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.

---

При прочих равных условиях выбирайте, чтобы функция была членом: никто не знает, вдруг когда-нибудь кто-то определит операцию преобразования. Невозможно предсказать, потребуют ли будущие изменения изменять состояние объекта. Синтаксис вызва функции члена ясно указывает пользователю, что объект моно изменить; ссылочный параметр является далеко не столь очвидным. Кроме того, выражения в члене могут быть заметно короче выражений в друге. В функции друге надо использовать явный параметр, тогда как в члене можно использовать неявный this. Если только не применяется перегрузка, имена членов

обычно короче имен друзей.

6.11 Предостережение

Как и большую часть возможностей в языках программировния, перегрузку операций можно использовать как правильно, так и неправильно. В частности, можно так воспользоваться возможностью определять новые значения старых операций, что они станут почти совсем непостижимы. Представьте, например, с какими сложностями столкнется человек, читающий программу, в которой операция + была переопределена для обозначения вычтания.

Изложенный аппарат должен уберечь программиста/читателя от худших крайностей применения перегрузки, потому что прораммист предохранен от изменения значения операций для осноных типов данных вроде int, а также потому, что синтаксис вражений и приоритеты операций сохраняются.

Может быть, разумно применять перегрузку операций главным образом так, чтобы подражать общепринятому применению операций. В тех случаях, когда нет общепринятой операции или имеющееся в С++ множество операций не подходит для имитации общепринятого применения, можно использовать запись вызова функции.

6.12 Упражнения

1. (*2) Определите итератор для класса string. Определите операцию конкатенации + и операцию «добавить в конец» +=. Какие еще операции над string вы хотели бы иметь возможность осуществлять?

2. (*1.5) Задайте с помощью перегрузки () операцию выделния подстроки для класса строк.

3. (*3) Постройте класс string так, чтобы операция выделния подстроки могла использоваться в левой части присвивания. Напишите сначала версию, в которой строка может присваиваться подстроке той же длины, а потом версию, где эти длины могут быть разными.

4. (*2) Постройте класс string так, чтобы для присваивания, передачи параметров и т.п. он имел семантику по значнию, то есть, когда копируется строковое представление, а не просто управляющая структура данных класса sring.

5. (*3) Модифицируйте класс string из предыдущего примера таким образом, чтобы строка копировалась только когда это необходимо. То есть, храните совместно используемое представление двух строк, пока одна из этих строк не бдет изменена. Не пытайтесь одновременно с этим иметь операцию выделения подстроки, которая может использваться в левой части.

6. (*4) Разработайте класс string с семантикой по значению, копированием с задержкой и операцией подстроки, которая может стоять в левой части.

7. (*2) Какие преобразования используются в каждом выражнии следующей программы:

struct X (* int i; X(int); operator+(int); *);

struct Y (* int i; Y(X); operator+(X); operator int(); *);

X operator* (X,Y); int f(X);

X x = 1; Y y = x; int i = 2;

main() (* i + 10; y + 10; y + 10 * y; x + y + i; x * x + i; f(7); f(y); y + y; 106 + y; *)

Определите X и Y так, чтобы они оба были целыми типами. Измените программу так, чтобы она работала и печатала значения всех допустимых выражений.

8. (*2) Определите класс INT, который ведет себя в точности как int. Подсказка: определите INT::operator int().

9. (*1) Определите класс RINT, который ведет себя в точноти как int за исключением того, что единственные возмоные операции – это + (унарный и бинарный), – (унарный и бинарный), *, /, %. Подсказка: не определяйте INT::operator int().

10. (*3) Определите класс LINT, ведущий себя как RINT, за исключением того, что имеет точность не менее 64 бит.

11. (*4) Определите класс, который реализует арифметику с произвольной точностью. Подсказка: вам надо управлять памятью аналогично тому, как это делалось для класса string.

12. (*2) Напишите программу, доведенную до нечитаемого сотояния с помощью макросов и перегрузки операций. Вот идея: определите для INT + так, чтобы он означал -, и наоборот, а потом с помощью макроопределения определите int как INT. Переопределение часто употребляемых фунций, использование параметров ссылочного типа и несколко вводящих в заблуждение комментариев помогут устроить полную неразбериху.

13. (*3) Поменяйтесь со своим другом программами, которые у вас получились в предыдущем упражнении. Не запуская ее попытайтесь понять, что делает программа вашего друга. После выполнения этого упражнения вы будете знать, чего следует избегать.

14. (*2) Перепишите примеры с comlpex (#6.3.1), tiny (#6.3.2) и string (#6.9) не используя friend функций. Используйте только функции члены. Протестируйте каждую из новых версий. Сравните их с версиями, в которых используются функции друзья. Еще раз посмотрите Упражнение 5.3.

15. (*2) Определите тип vec4 как вектор их четырех float. Определите operator[] для vec4. Определите операции +, -, *, /, =, +=, -=, *=, /= для сочетаний векторов и чсел с плавающей точкой.

16. (*3) Определите класс mat4 как вектор из четырех vec4. Определите для mat4 operator[], возвращающий vec4. Опрделите для этого типа обычные операции над матрицами. Определите функцию, выполняющие для mat4 исключение Гусса.

17. (*2) Определите класс vector, аналогичный vec4, но с длиной, которая задается как параметр конструктора vector::vector(int).

18. (*3) Определите класс matrix, аналогичный mat4, но с размерностью, задаваемой параметрами конструктора matrix::matrix(int,int).

Глава 7 Производные Классы

Не надо размножать объекты без необходимости

У. Оккам

В этой главе описывается понятие производного класса в С ++. Производные классы дают простой, гибкий и эффективный апарат задания для класса альтернативного интерфейса и опредления класса посредством добавления возможностей к уже имещемуся классу без перепрограммирования или перекомпиляции. С помощью производных классов можно также обеспечить общий итерфейс для нескольких различных классов так, чтобы другие части программы могли работать с объектами этих классов однаковым образом. При этом обычно в каждый объект помещается информация о типе, чтобы эти объекты могли обрабатываться сответствующим образом в ситуациях, когда их тип нельзя узнать во время компиляции. Для элегантной и надежной обработки тких динамических зависимостей типов имеется понятие виртуалной функции. По своей сути производные классы существуют для того, чтобы облегчить программисту формулировку общности.

7.1 Введение

Представим себе процесс написания некоторого универсалного средства (например, тип связанный список, таблица имен или планировщик для системы моделирования), которое преднаначается для использования многими разными людьми в различных обстоятельствах. Очевидно, что в кандидатах на роль таких средств недостатка нет, и выгоды от их стандартизации огроны. Кажется, любой опытный программист написал (и отладил) дюжину вариантов типов множества, таблицы имен, сортирующей функции и т.п., но оказывается, что каждый программист и кадая программа используют свою версию этих понятий, из-за чего программы слишком трудно читать, тяжело отлаживать и сложно модифицировать. Более того, в большой программе вполне может быть несколько копий идентичных (почти) частей кода для рабты с такими фундаментальными понятиями.

Причина этого хаоса частично состоит в том, что предствить такие общие понятия в языке программирования сложно с концептуальной точки зрения, а частично в том, что средства, обладающие достаточной общностью, налагают дополнительные расходы по памяти и/или по времени, что делает их неудобными для самых простых и наиболее напряженно используемых средств (связанные списки, вектора и т.п.), где они были бы наиболее полезны. Понятие производного класса в С++, описываемое в #7.2, не обеспечивают общего решения всех этих проблем, но оно дает способ справляться с довольно небольшим числом ваных случаев. Будет, например, показано, как определить эффетивный класс обобщенного связанного списка таким образом, чтобы все его версии разделяли код.

Написание общецелевых средств – задача непростая, и чато основной акцент в их разработке другой, чем при разработке программ специального назначения. Конечно, нет четкой границы между средствами общего и специального назначения, и к метдам и языковым средствам, которые описываются в этой главе, можно относиться так, что они становятся все более полезны с ростом объема и сложности создаваемых программ.

7.2 Производные Классы

Чтобы разделить задачи понимания аппарата языка и метдов его применения, знакомство с понятием производных классов делается в три этапа. Вначале с помощью небольших примеров, которые не надо воспринимать как реалистичные, будут описаны

сами средства языка (запись и семантика). После этого демонтрируются некоторые неочевидные применения производных класов, и, наконец, приводится законченная программа.