HOOFDSTUK 3. Imperatief programmeren. 3.1 Stapsgewijs programmeren. 3.2 If Then Else. Informatie. Voorbeeld. Voorbeeld: toegangsprijs

Transcriptie

1 HOOFDSTUK Stapsgewijs programmeren De programmeertalen die tot nu toe genoemd zijn, zijn imperatieve of procedurele programmeertalen. is het stapsgewijs in code omschrijven wat een programma moet doen, net als een algoritme of een PSD. Interessant artikel in Computerworld: 25 Fatale programmeerfouten. Bij het uitleggen van een programma of algoritme wordt vaak pseudocode gebruikt. Pseudocode is geen code van een echte programmeertaal, maar is alleen maar bedoeld om dingen eenvoudiger uit te leggen. In dit hoofdstuk gebruiken we ook pseudocode. Vaak wordt bij pseudocode := gebruikt om aan te geven dat een variabele een waarde krijgt. 3.2 If Then Else Bij imperatief programmeren omschrijf je in een code stapsgewijs wat een programma moet doen, net als een algoritme en PSD. Wanneer een PSD selecties (keuzes) bevat, deelt de lijn van het programma zich op met de verschillende antwoorden op het vraagstuk. Denk nog maar even terug aan dit schema: Als je imperatief gaat programmeren, krijg je veel met zulke keuzes of voorwaardes te maken. Hiertoe zijn er de if then -statements en de else -statements. : toegangsprijs We kijken weer even naar het voorbeeld dat de procedure beschrijft voor het bepalen van de toegangsprijs voor een pretpark. ALS leeftijd < 12 DAN toegang := 5 euro ANDERS ALS leeftijd >= 60 DAN toegang := 5 euro ANDERS toegang := 10 euro EINDE-ALS EINDE-ALS 221

2 De code wordt sequentieel van boven naar beneden afgewerkt. Je ziet dat er allerlei keuzes gemaakt moeten worden. Uiteindelijk is het resultaat dat mensen jonger dan 12 en ouder dan, of net zo oud als 60, voor de toegang 5 euro betalen; de overige leeftijden betalen 10 euro. Niet elke If heeft een Else, maar wel elke Else een If Het if-statement is niet onlosmakelijk verbonden aan het else-statement; het is niet noodzakelijk dat elk if-statement ook een else-statement heeft. Aan de andere kant hoort elk else-statement wel bij een if-statement. Merk op dat alle operaties binnen een statement iets naar rechts zijn geplaatst. Dit principe noemen we inspringen. In de meeste programmeertalen zal het programma ook werken als je dit niet doet, maar het is belangrijk om het wel te doen, omdat de code er overzichtelijker van wordt. 3.4 Booleaanse expressies In de eerder gegeven voorbeelden heb je (misschien onbewust) al kennis gemaakt met Booleaanse expressies. De naam Booleaans komt van de wiskundige en filosoof George Boole, die het redeneren in waarden als true en false heeft geïntroduceerd in de 19e eeuw. Een Booleaanse expressie is een expressie die de waarden true of false aan kan nemen. De voorwaarde van een if-statement is een Booleaanse expressie. Als die de waarde true heeft, wordt de direct onderliggende code uitgevoerd en niet de code onder het elsestatement, als dit aanwezig is. Als de Booleaanse expressie de waarde false heeft, is het andersom. 3.3 Lus Oneindige lus Wanneer een programma een iteratie (herhaling) bevat, zeggen we ook wel dat er sprake is van een lus (of 'loop' in het Engels). De operaties die in een lus zitten worden namelijk uitgevoerd zolang aan een bepaalde voorwaarde voldaan wordt. De meest bekende is de while-lus, hieronder aangegeven als 'ZOLANG'. Hier zie je een voorbeeld van een lus: getal := 0 ZOLANG getal < 3 getal := getal + 1 EINDE-ZOLANG In dit voorbeeld wordt een getal net zolang verhoogd totdat het niet meer kleiner is dan 3. Met andere woorden: de lus stopt zodra het getal 3 is geworden. Symbolen Booleaanse logica De symbolen in onderstaande tabel worden vaak gebruikt in de Booleaanse expressies van programmeertalen. Symbool Naam Gebruik > groter-dan x > y is true als x groter is dan y >= groter-dan-ofgelijk-aan x >= y is true als x groter is dan y of net zo groot < kleiner-dan x < y is true als x kleiner is dan y <= kleiner-dan-ofgelijk-aan x <= y is true als x kleiner is dan y of net zo groot not not not x is true als x false is en andersom; de Booleaanse waarde van x wordt geïnverteerd and and x and y is true als x en y beide true zijn or or x or y is true als x of y true is (of als ze allebei true zijn) xor exclusive or x xor y is true als x of y true is (en niet als ze allebei true zijn) Wanneer de voorwaarde van een while-lus altijd waar blijft, zal de lus niet vanzelf stoppen (het programma 'blijft hangen'). Dit noem je een 'oneindige lus'. Meestal is dit niet de bedoeling en heeft de programmeur een fout in de voorwaarde gemaakt, of ergens anders, of allebei. Misschien had je het al opgemerkt: de code van de toegangsprijs van het pretpark kunnen we met deze logica korter omschrijven: ALS leeftijd < 12 OF leeftijd >= 60 DAN toegang := 5 euro ANDERS toegang := 10 euro EINDE-ALS

3 Wijze van weergeven Bij het opstellen van een Booleaanse expressie moet je zorgvuldig te werk gaan. Een verschil in de volgorde van de expressie kan bijvoorbeeld hele andere resultaten opleveren. Het is daarom veilig om delen van je expressie te voorzien van haakjes: '(' en ')'. Door delen tussen haakjes te zetten, geef je aan dat deze als geheel geïnterpreteerd moeten worden. van een functie die zou werken in C, C++, Java en C#: int som(int getal1, int getal2) { return getal1 + getal2; } Waarheidstabel De volgende expressie: (x EN y) OF z is niet hetzelfde als: Als je niet de juiste grammaticaregels van de programmeertaal gebruikt in je code, dan maak je een syntactische fout (Engels: 'syntax error'). Zou je bijvoorbeeld de haakjes vergeten in de code hierboven, dan krijg je hier een foutmelding bij. x EN (y OF z) Je kunt dit gemakkelijk zien door voor deze expressies een waarheidstabel te maken. Dit is een tabel waarin je aangeeft wanneer de expressie true of false is bij welke waarden. Hieronder zijn van beide expressies de verschillende waarheidstabellen weergegeven. 3.6 Variabelen (x EN y) OF z x EN (y OF z) Een variabele is een element dat een bepaalde waarde aan kan nemen. x y z Waarde van expressie x y z Waarde van expressie true true true true true true true true true true false true true true false true true false true true true false true true true false false false true false false false false true true true false true true false false true false false false true false false false false true true false false true false false false false false false false false false Een voorbeeld van een variabele is de toegangsprijs van een pretpark. De waarde die een variabele kan hebben, is afhankelijk van het type van de variabele. Er zijn verschillende typen die voorkomen in verschillende programmeertalen, maar doorgaans zijn de volgende typen aanwezig: ffgeheel getal Dit wordt een integer genoemd, vaak afgekort tot int. '42' is bijvoorbeeld een heel getal. ffkommagetal Dit wordt vaak een double of float genoemd. Bijvoorbeeld: '109.75'. In veel programmeertalen moet je deze getallen op z'n Engels noteren, met een decimale punt. Meestal worden in waarheidstabellen de termen true en false vervangen door respectievelijk 1 en 0. Dit kan zo'n tabel een stuk beknopter maken. ffkarakter Dit noemt men een character of kortweg char (spreek uit: kar). Een karakter kan elk ANSI-, EBCDIC- of Unicode-teken zijn, bijvoorbeeld '$'. 3.5 Syntax ffboolean Dit wordt ook wel bool genoemd. Een boolean kan alleen maar true of false zijn. Sommige programmeertalen (waaronder C en C++) laten hier ook gehele getallen in toe, waarbij 0 staat voor false en alle andere getallen voor true. 224 De syntaxis (Engels: syntax) is de grammatica van een programmeertaal en beschrijft hoe de code er in een bepaalde programmeertaal uit moet komen te zien, wat de grammaticaregels zijn. Elke programmeertaal heeft een eigen syntax, maar sommige programmeertalen hebben onderling veel syntactische overeenkomsten, zoals C, C++, Java en C#. De reden dat veel programmeertalen een overeenkomstige syntax hebben, is dat men het de programmeurs makkelijker wil maken een andere taal te leren. ffstring Een apart soort variabele is de string. Dit is een reeks karakters, bijvoorbeeld 'tijger' of fietswiel

4 3.7 Arrays De meeste programmeertalen bieden de mogelijkheid om arrays (Nederlands: lijst) te maken. Een array is een geordende rij van waardes van hetzelfde type. Zo kun je bijvoorbeeld een array van gehele getallen maken. De waardes van een array zijn genummerd; het volgnummer noemen we de index. In veel programmeertalen begint de indexering van een array met 0 (en niet met 1). De code: rij_van_getallen := [32, 59, 825, 9042] De indexering: rij_van_getallen 3.8 Functies index: waarde: Functies zijn eerder in dit hoofdstuk al eens genoemd. Je kunt deze gebruiken als je een bepaald stukje code vaker wilt gebruiken zonder dat je de code opnieuw hoeft te schrijven. Het maakt je programma een stuk overzichtelijker. Met een functie maak je een soort 'subprogrammaatje'. Als in het programma de naam van een functie staat, wordt daar het subprogrammaatje dat erbij hoort, uitgevoerd. We noemen dat het aanroepen van de functie. Van een functie moeten de volgende zaken worden gedefinieerd: ffde naam Elke functie moet een unieke naam hebben. Sommige programmeertalen laten toe dat namen van functies vaker voorkomen, zolang de parameters verschillen. Dit principe noem je overloading. ffde parameters Dit zijn speciale variabelen die een waarde krijgen bij het aanroepen van de functie. Zo kan de functie werken met de meegegeven waarden. Een functie kan nul of meer parameters hebben. ffhet returntype Dit is het waarde-type dat de functie na uitvoeren oplevert. Een functie kan maar één returntype hebben. Deze waarde wordt op de plek van de aanroep verder gebruikt. ffde body Dit is de code die uitgevoerd wordt als de functie aangeroepen wordt. In dit voorbeeld wordt voor elke variabele, het type van de variabele gespecificeerd (net als bij de meeste programmeertalen). som(int getal1, int getal2) : int int optelling := getal1 + getal2 return optelling De functie 'som' telt twee getallen van het type 'int' bij elkaar op en geeft het resultaat (wat hier de naam 'optelling' heeft gekregen) als int terug. De termen 'getal1' en 'getal2' zijn de parameters en worden gescheiden door een komma. We kunnen nu naar deze functie refereren, of anders gezegd: we kunnen deze functie aanroepen en het resultaat in een andere variabele stoppen. Bijvoorbeeld: int getala := som(10, 20) int getalb := som(getala, 70) int getalc := som(som(50, 50), getalb) Als bovenstaande code uitgevoerd zou worden zou na afloop getala de waarde 30 hebben, getalb 100 en getalc 200. Je ziet: na een aanroep van een functie kan het resultaat precies zo worden behandeld als het returntype van de functie. In dit geval is het returntype van de functie een integer en kun je dus dit resultaat direct weer gebruiken, zoals op de derde regel hier ook gebeurt. 3.9 Parameters en argumenten We hebben eerder aangegeven dat getal1 en getal2 de parameters zijn van de functie 'som'. Bij het aanroepen worden deze parameters ingevuld door, wat we noemen, de argumenten. Een argument is een waarde die meegegeven wordt bij een functieaanroep. We herhalen het voorbeeld uit de vorige paragraaf:

5 int getala := som(10, 20) int getalb := som(getala, 70) int getalc := som(som(50, 50), getalb) Als bij het aanroepen van een functie een variabele meegegeven wordt - zoals in ons voorbeeld op de tweede regel het geval is - dan wordt niet de variabele zelf meegestuurd, maar de waarde van de variabele. Omdat de waarde wordt meegegeven, verandert de variabele zelf dus niet na het aanroepen van een methode, ongeacht wat de methode met de parameters doet. We proberen dit in het volgende voorbeeld te verduidelijken. We definiëren eerst een functie (die eigenlijk niets zinnigs doet): Deze functie heeft geen parameters en geen returnwaarde. Bovendien wordt er een andere functie aangeroepen met de naam 'print', waarbij een string als argument wordt meegegeven Recursie Wanneer een patroon zich binnen zichzelf herhaalt is er sprake van recursie. De figuur hieronder is bijvoorbeeld een recursief figuur, omdat het patroon - een twee keer zo klein vierkantje in de hoek linksboven - zich herhaalt. Denk ook maar aan het resultaat dat je ziet als je een spiegel tegenover een andere spiegel houdt. Ook binnen de wereld van het programmeren is recursie een bekend en belangrijk fenomeen. Sommige programmeerproblemen zijn namelijk beter of uitsluitend met recursie op te lossen. Binnen het programmeervak spreekt men van recursie als de body van een functie een aanroep van deze zelfde functie bevat, met andere woorden: als een functie zichzelf aanroept Void zomaareenfunctie(int eengetal) : int eengetal := 999 return 0 Vervolgens roepen we deze aan: mijneerstegetal := 5 mijntweedegetal := zomaareenfunctie(mijneerstegetal) Na het zogenaamd uitvoeren van deze code zal mijneerstegetal nog altijd de waarde 5 hebben en mijntweedegetal de waarde 0. Alle voorbeeldfuncties tot nu toe hadden een returnwaarde, namelijk een int. Maar een functie hoeft niet per se een returnwaarde te hebben. Dat geef je aan met het returntype void. Void is eigenlijk geen variabele-type, maar is eerder de afwezigheid van een waarde. Letterlijk vanuit het Engels vertaald betekent void dan ook 'leegte'. Hieronder is een voorbeeldfunctie zonder returnwaarde gedefinieerd: zeghallo() : void print( hallo ) Een recursief figuur. Hieronder zie je een voorbeeld van een recursieve functie: mijnfunctie() : void mijnfunctie() Recursieve functies moeten met zorg geschreven worden. Als de programmeur niet goed oplet bij het schrijven van een recursieve functie, blijft de functie zichzelf oneindig aanroepen en loopt het programma vast of crasht het doordat het geheugen van de computer volgelopen is. We noemen dit een overflow. De oplettende lezer had misschien al door dat de code hierboven een voorbeeld is van oneindige recursie. Om te voorkomen dat recursie eindeloos (tot aan een crash) door blijft gaan, moet de programmeur de functie voorzien van een stopconditie. Dit is een punt waarmee het recursieve proces tot stoppen gebracht wordt. Bekijk nu de volgende code: faculteit(int getal) : int if(getal = 1) return 1 return getal * faculteit(getal * 1) De functie in de code hierboven berekent de faculteit van een getal op een recursieve manier. De stopconditie is in dit geval de booleaanse expressie op de eerste regel van de functie. Onderaan staat de recursieve aanroep waarbij het huidige getal met 1 verminderd als argument meegegeven wordt. De eerste keer dat deze functie

6 wordt aangeroepen wordt dus niet direct een resultaat teruggegeven, maar duikt het programma als het ware eerst opnieuw in deze zelfde functie tot aan de stopconditie, waarna alles teruggegeven wordt. Je kunt dit vergelijken met een speelgoedautootje dat je terugdraait tot hij niet meer verder kan, waarna je hem loslaat en hij vervolgens vooruit schiet (en de voorheen afgelegde afstand opnieuw aflegt in de omgekeerde volgorde) Functioneel programmeren In de wiskunde is de faculteit van een getal (genoteerd als een getal gevolgd door een uitroepteken) een reeks aan vermenigvuldigingen waarbij telkens het getal wordt verminderd met 1 totdat het getal zelf 1 is, bijvoorbeeld: 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 De techniek van recursie is zo universeel en krachtig dat er een hele familie van programmeertalen rond dit concept bestaat. Dit zijn de zogenaamde functionele programmeertalen. In een functionele programmeertaal heeft een variabele, net als in de wiskunde, altijd dezelfde waarde. Je hebt dus geen assignments (toekenningen) zoals x := x + 1. Variabelen, veelal parameters, krijgen een waarde bij aanroep van de functie waar ze in voor komen. Daarom bestaan deze programma's uit veel aanroepen, vaak recursief, van relatief kleine functies. Deze functies lijken erg op wiskundige functies en zijn daardoor ook goed wiskundig te beschrijven en te analyseren. Programmeren in een functionele programmeertaal is niet zo makkelijk te leren. Abstractievermogen en een wiskundige attitude komen goed van pas. Maar een ervaren programmeur kan er snel en effectief mee programmeren. en van functionele programmeertalen zijn Lisp, Haskell en Clojure. Veel nietfunctionele talen bevatten wel functionele concepten, zoals functies die als parameter kunnen optreden in PHP en C++ en lambda-expressies in Java. van een stukje Haskell: som :: [integer] -> Integer -- som is een functie van een lijst integers naar -- een integer som [] = 0 -- de som van de lege lijst is 0 som {x:xs} = x + som xs Deze functie telt de elementen van een lijst op. -- de som van een niet-lege lijst is het eerste -- element plus de som van de rest 3.13 Vragen en opdrachten Open vragen 1. Wanneer zal van een else-statement de inhoud worden uitgevoerd? 2. Geef de waarheidstabel van de volgende expressie: x OR (NOT y). 3. a. Noem de Engelse namen van de verschillende typen variabelen die je kent. b. Wat valt je op als je de string met de lijst vergelijkt? 4. a. Welke eigenschappen moet je van een functie definiëren? b. Wat is het verschil tussen een parameter en een argument? 5. Leg in je eigen woorden uit wat syntax betekent Meerkeuzevragen 1. Welke van onderstaande beweringen over lijsten is niet waar? a. De eerste waarde van een lijst staat op index 0. b. Een lijst heeft een volgorde waarin de waardes gerangschikt zijn. c. In één lijst kunnen verschillende waardes worden opgeslagen van verschillende typen. d. Een lijst wordt ook wel array genoemd. 2. Bekijk onderstaande voorbeeld: int a = 2 int b = 4 int c = 6 vermenigvuldig(int x, int y) : int return x * y c := vermenigvuldig(a, b) Stel dat deze code uitgevoerd zou worden, welke waardes zouden dan correct zijn ná het uitvoeren: a. x is 2, y is 4 en c is 6. b. a is 2, b is 4 en c is 8. c. b is 4, y is 4 en c is 4. d. a is 2, b is 4 en c is Welke van onderstaande beweringen over lussen is niet waar? a. Van een lus wordt de booleaanse expressie herhaaldelijk gecontroleerd. b. Een lus is vergelijkbaar met de iteratie van een PSD. c. Een ander woord voor lus is loop. d. Bij een oneindige lus wordt niet aan de booleaanse expressie voldaan

7 4. Van de volgende booleaanse expressie zijn de operatoren vervangen door cijfers. De waarden voor x en y zijn: x = true, y = false. Welke operatoren kunnen hier staan om de expressie de waarde true te laten zijn? 1 y 2 3 (x 4 y) a. 1 = XOR, 2 = AND, 3 = OR, 4 = XOR b. 1 = OR, 2 = AND, 3 = NOT 4 = AND c. 1 = AND, 2 = AND, 3 = NOT, 4 = AND d. 1 = OR, 2 = XOR, 3 = NOT, 4 = AND 5. Bekijk onderstaande code aandachtig en maak de bewering af zodat deze klopt. if(getal == 1) return 1 return getal * mijnfunctie(getal + 1) Het aanroepen van de functie met mijnfunctie(5) resulteert uiteindelijk in... a....het crashen van het programma b....een eindeloze herhaling van de functie c....het verschijnen van een syntax error d....een getal Korte opdrachten 1. Zoek ten minste vijf syntactische regels voor de programmeertaal Java en beschrijf deze kort in je eigen woorden. 2. a. Schrijf zelf code voor het zetten van koffie. Maak hierbij gebruik van variabelen, ten minste één lus en ten minste één functie. b. Beschrijf vervolgens stapsgewijs de werking van jouw code. Geef hierbij onder andere aan welke variabelen op welk moment welke waarde hebben Samenvatting ff is het stapsgewijs schrijven van instructies die van boven naar beneden uitgevoerd worden. Kenmerken hierbij zijn: yif-, then-, else-statemens: gebruikt om voorwaarden aan variabelen te stellen ylussen: herhalingen, denk hierbij aan de while-lus yfuncties: kleine deelprogramma's om het programma overzichtelijker te maken en herhalende code slechts één keer te hoeven schrijven. ffeen parameter is een variabele die gedefiniëerd is bij een functie. Een argument is de waarde die je meegeeft bij het aanroepen van een functie. ffer zijn verschillende typen variabelen: yint: heel getal ydouble of float: kommagetal ychar: een karakterteken ybool of boolean: heeft de waarde true of false ystring: een reeks van karakters. ffeen lijst (of array) is een reeks van waardes van één type variabele. ffrecursie is een zich binnen zichzelf herhalend patroon. ffeen functie is recursief als deze zichzelf aanroept. Wanneer een functie door het ontbreken van een stopconditie zichzelf eindeloos aanroept, crasht het programma door een overflow. f f De syntax van een programmeertaal beschrijft de grammaticaregels waaraan een programmeur zich voor die taal moet houden