Методические особенности применения структурного типа данных в программах, написанных на языках Си и Си++ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Вестник Сыктывкарского университета. Серия 1: Математика. Механика. Информатика. Выпуск 4 (25). 2017

УДК 004.021, 004.043, 378

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СТРУКТУРНОГО ТИПА ДАННЫХ В ПРОГРАММАХ, НАПИСАННЫХ НА ЯЗЫКАХ СИ И СИ++ П. А. Макаров

В работе рассматриваются некоторые особенности методики преподавания языков программирования Си/Си++ студентам физико-математических специальностей вузов. Обсуждается применение структурного типа данных в программах как средство логической организации решения задачи. Описываются особенности перехода от процедурной парадигмы программирования к объектно-ориентированной.

Ключевые слова: процедурная и объектно-ориентированная парадигмы программирования, структурный тип данных, методы, конструкторы, перегрузка операций.

1. Введение

Программирование для студентов математических и физических специальностей — это одна из важнейших дисциплин, позволяющая глубже раскрыть содержание всех основных предметов образовательной программы. Параллельное изучение программирования оказывается полезным при освоении предметов как общего математического цикла, так и специальных курсов физико-математической и технической направленности.

В данной работе не рассматриваются механизмы защиты данных, классы, подробности создания конструкторов и деструкторов объектов и другие относительно сложные понятия, свойственные для объектно-ориентированной парадигмы (ООП) программирования. Все эти вопросы достойны более подробного и детального обсуждения, так как методика преподавания соответствующих тем студентам имеет множество особенностей [1].

© Макаров П. А., 2017.

По нашему мнению, удачным методическим решением при изучении языков программирования Си и Си+—+ является выбор в качестве основных учебных пособий классической книги Б. Кернигана и Д. Рит-чи [2] и очень лаконичного введения в язык Си+—+ А. В. Столярова [3]. Конечно, одним только выбором учебных пособий методика преподавания предмета не ограничивается. Опыт практического решения разнообразных задач вместе с хорошей теоретической подготовкой играет основную роль при изучении программирования [4,5]. При этом весьма важно то, чтобы решаемые студентами задачи были близки к их области специализации.

В данной работе основной акцент делается именно на методике обучения студентов использованию структур в конкретных задачах. С одной стороны, это позволяет повысить уровень абстракций при написании программ, что улучшает понимание студентами алгоритмов и логику работы программы. С другой стороны, применение структур — это прекрасный методический пример, показывающий студентам некоторую ограниченность процедурной парадигмы программирования (и, как следствие, языка Си), а также возможные пути решения указанной проблемы. Для этого, в частности, обсуждаются некоторые элементы ООП и средства их поддержки в языке Си+—+.

2. Высокий уровень абстракций и структуры

Практический опыт преподавания программирования показывает, что для решения подавляющего большинства математических, физических и технических задач удобно оперировать понятиями более высокого уровня абстракции, чем числа различных типов, символы или строки. В качестве некоторых примеров можно привести следующие объекты программ:

• геометрическая точка P в евклидовом (или псевдоевклидовом) пространстве Rn;

• элементарная частица массы m, обладающая электрическим зарядом q, спином s и временем жизни т;

• IP-адрес устройства в компьютерной сети TCP/IP.

Программируя на языках Си и Си+—+, требуемого уровня абстракции можно достичь, используя структурный тип данных struct. На этом сходство данных языков программирования заканчивается и возникают достаточно существенные отличия.

В языке программирования Си ключевое слово struct вводит новый тег структуры, а не полноценный структурный тип. Поэтому введение нестандартных типов данных обычно оказывается удобным упростить с помощью оператора typedef [2].

Программирование структур на языке Си+—+ имеет свои отличительные особенности [1,3]. В частности, с технической точки зрения в Си+—+ отпадает необходимость использовать ключевое слово typedef, так как идентификатор, стоящий после слова struct, непосредственно представляет собой имя нового типа. Более того, для поддержки программирования в стиле ООП, в языке Си+—+ структуры рассматриваются как совокупность свойств и методов. Методами, как известно [1,3], называются функции-члены структуры. Такой подход позволяет существенно повысить уровень абстракции понятий, используемых в программе.

3. Применение структур для решения задач

Рассмотрим конкретные методические особенности преподавания структур при изучении языков программирования Си и Си+—+ студентами физико-математических специальностей. В качестве примера рассмотрим одну из базовых задач в области геометрии.

Как известно из аналитической геометрии, прямую, проведённую через две заданные несовпадающие точки Mi(xi,yi, zi) и M2(x2, y2, z2), можно определить следующей системой уравнений:

Таким образом, множество точек с координатами (x, y, z), удовлетворяющими системе уравнений (1), образует прямую в пространстве R3. На основе системы (1) можно сформулировать набор различных геометрических задач. В качестве конкретного примера рассмотрим следующую постановку задачи.

Задача 1. Даны координаты трёх точек A, B и C. Требуется определить, принадлежит ли точка C прямой AB.

Пример решения этой задачи на языке Си с использованием структур приведён в листинге 1. При разборе текста программы со студентами обязательно необходимо обсудить следующие ключевые моменты:

1. Применение оператора typedef в строках 2 и 5 при объявлении новых структурных типов данных point и line.

x - xi _ y - yi _ z - Zi X2 - xi y2 - yi Z2 - Zi

(1)

2. Использование введённых структурных типов в строках 11, 12

и 27.

3. Напоминание назначения строк 8 и 9, в которых описаны прототипы функций, используемых в главной функции программы.

4. Использование в строках программы 14, 16 и 19 функции scanf () не сопровождается проверками корректности ввода данных пользователем программы. Это может привести к двум типам ошибок при выполнении программы: чисто технической проблеме при неправильном наборе данных пользователем и логической ошибке, состоящей в том, что пользователь по невнимательности введёт одинаковые координаты точек A и B. Следует продемонстрировать конкретные примеры ввода таких данных и попросить объяснить студентов происходящее.

5. После обсуждения возможных проблем из предыдущего пункта необходимо предложить студентам придумать способы их устранения. Пример кода, устраняющий чисто техническую проблему, приведён в листинге 2. Необходимо объяснить студентам, что подобные фрагменты всегда следует использовать в реальных задачах вместо строк 14, 16 и 19, реализующих простейший ввод.

6. Фрагмент программы, устраняющий проблему, связанную с возможной идентичностью точек A и B, приведён в листинге 3. При обсуждении этого фрагмента очень полезно обсудить некоторую «избыточность» логического выражения в операторе if с точки зрения ООП. Таким образом можно подвести студентов к некоторым идеям полиморфизма (в частности, перегрузки символов стандартных операций, в том числе операции сравнения ==).

7. Следует раскрыть смысл строки 17, в которой фактически происходит инициализация полей структуры line, и провести параллели с конструкторами объектов в языке Си+—+.

8. Алгоритм работы функций set_line() и belong_point(), описанных в строках 26-30 и 31-39 соответственно. Для функции belong_point() необходимо провести параллели с методами в языке Си++.

9. Также нужно обратить внимание на строки 33 и 34 и пояснить, как этот текст программы соотносится с системой уравнений (1).

10. Объясняя строки программы 35-38 и 20-23, следует напомнить студентам об отсутствии в языке Си специального логического типа данных.

Листинг 1. Пример решения задачи 1 на языке Си

1 #include <stdio.h>

2 typedef struct {

3 double x , y , z ;

4 } point ;

5 typedef struct {

6 point Mi, M2 ;

7 } line;

8 line set_line(point Mi, point M2);

9 int belong_point(line MM, point P);

10 int main(void) {

11 point A, B, C;

12 line AB;

13 printf("Type the coordinates of the point A: ");

14 scanf ( "%lg °/„lg °/,lg", &A.x, &A.y, &A.z);

15 printf("Type the coordinates of the point B: ");

16 scanf("%lg %lg °/lg", &B.x, &B.y, &B . z ) ;

17 AB = set_line(A, B) ;

18 printf("Type the coordinates of the point C: ");

19 scanf("%lg %lg %lg", &C.x, &C.y, &C.z);

20 if(belong_point (AB, C))

21 printf("The point C belongs to the line AB.\n");

22 else

23 printf("The point C doesn't belong to AB.\n");

24 return 0;

25 }

26 line set_line(point Mi, point M2) {

27 line X;

28 X . Mi = Mi ; X . M2 = M2 ;

29 return X;

30 }

31 int belong_point(line MM, point P) {

32 double a, b;

33 a = P.x*(MM.M2.y-MM.Mi.y) + P.y *(MM.Mi.x-MM.M2.x) +

MM.M2.x*MM.Mi.y - MM.Mi.x*MM.M2.y ;

34 b = P.x*(MM.M2.z-MM.Mi . z) + P.z*(MM.Mi.x-MM.M2.x) +

MM.M2.x*MM.Mi.z - MM.Mi.x*MM.M2.z;

35 if (a == 0 && b == 0)

36 return i;

37 e l s e

38 return 0;

39 }

Листинг 2. Проверка на соответствие данных ожидаемому формату

1 if (scanf ("°/„lg °/„lg °/lg", & A. x, &A.y, &A.z) != 3) {

2 printf("Wrong input! Program aborted.\n");

3 return 1;

4 }

Листинг 3. Проверка на совпадение точек A и B

1 if(A.x == B.x && A.y == B.y && A.z == B.z) {

2 printf("Points are identical! Program aborted.\n");

3 return 2;

4 }

Методически целесообразно после проведённого со студентами анализа листинга 1 привести решение той же задачи на языке Си+—+. Пример такого решения с использованием структур и применением всех обсужденных ранее особенностей ООП приведён в листинге 4.

Листинг 4. Пример решения задачи 1 на языке Си++

1 #include <stdio.h>

2 struct point {

3 double x, y, z;

4 bool operator==(point Q) {

5 if(x == Q.x && y == Q.y && z == Q.z)

6 return true;

7 else

8 return false;

9 } 10 };

11 struct line {

12 point Ml, M2;

13 line(point A, point B) {

14 M1 = A;

15 M2 = B;

16 }

17 bool belong_point(point P) {

18 double a, b;

19 a = P.x*(M2.y-M1.y) + P.y*(Ml.x-M2.x) + M2.x*M1.y -

Ml.x*M2.y;

20 b = P.x*(M2.z-Ml.z) + P.z*(Ml.x-M2.x) + M2.x*M1.z -

Ml.x*M2.z;

21 if (a == 0 && b == 0)

22 return true;

23 else

24 return false

25 }

26 };

27 int main(void) {

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54 }

of the point &A.y, &A.z)

A:

I =

point A, B, C;

printf("Type the coordinates if (scanf ("/lg /lg °/„lg", &A.x

printf("Wrong input! Program aborted.\n"); return 1;

}

printf("Type the coordinates of the point B: if(scanf ("/lg /lg °/„lg", &B.x, &B.y, &B.z) ! = printf("Wrong input! Program aborted.\n"); return 1;

}

if (A == B) { printf ( "Points return 2;

}

line AB = line (A printf("Type the

") 3)

") 3)

are identical! Program aborted.\n");

B) ;

coordinates of the point C: "); if(scanf("/lg °/„lg °/,lg", &C.x, &C.y, &C.z) != 3) { printf("Error - wrong input! Program aborted.\n"); return 1;

}

if(AB.belong_point (C))

printf("The point C belongs

else

printf("The point return 0;

to the line AB.\n"); C doesn't belong to AB.\n");

{

{

Несмотря на то что новое решение задачи, представленное листингом 4, на пятнадцать строк больше исходного решения, приведённого в листинге 1, эту разницу оценивать некорректно, так как в новом решении учтены все замечания, сделанные ранее. Таким образом, длина обоих решений примерно сопоставима, однако логическая осмысленность второго текста гораздо выше. Это связано с тем, что в тексте программы 4 фактически описаны только два новых структурных типа данных и логически связанные с ними методы. Главная функция программы полноценно использует все особенности, заложенные при конструировании типов point и line.

Очевидно, что решение задачи 1 можно было организовать совершенно иначе, например в полностью процедурной парадигме без использования структур или с применением классов, однако такие решения выходят за рамки обозначенной в статье темы.

4. Выводы

Таким образом, в работе описаны методические особенности преподавания языков Си и Си+—+ студентам физикам и математикам. Основное внимание уделено применению структурного типа данных в программах как средству логической организации решения задачи. Также обсуждены методические моменты, позволяющие на конкретных примерах показать студентам преимущество перехода от процедурной парадигмы программирования к объектно-ориентированной.

Список литературы

1. Эккель Б. Философия C++. Введение в стандартный C++. 2-е изд. СПб.: Питер, 2004. 572 с.

2. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования C. 2-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Вильямс, 2015. 289 с.

3. Столяров А. В. Введение в язык Си++ : учеб. пос. 3-е изд. М.: МАКС Пресс, 2012. 128 с.

4. Салимов Ф. B., Бухараев Н. Р. Из опыта преподавания курса «Алгоритмы и структуры данных» в Казанском федеральном университете // Казанский педагогический журнал. № 4 (99). 2013.

C. 46-54.

5. Абрамян М. Э. Применение электронного задачника при проведении практикума по динамическим структурам данных // Компьютерные инструменты в образовании. № 3. 2013. C. 45-56.

Summary

Makarov P. A. Methodical of the using struct type in C/C++ programs

Some features of the methodology of teaching C/C++ programming languages to students of physical and mathematical specialties of higher educational institutions are considered. The application of the structural

data type in programs as a means of logical organization of the solution of the problem is discussed. The features of the transition from procedural programming paradigm to object-oriented programming are described.

Keywords: procedural and object-oriented programming paradigms, structured data type, methods, constructors, operators overloading.

References

1. Eckel B. Filosofija C++. Vvedenie v standartnyj C++ (Philosophy of C++. Introduction to C++), 2-е ed, SPb.: Piter, 2004, 572 p.

2. Kernighan B., Ritchie D. Jazyk programmirovanija (C programming language), 2-е ed., M.: Williams, 2015, 289 p.

3. Stolyarov A. V. Vvedenie v jazyk Si++ (Introduction in C++ language), 3-е ed, M.: Max Press, 2012, 128 p.

4. Salimov F. B., Bukharaev N. R. Iz opyta prepodavanija kursa «Algoritmy i struktury dannyh» v Kazanskom federal'nom universitete (From the experience of teaching the course «Algorithms and Data Structures» at the Kazan Federal University), Kazan Pedagogical Journal, № 4 (99), 2013, pp. 46-54.

5. Abrahamyan M. E. Primenenie jelektronnogo zadachnika pri pro-vedenii praktikuma po dinamicheskim strukturam dannyh (The use of an electronic task book in a workshop on dynamic data structures), Computer tools in education, № 3, 2013, pp. 45-56.

Для цитирования: Макаров П. А. Методические особенности применения структурного типа данных в программах, написанных на языках Си и Си++ // Вестник Сыктывкарского университета. Сер. 1: Математика. Механика. Информатика. 2017. Вып. 4 (25). C. 50-58.

For citation: Makarov P. A. Methodical of the using struct type in C/C++ programs, Bulletin of Syktyvkar University, Series 1: Mathematics. Mechanics. Informatics, 2017, №4 (25), pp. 50-58.

СГУ им. Питирима Сорокина

Поступила 11.12.2017