Мюррей Хилл - C++

• Название: C++
• Автор: Мюррей Хилл
• Жанр: Программирование

С++ – это универсальный язык программирования, задуманный так, чтобы сделать программирование более приятным для серьезного программиста. За исключением второстепенных деталей С++ является надмножеством языка программирования C. Помимо возможностей, которые дает C, С++ предоставляет гибкие и эффективные средства определения новых типов. Используя определения новых типов, точно отвечающих концепциям приложения, программист может разделять разрабатываемую программу на легко поддающиеся контролю части. Такой метод построения программ часто называют абстракцией данных. Информация о типах содержится в некоторых объектах типов, определенных пользователем. Такие объекты просты и надежны в использовании в тех ситуациях, когда их тип нельзя установить на стадии компиляции. Программирование с применением таких объектов часто называют объектно-ориентированным. При правильном использовании этот метод дает более короткие, проще понимаемые и легче контролируемые программы.

Ключевым понятием С++ является класс. Класс – это тип, определяемый пользователем. Классы обеспечивают сокрытие данных, гарантированную инициализацию данных, неявное преобразование типов для типов, определенных пользователем, динамическое задание типа, контролируемое пользователем управление памятью и механизмы перегрузки операций. С++ предоставляет гораздо лучшие, чем в C, средства выражения модульности программы и проверки типов. В языке есть также усовершенствования, не связанные непосредственно с классами, включающие в себя символические константы, inline-подстановку функций, параметры функции по умолчанию, перегруженные имена функций, операции управления свободной памятью и ссылочный тип. В С++ сохранены возможности языка C по работе с основными объектами аппаратного обеспечения (биты, байты, слова, адреса и т.п.). Это позволяет весьма эффективно реализовывать типы, определяемые пользователем.

С++ и его стандартные библиотеки спроектированы так, чтобы обеспечивать переносимость. Имеющаяся на текущий момент реализация языка будет идти в большинстве систем, поддерживающих C. Из С++ программ можно использовать C библиотеки, и с С++ можно использовать большую часть инструментальных средств, поддерживающих программирование на C.

Эта книга предназначена главным образом для того, чтобы помочь серьезным программистам изучить язык и применять его в нетривиальных проектах. В ней дано полное описание С++, много примеров и еще больше фрагментов программ.

---

В команде включения include имя файла, заключенное в угловые скобки, например «math.h», относится к файлу с этим именем в стандартном каталоге (часто это /usr/include/CC), на файлы, находящиеся в каких-либо других местах ссылаются с помощью имен, заключенных в двойные кавычки. Например:

#include «math1.h» #include «/usr/bs/math2.h»

включит math1.h из текущего пользовательского каталога, а math2.h из каталога /usr/bs.

Здесь приводится очень маленький законченный пример программы, в котором строка определяется в одном файле, а ее печать производится в другом. Файл header.h определяет необходимые типы:

// header.h

extern char* prog_name; extern void f();

В файле main.c находится главная программа:

// main.c

#include «header.h» char* prog_name = «дурацкий, но полный»; main() (* f(); *)

а файл f.c печатает строку:

// f.c

#include «stream.h» #include «header.h» void f() (* cout «„ prog_name «« «\n“; *)

Скомпилировать и запустить программу вы можете например так:

$ CC main.c f.c -o silly $ silly дурацкий, но полный $

1.7 Классы

Давайте посмотрим, как мы могли бы определить тип потока вывода ostream. Чтобы упростить задачу, предположим, что для буферизации определен тип streambuf. Тип streambuf на самом деле определен в «stream.h», где также находится и настоящее определение ostream.

Пожалуйста, не испытывайте примеры, определяющие ostream в этом и последующих разделах. Пока вы не сможете полностью избежать использования «stream.h», компилятор будет возражать против переопределений.

Определение типа, определяемого пользователем (который в С++ называется class, т.е. класс), специфицирует данные, необходимые для представления объекта этого типа, и множество операций для работы с этими объектами. Определение имеет две части: закрытую (private) часть, содержащую информацию, которой может пользоваться только его разработчик, и открытую (public) часть, представляющую интерфейс типа с пользователем:

class ostream (* streambuf* buf; int state; public: void put(char*); void put(long); void put(double); *)

Описания после метки public: задают интерфейс: пользователь может обращаться только к трем функциям put(). Описания перед меткой public задают представление объекта класса ostream. Имена buf и state могут использоваться только функциями put(), описанными в открытой части.

class определяет тип, а не объект данных, поэтому чтобы использовать ostream, мы должны один такой объект описать (так же, как мы описываем переменные типа int):

ostream my_out;

Считая, что my_out был соответствующим образом проинициализирован (как, объясняется в #1.10), его можно использовать например так:

my_out.put(«Hello, world\n»);

С помощью операции точка выбирается член класса для данного объекта этого класса. Здесь для объекта my_out вызывается член функция put().

Функция может определяться так:

void ostream::put(char* p) (* while (*p) buf.sputc(*p++); *)

где sputc() – функция, которая помещает символ в streambuf. Префикс ostream необходим, чтобы отличить put() ostream'а от других функций с именем put().

Для обращения к функции члену должен быть указан объект класса. В функции члене можно ссылаться на этот объект неявно, как это делалось выше в ostream::put(): в каждом вызове buf относится к члену buf объекта, для которого функция вызвана. Можно также ссылаться на этот объект явно посредством указателя с именем this. В функции члене класса X this неявно описан как X* (указатель на X) и инициализирован указателем на тот объект, для которого эта функция вызвана. Определение ostream::put() можно также записать в виде:

void ostream::put(char* p) (* while (*p) this-»buf.sputc(*p++); *) Операция -» применяется для выбора члена объекта, заданного указателем.

1.8 Перегрузка операций

Настоящий класс ostream определяет операцию ««, чтобы сделать удобным вывод нескольких объектов одним оператором. Давайте посмотрим, как это сделано.

Чтобы определить @, где @ – некоторая операция языка С++, для каждого определяемого пользователем типа вы определяете функцию с именем operator@, которая получает параметры соответствующего типа. Например:

class ostream (* //... ostream operator««(char*); *);

ostream ostream::operator««(char* p) (* while (*p) buf.sputc(*p++); return *this; *)

определяет операцию «« как член класса ostream, поэтому s««p интерпретируется как s.operator««(p), когда s является ostream и p – указатель на символ. Операция «« бинарна, а функция operator««(char*) на первый взгляд имеет только один параметр. Однако, помимо этого она имеет свой стандартный параметр this.

То, что в качестве возвращаемого значения возвращается ostream, позволяет применять «« к результату операции вывода. Например, s««p««q интерпретируется как (s.operator««(p)).operator««(q). Так задаются операции вывода для встроенных типов.

С помощью множества операций, заданных как открытые члены класса ostream, вы можете теперь определить «« для такого определяемого типа, как complex, не изменяя описание класса ostream:

ostream operator««(ostream s, complex z) // у complex две части: действительная real и мнимая imag // печатает complex как (real,imag) (* return s «« "(" «« z.real «« "," «« z.imag «« ")'; *)

Поскольку operator««(ostream,complex) не является функцией членом, для бинарности необходимо два явных параметра. Вывод значений будет производиться в правильном порядке, потому что ««, как и большинство операций С++, группирует слева направо, то есть f««b««c означает (a««b)««c. При интерпретации операций компилятору известна разница между функциями членами и функциями не членами. Например, если z – комплексная переменная, то s««z будет расширяться с помощью вызова стандартной функции (не члена) operator««(s,z).

1.9 Ссылки

К сожалению, последняя версия ostream содержит серьезную ошибку и к тому же очень неэффективна. Сложность состоит в том, что ostream копируется дважды при каждом использовании ««: один раз как параметр и один раз как возвращаемое значение. Это оставляет state неизмененным после каждого вызова. Необходима возможность передачи указателя на ostream вместо передачи самого ostream.

Это можно сделать с помощью ссылок. Ссылка действует как имя для объекта. T amp; означает ссылку на T. Ссылка должна быть инициализирована, и она становится другим именем того объекта, которым она инициализирована. Например:

ostream amp; s1 = my_out; ostream amp; s2 = cout;

Теперь можно использовать ссылку s1 и my_out одинаково, и они будут иметь одинаковые значения. Например, присваивание

s1 = s2;

копирует объект, на который ссылается s2 (то есть, cout), в объект, на который ссылается s1 (то есть, my_out). Члены берутся с помощью операции точка

s1.put(«не надо использовать -»»);

а если применить операцию взятия адреса, то вы получите адрес объекта, на который ссылается ссылка:

amp;s1 == amp;my_out

Первая очевидная польза от ссылок состоит в том, чтобы обеспечить передачу адреса объекта, а не самого объекта, в функцию вывода (в некоторых языках это называется вызов по ссылке):

ostream amp; operator««(ostream amp; s, complex z) (* return s «« "(" «« z.real «« "," «« z.imag «« ")"; *)

Достаточно интересно, что тело функции осталось без изменений, но если вы будете осуществлять присваивание s, то будете воздействовать на сам объект, а не на его копию. В данном случае то, что возвращается ссылка, также повышает эффективность, поскольку очевидный способ реализации ссылки – это указатель, а передача указателя гораздо дешевле, чем передача большой структуры данных.

Ссылки также существенны для определения потока ввода, поскольку операция ввода получает в качестве операнда переменную для считывания. Если бы ссылки не использовались, то пользователь должен был бы явно передавать указатели в функции ввода.

class istream (* //... int state; public: istream amp; operator»»(char amp;); istream amp; operator»»(char*); istream amp; operator»»(int amp;); istream amp; operator»»(long amp;); //... *);

Заметьте, что для чтения long и int используются разные функции, тогда как для их печати требовалась только одна. Это вполне обычно, и причина в том, что int может быть преобразовано в long по стандартным правилам неявного преобразования (#с.6.6), избавляя таким образом программиста от беспокойства по поводу написания обеих функций ввода.

1.10 Конструкторы

Определение ostream как класса сделало члены данные зарытыми. Только функция член имеет доступ к закрытым членам, поэтому надо предусмотреть функцию для инициализации. Такая функция называется конструктором и отличается тем, что имеет то же имя, что и ее класс:

class ostream (* //... ostream(streambuf*); ostream(int size, char* s); *);

Здесь задано два конструктора. Один получает вышеупомянутый streambuf для реального вывода, другой получает размер и указатель на символ для форматирования строки. В описании необходимый для конструктора список параметров присоединяется к имени. Теперь вы можете, например, описать такие потоки:

ostream my_out( amp;some_stream_buffer); char xx[256]; ostream xx_stream(256,xx);

Описание my_out не только задает соответствующий объем памяти где-то в другом месте, оно также вызывает конструктор ostream::ostream(streambuf*), чтобы инициализировать его параметром amp;some_stream_buffer, предположительно указателем на подходящий объект класса streambuf. Описание конструкторов для класса не только дает способ инициализации объектов, но также обеспечивает то, что все объекты этого класса будут проинициализированы. Если для класса были описаны конструкторы, то невозможно описать переменную этого класса так, чтобы конструктор не был вызван. Если класс имеет конструктор, не получающий параметров, то этот конструктор будет вызываться в том случае, если в описании нет ни одного параметра.