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.

---

extern int atoi(char*);

функция atoi() это стандартная библиотечная функция для преобразования представления целого в виде строки в его внуреннюю (двоичную) форму. Случайные числа генерируются с пмощью стандартной функции rand():

extern int rand(); // Не очень случайные, будьте осторожны

int randint(int u) // в диапазоне 1..u (* int r = rand(); if (r « 0) r = -r; return 1 + r%u ; *)

Подробности реализации класса должны представлять для пользователя весьма незначительный интерес, но здесь в любом случае будут функции члены. Конструктор выделяет целый вектор заданного максимального размера множества, а деструктор освбождает его:

intset::intset(int m, int n)//самое большее,m int'ов в 1..n (* if (m«1 !! n„m) error(«недопустимый размер intset“); cursize = 0; maxsize = m; x = new int[maxsize]; *)

intset::~intset() (* delete x; *)

Целые числа вставляются, поэтому они хранятся в возратающем порядке:

void intset::insert(int t) (* if (++cursize » maxsize) error(«слишком много элементов»); int i = cursize-1; x[i] = t;

while (i»0 amp; amp; x[i-1]»x[i]) (* int t = x[i]; // переставить x[i] и [i-1] x[i] = x[i-1]; x[i-1] = t; i–; *) *)

Для нахождения членов используется просто двоичный писк:

int intset::member(int t) // двоичный поиск (* int l = 0; int u = cursize-1;

while (l «= u) (* int m = (l+u)/2; if (t „ x[m]) u = m-1; else if (t “ x[m]) l = m+1; else return 1; // найдено *) return 0; // не найдено *)

И, наконец, нам нужно обеспечить множество операций, чтобы пользователь мог осуществлять цикл по множеству в нектором порядке, поскольку представление intset от пользователя скрыто. Множество внутренней упорядоченности не имеет, поэтму мы не можем просто дать возможность обращаться к вектору (завтра я, наверное, реализую intset по-другому, в виде свзанного списка).

Дается три функции: iterate() для инициализации итерции, ok() для проверки, есть ли следующий элемент, и next() для того, чтобы взять следующий элемент:

class intset (* // ... void iterate(int amp; i) (* i = 0; *) int ok(int amp; i) (* return i«cursize; *) int next(int amp; i) (* return x[i++]; *) *);

Чтобы дать возможность этим трем операциям работать соместно и чтобы запомнить, куда дошел цикл, пользователь дожен дать целый параметр. Поскольку элементы хранятся в отсотированном списке, их реализация тривиальна. Теперь можно определить функцию печати по порядку print_in_order:

void print_in_order(intset* set) (* int var; set-»iterate(var); while (set-»ok(var)) cout «„ set-“next(var) „« «\n“; *)

Другой способ задать итератор приводится в #6.8.

5.4 Друзья и Объединения

В это разделе описываются еще некоторые особенности, ксающиеся классов. Показано, как предоставить функции не члену доступ к закрытым членам. Описывается, как разрешать конфликты имен членов, как можно делать вложенные описания классов, и как избежать нежелательной вложенности. Обсуждается также, как объекты класса могут совместно использовать члены данные, и как использовать указатели на члены. Наконец, приводится пример, показывающий, как построить дискриминирующее (экононое) объединение.

5.4.1 Друзья

Предположим, вы определили два класса, vector и matrix (вектор и матрица). Каждый скрывает свое представление и прдоставляет полный набор действий для манипуляции объектами его типа. Теперь определим функцию, умножающую матрицу на вектор. Для простоты допустим, что в векторе четыре элемента, которые индексируются 0...3, и что матрица состоит из четырех векторов, индексированных 0...3. Допустим также, что доступ к элементам вектора осуществляется через функцию elem(), котрая осуществляет проверку индекса, и что в matrix имеется аналогичная функция. Один подход состоит в определении глбальной функции multiply() (перемножить) примерно следующим образом:

vector multiply(matrix amp; m, vector amp; v); (* vector r; for (int i = 0; i«3; i++) (* // r[i] = m[i] * v; r.elem(i) = 0; for (int j = 0; j«3; j++) r.elem(i) += m.elem(i,j) * v.elem(j); *) return r; *)

Это своего рода «естественный» способ, но он очень неэфективен. При каждом обращении к multiply() elem() будет взываться 4*(1+4*3) раза.

Теперь, если мы сделаем multiply() членом класса vector, мы сможем обойтись без проверки индексов при обращении к элменту вектора, а если мы сделаем multiply() членом класса matrix, то мы сможем обойтись без проверки индексов при обрщении к элементу матрицы. Однако членом двух классов функция быть не может. Нам нужно средство языка, предоставляющее функции право доступа к закрытой части класса. Функция не член, получившая право доступа к закрытой части класса, назвается другом класса (friend). Функция становится другом класса после описания как friend. Например:

class matrix;

class vector (* float v[4]; // ... friend vector multiply(matrix amp;, vector amp;); *);

class matrix (* vector v[4]; // ... friend vector multiply(matrix amp;, vector amp;); *);

Функция друг не имеет никаких особенностей, помимо права доступа к закрытой части класса. В частности, friend функция не имеет указателя this (если только она не является полноравным членом функцией). Описание friend – настоящее описние. Оно вводит имя функции в самой внешней области видимости

программы и сопоставляется с другими описаниями этого имени. Описание друга может располагаться или в закрытой, или в отрытой части описания класса. Где именно, значения не имеет.

Теперь можно написать функцию умножения, которая исползует элементы векторов и матрицы непосредственно:

vector multiply(matrix amp; m, vector amp; v); (* vector r; for (int i = 0; i«3; i++) (* // r[i] = m[i] * v; r.v[i] = 0; for (int j = 0; j«3; j++) r.v[i] += m.v[i][j] * v.v[j]; *) return r; *)

Есть способы преодолеть эту конкретную проблему эффетивности не используя аппарат friend (можно было бы определить операцию векторного умножения и определить multiply() с ее помощью). Однако существует много задач, кторые проще всего решаются, если есть возможность предоствить доступ к закрытой части класса функции, которая не явлется членом этого класса. В Главе 6 есть много примеров применения friend. Достоинства функций друзей и членов будут обсуждаться позже.

Функция член одного класса может быть другом другого. Например:

class x (* // ... void f(); *);

class y (* // ... friend void x::f(); *);

Нет ничего необычного в том, что все функции члены однго класса являются друзьями другого. Для этого есть даже блее краткая запись:

class x (* friend class y; // ... *);

Такое описание friend делает все функции члены класса y друзьями x.

5.4.2 Уточнение* Имени Члена

– * Иногда называется также квалификацией. (прим. перев.)

Иногда полезно делать явное различие между именами члнов класса и прочими именами. Для этого используется операция ::, «разрешения области видимости»:

class x (* int m; public: int readm() (* return x::m; *) void setm(int m) (* x::m = m; *)

*);

В x::setm() имя параметра m прячет член m, поэтому единственный способ сослаться на член – это использовать его уточненное имя x::m. Операнд в левой части :: должен быть именем класса.

Имя с префиксом :: (просто) должно быть глобальным имнем. Это особенно полезно для того, чтобы можно было исползовать часто употребимые имена вроде read, put и open как имена функций членов, не теряя при этом возможности обращатся к той версии функции, которая не является членом. Например:

class my_file (* // ... public: int open(char*, char*); *);

int my_file::open(char* name, char* spec) (* // ... if (::open(name,flag))(*//использовать open() из UNIX(2) // ... *) // ... *)

5.4.3 Вложенные Классы

Описание класса может быть вложенным. Например:

class set (* struct setmem (* int mem; setmem* next; setmem(int m, setmem* n) (* mem=m; next=n; *) *); setmem* first; public: set() (* first=0; *) insert(int m) (* first = new setmem(m,first);*) // ... *);

Если только вложенный класс не является очень простым, в таком описании трудно разобраться. Кроме того, вложение класов – это не более чем соглашение о записи, поскольку вложеный класс не является скрытым в области видимости лексически охватывающего класса:

class set (* struct setmem (* int mem; setmem* next; setmem(int m, setmem* n) *); // ... *);

setmem::setmem(int m, setmem* n) (* mem=m, next=n*) setmem m1(1,0);

Такая запись, как set::setmem::setmem(), не является ни необходимой, ни допустимой. Единственный способ скрыть имя класса – это сделать это с помощью метода файлы-как-модули (#

4.4). Большую часть нетривиальных классов лучше описывать раздельно:

class setmem (* friend class set; // доступ только с помощью членов set int mem; setmem* next; setmem(int m, setmem* n) (* mem=m; next=n; *) *);

class set (* setmem* first; public: set() (* first=0; *) insert(int m) (* first = new setmem(m,first);*) // ... *);

5.4.4 Статические Члены

Класс – это тип, а не объект данных, и в каждом объекте класса имеется своя собственная копия данных, членов этого класса. Однако некоторые типы наиболее элегантно реализуются, если все объекты этого типа могут совместно использовать (разделять) некоторые данные. Предпочтительно, чтобы такие разделяемые данные были описаны как часть класса. Например, для управления задачами в операционной системе или в ее модли часто бывает полезен список всех задач:

class task (* // ... task* next; static task* task_chain; void shedule(int); void wait(event); // ... *);

Описание члена task_chain (цепочка задач) как static обеспечивает, что он будет всего лишь один, а не по одной кпии на каждый объект task. Он все равно остается в области видимости класса task, и «извне» доступ к нему можно полчить, только если он был описан как public. В этом случае его имя должно уточняться именем его класса:

task::task_chain

В функции члене на него можно ссылаться просто task_chain. Использование статических членов класса может зметно снизить потребность в глобальных переменных.

5.4.5 Указатели на Члены

Можно брать адрес члена класса. Получение адреса функции члена часто бывает полезно, поскольку те цели и причины, кторые приводились в #4.6.9 относительно указателей на фунции, в равной степени применимы и к функциям членам. Однако, на настоящее время в языке имеется дефект: невозможно описать выражением тип указателя, который получается в результате этой операции. Поэтому в текущей реализации приходится жулничать, используя трюки. Что касается примера, который привдится ниже, то не гарантируется, что он будет работать. Ипользуемый трюк надо локализовать, чтобы программу можно было преобразовать с использованием соответствующей языковой контрукции, когда появится такая возможность. Этот трюк исползует тот факт, что в текущей реализации this реализуется как первый (скрытый) параметр функции члена*: