Korrekte Schleifen entwerfen

Muster

Was eine Variable bedeutet

Die meisten Schleifen werden nicht erfunden: Sie werden aus wenigen Bausteinen zusammengesetzt, die in allen Programmen wiederkehren. Jeder Baustein ist eine Variable mit einer Initialisierung vor der Schleife, einer Aktualisierung in ihr und vor allem einer Bedeutung, die nach jedem Durchlauf gilt. Die Bausteine an ihrer Bedeutung und nicht an ihrer Form zu erkennen, ist das, was erlaubt, sie fehlerfrei zu kombinieren.

• Ein Zähler gibt an, wie viele Daten verarbeitet worden sind (oder wie viele eine Bedingung erfüllen). Er wird mit 0 initialisiert, weil vor dem ersten Durchlauf noch keines verarbeitet worden ist, und mit ++count aktualisiert, nur wenn es etwas zu zählen gibt.
• Ein Akkumulator enthält die Verknüpfung der verarbeiteten Daten: ihre Summe, ihr Produkt. Er wird mit dem neutralen Element der Operation initialisiert (0 für die Summe, 1 für das Produkt), weil die Summe von keinem Datum 0 ist und das Produkt von keinem Datum 1.
• Ein Maximum enthält das größte der verarbeiteten Daten, ein Minimum das kleinste. Das Maximum von keinem Datum existiert nicht: Deshalb wird es mit dem ersten Datum initialisiert und nicht mit einer zufällig gewählten Zahl.
• Ein Wächter ist ein Wert der Eingabe, der kein Datum ist, sondern das Signal, dass die Daten zu Ende sind. Das Muster verlangt, einmal vor der Schleife und noch einmal am Ende des Rumpfes zu lesen, wie es die Lektion Schleifen beim Summieren bis zur Null getan hat, sodass die Bedingung jeden Wert prüft, bevor er verarbeitet wird, und der Wächter nie als Datum gezählt wird.
• Ein Flag ist ein bool, das angibt, ob unter den verarbeiteten Daten irgendwann etwas eingetreten ist. Es wird mit false initialisiert und wird true, sobald es zum ersten Mal eintritt; kein späterer Durchlauf setzt es auf false zurück.

Ein Beispiel mit allen Bausteinen

Ein Regenprotokoll verzeichnet die Millimeter Niederschlag jedes Tages. Das Programm liest zuerst einen Schwellenwert und danach die Messwerte mehrerer Tage, abgeschlossen durch eine negative Zahl, die kein möglicher Messwert ist und als Wächter dient; es gibt aus, wie viele Messwerte es gibt, ihren Mittelwert, das Maximum, an wie vielen Tagen der Schwellenwert überschritten wurde und ob es einen Tag ohne Regen gab.

#include <iostream>#include <print>​int main(){    double threshold{};    std::cin >> threshold;    int count{0};          // Zähler: verarbeitete Messwerte    int aboveCount{0};     // Zähler: Messwerte über dem Schwellenwert    double total{0.0};     // Akkumulator: Summe der Messwerte    double largest{0.0};   // Maximum: gilt nur, wenn count > 0    bool dryDay{false};    // Flag: es gab einen Tag ohne Regen    double value{};    std::cin >> value;    while (std::cin && value >= 0.0) {        if (count == 0 || value > largest) {            largest = value;        }        ++count;        total += value;        if (value > threshold) {            ++aboveCount;        }        if (value == 0.0) {            dryDay = true;        }        std::cin >> value;    }    if (count == 0) {        std::println("Keine Messwerte.");    } else {        std::println("Messwerte: {}; Mittelwert: {:.2f} mm", count, total / count);        std::println("Maximum: {:.1f} mm; Tage über {:.1f} mm: {}", largest, threshold, aboveCount);        std::println("Tage ohne Regen: {}", dryDay ? "ja" : "nein");    }}

104.5 0 12.5 21.5 7.5 -1

Messwerte: 5; Mittelwert: 9.20 mmMaximum: 21.5 mm; Tage über 10.0 mm: 2Tage ohne Regen: ja

Vier Entscheidungen verdienen einen Kommentar. Die Bedingung count == 0 || value > largest initialisiert das Maximum mit dem ersten Datum ohne gesondertes Lesen: Im ersten Durchlauf ist der Zähler 0, und die Zuweisung findet immer statt; in den folgenden nur, wenn das Datum das Maximum übertrifft. Der Vergleich value == 0.0 ist exakt, weil der Wert gelesen und nicht berechnet wurde: Die Ziffer 0 wird in die exakte Null umgewandelt, und die Warnung der Lektion Gleitkommazahlen vor == bezieht sich auf Ergebnisse von Rechnungen. Die Schleifenbedingung enthält std::cin, sodass auch eine Eingabe, die ohne Wächter endet, die Schleife beendet. Und der Mittelwert wird nur berechnet, wenn es Messwerte gibt: Mit count gleich 0 wäre total / count gleich $0/0$, was im Gleitkommaformat kein Fehler ist, sondern der Wert „keine Zahl“, den das Programm ohne Hinweis ausgeben würde.

Man beachte, dass in jeder Zeile der Abbildung jede Variable ihre Bedeutung in Bezug auf die bis dahin verarbeiteten Messwerte erfüllt: total ist ihre Summe, largest ihr Maximum, dryDay gibt an, ob unter ihnen eine Null war. Diese Eigenschaft, die nach jedem Durchlauf gilt, hat einen Namen.