Laboratorio di TNDS – Lezione 4

Maurizio Tomasi

Martedì 15 Ottobre 2024

Esercizi per oggi

Link alle risorse online

La spiegazione dettagliata degli esercizi si trova qui: carminati-esercizi-04.html.
Come al solito, queste slides, che forniscono suggerimenti addizionali rispetto alla lezione di teoria, sono disponibili all’indirizzo ziotom78.github.io/tnds-tomasi-notebooks.

Esercizi per oggi

Esercizio 4.0: Andamento temporale delle temperature di Milano (da consegnare);
Esercizio 4.1: Misura del rapporto q/m per l’elettrone;
Esercizio 4.2: Misura della carica e dell’elettrone;
Esercizio 4.3: Determinazione del cammino minimo.

Esercizio 4.0

Statistiche con stride

L’esercizio richiede di calcolare la media e la deviazione standard usando una stride, ossia considerando solo un elemento ogni N nel vettore.
È un metodo molto usato nelle serie temporali, dove valori consecutivi hanno una correlazione significativa che invaliderebbe l’uso della media e della deviazione standard tout court.

Statistiche con stride

Il mio testo dell’Esercizio 4.0 contiene alcune indicazioni in più;

In particolare, contiene il codice per verificare la correttezza delle nuove funzioni statistiche:

void test_statistics_with_stride() {
  vector<double> v{1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0};
  assert(are_close(mean(v, 1), 3.5));
  assert(are_close(mean(v, 2), 3.0));
  assert(are_close(mean(v, 3), 2.5));

  assert(are_close(stddev(v, 1), 1.707825127659933));
  assert(are_close(stddev(v, 2), 1.632993161855452));
  assert(are_close(stddev(v, 3), 1.5));

  cerr << "All the tests have passed. Hurrah! 🥳\n";
}

Compilatori C++

Ho aggiunto una pagina in cui ho raccolto un po’ di informazioni su come installare compilatori C++.
Le istruzioni per Windows sono le più estese, ed elencano ben quattro modalità diverse per compilare programmi C++ sotto Windows.
Ci sono istruzioni (scarne) anche per Linux e Mac OS X.
Segnalatemi cosa non funziona, in modo che possa correggerlo.

Formattazione di numeri

Stampare dati usando formattazioni speciali in C++ è uno strazio!

Supponiamo di voler stampare le coordinate cartesiane di un punto:

// Posizione di un punto 3D
double pos_x, pos_y, pos_z;

cout << "La posizione è (" << pos_x << ", "
     << pos_y, << ", " << pos_z << ")" << endl;

Questo codice è complicato da leggere, perché ci sono troppi operatori << (e infatti c’è un errore: lo trovate?). Già nel 2010 Herb Sutter scriveva che cout è a pain to use!

Formattare stringhe in C++20

Nel Luglio 2019 è stato annunciato che la release 2020 dello standard C++ avrebbe incluso una libreria per la formattazione di stringhe.
Questa libreria è ispirata ad alcune soluzioni introdotte negli scorsi anni in Python, C# e Rust, e l’approccio sta prendendo piede in molti altri linguaggi.

Un’analogia

`std::format` in C++20

La nuova libreria <format> permette di usare lo stesso meccanismo dell’autocertificazione nella slide precedente: si fornisce un template, ossia una stringa che va riempita in certi punti con i valori delle variabili

La libreria std::format usa {} al posto di ____:

double pos_x, pos_y, pos_z;
cout << format("La posizione è ({}, {}, {})\n", pos_x, pos_y, pos_z);

Si può fare riferimento alle variabili usando il loro indice:

cout << format("La posizione è ({0}, {1}, {2})\n", pos_x, pos_y, pos_z);

Formattazioni più elaborate

È possibile specificare il modo in cui un valore va scritto inserendo degli argomenti dentro {} dopo i due punti (:). Ad esempio, per formattare numeri floating-point con 2 cifre dopo la virgola si scrive {:.2f}
Se si vuole usare la notazione scientifica, si usa la lettera e: la scrittura {:.5e} indica che si richiedono 5 cifre dopo la virgola
Si può indicare il numero di caratteri da usare inserendo un numero subito dopo :: così {:5} chiede di usare almeno 5 caratteri per scrivere il valore. Questo è utile per allineare i campi nelle tabelle.
È possibile mettere insieme l’indice (0), l’ampiezza (5) e il numero di cifre dopo la virgola (.2) scrivendoli uno dopo l’altro: {0:5.2e}.

`print` e `println`

Nel C++23 vengono anche introdotte le funzioni print e println.

La differenza tra le due è che println aggiunge un ritorno a capo:

// This line…
print("Hello, world!\n");

// is equivalent to this one
println("Hello, world!");   // No need to put '\n' at the end

Entrambe le funzioni possono essere usate come format:

println("Coordinates: ({}, {}, {})", pos_x, pos_y, pos_z);

Il futuro… ora!

Il compilatore g++ sui computer del laboratorio supporta già format, ma non ancora print e println
Una libreria di formattazione completa, che implementa anche print e println e funziona anche su compilatori vecchi, è disponibile al sito github.com/fmtlib/fmt.
Per installarla, fate click col tasto destro sul link install_fmt_library e salvate il file nella cartella del vostro programma (con Windows, eseguitela in WSL), poi eseguitelo così:
```
sh install_fmt_library
```
L’animazione seguente mostra come usarla nei vostri codici.

Differenze tra `fmt` e C++20

La libreria installata da install_fmt_library ha alcune differenze con lo standard C++20:
1. Il namespace è diverso: è fmt:: anziché std::;
2. Il file da includere è diverso.
Se usate #include "fmtlib.h", vi basterà usare sempre il namespace fmt::. Scrivete quindi fmt::print, fmt::println e fmt::format:
```
fmt::println("The result is {:.3f} ± {:.3f}\n", mean, stddev);
```

Creazione di grafici

ROOT e Gnuplot

Nelle lezioni precedenti avete visto come usare ROOT per produrre grafici.
Nel laboratorio di TNDS, ROOT è usato come libreria C++, ossia come un insieme di classi invocabili all’interno dei vostri programmi.
Un’alternativa a ROOT, per coloro che hanno avuto problemi a installarlo sui propri laptop, è Gnuplot:
- È facilmente installabile anche sotto Windows;
- È usabile anche all’interno di programmi C++, mediante una piccola libreria.

Chiamare Gnuplot dal C++

Ho sviluppato una libreria C++ che invoca Gnuplot all’interno di programmi C++. È disponibile all’indirizzo github.com/ziotom78/gplotpp.
Se avete anche voi problemi con ROOT, potete provare ad usarla: è più veloce e non richiede installazioni complesse. Inoltre funziona anche sotto Windows, se prima installate Gnuplot nel modo giusto.
Sui vostri laptop dovete scaricare il file gplot++.h nella cartella dove vi serve, oppure eseguite (sotto Linux/Mac OS X):
Basta poi scrivere #include "gplot++.h" per usarla.

Vantaggi di gplot++

Visual Studio Code è in grado di visualizzare finestre di aiuto, se spostate il mouse sui comandi di plot.
Si possono passare direttamente array di vettori di tipo std::vector, invece di chiamare ripetutamente TGraph::SetPoint;
Non serve cambiare i Makefile per invocare root-config;
Se lavorate sui vostri computer, non serve ricordarsi di eseguire source root/bin/thisroot.sh;
Occupa appena 9 KB, quindi si può installare una copia dentro ogni cartella di esercizi;

Semplice esempio

#include "gplot++.h"

int main() {
  std::vector<double> values{1, 7, 3, 5, 8, -4};
  Gnuplot plt{};
  plt.plot(values);
  plt.show();  // IMPORTANT! If you forget this, you’ll see nothing!
}

Semplice esempio

Salvare i plot in file

L’esempio precedente apre una finestra. Questa soluzione è comoda perché la finestra è «navigabile»: si può zoomare con il mouse come si fa in ROOT!
Per maggiore praticità è però meglio che salviate i plot in file PNG, che sono apribili direttamente in Visual Studio Code.
È sufficiente usare il metodo Gnuplot::redirect_to_png subito dopo aver creato una variabile di tipo Gnuplot:
```
Gnuplot plt{};
plt.redirect_to_png("output.png");

// Now use plt.plot(...) as usual
```

Salvare i plot in file PNG

#include "gplot++.h"

int main() {
  std::vector<double> values{1, 7, 3, 5, 8, -4};
  Gnuplot plt{};

  // Save the plot in a PNG file
  plt.redirect_to_png("output.png");

  plt.plot(values);
  plt.show();  // IMPORTANT! If you forget this, you’ll see nothing!
}

Esempio più complesso

int main(void) {
  Gnuplot plt{};
  std::vector<double> x{1, 2, 3, 4, 5}, y{5, 2, 4, 1, 3};
  plt.multiplot(2, 1, "Title"); // Two plots in two rows

  plt.set_xlabel("X axis");
  plt.set_ylabel("Y axis");
  plt.plot(x, y, "x-y plot");
  plt.plot(y, x, "y-x plot", Gnuplot::LineStyle::LINESPOINTS);
  plt.show(); // Create the plot and move to the next row

  plt.set_xlabel("Value");
  plt.set_ylabel("Number of counts");
  plt.histogram(y, 2, "Histogram"); // Two bins
  plt.set_xrange(-1, 7);
  plt.set_yrange(0, 5);
  plt.show(); // Finalize the figure
}

Esempio più complesso

Per esempi e documentazione, andate alla pagina github.com/ziotom78/gplotpp.

Qt Creator

Mostro oggi come usare Qt Creator sui computer del laboratorio per creare e gestire progetti C++
Non è obbligatorio usarlo, anche perché non usa i Makefile: se dovete fare ancora pratica con essi, è meglio che continuiate ad usare Visual Studio Code!
Quanto mostro ora è riassunto in una pagina dedicata

Laboratorio di TNDS – Lezione 4

Esercizi per oggi

Link alle risorse online

Esercizi per oggi

Esercizio 4.0

Statistiche con stride

Statistiche con stride

Compilatori C++

Compilatori C++

Formattazione di numeri

Formattazione di numeri

Formattare stringhe in C++20

Un’analogia

std::format in C++20

Formattazioni più elaborate

print e println

Il futuro… ora!

Differenze tra fmt e C++20

Creazione di grafici

ROOT e Gnuplot

Chiamare Gnuplot dal C++

Vantaggi di gplot++

Semplice esempio

Semplice esempio

Salvare i plot in file

Salvare i plot in file PNG

Esempio più complesso

Esempio più complesso

Qt Creator

Qt Creator

`std::format` in C++20

`print` e `println`

Differenze tra `fmt` e C++20