Бьерн Страуструп. Язык программирования С++

---------------------------------------------------------------

Второе дополненное издание

---------------------------------------------------------------

Языки программирования / С++

Бьерн Страуструп

Язык программирования С++

Книга Б. Страуструпа "Язык программирования С++" дает описание языка,

его ключевых понятий и основных приемов программирования на нем. Это

завершенное руководство, написанное создателем языка, которое содержит

описание всех средств С++, в том числе управление исключитель- ными

ситуациями, шаблоны типа (параметризованные типы данных) и мно- жественное

наследование.

Книга делится на три части. Первые десять глав являются учебником,

служащим введением в язык, включая подмножество собственно С. В трех

последующих главах обсуждаются вопросы проектирования и создания

программного обеспечения с помощью С++. Книга завершается полным

справочным руководством по языку.

В книге вы найдете:

* законченный учебник и руководство по языку.

* полное освещение средств языка, нацеленных на абстрактные типы данных

и объектно-ориентированное программирование.

* обсуждение программистских и технических вопросов, возникающих в про-

цессе проектирования и создания больших программных систем.

* описание способов построения библиотек высокого класса.

* примеры реализации ключевых типов данных, определяемых пользователем,

таких как графические объекты, ассоциативные массивы и потоки ввода-

вывода.

Эта книга будет хорошим помощником опытному программисту, решившему

использовать С++ для нетривиальных задач. Ее можно считать ключевой в

любом собрании книг по С++.

Об авторе книги:

Бьерн Страуструп является разработчиком языка С++ и создателем первого

транслятора. Он - сотрудник научно-исследовательского вычислительного

центра AT&T Bell Laboratories в Мюррей Хилл (Нью-Джерси, США). Он получил

звание магистра математики и вычислительной техники в университете г.

Аарус (Дания), а докторское звание по вычислительной технике в

кэмбриджском университете (Англия). Он специализируется в области рас-

пределенных систем, операционных систем, моделирования и программиро-

вания. Вместе с М. А. Эллис он является автором полного руководства по

языку С++ - "Руководство по С++ с примечаниями".

ПРЕДИСЛОВИЕ

"А дорога идет все дальше и дальше"

(Бильбо Бэгинз)

Как было обещано в первом издании книги, запросы пользователей

определили развитие С++. Его направлял опыт широкого круга пользователей,

работающих в разных областях программирования. За шесть лет, отделяющих

нас от первого издания описания С++, число пользователей возросло в сотни

раз. За эти годы были усвоены многие уроки, были предложены и подтвердили

практикой свое право на существование различные приемы программирования. О

некоторых из них и пойдет речь ниже.

Сделанные за эти шесть лет расширения языка прежде всего были

направлены на повышение выразительности С++ как языка абстракции данных и

объектно-ориентированного программирования вообще и как средства для

создания высококачественных библиотек с пользовательскими типами данных в

частности. Библиотекой высокого качества мы считаем библиотеку,

позволяющую пользователю определять с помощью классов понятия, работа с

которыми сочетает удобство, эффективность и надежность. Под надежностью

понимается то, что класс предоставляет защищенный по типам интерфейс между

пользователями библиотеки и ее разработчиками. Эффективность предполагает,

что использование классов не влечет за собой больших накладных расходов по

памяти или времени по сравнению с "ручными" программами на С.

Эта книга является полным описанием языка С++. Главы с 1 по 10

представляют собой учебник, знакомящий с языком. В главах с 11 по 13

обсуждаются вопросы проектирования и развития программного обеспечения.

Завершается книга справочным руководством по языку С++. Естественно, что

все расширения языка и способы их использования, которые появились после

выхода в свет первого издания, являются частью изложения. К ним относятся

уточненные правила для разрешения перегрузки имени, средства управления

памятью и средства контроля доступа, надежная по типам процедура

связывания, статические и постоянные функции-члены, абстрактные классы,

множественное наследование, шаблоны типов и обработка особых ситуаций.

С++ является языком программирования общего назначения.

Естественная для него область применения - системное программирование,

понимаемое в широком смысле этого слова. Кроме того, С++ успешно

используется во многих областях приложения, далеко выходящих за

указанные рамки. Реализации С++ теперь есть на всех машинах, начиная

с самых скромных микрокомпьютеров - до самых больших супер-ЭВМ, и

практически для всех операционных систем. Поэтому книга дает лишь описание

собственно языка, не объясняя особенности конкретных реализаций, среды

программирования или библиотек.

Читатель найдет в книге много примеров с классами, которые, несмотря

на несомненную пользу, можно считать игрушечными. Такой стиль изложения

позволяет лучше выделить основные понятия и полезные приемы, тогда как в

настоящих, законченных программах они были бы скрыты массой деталей. Для

большинства предложенных здесь классов, как то связанные списки, массивы,

строки символов, матрицы, графические классы, ассоциативные массивы и

т.д., - приводятся версии "со 100% гарантией" надежности и правильности,

полученные на основе классов из самых разных коммерческих и некоммерческих

программ. Многие из "промышленных" классов и библиотек получились как

прямые или косвенные потомки игрушечных классов, приводимых здесь как

примеры.

В этом издании книги по сравнению с первым больше внимания уделено

задаче обучения. Вместе с тем, уровень изложения в равной мере учитывает и

опытных программистов, ни в чем не умаляя их знаний и профессионализма.

Обсуждение вопросов проектирования сопровождается более широкой подачей

материала, выходящей за рамки описаний конструкций языка и способам их

использования. В этом издании приводится больше технических деталей и

повышена строгость изложения. В особенности это относится к справочному

руководству, которое вобрало в себя многолетний опыт работы в этом

направлении. Предполагалось создать книгу с достаточно высоким уровнем

изложения, которая бы служила программистам не только книгой для чтения.

Итак, перед вами книга с описанием языка С++, его основных принципов и

методов программирования. Надеемся, что она доставит вам радость.

Выражение признательности

Кроме лиц, перечисленных в соответствующем разделе предисловия к

первому изданию книги, мне хотелось бы выразить свою благодарность Элу

Эхо, Стиву Бароффу, Джиму Коплину, Тому Хансену, Петеру Джаглу, Брайану

Кернигану, Эндрю Кенигу, Биллу Леггету, Лоррейн Мингаччи, Уоррену

Монтгомери, Майку Моубри, Робу Мюррею, Джонатану Шапиро, Майку Вилоту и

Петеру Вейнбергу за комментарии черновых вариантов второго издания книги.

В развитии языка С++ за период от 1985 до 1991 гг. принимали участие

многие специалисты. Я могу упомянуть лишь нескольких из них: Эндрю Кенига,

Брайана Кернигана, Дага Макилроя и Джонатана Шапиро. Кроме того, выражаю

признательность многим участникам создания справочного руководства С++,

предложившим свои варианты, а также тем, с кем довелось нести тяжкую ношу

в течение первого года работы комитета X3J16 по стандартизации языка С++.

Мюррей-Хилл, шт.Нью Джерси Бьерн Страуструп

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

"Язык образует среду мышления и формирует

представление о том, о чем мы думаем".

(Б.Л.Уорф)

С++ - язык общего назначения и задуман для того, чтобы настоящие

программисты получили удовольствие от самого процесса программирования.

За исключением второстепенных деталей он содержит язык С как подмножество.

Язык С расширяется введением гибких и эффективных средств, предназначенных

для построения новых типов. Программист структурирует свою задачу,

определив новые типы, которые точно соответствуют понятиям предметной

области задачи. Такой метод построения программы обычно называют

абстракцией данных. Информация о типах содержится в некоторых объектах

типов, определенных пользователем. С такими объектами можно работать

надежно и просто даже в тех случаях, когда их тип нельзя установить на

стадии трансляции. Программирование с использованием таких объектов обычно

называют объектно-ориентированным. Если этот метод применяется правильно,

то программы становятся короче и понятнее, а сопровождение их упрощается.

Ключевым понятием С++ является класс. Класс - это определяемый

пользователем тип. Классы обеспечивают упрятывание данных, их

инициализацию, неявное преобразование пользовательских типов, динамическое

задание типов, контролируемое пользователем управление памятью и средства

для перегрузки операций. В языке С++ концепции контроля типов и модульного

построения программ реализованы более полно, чем в С. Кроме того, С++

содержит усовершенствования, прямо с классами не связанные: символические

константы, функции-подстановки, стандартные значения параметров функций,

перегрузка имен функций, операции управления свободной памятью и ссылочный

тип. В С++ сохранены все возможности С эффективной работы с основными

объектами, отражающими аппаратную "реальность" (разряды, байты, слова,

адреса и т.д.). Это позволяет достаточно эффективно реализовывать

пользовательские типы.

Как язык, так и стандартные библиотеки С++ проектировались в расчете

на переносимость. Имеющиеся реализации языка будут работать в большинстве

систем, поддерживающих С. В программах на С++ можно использовать

библиотеки С. Большинство служебных программ, рассчитанных на С, можно

использовать и в С++.

Данная книга в первую очередь рассчитана на профессиональных

программистов, желающих изучить новый язык и использовать его для

нетривиальных задач. В книге дается полное описание С++, содержится много

завершенных примеров и еще больше фрагментов программ.

Выражение признательности

Язык С++ никогда бы не стал реальностью без, если бы постоянно не

использовались предложения и советы и не учитывалась конструктивная

критика со стороны многих друзей и коллег. Особенно следует упомянуть Тома

Карджила, Джима Копли, Стью Фельдмана, Сэнди Фрэзера, Стива Джонсона,

Брайана Кернигана, Барта Локанти, Дага Макилроя, Дэнниса Ритчи, Лэрри

Рослера, Джерри Шварца и Джона Шапиро, которые внесли важные для развития

языка идеи. Дэйв Пресотто реализовал текущую версию библиотеки потокового

ввода/вывода.

Свой вклад в развитие С++ и создание транслятора внесли сотни людей,

которые присылали мне предложения по совершенствованию языка, описания

трудностей, с которыми они сталкивались, и ошибки транслятора. Здесь я

могу упомянуть лишь некоторых из них: Гари Бишопа, Эндрю Хьюма, Тома

Карцеса, Виктора Миленковича, Роба Мюррэя, Леони Росс, Брайана Шмальта и

Гарри Уокера.

Многие участвовали в подготовке книги к изданию, особенно Джон Бентли,

Лаура Ивс, Брайан Керниган, Тэд Ковальски, Стив Махани, Джон Шапиро и

участники семинара по языку С++, который проводился фирмой Bell Labs в

Колумбии, Огайо, 26-27 июня 1985 г.

Мюррей-Хилл, шт.Нью-Джерси Бьерн Страуструп

Предварительные замечания

"О многом - молвил Морж,-

пришла пора поговорить ".

Л.Кэрролл

Данная глава содержит краткий обзор книги, список литературы и

некоторые дополнительные замечания о языке С++. Замечания касаются истории

создания С++, идей, которые оказали существенное влияние на разработку

языка, и некоторых мыслей по поводу программирования на С++. Эта глава не

является введением; приведенные замечания не являются необходимыми для

понимания последующих глав. Некоторые из них предполагают знакомство

читателя с С++.

Структура книги

Книга состоит из трех частей. Главы с 1 по 10 являются учебником по

языку. В главах с 11 по 13 обсуждаются вопросы проектирования и развития

программного обеспечения с учетом возможностей С++. В конце книги

приведено полное справочное руководство по языку. Исчерпывающее описание

конструкций С++ содержится только там. Учебная часть книги содержит

примеры, советы, предостережения и упражнения, для которых не нашлось

места в руководстве.

Книга в основном посвящена вопросу, как с помощью языка C++

структурировать программу, а не вопросу, как записать на нем алгоритм.

Следовательно, там, где можно было выбирать, предпочтение отдавалось не

профессиональным, но сложным для понимания, а тривиальным алгоритмам. Так

в одном из примеров используется пузырьковая сортировка, хотя алгоритм

быстрой сортировки больше подходит для настоящей программы. Часто

написать ту же программу, но с более эффективным алгоритмом, предлагается

в виде упражнения.

Глава 1 содержит краткий обзор основных концепций и конструкций С++.

Она позволяет познакомиться с языком в общих чертах. Подробные объяснения

конструкций языка и способов их применения содержатся в последующих

главах. Обсуждаются в первую очередь средства, обеспечивающие абстракцию

данных и объектно-ориентированное программирование. Основные средства

процедурного программирования упоминаются кратко.

В главах 2, 3 и 4 описываются средства С++, которые не используются

для определения новых типов: основные типы, выражения и структуры

управления. Другими словами, эти главы содержат описание той части языка,

которая по сути представляет С. Изложение в указанных главах идет в

углубленном виде.

Главы 5 - 8 посвящены средствам построения новых типов, которые не

имеют аналогов в С. В главе 5 вводится основное понятие - класс. В ней

показано, как можно определять пользовательские типы (классы),

инициализировать их, обращаться к ним, и, наконец, как уничтожать их.

Глава 6 посвящена понятию производных классов, которое позволяет строить

из простых классов более сложные. Оно дает также возможность эффективной и

безопасной (в смысле типа) работы в тех ситуациях, когда типы объектов на

стадии трансляции неизвестны. В главе 7 объясняется, как можно определить

унарные и бинарные операции для пользовательских типов, как задавать

преобразования таких типов, и каким образом можно создавать, копировать и

удалять объекты, представляющие пользовательские типы. Глава 8 посвящена

шаблонам типа, т.е. такому средству С++, которое позволяет определить

семейство типов и функций.

В главе 9 обсуждается обработка особых ситуаций, рассматриваются

возможные реакции на ошибки и методы построения устойчивых к ошибкам

систем. В главе 10 определяются классы ostream и istream, предоставляемые

стандартной библиотекой для потокового ввода-вывода.

Главы 11 - 13 посвящены вопросам, связанным с применением С++ для

проектирования и реализации больших программных систем. В главе 11 в

основном рассматриваются вопросы проектирования и управления программными

проектами. В главе 12 обсуждается взаимосвязь между языком С++ и

проблемами проектирования. В главе 13 показаны способы создания библиотек.

Завершается книга справочным руководством по С++.

Ссылки на различные части книги даются в виде $$2.3.4, что означает