11. Вход, симулации и тестване

План:
Четене на данни и пренасочване на входния и изходния потоци
Генератор на случайни числа и 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.

Край на входния поток се задава, като 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.
Такива "незаконни" стойности могат "да се вмъкнат" в програмата от входа или в резултат на предишна грешка.

• 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;
}