apropriado.
• Entrada e saída pode ser feita como em C, ou no estilo C++: as funções de entrada e saída da biblioteca C padrão podem ser usadas em um programa C++ (printf, fprintf, scanf, fscanf, fgets, e outras). No entanto, em C++ existe uma outra forma de entrada e saída denominada streams. Em alguns casos o uso de streams é mais simples que as funções da biblioteca C, mas há situações em que o estilo C é mais prático. A escolha de qual forma de entrada e saída usar fica por gosto e experiência do programador (para enxergar quando uma ou outra é melhor ;-). No estilo C++:
  • A leitura de dados do console (entrada padrão) se faz por meio da variável predefinida cin (console input). Essa variável cin funciona como um arquivo somente leitura, e é similar a stdin da biblioteca C padrão. O exemplo a seguir mostra como ler um valor por meio do operador >> (operador leitura), o qual converte os caracteres lidos para o tipo de dados da variável onde será armazenado o valor.

    int ano;
    
    cin >> ano;
    

    Outras formas de ler dados serão vistas mais adiante na disciplina.
  • A escrita de dados no console (saída padrão) se faz por meio da variável predefinida cout (console output). Essa variável também funciona como um arquivo, porém somente escrita, e é similar a stdout da biblioteca C padrão. A escrita formatada de dados se faz por meio do operador << (operador escrita).

    int n = 3;
    double pi = 3.1416;
    
    cout << "Após " << n << "voltas ";
    cout << " o ângulo é " << 2*n*pi << endl;
    

    Outras formas de escrever dados serão vistas mais adiante
• Cadeias de caracteres (string) em C++ são MUITO mais simples que em C: em C++ existe um novo tipo de dados para representar strings, tornando desnecessário (na maiorias das vezes) o uso de vetores de caracteres. Na verdade, string em C++ é mais que um tipo de dados, pois oferece não somente uma representação de sequência de caracteres, como também um conjunto de operações que podem ser feitas sobre uma sequência. Em C++, string é um exemplo de uma classe (análoga ao tipo de dados, porém conceitualmente muito mais ampla), e suas variáveis são chamadas de objetos. Em princípio isso pode ser deixado de lado, usando-se string como mais um tipo de dados. O exemplo a seguir mostra uma concatenação de strings, feita de forma muito mais simples que em C:

  string nome = "Dmitri";
  string sobrenome = "Ivanovich Nekhlyudov";
  
  string nome_completo = nome + ' ' + sobrenome;
  
  count << nome_completo << endl;
  

  Mais informações sobre string

Há mais detalhes que diferem as linguagens C e C++, mas a principal diferença entre elas reside no paradigma de programação com que foram concebidas. A linguagem C segue o paradigma de programação estruturada, e C++ segue o paradigma de orientação a objetos. Em C++, um programa é pensado como um conjunto de objetos que se relacionam com o objetivo de apresentar a solução imaginada.

• Mais sobre objetos

Em uma aula posterior teremos um primeiro contato com classes e objetos.

Exercícios

Resolva estes exercícios para experimentar a linguagem C++:

1. Escreva um programa que calcula a área de um triângulo, apresentando o resultado na tela. Qualquer valor que o programa precisar para o cálculo deve ser obtido pelo teclado.
2. Escreva um programa capaz de descobrir o valor de um número que você tenha imaginado. O programa deve interagir sucessivamente com você, até descobrir o número. Ao final, ele deve informar quantas tentativas precisou para descobrir o número. OBS: o número deve ser um inteiro entre 0 e 100.
   Dica: é possível descobrir o número em no máximo 7 tentativas se for usada uma busca binária.
3. Escreva um programa que teste se um número é primo. Ao final, seu programa deve informar se o número é primo ou não.

Classes e objetos

• Classes e objetos

Uma classe se assemelha a um tipo de dados, do ponto de vista da declaração de variáveis. A rigor existem diferenças conceituais relevantes (como se estudará em POO, na 4a fase), mas, para ajudar a compreensão, perdoa-se essa grande simplificação. Em exercícios anteriores se usou a classe string, que é bastante corriqueira em C++. O exemplo a seguir relembra a declaração e uso de uma variável string:

string nome, sobrenome, nome_completo;

cout << "Digite o nome: ";
cin >> nome;
cout << "Digite o sobrenome: ";
cin >> sobrenome;

nome_completo = nome + ' ' + sobrenome;

cout << "Nome completo: " << nome_completo;

Nesse exemplo, as variáveis nome, sobrenome e nome_completo são da classe string, e por isso são chamadas de objetos. Cada classe possui atributos, que representam valores internos, e operações que podem ser realizadas. Isso é mais fácil de entender observando o que se pode fazer com objetos string. Em um objeto, os atributos da classe string (os quais não precisamos saber quais são !) armazenam a cadeia de caracteres contida nesse objeto. As operações, por outro lado, devem ser conhecidas para que possam ser utilizadas.

 1#include <string>
 2#include <iostream>
 3
 4using namespace std;
 5
 6int main() {
 7  string titulo = "The Shawshank Redemption";
 8
 9  cout << "Filme: " << titulo << endl << endl;
10  cout << "Nome do filme tem " << titulo.size() << " caracteres" << endl;
11  cout << "Primeira letra do título é: " << titulo[0] << endl;
12
13  while (true) {
14    int pos = titulo.find(' ');
15    cout << "Palavra do título: " << titulo.substr(0, pos) << endl;
16    if (pos == string::npos) break;
17    titulo.erase(0, pos+1);
18  }
19
20}

O programa acima, após ser compilado e executado, apresenta este resultado na tela:

Filme: The Shawshank Redemption

Nome do filme tem 24 caracteres
Primeira letra do título é: T
Palavra do título: The
Palavra do título: Shawshank
Palavra do título: Redemption

A novidade nesse pequeno programa reside no uso de operações de string. Cada operação é invocada por meio de um método da classe string, o qual funciona de forma muito parecida com uma função (tanto que em C++ também é chamado de função-membro). No exemplo, o primeiro método usado se chama size(), e informa o comprimento da string. Os parênteses vazios após seu nome indicam que não são necessários parâmetros. A seguir destaca-se o uso do método size() (ver linha 10 do exemplo):

  titulo.size()

Deve-se observar que um método de uma classe é invocado por meio de um objeto dessa classe. Por isso é necessário prefixar o nome do método com o nome do objeto em questão. O significado disso é que as ações realizadas pelo método irão afetar esse objeto em particular. No exemplo, pode-se dizer: chama-se o método size() no objeto titulo para se obter o comprimento da string contida em titulo. O resultado desse método é um número inteiro, que é devolvido pelo método da mesma forma que uma função devolve um resultado.

Outros métodos foram mostrados no exemplo, tais como:

• int obj.find(char caractere): procura a posição da primeira ocorrência do caractere numa string (obj indica o nome de um objeto string qualquer)
• string obj.substr(int pos, int len): retorna uma parte da string correspondente aos len caracteres a partir da posição pos
• string& obj.erase(int pos, int len): remove len caracteres a partir da posição pos, e devolve uma referência ao próprio objeto após a remoção.

O importante a observar é a coesão que essas operações trazem ao uso de strings. As operações elementares sobre strings estão já embutidas na própria definição do que é uma string (no caso, a classe tem esse papel). Outro ponto importante é a simplificação quanto aos detalhes sobre como de fato os caracteres são armazenados na string, pois isso não precisa ser conhecido. Basta saber que o conteúdo da string pode ser acessado e modificado por meio dos métodos.

Mais exercícios

Objetivo: escrever um programa que gere um texto a partir de um formulário.

• O formulário é composto por um texto incompleto, com parâmetros correspondendo a valores a serem preenchidos. O formato de um formulário é este:

  $cidade, $data
  
  Caro $aluno, você foi aprovado em $disciplina !
  

Os parâmetros estão prefixados por $ (ex: $aluno). Os nomes de parâmetros são compostos somente por letras ou dígitos numéricos.

• O nome do arquivo de texto de formulário deve ser informado como primeiro argumento de linha de comando. Em C++, um arquivo pode ser lido usando um objeto ifstream (veja esta introdução ao uso de arquivos; e este outro exemplo mostra como ler linhas de um arquivo)
• Os valores para os parâmetros devem ser informados via argumentos de linha de comando, como neste exemplo de execução do programa:

  aluno@M5:~$ programa arquivo_de_formulario.txt cidade="São José" data="14/02/2020" aluno="Seu Maneca" disciplina="PRG2"
  

  ... com isso, o resultado seria este texto:

  São José, 14/02/2020
  
  Caro Seu Maneca, você foi aprovado em PRG2 !
  

• O texto resultante deve ser apresentado na tela

Para escrever esse programa, alguns detalhes sobre string precisam ser entendidos. Os exercícios a seguir devem ajudar a esclarecer como usar string para atender os requisitos do programa.

Como testar os exercícios

Estes novos exercícios incluem uma novidade: a possibilidade de testar as soluções automaticamente (técnica conhecida como teste de unidade). Um teste de unidade possibilita verificar automaticamente se uma parte de um programa, o que se chama uma unidade, funciona como esperado. Nos nossos exercícios, a unidade a ser testada pode ser uma função ou mesmo um programa como um todo (no caso de programas pequenos). Daqui em diante, todos os exercícios propostos (inclusive questões de avaliações !) incluirão seus testes de unidade. Com isso, vocês saberão se conseguiram resolver plenamente o que se pede no exercício. O teste de unidade é executado dentro do IDE CLion. Para cada exercício, um arquivo de projeto do CLion é fornecido, o qual contém seu teste de unidade. A execução do teste depende do tipo de exercício: Exercícios que envolvem escrever funções (i.e. não existe a função main): No seletor de configurações de execução, selecione runTest Para executar o teste, clique na seta verde que fica ao lado do seletor de configurações Exercícios que envolvem a escrita de programas (i.e. que contếm a função main): No seletor de configurações de execução, selecione a configuração do programa a ser compilado. Usualmente ela tem o nome do tema do exercício. Pressione CTRL F9 para compilar o programa, ou selecione o menu Build->Build nome_do_programa Em seguida, no seletor de configurações de execução, selecione runTerm Para executar o teste, clique na seta verde que fica ao lado do seletor de configurações OBS: descompacte o arquivo de projeto dentro da pasta CLionProjects, que reside em sua pasta pessoal. Em seguida, abra esse projeto por meio do menu File->Open, selecionando ali a pasta do novo projeto.

1. Escreva um programa que leia uma string do teclado, e inverta a ordem de seus caracteres. Ao final, a string invertida deve ser apresentada na tela. Apenas uma variável string pode ser usada pelo seu programa. (projeto CLion)
2. Escreva um programa que leia uma string do teclado e mostre as posições dentro dessa string em que uma determinada palavra (ou sequência de caracteres) aparece (projeto CLion). A palavra a ser procurada é informada no primeiro argumento de linha de comando. Dica: use a função getline para ler uma linha completa do teclado, como neste exemplo

     string linha;
   
     // lê caracteres a partir de cin, e guarda-os na string "linha",
     // até encontrar um caractere newline (quebra-de-linha, ou \n)
     getline(cin, linha);
     cout << "Você digitou esta linha: " << linha << endl;
   

   Dica2: o método find da classe string ajuda a resolver o problema.
3. Escreva uma função que procure uma substring dentro de uma string, e a substitua por outra string (projeto CLion). Por exemplo, se a string for correr, e a substring a ser procurada for rre for substituída por pia, o resultado deve ser copiar. Essa função deve ser declarada assim:

   // Parâmetros:
   //   texto: a string a ser modificada
   //   sub: a substring a ser pcourada dentro de texto
   //   outra: a string a substituir a outra string
   // Resultado:
   //  a função devolve como resultado o valor de "texto" com a substituição efetuada
   string substitui(string texto, string sub, string outra) {
     // implementação da função
   }
   

   OBS: se sub não existir dentro de texto, texto não deve ser modificado.

Alguns pequenos programas

Jogos clássicos são um bom exemplo de problemas interessantes e relativamente simples de transformar em programas. A seguir são sugeridos programas para alguns desses jogos. Resolva-os se quiser praticar mais !

Jogo da Forca

• Jogo da Forca (wikipedia)
• Introdução a string em C++

O jogo da Forca é um jogo em que se tenta adivinhar uma palavra letra a letra. Um jogador escolhe uma palavra, e informa quantas letras ela possui. Outro jogador tenta descobrir a palavra, informando sucessivamente letras que imagina pertencer à palavra. Cada letra que não exista na palavra implica uma penalidade, acrescentando uma parte do corpo à forca, como ilustrado na figura a seguir. Se o corpo na forca ficar completo, o desafiador perde a partida.

Esse jogo pode ser facilmente implementado como um programa. Basicamente ele trata de manipulação de string e caracteres. Sendo assim, implemente esse jogo em linguagem C++.

Um bom ponto de partida é primeiro definir um protótipo que seja o mais simples possível, porém que contenha as características essenciais do jogo.

Jogo da Senha

O jogo da Senha é um jogo clássico entre dois jogadores. Um jogador escolhe uma senha, composta por uma combinação de quatro peças coloridas, e a esconde usando um pequeno anteparo. O outro jogador deve então tentar descobrir a combinação de peças, limitado por dez tentativas. A cada tentativa, o dono da senha usa uma combinação de peças brancas e pretas para informar ao desafiante quantas peças ele acertou. Cada peça preta informa que uma peça tem a cor certa e está na posição correta. Cada peça branca informa que uma peça com cor certa está em posição errada. Assim, usando raciocínio lógico, o desafiante deve ser capaz de descobrir a combinação correta de peças coloridas. A figura a seguir mostra o tabuleiro desse jogo.

Um programa para esse jogo poderia usar números no lugar de cores. O programa sortearia inicialmente uma combinação de cores, e em seguida pediria ao jogador para tentar combinações sucessivamente, até que se descubra a combinação correta. A cada tentativa, o programa informaria ao jogador quantas cores estão em posição correta e quantas estão em posição errada. Por exemplo, o jogo poderia interagir com o jogador desta forma:

A cada tentativa, digite os códigos de cores separados por espaços: 
Cores: valores entre 1 e 8

Cores: 1 1 2 2
Cores em posições corretas: 0
Cores em posições erradas: 0

Cores: 3 3 4 4
Cores em posições corretas: 1
Cores em posições erradas: 1

Cores: 3 3 5 5
Cores em posições corretas: 0
Cores em posições erradas: 0

Cores: 4 6 6 4
Cores em posições corretas: 3
Cores em posições erradas: 0

Cores: 4 6 7 4
Você descobriu as cores na sequência correta !

Tente criar um programa para esse jogo !

Uso do IDE CLion

Na disciplina recomenda-se usar o ambiente integrado de desenvolvimento (IDE - Integrated Development Environment) CLion. Esse software auxilia na escrita de programas, pois integra um editor de texto, um gerenciador de projetos, compilador e depurador, além de ajuda on-line e outras facilidades. Os exemplos durante a disciplina serão disponibilizados como projetos do CLion, mas não é obrigado utilizá-lo - pode-se trabalhar diretamente com outro IDE (NetBeans, https://www.eclipse.org/downloads/ Eclipse], ...), ou mesmo um editor de textos (ex: gedit, pluma) e o compilador C++ (g++) e depurador (gdb), porém essa última opção é um pouco mais trabalhosa ...

OBS: Se você estiver em um laboratório de informática dentro do IFSC Câmpus São José, use o servidor de licença flutuante:

• Link do servidor de licença

... caso contrário, use a licença de estudante que pode ser obtida no passo 1 das instruções a seguir.

Para instalar o CLion siga estes passos:

1. Crie uma conta de estudante no site da empresa Jet-Brains, a qual fornece o CLion. Ali você deverá informar seu email. A empresa enviará então uma mensagem para esse email com instruções para criação da conta. Essa conta será necessária para obter uma licença de uso acadêmico do CLion.
2. Instale os programas necessários para compilação C e C++:

   sudo apt update
   sudo apt install build-essential
   

3. Faça o download do instalador do CLion (ele tem cerca de 480 MB):
   • Instalador do CLion 2019.2 no servidor de Tele
   • Instalador do CLion 2019.2 no site oficial
4. Descompacte o instalador em algum subdiretório (ex: sua pasta pessoal). Em seguida, execute um terminal de texto (no Ubuntu, clique em Atividades e, em seguida, digite terminal).
5. No terminal, entre na pasta do CLion e ali execute o programa de instalação:

   cd clion-2019.2
   bin/clion.sh
   

   ... e siga as instruções. Não são necessários plugins adicionais (isso é sugerido durante a instalação).