Бьярн Страуструп - Язык программирования C++

// table.c: таблица имен и функция поиска

#include "dc.h"

extern char* strcmp(const char*, const char*); extern char* strcpy(char*, const char*); extern int strlen(const char*);

const int TBLSZ = 23; name* table[TBLSZ];

name* look(char* p, int ins) { /* ... */ }

Отметим, что раз строковые функции описаны в самом файле table.c, транслятор не может проверить согласованность этих описаний по типам. Всегда лучше включить соответствующий заголовочный файл, чем описывать в файле .c некоторое имя как extern. Это может привести к включению "слишком многого", но такое включение нестрашно, поскольку не влияет на скорость выполнения программы и ее размер, а программисту позволяет сэкономить время. Допустим, функция strlen() снова описывается в приведенном ниже файле main.c. Это только лишний ввод символов и потенциальный источник ошибок, т.к. транслятор не сможет обнаружить расхождения в двух описаниях strlen() (впрочем, это может сделать редактор связей). Такой проблемы не возникло бы, если бы в файле dc.h содержались все описания extern, как первоначально и предполагалось. Подобная небрежность присутствует в нашем примере, поскольку она типична для программ на С. Она очень естественна для программиста, но часто приводит к ошибкам и таким программам, которые трудно сопровождать. Итак, предупреждение сделано!

Наконец, приведем файл main.c:

// main.c: инициализация, основной цикл, обработка ошибок

#include "dc.h"

double error(char* s) { /* ... */ } extern int strlen(const char*);

int main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }

В одном важном случае заголовочные файлы вызывают большое неудобство. С помощью серии заголовочных файлов и стандартной библиотеки расширяют возможности языка, вводя множество типов (как общих, так и рассчитанных на конкретные приложения; см. главы 5-9). В таком случае текст каждой единицы трансляции может начинаться тысячами строк заголовочных файлов. Содержимое заголовочных файлов библиотеки, как правило, стабильно и меняется редко. Здесь очень пригодился бы претранслятор, который обрабатывает его. По сути, нужен язык специального назначения со своим транслятором. Но устоявшихся методов построения такого претранслятора пока нет.

4.3.2 Множественные заголовочные файлы

Разбиение программы в расчете на один заголовочный файл больше подходит для небольших программ, отдельные части которых не имеют самостоятельного назначения. Для таких программ допустимо, что по заголовочному файлу нельзя определить, чьи описания там находятся и по какой причине. Здесь могут помочь только комментарии. Возможно альтернативное решение: пусть каждая часть программы имеет свой заголовочный файл, в котором определяются средства, предоставляемые другим частям. Теперь для каждого файла .c будет свой файл .h, определяющий, что может предоставить первый. Каждый файл .c будет включать как свой файл .h, так и некоторые другие файлы

.h, исходя из своих потребностей.

Попробуем использовать такую организацию программы для калькулятора. Заметим, что функция error() нужна практически во всех функциях программы, а сама использует только <iostream.h>. Такая ситуация типична для функций, обрабатывающих ошибки. Следует отделить ее от файла main.c:

//error.h: обработка ошибок extern int no_of_errors;

extern double error(const char* s);

//error.c

#include <iostream.h> #include "error.h" int no_of_errors;

102

double error(const char* s) { /* ... */ }

При таком подходе к разбиению программы каждую пару файлов .c и .h можно рассматривать как модуль, в котором файл .h задает его интерфейс, а файл .c определяет его реализацию.

Таблица имен не зависит ни от каких частей калькулятора, кроме части обработки ошибок. Теперь этот факт можно выразить явно:

//table.h: описание таблицы имен struct name {

char* string; name* next; double value;

};

extern name* look(const char* p, int ins = 0);

inline name* insert(const char* s) { return look(s,1); }

//table.h: определение таблицы имен

#include "error.h" #include <string.h>

#include "table.h" const int TBLSZ = 23; name* table[TBLSZ];

name* look(const char* p, int ins) { /* ... */ }

Заметьте, что теперь описания строковых функций берутся из включаемого файла <string.h>. Тем самым удален еще один источник ошибок.

// lex.h: описания для ввода и лексического анализа

};

extern token_value curr_tok; extern double number_value; extern char name_string[256]; extern token_value get_token();

Интерфейс с лексическим анализатором достаточно запутанный. Поскольку недостаточно соответствующих типов для лексем, пользователю функции get_token() предоставляются те же буферы number_value и name_string, с которыми работает сам лексический анализатор.

// lex.c: определения для ввода и лексического анализа

#include <iostream.h> #include <ctype.h>

#include "error.h"

#include "lex.h" token_value curr_tok; double number_value; char name_string[256];

token_value get_token() { /* ... */ }

Интерфейс с синтаксическим анализатором определен четко:

//syn.h: описания для синтаксического анализа и вычислений extern double expr();

extern double term(); extern double prim();

//syn.c: определения для синтаксического анализа и вычислений

#include "error.h" #include "lex.h"

103

#include "syn.h"

double prim() { /* ... */ } double term() { /* ... */ } double expr() { /* ... */ }

Как обычно, определение основной программы тривиально:

// main.c: основная программа

#include <iostream.h>

#include "error.h" #include "lex.h" #include "syn.h" #include "table.h"

int main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }

Какое число заголовочных файлов следует использовать для данной программы зависит от многих факторов. Большинство их определяется способом обработки файлов именно в вашей системе, а не собственно в С++. Например, если ваш редактор не может работать одновременно с несколькими файлами, диалоговая обработка нескольких заголовочных файлов затрудняется. Другой пример: может оказаться, что открытие и чтение 10 файлов по 50 строк каждый занимает существенно больше времени, чем открытие и чтение одного файла из 500 строк. В результате придется хорошенько подумать, прежде чем разбивать небольшую программу, используя множественные заголовочные файлы. Предостережение: обычно можно управиться с множеством, состоящим примерно из 10 заголовочных файлов (плюс стандартные заголовочные файлы). Если же вы будете разбивать программу на минимальные логические единицы с заголовочными файлами (например, создавая для каждой структуры свой заголовочный файл), то можете очень легко получить неуправляемое множество из сотен заголовочных файлов.

4.4 Связывание с программами на других языках

Программы на С++ часто содержат части, написанные на других языках, и наоборот, часто фрагмент на С++ используется в программах, написанных на других языках. Собрать в одну программу фрагменты, написанные на разных языках, или, написанные на одном языке, но в системах программирования с разными соглашениями о связывании, достаточно трудно. Например, разные языки или разные реализации одного языка могут различаться использованием регистров при передаче параметров, порядком размещения параметров в стеке, упаковкой таких встроенных типов, как целые или строки, форматом имен функций, которые транслятор передает редактору связей, объемом контроля типов, который требуется от редактора связей. Чтобы упростить задачу, можно в описании внешних указать условие связывания. Например, следующее описание объявляет strcpy внешней функцией и указывает, что она должна связываться согласно порядку связывания в С:

extern "C" char* strcpy(char*, const char*);

Результат этого описания отличается от результата обычного описания

extern char* strcpy(char*, const char*);

только порядком связывания для вызывающих strcpy() функций. Сама семантика вызова и, в частности, контроль фактических параметров будут одинаковы в обоих случаях. Описание extern "C" имеет смысл использовать еще и потому, что языки С и С++, как и их реализации, близки друг другу. Отметим, что в описании extern "C" упоминание С относится к порядку связывания, а не к языку, и часто такое описание используют для связи с Фортраном или ассемблером. Эти языки в определенной степени подчиняются порядку связывания для С.

Утомительно добавлять "C" ко многим описаниям внешних, и есть возможность указать такую спецификацию сразу для группы описаний. Например:

extern "C" {

char* strcpy(char*, const char); int strcmp(const char*, const char*) int strlen(const char*)

104

// ...

}

В такую конструкцию можно включить весь заголовочный файл С, чтобы указать, что он подчиняется связыванию для С++, например:

extern "C" {

#include <string.h>

}

Обычно с помощью такого приема из стандартного заголовочного файла для С получают такой файл для С++. Возможно иное решение с помощью условной трансляции:

#ifdef __cplusplus extern "C" {

#endif

char* strcpy(char*, const char*);

int strcmp(const char*, const char*); int strlen(const char*);

// ...

#ifdef __cplusplus

}

#endif

Предопределенное макроопределение __cplusplus нужно, чтобы обойти конструкцию extern "C" { ...}, если заголовочный файл используется для С.

Поскольку конструкция extern "C" { ... } влияет только на порядок связывания, в ней может содержаться любое описание, например:

extern "C" {

//произвольные описания

//например:

static int st; int glob;

}

Никак не меняется класс памяти и область видимости описываемых объектов, поэтому по-прежнему st подчиняется внутреннему связыванию, а glob остается глобальной переменной.

Укажем еще раз, что описание extern "C" влияет только на порядок связывания и не влияет на порядок вызова функции. В частности, функция, описанная как extern "C", все равно подчиняется правилам контроля типов и преобразования фактических параметров, которые в C++ строже, чем в С. Например:

extern "C" int f(); int g()

{

return f(1); // ошибка: параметров быть не должно

}

4.5 Как создать библиотеку

Распространены такие обороты (и в этой книге тоже): "поместить в библиотеку", "поискать в такой-то библиотеке". Что они означают для программ на С++? К сожалению, ответ зависит от используемой системы. В этом разделе говорится о том, как создать и использовать библиотеку для десятой версии системы ЮНИКС. Другие системы должны предоставлять похожие возможности. Библиотека состоит из файлов .o, которые получаются в результате трансляции файлов .c. Обычно существует один или несколько файлов .h, в которых содержатся необходимые для вызова файлов .o описания. Рассмотрим в качестве примера, как для четко не оговоренного множества пользователей можно достаточно удобно определить некоторое множество стандартных математических функций. Заголовочный файл может иметь такой вид:

extern "C" { // стандартные математические функции

105

// как правило написаны на С double sqrt(double); // подмножество <math.h>

double sin(double); double cos(double); double exp(double); double log(double);

// ...

}

Определения этих функций будут находиться в файлах sqrt.c, sin.c, cos.c, exp.c и log.c, соответственно. Библиотеку с именем math.a можно создать с помощью таких команд:

$ CC -c sqrt.c sin.c cos.c exp.c log.c

$ ar cr math.a sqrt.o sin.o cos.o exp.o log.o $ ranlib math.a

Здесь символ $ является приглашением системы.

Вначале транслируются исходные тексты, и получаются модули с теми же именами. Команда ar (архиватор) создает архив под именем math.a. Наконец, для быстрого доступа к функциям архив индексируется. Если в вашей системе нет команды ranlib (возможно она и не нужна), то, по крайней мере, можно найти в справочном руководстве ссылку на имя ar. Чтобы использовать библиотеку в своей программе, надо задать режим трансляции следующим образом:

$ CC myprog.c math.a

Встает вопрос: что дает нам библиотека math.a? Ведь можно было бы непосредственно использовать файлы .o, например так:

$ CC myprog.c sqrt.o sin.o cos.o exp.o log.o

Дело в том, что во многих случаях трудно правильно указать, какие файлы .o действительно нужны. В приведенной выше команде использовались все из них. Если же в myprog вызываются только sqrt() и cos(), тогда, видимо, достаточно задать такую команду:

$ CC myprog.c sqrt.o cos.o

Но это будет неверно, т.к. функция cos() вызывает sin().

Редактор связей, который вызывается командой CC для обработки файлов .a (в нашем случае для файла math.a), умеет из множества файлов, образующих библиотеку, извлекать только нужные файлы

.o. Иными словами, связывание с библиотекой позволяет включать в программы много определений одного имени (в том числе определения функций и переменных, используемых только внутренними функциями, о которых пользователь никогда не узнает). В то же время в результирующую программу войдет только минимально необходимое число определений.

4.6 Функции

Самый распространенный способ задания в С++ каких-то действий - это вызов функции, которая выполняет такие действия. Определение функции есть описание того, как их выполнить. Неописанные функции вызывать нельзя.

4.6.1 Описания функций

Описание функции содержит ее имя, тип возвращаемого значения (если оно есть) и число и типы параметров, которые должны задаваться при вызове функции. Например:

extern double sqrt(double); extern elem* next_elem();

extern char* strcpy(char* to, const char* from); extern void exit(int);

Семантика передачи параметров тождественна семантике инициализации: проверяются типы

106

фактических параметров и, если нужно, происходят неявные преобразования типов. Так, если учесть приведенные описания, то в следующем определении:

double sr2 = sqrt(2);

содержится правильный вызов функции sqrt() со значением с плавающей точкой 2.0. Контроль и преобразование типа фактического параметра имеет в С++ огромное значение.

В описании функции можно указывать имена параметров. Это облегчает чтение программы, но транслятор эти имена просто игнорирует.

4.6.2 Определения функций

Каждая вызываемая в программе функция должна быть где-то в ней определена, причем только один раз. Определение функции - это ее описание, в котором содержится тело функции. Например:

int t = *p; *p = *q;

*q = *t;

}

Не так редки случаи, когда в определении функции не используются некоторые параметры:

void search(table* t, const char* key, const char*)

{

//третий параметр не используется

//...

}

Как видно из этого примера, параметр не используется, если не задано его имя. Подобные функции появляются при упрощении программы или если рассчитывают на ее дальнейшее расширение. В обоих случаях резервирование места в определении функции для неиспользуемого параметра гарантирует, что другие функции, содержащие вызов данной, не придется менять.

Уже говорилось, что функцию можно определить как подстановку (inline). Например:

inline fac(int i) { return i<2 ? 1 : n*fac(n-1); }

Спецификация inline служит подсказкой транслятору, что вызов функции fac можно реализовать подстановкой ее тела, а не с помощью обычного механизма вызова функций ($$R.7.1.2). Хороший оптимизирующий транслятор вместо генерации вызова fac(6) может просто использовать константу 720. Из-за наличия взаиморекурсивных вызовов функций-подстановок, а также функций-подстановок, рекурсивность которых зависит от входных данных, нельзя утверждать, что каждый вызов функцииподстановки действительно реализуется подстановкой ее тела. Степень оптимизации, проводимой транслятором, нельзя формализовать, поэтому одни трансляторы создадут команды 6*5*4*3*2*1, другие - 6*fac(5), а некоторые ограничатся неоптимизированным вызовом fac(6).

Чтобы реализация вызова подстановкой стала возможна даже для не слишком развитых систем программирования, нужно, чтобы не только определение, но и описание функции-подстановки находилось в текущей области видимости. В остальном спецификация inline не влияет на семантику вызова.

4.6.3 Передача параметров

При вызове функции выделяется память для ее формальных параметров, и каждый формальный параметр инициализируется значением соответствующего фактического параметра. Семантика передачи параметров тождественна семантике инициализации. В частности, сверяются типы формального и соответствующего ему фактического параметра, и выполняются все стандартные и пользовательские преобразования типа. Существуют специальные правила передачи массивов ($$4.6.5). Есть возможность передать параметр, минуя контроль типа ($$4.6.8), и возможность задать

107

стандартное значение параметра ($$4.6.7). Рассмотрим функцию:

void f(int val, int& ref)

{

val++;

ref++;

}

При вызове f() в выражении val++ увеличивается локальная копия первого фактического параметра, тогда как в ref++ - сам второй фактический параметр увеличивается сам. Поэтому в функции

void g()

{

int i = 1; int j = 1; f(i,j);

}

увеличится значение j, но не i. Первый параметр i передается по значению, а второй параметр j передается по ссылке. В $$2.3.10 мы говорили, что функции, которые изменяют свой передаваемый по ссылке параметр, труднее понять, и что поэтому лучше их избегать (см. также $$10.2.2). Но большие объекты, очевидно, гораздо эффективнее передавать по ссылке, чем по значению. Правда можно описать параметр со спецификацией const, чтобы гарантировать, что передача по ссылке используется только для эффективности, и вызываемая функция не может изменить значение объекта:

void f(const large& arg)

{

//значение "arg" нельзя изменить без явных

//операций преобразования типа

}

Если в описании параметра ссылки const не указано, то это рассматривается как намерение изменять передаваемый объект:

void g(large& arg); // считается, что в g() arg будет меняться

Отсюда мораль: используйте const всюду, где возможно.

Точно так же, описание параметра, являющегося указателем, со спецификацией const говорит о том, что указуемый объект не будет изменяться в вызываемой функции. Например:

extern int strlen(const char*); // из <string.h> extern char* strcpy(char* to, const char* from); extern int strcmp(const char*, const char*);

Значение такого приема растет вместе с ростом программы.

Отметим, что семантика передачи параметров отличается от семантики присваивания. Это различие существенно для параметров, являющихся const или ссылкой, а также для параметров с типом, определенным пользователем ($1.4.2).

Литерал, константу и параметр, требующий преобразования, можно передавать как параметр типа const&, но без спецификации const передавать нельзя. Допуская преобразования для параметра типа const T&, мы гарантируем, что он может принимать значения из того же множества, что и параметр типа T, значение которого передается при необходимости с помощью временной переменной.

108

}

Запрет на преобразования типа для параметров-ссылок без спецификации const введен для того, чтобы избежать нелепых ошибок, связанных с использованием при передаче параметров временных переменных:

void update(float& i); void g(double d)

{

}

4.6.4 Возвращаемое значение

Если функция не описана как void, она должна возвращать значение. Например:

Возвращаемое значение указывается в операторе return в теле функции. Например:

int fac(int n) { return (n>1) ? n*fac(n-1) : 1; }

В теле функции может быть несколько операторов return:

int fac(int n)

{

if (n > 1)

return n*fac(n-1); else

return 1;

}

Подобно передаче параметров, операция возвращения значения функции эквивалентна инициализации. Считается, что оператор return инициализирует переменную, имеющую тип возвращаемого значения. Тип выражения в операторе return сверяется с типом функции, и производятся все стандартные и пользовательские преобразования типа. Например:

double f()

{

// ...

return 1; // неявно преобразуется в double(1)

}

При каждом вызове функции создается новая копия ее формальных параметров и автоматических переменных. Занятая ими память после выхода из функции будет снова использоваться, поэтому неразумно возвращать указатель на локальную переменную. Содержимое памяти, на которую настроен такой указатель, может измениться непредсказуемым образом:

Эта ошибка не столь типична, как сходная ошибка, когда тип функции - ссылка:

int& f()

{

int local = 1;

// ...

109

К счастью, транслятор предупреждает о том, что возвращается ссылка на локальную переменную. Вот другой пример:

int& f() { return 1; } // ошибка

4.6.5 Параметр-массив

Если в качестве параметра функции указан массив, то передается указатель на его первый элемент. Например:

int strlen(const char*); void f()

{

char v[] = "массив";

strlen(v); strlen("Николай");

}

Это означает, что фактический параметр типа T[] преобразуется к типу T*, и затем передается. Поэтому присваивание элементу формального параметра-массива изменяет этот элемент. Иными словами, массивы отличаются от других типов тем, что они не передаются и не могут передаваться по значению.

В вызываемой функции размер передаваемого массива неизвестен. Это неприятно, но есть несколько способов обойти данную трудность. Прежде всего, все строки оканчиваются нулевым символом, и значит их размер легко вычислить. Можно передавать еще один параметр, задающий размер массива. Другой способ: определить структуру, содержащую указатель на массив и размер массива, и передавать ее как параметр (см. также $$1.2.5). Например:

void compute1(int* vec_ptr, int vec_size); // 1-ый способ struct vec { // 2-ой способ

int* ptr; int size;

};

void compute2(vec v);

Сложнее с многомерными массивами, но часто вместо них можно использовать массив указателей, сведя эти случаи к одномерным массивам. Например:

char* day[] = {

"mon", "tue", "wed", "thu", "fri", "sat", "sun"

};

Теперь рассмотрим функцию, работающую с двумерным массивом - матрицей. Если размеры обоих индексов известны на этапе трансляции, то проблем нет:

void print_m34(int m[3][4])

{

for (int i = 0; i<3; i++) { for (int j = 0; j<4; J++) cout << ' ' << m[i][j];

cout << '\n';

}

}

Конечно, матрица по-прежнему передается как указатель, а размерностиприведены просто для полноты описания.

Первая размерность для вычисления адреса элемента неважна($$R.8.2.4), поэтому ее можно передавать как параметр:

void print_mi4(int m[][4], int dim1)

110