11. Вход, симулации и тестване

План:
Четене на данни и пренасочване на входния и изходния потоци
Симулации
Самостоятелно тестване на функции
Подбор на тестови примери
Оценка на резултатите от тестването
Макрос assert
Трасиране на програмата

Конструкцията в C и C++
while (cin >> x)
чете данни от стндартния вход докато не се появи грешка във входния поток или край на входния поток.
Грешка във входния поток се появява когато:
-- има несъответствие между типа на променливата x и типа на въведената стойност или
-- когато се въведе специален символ за край на входа (край на файла).
За операционната система Windows този символ е Ctrl-Z (ASCII 26),  за UNIX и MAC OS - Ctrl D (ASCII 04).

Пример: Брой на думите от входния поток. Дума е низ без интервали. Разделители между думите са интервали или край на ред (white space).

// words.cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main()
{  int count = 0;
   string word;
   while (cin >> word) count++;

   cout << count << " words." << endl;
   return 0;
}

string line;
while (getline(cin, line))
{  process line
}

char ch;
while (cin.get(ch))
{  process ch
}

int main()
{  int i;
   for (i = 1; i <= 10; i++)
   {  
	int r = rand();
      	cout << r << "\n";
   }
   return 0;
}

• Когато се зададе нова стойност на началото на редицата (стойността на променливата seed по-долу), ще се получи друга редица от случайни числа.
• За тази цел има функция srand(seed), която задава началото на редицата.
• Когато се иска при различни пускания на програмата да се генерират различни числови редици, за параметър на функцията srand може да се вземе времето от компютърния часовник.

int rand_int(int a, int b)
{  
	return a + rand() % (b - a + 1);
}

// dice.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace std;

/**
   Sets the seed of the random number generator.
*/
void rand_seed()
{  int seed = static_cast<int>(time(0));
   srand(seed);
}
/** 
   Compute a random integer in a range
   @param a the bottom of the range
   @param b the top of the range
   @return a random integer x, a <= x and x <= b
*/
int rand_int(int a, int b)
{  return a + rand() % (b - a + 1);
}

int main()
{  rand_seed();
   int i;
   for (i = 1; i <= 10; i++)
   {  int d1 = rand_int(1, 6);
      int d2 = rand_int(1, 6);
      cout << d1 << " " << d2 << "\n";
   }
   cout << "\n";
   return 0;
}

double rand_double(double a, double b)
{  
	return a + (b - a) * rand() * (1.0 / RAND_MAX);
}

void rand_seed() 
/* ЦЕЛ: Инициализира генератора за случайни числа 
*/ 
{  int seed = static_cast<int>(time(0)); 
   srand(seed); 
} 
double rand_double(double a, double b) 
/* ЦЕЛ:  намира случайно число в интервала [a, b] 
   ПОЛУЧАВА: границите на интервала 
   ВРЪЩА: случайно число x, a <= x и x <= b 
*/ 
{  return a + (b - a)*rand()*(1.0/RAND_MAX); 
} 
double deg2rad(double alpha) 
/* ЦЕЛ:  превръща градуси в радиани 
   ПОЛУЧАВА: alpha - големина на ъгъл в градуси 
   ВРЪЩА:  големината на ъгъла в радиани 
*/ 
{  const double PI = 3.141592653589793; 
   return alpha * PI / 180; 
} 
int main() 
{  int NTRIES = 10000; 
   int i; 
   int hits = 0; 
   rand_seed(); 
   for (i = 1; i <= NTRIES; i++) 
   {  double ylow = rand_double(0, 2); 
      double angle = rand_double(0, 180); 
      double yhigh = ylow + sin(deg2rad(angle)); 
      if (yhigh >= 2) hits++; 
   } 
   cout << "Tries / Hits = " << NTRIES*(1.0/hits) << "\n"; 
   return 0; 
}

** Самостоятелно тестване на функции.
* Данните, с които ще се тества функцията, се получават по 3 начина: 
-- от входния поток (от клавиатура или от текстов файл с пренасочване на входния поток); 
-- като стойности, получени от цикъл; 
-- случайни числа. 
* Примери за тестване на функцията squareroot за намиране на квадратен корен по метода на Херон (Babylonian method).
x₀ = a,  x_n+1 = ( x_n + a/x_n ) / 2, n = 0,1, 2, 3, ...

Първи пример - данните идват от входния поток:

// sqrtest1.cpp 
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

/**
   Tests whether two floating-point numbers are 
   approximately equal.
   @param x a floating-point number
   @param y another floating-point number
   @return true if x and y are approximately equal
*/
bool approx_equal(double x, double y)
{  
   const double EPSILON = 1E-14;
   if (x == 0) return fabs(y) <= EPSILON;
   if (y == 0) return fabs(x) <= EPSILON;
   return fabs(x - y) / max(fabs(x), fabs(y)) <= EPSILON;
}

/* Function to be tested */
/**
   Computes the square root using Heron's formula
   @param a an integer >= 0
   @return the square root of a
*/
double squareroot(double a)
{  
   if (a == 0) return 0;

   double xnew = a;
   double xold;
   do
   {  xold = xnew;
      xnew = (xold + a / xold) / 2;
   }
   while (!approx_equal(xnew, xold));
   return xnew;
}

/* Test harness */
int main()
{  
   double x;
   while (cin >> x)
   {  
      double y = squareroot(x);
      cout << "squareroot of " << x << " = " << y << "\n";
   }
   return 0;
}

Втори пример - входните стойности на функцията се генерират от цикъл.

// sqrtest2.cpp 
/* Test harness */
int main()
{  
   double x;
   for (x = 0; x <= 10; x = x + 0.5)
   {  double y = squareroot(x);
      cout << "squareroot of " << x << " = " << y << "\n";
   }
   return 0;
}

Трети пример - входните стойности се получават от генератор за случайни числа. 

// sqrtest3.cpp 
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cmath>
#include <ctime>
using namespace std;

/**
   Sets the seed of the random number generator.
*/
void rand_seed()
{  
   int seed = static_cast<int>(time(0));
   srand(seed);
}

/** 
   Compute a random floating point number in a range
   @param a the bottom of the range
   @param b the top of the range
   @return a random floating point number x, 
   a <= x and x <= b
*/
double rand_double(double a, double b)
{  
    return a + (b - a) * rand() * (1.0 / RAND_MAX);
}

/**
   Tests whether two floating-point numbers are 
   approximately equal.
   @param x a floating-point number
   @param y another floating-point number
   @return true if x and y are approximately equal
*/
bool approx_equal(double x, double y)
{  
   const double EPSILON = 1E-14;
   if (x == 0) return fabs(y) <= EPSILON;
   if (y == 0) return fabs(x) <= EPSILON;
   return fabs(x - y) / max(fabs(x), fabs(y)) <= EPSILON;
}

/* Function to be tested */
/**
   Computes the square root using Heron's formula
   @param a an integer >= 0
   @return the square root of a
*/
double squareroot(double a)
{  
   if (a == 0) return 0;

   double xnew = a;
   double xold;
   do
   {  
      xold = xnew;
      xnew = (xold + a / xold) / 2;
   }
   while (!approx_equal(xnew, xold));
   return xnew;
}

/* Test harness */
int main()
{  
   rand_seed();
   int i;
   for (i = 1; i <= 100; i++)
   {  
      double x = rand_double(0, 1E6);
      double y = squareroot(x);
      cout << "squareroot of " << x << " = " << y << "\n";
   }
   return 0;
}

** Подбор на тестови примери. 
1. Докато се пише програмата, трябва да имаме прост тестов пример, на който знаем решението. 
2. Програмата се проверява с други тестови примери, също с известни решения - позитивни тестове. 
3. Включват се и граничните случаи.
- За функцията squareroot това са 0, големи числа (напр. 1Е20) и числа, близки до 0 (напр. 1е-20).
Целта е да се определят границите на параметрите, за които функцията работи вярно. 
4. Функцията се проверява с негативни тестови примери - некоректни входни данни.
- Такива за squareroot са отрицателни стойности на параметъра.
 
Използване на файл за запазване на тестовия вход и изпълнение с пренасочване на входния и изходния потоци.

>sqrtest1 < test.in > test.out

// sqrtest4.cpp
/* Test harness */
int main()
{  
   int i;
   for (i = 1; i <= 100; i++)
   {  
      double x = rand_double(0, 1E6);
      double y = squareroot(x);
      if (!approx_equal(y * y, x)) cout << "Test failed. ";
      else                         cout << "Test passed. ";
      cout << "squareroot of " << x << " = " << y << "\n";
   }
   return 0;
}

Функциите често съдържат неявни предположения - напр. знаменатели трябва да са различни от нула, заплатите не трябва да бъдат отрицателни и т.н.

• Функцията може да завърши "безопасно", напр. функцията digit_name просто връща празен низ, когато е извикана с неочаквана стойност.
• Функцията може да прекъсне - много от функциите от библиотеката cmath прекъсват, ако е зададена невъзможна за пресмятането стойност.

void raise_salary(Employee& e, double by)
{  
   assert(e.get_salary() >= 0 );
   assert(by >= -100);

   double new_salary = e.get_salary() * (1 + by / 100);
   e.set_salary(new_salary);
}

assertion failed in file finclac.cpp line 61: by >= -100

Пример: Сложна лихва.
// futval0.cpp 
#include <iostream> 
#include <cmath> 
#include <cassert> 
using namespace std;

string int_name(int n)
{  cout << "Entering digit_name. n = " << n << "\n";
   ...
   cout << "Exiting digit name. Return value = "
        << s << "\n";
   return s;
}