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.

---

Есть еще два случая, когда объект копируется: как парметр функции и как возвращаемое значение. Когда передается параметр, инициализируется неинициализированная до этого пременная – формальный параметр. Семантика идентична семантике инициализации. То же самое происходит при возврате из фунции, хотя это менее очевидно. В обоих случаях будет применен X(X amp;), если он определен:

string g(string arg) (* return arg; *)

main() (* string s = «asdf»; s = g(s);

*) Ясно, что после вызова g() значение s обязано быть «asdf». Копирование значения s в параметр arg сложности не представляет: для этого надо взывать string(string amp;). Для взятия копии этого значения из g() требуется еще один вызов string(string amp;); на этот раз инициализируемой является врменная переменная, которая затем присваивается s. Такие перменные, естественно, уничтожаются как положено с помощью string::~string() при первой возможности.

6.7 Индексирование

Чтобы задать смысл индексов для объектов класса, исползуется функция operator[]. Второй параметр (индекс) функции operator[] может быть любого типа. Это позволяет определять ассоциативные массивы и т.п. В качестве примера давайте перпишем пример из #2.3.10, где при написании небольшой програмы для подсчета числа вхождений слов в файле применялся ассциативный массив. Там использовалась функция. Здесь определяется надлежащий тип ассоциативного массива:

struct pair (* char* name; int val; *);

class assoc (* pair* vec; int max; int free; public: assoc(int); int amp; operator[](char*); void print_all(); *);

В assoc хранится вектор пар pair длины max. Индекс певого неиспользованного элемента вектора находится в free. Конструктор выглядит так:

assoc::assoc(int s) (* max = (s«16) ? s : 16; free = 0; vec = new pair[max]; *)

При реализации применяется все тот же простой и неэффетивный метод поиска, что использовался в #2.3.10. Однако при переполнении assoc увеличивается:

#include «string.h»

int assoc::operator[](char* p) /* работа с множеством пар «pair»: поиск p, возврат ссылки на целую часть его «pair» делает новую «pair», если p не встречалось */ (* register pair* pp;

for (pp= amp;vec[free-1]; vec«=pp; pp–) if (strcmp(p,pp-»name)==0) return pp-»val;

if (free==max) (* // переполнение: вектор увеличивается

pair* nvec = new pair[max*2]; for ( int i=0; i«max; i++) nvec[i] = vec[i]; delete vec; vec = nvec; max = 2*max; *)

pp = amp;vec[free++]; pp-»name = new char[strlen(p)+1]; strcpy(pp-»name,p); pp-»val = 0; // начальное значение: 0 return pp-»val; *)

Поскольку представление assoc скрыто, нам нужен способ его печати. В следующем разделе будет показано, как опредлить подходящий итератор, а здесь мы используем простую фунцию печати:

vouid assoc::print_all() (* for (int i = 0; i«free; i++) cout „« vec[i].name «« ": " «« vec[i].val «« «\n“; *)

Мы можем, наконец, написать простую главную программу:

main() // считает вхождения каждого слова во вводе (* const MAX = 256; // больше самого большого слова char buf[MAX]; assoc vec(512); while (cin»»buf) vec[buf]++; vec.print_all(); *)

6.8 Вызов Функции

Вызов функции, то есть запись выражение(список_выражний), можно проинтерпретировать как бинарную операцию, и операцию вызова можно перегружать так же, как и другие оперции. Список параметров функции operator() вычисляется и прверяется в соответствие с обычными правилами передачи парметров. Перегружающая функция может оказаться полезной главным образом для определения типов с единственной операцей и для типов, у которых одна операция настолько преобладет, что другие в большинстве ситуаций можно не принимать во внимание.

Для типа ассоциативного массива assoc мы не определили итератор. Это можно сделать, определив класс assoc_iterator, работа которого состоит в том, чтобы в определенном порядке поставлять элементы из assoc. Итератору нужен доступ к даным, которые хранятся в assoc, поэтому он сделан другом:

class assoc (* friend class assoc_iterator; pair* vec; int max; int free; public: assoc(int); int amp; operator[](char*); *);

Итератор определяется как

class assoc_iterator(* assoc* cs; // текущий массив assoc int i; // текущий индекс public: assoc_iterator(assoc amp; s) (* cs = amp;s; i = 0; *) pair* operator()() (* return (i«cs-»free)? amp;cs-»vec[i++] : 0; *) *);

Надо инициализировать assoc_iterator для массива assoc, после чего он будет возвращать указатель на новую pair из этого массива всякий раз, когда его будут активизировать опрацией (). По достижении конца массива он возвращает 0:

main() // считает вхождения каждого слова во вводе (* const MAX = 256; // больше самого большого слова char buf[MAX]; assoc vec(512); while (cin»»buf) vec[buf]++; assoc_iterator next(vec); pair* p; while ( p = next() ) cout «„ p-“name „„ ": " «« p-“val «« «\n“; *)

0 Итераторный тип вроде этого имеет преимущество перед нбором функций, которые выполняют ту же работу: у него есть собственные закрытые данные для хранения хода итерации. К тму же обычно существенно, чтобы одновременно могли работать много итераторов этого типа.

Конечно, такое применение объектов для представления итераторов никак особенно с перегрузкой операций не связано. Многие любят использовать итераторы с такими операциями, как first(), next() и last() (первый, следующий и последний).

6.9 Класс String

Вот довольно реалистичный пример класса строк string. В нем производится учет ссылок на строку с целью минимизировать копирование и в качестве констант применяются стандартные символьные строки С++.

#include «stream.h» #include «string.h»

class string (* struct srep (* char* s; // указатель на данные int n; // счетчик ссылок *); srep *p;

public: string(char *); // string x = «abc» string(); // string x; string(string amp;); // string x = string ... string amp; operator=(char *); string amp; operator=(string amp;); ~string(); char amp; operator[](int i);

friend ostream amp; operator«„(ostream amp;, string amp;); friend istream amp; operator“»(istream amp;, string amp;);

friend int operator==(string amp; x, char* s) (*return strcmp(x.p-»s, s) == 0; *)

friend int operator==(string amp; x, string amp; y) (*return strcmp(x.p-»s, y.p-»s) == 0; *)

friend int operator!=(string amp; x, char* s) (*return strcmp(x.p-»s, s) != 0; *)

friend int operator!=(string amp; x, string amp; y) (*return strcmp(x.p-»s, y.p-»s) != 0; *)

*);

Конструкторы и деструкторы просты (как обычно):

string::string() (* p = new srep; p-»s = 0; p-»n = 1; *)

string::string(char* s) (* p = new srep; p-»s = new char[ strlen(s)+1 ]; strcpy(p-»s, s); p-»n = 1; *)

string::string(string amp; x) (* x.p-»n++; p = x.p; *)

string::~string() (* if (–p-»n == 0) (* delete p-»s; delete p; *) *)

Как обычно, операции присваивания очень похожи на контрукторы. Они должны обрабатывать очистку своего первого (лвого) операнда:

string amp; string::operator=(char* s) (* if (p-»n » 1) (* // разъединить себя p-»n–; p = new srep; *) else if (p-»n == 1) delete p-»s;

p-»s = new char[ strlen(s)+1 ]; strcpy(p-»s, s); p-»n = 1; return *this; *)

Благоразумно обеспечить, чтобы присваивание объекта смому себе работало правильно:

string amp; string::operator=(string amp; x) (* x.p-»n++; if (–p-»n == 0) (* delete p-»s; delete p; *) p = x.p; return *this; *)

Операция вывода задумана так, чтобы продемонстрировать применение учета ссылок. Она повторяет каждую вводимую строку (с помощью операции ««, которая определяется позднее):

ostream amp; operator«„(ostream amp; s, string amp; x) (* return s „„ x.p-“s „« « [“ «« x.p-“n «« «]\n“; *)

Операция ввода использует стандартную функцию ввода сивольной строки (#8.4.1).

istream amp; operator»»(istream amp; s, string amp; x) (* char buf[256]; s »» buf; x = buf; cout «„ "echo: " «« x «« «\n“; return s; *)

Для доступа к отдельным символам предоставлена операция индексирования. Осуществляется проверка индекса:

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

char amp; string::operator[](int i) (* if (i«0 !! strlen(p-»s)«i) error(„индекс за границами“); return p-»s[i]; *)

Головная программа просто немного опробует действия над строками. Она читает слова со ввода в строки, а потом эти строки печатает. Она продолжает это делать до тех пор, пока не распознает строку done, которая завершает сохранение слов в строках, или пока не встретит конец файла. После этого она печатает строки в обратном порядке и завершается.

main() (* string x[100]; int n;

cout «„ „отсюда начнем\n“; for (n = 0; cin“»x[n]; n++) (* string y; if (n==100) error(«слишком много строк»); cout «„ (y = x[n]); if (y=="done") break; *) cout «« «отсюда мы пройдем обратно\n“;

for (int i=n-1; 0«=i; i–) cout «« x[i]; *)

6.10 Друзья и Члены

Теперь, наконец, можно обсудить, в каких случаях для доступа к закрытой части определяемого пользователем типа ипользовать члены, а в каких – друзей. Некоторые операции должны быть членами: конструкторы, деструкторы и виртуальные функции (см. следующую главу), но обычно это зависит от выбра.

Рассмотрим простой класс X:

class X (* // ... X(int); int m(); friend int f(X amp;); *);

Внешне не видно никаких причин делать f(X amp;) другом дполнительно к члену X::m() (или наоборот), чтобы реализовать действия над классом X. Однако член X::m() можно вызывать только для «настоящего объекта», в то время как друг f() мжет вызываться для объекта, созданного с помощью неявного преобразования типа. Например:

void g() (* 1.m(); // ошибка f(1); // f(x(1)); *)

Поэтому операция, изменяющая состояние объекта, должна быть членом, а не другом. Для определяемых пользователем тпов операции, требующие в случае фундаментальных типов опранд lvalue (=, *=, ++, *= и т.д.), наиболее естественно оределяются как члены.

И наоборот, если нужно иметь неявное преобразование для всех операндов операции, то реализующая ее функция должна быть другом, а не членом. Это часто имеет место для функций, которые реализуют операции, не требующие при применении к фундаментальным типам lvalue в качестве операндов (+, -, !! и т.д.).

Если никакие преобразования типа не определены, то окзывается, что нет никаких существенных оснований в пользу члена, если есть друг, который получает ссылочный параметр, и наоборот. В некоторых случаях программист может предпочитать один синтаксис вызова другому. Например, оказывается, что большинство предпочитает для обращения матрицы m запись m.inv (). Конечно, если inv() действительно обращает матрицу m, а не просто возвращает новую матрицу, обратную m, ей следует быть членом.