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.

---

4.5 Как Создать Библиотеку

Фразы типа «помещен в библиотеку» и «ищется в какой-то библиотеке» используются часто (и в этой книге, и в других), но что это означает для С++ программы? К сожалению, ответ звисит от того, какая операционная система используется; в этом разделе объясняется, как создать библиотеку в 8-ой весии системы UNIX. Другие системы предоставляют аналогичные возможности.

Библиотека в своей основе является множеством .o файлов, полученных в результате компиляции соответствующего множества .c файлов. Обычно имеется один или более .h файлов, в которых содержатся описания для использования этих .o файлов. В кчестве примера рассмотрим случай, когда нам надо задать (обычным способом) набор математических функций для некоторго неопределенного множества пользователей. Заголовочный файл мог бы выглядеть примерно так:

extern double sqrt(double); // подмножество «math.h» extern double sin(double); extern double cos(double); extern double exp(double); extern double log(double);

а определения этих функций хранились бы, соответственно, в файлах sqrt.c, sin.c, cos.c, exp.c и log.c.

Библиотеку с именем math.h можно создать, например, так:

$ CC -c sqrt.c sin.c cos.c exp.c log.c $ ar cr math.a sqrt.o sin.o cos.o exp.o log.o $ ranlib math.a

Вначале исходные файлы компилируются в эквивалентные им объектные файлы. Затем используется команда ar, чтобы создать архив с именем math.a. И, наконец, этот архив индексируется для ускорения доступа. Если в вашей системе нет ranlib комады, значит она вам, вероятно, не понадобится. Подробности посмотрите, пожалуйста, в вашем руководстве в разделе под зголовком ar. Использовать библиотеку можно, например, так:

$ CC myprog.c math.a

Теперь разберемся, в чем же преимущества использования math.a перед просто непосредственным использованием .o фалов? Например:

$ CC myprog.c sqrt.o sin.o cos.o exp.o log.o

Для большинства программ определить правильный набор .o файлов, несомненно, непросто. В приведенном выше примере они включались все, но если функции в myprog.c вызывают только функции sqrt() и cos(), то кажется, что будет достаточно

$ CC myprog.c sqrt.o cos.o

Но это не так, поскольку cos.c использует sin.c.

Компоновщик, вызываемый командой CC для обработки .a файла (в данном случае, файла math.a) знает, как из того мнжества, которое использовалось для создания .a файла, извлечь только необходимые .o файлы.

Другими словами, используя библиотеку можно включать много определений с помощью одного имени (включения определний функций и переменных, используемых внутренними функциями,

никогда не видны пользователю), и, кроме того, обеспечить, что в результате в программу будет включено минимальное колчество определений.

4.6 Функции

Обычный способ сделать что-либо в С++ программе – это вызвать функцию, которая это делает. Определение функции яляется способом задать то, как должно делаться некоторое действие. Функция не может быть вызвана, пока она не описана.

4.6.1 Описания Функций

Описание функции задает имя функции, тип возвращаемого функцией значения (если таковое есть) и число и типы парамеров, которые должны быть в вызове функции. Например:

extern double sqrt(double); extern elem* next_elem(); extern char* strcpy(char* to, const char* from); extern void exit(int);

Семантика передачи параметров идентична семантике иницализации. Проверяются типы параметров, и когда нужно произвдится неявное преобразование типа. Например, если были заданы предыдущие определения, то

double sr2 = sqrt(2);

будет правильно обращаться к функции sqrt() со значением с плавающей точкой 2.0. Значение такой проверки типа и преоразования типа огромно.

Описание функции может содержать имена параметров. Это может помочь читателю, но компилятор эти имена просто игноррует.

4.6.2 Определения Функций

Каждая функция, вызываемая в программе, должна быть гдто определена (только один раз). Определение функции – это описание функции, в котором приводится тело функции. Напрмер:

extern void swap(int*, int*); // описание

void swap(int*, int*) // определение (* int t = *p; *p =*q; *q = t; *)

Чтобы избежать расходов на вызов функции, функцию можно описать как inline (#1.12), а чтобы обеспечить более быстрый доступ к параметрам, их можно описать как register (#2.3.11). Оба средства могут использоваться неправильно, и их следует избегать везде где есть какие-либо сомнения в их полезности.

4.6.3 Передача Параметров

Когда вызывается функция, дополнительно выделяется пмять под ее формальные параметры, и каждый формальный парметр инициализируется соответствующим ему фактическим парметром. Семантика передачи параметров идентична семантике инициализации. В частности, тип фактического параметра сопотавляется с типом формального параметра, и выполняются все

стандартные и определенные пользователем преобразования тпов. Есть особые правила для передачи векторов (#4.6.5), средство передавать параметр без проверки типа параметра (#4.6.8) и средство для задания параметров по умолчанию (#4.6.6). Рассмотрим

void f(int val, int amp; ref) (* val++; ref++; *)

Когда вызывается f(), val++ увеличивает локальную копию первого фактического параметра, тогда как ref++ увеличивает второй фактический параметр. Например:

int i = 1; int j = 1; f(i,j);

увеличивает j, но не i. Первый параметр – i, передается по значению, второй параметр – j, передается по ссылке. Как уже отмечалось в #2.3.10, использование функций, которые именяют переданные по ссылке параметры, могут сделать програму трудно читаемой, и их следует избегать (но см. #6.5 и #8.4). Однако передача большого объекта по ссылке может быть гораздо эффективнее, чем передача его по значению. В этом случае параметр можно описать как const, чтобы указать, что ссылка применяется по соображениям эффективности, а также чтобы не позволить вызываемой функции изменять значение обекта:

void f(const large amp; arg) (* // значение «arg» не может быть изменено *)

Аналогично, описание параметра указателя как const соощает читателю, что значение объекта, указываемого указателем, функцией не изменяется. Например:

extern int strlen(const char*); // из «string.h» extern char* strcpy(char* to, const char* from); extern int strcmp(const char*, const char*);

Важность такой практики возрастает с размером программы.

Заметьте, что семантика передачи параметров отлична от семантики присваивания. Это важно для const параметров, сслочных параметров и параметров некоторых типов, определяемых пользователем (#6.6).

4.6.4 Возврат Значения

Из функции, которая не описана как void, можно (и долно) возвращать значение. Возвращаемое значение задается опратором return. Например:

int fac(int n) (*return (n»1) ? n*fac(n-1) : 1; *)

В функции может быть больше одного оператора return: int fac(int n) (* if (n » 1) return n*fac(n-1); else return 1; *)

Как и семантика передачи параметров, семантика возврата функцией значения идентична семантике инициализации. Возврщаемое значение рассматривается как инициализатор переменной возвращаемого типа. Тип возвращаемого выражения проверяется на согласованность с возвращаемым типом и выполняются все стандартные и определенные пользователем преобразования тпов. Например:

double f() (* // ... return 1; // неявно преобразуется к double(1) *)

Каждый раз, когда вызывается функция, создается новая копия ее параметров и автоматических переменных. После возрата из функции память используется заново, поэтому возврщать указатель на локальную переменную неразумно. Содержание указываемого места изменится непредсказуемо:

int* f() (* int local = 1; // ... return amp;local; // так не делайте *)

Эта ошибка менее обычна, чем эквивалентная ошибка при использовании ссылок:

int amp; f() (* int local = 1; // ... return local; // так не делайте *)

К счастью, о таких возвращаемых значениях предупреждает компилятор. Вот другой пример:

int amp; f() (* return 1;*) // так не делайте

4.6.5 Векторные Параметры

Если в качестве параметра функции используется вектор, то передается указатель на его первый элемент. Например:

int strlen(const char*);

void f() (* char v[] = «a vector» strlen(v); strlen(«Nicholas»); *);

Иначе говоря, при передаче как параметр параметр типа T[] преобразуется к T*. Следовательно, присваивание элементу векторного параметра изменяет значение элемента вектора, кторый является параметром. Другими словами, вектор отличается от всех остальных типов тем, что вектор не передается (и не может передаваться) по значению.

Размер вектора недоступен вызываемой функции. Это может быть неудобно, но эту сложность можно обойти несколькими спсобами. Строки оканчиваются нулем, поэтому их размер можно легко вычислить. Для других векторов можно передавать второй

параметр, который задает размер, или определить тип, содержщий указатель и индикатор длины, и передавать его вместо просто вектора (см. также #1.11). Например:

void compute1(int* vec_ptr, int vec_size); // один способ

struct vec (* // другой способ int* ptr; int size; *);

void compute2(vec v);

С многомерными массивами все хитрее, но часто можно вместо них использовать векторы указателей, которые не требют специального рассмотрения. Например:

char* day[] = (* «mon», «tue», «wed», «thu», «fri», «sat», «sun» *);

С другой стороны, рассмотрим определение функции, котрая работает с двумерными матрицами. Если размерность извесна на стадии компиляции, то никаких проблем нет: