Текст книги "C++"

Автор книги: Мюррей Хилл

Соавторы: Бьярн Страустрап
сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

2.5 Экономия пространства

В ходе программирования нетривиальных разработок неизбежно наступает время, когда хочется иметь больше пространства памяти, чем имеется или отпущено. Есть два способа выжать побольше пространства из того, что доступно:

1. Помещение в байт более одного небольшого объекта и

2. Использование одного и того же пространства для хранения разных объектов в разное время.

Первого можно достичь с помощью использования полей, второго – через использование объединений. Эти конструкции описываются в следующих разделах. Поскольку обычное их применение состоит чисто в оптимизации программы, и они в большинстве случаев непереносимы, программисту следует дважды подумать, прежде чем использовать их. Часто лучше изменить способ управления данными; например, больше полагаться на динамически выделяемую память (#3.2.6) и меньше на заранее выделенную статическую память.

2.5.1 Поля

Использование char для представления двоичной переменой, например, переключателя включено/выключено, может показаться экстравагантным, но char является наименьшим объектом, который в С++ может выделяться независимо. Можно, однако, сгруппировать несколько таких крошечных переменных вместе в виде полей struct. Член определяется как поле путем указания после его имени числа битов, которые он занимает. Допустимы неименованные поля; они не влияют на смысл именованных полей, но неким машинно-зависимым образом могут улучшить размещение:

struct sreg (* unsigned enable : 1; unsigned page : 3; unsigned : 1; // неиспользуемое unsigned mode : 2; unsigned : 4: // неиспользуемое unsigned access : 1; unsigned length : 1; unsigned non_resident : 1; *)

Получилось размещение регистра 0 состояния DEC PDP11/45 (в предположении, что поля в слове размещаются слева направо). Этот пример также иллюстрирует другое основное применение полей: именовать части внешне предписанного размещения. Поле должно быть целого типа и используется как другие целые, за исключением того, что невозможно взять адрес поля. В ядре операционной системы или в отладчике тип sreg можно было бы использовать так:

sreg* sr0 = (sreg*)0777572; //... if (sr-»access) (* // нарушение доступа // чистит массив sr-»access = 0; *)

Однако применение полей для упаковки нескольких переменных в один байт не обязательно экономит пространство. Оно экономит пространство, занимаемое данными, но объем кода, необходимого для манипуляции этими переменными, на большинстве машин возрастает. Известны программы, которые значительно сжимались, когда двоичные переменные преобразовывались из полей бит в символы! Кроме того, доступ к char или int обычно намного быстрее, чем доступ к полю. Поля – это просто удобная и краткая запись для применения логических операций с целью извлечения информации из части слова или введения информации в нее.

2.5.2 Объединения

Рассмотрим проектирование символьной таблицы, в которой каждый элемент содержит имя и значение, и значение может быть либо строкой, либо целым:

struct entry (* char* name; char type; char* string_value; // используется если type == 's' int int_value; // используется если type == 'i' *);

void print_entry(entry* p) (* switch p-»type (* case 's': cout «„ p-“string_value; break; case 'i': cout „„ p-“int_value; break; default: cerr «« «испорчен typen“; break; *) *)

Поскольку string_value и int_value никогда не могут использоваться одновременно, ясно, что пространство пропадает впустую. Это можно легко исправить, указав, что оба они должны быть членами union. Например, так:

struct entry (* char* name; char type; union (* char* string_value; //используется если type == 's' int int_value; //используется если type == 'i' *); *);

Это оставляет всю часть программы, использующую entry, без изменений, но обеспечивает, что при размещении entry string_value и int_value имеют один и тот же адрес. Отсюда следует, что все члены объединения вместе занимают лишь столько памяти, сколько занимает наибольший член.

Использование объединений таким образом, чтобы при чтении значения всегда применялся тот член, с применением которого оно записывалось, совершенно оптимально. Но в больших программах непросто гарантировать, что объединения используются только таким образом, и из-за неправильного использования могут появляться трудно уловимые ошибки. Можно @капсулзировать объединение таким образом, чтобы соответствие между полем типа и типами членов было гарантированно правильным (#5.4.6).

Объединения иногда используют для «объединения и преобразование типа» (это делают главным образом программисты, воспитанные на языках, не обладающих средствами преобразования типов, где жульничество является необходимым). Например, это «преобразует» на VAX'е int в int*, просто предполагая побитовую эквивалентность:

struct fudge (* union (* int i; int* p; *); *);

fudge a; a.i = 4096; int* p = a.p; // плохое использование

Но на самом деле это совсем не преобразование: на некоторых машинах int и int* занимают неодинаковое количество памяти, а на других никакое целое не может иметь нечетный адрес. Такое применение объединений непереносимо, а есть явный способ указать преобразование типа (#3.2.5).

Изредка объединения умышленно применяют, чтобы избежать преобразования типов. Можно, например, использовать fudge, чтобы узнать представление указателя 0:

fudge.p = 0; int i = fudge.i; // i не обязательно должно быть 0

Можно также дать объединению имя, то есть сделать его полноправным типом. Например, fudge можно было бы описать так:

union fudge (* int i; int* p; *);

и использовать (неправильно) в точности как раньше. Имеются также и оправданные применения именованных объединений, см. #5.4.6.

2.6 Упражнения

1. (*1) Заставьте работать программу с «Hello, world» (1.1.1).

2. (*1) Для каждого описания в #2.1 сделайте следующее: Если описание не является определением, напишите для него определение. Если описание является определением, напишите для него описание, которое при этом не является определением.

3. (*1) Напишите описания для: указателя на символ; вектора из 10 целых; ссылки на вектор из 10 целых; указателя на вектор из символьных строк; указателя на указатель на символ; константного целого; указателя на константное целое; и константного указателя на целое. Каждый из них инициализируйте.

4. (*1.5) Напишите программу, которая печатает размеры основных и указательных типов. Используйте операцию sizeof.

5. (*1.5) Напишите программу, которая печатает буквы 'a'...'z' и цифры '0'...'9' и их числовые значения. Сделайте то же для остальных печатаемых символов. Сделайте то же, но используя шестнадцатиричную запись.

6. (*1) Напечатайте набор битов, которым представляется указатель 0 на вашей системе. Подсказка: #2.5.2.

7. (*1.5) Напишите функцию, печатающую порядок и мантиссу параметра типа double.

8. (*2) Каковы наибольшие и наименьшие значения, на вшей системе, следующих типов: char, short, int, long, float, double, unsigned, char*, int* и void*? Имеются ли дополнительные ограничения на принимаемые ими значения? Может ли, например, int* принимать нечетное значение? Как выравниваются в памяти объекты этих типов? Может ли, например, int иметь нечетный адрес?

9. (*1) Какое самое длинное локальное имя можно использовать в С++ программе в вашей системе? Какое самое длинное внешнее имя можно использовать в С++ программе в вашей системе? Есть ли какие-нибудь ограничения на символы, которые моно употреблять в имени?

10. (*2) Определите one следующим образом:

const one = 1;

Попытайтесь поменять значение one на 2. Определите num следующим образом:

const num[] = (* 1, 2 *);

Попытайтесь поменять значение num[1] на 2.

11. (*1) Напишите функцию, переставляющую два целых (меняющую значения). Используйте в качестве типа параметра int*. Напишите другую переставляющую функцию, использующую в качестве типа параметра int amp;.

12. (*1) Каков размер вектора str в следующем примере:

char str[] = «a short string»;

Какова длина строки «a short string»?

13. (*1.5) Определите таблицу названий месяцев года и числа дней в них. Выведите ее. Сделайте это два раза: один раз используя вектор для названий и вектор для числа дней, и один раз используя вектор структур, в каждой из которых хранится название месяца и число дней в нем.

14. (*1) С помощью typedef определите типы: беззнаковый char, константный беззнаковый char, указатель на целое, указатель на указатель на char, указатель на вектора символов, вектор из 7 целых указателей, указатель на вектор из 7 целых указателей, и вектор из 8 векторов из 7 целых указателей.

Глава 3
Выражения и операторы

С другой стороны, мы не можем игнорировать эффективность

Джон Бентли

С++ имеет небольшой, но гибкий набор различных видов операторов для контроля потока управления в программе и богатый набор операций для манипуляции данными. С наиболее общепринятыми средствами вас познакомит один законченный пример. После него приводится резюмирующий обзор выражений и с довольно подробно описываются явное описание типа и работа со свободной памятью. Потом представлена краткая сводка операций, а в конце обсуждаются стиль выравнивания* и комментарии.

– * Нам неизвестен русскоязычный термин, эквивалентный английскому indentation. Иногда это называется отступами. (прим. перев.)

3.1 Настольный калькулятор

С операторами и выражениями вас познакомит приведенная здесь программа настольного калькулятора, предоставляющего четыре стандартные арифметические операции над числами с плавающей точкой. Пользователь может также определять переменные. Например, если вводится

r=2.5 area=pi*r*r

(pi определено заранее), то программа калькулятора напишет:

2.5 19.635

где 2.5 – результат первой введенной строки, а 19.635 – результат второй.

Калькулятор состоит из четырех основных частей: программы синтаксического разбора (parser'а), функции ввода, таблицы имен и управляющей программы (драйвера). Фактически, это миниатюрный компилятор, в котором программа синтаксического разбора производит синтаксический анализ, функция ввода осуществляет ввод и лексический анализ, в таблице имен хранится долговременная информация, а драйвер распоряжается инициализацией, выводом и обработкой ошибок. Можно было бы многое добавить в этот калькулятор, чтобы сделать его более полезным, но в существующем виде эта программа и так достаточно длинна (200 строк), и большая часть дополнительных возможностей просто увеличит текст программы не давая дополнительного понимания применения С++.

3.1.1 Программа синтаксического разбора

Вот грамматика языка, допускаемого калькулятором:

program: END // END – это конец ввода expr_list END

expr_list: expression PRINT // PRINT – это или 'n' или ';' expression PRINT expr_list

expression: expression + term expression – term term

term: term / primary term * primary primary

primary: NUMBER // число с плавающей точкой в С++ NAME // имя С++ за исключением '_' NAME = expression – primary ( expression )

Другими словами, программа есть последовательность строк. Каждая строка состоит из одного или более выражений, разделенных запятой. Основными элементами выражения являются числа, имена и операции *, /, +, – (унарный и бинарный) и =. Имена не обязательно должны описываться до использования.

Используемый метод обычно называется рекурсивным спуском это популярный и простой нисходящий метод. В таком языке, как С++, в котором вызовы функций относительно дешевы, этот метод к тому же и эффективен. Для каждого правила вывода грамматики имеется функция, вызывающая другие функции. Терминальные символы (например, END, NUMBER, + и -) распознаются лексическим анализатором get_token(), а нетерминальные символы распознаются функциями синтаксического анализа expr(), term() и prim(). Как только оба операнда (под)выражения известны, оно вычисляется; в настоящем компиляторе в этой точке производится генерация кода.

Программа разбора для получения ввода использует функцию get_token(). Значение последнего вызова get_token() находится в переменной curr_tok; curr_tok имеет одно из значений перечисления token_value:

enum token_value (* NAME NUMBER END PLUS='+' MINUS='-' MUL='*' DIV='/' PRINT=';' ASSIGN='=' LP='(' RP=')' *); token_value curr_tok;

В каждой функции разбора предполагается, что было обращение к get_token(), и в curr_tok находится очередной символ, подлежащий анализу. Это позволяет программе разбора заглядывать на один лексический символ (лексему) вперед и заставляет функцию разбора всегда читать на одну лексему больше, чем используется правилом, для обработки которого она была вызвана. Каждая функция разбора вычисляет «свое» выражение и возвращает значение. Функция expr() обрабатывает сложение и вычитание; она состоит из простого цикла, который ищет термы для сложения или вычитания:

double expr() // складывает и вычитает (* double left = term();

for(;;) // ``навсегда`` switch(curr_tok) (* case PLUS: get_token(); // ест '+' left += term();

break; case MINUS: get_token(); // ест '-' left -= term(); break; default: return left; *) *)

Фактически сама функция делает не очень много. В манере, достаточно типичной для функций более высокого уровня в больших программах, она вызывает для выполнения работы другие функции. Заметьте, что выражение 2-3+4 вычисляется как (2-3)+ 4, как указано грамматикой.

Странная запись for(;;) – это стандартный способ задать бесконечный цикл. Можно произносить это как «навсегда»*. Это вырожденная форма оператора for, альтернатива – while(1). Выполнение оператора switch повторяется до тех пор, пока не будет найдено ни + ни -, и тогда выполняется оператор return в случае default.

– * игра слов: «for» – «forever» (навсегда). (прим. перев.)

Операции +=, -= используются для осуществления сложения и вычитания. Можно было бы не изменяя смысла программы использовать left=left+term() и left=left-term(). Однако left+= term() и left-=term() не только короче, но к тому же явно выражают подразумеваемое действие. Для бинарной операции @ выражение x@=y означает x=x@y за исключением того, что x вычисляется только один раз. Это применимо к бинарным операциям

+ – * / % amp; ! ^ «„ “»

поэтому возможны следующие операции присваивания:

+= -= *= /= %= amp;= != ^= «„= “»=

Каждая является отдельной лексемой, поэтому a+ =1 является синтаксической ошибкой из-за пробела между + и =. (% является операцией взятия по модулю; amp;,! и ^ являются побитвыми операциями И, ИЛИ и исключающее ИЛИ; «„ и “» являются операциями левого и правого сдвига). Функции term() и get_token() должны быть описаны до expr().

Как организовать программу в виде набора файлов, обсудается в Главе 4. За одним исключением все описания в данной программе настольного калькулятора можно упорядочить так, чтобы все описывалось ровно один раз и до использования. Ислючением является expr(), которая обращается к term(), котрая обращается к prim(), которая в свою очередь обращается к expr(). Этот круг надо как-то разорвать;

Описание

double expr(); // без этого нельзя

перед prim() прекрасно справляется с этим.

Функция term() аналогичным образом обрабатывает умножние и сложение:

double term() // умножает и складывает (* double left = prim();

for(;;) switch(curr_tok) (* case MUL: get_token(); // ест '*' left *= prim(); break; case DIV: get_token(); // ест '/' double d = prim(); if (d == 0) return error(«деление на 0»); left /= d; break; default: return left; *) *)

Проверка, которая делается, чтобы удостовериться в том, что нет деления на ноль, необходима, поскольку результат дления на ноль неопределен и как правило является роковым. Функция error(char*) будет описана позже. Переменная d ввдится в программе там, где она нужна, и сразу же инициализруется. Во многих языках описание может располагаться только в голове блока. Это ограничение может приводить к довольно скверному искажению стиля программирования и/или излишним ошибкам. Чаще всего неинициализированные локальные переменные являются просто признаком плохого стиля; исключением являются переменные, подлежащие инициализации посредством ввода, и пременные векторного или структурного типа, которые нельзя удобно инициализировать одними присваиваниями*. Заметьте, что = является операцией присваивания, а == операцией сравнения.

– * В языке немного лучше этого с этими исключениями тоже надо бы справляться. (прим. автора)

Функция prim, обрабатывающая primary, написана в осноном в том же духе, не считая того, что немного реальной рабты в ней все-таки выполняется, и нет нужды в цикле, поскольку мы попадаем на более низкий уровень иерархии вызовов:

double prim() // обрабатывает primary (первичные) (* switch (curr_tok) (* case NUMBER: // константа с плавающей точкой get_token(); return number_value; case NAME: if (get_token() == ASSIGN) (* name* n = insert(name_string); get_token(); n-»value = expr(); return n-»value; *) return look(name-string)-»value; case MINUS: // унарный минус get_token(); return -prim(); case LP: get_token(); double e = expr(); if (curr_tok != RP) return error(«должна быть )»); get_token(); return e; case END: return 1; default:

return error(«должно быть primary»); *) *)

При обнаружении NUMBER (то есть, константы с плавающей точкой), возвращается его значение. Функция ввода get_token() помещает значение в глобальную переменную number_value. Ипользование в программе глобальных переменных часто указывает на то, что структура не совсем прозрачна, что применялась нкоторого рода оптимизация. Здесь дело обстоит именно так. Торетически лексический символ обычно состоит из двух частей: значения, определяющего вид лексемы (в данной программе token _value), и (если необходимо) значения лексемы. У нас имеется только одна простая переменная curr_tok, поэтому для хранения значения последнего считанного NUMBER понадобилась глобальная переменная переменная number_value. Это работает только потму, что калькулятор при вычислениях использует только одно число перед чтением со входа другого.

Так же, как значение последнего встреченного NUMBER хранится в number_value, в name_string в виде символьной строки хранится представление последнего прочитанного NAME. Перед тем, как что-либо сделать с именем, калькулятор должен заглнуть вперед, чтобы посмотреть, осуществляется ли присваивание ему, или оно просто используется. В обоих случаях надо спрвиться в таблице имен. Сама таблица описывается в #3.1.3; здесь надо знать только, что она состоит из элементов вида:

srtuct name (* char* string; char* next; double value; *)

где next используется только функциями, которые поддерживают работу с таблицей:

name* look(char*); name* insert(char*);

Обе возвращают указатель на name, соответствующее парметру – символьной строке; look() выражает недовольство, если имя не было определено. Это значит, что в калькуляторе можно использовать имя без предварительного описания, но первый раз оно должно использоваться в левой части присваивания.

3.1.2 Функция ввода

Чтение ввода – часто самая запутанная часть программы. Причина в том, что если программа должна общаться с человком, то она должна справляться с его причудами, условностями и внешне случайными ошибками. Попытки заставить человека вети себя более удобным для машины образом часто (и справедлво) рассматриваются как оскорбительные. Задача низкоуровневой программы ввода состоит в том, чтобы читать символы по одному и составлять из них лексические символы более высокого уроня. Далее эти лексемы служат вводом для программ более выского уровня. У нас ввод низкого уровня осуществляется get_token(). Обнадеживает то, что написание программ ввода низкого уровня не является ежедневной работой; в хорошей ситеме для этого будут стандартные функции.

Для калькулятора правила сознательно были выбраны такми, чтобы функциям по работе с потоками было неудобно эти правила обрабатывать; незначительные изменения в определении лексем сделали бы get_token() обманчиво простой. Первая сложность состоит в том, что символ новой строки

'n' является для калькулятора существенным, а функции работы с потоками считают его символом пропуска. То есть, для этих функций 'n' значим только как ограничитель лексемы. Чтобы преодолеть это, надо проверять пропуски (пробел, символы тбуляции и т.п.):

char ch

do (* // пропускает пропуски за исключением 'n' if(!cin.get(ch)) return curr_tok = END; *) while (ch!='n' amp; amp; isspace(ch));

Вызов cin.get(ch) считывает один символ из стандартного потока ввода в ch. Проверка if(!cin.get(ch)) не проходит в случае, если из cin нельзя считать ни одного символа. В этом случае возвращается END, чтобы завершить сеанс работы кальклятора. Используется операция ! (НЕ), поскольку get() возврщает в случае успеха ненулевое значение.

Функция (inline) isspace() из «ctype.h» обеспечивает стандартную проверку на то, является ли символ пропуском (#8.4.1); isspace(c) возвращает ненулевое значение, если c является символом пропуска, и ноль в противном случае. Прверка реализуется в виде поиска в таблице, поэтому использвание isspace() намного быстрее, чем проверка на отдельные символы пропуска; это же относится и к функциям isalpha(), isdigit() и isalnum(), которые используются в get_token().

После того, как пустое место пропущено, следующий символ используется для определения того, какого вида какого вида лексема приходит. Давайте сначала рассмотрим некоторые случаи отдельно, прежде чем приводить всю функцию. Ограничители лесем 'n' и ';' обрабатываются так:

switch (ch) (* case ';': case 'n': cin »» WS; // пропустить пропуск return curr_tok=PRINT;

Пропуск пустого места делать необязательно, но он позвляет избежать повторных обращений к get_token(). WS – это стандартный пропусковый объект, описанный в «stream.h»; он используется только для сброса пропуска. Ошибка во вводе или конец ввода не будут обнаружены до следующего обращения к get _token(). Обратите внимание на то, как можно использовать несколько меток case (случаев) для одной и той же последовтельности операторов, обрабатывающих эти случаи. В обоих случаях возвращается лексема PRINT и помещается в curr_tok.

Числа обрабатываются так:

case '0': case '1': case '2': case '3': case '4': case '5': case '6': case '7': case '8': case '9': case '.': cin.putback(ch); cin »» number_value; return curr_tok=NUMBER;

Располагать метки случаев case горизонтально, а не ветикально, не очень хорошая мысль, поскольку читать это гораздо труднее, но отводить по одной строке на каждую цифру нудно.

Поскольку операция »» определена также и для чтения констант с плавающей точкой в double, программирование этого не составляет труда: сперва начальный символ (цифра или точка) помещается обратно в cin, а затем можно считывать контанту в number_value.

Имя, то есть лексема NAME, определяется как буква, за которой возможно следует несколько букв или цифр:

if (isalpha(ch)) (* char* p = name_string; *p++ = ch; while (cin.get(ch) amp; amp; isalnum(ch)) *p++ = ch; cin.putback(ch); *p = 0; return curr_tok=NAME; *)

Эта часть строит в name_string строку, заканчивающуюся нулем. Функции isalpha() и isalnum() заданы в «ctype.h»; isalnum(c) не ноль, если c буква или цифра, ноль в противном случае.

Вот, наконец, функция ввода полностью:

token_value get_token() (* char ch;

do (* // пропускает пропуски за исключением 'n' if(!cin.get(ch)) return curr_tok = END; *) while (ch!='n' amp; amp; isspace(ch));

switch (ch) (* case ';': case 'n': cin »» WS; // пропустить пропуск return curr_tok=PRINT; case '*': case '/': case '+': case '-': case '(': case ')': case '=': return curr_tok=ch; case '0': case '1': case '2': case '3': case '4': case '5': case '6': case '7': case '8': case '9': case '.': cin.putback(ch); cin »» number_value; return curr_tok=NUMBER; default: // NAME, NAME= или ошибка if (isalpha(ch)) (* char* p = name_string; *p++ = ch; while (cin.get(ch) amp; amp; isalnum(ch)) *p++ = ch; cin.putback(ch); *p = 0; return curr_tok=NAME; *) error(«плохая лексема»); return curr_tok=PRINT; *) *)

Поскольку token_value (значение лексемы) операции было определено как целое значение этой операции*, обработка всех операций тривиальна.

– * знака этой операции. (прим. перев.)