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.

---

void f(complex a, complex b) (* complex c = a + b; // сокращенная запись complex d = operator+(a,b); // явный вызов *)

При наличии предыдущего описания complex оба инициализтора являются синонимами.

6.2.1 Бинарные и Унарные Операции

Бинарная операция может быть определена или как функция член, получающая один параметр, или как функция друг, получющая два параметра. Таким образом, для любой бинарной оперции @ aa@bb может интерпретироваться или как aa.operator@(bb), или как operator@(aa,bb). Если определены обе, то aa@bb является ошибкой. Унарная операция, префиксная или постфиксная, может быть определена или как функция член, не получающая параметров, или как функция друг, получающая один параметр. Таким образом, для любой унарной операции @ aa @ или @aa может интерпретироваться или как aa.operator@(), или как operator@(aa). Если определено и то, и другое, то и aa@, и @aa являются ошибками. Рассмотрим следующие примеры:

class X (* // друзья

friend X operator-(X); // унарный минус friend X operator-(X,X); // бинарный минус friend X operator-(); // ошибка: нет операндов

friend X operator-(X,X,X); // ошибка: тернарная

// члены (с неявным первым параметром: this)

X* operator amp;(); // унарное amp; (взятие адреса) X operator amp;(X); // бинарное amp; (операция И) X operator amp;(X,X); // ошибка: тернарное

*);

Когда операции ++ и – перегружены, префиксное использвание и постфиксное различить невозможно.

6.2.2 Предопределенный Смысл Операций

Относительно смысла операций, определяемых пользоватлем, не делается никаких предположений. В частности, посколку не предполагается, что перегруженное = реализует присваивание ее первому операнду, не делается никакой провеки, чтобы удостовериться, является ли этот операнд lvalue (#с.6).

Значения некоторых встроенных операций определены как равносильные определенным комбинациям других операций над тми же аргументами. Например, если a является int, то ++a оначает a+=1, что в свою очередь означает a=a+1. Такие соотншения для определяемых пользователем операций не выполняются, если только не случилось так, что пользователь сам определил их таким образом. Например, определение operator+= () для тпа complex не может быть выведено из определений complex::operator+() и complex::operator=().

По историческому совпадению операции = и amp; имеют опредленный смысл для объектов классов. Никакого элегантного спсоба «не определить» эти две операции не существует. Их моно, однако, сделать недееспособными для класса X. Можно, например, описать X::operator amp;(), не задав ее определения. Если где-либо будет браться адрес объекта класса X, то компновщик обнаружит отсутствие определения*. Или, другой способ, можно определить X::operator amp;() так, чтобы она вызывала ошику во время выполнения.

____________________ * В некоторых системах компоновщик настолько «умен», что ругается, даже если неопределена неиспользуемая функция. В таких системах этим методом воспользоваться нельзя. (прим атора)

6.2.3 Операции и Определяемые Пользователем Типы

Функция операция должна или быть членом, или получать в качестве параметра по меньшей мере один объект класса (фунциям, которые переопределяют операции new и delete, это длать необязательно). Это правило гарантирует, что пользовтель не может изменить смысл никакого выражения, не включающего в себя определенного пользователем типа. В часности, невозможно определить функцию, которая действует ислючительно на указатели.

Функция операция, первым параметром которой предполагется основной встроенный тип, не может быть функцией членом. Рассмотрим, например, сложение комплексной переменной aa с целым 2: aa+2, при подходящим образом описанной функции члне, может быть проинтерпретировано как aa.operator+(2), но с 2+aa это не может быть сделано, потому что нет такого класса int, для которого можно было бы определить + так, чтобы это означало 2.operator+(aa). Даже если бы такой тип был, то для

того, чтобы обработать и 2+aa и aa+2, понадобилось бы две различных функции члена. Так как компилятор не знает смысла +, определяемого пользователем, то не может предполагать, что он коммутативен, и интерпретировать 2+aa как aa+2. С этим примером могут легко справиться функции друзья.

Все функции операции по определению перегружены. Функция операция задает новый смысл операции в дополнение к встроеному определению, и может существовать несколько функций опраций с одним и тем же именем, если в типах их параметров имеются отличия, различимые для компилятора, чтобы он мог различать их при обращении (см. #4.6.7).

6.3 Определяемое Пользователем Преобразование Типа

Приведенная во введении реализация комплексных чисел слишком ограничена, чтобы она могла устроить кого-либо, потому ее нужно расширить. Это будет в основном повторением описанных выше методов. Например:

class complex (* double re, im; public: complex(double r, double i) (* re=r; im=i; *)

friend complex operator+(complex, complex); friend complex operator+(complex, double); friend complex operator+(double, complex);

friend complex operator-(complex, complex); friend complex operator-(complex, double); friend complex operator-(double, complex); complex operator-() // унарный -

friend complex operator*(complex, complex); friend complex operator*(complex, double); friend complex operator*(double, complex);

// ... *);

Теперь, имея описание complex, мы можем написать:

void f() (* complex a(1,1), b(2,2), c(3,3), d(4,4), e(5,5); a = -b-c; b = c*2.0*c; c = (d+e)*a; *)

Но писать функцию для каждого сочетания complex и double, как это делалось выше для operator+(), невыносимо нудно. Кроме того, близкие к реальности средства комплексной арифметики должны предоставлять по меньшей мере дюжину таких функций. Посмотрите, например, на тип complex, описанный в «complex.h».

6.3.1 Конструкторы

Альтернативу использованию нескольких функций (перегрженных) составляет описание конструктора, который по заданнму double создает complex. Например:

class complex (* // ... complex(double r) (* re=r; im=0; *) *);

Конструктор, требующий только один параметр, необязтельно вызывать явно:

complex z1 = complex(23); complex z2 = 23;

И z1, и z2 будут инициализированы вызовом complex(23).

Конструктор – это предписание, как создавать значение данного типа. Когда требуется значение типа, и когда такое значение может быть создано конструктором, тогда, если такое значение дается для присваивания, вызывается конструктор. Например, класс complex можно было бы описать так:

class complex (* double re, im; public: complex(double r, double i = 0) (* re=r; im=i; *)

friend complex operator+(complex, complex); friend complex operator*(complex, complex); *);

и действия, в которые будут входить переменные complex и целые константы, стали бы допустимы. Целая константа будет интерпретироваться как complex с нулевой мнимой частью. Наример, a=b*2 означает:

a=operator*( b, complex( double(2), double(0) ) )

Определенное пользователем преобразование типа применется неявно только тогда, когда оно является единственным.

Объект, сконструированный с помощью явного или неявного вызова конструктора, является автоматическим и будет уничтжен при первой возможности, обычно сразу же после оператора, в котором он был создан.

6.3.2 Операции Преобразования

Использование конструктора для задания преобразования типа является удобным, но имеет следствия, которые могут окзаться нежелательными:

1. Не может быть неявного преобразования из определеного пользователем типа в основной тип (поскольку осноные типы не являются классами)

2. Невозможно задать преобразование из нового типа в старый, не изменяя описание старого

3. Невозможно иметь конструктор с одним параметром, не имея при этом преобразования.

Последнее не является серьезной проблемой, а с первыми двумя можно справиться, определив для исходного типа операцию преобразования. Функция член X::operator T(), где T – имя тпа, определяет преобразование из X в T. Например, можно опрделить тип tiny (крошечный), который может иметь значение только в диапазоне 0...63, но все равно может свободно сочтаться в целыми в арифметических операциях:

class tiny (* char v; int assign(int i) (*return v=(i amp;~63) ? (error(«ошибка диапазона»),0):i;*) public: tiny(int i) (* assign(i); *) tiny(tiny amp; i) (* v = t.v; *) int operator=(tiny amp; i) (* return v = t.v; *) int operator=(int i) (* return assign(i); *) operator int() (* return v; *) *)

Диапазон значения проверяется всегда, когда tiny иницилизируется int, и всегда, когда ему присваивается int. Одно tiny может присваиваться другому без проверки диапазона. Чтбы разрешить выполнять над переменными tiny обычные целые операции, определяется tiny::operator int(), неявное преобрзование из tiny в int. Всегда, когда в том месте, где требется int, появляется tiny, используется соответствующее ему int. Например:

void main() (* tiny c1 = 2; tiny c2 = 62; tiny c3 = c2 – c1; // c3 = 60 tiny c4 = c3; // нет проверки диапазона (необязательна) int i = c1 + c2; // i = 64 c1 = c2 + 2 * c1; // ошибка диапазона: c1 = 0 (а не 66) c2 = c1 -i; // ошибка диапазона: c2 = 0 c3 = c2; // нет проверки диапазона (необязательна) *)

Тип вектор из tiny может оказаться более полезным, покольку он экономит пространство. Чтобы сделать этот тип более удобным в обращении, можно использовать операцию индексировния.

Другое применение определяемых операций преобразования – это типы, которые предоставляют нестандартные представления чисел (арифметика по основанию 100, арифметика, арифметика с фиксированной точкой, двоично-десятичное представление и т.п.). При этом обычно переопределяются такие операции, как + и *.