Podręcznik

1. Typy danych

Program operuje na pewnych danych, które muszą być umieszczone w pamięci komputera. Poznaliście dane, których wartość może zostać zmieniona w trakcie pracy programu. Taki rodzaj danych nazywamy zmiennymi. Oprócz nich mogą być potrzebne dane, które nie powinny się zmieniać podczas wykonania programu - dane takie nazywamy stałymi.

2. Wbudowane typy danych

Pamięć operacyjna komputera, znana również jako RAM (ang. Random Access Memory), jest podzielona na komórki pamięci.  Każda jest identyfikowana unikalnym adresem. Każda komórka pamięci przechowuje określoną ilość danych. Zazwyczaj jest to jeden bajt (8 bitów). Każdy bajt może przechowywać liczbę od 0 do 255.

const double G = 9.807; // definicja stałej będącej liczbą rzeczywistą
const string AUTOR = "Mikołaj Srebrempisany"; // definicja stałej będącej napisem

2.1. Typ logiczny

W języku C++ typ logiczny jest reprezentowany przez typ danych bool. Typ został wprowadzony w standardzie C++98. Typ wbudowany bool może przyjmować jedną z dwóch wartości: true lub false. Typ ten jest wykorzystywany głównie do wyrażania warunków logicznych w instrukcjach sterujących.

2.2. Typy znakowe

Typ znakowy char w języku C++ służy do przechowywania pojedynczych znaków. Może być używany do reprezentowania znaków drukowalnych, cyfr, znaków specjalnych i innych znaków w kodzie ASCII lub innym kodowaniu znaków. Typ char umożliwia wykonywanie różnych operacji na znakach oraz jest często wykorzystywany w łańcuchach znakowych i operacjach wejścia/wyjścia. 

W kodzie ASCII (American Standard Code for Information Interchange), każdy znak jest reprezentowany przez odpowiadającą mu wartość numeryczną. 

Na przykład, litera 'A' jest reprezentowana przez wartość 65. Zmienna typu char zajmuje więc dokładnie jeden bajt w pamięci. Kod ASCII zawiera znaki drukowalne oraz znaki specjalne. System ASCII był pierwszym szeroko rozpowszechnionym standardem kodowania. Pojawił się w 1960 za sprawą American National Standards Institute (ANSI). Tablica znaków ASCII to tabela składająca się z 128 znaków (7-bitowy zapis). Poniżej przedstawiona jest tablica ASCI z wartościami kodowanego znaku oraz odpowiadającym wartością w systemie dziesiętnym.

2.3. Typy całkowite

Typ całkowity w języku C++ to kategoria typów danych przeznaczonych do przechowywania liczb całkowitych. W C++ dostępnych jest kilka różnych typów całkowitych, różniących się rozmiarem i zakresem wartości, które mogą przechowywać. Możemy wyróżnić następujące typy całkowite:

• Typ int to podstawowy typ całkowity w C++. We współczesnych systemach typ ten jest zazwyczaj 32-bitowy. Można przechowywać wartości w zakresie od -2,147,483,648 do 2,147,483,647. 

• Typ short jest mniejszym typem całkowitym. Przeważnie rozmiar jest 16-bitowy. Może przechowywać wartości w zakresie od -32,768 do 32,767.

• Typ long jest większym typem całkowitym. Zazwyczaj jest 32-bitowy na 32-bitowych systemach, ale na 64-bitowych systemach może być 64-bitowy. Dla 32-bitowego systemu zakres wynosi od -2,147,483,648 do 2,147,483,647.

• Typ long long jest jeszcze większym typem całkowitym. Jest zazwyczaj 64-bitowy, co oznacza, że może przechowywać wartości w zakresie od -9,223,372,036,854,775,808 do 9,223,372,036,854,775,807.

W C++ typy całkowite mogą być modyfikowane za pomocą specyfikatorów signed i unsigned, aby wyraźnie określić, czy mają przechowywać wartości ujemne i dodatnie, czy tylko dodatnie. Na przykład:

• signed int jest równoznaczny z int.
• unsigned int przechowuje tylko liczby dodatnie.

• Typ unsigned int przechowuje tylko liczby nieujemne. Dla 32-bitowego systemu zakres wynosi od 0 do 4,294,967,295.

• Typ unsigned short przechowuje liczby nieujemne i zazwyczaj jest 16-bitowy. Zakres wynosi od 0 do 65,535.

• Typ unsigned long zazwyczaj jest 32-bitowy, a zakres wynosi od 0 do 4,294,967,295.

• Typ unsigned long long jest zazwyczaj 64-bitowy i może przechowywać wartości w zakresie od 0 do 18,446,744,073,709,551,615.

2.4. Typy zmiennoprzecinkowe

Typ zmiennoprzecinkowy w języku C++ służy do zapisywania liczb rzeczywistych. Liczby rzeczywiste odgrywają istotną rolę w obliczeniach naukowych, inżynierskich oraz w wielu aplikacjach, w których kluczowym aspektem jest dokładność. W tym przypadku dokładność zapewniana przez liczby całkowite nie jest wystarczająca.  W języku C++ dostępne są trzy główne typy zmiennoprzecinkowe: float, double oraz long double. Każdy z wymienionych typów zmiennych różni się precyzją i zakresem wartości, które może przechowywać.

Poza standardowym sposobem zapisu liczb tzn. 10, 200.46 możemy zapisywać liczby używając notacji naukowej. Notacja naukowa jest sposobem reprezentowania bardzo dużych lub bardzo małych liczb w zwięzły sposób. Jest szczególnie użyteczna w naukach ścisłych i inżynierii, gdzie liczby mogą mieć wiele cyfr znaczących i szeroki zakres wartości. 

Możemy zapisać liczbę $0.000001234$ jako $1.234 \cdot 10^{-6}$.

W notacji naukowej wartość liczby obliczamy zgodnie ze wzorem:

$L = m \cdot p^{c}$

gdzie:

$m$ - mantysa,

$p$ - podstawa,

$c$ - cecha.

Przy pomocy wzoru możliwe jest wyznaczenie wartość liczby zmiennoprzecinkowej zapisanej w dowolnym systemie pozycyjnym, a nie tylko dziesiętnym. W przypadku dziesiętnego systemu $p = 10$.

Liczby wymierne i niewymierne wchodzą w skład zbioru liczb rzeczywistych, a ich reprezentacja za pomocą notacji naukowej (formy wykładniczej) stanowi oficjalną definicję liczb zmiennoprzecinkowych. W tym momencie warto zastanowić się w jaki sposób liczby zmiennoprzecinkowe są przechowywane w pamieci komputera. Oczywiście zapis jest binarny. W łatwy sposób można zapisać część całkowitą, ale w jaki sposób zapisać część dziesiętną? Najlepiej będzie zaprezentować to na przykładzie. 

Mamy liczbę zmiennoprzecinkową 5.125. Część całkowitą możemy zapisać jako 101. 
Kolejnym krokiem jest przedstawienie w postaci binarnej liczby 0.125. W tym celu należy wykonać działania przedsatwione w tabeli, które polegają na kolejnym mnożeniu liczb przez 2 oraz zapisie części całkowitej w postaci binarnej.

Liczba wejściowa (ułamkowa)	Wynik mnożenia przez 2	Wartość całkowita wyniku
0.125	2*0.125 = 0.250	0
0.250	2*0.250 = 0.500	0
0.500	2*0.500 = 1.000	1

Proces mnożenia kończy się gdy część ułamkowa równa się 0. 
Liczbę zmiennoprzecinkową możemy zapisać jako 101.001.

Należy zwrócić uwagę, że istnieją przypadki w których proces mnożenia może nigdy się nie kończyć. Mamy wtedy do czynienia z liczbami nieskończonymi. W przypadku liczby nieskończonej otrzymujemy pewną powtarzającą się sekwencję binarnych wartości. Mówimy wtedy, że wartość jest w okresie. Możemy to zaobserwować na przykładzie liczby 0.33.

Przedstawienie w postaci binarnej liczby 0.33 wymaga wykonać działania przedsatwione w tabeli, które polegają na kolejnym mnożeniu liczb przez 2 oraz zapisie części całkowitej w postaci binarnej.

Liczba wejściowa (ułamkowa)	Wynik mnożenia przez 2	Wartość całkowita wyniku
0.33	2*0.33 = 0.66	0
0.66	2*0.66 = 1.32	1
0.32	2*0.32 = 0.64	0
0.64	2*0.64 = 1.28	1
0.28	2*0.28 = 0.56	0
0.56	2*0.56 = 1.12	1
0.12	2*0.12 = 0.24	0
0.24	2*0.24 = 0.48	0
0.48	2*0.48 = 0.96	0
0.96	2*0.96 = 1.92	1
0.92	2*0.92 = 1.84	1

Zbierając wszystkie części całkowite uzyskane w kolejnych krokach, otrzymujemy: $\mathrm{0.33\approx 0.0101011100001111\dots }$

Reprezentacja binarna liczby $0.33$ jest nieskończona i okresowa. W praktyce, można ją przybliżyć do określonej liczby miejsc po przecinku, ale zawsze będzie to tylko przybliżenie. Na przykład:

$\mathrm{0.33\approx 0.0101012 (przybliżenie\; do\; 6\; miejsc\; po\; przecinku)}$

W celu ujednolicenia sposobu zapisu liczb zmiennoprzecinkowych został wprowadzony standard IEEE754. Standard IEEE 754 to zestaw specyfikacji definiujących sposób reprezentacji oraz operacji na liczbach zmiennoprzecinkowych w komputerach. Opracowany przez Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), standard ten jest powszechnie używany we współczesnych systemach komputerowych i językach programowania, zapewniając jednolitą metodę manipulacji liczbami zmiennoprzecinkowymi, co umożliwia przenośność kodu między różnymi platformami.

Liczby zmiennoprzecinkowe w standardzie IEEE 754 są reprezentowane w postaci znormalizowanej za pomocą trzech głównych części:

1. Znak (1 bit): Określa, czy liczba jest dodatnia (0) czy ujemna (1).
2. Cecha (eksponenta): Przechowuje przesuniętą wartość wykładnika. Wartość ta jest zapisywana w postaci przesuniętej o wartość zwaną biasem.
3. Mantysa (część ułamkowa): Przechowuje znaczące cyfry liczby.

W języku C++ możemy więc wyróżnić następujące typy liczb zmiennoprzecinkowych:

• Typ float to pojedyncza precyzja zmiennoprzecinkowa. Zwykle jest przechowywana na 32 bitach (4 bajty). Zakres liczb wynosi od 1.2E-38 do 3.4E+38, natomiast precyzja jest do 7 cyfr znaczących.

Przykład definicji zmiennej typu float:

float zmienna_rzeczywista;

• Typ double to podwójna precyzja zmiennoprzecinkowa. Zwykle jest przechowywana na 64 bitach (8 bajtów). Zakres liczb wynosi od 2.2E-308 do 1.8E+308, natomiast precyzja jest do 15 cyfr znaczących.

Przykład definicji zmiennej typu double:

double zmienna_rzeczywista;

• Typ long double może oferować jeszcze większą precyzję. Jego rozmiar zależy od implementacji, ale zazwyczaj jest przechowywany na co najmniej 80 bitach (10 bajtów) lub więcej. 

Przykład definicji zmiennej typu long double:

long double zmienna_rzeczywista;

2.5. Typy void

Typ void w języku C++ jest specjalnym typem danych, który reprezentuje "brak wartości". Może być używany w różnych kontekstach. Typ void* może być używany jako wskaźnik ogólny, który może przechowywać adres dowolnego typu danych. Jednakże, wskaźnik ten nie zawiera informacji o typie danych, na który wskazuje. Zazwyczaj wymaga to rzutowania na odpowiedni typ przed użyciem. Do czego taki typ danych może służyć wrócimy przy omawianiu wskaźników w dalszej części podręcznika.

3. Typ napisowy

W języku C++ nie ma wbudowanego standardowego typu do przechowywania napisów (czyli zmiennych łańcuchowych). W praktyce często istnieje potrzeba operowania na tego typu danych. W języku C do operowania na łańcuchach znaków wykorzystywane były tablice. W języku C++ wykorzystywana jest w tym celu biblioteka string. Zmienna typu string jest często używana do przechowywania i manipulowania tekstami, takimi jak nazwy, zdania, adresy email czy informacje pobrane ze strumieni wejścia. Aby korzystać ze zmiennych typu string, należy dodać nagłówek <string> do kodu źródłowego programu. 

4. Typ wyliczeniowy

Typ wyliczeniowy definiuje się za pomocą słowa kluczowego enum. Składnia wygląda następująco:

enum DniTygodnia {
    Poniedzialek,
    Wtorek,
    Sroda,
    Czwartek,
    Piatek,
    Sobota,
    Niedziela
};

Domyślnie wartości wyliczeniowe są reprezentowane jako kolejne liczby całkowite zaczynając od zera. Można jednak przypisać im konkretne wartości:

enum DniTygodnia {
    Poniedzialek=1,
    Wtorek,
    Sroda,
    Czwartek,
    Piatek,
    Sobota,
    Niedziela
};

5. Instrukcje czytaj i pisz

W języku C++, operacje wejścia/wyjścia (I/O) są kluczowym elementem programowania, pozwalającym na interakcję z użytkownikiem i systemem plików. Do obsługi operacji wejścia/wyjścia wykorzystywana jest biblioteka <iostream>. Do operacji wypisywania na ekranie oraz odczytywania danych od użytkownika wykorzystujemy strumienie 'cout' (wyjścia) oraz 'cin' (wejścia). 

Przy pomocy strumienia 'cout' możemy wyświetlić na ekranie komunikat lub wartość zmiennej.

cout << "Przykladowy napis";
cout << "Inny przyklad" << endl;

W przedstawionym przykładzie poleceniem 'cout' wypisywany jest na ekranie przykładowy napis. Jest także możliwość kontynuowania strumieniowego wyświetlania danych na ekranie przez kolejne wykorzystanie '<<'. W przykładzie pokazano także w jaki sposób wymusić przejście do nowej linii za pomocą 'endl'. Możliwe jest także przejście do nowej linii za pomocą polecenia '\n' umieszczonego bezpośrednio w tekście:

cout << "Przykladowy napis \n";

int x,y;
x = 1;
y = 4;
cout << "Wartosc x: " << x << endl;

cout << "Wartosc y: ";
cout << y << endl;

cout << "Wartosc sumy x+y: "; << x + y << endl;

string napis;
cout << "Podaj przykladowy napis." << x << endl;
cin >> napis;

int x,y;
cout >> "Podaj wartosc x." << x << endl;
cin >> x >> y;

• polecenie np. cin
• zmienna typu string.

string dane;
cout << "Podaj imie i nazwisko i wcisnij Enter\n ";
getline (cin, dane);

cout << " Witaj, " << dane << endl; // Wydrukuje się imie i nazwisko

6. Instrukcje warunkowe

int x = ...;  // Aktualna wartość: ...
if (x > 0) {
    cout << "x jest większe od 0" << endl;
} else {
    cout << "x nie jest większe od 0" << endl;
}

if (a>0) cout << a;
else
    cout << "zmieniamy znak";
    cout << -a;

if (warunek)
{
   ...
   ...
}
    

if (warunek)
{
    ...
} else {
    ...
}
    

if (...)
   ...
else if (...)
    ...
else
    ...

if (...)
    if (...)
       ...
    else
       ...
    

if (...)
{
    if (...)
        ...
} else
    ...