Języki Programowania – Zajęcia 1

Wprowadzenie do C++: VS Code, kompilator, pierwszy program

1. C++ a Python – co się zmienia?

W Pythonie większość technicznych szczegółów związanych z uruchamianiem programu była przed Wami ukryta. W Colabie wpisywaliście kod do komórki i naciskaliście przycisk uruchomienia. Środowisko zajmowało się resztą.

W C++ zobaczymy wyraźnie kolejne etapy:

kod źródłowy (.cpp)
        |
        v
    kompilator
        |
        v
program wykonywalny
        |
        v
    uruchomienie

Kod C++ zapisujemy w pliku, najczęściej z rozszerzeniem .cpp. Kompilator tłumaczy kod źródłowy na postać wykonywalną przez komputer. W naszych zajęciach będziemy korzystać z kompilatora g++.

W praktyce oznacza to, że po zmianie kodu źródłowego trzeba ponownie wykonać kompilację, jeżeli chcemy, aby zmiana znalazła się w uruchamianym programie.

2. VS Code – nasze środowisko pracy

Do pisania programów będziemy używać Visual Studio Code (VS Code). Jest to edytor kodu z funkcjami środowiska programistycznego (IDE): pozwala między innymi otwierać pliki projektu, edytować kod, korzystać z terminala i uruchamiać narzędzia programistyczne.

Po lewej stronie okna VS Code, pod niebieską ikoną programu, znajduje się pionowy pasek z podstawowymi ikonami nawigacyjnymi. Na początku szczególnie interesują nas trzy z nich:

• Explorer (najwyższa ikona) – otwiera widok plików i katalogów naszego projektu. To tutaj będziemy tworzyć i otwierać pliki .cpp.
• Run and Debug (ikona z robakiem) – służy do uruchamiania i debugowania programów. Na pierwszych zajęciach nie będziemy jeszcze korzystać z debuggera; program będziemy uruchamiać z terminala.
• Extensions (najniższa z opisanych ikon) – otwiera panel zarządzania dodatkami do VS Code.

2.1. Instalacja rozszerzenia C/C++

Sam VS Code nie zawiera pełnego wsparcia dla języka C++. Potrzebujemy więc dodatku (extension), który ułatwia pracę z tym językiem.

Najpierw sprawdźcie, czy rozszerzenie jest już zainstalowane. Na komputerach laboratoryjnych może być ono zainstalowane, ale może też być konieczne wykonanie poniższych kroków.

1. Kliknijcie ikonę Extensions na pasku po lewej stronie.
2. W polu wyszukiwania wpiszcie C/C++.
3. Znajdźcie rozszerzenie C/C++ firmy Microsoft.
4. Jeżeli rozszerzenie nie jest zainstalowane, kliknijcie Install.
5. Jeżeli zamiast przycisku Install widzicie informację Installed, rozszerzenie jest już dostępne i nie trzeba go instalować ponownie.

2.2. Katalog projektu

Na każde zajęcia warto utworzyć osobny katalog. Przykładowo możemy utworzyć katalog cpp/lab_1.

cd ~      # wchodzimy do katalogu domowego (jeśli już w nim nie jesteśmy)
mkdir cpp #tworzymy globalny katalog na nasze zajęcia/projekty
cd cpp    #wchodzimy tam
mkdir lab_1 #tworzymy katalog na nasz pierwszy projekt
cd lab_1  #wchodzimy do niego
code .    #odpalamy code

2.3. Terminal i sprawdzenie kompilatora

Do kompilowania programów nie będziemy na razie używać przycisku Run. Chcemy najpierw zobaczyć, jak wygląda proces kompilacji i uruchamiania programu, dlatego będziemy korzystać bezpośrednio z terminala.

Otwórzcie terminal w VS Code, wybierając Terminal → New Terminal.

Najpierw sprawdźmy, czy kompilator g++ jest dostępny. W terminalu wpiszcie:

g++ --version

Jeżeli kompilator jest zainstalowany, terminal wyświetli informację o jego wersji.

Jeżeli polecenie g++ --version nie działa, zgłoście to prowadzącemu. Nie instalujcie samodzielnie kompilatora na komputerze laboratoryjnym bez uzgodnienia z prowadzącym — sposób instalacji zależy od systemu operacyjnego i konfiguracji pracowni.

Uwaga: podkreślenie fragmentu kodu przez VS Code nie zawsze oznacza błąd samego programu. Edytor musi również wiedzieć, którego kompilatora i których plików nagłówkowych używamy. Ostatecznym testem poprawności programu jest kompilacja.

3. Pierwszy plik C++

W Explorerze utwórzcie nowy plik o nazwie:

main.cpp

Do pliku wpiszcie:

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    cout << "Hello World" << endl;

    return 0;
}

Na razie nie próbujcie zapamiętać wszystkich elementów tego programu. Najpierw zobaczymy, jak go skompilować i uruchomić.

4. Kompilacja programu

Otwórzcie terminal w VS Code: Terminal → New Terminal.

Jeżeli terminal znajduje się w katalogu zawierającym main.cpp, wykonajcie:

g++ main.cpp -o main

Polecenie składa się z kilku części:

• g++ – uruchamiamy kompilator C++,
• main.cpp – wskazujemy plik z kodem źródłowym,
• -o main – określamy nazwę programu wynikowego.

Jeżeli kompilacja zakończyła się poprawnie, w terminalu zwykle nie zobaczymy żadnego komunikatu o sukcesie. Pojawi się natomiast plik wykonywalny main (na systemach Linux/macOS; na Windowsie może pojawić się main.exe).

4.1. Uruchomienie programu

Na Linuxie lub macOS wykonujemy:

./main

Powinniście zobaczyć:

Hello World

Na Windowsie, zależnie od konfiguracji środowiska, program może być uruchamiany jako:

.\main.exe

g++ main.cpp -o main

./main

5. Eksperyment: co się stanie, jeśli nie skompilujemy ponownie?

Zmieńcie w main.cpp tekst:

cout << "Hello World" << endl;

na przykład na:

cout << "Witaj w C++!" << endl;

Teraz nie wykonujcie kompilacji. Od razu uruchomcie:

./main

Jeżeli wcześniej program został poprawnie skompilowany, zobaczycie starą wersję komunikatu. Dopiero po wykonaniu:

g++ main.cpp -o main

i ponownym:

./main

zobaczycie nowy tekst.

To proste doświadczenie jest bardzo ważne: zmiana pliku źródłowego nie zmienia automatycznie programu wykonywalnego.

6. Co właściwie znajduje się w programie?

Przyjrzyjmy się jeszcze raz:

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    cout << "Hello World" << endl;

    return 0;
}

#include <iostream>

Dołączamy bibliotekę nagłówkową iostream. Jest ona potrzebna między innymi do obsługi standardowego wejścia i wyjścia, czyli mechanizmów, z których korzystamy poprzez cin i cout.

Można to na tym etapie traktować jako coś podobnego do importowania funkcjonalności w Pythonie.

using namespace std;

Informujemy kompilator, że będziemy korzystać z elementów standardowej przestrzeni nazw (std) bez konieczności ciągłego wpisywania przedrostka std::. Dzięki tej linijce możemy pisać po prostu cout, cin, endl czy string zamiast std::cout, std::cin, std::endl i std::string.

int main()

main to funkcja, od której rozpoczyna się wykonywanie programu C++. Każdy samodzielny program C++ musi mieć funkcję main.

int oznacza typ wartości zwracanej przez funkcję. W przypadku main wartość 0 oznacza poprawne zakończenie programu.

Klamry { }

Klamry wyznaczają blok programu. W Pythonie znaczenie bloków określały wcięcia. W C++ wcięcia są bardzo ważne dla czytelności kodu, ale o strukturze bloku decydują przede wszystkim klamry.

cout

cout służy do wypisywania danych na standardowe wyjście, zwykle na ekran.

Można na tym etapie myśleć o nim jako o odpowiedniku Pythonowego print().

<<

Operator << pozwala przekazywać dane do strumienia wyjściowego, np. na ekran. Na tym etapie wystarczy zapamiętać jego podstawowe zastosowanie.

endl

endl kończy linię. W dalszej części kursu będziemy również korzystać z zapisu '\n'.

return 0;

Kończymy funkcję main, zwracając wartość 0. Współczesny C++ pozwala pominąć return 0; na końcu main, ale na tym etapie będziemy go jawnie zapisywać, ponieważ dobrze pokazuje ideę wartości zwracanej przez funkcję.

7. Zmienne – pierwsza duża różnica względem Pythona

W Pythonie można było napisać:

x = 3
x = "trzy"

W C++ przed użyciem zmiennej określamy jej typ:

int x = 3;

Zmiennej x typu int nie możemy później przypisać napisu:

int x = 3;
x = "trzy";       // błąd

Jeżeli chcemy przechowywać tekst, potrzebujemy zmiennej odpowiedniego typu, na przykład:

#include <string>

string text = "trzy";

Jest to jedna z podstawowych różnic pomiędzy Pythonem a C++: typ zmiennej jest w C++ jawnie określony.

8. Podstawowe typy danych

Na początek wystarczy znać kilka podstawowych typów:

Zwróćcie uwagę na różnicę między char a std::string:

char letter = 'A';
string word = "Ala";

Pojedynczy znak zapisujemy w apostrofach, a napis w cudzysłowie.

9. Wypisywanie wartości

Za pomocą cout możemy wypisywać nie tylko tekst, ale również wartości zmiennych:

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    int age = 20;
    double temperature = 21.5;

    cout << "Wiek: " << age << endl;
    cout << "Temperatura: " << temperature << endl;

    return 0;
}

Możemy również połączyć kilka elementów w jednym poleceniu:

cout << "Wiek: " << age
     << ", temperatura: " << temperature
     << endl;

W Pythonie napisalibyśmy na przykład:

print("Wiek:", age, "temperatura:", temperature)

10. Operacje arytmetyczne

Podstawowe operatory arytmetyczne wyglądają podobnie jak w Pythonie:

Przykład:

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    int a = 17;
    int b = 5;

    cout << a + b << endl;
    cout << a - b << endl;
    cout << a * b << endl;
    cout << a / b << endl;
    cout << a % b << endl;

    return 0;
}

int a = 17;
int b = 5;

cout << a / b << endl;      // 3

double a = 17;
double b = 5;

cout << a / b << endl;      // 3.4

11. Wczytywanie danych z klawiatury

Do wczytywania danych ze standardowego wejścia służy cin. Najprostszy przykład:

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    int x;

    cout << "Podaj liczbe: ";
    cin >> x;

    cout << "Podana liczba to: " << x << endl;

    return 0;
}

Operator >> przekazuje dane z wejścia do zmiennej. Na tym etapie można traktować:

cin >> x;

jako podstawowy odpowiednik Pythonowego:

x = input()

z tą istotną różnicą, że w C++ typ zmiennej jest już określony. Jeżeli x jest typu int, oczekujemy liczby całkowitej.

11.1. Wczytanie dwóch liczb

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    double a;
    double b;

    cout << "Podaj pierwsza liczbe: ";
    cin >> a;

    cout << "Podaj druga liczbe: ";
    cin >> b;

    cout << "Suma = " << a + b << endl;

    return 0;
}

Można również wczytać kilka wartości jednym poleceniem:

cin >> a >> b;

Jeżeli użytkownik wpisze wartości rozdzielone spacją, zostaną one przypisane kolejno do zmiennych.

12. Pierwszy kompletny program

Połączmy teraz poznane elementy. Napiszemy program obliczający pole prostokąta.

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    double a;
    double b;

    cout << "Podaj dlugosc prostokata: ";
    cin >> a;

    cout << "Podaj szerokosc prostokata: ";
    cin >> b;

    double area = a * b;

    cout << "Pole prostokata = " << area << endl;

    return 0;
}

Zapiszcie program jako prostokat.cpp. Następnie w terminalu wykonajcie:

g++ prostokat.cpp -o prostokat
./prostokat

Program powinien poprosić o dwie liczby i wyświetlić obliczone pole.

13. Ćwiczenie 1 – zmiana programu

P = a * b
O = 2 * (a + b)

14. Ćwiczenie 2 – przeliczanie temperatury

F = C * 9 / 5 + 32

Podaj temperature w stopniach Celsjusza: 20
Temperatura w Fahrenheitach: 68

15. Ćwiczenie 3 – średnia trzech liczb

16. Co zrobić, gdy kompilator zgłosi błąd?

Na pierwszych zajęciach bardzo często zobaczycie komunikaty błędów. Jest to normalna część programowania. Kompilator nie uruchomi programu, jeżeli kod zawiera błąd uniemożliwiający jego skompilowanie.

Spróbujcie na przykład celowo usunąć średnik:

int x = 10
cout << x << endl;

Następnie spróbujcie skompilować program. Kompilator wypisze komunikat zawierający informację o miejscu, w którym wykrył problem.

17. Najważniejsze rzeczy z dzisiejszych zajęć

• Program C++ zapisujemy w pliku, np. main.cpp.
• g++ jest kompilatorem C++.
• g++ main.cpp -o main kompiluje program.
• ./main uruchamia program na Linuxie/macOS.
• main() jest punktem startowym programu.
• using namespace std; pozwala uniknąć pisania std:: przed nazwami z biblioteki standardowej.
• cout służy do wypisywania danych.
• cin służy do wczytywania danych.
• W C++ zmienna ma określony typ.
• Podstawowe typy poznane dzisiaj to int, double, char, bool i string.
• Większość instrukcji C++ kończy się średnikiem ;.
• Bloki kodu wyznaczają klamry { }.
• Po zmianie kodu źródłowego należy ponownie skompilować program, aby zmiana znalazła się w pliku wykonywalnym.

18. Schemat pracy, który będziemy stosować

1. Utwórz / otwórz katalog projektu
              |
              v
2. Utwórz plik .cpp
              |
              v
3. Napisz / zmodyfikuj kod
              |
              v
4. Skompiluj:
   g++ program.cpp -o program
              |
              v
5. Jeżeli kompilacja się udała:
   uruchom program
              |
              v
6. Sprawdź działanie
              |
              v
7. Wprowadź poprawki i wróć do punktu 4