Laboratorium 2 #
Pamięć #
Na tym laboratorium twoim zadaniem jest stworzenie niestandardowych typów danych oraz eksperymentowanie z ich czasem życia.
Tym razem zadanie podzielone jest na sześć etapów.
W kodzie znajdują się wskazówki, gdzie należy umieścić rozwiązania poszczególnych etapów (szukaj komentarzy zawierających STAGE N).
Skorzystaj z kodu startowego oraz dołączonego do niego pliku Makefile. Można w nim znaleźć dwie zmienne: CXXFLAGS oraz LDFLAGS. Pierwsza powinna być używana przy tworzeniu obiektów.
Druga natomiast jest przekazana przy linkowaniu obiektów do plików wykonywalnych lub bibliotek.
holey_string.hpp holey_string.cpp
memory_manipulation.hpp memory_manipulation.cpp
Etap 0: Deklaracja enumeracji w stylu C++ #
Na rozgrzewkę twoim zadaniem będzie utworzenie dwóch enumeracji opisujących kolory oraz typy owoców.
W tym celu utwórz plik fruit.hpp i zadeklaruj dwie enumeracje: Color oraz FruitType.
Pierwsza z nich dopuszcza 4 kolory:
RedOrangeGreenViolet
Druga natomiast opisuje trzy rodzaje owoców:
AppleOrangePlum
Następnie zdefiniuj strukturę Fruit składającą się z tych dwóch enumeracji.
Na końcu pliku fruit.hpp zdefiniuj 6 statycznych wyrażeń stałych (static constexpr) zmiennych typu Fruit opisujące dojrzałe i niedojrzałe jabłko, pomarańczę oraz śliwkę.
Wyrażenie stałe może być użyte do wykonania obliczeń jeszcze w trakcie kompilacji. Na warsztatach użyjemy tego jako ułatwienie definiowania zmiennej statycznej. Wyrażenia stałe mogą być definiowane w całości w plikach nagłówkowych. Na dalszych wykładach szerzej zostanie poruszony temat obliczeń w trakcie kompilacji.
Zwróć uwagę, że przy instancjonowaniu dojrzałej pomarańczy przekazujemy dwa razy enumerację o symbolu Orange.
Enumerację w stylu C++ wprost wyrażają, który Orange powinien zostać użyty w trakcie tworzenia instancji owoców przy pomocy nazwy klasy poprzedzającej wartość enumeracji.
Etap 1: Trójwymiarowy wektor #
W pliku vector3.hpp zadeklarowana jest struktura, która ma reprezentować wektor trójwymiarowy.
Jako element jej definicji znajdziesz using internal_representation, który definiuje, jak wewnętrznie przechowywane są informacje o trzech liczbach rzeczywistych.
Twoim zadaniem jest stworzyć definicję struktury internal_representation w taki sposób, aby dostęp do trzech liczb typu double można było wykonać poprzez trzy oddzielne zmienne x, y oraz z, albo poprzez trójelementową tablicę typu double.
Stworzona struktura powinna mieć rozmiar 3 * sizeof(double) oraz alignment taki jak typ double.
Proszę zwrócić uwagę na dwie linie zawierające static_assert.
Jest to sposób na upewnienie się, że zdefiniowany przez ciebie typ będzie traktowany jako blok trzech liczb.
Zastanów się, dlaczego akurat tak wyglądają sprawdzenia poprawności.
Struktura Vector3 ma zdefiniowane pole v stworzonego przez ciebie typu internal_representation.
W czterech funkcjach, które musisz teraz zaimplementować w pliku vector3.cpp, będzie ona dostępna jako pole v.
Dwie z tych funkcji to tzw. konstruktory, o których mowa będzie na kolejnych laboratoriach.
Twoim zadaniem jest ustawić w nich wartości x, y oraz z pola v zgodnie z przekazanymi argumentami (brak argumentów oznacza wypełnienie zerami).
Funkcja length służy do wyliczenia długości euklidesowej wektora (Podpowiedź: funkcja sqrt znajduje się w nagłówku cmath).
Funkcja mul służy do pomnożenia wektora przez liczbę.
Do zaimplementowania funkcji length oraz mul użyj możliwości dostępu do v z perspektywy tablicy typu double.
Jako rozszerzenie klasy Vector3 zadeklaruj dwie wolne funkcje w pliku vector3.hpp:
vector3_add- funkcja wykonuje dodawanie wektorów oraz przyjmuje dwie stałe referencje na typVector3reprezentujące lewą i prawą stronę operatora dodawania. Funkcja powinna zwracać nowyVector3przechowujący wynik dodawania.vector3_print- funkcja formatuje i wypisuje na standardowe wyjście współrzędne wektora oraz jego długość ([x,y,z] length). Przyjmuje jako argument jedną stałą referencję na wektor, który należy wypisać na standardowe wyjście.
Ciała funkcji powinny zostać zaimplementowane w pliku vector3.cpp.
Po skończeniu implementacji struktury Vector3 przejdź do funkcji main w pliku main.cpp.
Mając już wszystkie konieczne operacje na wektorach, możemy wyrazić wektor [3,5,7] jako kombinację liniową wektorów bazowych pomnożonych przez pewne stałe.
Zdefiniuj trzy wektory bazowe jako zmienne automatyczne i wykorzystując funkcje mul oraz vector3_add oblicz wynikowy wektor. Na koniec wypisz wynik na standardowe wyjście przy pomocy funkcji vector3_print.
W ramach przypomnienia: wektory z bazy kanonicznej to [1,0,0], [0,1,0] oraz [0,0,1] (Podpowiedź: = {x,y,z} zainicjalizuje wektor wartościami podanymi w klamrach).
Etap 2: Tablice wektorów #
Kiedy typ Vector3 działa jak trzeba, możemy przejść do deklarowania tablic w funkcji main.
Twoim zadaniem jest zadeklarować trzy rodzaje tablic:
- automatyczna (na stosie),
- dynamiczną (na stercie) - oznacza to wykonanie wszystkich akcji związanych z obsługą otrzymanej pamięci,
- używając
std::vector(używając obiektu, który zarządza pamięcią wewnętrznie).
Do każdej tablicy wstaw 10 obiektów typu Vector3 o wartościach {i,i,i}, gdzie i - numer wstawianego wektora.
Przy każdym wstawieniu pobierz adres pierwszego elementu oraz wypisz go na standardowe wyjście. Czy w każdym wypadku te adresy będą identyczne w czasie kolejnych iteracji pętli?
Po zakończeniu wstawiania przejdź po tablicy ponownie oraz wypisz długość wektora na standardowe wyjście.
Etap 3: Memory dumper (pol. drukarz pamięci) #
W tym etapie twoim celem jest napisanie funkcji, która przyjmie dowolny wskaźnik oraz ilość bajtów do wypisania na standardowe wyjście.
W każdej linii wypisz 8 bajtów na dwa sposoby: jako liczbę heksadecymalną oraz znak ASCII (jeśli jest to możliwe).
Aby dopełnić obraz wypisanych bajtów, na początku linii wypisz adres pierwszego bajta (Podpowiedź: std::hex służy do formatowania wartości jako liczby heksadecymalnej).
Przykładowo funkcja dla pamięci zajmowanej przez Vector3{1,2,3} wypisze na standardowe wyjście
0x75c1bc3000f0: 00 00 00 00 00 00 f0 3f | .......? |
0x75c1bc3000f8: 00 00 00 00 00 00 00 40 | .......@ |
0x75c1bc300100: 00 00 00 00 00 00 08 40 | .......@ |
a dla ciągu znaków Hello world!
0x76a298300240: 48 65 6c 6c 6f 20 77 6f | Hello wo |
0x76a298300248: 72 6c 64 21 | rld! |
Definicja funkcji jest przygotowana w pliku main.cpp.
Po wykonaniu implementacji wypisz na ekran pamięć zajmowaną przez każdą tablicę z etapu drugiego.
Etap 4: Dziurawy ciąg znaków #
W pliku holey_string.hpp zdefiniowana jest struktura reprezentująca 16 elementowy ciąg znaków.
Znaki w tej strukturze są specjalne, pomimo wykorzystania typu char każdy znak zajmuje 2 bajty.
Twoim zadaniem jest zdefiniować ten specjalny typ znaku holey_char (Podpowiedź: alignas) i zaimplementować trzy funkcje:
print- ta funkcja wypisuje taki specjalnie przygotowany ciąg znaków na standardowe wyjście (długość ciągu znaków ustal na podstawie terminującego zera - jak w języku C),assign- ta funkcja przypisuje otrzymanystd::stringdo specjalnego ciągu znaków (zaterminuj string w stylu C - ustawiając ostatni bajt na zero),hide- ta funkcja przypisuje otrzymanystd::stringdo dziur powstałych pomiędzy znakami. W przypadku ostatniej funkcji wykonanie funkcjihidenie powinno wpłynąć na zawartość ciągu znaków oraz kolejne wywołania funkcjiprint. Po laboratorium zastanów się, czy ta funkcja przypadkiem nie łamie jakichś zasad 🤔
Po zaimplementowaniu powyższych funkcji przejdz do pliku main.cpp oraz stwórz automatyczny obiekt typu HoleyString. Wykonaj na nim funkcję assign ze stringiem "hello" oraz hide z "world". Po wykonaniu każdej z tych dwóch operacji wykonaj funkcję print oraz wypisz pamięć zajmowaną przez obiekt funkcją dump_memory.
Etap 5: Manipulacja pamięcią #
W standardowej bibliotece C znajdują się dwie bardzo przydatne funkcje: memcpy oraz memmove.
Obydwie służą do przekopiowania bloku pamięci ze wskazanego adresu do docelowego.
Różni je jednak bardzo subtelny szczegół: fakt nachodzenia się bloków źródłowego oraz docelowego.
Funkcja memcpy zakłada, że podane bloki nie nachodzą na siebie, a memmove dopuszcza, aby bloki nachodziły na siebie.
Zachęcam do przeczytania instrukcji dla standardowej biblioteki, aby zapoznać się z funkcjami (man 3p memcpy oraz mam 3p memmove).
Twoim zadaniem jest zaimplementować obydwie funkcje w pliku memory_manipulation.cpp.
W celu sprawdzenia implementacji w pliku main.cpp wykonaj następujące przekształcenia:
Hello world!->Hello Hello!Hello world once again!->Hello world world once!
Zabronione jest użycie funkcji std::memcpy oraz std::memmove w implementacjach i przykładzie użycia!