Текст книги "C++"

Автор книги: Мюррей Хилл

Соавторы: Бьярн Страустрап
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

Предисловие

Язык формирует наш способ мышления и определяет, о чем мы можем мыслить.

Б.Л. Ворф

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.

Благодарности

С++ никогда бы не созрел без постоянного использования, предложений и конструктивной критики со стороны многих друзей и коллег. Том Карджилл, Джим Коплин, Сту Фельдман, Сэнди Фрзер, Стив Джонсон, Брайэн Керниган, Барт Локанти, Дуг МакИрой, Дэннис Риччи, Лэрри Рослер, Джерри Шварц и Джон Шопиро подали важные для развития языка идеи. Дэйв Пресотто написал текущую реализацию библиотеки потоков ввода/вывода.

Кроме того, в развитие С++ внесли свой вклад сотни людей, которые присылали мне предложения по усовершенствованию, описания трудностей, с которыми они сталкивались, и ошибки компилятора. Здесь я могу упомянуть лишь немногих из них: Гэри Бишоп, Эндрю Хьюм, Том Карцес, Виктор Миленкович, Роб Мюррэй, Леони Росс, Брайэн Шмальт и Гарри Уокер

В издании этой книги мне помогли многие люди, в частности, Джон Бентли, Лаура Ивс, Брайэн Керниган, Тэд Ковальски, Стив Махани, Джон Шопиро и участники семинара по С++, который проводился в Bell Labs, Колумбия, Огайо, 26-27 июня 1985 года.

Мюррэй Хилл, Нью Джерси Бьярн Страустрап

Заметки для читателя

«О многом,» – молвил Морж, – «Пришла пора поговорить.»

Л. Кэррол

В этой главе содержится обзор книги, список библиографических ссылок и некоторые замечания по С++ вспомогательного характера. Замечания касаются истории С++, идей, оказавших влияние на разработку С++, и мыслей по поводу программирования на С++. Эта глава не является введением: замечания не обязательны для понимания последующих глав, и некоторые из них предполагают знание С++.

Структура этой книги

Глава 1 – это короткое турне по основным особенностям С+ +, предназначенное для того, чтобы дать читателю почувствовать язык. Программисты на C первую половину главы могут прочитать очень быстро, она охватывает главным образом черты, общие для C и С++. Во второй главе описаны средства определения новых типов в С++, начинающие могут отложить более подробное изучение этого до того, как прочтут Главы 2, 3 и 4.

В Главах 2, 3 и 4 описываются средства С++, не входящие в определение новых типов: основные типы, выражения и структуры управления в С++ программах. Другими словами, в них описывается подмножество С++, которое по существу является языком C. Рассмотрение в них проводится гораздо подробнее, но полную информацию можно найти только в справочном руководстве.

В Главах 5, 6 и 7 описываются средства С++ по описанию новых типов, особенности языка, не имеющие эквивалента в C. В Главе 5 приводится понятие базового класса, и показывается, как можно инициализировать объекты типа, определяемого пользователем, обращаться к ним и, наконец, убирать их. В Главе 6 объясняется, как для определяемого пользователем типа определять унарные и бинарные операции, как задавать преобразования между типами, определяемыми пользователем, и как как задавать то, каким образом должно обрабатываться каждое создание, уничтожение и копирование значения определяемого пользователем типа. Глава 7 описывает концепцию производных классов, которая позволяет программисту строить более сложные классы из более простых, обеспечивать альтернативные интерфейсы класса и работать с объектами эффективно и с гарантией типа в тех ситуациях, когда типы объектов не могут быть известны на стадии компиляции.

В Главе 8 представлены классы ostream и istream, предоставляемые стандартной библиотекой для осуществления ввода-ввода. Эта глава имеет двоякую цель: в ней представлены полезные средства, что одновременно является реальным примером использования С++.

И, наконец, в книгу включено справочное руководство по С++.

Ссылки на различные части этой книги даются в форме #2.3.4 (Глава 2 подраздел 3.4). Глава с – это справочное руководство например #с.8.5.5.

Замечания по реализации

Во время написания этой книги все реализации С++ использовали версии единственного интерфейсного компилятора*. Он используется на многих архитектурах, включая действующие версии системы операционной системы UNIX на AT amp;T 3B, DEC VAX, IBM 370 и Motorolla 68000. Фрагменты программ, которые приводятся в этой книге, взяты непосредственно из исходных файлов, которые компилировались на 3B в UNIX System V версии 2 [15], VAX11/750 под 8-ой Редакцией UNIX [16] и CCI Power 6/32 под BSD4.2 UNIX [17]. Язык, описанный в этой книге, – это «чистый С++», но имеющиеся на текущий момент компиляторы реализуют большое число «анахронизмов» (описанных в #с.15.3), которые должны способствовать переходу от C к С++.

– * С++ можно купить в AT amp;T, Software Sales and Marketing, PO Box 25000, Greensboro, NC 27420, USA (телефон 800-828-UNIX) или в ваших местных организациях, осуществляющих продажу Системы UNIX. (прим. автора)

Упражнения

Упражнения находятся в конце глав. Все упражнения главным образом типа напишите-программу. Для решения всегда пишите такую программу, которая будет компилироваться и работать по меньшей мере на нескольких тестовых случаях. Упражнения различаются в основном по сложности, поэтому они помечены оценкой степени сложности. Шкала экспоненциальная, так что если на упражнение (*1) вам потребовалось пять минут, то на упражнение (*2) вам может потребоваться час, а на (*3) – день. Время, которое требуется на то, чтобы написать и оттестировать программу, зависит больше от опыта читателя, нежели от самого упражнения. Упражнение (*1) может отнять день, если для того, чтобы запустить ее, читателю сначала придется знакомиться с новой вычислительной системой. С другой стороны, тот, у кого под рукой окажется нужный набор программ, может сделать упражнение (*5) за час. В качестве источника упражнений к Главам 2-4 можно использовать любую книгу по C. У Ахо и др. [1] приведено большое количество общих структур данных и алгоритмов в терминах абстрактных типов данных. Эту книгу также может служить источником упражнений к Главам 5-7. Однако языку, который в этой книге использовался, недостает как функций членов, так и производных классов. Поэтому определяемые пользователем типы часто можно выражать в С++ более элегантно.

Замечания по проекту языка

Существенным критерием при разработке языка была простота. Там, где возникал выбор между упрощением руководства по языку и другой документации и упрощением компилятора, выбиралось первое. Огромное значение также предавалось совместимости с C, это помешало удалить синтаксис C.

В С++ нет типов данных высокого уровня и нет первичных операций высокого уровня. В нем нет, например, матричного типа с операцией обращения или типа строка с операцией конкатенации. Если пользователю понадобятся подобные типы, их можно определить в самом языке. По сути дела, основное, чем занимается программирование на С++ – это определение универсальных и специально-прикладных типов. Хорошо разработанный тип, определяемый пользователем, отличается от встроенного типа только способом определения, но не способом использования.

Исключались те черты, которые могли бы повлечь дополнительные расходы памяти или времени выполнения. Например, мыли о том, чтобы сделать необходимым хранение в каждом объекте «хозяйственной» информации, были отвергнуты. Если пользователь описывает структуру, состоящую из двух 16-битовых величин, то структура поместится в 32-битовый регистр.

С++ проектировался для использования в довольно традиционной среде компиляции и выполнения, среде программирования на C в системе UNIX. Средства обработки особых ситуаций и параллельного программирования, требующие нетривиальной загрузки и поддержки в процессе выполнения, не были включены в С++. Вследствие этого реализация С++ очень легко переносима. Однако есть полные основания использовать С++ в среде, где имеется гораздо более существенная поддержка. Такие средства, как динамическая загрузка, пошаговая трансляция и база данных определений типов могут с пользой применяться без воздействия на язык.

Типы и средства сокрытия данных в С++ опираются на проводимый во время компиляции анализ программ с целью предотвращения случайного искажения данных. Они не обеспечивают секретности или защиты от умышленного нарушения правил. Однако эти средства можно использовать без ограничений, что не приводит к дополнительным расходам времени на выполнение или пространства памяти.

Исторические замечания

Безусловно, С++ восходит главным образом к C [7]. C сохранен как подмножество, поэтому сделанного в C акцента на средствах низкого уровня достаточно, чтобы справляться с самыми насущными задачами системного программирования. C, в свою очередь, многим обязан своему предшественнику BCPL [9]. На самом деле, комментарии // (заново) введены в С++ из BCPL. Если вы знаете BCPL, то вы заметите, что в С++ по-прежнему нет VALOF блока. Еще одним источником вдохновения послужил язык Simula67 [2,3], из него была позаимствована концепция класса (вместе с производными классами и функциями членами). Это было сделано, чтобы способствовать модульности через использование виртуальных функций. Возможности С++ по перегрузке операций и свобода в расположении описаний везде, где может встречаться оператор, похожи на Алгол68 [14].

Название С++ – изобретение совсем недавнее (лета 1983-его). Более ранние версии языка использовались начиная с 1980-ого и были известны как «C с Классами». Первоначально язык был придуман потому, что автор хотел написать событийно управляемые модели для чего был бы идеален Simula67, если не принимать во внимание эффективность. «C с Классами» использовался для крупных проектов моделирования, в которых строго тестировались возможности написания программ, требующих (только) минимального пространства памяти и времени на выполнение. В «C с Классами» не хватало перегрузки операций, ссылок, виртуальных функций и многих деталей. С++ был впервые введен за пределами исследовательской группы автора в июле 1983го. Однако тогда многие особенности С++ были еще не придуманы.

Название С++ выдумал Рик Масситти. Название указывает на эволюционную природу перехода к нему от C. «++» – это операция приращения в C. Чуть более короткое имя C+ является синтаксической ошибкой, кроме того, оно уже было использовано как имя совсем другого языка. Знатоки семантики C находят, что С++ хуже, чем ++C. Названия D язык не получил, поскольку он является расширением C и в нем не делается попыток исцелиться от проблем путем выбрасывания различных особенностей. Еще одну интерпретацию названия С++ можно найти в приложении к Оруэллу [8].

Изначально С++ был разработан, чтобы автору и его друзьям не приходилось программировать на ассемблере, C или других современных языках высокого уровня. Основным его предназначением было сделать написание хороших программ более простым и приятным для отдельного программиста. Плана разработки С++ на бумаге никогда не было. Проект, документация и реализация двигались одновременно. Разумеется, внешний интерфейс С++ был написан на С++. Никогда не существовало «Проекта С++» и «Комитета по разработке С++». Поэтому С++ развивался и продолжает развиваться во всех направлениях, чтобы справляться со сложностями, с которыми сталкиваются пользователи, а также в процессе дискуссий автора с его друзьями и коллегами.

В качестве базового языка для С++ был выбран C, потому что он

1. многоцелевой, лаконичный и относительно низкого уровня,

2. отвечает большинству задач системного программирования,

3. идет везде и на всем и

4. пригоден в среде программирования UNIX.

В C есть свои сложности, но в наспех спроектированном языке тоже были бы свои, а сложности C нам известны. Самое главное, работа с C позволила «C с Классами» быть полезным (правда, неудобным) инструментом в ходе первых месяцев раздумий о добавлении к C Simula-подобных классов.

С++ стал использоваться шире, и по мере того, как возможности, предоставляемые им помимо возможностей C, становились все более существенными, вновь и вновь поднимался вопрос о том, сохранять ли совместимость с C. Ясно, что отказавшись от определенной части наследия C можно было бы избежать ряда проблем (см., например, Сэти [12]). Это не было сделано, потому что

1. есть миллионы строк на C, которые могли бы принести пользу в С++ при условии, что их не нужно было бы полностью переписывать с C на С++,

2. есть сотни тысяч строк библиотечных функций и сервисных программ, написанных на C, которые можно было бы использовать из или на С++ при условии, что С++ полностью совместим с C по загрузке и синтаксически очень похож на C,

3. есть десятки тысяч программистов, которые знают C, и которым, поэтому, нужно только научиться использовать новые особенности С++, а не заново изучать его основы и

4. поскольку С++ и C будут использоваться на одних и тех же системах одними и теми же людьми, отличия должны быть либо очень большими, либо очень маленькими, чтобы свести к минимуму ошибки и недоразумения.

Позднее была проведена проверка определения С++, чтобы удостовериться в том, что любая конструкция, допустимая и в C и в С++, действительно означает в обоих языках одно и то же.

Язык C сам эволюционировал за последние несколько лет, частично под влиянием развития С++ (см. Ростлер [11]). Предварительный грубый ANSI стандарт C [10] содержит синтаксис описаний функций, заимствованный из «C с Классами». Заимствование идей идет в обе стороны. Например, указатель void* был придуман для ANSI C и впервые реализован в С++. Когда ANSI стандарт разовьется несколько дальше, придет время пересмотреть С++, чтобы удалить необоснованную несовместимость. Будет, например, модернизирован препроцессор (#с.11), и нужно будет, вероятно, отрегулировать правила выполнения плавающей арифметики. Это не должно оказаться болезненным, и C и ANSI C очень близки к тому, чтобы стать подмножествами С++ (см. #с.11).

Эффективность и структура

С++ был развит из языка программирования C и за очень немногими исключениями сохраняет C как подмножество. Базовый язык, C подмножество С++, спроектирован так, что имеется очень близкое соответствие между его типами, операциями и операторами и компьютерными объектами, с которыми непосредственно приходится иметь дело: числами, символами и адресами. За исключением операций свободной памяти new и delete, отдельные выражения и операторы С++ обычно не нуждаются в скрытой поддержке во время выполнения или подпрограммах.

В С++ используются те же последовательности вызова и возврата из функций, что и в C. В тех случаях, когда даже этот довольно эффективный механизм является слишком дорогим, С++ функция может быть подставлена inline, удовлетворяя, таким образом, соглашению о записи функций без дополнительных расходов времени выполнения.

Одним из первоначальных предназначений C было применение его вместо программирования на ассемблере в самых насущных задачах системного программирования. Когда проектировался С++, были приняты меры, чтобы не ставить под угрозу успехи в этой области. Различие между C и С++ состоит в первую очередь в степени внимания, уделяемого типам и структурам. C выразителен и снисходителен. С++ еще более выразителен, но чтобы достичь этой выразительности, программист должен уделить больше внимания типам объектов. Когда известны типы объектов, компилятор может правильно обрабатывать выражения, тогда как в противном случае программисту пришлось бы задавать действия с мучительными подробностями. Знание типов объектов также позволяет компилятору обнаруживать ошибки, которые в противном случае остались бы до тестирования. Заметьте, что использование системы типов для того, чтобы получить проверку параметров функций, защитить данные от случайного искажения, задать новые операции и т.д., само по себе не увеличивает расходов по времени выполнения и памяти.

Особое внимание, уделенное при разработке С++ структуре, отразилось на возрастании масштаба программ, написанных со времени разработки C. Маленькую программу (меньше 1000 строк) вы можете заставить работать с помощью грубой силы, даже нарушая все правила хорошего стиля. Для программ больших размеров это не совсем так. Если программа в 10 000 строк имеет плохую структуру, то вы обнаружите, что новые ошибки появляются так же быстро, как удаляются старые. С++ был разработан так, чтобы дать возможность разумным образом структурировать большие программы таким образом, чтобы для одного человека не было непомерным справляться с программами в 25 000 строк. Существуют программы гораздо больших размеров, однако те, которые работают, в целом, как оказывается, состоят из большого числа почти независимых частей, размер каждой из которых намного ниже указанных пределов. Естественно, сложность написания и поддержки программы зависит от сложности разработки, а не просто от числа строк текста программы, так что точные цифры, с помощью которых были выражены предыдущие соображения, не следует воспринимать слишком серьезно.

Не каждая часть программы, однако, может быть хорошо структурирована, независима от аппаратного обеспечения, легко читаема и т.п. С++ обладает возможностями, предназначенными для того, чтобы непосредственно и эффективно работать с аппаратными средствами, не заботясь о безопасности или простоте понимания. Он также имеет возможности, позволяющие скрывать такие программы за элегантными и надежными интерфейсами.

В этой книге особый акцент делается на методах создания универсальных средств, полезных типов, библиотек и т.д. Эти средства пригодятся как тем программистам, которые пишут небольшие программы, так и тем, которые пишут большие. Кроме того, поскольку все нетривиальные программы состоят из большого числа полунезависимых частей, методы написания таких частей пригодятся и системным, и прикладным программистам.

У кого-то может появиться подозрение, что спецификация программы с помощью более подробной системы типов приведет к увеличению исходных текстов программы. В С++ это не так. С++ программа, описывающая типы параметров функций, использующая классы и т.д., обычно немного короче эквивалентной C программы, в которой эти средства не используются.