Текст книги "C++"

Автор книги: Мюррей Хилл

Соавторы: Бьярн Страустрап
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

1.3.1 Основные типы

Основные типы, наиболее непосредственно отвечающие средствам аппаратного обеспечения, такие:

char short int long float double

Первые четыре типа используются для представления целых, последние два – для представления чисел с плавающей точкой. Переменная типа char имеет размер, естественный для хранения символа на данной машине (обычно, байт), а переменная типа int имеет размер, соответствующий целой арифметике на данной машине (обычно, слово). Диапазон целых чисел, которые могут быть представлены типом, зависит от его размера (sizeof). В С ++ размеры измеряются в единицах размера данных типа char, поэтому char по определению имеет размер единица. Соотношение между основными типами можно записать так:

1=sizeof(char)«=sizeof(short) «= sizeof(int) «= sizeof(long) sizeof(float) «= sizeof(double)

В целом, предполагать что-либо еще относительно основных типов неразумно. В частности, то, что целое достаточно для хранения указателя, верно не для всех машин.

К основному типу можно применять прилагательное const. Это дает тип, имеющий те же свойства, что и исходный тип, за исключением того, что значение переменных типа const не может изменяться после инициализации.

const float pi = 3.14; const char plus = '+';

Символ, заключенный в одинарные кавычки, является символьной константой. Заметьте, что часто константа, определенная таким образом, не занимает память. Просто там, где требуется, ее значение может использоваться непосредственно. Константа должна инициализироваться при описании. Для переменных инициализация необязательна, но настоятельно рекомендуется. Оснований для введения локальной переменной без ее инициализации очень немного.

К любой комбинации этих типов могут применяться арифметические операции:

+ (плюс, унарный и бинарный) – (минус, унарный и бинарный) * (умножение) / (деление)

А также операции сравнения: == (равно) != (не равно) « (меньше) » (больше) «= (меньше или равно) »= (больше или равно)

Заметьте, что целое деление дает целый результат: 7/2 есть 3. Над целыми может выполняться операция % получения остатка: 7%2 равно 1.

При присваивании и арифметических операциях С++ выполнит все осмысленные преобразования между основными типами, чтобы их можно было сочетать без ограничений:

double d = 1; int i = 1; d = d + i; i = d + i;

1.3.2 Производные типы

Вот операции, создающие из основных типов новые типы:

* указатель на *const константный указатель на amp; ссылка на [] вектор* () функция, возвращающая

– * одномерный массив. Это принятый термин (например, вектора прерываний), и мы сочли, что стандартный перевод его как «массив» затуманит изложение. (прим. перев.)

Например:

char* p // указатель на символ char *const q // константный указатель на символ char v[10] // вектор из 10 символов

Все вектора в качестве нижней границы индекса имеют ноль, поэтому в v десять элементов: v[0]..v[9]. Функции объясняются в #1.5, ссылки в #1.9. Переменная указатель может содержать адрес объекта соответствующего типа:

char c; // ... p = amp;c; // p указывает на c

Унарное amp; является операцией взятия адреса.

1.4 Выражения и операторы

В С++ имеется богатый набор операций, с помощью которых в выражениях образуются новые значения и изменяются значения переменных. Поток управления в программе задается с помощью операторов, а описания используются для введения в программе имен переменных, констант и т.д. Заметьте, что описания являются операторами, поэтому они свободно могут сочетаться с другими операторами.

1.4.1 Выражения

В С++ имеется большое число операций, и они будут объясняться там, где (и если) это потребуется. Следует учесть, что операции

~ (дополнение) amp; (И) ^ (исключающее ИЛИ) ! (включающее ИЛИ) «„ (логический сдвиг влево) “» (логический сдвиг вправо) применяются к целым, и что нет отдельного типа данных для логических действий.

Смысл операции зависит от числа операндов. Унарное amp; является операцией взятия адреса, а бинарное amp; – это операция логического И. Смысл операции зависит также от типа ее операндов: + в выражении a+b означает сложение с плавающей токой, если операнды имеют тип float, но целое сложение, если они типа int. В #1.8 объясняется, как можно определить операцию для типа, определяемого пользователем, без потери ее значения, предопределенного для основных и производных типов.

В С++ есть операция присваивания =, а не оператор присваивания, как в некоторых языках. Таким образом, присваивание может встречаться в неожиданном контексте, например, x=sqrt(a =3*x). Это бывает полезно. a=b=c означает присвоение c объекту b, а затем объекту a. Другим свойством операции присваивания является то, что она может совмещаться с большинством бинарных операций. Например, x[i+3]*=4 означает x[i+3]=x[i+3]*4, за исключением того факта, что выражение x[i +3] вычисляется только один раз. Это дает привлекательную степень эффективности без необходимости обращения к оптимизирующим компиляторам. К тому же это более кратко.

В большинстве программ на С++ широко применяются указатели. Унарная операция * разыменовывает* указатель, т.е. *p есть объект, на который указывает p. Эта операция также называется косвенной адресацией. Например, если имеется char* p, то *p есть символ, на который указывает p. Часто при работе с указателями бывают полезны операция увеличения ++ и операция уменьшения –. Предположим, p указывает на элемент вектора v, тогда p++ делает p указывающим на следующий элемент.

– * англ. dereference – получить значение объекта, на который указывает данный указатель. (прим. перев.)

1.4.2 Операторы выражения

Самый обычный вид оператора – выражение;. Он состоит из выражения, за которым следует точка с запятой. Например:

a = b*3+c; cout «„ «go go go“; lseek(fd,0,2);

1.4.3 Пустой оператор

Простейшей формой оператора является оператор:

;

Он не делает ничего. Однако он может быть полезен в тех случаях, когда синтаксис требует наличие оператора, а вам оператор не нужен.

1.4.4 Блоки

Блок – это возможно пустой список операторов, заключенный в фигурные скобки:

(* a=b+2; b++; *)

Блок позволяет рассматривать несколько операторов как один. Область видимости имени, описанного в блоке, простирается до конца блока. Имя можно сделать невидимым с помощью описаний такого же имени во внутренних блоках.

1.4.5 Оператор if

Программа в следующем примере осуществляет преобразование дюймов в сантиметры и сантиметров в дюймы. Предполагаемся, что вы укажете единицы измерения вводимых данных, добавляя i для дюймов и c для сантиметров:

#include «stream.h»

main() (* const float fac = 2.54; float x, in, cm; char ch = 0;

cout «„ "введите длину: "; cin “» x »» ch;

if (ch == 'i') (* // inch – дюймы in = x; cm = x*fac; *) else if (ch == 'c') // cm – сантиметры in = x/fac; cm = x; *) else in = cm = 0;

cout «„ in «« " in = " «« cm «« « cmn“; *)

Заметьте, что условие в операторе if должно быть заключено в круглые скобки.

1.4.6 Операторы switch

Оператор switch производит сопоставление значения с множеством констант. Проверки в предыдущем примере можно записать так:

switch (ch) (* case 'i': in = x; cm = x*fac; break; case 'c': in = x/fac; cm = x; break; default: in = cm = 0; break; *) Операторы break применяются для выхода из оператора switch. Константы в вариантах case должны быть различными, и если проверяемое значение не совпадает ни с одной из констант, выбирается вариант default. Программисту не обязательно предусматривать default.

1.4.7 Оператор while

Рассмотрим копирование строки, когда заданы указатель p на ее первый символ и указатель q на целевую строку. По соглашению строка оканчивается символом с целым значением 0.

while (p != 0) (* *q = *p; // скопировать символ q = q+1; p = p+1; *) *q = 0; // завершающий символ 0 скопирован не был

Следующее после while условие должно быть заключено в круглые скобки. Условие вычисляется, и если его значение не ноль, выполняется непосредственно следующий за ним оператор. Это повторяется до тех пор, пока вычисление условия не даст ноль.

Этот пример слишком пространен. Можно использовать операцию ++ для непосредственного указания увеличения, и проверка упростится:

while (*p) *q++ = *p++; *q = 0;

где конструкция *p++ означает: «взять символ, на который указывает p, затем увеличить p.»

Пример можно еще упростить, так как указатель p разыменовывается дважды за каждый цикл. Копирование символа можно делать тогда же, когда производится проверка условия:

while (*q++ = *p++) ;

Здесь берется символ, на который указывает p, p увеличивается, этот символ копируется туда, куда указывает q, и q увеличивается. Если символ ненулевой, цикл повторяется. Поскольку вся работа выполняется в условии, не требуется ни оного оператора. Чтобы указать на это, используется пустой оператор. С++ (как и C) одновременно любят и ненавидят за возможность такого чрезвычайно краткого ориентированного на выразительность программирования*.

– * в оригинале expression-oriented (expression – выразительность и выражение). (прим. перев.)

1.4.8 Оператор for

Рассмотрим копирование десяти элементов одного вектора в другой:

for (int i=0; i«10; i++) q[i]=p[i];

Это эквивалентно int i = 0; while (i«10) (* q[i] = p[i]; i++; *) но более удобочитаемо, поскольку вся информация, управляющая циклом, локализована. При применении операции ++ к целой переменной к ней просто добавляется единица. Первая часть оператора for не обязательно должна быть описанием, она может быть любым оператором. Например:

for (i=0; i«10; i++) q[i]=p[i];

тоже эквивалентно предыдущей записи при условии, что i соответствующим образом описано раньше.

1.4.9 Описания

Описание – это оператор, вводящий имя в программе. Оно может также инициализировать объект с этим именем. Выполнение описания означает, что когда поток управления доходит до описания, вычисляется инициализирующее выражение (инициализатор) и производится инициализация. Например:

for (int i = 1; i«MAX; i++) (* int t = v[i-1]; v[i-1] = v[i]; v[i] = t; *)

При каждом выполнении оператора for i будет инициализироваться один раз, а t MAX-1 раз.

1.5 Функции

Функция – это именованная часть программы, к которой можно обращаться из других частей программы столько раз, сколько потребуется. Рассмотрим программу, печатающую степени числа 2:

extern float pow(float, int); //pow() определена в другом месте

main() (* for (int i=0; i«10; i++) cout „« pow(2,i) «« «n“; *)

Первая строка функции – ее описание, указывающее, что pow – функция, получающая параметры типа float и int и возвращающая float. Описание функции используется для того, чтобы сделать определенными обращения к функции в других местах.

При вызове функции тип каждого параметра сопоставляется с ожидаемым типом точно так же, как если бы инициализировалась переменная описанного типа. Это гарантирует надлежащую проверку и преобразование типов. Например, обращение pow(12.3,"abcd") вызовет недовольство компилятора, поскольку «abcd» является строкой, а не int. При вызове pow(2,i) компилятор преобразует 2 к типу float, как того требует функция. Функция pow может быть определена например так:

float pow(float x, int n) (* if (n « 0) error(„sorry, negative exponent to pow()“); // извините, отрицательный показатель для pow() switch (n) (* case 0: return 1; case 1: return x; default: return x*pow(x,n-1); *) *) Первая часть определения функции задает имя функции, тип возвращаемого ею значения (если таковое имеется) и типы и имена ее параметров (если они есть). Значение возвращается из функции с помощью оператора return.

Разные функции, обычно имеют разные имена, но функциям, выполняющим сходные действия над объектами различных типов, иногда лучше дать возможность иметь одинаковые имена. Если типы их параметров различны, то компилятор всегда может различить их и выбрать для вызова нужную функцию. Может, например, иметься одна функция возведения в степень для целых переменных и другая для переменных с плавающей точкой:

overload pow; int pow(int, int); double pow(double, double); //... x=pow(2,10); y=pow(2.0,10.0);

Описание overload pow;

сообщает компилятору, что использование имени pow более чем для одной функции является умышленным.

Если функция не возвращает значения, то ее следует описать как void:

void swap(int* p, int* q) // поменять местами (* int t = *p; *p = *q; *q = t; *)

1.6 Структура программы

Программа на С++ обычно состоит из большого числа исходных файлов, каждый из которых содержит описания типов, функций, переменных и констант. Чтобы имя можно было использовать в разных исходных файлах для ссылки на один и тот же объект, оно должно быть описано как внешнее. Например:

extern double sqrt(double); extern instream cin;

Самый обычный способ обеспечить согласованность исходных файлов – это поместить такие описания в отдельные файлы, называемые заголовочными (или хедер) файлами, а затем включить, то есть скопировать, эти заголовочные файлы во все файлы, где нужны эти описания. Например, если описание sqrt хранится в заголовочном файле для стандартных математических функций math.h, и вы хотите извлечь квадратный корень из 4, можно написать:

#include «math.h» //... x = sqrt(4);

Поскольку обычные заголовочные файлы включаются во многие исходные файлы, они не содержат описаний, которые не должны повторяться. Например, тела функций даются только для inline-подставляемых функций (#1.12) и инициализаторы даются только для констант (#1.3.1). За исключением этих случаев, заголовочный файл является хранилищем информации о типах. Он обеспечивает интерфейс между отдельно компилируемыми частями программы.

В команде включения include имя файла, заключенное в угловые скобки, например «math.h», относится к файлу с этим именем в стандартном каталоге (часто это /usr/include/CC), на файлы, находящиеся в каких-либо других местах ссылаются с помощью имен, заключенных в двойные кавычки. Например:

#include «math1.h» #include «/usr/bs/math2.h»

включит math1.h из текущего пользовательского каталога, а math2.h из каталога /usr/bs.

Здесь приводится очень маленький законченный пример программы, в котором строка определяется в одном файле, а ее печать производится в другом. Файл header.h определяет необходимые типы:

// header.h

extern char* prog_name; extern void f();

В файле main.c находится главная программа:

// main.c

#include «header.h» char* prog_name = «дурацкий, но полный»; main() (* f(); *)

а файл f.c печатает строку:

// f.c

#include «stream.h» #include «header.h» void f() (* cout «„ prog_name «« «n“; *)

Скомпилировать и запустить программу вы можете например так:

$ CC main.c f.c -o silly $ silly дурацкий, но полный $

1.7 Классы

Давайте посмотрим, как мы могли бы определить тип потока вывода ostream. Чтобы упростить задачу, предположим, что для буферизации определен тип streambuf. Тип streambuf на самом деле определен в «stream.h», где также находится и настоящее определение ostream.

Пожалуйста, не испытывайте примеры, определяющие ostream в этом и последующих разделах. Пока вы не сможете полностью избежать использования «stream.h», компилятор будет возражать против переопределений.

Определение типа, определяемого пользователем (который в С++ называется class, т.е. класс), специфицирует данные, необходимые для представления объекта этого типа, и множество операций для работы с этими объектами. Определение имеет две части: закрытую (private) часть, содержащую информацию, которой может пользоваться только его разработчик, и открытую (public) часть, представляющую интерфейс типа с пользователем:

class ostream (* streambuf* buf; int state; public: void put(char*); void put(long); void put(double); *)

Описания после метки public: задают интерфейс: пользователь может обращаться только к трем функциям put(). Описания перед меткой public задают представление объекта класса ostream. Имена buf и state могут использоваться только функциями put(), описанными в открытой части.

class определяет тип, а не объект данных, поэтому чтобы использовать ostream, мы должны один такой объект описать (так же, как мы описываем переменные типа int):

ostream my_out;

Считая, что my_out был соответствующим образом проинициализирован (как, объясняется в #1.10), его можно использовать например так:

my_out.put(«Hello, worldn»);

С помощью операции точка выбирается член класса для данного объекта этого класса. Здесь для объекта my_out вызывается член функция put().

Функция может определяться так:

void ostream::put(char* p) (* while (*p) buf.sputc(*p++); *)

где sputc() – функция, которая помещает символ в streambuf. Префикс ostream необходим, чтобы отличить put() ostream'а от других функций с именем put().

Для обращения к функции члену должен быть указан объект класса. В функции члене можно ссылаться на этот объект неявно, как это делалось выше в ostream::put(): в каждом вызове buf относится к члену buf объекта, для которого функция вызвана. Можно также ссылаться на этот объект явно посредством указателя с именем this. В функции члене класса X this неявно описан как X* (указатель на X) и инициализирован указателем на тот объект, для которого эта функция вызвана. Определение ostream::put() можно также записать в виде:

void ostream::put(char* p) (* while (*p) this-»buf.sputc(*p++); *) Операция -» применяется для выбора члена объекта, заданного указателем.

1.8 Перегрузка операций

Настоящий класс ostream определяет операцию ««, чтобы сделать удобным вывод нескольких объектов одним оператором. Давайте посмотрим, как это сделано.

Чтобы определить @, где @ – некоторая операция языка С++, для каждого определяемого пользователем типа вы определяете функцию с именем operator@, которая получает параметры соответствующего типа. Например:

class ostream (* //... ostream operator««(char*); *);

ostream ostream::operator««(char* p) (* while (*p) buf.sputc(*p++); return *this; *)

определяет операцию «« как член класса ostream, поэтому s««p интерпретируется как s.operator««(p), когда s является ostream и p – указатель на символ. Операция «« бинарна, а функция operator««(char*) на первый взгляд имеет только один параметр. Однако, помимо этого она имеет свой стандартный параметр this.

То, что в качестве возвращаемого значения возвращается ostream, позволяет применять «« к результату операции вывода. Например, s««p««q интерпретируется как (s.operator««(p)).operator««(q). Так задаются операции вывода для встроенных типов.

С помощью множества операций, заданных как открытые члены класса ostream, вы можете теперь определить «« для такого определяемого типа, как complex, не изменяя описание класса ostream:

ostream operator««(ostream s, complex z) // у complex две части: действительная real и мнимая imag // печатает complex как (real,imag) (* return s «« "(" «« z.real «« "," «« z.imag «« ")'; *)

Поскольку operator««(ostream,complex) не является функцией членом, для бинарности необходимо два явных параметра. Вывод значений будет производиться в правильном порядке, потому что ««, как и большинство операций С++, группирует слева направо, то есть f««b««c означает (a««b)««c. При интерпретации операций компилятору известна разница между функциями членами и функциями не членами. Например, если z – комплексная переменная, то s««z будет расширяться с помощью вызова стандартной функции (не члена) operator««(s,z).

1.9 Ссылки

К сожалению, последняя версия ostream содержит серьезную ошибку и к тому же очень неэффективна. Сложность состоит в том, что ostream копируется дважды при каждом использовании ««: один раз как параметр и один раз как возвращаемое значение. Это оставляет state неизмененным после каждого вызова. Необходима возможность передачи указателя на ostream вместо передачи самого ostream.

Это можно сделать с помощью ссылок. Ссылка действует как имя для объекта. T amp; означает ссылку на T. Ссылка должна быть инициализирована, и она становится другим именем того объекта, которым она инициализирована. Например:

ostream amp; s1 = my_out; ostream amp; s2 = cout;

Теперь можно использовать ссылку s1 и my_out одинаково, и они будут иметь одинаковые значения. Например, присваивание

s1 = s2;

копирует объект, на который ссылается s2 (то есть, cout), в объект, на который ссылается s1 (то есть, my_out). Члены берутся с помощью операции точка

s1.put(«не надо использовать -»»);

а если применить операцию взятия адреса, то вы получите адрес объекта, на который ссылается ссылка:

amp;s1 == amp;my_out

Первая очевидная польза от ссылок состоит в том, чтобы обеспечить передачу адреса объекта, а не самого объекта, в функцию вывода (в некоторых языках это называется вызов по ссылке):

ostream amp; operator««(ostream amp; s, complex z) (* return s «« "(" «« z.real «« "," «« z.imag «« ")"; *)

Достаточно интересно, что тело функции осталось без изменений, но если вы будете осуществлять присваивание s, то будете воздействовать на сам объект, а не на его копию. В данном случае то, что возвращается ссылка, также повышает эффективность, поскольку очевидный способ реализации ссылки – это указатель, а передача указателя гораздо дешевле, чем передача большой структуры данных.

Ссылки также существенны для определения потока ввода, поскольку операция ввода получает в качестве операнда переменную для считывания. Если бы ссылки не использовались, то пользователь должен был бы явно передавать указатели в функции ввода.

class istream (* //... int state; public: istream amp; operator»»(char amp;); istream amp; operator»»(char*); istream amp; operator»»(int amp;); istream amp; operator»»(long amp;); //... *);

Заметьте, что для чтения long и int используются разные функции, тогда как для их печати требовалась только одна. Это вполне обычно, и причина в том, что int может быть преобразовано в long по стандартным правилам неявного преобразования (#с.6.6), избавляя таким образом программиста от беспокойства по поводу написания обеих функций ввода.