Из истории создания C++
Язык C++ — единственный (из самых значительных) язык программирования, который может освоить любой программист. Это может показаться очень серьезным заявлением, но оно — не преувеличение. C++ — это центр притяжения, вокруг которого "вращается" всё современное программирование. Его синтаксис и принципы разработки определяют суть объектно-ориентированного программирования. Более того, C++ проложил "лыжню" для разработки языков будущего. Например, как Java, так и C# — прямые потомки языка C++. Сегодня быть профессиональным программистом высокого класса означает быть компетентным в C++. C++ — это ключ к современному программированию.
Истоки C++
История создания C++ начинается с языка С. И немудрено: C++ построен на фундаменте С. C++ и в самом деле представляет собой супермножество языка С. (Все компиляторы C++ можно использовать для компиляции С-программ.) C++ можно назвать расширенной и улучшенной версией языка С, в которой реализованы принципы объектно-ориентированного программирования. Чтобы до конца понять и оценить достоинства C++, необходимо понять все "как" и "почему" в отношении языка С.
Создание языка С
Появление языка С потрясло компьютерный мир. Его влияние нельзя было переоценить, поскольку он коренным образом изменил подход к программированию и его восприятие. Язык С стал считаться первым современным "языком программиста".
Язык С быстро завоевал умы и сердца многочисленных приверженцев, у которых возникло к новому языку почти религиозное чувство, что способствовало быстрому и широкому его распространению в сообществе программистов. Короче говоря, С — это язык, который разработан программистами для программистов.
Язык С изобрел Дэнис Ритчи (Dennis Ritchie) для компьютера PDP-11 (разработка компании DEC — Digital Equipment Corporation), который работал под управлением операционной системы (ОС) UNIX. Язык С — это результат процесса разработки, который сначала был связан с другим языком — BCPL, созданным Мартином Ричардсом (Martin Richards). Язык BCPL индуцировал появление языка, получившего название В (его автор — Кен Томпсон (Ken Thompson)), который в свою очередь привел к разработке языка С. Это случилось в начале 70-х годов.
На протяжении многих лет стандартом для языка С де-факто служил язык, поддерживаемый ОС UNIX и описанный в книге Брайана Кернигана (Brian Kernighan) и Дэниса Ритчи The С Programming Language (Prentice-Hall, 1978). Однако формальное отсутствие стандарта стало причиной расхождений между различными реализациями языка С. Чтобы изменить ситуацию, в начале лета 1983 г. был учрежден комитет по созданию ANSI-стандарта, призванного — раз и навсегда — определить язык С. Конечная версия этого стандарта была принята в декабре 1989. Эта версия языка С получила название С89, и именно она явилась фундаментом, на котором был построен язык C++.
На заметку: Стандарт С был обновлен в 1999 году, и эта версия языка С получила название С99. Новый стандарт содержит ряд новых средств, причем некоторые из них позаимствованы из C++, тем не менее они полностью совместимы с оригинальным стандартом С89. Именно стандарт С89 послужил основой для создания языка C++.
Язык С часто называют компьютерным языком "среднего уровня". Применительно к С это определение не имеет негативного оттенка, поскольку оно отнюдь не означает, что язык С менее мощный и развитый (по сравнению с языками "высокого уровня") или его сложно использовать (подобно ассемблеру). С называют языком среднего уровня, поскольку он сочетает элементы языков высокого уровня (например Pascal, Modula-2 или Visual Basic) с функциональностью ассемблера.
С точки зрения теории в язык высокого уровня заложено стремление дать программисту все, что он может захотеть, в виде встроенных средств. Язык низкого уровня не обеспечивает программиста ничем, кроме доступа к реальным машинным командам. Язык среднего уровня предоставляет программистам некоторый (небольшой) набор инструментов, позволяя им самим разрабатывать конструкции более высокого уровня. Другими словами, язык среднего уровня предлагает программисту встроенную мощь в сочетании с гибкостью.
Будучи языком среднего уровня, С позволяет манипулировать битами, байтами и адресами, т.е. базовыми элементами, с которыми работает компьютер. Таким образом, в С не предусмотрена попытка отделить аппаратные средства компьютера от программных.
Язык С позволяет программисту определять подпрограммы для выполнения операций высокого уровня. Эти подпрограммы называются функциями. Функции имеют очень большое значение для языка С. Их можно назвать строительными блоками С. Программист может без особых усилий создать библиотеку функций, предназначенную для выполнения различных задач, которые используются его программой. В этом смысле программист может персонализировать С в соответствии со своими потребностями.
Необходимо упомянуть еще об одном аспекте языка С, который очень важен для C++: С — структурированный язык. Самой характерной особенностью структурированного языка является использование блоков. Блок — это набор инструкций, которые логически связаны между собой. Например, представьте себе инструкцию IF, которая при успешной проверке своего выражения должна выполнить пять отдельных инструкций. А если эти инструкции (специальным образом) сгруппировать и обращаться к ним как к единому целому, то такая группа образует блок.
Структурированный язык поддерживает концепцию подпрограмм и локальных переменных. Локальная переменная — это обычная переменная, которая известна только подпрограмме, в которой она определена. Структурированный язык также поддерживает ряд таких циклических конструкций, как while, do-while и for.
Структурированный язык позволяет структурировать текст программы, т.е. делать отступы при написании инструкций, и не требует строгой привязки к полям, как это реализовано в ранних версиях языка FORTRAN.
Наконец (и это, возможно, самое важное), язык С не несет ответственности за действия программиста. Основной принцип С состоит в том, чтобы позволить программисту делать все, что он хочет, но за последствия, т.е. за все, что делает программа (пусть даже очень необычное, что-то из ряда вон или даже подозрительное), отвечает не язык, а программист. Язык С предоставляет программисту практически полную власть над компьютером, но эта власть ложится на его плечи тяжким бременем ответственности.
Предпосылки возникновения языка C++
Приведенная выше характеристика языка С может вызвать справедливое недоумение: зачем же тогда, мол, был изобретен язык C++? Если С — такой хороший и полезный язык, то почему возникла необходимость в чем-то еще? Оказывается, все дело в сложности. На протяжении всей истории программирования усложнение программ заставляло программистов искать пути, которые бы позволили справиться со сложностью. C++ можно считать одним из способов ее преодоления. Попробуем лучше раскрыть эту взаимосвязь.
Когда (к концу 70-х) к "критической" точке подошло довольно много проектов, стали рождаться новые технологии программирования. Одна из них получила название объектно-ориентированного программирования (ООП). Вооружившись методами ООП, программист мог справляться с программами гораздо большего размера, чем прежде. Но язык С не поддерживал методов ООП. Стремление получить объектно-ориентированную версию языка С в конце концов и привело к созданию C++.
Несмотря на то что язык С был одним из самых любимых и распространенных профессиональных языков программирования, настало время, когда его возможности по написанию сложных программ достигли своего предела. Желание преодолеть этот барьер и помочь программисту легко справляться с еще более сложными программами — вот что стало основной причиной создания C++.
Рождение C++
Итак, C++ появился как ответ на необходимость преодолеть еще большую сложность программ. Он был создан Бьерном Страуструпом (Bjarne Stroustrup) в 1979 году в компании Bell Laboratories (г. Муррей-Хилл, шт. Нью-Джерси). Сначала новый язык получил имя "С с классами" (С with Classes), но в 1983 году он стал называться C++.
C++ полностью включает язык С. Как упоминалось выше, С — это фундамент, на котором был построен C++. Язык C++ содержит все средства и атрибуты С и обладает всеми его достоинствами. Для него также остается в силе принцип С, согласно которому программист, а не язык, несет ответственность за результаты работы своей программы. Именно этот момент позволяет понять, что изобретение C++ не было попыткой создать новый язык программирования. Это было скорее усовершенствование уже существующего (и при этом весьма успешного) языка.
Большинство новшеств, которыми Страуструп обогатил язык С, было предназначено для поддержки объектно-ориентированного программирования. По сути, C++ стал объектно-ориентированной версией языка С. Взяв язык С за основу, Страуструп подготовил плавный переход к ООП. Теперь, вместо того, чтобы изучать совершенно новый язык, С-программисту достаточно было освоить только ряд новых средств, и он мог пожинать плоды использования объектно-ориентированной технологии программирования.
Несмотря на то что C++ изначально был нацелен на поддержку очень больших программ, этим, конечно же, его использование не ограничивалось. И в самом деле, объектно-ориентированные средства C++ можно эффективно применять практически к любой задаче программирования. Неудивительно, что C++ используется для создания компиляторов, редакторов, компьютерных игр и программ сетевого обслуживания. Поскольку C++ обладает эффективностью языка С, то программное обеспечение многих высокоэффективных систем построено с использованием C++. Кроме того, C++ — это язык, который чаще всего выбирается для Windows-программирования.
Важно также помнить следующее. Поскольку C++ является супермножеством языка С, то, научившись программировать на C++, вы сможете также программировать и на С! Таким образом, приложив усилия к изучению только одного языка программирования, вы в действительности изучите сразу два.
Эволюция C++
С момента изобретения C++ претерпел три крупных переработки, причем каждый раз язык как дополнялся новыми средствами, так и в чем-то изменялся. Первой ревизии он был подвергнут в 1985 году, а второй — в 1990. Третья ревизия имела место в процессе стандартизации, который активизировался в начале 1990-х. Специально для этого был сформирован объединенный ANSI/ISO-комитет, который 25 января 1994 года принял первый проект предложенного на рассмотрение стандарта. В этот проект были включены все средства, впервые определенные Страуструпом, и добавлены новые. Но в целом он отражал состояние C++ на тот момент времени.
Вскоре после завершения работы над первым проектом стандарта C++ произошло событие, которое заставило значительно расширить существующий стандарт. Речь идет о создании Александром Степановым стандартной библиотеки шаблонов (Standard Template Library — STL). Как вы узнаете позже, STL — это набор обобщенных функций, которые можно использовать для обработки данных. Он довольно большой по размеру. Комитет ANSI/ISO проголосовал за включение STL в спецификацию C++. Добавление STL расширило сферу рассмотрения средств C++ далеко за пределы исходного определения языка.
Однако включение STL, помимо прочего, замедлило процесс стандартизации C++, причем довольно существенно. Помимо STL, в сам язык было добавлено несколько новых средств и внесено множество мелких изменений. Поэтому версия C++ после рассмотрения комитетом по стандартизации стала намного больше и сложнее по сравнению с исходным вариантом Страуструпа. Конечный результат работы комитета датируется 14 ноября 1997 года, а реально ANSI/ISO-стандарт языка C++ увидел свет в 1998 году. Именно эта спецификация C++ обычно называется Standard C++. И именно она описана в этой книге. Эта версия C++ поддерживается всеми основными С++-компиляторами, включая Visual C++ (Microsoft) и C++ Builder (Borland). Поэтому код программ, приведенных в этой книге, полностью применим ко всем современным С++-средам.
Что такое объектно-ориентированное программирование
Поскольку именно принципы объектно-ориентированного программирования были основополагающими для разработки C++, важно точно определить, что они собой представляют. Объектно-ориентированное программирование объединило лучшие идеи структурированного с рядом мощных концепций, которые способствуют более эффективной организации программ. Объектно-ориентированный подход к программированию позволяет разложить задачу на составные части таким образом, что каждая составная часть будет представлять собой самостоятельный объект, который содержит собственные инструкции и данные. При таком подходе существенно понижается общий уровень сложности программ, что позволяет программисту справляться с более сложными программами, чем раньше (т.е. написанными при использовании структурированного программирования).
Все языки объектно-ориентированного программирования характеризуются тремя общими признаками: инкапсуляцией, полиморфизмом и наследованием. Рассмотрим кратко каждый из них (подробно они будут описаны ниже в этой книге).
Инкапсуляция
Ни для кого не секрет, что все программы, как правило, состоят из двух основных элементов: инструкций (кода) и данных. Код — это часть программы, которая выполняет действия, а данные представляют собой информацию, на которую направлены эти действия. Инкапсуляция — это такой механизм программирования, который связывает воедино код и данные, которые он обрабатывает, чтобы обезопасить их как от внешнего вмешательства, так и от неправильного использования.
В объектно-ориентированном языке код и данные могут быть связаны способом, при котором создается самостоятельный черный ящик. В этом "ящике" содержатся все необходимые (для обеспечения самостоятельности) данные и код. При таком связывании кода и данных создается объект, т.е. объект — это конструкция, которая поддерживает инкапсуляцию.
Внутри объекта, код, данные или обе эти составляющие могут быть закрытыми в "рамках" этого объекта или открытыми. Закрытый код (или данные) известен и доступен только другим частям того же объекта. Другими словами, к закрытому коду или данным не может получить доступ та часть программы, которая существует вне этого объекта. Открытый код (или данные) доступен любым другим частям программы, даже если они определены в других объектах. Обычно открытые части объекта используются для предоставления управляемого интерфейса с закрытыми элементами объекта.
Полиморфизм
Полиморфизм (от греческого слова polymorphism, означающего "много форм") — это свойство, позволяющее использовать один интерфейс для целого класса действий. Конкретное действие определяется характерными признаками ситуации. В качестве простого примера полиморфизма можно привести руль автомобиля. Для руля (т.е. интерфейса) безразлично, какой тип рулевого механизма используется в автомобиле. Другим словами, руль работает одинаково, независимо от того, оснащен ли автомобиль рулевым управлением прямого действия (без усилителя), рулевым управлением с усилителем или механизмом реечной передачи. Если вы знаете, как обращаться с рулем, вы сможете вести автомобиль любого типа. Тот же принцип можно применить к программированию. Рассмотрим, например, стек, или список, добавление и удаление элементов к которому осуществляется по принципу "последним прибыл — первым обслужен". У вас может быть программа, в которой используются три различных типа стека. Один стек предназначен для целочисленных значений, второй — для значений с плавающей точкой и третий — для символов. Алгоритм реализации всех стеков — один и тот же, несмотря на то, что в них хранятся данные различных типов. В необъектно-ориентированном языке программисту пришлось бы создать три различных набора подпрограмм обслуживания стека, причем подпрограммы должны были бы иметь различные имена, а каждый набор — собственный интерфейс. Но благодаря полиморфизму в C++ можно создать один общий набор подпрограмм (один интерфейс), который подходит для всех трех конкретных ситуаций. Таким образом, зная, как использовать один стек, вы можете использовать все остальные.
В более общем виде концепция полиморфизма выражается фразой "один интерфейс — много методов". Это означает, что для группы связанных действий можно использовать один обобщенный интерфейс. Полиморфизм позволяет понизить уровень сложности за счет возможности применения одного и того же интерфейса для задания целого класса действий. Выбор же конкретного действия (т.е. функции) применительно к той или иной ситуации ложится "на плечи" компилятора. Вам, как программисту, не нужно делать этот выбор вручную. Ваша задача — использовать общий интерфейс.
Первые языки объектно-ориентированного программирования были реализованы в виде интерпретаторов, поэтому полиморфизм поддерживался во время выполнения программ. Однако C++ — это транслируемый язык (в отличие от интерпретируемого). Следовательно, в C++ полиморфизм поддерживается на уровне как компиляции программы, так и ее выполнения.