Единственный способ изучать новый
язык
программирования - писать на нем программы.
- Брайэн Керниган
Эта глава представляет собой краткий обзор основных черт языка программирования С++. Сначала приводится программа на С++, затем показано, как ее откомпилировать и запустить, и как такая программа может выводить выходные данные и считывать входные. В первой трети этой главы после введения описаны наиболее обычные черты С++: основные типы, описания, выражения, операторы, функции и структура программы. Оставшаяся часть главы посвящена возможностям С++ по определению новых типов, сокрытию данных, операциям, определяемым пользователем, и иерархии определяемых пользователем типов.
1.1 Введение
Это турне проведет вас через ряд программ и частей программ на С++. К концу у вас должно сложиться общее представление об основных особенностях С++, и будет достаточно информации, чтобы писать простые программы. Для точного и полного объяснения понятий, затронутых даже в самом маленьком законченном примере, потребовалось бы несколько страниц определений. Чтобы не превращать эту главу в описание или в обсуждение общих понятий, примеры снабжены только самыми короткими определениями используемых терминов. Термины рассматриваются позже, когда будет больше примеров, способствующих обсуждению.
1.1.1 Вывод
Прежде всего, давайте напишем программу, выводящую строку выдачи:
#include <stream.h>
main() {
cout << "Hello, world\n"; }
Строка #include <stream.h> сообщает компилятору, чтобы он включил стандартные возможности потока ввода и вывода, находящиеся в файле stream.h. Без этих описаний выражение cout << "Hello, world\n" не имело бы смысла. Операция << ("поместить в"*) пишет свой первый аргумент во второй (в данном случае, строку "Hello, world\n" в стандартный поток вывода cout). Строка это последовательность символов, заключен
Остальная часть программы
main() { ... }
определяет функцию, названную main. Каждая программа должна содержать функцию с именем main, и работа программы начинается с выполнения этой функции.
1.1.2 Компиляция
Откуда появились выходной поток cout и код, реализующий операцию вывода <
$ CC hello.c $ a.out Hello,world $
a.out - это принимаемое по умолчанию имя исполняемого результата компиляции. Если вы хотите назвать свою программу, вы можете сделать это с помощью опции -o:
$ CC hello.c -o hello $ hello Hello,world $
1.1.3 Ввод
Следующая (довольно многословная) программа предлагает вам ввести число дюймов. После того, как вы это сделаете, она напечатает соответствующее число сантиметров.
#include <stream.h>
main() {
int inch = 0; // inch - дюйм
cout << "inches"; cin>> inch;
cout << inch; cout << " in=";
cout << inch*2.54; cout << " cm\n"; }
Первая строка функции main() описывает целую переменную inch. Ее значение считывается с помощью операции >> ("взять из") над стандартным потоком ввода cin. Описания cin и >>, конечно же, находятся в <stream.h>. После ее запуска ваш терминал может выглядеть примерно так:
$ a.out inches=12 12 in = 30.48 cm $
В этом примере на каждую команду вывода приходится один оператор. Это слишком длинно. Операцию вывода << можно применять к ее собственному результату, так что последние четыре команды вывода можно было записать одним оператором:
cout << inch << " in=" << inch*2.54 << " cm\n";
В последующих разделах ввод и вывод будут описаны гораздо более подробно. Вся эта глава фактически может рассматриваться как объяснение того, как можно написать предыдущие программы на языке, который не обеспечивает операции ввода-вывода. На самом деле, приведенные выше программы написаны на С++, "расширенном" операциями ввода-вывода посредством использования библиотек и включения файлов с помощью #include. Другими словами, язык С++ в том виде, в котором он описан в справочном руководстве, не определяет средств ввода-вывода. Вместо этого исключительно с помощью средств, доступных любому программисту, определены операции << и>>.
1.2 Комментарии
Часто бывает полезно вставлять в программу текст, который предназначается в качестве комментария только для читающего программу человека и игнорируется компилятором в программе. В С++ это можно сделать одним из двух способов.
Символы /* начинают комментарий, заканчивающийся символами */. Вся эта последовательность символов эквивалентна символу пропуска (например, символу пробела). Это наиболее полезно для многострочных комментариев и изъятия частей программы при редактировании, однако следует помнить, что комментарии /* */ не могут быть вложенными.
Символы // начинают комментарий, который заканчивается в конце строки, на которой они появились. Опять, вся последовательность символов эквивалентна пропуску. Этот способ наиболее полезен для коротких комментариев. Символы // можно использовать для того, чтобы закомментировать символы /* или */, а символами /* можно закомментировать //.
1.3 Типы и Описания
Каждое имя и каждое выражение имеет тип, определяющий операции, которые могут над ними производиться. Например, описание
int inch;
определяет, что inch имеет тип int, то есть, inch является целой переменной.
Описание - это оператор, который вводит имя в программе. Описание задает тип этого имени. Тип определяет правильное использование имени или выражения. Для целых определены такие операции, как +, -, * и /. После того, как включен файл stream.h, объект типа int может также быть вторым операндом <<, когда первый операнд ostream.
Тип объекта определяет не только то, какие операции могут к нему применяться, но и смысл этих операций. Например, оператор
cout << inch << " in=" << inch*2.54 << " cm\n";
правильно обрабатывает четыре входных значения различным образом. Строки печатаются буквально, тогда как целое inch и значение с плавающей точкой inch*2.54 преобразуются из их внутреннего представления в подходящее для человеческого глаза символьное представление.
В С++ есть несколько основных типов и несколько способов создавать новые. Простейшие виды типов С++ описываются в следующих разделах, а более интересные оставлены на потом.
1.3.1 Основные Типы
Основные типы, наиболее непосредственно отвечающие средствам аппаратного обеспечения, такие:
char short int long float double
Первые четыре типа используются для представления целых, последние два - для представления чисел с плавающей точкой. Переменная типа char имеет размер, естественный для хранения символа на данной машине (обычно, байт), а переменная типа int имеет размер, соответствующий целой арифметике на данной машине (обычно, слово). Диапазон целых чисел, которые могут быть представлены типом, зависит от его размера (sizeof). В С++ размеры измеряются в единицах размера данных типа char, поэтому char по определению имеет размер единица. Соотношение между основными типами можно записать так:
1 = sizeof(char) <= sizeof(short) <="sizeof(int)" <="sizeof(long)" sizeof(float) <="sizeof(double)"
В целом, предполагать что-либо еще относительно основных типов неразумно. В частности, то, что целое достаточно для хранения указателя, верно не для всех машин.
К основному типу можно применять прилагательное const. Это дает тип, имеющий те же свойства, что и исходный тип, за исключением того, что значение переменных типа const не может изменяться после инициализации.
const float pi = 3.14; const char plus = '+';
Символ, заключенный в одинарные кавычки, является символьной константой. Заметьте, что часто константа, определенная таким образом, не занимает память. Просто там, где требуется, ее значение может использоваться непосредственно. Константа должна инициализироваться при описании. Для переменных инициализация необязательна, но настоятельно рекомендуется. Оснований для введения локальной переменной без ее инициализации очень немного.
К любой комбинации этих типов могут применяться арифметические операции:
+ (плюс, унарный и бинарный) - (минус, унарный и бинарный) * (умножение) / (деление)
А также операции сравнения:
== (равно)
!= (не равно)
<(меньше)> (больше)
<= (меньше или равно)>= (больше или равно)
Заметьте, что целое деление дает целый результат: 7/2 есть 3. Над целыми может выполняться операция % получения остатка: 7%2 равно 1.
При присваивании и арифметических операциях С++ выполняет все осмысленные преобразования между основными типами, чтобы их можно было сочетать без ограничений:
double d = 1; int i = 1; d = d + i; i = d + i;
1.3.2 Производные Типы
Вот операции, создающие из основных типов новые типы:
* указатель на *const константный указатель на & ссылка на [] вектор* () функция, возвращающая
* одномерный массив. Это принятый термин (например, вектора прерываний), и мы сочли, что стандартный перевод его как "массив" затуманит изложение. (прим. перев.)
Например:
char* p // указатель на символ char *const q // константный указатель на символ char v[10] // вектор из 10 символов
Все вектора в качестве нижней границы индекса имеют ноль, поэтому в v десять элементов: v[0]..v[9]. Функции объясняются в #1.5, ссылки в #1.9. Переменная указатель может содержать адрес объекта соответствующего типа:
char c; // ... p = &c; // p указывает на c
Унарное & является операцией взятия адреса.
1.4 Выражения и Операторы
В С++ имеется богатый набор операций, с помощью которых в выражениях образуются новые значения и изменяются значения переменных. Поток управления в программе задается с помощью операторов, а описания используются для введения в программе имен переменных, констант и т.д. Заметьте, что описания являются операторами, поэтому они свободно могут сочетаться с другими операторами.
1.4.1 Выражения
В С++ имеется большое число операций, и они будут объясняться там, где (и если) это потребуется. Следует учесть, что операции
~ (дополнение)
& (И)
^ (исключающее ИЛИ)
| (включающее ИЛИ)
<< (логический сдвиг влево)>> (логический сдвиг вправо)
применяются к целым, и что нет отдельного типа данных для логических действий.
Смысл операции зависит от числа операндов. Унарное & является операцией взятия адреса, а бинарное & - это операция логического И. Смысл операции зависит также от типа ее операндов: + в выражении a+b означает сложение с плавающей точкой, если операнды имеют тип float, но целое сложение, если они типа int. В #1.8 объясняется, как можно определить операцию для типа, определяемого пользователем, без потери ее значения, предопределенного для основных и производных типов.
В С++ есть операция присваивания =, а не оператор присваивания, как в некоторых языках. Таким образом, присваивание может встречаться в неожиданном контексте, например, x=sqrt(a=3*x). Это бывает полезно. a=b=c означает присвоение c объекту b, а затем объекту a. Другим свойством операции присваивания является то, что она может совмещаться с большинством бинарных операций. Например, x[i+3]*=4 означает x[i+3]=x[i+3]*4, за исключением того факта, что выражение x[i+3] вычисляется только один раз. Это дает привлекательную степень эффективности без необходимости обращения к оптимизирующим компиляторам. К тому же это более кратко.
В большинстве программ на С++ широко применяются указатели. Унарная операция * разыменовывает* указатель, т.е. *p есть объект, на который указывает p. Эта операция также называется косвенной адресацией. Например, если имеется char* p, то *p есть символ, на который указывает p. Часто при работе с указателями бывают полезны операция увеличения ++ и операция уменьшения --. Предположим, p указывает на элемент вектора v, тогда p++ делает p указывающим на следующий элемент.
* англ. dereference - получить значение объекта, на который указывает данный указатель. (прим. перев.)
1.4.2 Операторы Выражения
Самый обычный вид оператора - выражение;. Он состоит из выражения, за которым следует точка с запятой. Например:
a = b*3+c;
cout << "go go go"; lseek(fd,0,2);
1.4.3 Пустой оператор
Простейшей формой оператора является оператор:
;
Он не делает ничего. Однако он может быть полезен в тех случаях, когда синтаксис требует наличие оператора, а вам оператор не нужен.
1.4.4 Блоки
Блок - это возможно пустой список операторов, заключенный в фигурные скобки:
{ a=b+2; b++; }
Блок позволяет рассматривать несколько операторов как один. Область видимости имени, описанного в блоке, простирается до конца блока. Имя можно сделать невидимым с помощью описаний такого же имени во внутренних блоках.
1.4.5 Оператор if
Программа в следующем примере осуществляет преобразование дюймов в сантиметры и сантиметров в дюймы. Предполагается, что вы укажете единицы измерения вводимых данных, добавляя i для дюймов и c для сантиметров:
#include <stream.h>
main() {
const float fac = 2.54;
float x, in, cm;
char ch = 0;
cout << "введите длину: "; cin>> x >> ch;
if (ch == 'i') { // inch - дюймы
in = x; cm = x*fac;
}
else
if (ch == 'c') // cm - сантиметры
in = x/fac; cm = x;
}
else in = cm = 0;
cout << in << " in=" << cm << " cm\n"; }
Заметьте, что условие в операторе if должно быть заключено в круглые скобки.
1.4.6 Операторы switch
Оператор switch производит сопоставление значения с множеством констант. Проверки в предыдущем примере можно записать так:
switch (ch) {
case 'i':
in = x; cm = x*fac; break;
case 'c':
in = x/fac; cm = x; break;
default:
in = cm = 0; break;
}
Операторы break применяются для выхода из оператора switch. Константы в вариантах case должны быть различными, и если проверяемое значение не совпадает ни с одной из констант, выбирается вариант default. Программисту не обязательно предусматривать default.
1.4.7 Оператор while
Рассмотрим копирование строки, когда заданы указатель p на ее первый символ и указатель q на целевую строку. По соглашению строка оканчивается символом с целым значением 0.
while (p != 0) {
*q = *p; // скопировать символ
q = q+1; p = p+1;
}
*q = 0; // завершающий символ 0 скопирован не был
Следующее после while условие должно быть заключено в круглые скобки. Условие вычисляется, и если его значение не ноль, выполняется непосредственно следующий за ним оператор. Это повторяется до тех пор, пока вычисление условия не даст ноль.
Этот пример слишком пространен. Можно использовать операцию ++ для непосредственного указания увеличения, и проверка упростится:
while (*p) *q++ = *p++;
*q = 0;
где конструкция *p++ означает: "взять символ, на который указывает p, затем увеличить p."
Пример можно еще упростить, так как указатель p разыменовывается дважды за каждый цикл. Копирование символа можно делать тогда же, когда производится проверка условия:
while (*q++ = *p++) ;
Здесь берется символ, на который указывает p, p увеличивается, этот символ копируется туда, куда указывает q, и q увеличивается. Если символ ненулевой, цикл повторяется. Поскольку вся работа выполняется в условии, не требуется ни одного оператора. Чтобы указать на это, используется пустой оператор. С++ (как и C) одновременно любят и ненавидят за возможность такого чрезвычайно краткого ориентированного на выразительность программирования*.
* в оригинале expression-oriented (expression - выразительность и выражение). (прим. перев.)
1.4.8 Оператор for
Рассмотрим копирование десяти элементов одного вектора в другой:
for (int i=0; i<10; i++) q[i]="p[i];" Это эквивалентно int i="0;" while (i<10) { q[i]="p[i];" i++; }
но более удобочитаемо, поскольку вся информация, управляющая циклом, локализована. При применении операции ++ к целой переменной к ней просто добавляется единица. Первая часть оператора for не обязательно должна быть описанием, она может быть любым оператором. Например:
for (i=0; i<10; i++) q[i]="p[i];"
тоже эквивалентно предыдущей записи при условии, что i соответствующим образом описано раньше.
1.4.9 Описания
Описание - это оператор, вводящий имя в программе. Оно может также инициализировать объект с этим именем. Выполнение описания означает, что когда поток управления доходит до описания, вычисляется инициализирующее выражение (инициализатор) и производится инициализация. Например:
for (int i = 1; i<MAX; i++) {
int t = v[i-1];
v[i-1] = v[i];
v[i] = t;
}
При каждом выполнении оператора for i будет инициализироваться один раз, а t MAX-1 раз.
1.5 Функции
Функция - это именованная часть программы, к которой можно обращаться из других частей программы столько раз, сколько потребуется. Рассмотрим программу, печатающую степени числа 2:
extern float pow(float, int); //pow() определена в другом месте
main() {
for (int i=0; i<10; i++) cout << pow(2,i) << "\n"; }
Первая строка функции - ее описание, указывающее, что pow - функция, получающая параметры типа float и int и возвращающая float. Описание функции используется для того, чтобы сделать определенными обращения к функции в других местах.
При вызове функции тип каждого параметра сопоставляется с ожидаемым типом точно так же, как если бы инициализировалась переменная описанного типа. Это гарантирует надлежащую проверку и преобразование типов. Например, обращение pow(12.3,"abcd") вызовет недовольство компилятора, поскольку "abcd" является строкой, а не int. При вызове pow(2,i) компилятор преобразует 2 к типу float, как того требует функция. Функция pow может быть определена например так:
float pow(float x, int n) {
if (n <0) error("sorry, negative exponent to pow()"); // извините, отрицательный показатель для pow() switch (n) { case 0: return 1; case 1: return x; default: return x*pow(x,n-1); } }
Первая часть определения функции задает имя функции, тип возвращаемого ею значения (если таковое имеется) и типы и имена ее параметров (если они есть). Значение возвращается из функции с помощью оператора return.
Разные функции, обычно имеют разные имена, но функциям, выполняющим сходные действия над объектами различных типов, иногда лучше дать возможность иметь одинаковые имена. Если типы их параметров различны, то компилятор всегда может различить их и выбрать для вызова нужную функцию. Может, например, иметься одна функция возведения в степень для целых переменных и другая для переменных с плавающей точкой:
overload pow; int pow(int, int); double pow(double, double); //... x=pow(2,10); y=pow(2.0,10.0);
Описание
overload pow;
сообщает компилятору, что использование имени pow более чем для одной функции является умышленным.
Если функция не возвращает значения, то ее следует описать как void:
void swap(int* p, int* q) // поменять местами
{
int t = *p;
*p = *q;
*q = t;
}
1.6 Структура программы
Программа на С++ обычно состоит из большого числа исходных файлов, каждый из которых содержит описания типов, функций, переменных и констант. Чтобы имя можно было использовать в разных исходных файлах для ссылки на один и тот же объект, оно должно быть описано как внешнее. Например:
extern double sqrt(double); extern instream cin;
Самый обычный способ обеспечить согласованность исходных файлов - это поместить такие описания в отдельные файлы, называемые заголовочными (или хэдер) файлами, а затем включить, то есть скопировать, эти заголовочные файлы во все файлы, где нужны эти описания. Например, если описание sqrt хранится в заголовочном файле для стандартных математических функций math.h, и вы хотите извлечь квадратный корень из 4, можно написать:
#include <math.h>
//...
x = sqrt(4);
Поскольку обычные заголовочные файлы включаются во многие исходные файлы, они не содержат описаний, которые не должны повторяться. Например, тела функций даются только для inline-подставляемых функций (#1.12) и инициализаторы даются только для констант (#1.3.1). За исключением этих случаев, заголовочный файл является хранилищем информации о типах. Он обеспечивает интерфейс между отдельно компилируемыми частями программы.
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<
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 (realПоскольку 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
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& означает ссылку на T. Ссылка должна быть инициализирована, и она становится другим именем того объекта, которым она инициализирована. Например:
ostream& s1 = my_out; ostream& 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:
&s1 == &my_outПервая 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& operator<<(ostream& 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& operator>>(char&);
istream& operator>>(char*);
istream& operator>>(int&);
istream& operator>>(long&);
//...
};
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 закрытыми. 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(&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 &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.
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& operator[](int);
int& 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& 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. Возвращение 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 месте 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& elem(int);
int& 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& 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& vec::operator[](int i) { if (i<low || high<i) error("vec index out of range"); // индекс vec за гр
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&);
~Vec(){}
void operator=(Vec&);
void operator*=(Vec&);
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& 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 элементам. 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&):
Vec::Vec(Vec& 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 равно получить правильную реализацию векторного сложения. Однако вектора могут оказаться большими, поэтому чтобы избежать ненужного копирования операнды операции + передаются в operator+() по ссылке:
Vec operator+(Vec& a,Vec &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& 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(
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& 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 зачастую 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:
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*& elem(int);
common*& 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] = &aa;
fruitbowl[1] = &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*& elem(int i)
{
return (apple*&) cvector::elem(i); }
//...
};
используя запись приведения к типу (тип)выражение, чтобы преобразовать common*& (ссылку на указатель на common), которую возвращает cvector::elem, в apple*&. 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.
Copyright © by Alex Skums