Операції, виведення та введення

Операції та числові обмеження

Арифметичні операції +, -, *, / працюють над числовими значеннями. Якщо обидва операнди ділення цілі, результат також цілий: 7 / 2 дає 3, а 7.0 / 2 – 3.5. % повертає остачу від цілого ділення. Для невід’ємного часу це дає зручну пару формул: hours = seconds / 3600 та rest = seconds % 3600. Для від’ємних даних спочатку визначте правила задачі, а не очікуйте автоматичного календарного перенесення.

Оператори ==, !=, <, <=, >, >= порівнюють значення та дають bool. = виконує присвоєння. Вираз if (x = 5) змінює x, а if (x == 5) перевіряє його. Логічні &&, ||, ! поєднують умови. Перші два виконують скорочене обчислення: у x != 0 && y / x > 2 ділення не виконується, коли x дорівнює нулю.

Побітові &, |, ^, ~, <<, >> обробляють біти цілих значень. Для навчальних масок використовуйте беззнакові числа і перевіряйте, що зсув менший за кількість бітів типу. Не замінюйте && на & у перевірці введення: це різні операції. Тристороннє порівняння <=> повертає категорію впорядкування; воно корисне для власних типів і детально розглядатиметься разом із перевантаженням операцій.

Скорочений запис sum += value додає до накопичувача; ++i збільшує лічильник. Тернарний вираз condition ? first : second обирає одне з двох значень. Не приховуйте у великому виразі багато змін стану: кілька простих операторів легше перевірити в налагоджувачі. За сумніву щодо пріоритету додайте дужки. Таблиця пріоритетів: https://learn.microsoft.com/cpp/cpp/cpp-built-in-operators-precedence-and-associativity.

Перетворення та переповнення

static_cast<double>(sum) / count перетворює перший операнд до ділення. Запис static_cast<double>(sum / count) лише перетворить уже округлений цілий результат. static_cast робить намір явним, але не доводить, що значення вміщується у новий тип. Перед перетворенням перевіряйте діапазон і вимоги до втрати дробової частини.

Переповнення знакового цілого під час арифметики є невизначеною поведінкою. Беззнакова арифметика працює за модулем степеня двійки, але це також може порушити зміст задачі. Перед додаванням невід’ємних a і b перевіряйте a <= max - b; перед множенням ненульових – a <= max / b. Обчислити переповнену суму, а потім перевірити її вже запізно.

Для дробових чисел перевіряйте область визначення: знаменник має бути ненульовим, аргумент квадратного кореня – невід’ємним. Заголовок <cmath> надає std::sqrt, std::pow, std::abs, std::isfinite. <numbers> надає std::numbers::pi. Не використовуйте приблизне 3.14, якщо бібліотека вже має потрібну константу. Порівняння обчислених дробових значень часто потребує допуску, який визначається задачею, а не довільної константи, скопійованої з іншої програми.

У C++26 арифметика з насиченням включає std::add_sat із <numeric>: замість виходу за діапазон вона повертає найближчу межу типу. Це не звичайне додавання та не автоматичний режим усіх цілих операцій. Перед використанням перевіряйте підтримку своєї стандартної бібліотеки; ручна перевірка меж у вправах потрібна незалежно від наявності цієї функції. У перевіреній бібліотеці MSVC 19.51 std::add_sat ще відсутня, тому виконувані приклади цієї теми її не використовують.

Форматоване виведення

std::print і std::println з <print> приймають рядок формату та аргументи. Перша функція не додає новий рядок, друга додає. Поле {} виводить наступний аргумент у типовому поданні. У {0:>10.2f} число 0 обирає перший аргумент, > вирівнює праворуч, 10 задає мінімальну ширину, .2 – точність, а f – фіксований дробовий формат (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Частини специфікації формату

Ширина не обрізає текст і не обмежує значення. Для цілих {:.2f} не є допустимим способом додати нулі після крапки: специфікація має відповідати типу аргументу. {:x} виводить шістнадцятковий запис, {:b} – двійковий, а {:08b} доповнює його нулями до восьми позицій. {:08.3f} форматує дробове число із загальною мінімальною шириною 8. Саму дужку в тексті формату записують {{ або }}.

Помилки в сталому рядку формату часто виявляються під час компіляції. Не «виправляйте» діагностику перетворенням усіх значень на текст: спочатку узгодьте формат і тип. На відміну від регіональних установок табличного редактора, типовий формат C++ друкує десяткову крапку. Форматування не змінює значення змінної і не усуває похибок обчислення.

Альтернативний інтерфейс std::cout << value використовує оператор вставлення в потік. Він потрібний для читання чужого коду, але в цьому курсі основним засобом виведення є std::println. Для повідомлень про помилки зручно застосовувати std::cerr, щоб відокремити їх від корисного результату при перенаправленні потоків.

Введення і стан потоку

std::cin >> value з <iostream> намагається прочитати значення потрібного типу. Це операція, яка може завершитися невдало: користувач здатен ввести літери, завелике число або завершити введення. Перевірка if (!(std::cin >> value)) виявляє помилку вилучення. Вона не перевіряє предметний зміст: від’ємна маса синтаксично є числом, але недопустима.

Після невдалого читання clear() скидає прапорці помилки, а ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n') відкидає залишок рядка. Потрібні обидві дії: лише скидання стану залишить ті самі некоректні символи для наступної спроби. Проте кінець файла eof() не треба лікувати нескінченним повторенням запиту – програму завершують. Документація потоку: https://learn.microsoft.com/cpp/standard-library/basic-istream-class.

Оператор >> читає числовий префікс: після 12abc число 12 може бути вже зчитане, а abc залишиться в потоці. Якщо потрібна сувора перевірка цілого рядка, використовуйте std::getline і розбір повного тексту; це буде розглянуто в темі рядків. Тут у прикладі з повторенням залишок рядка явно відкидається, тому політика введення – одне значення на рядок.

Приклад 2. Індекс маси тіла як навчальна формула

Програма читає додатні масу в кілограмах і зріст у метрах. Вона демонструє перевірку числового введення, а не надає медичного висновку: результатом є лише значення формули mass / (height * height). Межі 300 кг і 3 м є обмеженнями навчального прикладу.

#include <print>
#include <iostream>
#include <limits>
#include <cmath>

int main()
{
    double mass{}, height{};
    while (true)
    {
        std::println("Mass kg (0 < value <= 300):");
        if (std::cin >> mass)
        {
            std::cin.ignore(
                std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');
            if (std::isfinite(mass) && mass > 0 && mass <= 300)
                break;
        }
        else if (std::cin.eof()) return 1;
        else
        {
            std::cin.clear();
            std::cin.ignore(
                std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');
        }
        std::println("Invalid mass");
    }
    std::println("Height m (0 < value <= 3):");
    if (!(std::cin >> height) || !std::isfinite(height)
        || height <= 0 || height > 3)
    {
        std::cerr << "Invalid height\n";
        return 1;
    }
    const double bmi = mass / (height * height);
    std::println("BMI = {:.2f}", bmi);
}

За послідовності abc, 72, 1.8 програма повідомляє про помилку, повторює перший запит і друкує BMI = 22.22. Нульовий зріст відхиляється до ділення. Перевірка std::isfinite не допускає нескінченності або NaN. Англійські короткі підказки спрощують відтворення тестів незалежно від кодування терміналу; українські рядки також допустимі з /utf-8.

Рис. 2.5. Повторення введення після помилки