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laboratorio di calcolo IIAA 2003/04

a cura di

Domizia Orestano

Dipartimento di FisicaStanza 159 - tel. (06 5517) 7281

www.fis.uniroma3.it/~orestanoorestano@fis.uniroma3.it

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI ROMA TRE

DIPARTIMENTO DI FISICA “E. AMALDI”

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Introduzione: obiettivi del corso

Introduzione alla Programmazione ad Oggetti

Accento posto sulle “Idee” e non sugli aspetti tecnici

“Architetti”

e non

“Esperti del Linguaggio C/C++”

Imparare a progettare un approccio al Calcolo

Restano fuori

Elementi di Analisi Numerica

Aspetti di Grafica o di Tecnologie Multimediali

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Introduzione: organizzazione del corso

Contenuti

1. Introduzione al linguaggio C++ e alla Programmazione ad Oggetti

2. Elementi di linguaggio UML

3. Elementi di strutture riutilizzabili

Metodo

1. Comprensione del problema, ricerca della soluzione in ambito OO, implementazione in C++

2. Lezioni Frontali (circa 40%) e Laboratorio (circa 60%)

3. Utilizzo di un problema guida (Sistema Solare)

4. Sintassi in Appendice a ciascuna lezione

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Introduzione: orario del corso

• 10 o 11 lezioni frontali da 2 ore– 0.5 - Introduzione– 8.5 - Linguaggio C++– 1.5 - UML e strutture riutilizzabili– 0.5 - Conclusione

Si svolgeranno il lunedì dalle 14 alle 16

• 9 o 10 esercitazioni di laboratorio da 4 ore Si svolgeranno presso i laboratorio didattici il martedì

(studenti del II anno) e il giovedì (studenti del I anno) dalle 9 alle 13

Indicativamente... Abbiamo 10 settimane

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Introduzione: strumenti di lavoro

• Dispense• Esercitazioni di Laboratorio (in gruppi di 2 persone)• Manuale C++

– Come riferimento per la sintassi

– Attenzione all’impostazione (partiamo direttamente dal C++, e non dal C!)

– Alcuni suggerimenti nella prossima trasparenza

• Presenza attiva in Laboratorio e in Aula

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Introduzione: manuali (1)

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Introduzione: manuali (2)

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Introduzione: svolgimento degli esami

• Prova Pratica– Prova in Laboratorio, in linguaggio C++

• Prova Orale• Discussione su un problema scelto dallo studente e

preparato personalmente durante il corso– Ogni studente sceglie un problema di Fisica (semplice!)

concordato o suggerito dal docente

– Lo formalizza nella logica della programmazione ad oggetti

– Lo scrive in C++ e lo discute nel corso della Prova Orale

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Problematiche del calcolo moderno

Applicazione del calcolo a sistemi sempre più complessi per quantità di dati da manipolare, numero di CPU utilizzate, distribuzione geografica dei soggetti coinvolti

Esempi: esperimenti di fisica delle alte energie

e di astroparticelle,

biologia molecolare

e progetto genoma,

ma anche telecomunicazioni,

sistemi bancari, reti di trasporto.

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Requisiti per il software moderno

1. Robustezza

protezioni nell’accesso ai dati

2. Possibilità di ri-utilizzo del codice

1. economia di risorse umane ed economiche

2. maggiore affidabilità

3. Portabilità

1. verso sistemi operativi diversi

2. verso diverse versioni di uno stesso sistema

4. Flessibilità e Organizzazione del Codice

semplicità di gestione e sviluppo successivo del codice

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Paradigmi di programmazione

Procedurale: si sceglie l’algoritmo che risolva il problema dato e il linguaggio permette di implementare l'algoritmo scelto

Modulare: si decide quali moduli utilizzare e si separano i dati in modo da nasconderli entro ciascun modulo

Definita dall’utente: si decide quali tipi utilizzare e si genera un insieme di operazioni per i vari tipi

Orientata agli Oggetti: si decide quali classi utilizzare, si genera un insieme di operazioni per le varie classi e si raggruppano le proprietà comuni tramite il meccanismo dell'ereditarietà

Generica: si identificano una serie di algoritmi e si parametrizzano in modo che possano essere utilizzati per più classi o tipi definiti dall'utente.

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Paradigmi e linguaggi di programmazione

I diversi linguaggi di programmazione possono essere più o meno

indicati ad esprimere un tipo di programmazione (paradigma).

Il C++ permette di implementare una programmazione definita

dall'utente, consentendo la definizione di tipi di oggetti e delle

operazioni effettuabili con essi, con possibilità di mettere in evidenza i

collegamenti e le similitudini tra di essi mediante il meccanismo

dell’ereditarietà (ovvero una programmazione Orientata agli Oggetti) ma

consente anche di realizzare una programmazione Generica, creando

codice utilizzabile in situazioni formalmente simili anche in assenza di

un collegamento concettuale.

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Caratteristiche della programmazione OO

1. Incapsulamento: i dati dell’oggetto sono nascosti ad altri oggetti ed è

possibile accedervi solo attraverso modalita’ ben definite

Da questa caratteristica derivano robustezza e flessibilità del codice

2. Ereditarietà: gli oggetti complessi possono essere costruiti a partire da oggetti più semplici. Gli oggetti complessi derivano tutto o parte del loro comportamento dagli oggetti a partire dai quali sono stati generati

Ne derivano ri-utilizzabilità e possibilità di organizzazione del codice

3. Polimorfismo: oggetti simili possono essere trattati, in alcuni casi, come se fossero dello stesso tipo, senza la necessità di implementare trattamenti specifici per distinguere tra le varie tipologie

Rende il codice più flessibile e aumenta l’efficienza dell’ereditarietà

La Portabilità invece è una caratteristica del linguaggio ed in particolare del C++ standard (ANSi-C++)

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Progettazione di un programma

• Scelta degli Oggetti

• Identificazione delle relazioni tra gli Oggetti (proprietà statiche o

“geometriche”)

• Esame dei casi d’uso (use case)

• Identificazione delle interazioni tra gli Oggetti (proprietà dinamiche)

• Eventuale ridefinizione delle responsabilita’ delle classi

NB gli Oggetti vengono descritti mediante classi, ovvero tipi definiti dall’utente

che realizzano l’incapsulamento dei dati

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La simulazione del Sistema Solare

F12= m a

F12= - G m1 m2 r / r3

G = 6.673e-11 Unità mks

Il problema fisico:Determinare l’evoluzione temporale di un certo numero di corpi sottoposti a reciproca attrazione gravitazionale

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Scelta degli Oggetti

Quali “Oggetti” entrano nel problema?

corpi celesti, sonde, pianeti, stelle, satelliti …

Quali proprieta’ hanno tali oggetti?massa, posizione, velocità…

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Relazioni tra gli Oggetti

Quali sono le relazioni tra gli Oggetti? Possono essere raggruppati?

Quali proprieta’ sono condivise da Oggetti simili?

Quali proprieta’ permettono di distinguere Oggetti simili tra loro?

un pianeta è un corpo celeste, una sonda è un satellite…

… ed è anche un corpo celeste

tutti gli oggetti possono essere ricondotti a Corpi Celesti o a Sonde,

dove la Sonda è un Corpo Celeste con qualche proprietà in più

Quali oggetti sono superflui? Quali oggetti mancano?

manca il Sistema Solare

… e un Sistema Solare è composto da dei Corpi Celesti!

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UML

UniversalModelingLanguage

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Casi d’usoA cosa serve esattamente il programma?

simulazione del moto dei vari Corpi Celesti inseriti nel Sistema Solare

In quali situazioni concrete tali oggetti dovranno essere utilizzati?1. Si vuole conoscere lo stato del sistema (posizione di ciascun Corpo Celeste) dopo un tempo T

dall’istante iniziale

2. Si suddivide l’intervallo T in n intervallini dT nei quali si possano trascurare variazioni di forza e di velocità

3. Per ogni intervallo dT

1. Nota la posizione di ciascun Corpo Celeste all’inizio dell’intervallo

2. La si usa per determinare la forza agente su ciascun Corpo Celeste

3. Nota la forza si determina l’accelerazione di ogni Corpo Celeste

4. Si calcola la velocità del Corpo Celeste, nota la velocità all’inizio dell’intervallo, assumendo che l’accelerazione resti costante

5. Si calcola la nuova posizione, assumendo che la velocità resti costante

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Scenari

Oltre ai casi d’uso si possono introdurre gli scenari. Questi descrivono in maniera piu’ dettagliata situazioni particolari che possono presentarsi e devono essere previste dal programma.

Nel nostro caso possiamo ad esempio prevedere di voler lanciare una sonda dalla superficie di un altro Corpo Celeste X ad un istante t compreso tra 0 e T. Il programma dovrà allora anche controllare quando si raggiunga il tempo t e aggiungere al Sistema Solare un Oggetto Sonda con una certa velocità iniziale rispetto al Corpo Celeste X, assegnandole la posizione di X ed una velocità ottenuta dalla combinazione della velocità iniziale relativa della Sonda rispetto a X e della velocità del Corpo Celeste X.

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Interazioni tra gli Oggetti

Non è sufficiente capire la relazione “geometrica” tra gli oggetti, è necessario

anche valutare come gli oggetti interagiscono “dinamicamente” tra loro

Quali compiti ha ciascuna classe?Chi determina le nuove coordinate del sistema?Chi invoca i metodi per far evolvere il sistema?

Una possibile scelta:

• CorpoCeleste ha il metodo CalcolaPosizione

• SistemaSolare ha il metodo Evolvi che determina il nuovo stato del sistema dopo un tempo T

• Il metodo Evolvi (di SistemaSolare) si occupa di invocare i metodi CalcolaPosizione di ciascun pianeta del sistema solare.

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Responsabilità delle classi

è chiaro di chi sia la responsabilita’ di un punto chiave del programma?

Una classe ha troppe responsabilita’?

Una classe è irrilevante e può essere “assorbita” da un’altra?

• Distribuire le responsabilità tra le varie classi

• Sfruttare un procedimento a cascata

• Limitare le responsabilità di una classe ad una o due

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Interaction Diagram (semplificato)

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Sessione CRC

CRC: Classi, Responsabilità, Collaborazione

capire come funziona dinamicamente il programma che si vuole realizzare

Giuoco di Ruolo:• ciascuno dei partecipanti è un Oggetto del programma• uno dei partecipanti è il Programma "Main

Ogni partecipante deve conoscere le caratteristiche di ciascuna Classe:• "come è fatta" • "quali azionì può compiere”

Durante la sessione tutto si svolge come nel corso dell'esecuzione del Programma, in questo modo emergono casi non previsti ed eventuali problemi.

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Costruzione di una classe

Get

1. Attributi

• public

• private

• protected

2. Metodi

• public

• private

• protected

• Obbligatorio il tipo

(“nessun tipo” void )

3. Accesso agli attributi di una classe

(tipo Set e tipo Get)

Nome Classe

Attributi

Metodi

Set

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Nomeclasse.hContiene la dichiarazione

degli Attributi e dei Metodi

CorpoCeleste

Nome (stringa)m (num. reale)x (num. reale)y (num. reale)vx (num. reale)vy (num. reale)

CalcolaPosizione(forza, dt)StampaVelocita’()StampaPosizione() M() X() Y() Vx() Vy()

La dichiarazione di una classe: l’header file (.h)

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L’implementazione di una Classe: l’implementation file ( .cc)

Nomeclasse.ccContiene l’implementazione degli Attributi e dei Metodi

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#ifndef CORPOCELESTE_H#define CORPOCELESTE_Hclass CorpoCeleste { private:

char *Nome;double m;double x;double y;double vx;double vy;

public: CorpoCeleste() ; CorpoCeleste (const char *nomeCorpo, float mass, float xpos, float ypos, float vxi, float vyi); ~CorpoCeleste() ; void calcolaPosizione (float fx, float fy, float t); void stampaPosizione(); void stampaVelocita() ; const char *nome() ; double M() ; double X() ; double Y() ; double Vx() ; double Vy() ;};#endif

CorpoCeleste.h

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#ifndef CORPOCELESTE_H#define CORPOCELESTE_Hclass CorpoCeleste { protected:

char *Nome;double m;double x;double y;double vx;double vy;

public: CorpoCeleste() ; CorpoCeleste (const char *nomeCorpo, float mass, float xpos, float ypos, float vxi, float vyi); ~CorpoCeleste() ; virtual void calcolaPosizione (float fx, float fy, float t); void stampaPosizione(); void stampaVelocita() ; const char *nome() ; double M() ; double X() ; double Y() ; double Vx() ; double Vy() ;};#endif

CorpoCeleste.h con modifiche per ereditarietà

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#include "CorpoCeleste.h“

CorpoCeleste::CorpoCeleste( ) {

}

CorpoCeleste::CorpoCeleste (const char *nomeCorpo, float mass, float xpos, float ypos, float vxi, float vyi) {}

CorpoCeleste::~CorpoCeleste() { }

void CorpoCeleste::calcolaPosizione (float fx, float fy, float t) {}

void CorpoCeleste::stampaPosizione() {

}

void CorpoCeleste::stampaVelocita() {

}

const char* CorpoCeleste::nome() { }double CorpoCeleste::M() { }double CorpoCeleste::X() { }double CorpoCeleste::Y() { } double CorpoCeleste::Vx() { } double CorpoCeleste::Vy() { }

CorpoCeleste.cc

Schema vuoto

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#include "CorpoCeleste.h"#include <string.h>#include <iostream.h>#include <iomanip.h>

CorpoCeleste::CorpoCeleste() { }

CorpoCeleste::CorpoCeleste (const char *nomeCorpo, float mass, float xpos, float ypos, float vxi, float vyi) { Nome = new char[strlen(nomeCorpo)]; strcpy(Nome, nomeCorpo); m = mass; x = xpos; y = ypos; vx = vxi; vy = vyi;}

void CorpoCeleste::calcolaPosizione( float fx, float fy, float t) { double ax = fx/m; double ay = fy/m; vx += ax*t; vy += ay*t; x += vx*t; y += vy*t;}

CorpoCeleste.cc

Prima parte

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void CorpoCeleste::stampaPosizione() { cout.setf(ios::fixed); cout.setf(ios::showpos); cout << " " << setprecision(4) << setw(9) << x*1.e-11 << " " << setprecision(4) << setw(9) << y*1e-11 ;}

void CorpoCeleste::stampaVelocita() { cout.setf(ios::fixed); cout.setf(ios::showpos); cout << " " << vx << " " << vy ;}

CorpoCeleste::~CorpoCeleste() { }

const char* CorpoCeleste::nome() {return Nome; }

double CorpoCeleste::M() { return m; }

double CorpoCeleste::X() { return x; }

double CorpoCeleste::Y() {return y; }

double CorpoCeleste::Vx() {return vx; }

double CorpoCeleste::Vy() {return vy; }

CorpoCeleste.cc

Seconda parte

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#ifndef CORPOCELESTE_H#define CORPOCELESTE_Hclass CorpoCeleste { protected:

char *Nome;double m;double x;double y;double vx;double vy;

public: CorpoCeleste() ; CorpoCeleste (const char *nomeCorpo, float mass, float xpos, float ypos, float vxi, float vyi); ~CorpoCeleste() { } ; virtual void calcolaPosizione (float fx, float fy, float t); void stampaPosizione(); void stampaVelocita(); const char *nome() {return Nome;}; double M() {return m;}; double X() {return x;}; double Y() {return y;}; double Vx() {return vx;}; double Vy() {return vy;};};#endif

CorpoCeleste.h con impletazione di alcuni metodi “inline”