- •И. А. Андрианов, д. В. Кочкин, с. Ю. Ржеуцкая
- •Учебное пособие
- •Оглавление
- •1. Основы языка 8
- •1.2.2 Простые типы данных 13
- •2. Работа с памятью 73
- •3. Основы объектно-ориентированного программирования 87
- •4.Обработка исключений 114
- •5. Шаблонные функции и классы. Библиотека стандартных шаблонов 130
- •6. Паттерны проектирования 159
- •7. Антипаттерны 211
- •9. Методы отладки и оптимизации кода 242
- •1. Основы языка
- •1.1.2 Понятие проекта
- •1.2 Простые типы данных
- •1.2.1 Понятие типа
- •1.2.2 Простые типы данных
- •1.2.3 Внутреннее представление простых типов
- •1.2.4 Ключевое слово typedef. Тип size_t
- •1.3 Константы и переменные
- •1.3.1 Литералы
- •1. Числовые константы:
- •2. Символьные константы:
- •1.3.2 Переменные
- •1.3.3 Описание переменных
- •1.4. Выражения. Преобразование типов
- •1.4.1 Операнды и операции
- •1.4.2 Приоритет операций
- •1.4.3 Преобразование типов
- •1.5 Ветвления и циклы
- •1.5.2 Циклы
- •1.6 Массивы, строки
- •1.6.1 Основные понятия
- •1.6.2 Встроенные массивы
- •1.6.3 Cтроки. Обработка строк с завершающим нулём
- •1.7 Указатели и ссылки. Связь указателей и массивов. Библиотека cstring
- •1.7.1 Понятия указателя и ссылки
- •1.7.2 Связь между массивами и указателями
- •1.7.3 Библиотека cstring
- •1.8 Использование типов vector и string
- •1.8.1 Шаблонный класс vector
- •1.8.2 Класс string
- •1.9 Структуры и объединения. Битовые поля
- •1.10.1 Понятие функции
- •1.10.2 Описание функции и прототип функции
- •1.11 Параметры функции. Способы передачи параметров
- •1.11.1 Параметры функции и глобальные переменные
- •1.11.2 Способы передачи параметров в функцию
- •1.11.3 Передача массивов в функцию
- •1.11.4 Параметры-константы
- •1.11.5 Значения параметров по умолчанию
- •1.12.1 Указатель на функцию
- •1.12.2 Функции с переменным числом параметров
- •1.12.3 Перегрузка функций
- •1.12.4 Встроенные (inline) функции
- •1.13 Рекурсивные функции
- •1.14 Пространства имён
- •1.15 Директивы препроцессора. Макросы
- •2. Работа с памятью
- •2.1 Управление выделением и освобождением памяти
- •2.1.1 Статическое и динамическое выделение памяти
- •2.1.2 Способы динамического выделения и освобождения памяти
- •2.2 Динамические структуры данных
- •2.2.1 Основные понятия
- •2.2.2 Примеры реализации динамических структур на основе указателей
- •3. Основы объектно-ориентированного программирования
- •3.1 Основные понятия ооп
- •3.2.1 Описание класса
- •3.2.2 Область видимости элементов класса. Инкапсуляция
- •3.2.3 Первые примеры
- •3.3. Конструкторы и деструкторы.
- •3.4 Указатель this
- •3.5 Перегрузка операций
- •3.6 Дружественные функции и классы
- •3.7 Статические элементы класса
- •3.8 Наследование и полиморфизм
- •3.8.1. Основные понятия
- •3.8.2 Одиночное наследование
- •3.8.3 Множественное наследование
- •3.8.4 Конструкторы и деструкторы классов-потомков
- •3.9. Полиморфизм при наследовании классов
- •3.9.1 Механизмы раннего и позднего связывания
- •3.9.2 Абстрактные классы
- •4.Обработка исключений
- •4.1 Основные понятия
- •4.2 Перехват исключений
- •4.3 Поиск обработчика исключений. Раскрутка стека.
- •4.4 Повторное возбуждение исключений
- •4.5 "Аппаратные" и "программные" исключения
- •4.6 Стандартные классы исключений
- •4.7 Спецификация исключений, возбуждаемых функцией
- •4.8 Исключения в конструкторах при наследовании
- •4.9. Исключения в деструкторах
- •5. Шаблонные функции и классы. Библиотека стандартных шаблонов
- •5.1 Шаблонные функции
- •5.2 Шаблонные классы
- •5.3 Специализация шаблонов
- •5.4 Шаблонные параметры шаблонов
- •5.5 Разработка шаблонных классов с настраиваемой функциональностью
- •5.6 Использование шаблонов для вычислений на этапе компиляции
- •5.7 Библиотека стандартных шаблонов (stl) – основные понятия
- •5.8 Последовательные контейнеры. Итераторы
- •5.9. Адаптеры контейнеров
- •5.10 Ассоциативные контейнеры
- •5.11 Алгоритмы
- •6. Паттерны проектирования
- •6.1 Порождающие шаблоны
- •6.2 Структурные шаблоны
- •6.3 Шаблоны поведения
- •6.4 Шаблон "фабричный метод" (Factory method)
- •6.5 Шаблон "одиночка" (Singleton)
- •6.6 Шаблон "итератор" (Iterator)
- •6.7 Шаблон "наблюдатель" (Observer)
- •6.8 Шаблон "пул объектов" (Object pool)
- •6.9 Шаблон "команда" (Command)
- •6. 10 Шаблон "посетитель" (Visitor)
- •6.11 Дополнительные задания
- •6.11.1 Шаблон Iterator
- •6.11.2 Шаблон Observer
- •6.11.3 Шаблоны Command и Observer
- •6.11.5 Шаблон Visitor
- •6.11.5 Разработка класса − контейнера
- •6.11.6 Оценка производительности кода
- •7. Антипаттерны
- •7.1 Программирование методом копирования и вставки (Copy-Paste Programming)
- •7.2 Спагетти-код (Spaghetti code)
- •7.3 Магические числа (Magic numbers)
- •7.4 Бездумное комментирование
- •7.5 Жесткое кодирование (Hard code)
- •7.6 Мягкое кодирование (Soft code)
- •7.7 Золотой молоток (Golden hammer)
- •7.8 Слепая вера (Blind faith)
- •7.9 Ненужная сложность (Accidental complexity)
- •7.10 Божественный объект (God Object)
- •7.11 Лодочный якорь (Boat anchor)
- •7.12 Поток лавы (Lava flow)
- •7.13 Изобретение велосипеда (Reinventing the wheel)
- •7.14 Программирование перебором (Programming by permutation)
- •8.1 Выведение типов
- •8.2 Списки инициализации
- •8.3 Улучшение процесса инициализации объектов
- •8.4 Цикл for по коллекции
- •8.5 Лямбда-функции
- •8.6 Константа нулевого указателя nullptr
- •8.7 "Умные" указатели
- •9. Методы отладки и оптимизации кода
- •9.1 Отладка кода
- •9.1.1 Основные этапы отладки
- •9.1.2 Инструменты и приёмы отладки
- •9.2 Оптимизация кода
- •9.2.1 Рекомендации по выполнению оптимизации
- •9.2.2 Методики оптимизации кода
- •Заключение
- •Библиографический список
6. Паттерны проектирования
Шаблоны проектирования или паттерны проектирования (design patterns) являются удачными, хорошо описанными решениями, которые могут применяться при разработке программ. Шаблоны проектирования позволяют обеспечить гибкость и возможность масштабирования программы.
Шаблон включает в себя описание ситуации, в которой он может быть применен, свойства программы, которые он позволяет обеспечить, диаграмму входящих в его состав классов, а также пример программного кода.
Шаблоны проектирования описывают взаимодействие объектов и классов в программе. Не стоит путать их с архитектурными шаблонами, такими, как MVC (model-view-contoller), каналы и фильтры (pipe and filter) или многоуровневая система (layers), которые описывают высокоуровневые связи компонентов и подсистем в программе. Шаблоны проектирования не учитывают особенности конкретных языков программирования и являются универсальными решениями, описывающими общие взаимосвязи между объектами и классами системы.
Шаблоны проектирования могут использоваться при общении разработчиков для быстрого разъяснения принятых архитектурных решений.
При разработке больших программ сложность нарастает лавинообразно. Если не предпринимать упреждающих действий, в определенный момент времени дальнейшая разработка программы станет чрезвычайно трудоемкой и дорогой. Любое изменение будет влиять на множество частей программы и приводить к трудно прогнозируемым результатам.
Шаблоны проектирования − это мощный инструмент борьбы со сложностью программ. Используя шаблоны проектирования, программист получает систему с предсказуемыми характеристиками и экономит значительный объем времени. Шаблон проектирования − это не готовое решение, которое может быть скопировано в код, шаблон должен быть вписан в архитектуру с учетом особенностей разрабатываемого программного продукта.
Начинающим программистам следует помнить, что шаблоны проектирования − это решения, которые применяются при разработке больших программ. Написание программы для расчета площади круга или прямоугольника с использованием шаблонов проектирования так же нелепо, как и применение башенного крана при постройке собачьей конуры. В этом случае программный код, относящийся к шаблонам проектирования, будет многократно превосходить по объему код, отвечающий непосредственно за решение задачи.
Разрабатывая программу, следует соотносить применяемые методы со сложностью задачи, и знание шаблонов проектирования будет значительным подспорьем разработчику.
Шаблоны проектирования можно разделить на три группы: порождающие шаблоны, шаблоны поведения и структурные шаблоны.
6.1 Порождающие шаблоны
Порождающие шаблоны описывают различные способы создания объектов в программе при условии сохранения гибкости и независимости от конкретных типов. К порождающим шаблонам относятся: фабричный метод (factory method), абстрактная фабрика (abstract factory), строитель (builder), прототип (prototype), одиночка (singleton) и пул объектов (object pool).
Шаблон "фабричный метод" (factory method) предназначен для создания объектов. Он переносит процесс создания в специальный класс − фабрику, отвечающую за создание объектов конкретного типа. Это делает систему независимой от типа создаваемых объектов, так как имя класса не прописывается жестко в коде программы, а задается с помощью идентификатора перечислимого или строкового типа. Существует вариант фабричного метода, основанный на создании статического метода в базовом классе иерархии.
Шаблон "абстрактная фабрика" (abstract factory) предназначен для создания множества взаимосвязанных объектов. Примером таких объектов могут быть элементы графического интерфейса для различных операционных систем или библиотек графического интерфейса: кнопка − button, надпись − label, текстовое поле − text field и так далее. Абстрактная фабрика позволяет отделить процесс создания элементов управления для конкретной системы от их непосредственного использования.
Шаблон "строитель" (builder) применяется для конструирования сложного объекта. Известна последовательность действий для создания объекта, при этом конкретный строитель может определять содержание этих действий. Данный шаблон позволяет при создании объекта абстрагироваться от его внутренней структуры.
Шаблон "прототип" (prototype) позволяет создавать различные объекты путем их клонирования из эталонного объекта − прототипа. Данный шаблон схож с шаблоном "фабричный метод", однако он предполагает хранение дополнительных экземпляров объектов, которые будут клонироваться.
Шаблон "одиночка" (singleton) отвечает за создание единственного экземпляра некоторого класса и обеспечение централизованного доступа к нему. Данный шаблон позволяет избежать создания глобального объекта класса.
Шаблон "пул объектов" (object pool) позволяет оптимизировать процесс создания объектов за счет хранения отработавших экземпляров и повторного их использования. Создание объектов происходит через запрос к пулу объектов. Если в пуле есть неиспользуемый объект, он будет передан для работы. Если пул пустой, будет создан новый объект. Вместо уничтожения объекты возвращаются в пул. Данный шаблон может быть полезен при работе с объектами, процесс создания которых занимает длительное время. Помимо создания объектов, данный шаблон позволяет контролировать их максимальное количество и проверять наличие невозвращенных объектов в момент завершения программы.