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.

---

1.11 Вектора

Встроенное в С++ понятие вектора было разработано так, чтобы обеспечить максимальную эффективность выполнения при минимальном расходе памяти. Оно также (особенно когда используется совместно с указателями) является весьма универсальным инструментом для построения средств более высокого уровня. Вы могли бы, конечно, возразить, что размер вектора должен задаваться как константа, что нет проверки выхода за границы вектора и т.д. Ответ на подобные возражения таков: «Вы можете запрограммировать это сами.» Давайте посмотрим, действительно ли оправдан такой ответ. Другими словами, проверим средства абстракции языка С++, попытавшись реализовать эти возможности для векторных типов, которые мы создадим сами, и посмотрим, какие с этим связаны трудности, каких это требует затрат, и насколько получившиеся векторные типы удобны в обращении. class vector (* int* v; int sz; public: vector(int); // конструктор ~vector(); // деструктор int size() (* return sz; *) void set_size(int); int amp; operator[](int); int amp; elem(int i) (* return v[i]; *) *); Функция size возвращает число элементов вектора, таким образом индексы должны лежать в диапазоне 0 ... size()-1. Функция set_size сделана для изменения этого размера, elem обеспечивает доступ к элементам без проверки индекса, а operator[] дает доступ с проверкой границ.

Идея состоит в том, чтобы класс сам был структурой фиксированного размера, управляющей доступом к фактической памяти вектора, которая выделяется конструктором вектора с помощью распределителя свободной памяти new:

vector::vector(int s) (* if (s«=0) error(„bad vector size“); // плохой размер вектора sz = s; v = new int[s]; *)

Теперь вы можете описывать вектора типа vector почти столь же элегантно, как и вектора, встроенные в сам язык:

vector v1(100); vector v2(nelem*2-4);

Операцию доступа можно определить как

int amp; vector::operator[](int i) (* if(i«0 !! sz„=i) error(«vector index out of range“); // индекс выходит за границы вектора return v[i]; *)

Операция !! (ИЛИИЛИ) – это логическая операция ИЛИ. Ее правый операнд вычисляется только тогда, когда это необходимо, то есть если вычисление левого операнда дало ноль. Возращение ссылки обеспечивает то, что запись [] может использоваться с любой стороны операции присваивания:

v1[x] = v2[y];

Функция со странным именем ~vector – это деструктор, то есть функция, описанная для того, чтобы она неявно вызывалась, когда объект класса выходит из области видимости. Деструктор класса C имеет имя ~C. Если его определить как

vector::~vector() (* delete v; *)

то он будет, с помощью операции delete, освобождать пространство, выделенное конструктором, поэтому когда vector выходит из области видимости, все его пространство возвращается обратно в память для дальнейшего использования.

1.12 Inline-подстановка

Если часто повторяется обращение к очень маленькой функции, то вы можете начать беспокоиться о стоимости вызова функции. Обращение к функции члену не дороже обращения к функции не члену с тем же числом параметров (надо помнить, что функция член всегда имеет хотя бы один параметр), и вызовы в функций в С++ примерно столь же эффективны, сколь и в любом языке. Однако для слишком маленьких функций может встать вопрос о накладных расходах на обращение. В этом случае можно рассмотреть возможность спецификации функции как inline-подставляемой. Если вы поступите таким образом, то компилятор сгенерирует для функции соответствующий код в мете ее вызова. Семантика вызова не изменяется. Если, например, size и elem inline-подставляемые, то

vector s(100); //... i = s.size(); x = elem(i-1);

порождает код, эквивалентный

//... i = 100; x = s.v[i-1];

С++ компилятор обычно достаточно разумен, чтобы генерировать настолько хороший код, насколько вы можете получить в результате прямого макрорасширения. Разумеется, компилятор иногда вынужден использовать временные переменные и другие уловки, чтобы сохранить семантику.

Вы можете указать, что вы хотите, чтобы функция была inline-подставляемой, поставив ключевое слово inline, или, для функции члена, просто включив определение функции в описание класса, как это сделано в предыдущем примере для size() и elem().

При хорошем использовании inline-функции резко повышают скорость выполнения и уменьшают размер объектного кода. Однако, inline функции запутывают описания и могут замедлить компиляцию, поэтому, если они не необходимы, то их желательно избегать. Чтобы inline функция давала существенный выигрыш по сравнению с обычной функцией, она должна быть очень маленькой.

1.13 Производные классы

Теперь давайте определим вектор, для которого пользователь может задавать границы изменения индекса.

class vec: public vector (* int low, high; public: vec(int,int);

int amp; elem(int); int amp; operator[](int); *);

Определение vec как :public vector

означает, в первую очередь, что vec – это vector. То есть, тип vec имеет (наследует) все свойства типа vector дополнительно к тем, что описаны специально для него. Говорят, что vector является базовым классом для vec, а о vec говорится, что он производный класс от vector. Класс vec модифицирует класс vector тем, что в нем задается другой конструктор, который требует от пользователя указывать две границы изменения индекса, а не длину, и имеются свои собственные функции доступа elem(int) и operator[](int). Функция elem() класса vec легко выражается через elem() класса vector: int amp; vec::elem(int i) (* return vector::elem(i-low); *)

Операция разрешения области видимости :: используется для того, чтобы не было бесконечной рекурсии обращения к vec::elem() из нее самой. с помощью унарной операции :: можно ссылаться на нелокальные имена. Было бы разумно описать vec:: elem() как inline, поскольку, скорее всего, эффективность существенна, но необязательно, неразумно и невозможно написать ее так, чтобы она непосредственно использовала закрытый член v класса vector. Функции производного класса не имеют специального доступа к закрытым членам его базового класса.

Конструктор можно написать так:

vec::vec(int lb, int hb) : (hb-lb+1) (* if (hb-lb«0) hb = lb; low = lb; high = hb; *)

Запись: (hb-lb+1) используется для определения списка параметров конструктора базового класса vector::vector(). Этот конструктор вызывается перед телом vec::vec(). Вот небольшой пример, который можно запустить, если скомпилировать его вместе с остальными описаниями vector:

#include «streams.h»

void error(char* p) (* cerr «„ p «« «\n“; // cerr – выходной поток сообщений об ошибках exit(1); *)

void vector::set_size(int) (* /* пустышка */ *)

int amp; vec::operator[](int i) (* if (i«low !! high„i) error(«vec index out of range“); // индекс vec за границами return elem(i); *)

main() (* vector a(10); for (int i=0; i«a.size(); i++) (* a[i] = i; cout „„ a[i] «« " "; *) cout «« «\n“; vec b(10,19); for (i=0; i«b.size(); i++) b[i+10] = a[i]; for (i=0; i«b.size(); i++) cout «« b[i+10] «« " "; cout «« «\n“; *)

Он выдает 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Это направление развития векторного типа можно разрабатывать дальше. Довольно просто сделать многомерные массивы, массивы, в которых число размерностей задается как параметр конструктора, массивы в стиле Фортрана, к которым можно одновременно обращаться и как к имеющим две размерности, и как к имеющим три, и т.д.

Так класс управляет доступом к некоторым данным. Поскольку весь доступ осуществляется через интерфейс, обеспеченный открытой частью класса, то можно использовать представление данных в соответствие с нуждами разработчика. Например, тривиально можно было бы поменять представление вектора на связанный список. Другая сторона этого состоит в том, что при заданной реализации можно обеспечить любой удобный интерфейс.

1.14 Еще об операциях

Другое направление развития – снабдить вектора операциями:

class Vec : public vector (* public: Vec(int s) : (s) (**) Vec(Vec amp;); ~Vec() (**) void operator=(Vec amp;); void operator*=(Vec amp;); void operator*=(int); //... *);

Обратите внимание на способ определения конструктора производного класса, Vec::Vec(), когда он передает свой параметр конструктору базового класса vector::vector() и больше не делает ничего. Это полезная парадигма. Операция присваивания перегружена, ее можно определить так:

void Vec::operator=(Vec amp; a) (* int s = size(); if (s!=a.size()) error(«bad vector size for =»); // плохой размер вектора для = for (int i = 0; i«s; i++) elem(i) = a.elem(i); *)

Присваивание объектов класса Vec теперь действительно копирует элементы, в то время как присваивание объектов

vector просто копирует структуру, управляющую доступом к элментам. Последнее, однако, происходит и тогда, когда vector копируется без явного использования операции присваивания: (1) когда vector передается как параметр и (3) когда vector передается как значение, возвращаемое функцией. Чтобы обрабатывать эти случаи для векторов Vec, вы определяете конструктор Vec(Vec amp;): Vec::Vec(Vec amp; a) : (a.size()) (* int sz = a.size(); for (int i = 0; i«sz; i++) elem(i) = a.elem(i); *) Этот конструктор инициализирует Vec как копию другого Vec, и будет вызываться в отмеченных выше случаях. Выражение в левой части таких операций, как = и +=, безусловно определено, поэтому кажется вполне естественным реализовать их как операции над объектом, который обозначается (денотируется) этим выражением. В частности, тогда они смогут изменять значение своего первого операнда. Левый операнд таких операций, как + и – не требует особого внимания. Вы могли бы, например, передавать оба аргумента по значению и все рано получить правильную реализацию векторного сложения. Однако вектора могут оказаться большими, поэтому чтобы избежать ненужного копирования операнды операции + передаются в operator +() по ссылке: