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.

Makefile

main.cpp

vector3.hpp vector3.cpp

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:

Red
Orange
Green
Violet

Druga natomiast opisuje trzy rodzaje owoców:

Apple
Orange
Plum

Następnie zdefiniuj strukturę Fruit składającą się z tych dwóch enumeracji. Na końcu pliku fruit.hpp zdefiniuj 6 statycznych stałych (static const) zmiennych typu Fruit opisujące dojrzałe i niedojrzałe jabłko, pomarańczę oraz śliwkę.

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. using tworzy alias (synonim) do typu znajdującego się po prawej stronie znaku równości. 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. funkcje inicjalizujące (vector3_init), które służą do ustawienia początkowych wartości wektora. Twoim zadaniem jest ustawić w nich wartości x, y oraz z pola v zgodnie z przekazanymi argumentami (brak argumentów oznacza wypełnienie zerami). Funkcja vector3_length służy do wyliczenia długości euklidesowej wektora (Podpowiedź: funkcja sqrt znajduje się w nagłówku cmath). Funkcja vector3_mul służy do pomnożenia wektora przez liczbę. Do zaimplementowania funkcji vector3_length oraz vector3_mul użyj możliwości dostępu do v z perspektywy tablicy typu double.

Jako rozszerzenie struktury Vector3 zadeklaruj dwie dodatkowe funkcje w pliku vector3.hpp:

vector3_add - funkcja wykonuje dodawanie wektorów oraz przyjmuje dwie stałe referencje na typ Vector3 reprezentujące lewą i prawą stronę operatora dodawania. Funkcja powinna zwracać nowy Vector3 przechowujący 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 vector3_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.

Wskazówka: Aby uzyskać wskaźnik do danych wewnątrz std::vector, użyj funkcji .data(), która zwraca wskaźnik do pierwszego elementu.

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:

holey_string_print - ta funkcja wypisuje taki specjalnie przygotowany ciąg znaków na standardowe wyjście (długość ciągu znaków ustal na podstawie terminującego zera - jak w języku C),
holey_string_assign - ta funkcja przypisuje otrzymany std::string do specjalnego ciągu znaków (zaterminuj string w stylu C - ustawiając ostatni bajt na zero),
holey_string_hide - ta funkcja przypisuje otrzymany std::string do dziur powstałych pomiędzy znakami. W przypadku ostatniej funkcji wykonanie funkcji holey_string_hide nie powinno wpłynąć na zawartość ciągu znaków oraz kolejne wywołania funkcji holey_string_print. 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 holey_string_assign ze stringiem "hello" oraz holey_string_hide z "world". Po wykonaniu każdej z tych dwóch operacji wykonaj funkcję holey_string_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).

Uwaga o typie size_t: W sygnaturach tych funkcji używany jest typ size_t, który służy do reprezentowania rozmiarów obiektów w pamięci. Jest to typ bez znaku (w przeciwieństwie do int, który może być ujemny), specjalnie zaprojektowany do przechowywania maksymalnego rozmiaru dowolnego obiektu. Różni się od unsigned int tym, że jego rozmiar odpowiada maksymalnemu rozmiarowi obiektu na danej platformie (32 lub 64 bity), co gwarantuje przenośność kodu.

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!

Rozwiązanie #

Makefile

main.cpp fruit.hpp

vector3.hpp vector3.cpp

holey_string.hpp holey_string.cpp

memory_manipulation.hpp memory_manipulation.cpp