Язык Программирования C++. Вводный курс [rus]

#include <iostream> void swap( int, int );

int main() { int i = 10; int j = 20;

cout << "Перед swap():\ti: "

<< i << "\tj: " << j << endl; swap( i, j );

cout << "После swap():\ti: "

<< i << "\tj: " << j << endl; return 0;

}

Результат выполнения программы:

Достичь желаемого можно двумя способами. Первый – объявление параметров

//pswap() обменивает значения объектов,

//адресуемых указателями vl и v2

void pswap( int *vl, int *v2 ) { int tmp = *v2;

*v2 = *vl; *vl = tmp;

указателями. Вот как будет выглядеть реализация swap() в этом случае:

}

Функция main() тоже нуждается в модификации. Вместо передачи самих объектов необходимо передавать их адреса:

pswap( &i, &j );

Теперь программа работает правильно:

Альтернативой может стать объявление параметров ссылками. В данном случае реализация swap() выглядит так:

//rswap() обменивает значения объектов,

//на которые ссылаются vl и v2

void rswap( int &vl, int &v2 ) { int tmp = v2;

v2 = vl; vl = tmp;

}

Вызов этой функции из main() аналогичен вызову первоначальной функции swap():

rswap( i, j );

Выполнив программу main(), мы снова получим верный результат.

7.3.1. Параметры-ссылки

Использование ссылок в качестве параметров модифицирует стандартный механизм передачи по значению. При такой передаче функция манипулирует локальными копиями аргументов. Используя параметры-ссылки, она получает l-значения своих аргументов и может изменять их.

В каких случаях применение параметров-ссылок оправданно? Во-первых, тогда, когда без использования ссылок пришлось бы менять типы параметров на указатели (см. приведенную выше функцию swap()). Во-вторых, при необходимости вернуть из функции несколько значений. В-третьих, для передачи большого объекта типа класса. Рассмотрим два последних случая подробнее.

Как пример функции, использующей параметр-ссылку для возврата дополнительного значения, возьмем look_up(), которая будет искать заданную величину в векторе целых чисел. В случае успеха look_up() вернет итератор, указывающий на найденный элемент, иначе – на элемент, расположенный за конечным. Если величина содержится в векторе несколько раз, итератор будет указывать на первое вхождение. Кроме того, дополнительный параметр-ссылка occurs возвращает количество найденных элементов.

#include <vector>

//параметр-ссылка 'occurs'

//содержит второе возвращаемое значение

vector<int>::const_iterator look_up( const vector<int> &vec,

{

//res_iter инициализируется значением

//следующего за конечным элемента

vector<int>::const_iterator res_iter = vec.end(); occurs = 0;

for ( vector<int>::const_iterator iter = vec.begin(); iter != vec.end();

++iter )

if ( *iter == value )

{

if ( res_iter == vec.end() ) res_iter = iter;

++occurs;

}

return res_iter;

}

Третий случай, когда использование параметра-ссылки может быть полезно, – это большой объект типа класса в качестве аргумента. При передаче по значению объект будет копироваться целиком при каждом вызове функции, что для больших объектов может привести к потере эффективности. Используя параметр-ссылку, функция получает доступ к той области памяти, где размещен сам объект, без создания дополнительной

class Huge { public: double stuff[1000]; }; extern int calc( const Huge & );

int main() {

Huge table[ 1000 ];

// ... инициализация table

int sum = 0;

for ( int ix=0; ix < 1000; ++ix )

//calc() ссылается на элемент массива

//типа Huge

sum += calc( tab1e[ix] );

// ...

копии. Например:

}

Может возникнуть желание использовать параметр-ссылку, чтобы избежать создания копии большого объекта, но в то же время не дать вызываемой функции возможности изменять значение аргумента. Если параметр-ссылка не должен модифицироваться внутри функции, то стоит объявить его как ссылку на константу. В такой ситуации

компилятор способен распознать и пресечь попытку непреднамеренного изменения значения аргумента.

В следующем примере нарушается константность параметра xx функции foo(). Поскольку параметр функции foo_bar() не является ссылкой на константу, то нет гарантии, что вызов foo_bar() не изменит значения аргумента. Компилятор

class X;

extern int foo_bar( X& );

int foo( const X& xx ) {

//ошибка: константа передается

//функции с параметром неконстантного типа return foo_bar( xx );

сигнализирует об ошибке:

}

Для того чтобы программа компилировалась, мы должны изменить тип параметра

extern int foo_bar( const X& );

foo_bar(). Подойдет любой из следующих двух вариантов: extern int foo_bar( X ); // передача по значению

int foo( const X &xx ) { // ...

X x2 = xx; // создать копию значения

//foo_bar() может поменять x2,

//xx останется нетронутым

return foo_bar( x2 ); // правильно

Вместо этого можно передать копию xx, которую позволено менять:

}

Параметр-ссылка может именовать любой встроенный тип данных. В частности, разрешается объявить параметр как ссылку на указатель, если программист хочет изменить значение самого указателя, а не объекта, который он адресует. Вот пример

void ptrswap( int *&vl, int *&v2 ) { int *trnp = v2;

v2 = vl; vl = tmp;

функции, обменивающей друг с другом значения двух указателей:

}

Объявление

int *&v1;

должно читаться справа налево: v1 является ссылкой на указатель на объект типа int. Модифицируем функцию main(), которая вызывала rswap(), для проверки работы

#include <iostream>

void ptrswap( int *&vl, int *&v2 );

int main() { int i = 10; int j = 20;

int *pi = &i; int *pj = &j;

cout << "Перед ptrswap():\tpi: "

<< *pi << "\tpj: " << *pj << endl;

ptrswap( pi, pj );

cout << "После ptrswap():\tpi: "

<< *pi << "\tpj: " << pj << endl;

return 0;

ptrswap():

}

Вот результат работы программы:

7.3.2. Параметры-ссылки и параметры-указатели

Когда же лучше использовать параметры-ссылки, а когда – параметры-указатели? В конце концов, и те и другие позволяют функции модифицировать объекты, эффективно передавать в функцию большие объекты типа класса. Что выбрать: объявить параметр ссылкой или указателем?

Как было сказано в разделе 3.6, ссылка может быть один раз инициализирована значением объекта, и впоследствии изменить ее нельзя. Указатель же в течение своей жизни способен адресовать разные объекты или не адресовать вообще.

Поскольку указатель может содержать, а может и не содержать адрес какого-либо

class X;

void manip( X *px )

{

// проверим на 0 перед использованием if ( px != 0 )

// обратимся к объекту по адресу...

объекта, перед его использованием функция должна проверить, не равен ли он нулю:

}

int main() { Type obj1;

//присвоим objl некоторое значение

//ошибка: ссылка не может быть равной 0 Type obj2 = operate( objl, 0 );

объект. Например:

}

Если параметр должен ссылаться на разные объекты во время выполнения функции или принимать нулевое значение (ни на что не ссылаться), нам следует использовать указатель.

Одна из важнейших сфер применения параметров-ссылок – эффективная реализация перегруженных операций. При этом использование операций остается простым и интуитивно понятным. (Подробнее данный вопрос рассматривается в главе 15.) Разберем маленький пример. Представим себе класс Matrix (матрица). Хорошо бы реализовать

Matrix a, b, c;

операции сложения и присваивания “привычным” способом: c = a + b;

Эти операции реализуются с помощью перегруженных операторов – функций с немного необычным именем. Для оператора сложения такая функция будет называться

Matrix result;

// необходимые действия return result;

operator+. Посмотрим, как ее определить:

}

При такой реализации сложение двух объектов типа Matrix выглядит вполне привычно:

a + b;

но, к сожалению, оказывается совершенно неэффективным. Заметим, что параметры у нас передаются по значению. Содержимое двух матриц будет копироваться в область активации функции operator+(), а поскольку объекты типа Matrix весьма велики, затраты времени и памяти на создание копий могут быть совершенно неприемлемыми.

Представим себе, что мы решили использовать указатели в качестве параметров, чтобы

// реализация с параметрами-указателями operator+( Matrix *ml, Matrix *m2 )

{

Matrix result;

// необходимые действия return result;

избежать этих затрат. Вот модифицированный код operator+():

}

Да, мы добились эффективной реализации, но зато теперь применение нашей операции вряд ли можно назвать интуитивно понятным. В качестве значений параметров- указателей требуется передавать адреса складываемых объектов. Поэтому для сложения двух матриц пришлось бы написать:

&a + &b; // допустимо, хотя и плохо

Хотя такая форма не может не вызвать критику, но все-таки два объекта сложить еще

//а вот это не работает

//&a + &b возвращает объект типа Matrix

удается. А вот три уже крайне затруднительно:

&a + &b + &c;

// правильно: работает, однако ...

Для того чтобы сложить три объекта, при подобной реализации нужно написать так:

&( &a + &b ) + &c;

Трудно ожидать, что кто-нибудь согласится писать такие выражения. К счастью, параметры-ссылки дают именно то решение, которое требуется. Если параметр объявлен как ссылка, функция получает его l-значение, а не копию. Лишнее копирование исключается. И тип фактического аргумента может быть Matrix – это упрощает операцию сложения, как и для встроенных типов. Вот схема перегруженного оператора

// реализация с параметрами-ссылками operator+( const Matrix &m1, const Matrix &m2 )

{

Matrix result;

// необходимые действия return result;

сложения для класса Matrix:

}

При такой реализации сложение трех объектов Matrix выглядит вполне привычно:

7.3.3. Параметры-массивы

Массив в С++ никогда не передается по значению, а только как указатель на его первый, точнее нулевой, элемент. Например, объявление

void putValues( int[ 10 ] );

рассматривается компилятором так, как будто оно имеет вид void putValues( int* );

Размер массива неважен при объявлении параметра. Все три приведенные записи

// три эквивалентных объявления putValues() void putValues( int* );

void putValues( int[] );

эквивалентны:

void putValues( int[ 10 ] );

Передача массивов как указателей имеет следующие особенности:

∙ изменение значения аргумента внутри функции затрагивает сам переданный объект, а не его локальную копию. Если такое поведение нежелательно, программист должен позаботиться о сохранении исходного значения. Можно также при объявлении функции указать, что она не должна изменять значение параметра, объявив этот параметр константой:

void putValues( const int[ 10 ] );

∙ размер массива не является частью типа параметра. Поэтому функция не знает реального размера передаваемого массива. Компилятор тоже не может это

void putValues( int[ 10 ] ); // рассматривается как int* int main() {

int i, j [ 2 ];

putValues( &i ); // правильно: &i is int*;

// однако при выполнении возможна ошибка putValues( j ); // правильно: j - адрес 0-го элемента - int*;

проверить. Рассмотрим пример:

// однако при выполнении возможна ошибка

При проверке типов параметров компилятор способен распознать, что в обоих случаях тип аргумента int* соответствует объявлению функции. Однако контроль за тем, не является ли аргумент массивом, не производится.

По принятому соглашению C-строка является массивом символов, последний элемент которого равен нулю. Во всех остальных случаях при передаче массива в качестве параметра необходимо указывать его размер. Это относится и к массивам символов, внутри которых встречается 0. Обычно для такого указания используют дополнительный

void putValues( int[], int size ); int main() {

int i, j[ 2 ]; putValues( &i, 1 ); putValues( j, 2 ); return 0;

параметр функции. Например:

}

putValues() печатает элементы массива в следующем формате:

( 10 )< 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 >

где 10 – это размер массива. Вот как выглядит реализация putValues(), в которой

#include <iostream>

const lineLength =12; // количество элементов в строке void putValues( int *ia, int sz )

{

cout << "( " << sz << " )< "; for (int i=0;i<sz; ++i )

{

if ( i % lineLength == 0 && i )

cout << "\n\t"; // строка заполнена

cout << ia[ i ];

//разделитель, печатаемый после каждого элемента,

//кроме последнего

if ( i % lineLength != lineLength-1 && i != sz-1 )

cout << ", ";

}

cout << " >\n";

используется дополнительный параметр:

}

Другой способ сообщить функции размер массива-параметра – объявить параметр как ссылку. В этом случае размер становится частью типа, и компилятор может проверить аргумент в полной мере.

// параметр - ссылка на массив из 10 целых void putValues( int (&arr)[10] );

int main() {

int i, j [ 2 ]; putValues(i); // ошибка:

// аргумент не является массивом из 10 целых putValues(j); // ошибка:

// аргумент не является массивом из 10 целых

return 0;

}

Поскольку размер массива теперь является частью типа параметра, новая версия putValues() способна работать только с массивами из 10 элементов. Конечно, это

#include <iostream>

void putValues( int (&ia)[10] )

{

cout << "( 10 )< ";

for ( int 1 =0; i < 10; ++i ) { cout << ia[ i ];

// разделитель, печатаемый после каждого элемента, // кроме последнего

if ( i != 9 ) cout << ", ";

}

cout << " >\n";

ограничивает ее область применения, зато реализация значительно проще:

}

Еще один способ получить размер переданного массива в функции – использовать абстрактный контейнерный тип. (Такие типы были представлены в главе 6. В следующем подразделе мы поговорим об этом подробнее.)

Хотя две предыдущих реализации putValues() правильны, они обладают серьезными недостатками. Так, первый вариант работает только с массивами типа int. Для типа double* нужно писать другую функцию, для long* – еще одну и т.д. Второй вариант производит операции только над массивом из 10 элементов типа int. Для обработки массивов разного размера нужны дополнительные функции. Лучшим решением было бы использовать шаблон – функцию, или, скорее, обобщенную реализацию кода целого семейства функций, которые отличаются только типами обрабатываемых данных. Вот как можно сделать из первого варианта putValues() шаблон, способный работать с

template <class Type>

void putValues( Type *ia, int sz )

{

// так же, как и раньше

массивами разных типов и размеров:

}

Параметры шаблона заключаются в угловые скобки. Ключевое слово class означает, что идентификатор Type служит именем параметра, при конкретизации шаблона функции