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.

---

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

Вот пример небольшой программы, которую можно выполнить, если скомпилировать ее вместе с ранее приведенными описаниями vector:

#include «stream.h»

void error(char* p) (* cerr «„ p «« «\n“; exit(1); *)

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

int amp; vec::operator[](int i) (* /*...*/ *)

main() (* Vec a(10); Vec b(10); for (int i=0; i«a.size(); i++) a[i] = i; b = a; Vec c = a+b; for (i=0; i„c.size(); i++) cout «« c[i] «« «\n“; *)

1.15 Друзья (friend)

Функция operator+() не воздействует непосредственно на представление вектора. Действительно, она не может этого делать, поскольку не является членом. Однако иногда желательно дать функциям не членам возможность доступа к закрытой части класса. Например, если бы не было функции «доступа без проверки» vector::elem(), вам пришлось бы проверять индекс i на соответствие границам три раза за каждый проход цикла. Здесь мы избежали этой сложности, но она довольно типична, поэтому у класса есть механизм предоставления права доступа к своей закрытой части функциям не членам. Просто в класс помещается описание функции, перед которым стоит ключевое слово friend. Например, если имеется

class Vec; // Vec – имя класса class vector (* friend Vec operator+(Vec, Vec); //... *);

То вы можете написать Vec operator+(Vec a, Vec b) (* int s = a.size(); if (s != b.size()) error(«bad vector size for +»); // плохой размер вектора для + Vec amp; sum = *new Vec(s); int* sp = sum.v; int* ap = a.v; int* bp = b.v; while (s–) *sp++ = *ap++ + *bp++; return sum; *)

Одним из особенно полезных аспектов механизма friend является то, что функция может быть другом двух и более классов. Чтобы увидеть это, рассмотрим определение vector и matrix, а затем определение функции умножения (см. #с.8.8).

1.16 Обобщенные Вектора

«Пока все хорошо,» – можете сказать вы, – «но я хочу, чтобы один из этих векторов был типа matrix, который я только что определил.» К сожалению, в С++ не предусмотрены средства для определения класса векторов с типом элемента в качестве параметра. Один из способов – продублировать описание и класса, и его функций членов. Это не идеальный способ, но зачатую вполне приемлемый.

Вы можете воспользоваться препроцессором (#4.7), чтобы механизировать работу. Например, класс vector – упрощенный вариант класса, который можно найти в стандартном заголовочном файле. Вы могли бы написать:

#include «vector.h»

declare(vector,int);

main() (* vector(int) vv(10); vv[2] = 3; vv[10] = 4; // ошибка: выход за границы *)

Файл vector.h таким образом определяет макросы, чтобы макрос declare(vector,int) после расширения превращался в описание класса vector, очень похожий на тот, который был определен выше, а макрос implement(vector,int) расширялся в определение функций этого класса. Поскольку макрос implement(vector,int) в результате расширения превращается в

определение функций, его можно использовать в программе только один раз, в то время как declare(vector,int) должно использоваться по одному разу в каждом файле, работающем с этим типом целых векторов.

declare(vector,char); //... implement(vector,char);

даст вам отдельный тип «вектор символов». Пример реализации обобщенных классов с помощью макросов приведен в #7.3.5.

1.17 Полиморфные Вектора

У вас есть другая возможность – определить ваш векторный и другие вмещающие классы через указатели на объекты некоторого класса: class common (* //... *); class vector (* common** v; //... public: cvector(int); common* amp; elem(int); common* amp; operator[](int); //... *);

Заметьте, что поскольку в таких векторах хранятся указатели, а не сами объекты, объект может быть "в" нескольких таких векторах одновременно. Это очень полезное свойство подобных вмещающих классов, таких, как вектора, связанные списки, множества и т.д. Кроме того, можно присваивать указатель на производный класс указателю на его базовый класс, поэтому можно использовать приведенный выше cvector для хранения указателей на объекты всех производных от common классов. Например:

class apple : public common (* /*...*/ *) class orange : public common (* /*...*/ *) class apple_vector : public cvector (* public:

cvector fruitbowl(100); //... apple aa; orange oo; //... fruitbowl[0] = amp;aa; fruitbowl[1] = amp;oo; *)

Однако, точный тип объекта, вошедшего в такой вмещающий класс, больше компилятору не известен. Например, в предыдущем примере вы знаете, что элемент вектора является common, но является он apple или orange? Обычно точный тип должен впоследствии быть восстановлен, чтобы обеспечить правильное использование объекта. Для этого нужно или в какой-то форме хранить информацию о типе в самом объекте, или обеспечить, чтобы во вмещающий класс помещались только объекты данного типа. Последнее легко достигается с помощью производного класса. Вы можете, например, создать вектор указателей на apple:

class apple_vector : public cvector (* public: apple* amp; elem(int i) (* return (apple* amp;) cvector::elem(i); *) //... *);

используя запись приведения к типу (тип)выражение, чтобы преобразовать common* amp; (ссылку на указатель на common), которую возвращает cvector::elem, в apple* amp;. Такое применение производных классов создает альтернативу обобщенным классам. Писать его немного труднее (если не использовать макросы таким образом, чтобы производные классы фактически реализовывали обобщенные классы, см. #7.3.5), но оно имеет то преимущество, что все производные классы совместно используют единственную копию функции базового класса. В случае обобщенных классов, таких, как vector(type), для каждого нового используемого типа должна создаваться (с помощью implement()) новая копия таких функций. Другой способ, хранение идентификации типа в каждом объекте, приводит нас к стилю программирования, который часто называют объекто-основанным или объектно-ориентированным.

1.18 Виртуальные Функции

Предположим, что мы пишем программу для изображения фигур на экране. Общие атрибуты фигуры представлены классом shape, а специальные атрибуты – специальными классами:

class shape (* point center; color col; //... public: void move(point to) (* center=to; draw(); *) point where() (* return center; *) virtual void draw(); virtual void rotate(int); //... *);

Функции, которые можно определить не зная точно определенной фигуры (например, move и where, то есть, «передвинуть» и «где»), можно описать как обычно. Остальные функции описываются как virtual, то есть такие, которые должны определяться в производном классе. Например:

class circle: public shape (* int radius; public: void draw(); void rotatte(int i) (**) //... *);

Теперь, если shape_vec – вектор фигур, то можно написать:

for (int i = 0; i«no_of_shapes; i++) shape_vec[i].rotate(45);

чтобы повернуть все фигуры на 45 градусов (и заново нарисовать)

Такой стиль особенно полезен в интерактивных программах, когда объекты разных типов одинаково обрабатываются основным

программным обеспечением. Ведь по сути дела, типичное действие пользователя – это ткнуть в какой-нибудь объект и сказать Кто ты? Что ты такое? и Делай, что надо! не давая никакой информации о типе. Программа может и должна уяснить это для себя сама.

Глава 2 Описания и Константы

Совершенство достигается только к моменту краха.

С.Н. Паркинсон

В этой главе описаны основные типы (char, int, float и т.д.) и основные способы построения из них новых типов (функций, векторов, указателей и т.д.). Имя вводится в программе посредством описания, которое задает его тип и, возможно, начальное значение. Даны понятия описания, определения, области видимости имен, времени жизни объектов и типов. Описываются способы записи констант в С++, а также способы определения символических констант. Примеры просто демонстрируют характерные черты языка. Более развернутый и реалистичный пример приводится в следующей главе для знакомства с выражениями и операторами языка С++. Механизмы задания типов, определяемых пользователем, с присоединенными операциями представлены в Главах 4, 5 и 6 и здесь не упоминаются.

2.1 Описания

Прежде чем имя (идентификатор) может быть использовано в С++ программе, он должно быть описано. Это значит, что надо задать его тип, чтобы сообщить компилятору, к какого вида сущностям относится имя. Вот несколько примеров, иллюстрирующих разнообразие описаний:

char ch; int count = 1; char* name = «Bjarne»; struct complex (* float re, im; *); complex cvar; extern complex sqrt(complex); extern int error_number; typedef complex point; float real(complex* p) (* return p-»re; *); const double pi = 3.1415926535897932385; struct user;

Как можно видеть из этих примеров, описание может делать больше чем просто ассоциировать тип с именем. Большинство описаний являются также определениями то есть они также определяют для имени сущность, к которой оно относится. Для ch, count и cvar этой сущностью является соответствующий объем памяти, который должен использоваться как переменная – эта память будет выделена. Для real это заданная функция. Для constant pi это значение 3.1415926535897932385. Для complex этой сущностью является новый тип. Для point это тип complex, поэтому point становится синонимом complex. Только описания

extern complex sqrt(complex); extern int error_number; struct user;

не являются одновременно определениями. Это означает, что объект, к которому они относятся, должен быть определен где-то еще. Код (тело) функции sqrt должен задаваться неким другим описанием, память для переменной error_number типа int должна выделяться неким другим описанием, и какое-то другое описание типа user должно определять, что он из себя представляет. В С++ программе всегда должно быть только одно определение каждого имени, но описаний может быть много, и все описания должны согласовываться с типом объекта, к которому они относятся, поэтому в этом фрагменте есть две ошибки: