Бьярн Страуструп - Язык программирования C++

T * p;

где T - класс shape или производный от него класс. Тогда транслятор видит, что класс объекта, на который настроен указатель p, действительно имеет функцию rotate(), а функция имеет параметр типа int. Значит, p->rotate(45) корректное выражение.

Поскольку shape::rotate() была описана как виртуальная функция, нужно использовать механизм вызова виртуальной функции. Чтобы узнать, какую именно из функций rotate следует вызвать, нужно до вызова получить из объекта некоторую служебную информацию, которая была помещена туда при его создании. Как только установлено, какую функцию надо вызвать, допустим circle::rotate, происходит ее вызов с уже упоминавшимся контролем типа. Обычно в качестве служебной информации используется таблица адресов функций, а транслятор преобразует имя rotate в индекс этой таблицы. С учетом этой таблицы объект типа shape можно представить так:

center vtbl:

color &X::draw

&Y::rotate

...

...

Функции из таблицы виртуальных функций vtbl позволяют правильно работать с объектом даже в тех случаях, когда в вызывающей функции неизвестны ни таблица vtbl, ни расположение данных в части объекта, обозначенной ... . Здесь как X и Y обозначены имена классов, в которые входят вызываемые функции. Для объекта circle оба имени X и Y есть circle. Вызов виртуальной функции может быть по сути столь же эффективен, как вызов обычной функции.

1.5.2 Проверка типа

Необходимость контроля типа при обращениях к виртуальным функциям может оказаться определенным ограничением для разработчиков библиотек. Например, хорошо бы предоставить пользователю класс "стек чего-угодно". Непосредственно в С++ это сделать нельзя. Однако, используя шаблоны типа и наследование, можно приблизиться к той эффективности и простоте проектирования и использования библиотек, которые свойственны языкам с динамическим контролем типов. К таким языкам относится, например, язык Smalltalk, на котором можно описать "стек чего-угодно". Рассмотрим определение стека с помощью шаблона типа:

template < class T > class stack

{

T * p; int sz; public:

stack ( int );

~stack ();

void push ( T ); T & pop ();

};

Не ослабляя статического контроля типов, можно использовать такой стек для хранения указателей на объекты типа plane (самолет):

cs.push ( new Saab37B );

//прекрасно: Saab 37B - на самом

//деле самолет, т.е. типа plane

cs.pop () -> takeoff (); cs.pop () -> takeoff ();

}

41

Если статического контроля типов нет, приведенная выше ошибка обнаружится только при выполнении программы:

//пример динамическое контроля типа

//вместо статического; это не С++

Stack s; // стек может хранить указатели на объекты // произвольного типа

Для способа определения, допустима ли операция над объектом, обычно требуется больше дополнительных расходов, чем для механизма вызова виртуальных функций в С++.

Рассчитывая на статический контроль типов и вызов виртуальных функций, мы приходим к иному стилю программирования, чем надеясь только на динамический контроль типов. Класс в С++ задает строго определенный интерфейс для множества объектов этого и любого производного класса, тогда как в Smalltalk класс задает только минимально необходимое число операций, и пользователь вправе применять незаданные в классе операции. Иными словами, класс в С++ содержит точное описание операций, и пользователю гарантируется, что только эти операции транслятор сочтет допустимыми.

1.5.3 Множественное наследование

Если класс A является базовым классом для B, то B наследует атрибуты A. т.е. B содержит A плюс еще что-то. С учетом этого становится очевидно, что хорошо, когда класс B может наследовать из двух базовых классов A1 и A2. Это называется множественным наследованием.

Приведем некий типичный пример множественного наследования. Пусть есть два библиотечных класса displayed и task. Первый представляет задачи, информация о которых может выдаваться на экран с помощью некоторого монитора, а второй - задачи, выполняемые под управлением некоторого диспетчера. Программист может создавать собственные классы, например, такие:

class my_displayed_task: public displayed, public task

{

// текст пользователя

};

class my_task: public task {

//эта задача не изображается

//на экране, т.к. не содержит класс displayed

//текст пользователя

};

class my_displayed: public displayed

{

//а это не задача

//т.к. не содержит класс task

//текст пользователя

};

Если наследоваться может только один класс, то пользователю доступны только два из трех приведенных классов. В результате либо получается дублирование частей программы, либо теряется гибкость, а, как правило, происходит и то, и другое. Приведенный пример проходит в С++ безо всяких дополнительных расходов времени и памяти по сравнению с программами, в которых наследуется не более одного класса. Статический контроль типов от этого тоже не страдает.

Все неоднозначности выявляются на стадии трансляции: class task

42

{

public:

void trace ();

// ...

};

class displayed

{

public:

void trace ();

// ...

};

class my_displayed_task:public displayed, public task

{

// в этом классе trace () не определяется

};

void g ( my_displayed_task * p )

{

p -> trace (); // ошибка: неоднозначность

}

В этом примере видны отличия С++ от объектно-ориентированных диалектов языка Лисп, в которых есть множественное наследование. В этих диалектах неоднозначность разрешается так: или считается существенным порядок описания, или считаются идентичными объекты с одним и тем же именем в разных базовых классах, или используются комбинированные способы, когда совпадение объектов доля базовых классов сочетается с более сложным способом для производных классов. В С++ неоднозначность, как правило, разрешается введением еще одной функции:

class my_displayed_task:public displayed, public task

{

};

void g ( my_displayed_task * p )

{

p -> trace (); // теперь нормально

}

1.5.4 Инкапсуляция

Пусть члену класса (неважно функции-члену или члену, представляющему данные) требуется защита от "несанкционированного доступа". Как разумно ограничить множество функций, которым такой член будет доступен? Очевидный ответ для языков, поддерживающих объектно-ориентированное программирование, таков: доступ имеют все операции, которые определены для этого объекта, иными словами, все функции-члены. Например:

class window

{

// ...

protected: Rectangle inside;

// ...

};

class dumb_terminal : public window

43

{

// ...

public:

void prompt (); // ...

};

Здесь в базовом классе window член inside типа Rectangle описывается как защищенный (protected), но функции-члены производных классов, например, dumb_terminal::prompt(), могут обратиться к нему и выяснить, с какого вида окном они работают. Для всех других функций член window::inside недоступен.

В таком подходе сочетается высокая степень защищенности (действительно, вряд ли вы "случайно" определите производный класс) с гибкостью, необходимой для программ, которые создают классы и используют их иерархию (действительно, "для себя" всегда можно в производных классах предусмотреть доступ к защищенным членам).

Неочевидное следствие из этого: нельзя составить полный и окончательный список всех функций, которым будет доступен защищенный член, поскольку всегда можно добавить еще одну, определив ее как функцию-член в новом производном классе. Для метода абстракции данных такой подход часто бывает мало приемлемым. Если язык ориентируется на метод абстракции данных, то очевидное для него решение - это требование указывать в описании класса список всех функций, которым нужен доступ к члену. В С++ для этой цели используется описание частных (private) членов. Оно использовалось и в приводившихся описаниях классов complex и shape.

Важность инкапсуляции, т.е. заключения членов в защитную оболочку, резко возрастает с ростом размеров программы и увеличивающимся разбросом областей приложения. В $$6.6 более подробно обсуждаются возможности языка по инкапсуляции.

1.6 Пределы совершенства

Язык С++ проектировался как "лучший С", поддерживающий абстракцию данных и объектноориентированное программирование. При этом он должен быть пригодным для большинства основных задач системного программирования.

Основная трудность для языка, который создавался в расчете на методы упрятывания данных, абстракции данных и объектно-ориентированного программирования, в том, что для того, чтобы быть языком общего назначения, он должен:

-идти на традиционных машинах;

-сосуществовать с традиционными операционными системами и языками;

-соперничать с традиционными языками программирования в эффективности выполнения программы;

-быть пригодным во всех основных областях приложения.

Это значит, что должны быть возможности для эффективных числовых операций (арифметика с плавающей точкой без особых накладных расходов, иначе пользователь предпочтет Фортран) и средства такого доступа к памяти, который позволит писать на этом языке драйверы устройств. Кроме того, надо уметь писать вызовы функций в достаточно непривычной записи, принятой для обращений в традиционных операционных системах. Наконец, должна быть возможность из языка, поддерживающего объектно-ориентированное программирование, вызывать функции, написанные на других языках, а из других языков вызывать функцию на этом языке, поддерживающем объектноориентированное программирование.

Далее, нельзя рассчитывать на широкое использование искомого языка программирования как языка общего назначения, если реализация его целиком полагается на возможности, которые отсутствуют в машинах с традиционной архитектурой.

Если не вводить в язык возможности низкого уровня, то придется для основных задач большинства областей приложения использовать некоторые языки низкого уровня, например С или ассемблер. Но С++ проектировался с расчетом, что в нем можно сделать все, что допустимо на С, причем без увеличения времени выполнения. Вообще, С++ проектировался, исходя из принципа, что не должно возникать никаких дополнительных затрат времени и памяти, если только этого явно не пожелает сам

44

программист.

Язык проектировался в расчете на современные методы трансляции, которые обеспечивают проверку согласованности программы, ее эффективность и компактность представления. Основным средством борьбы со сложностью программ видится, прежде всего, строгий контроль типов и инкапсуляция. Особенно это касается больших программ, создаваемых многими людьми. Пользователь может не являться одним из создателей таких программ, и может вообще не быть программистом. Поскольку никакую настоящую программу нельзя написать без поддержки библиотек, создаваемых другими программистами, последнее замечание можно отнести практически ко всем программам.

С++ проектировался для поддержки того принципа, что всякая программа есть модель некоторых существующих в реальности понятий, а класс является конкретным представлением понятия, взятого из области приложения ($$12.2). Поэтому классы пронизывают всю программу на С++, и налагаются жесткие требования на гибкость понятия класса, компактность объектов класса и эффективность их использования. Если работать с классами будет неудобно или слишком накладно, то они просто не будут использоваться, и программы выродятся в программы на "лучшем С". Значит пользователь не сумеет насладиться теми возможностями, ради которых, собственно, и создавался язык.

45

В данной главе описаны основные типы (char, int, float и т.д.) и способы построения на их основе новых типов (функций, векторов, указателей и т.д.). Описание вводит в программу имя, указав его тип и, возможно, начальное значение. В этой главе вводятся такие понятия, как описание и определение, типы, область видимости имен, время жизни объектов. Даются обозначения литеральных констант С++ и способы задания символических констант. Приводятся примеры, которые просто демонстрируют возможности языка. Более осмысленные примеры, иллюстрирующие возможности выражений и операторов языка С++, будут приведены в следующей главе. В этой главе лишь упоминаются средства для определения пользовательских типов и операций над ними. Они обсуждаются в главах 5 и 7.

2.1 ОПИСАНИЯ

Имя (идентификатор) следует описать прежде, чем оно будет использоваться в программе на С++. Это означает, что нужно указать его тип, чтобы транслятор знал, к какого вида объектам относится имя. Ниже приведены несколько примеров, иллюстрирующих все разнообразие описаний:

char ch;

int count = 1; char* name = "Njal";

struct complex { float re, im; }; complex cvar;

extern complex sqrt(complex); extern int error_number; typedef complex point;

float real(complex* p) { return p->re; }; const double pi = 3.1415926535897932385; struct user;

template<class T> abs(T a) { return a<0 ? -a : a; } enum beer { Carlsberg, Tuborg, Thor };

Из этих примеров видно, что роль описаний не сводится лишь к привязке типа к имени. Большинство указанных описаний одновременно являются определениями, т.е. они создают объект, на который ссылается имя. Для ch, count, name и cvar таким объектом является элемент памяти соответствующего размера. Этот элемент будет использоваться как переменная, и говорят, что для него отведена память. Для real подобным объектом будет заданная функция. Для константы pi объектом будет число 3.1415926535897932385. Для complex объектом будет новый тип. Для point объектом является тип complex, поэтому point становится синонимом complex. Следующие описания уже не являются определениями:

extern complex sqrt(complex); extern int error_number; struct user;

Это означает, что объекты, введенные ими, должны быть определены где-то в другом месте программы. Тело функции sqrt должно быть указано в каком-то другом описании. Память для переменной error_number типа int должна выделяться в результате другого описания error_number. Должно быть и какое-то другое описание типа user, из которого можно понять, что это за тип. В программе на языке С++ должно быть только одно определение каждого имени, но описаний может быть много. Однако все описания должны быть согласованы по типу вводимого в них объекта. Поэтому в приведенном ниже фрагменте содержатся две ошибки:

46

Зато в следующем фрагменте нет ни одной ошибки (об использовании extern см. #4.2):

extern int error_number; extern int error_number;

В некоторых описаниях указываются "значения" объектов, которые они определяют:

struct complex { float re, im; }; typedef complex point;

float real(complex* p) { return p->re }; const double pi = 3.1415926535897932385;

Для типов, функций и констант "значение" остается неизменным; для данных, не являющихся константами, начальное значение может впоследствии изменяться:

int count = 1;

char* name = "Bjarne";

//...

count = 2;

name = "Marian";

Из всех определений только следующее не задает значения:

char ch;

Всякое описание, которое задает значение, является определением.

2.1.1 Область видимости

Описанием определяется область видимости имени. Это значит, что имя может использоваться только в определенной части текста программы. Если имя описано в функции (обычно его называют "локальным именем"), то область видимости имени простирается от точки описания до конца блока, в котором появилось это описание. Если имя не находится в описании функции или класса (его обычно называют "глобальным именем"), то область видимости простирается от точки описания до конца файла, в котором появилось это описание. Описание имени в блоке может скрывать описание в объемлющем блоке или глобальное имя; т.е. имя может быть переопределено так, что оно будет обозначать другой объект внутри блока. После выхода из блока прежнее значение имени (если оно было) восстанавливается. Приведем пример:

}

int* p = &x; // взять адрес глобального x

В больших программах не избежать переопределения имен. К сожалению, человек легко может проглядеть такое переопределение. Возникающие из-за этого ошибки найти непросто, возможно потому, что они достаточно редки. Следовательно, переопределение имен следует свести к минимуму. Если вы обозначаете глобальные переменные или локальные переменные в большой функции такими именами, как i или x, то сами напрашиваетесь на неприятности. Есть возможность с помощью операции разрешения области видимости :: обратиться к скрытому глобальному имени, например:

int x; void f2()

{

47

}

Возможность использовать скрытое локальное имя отсутствует.

Область видимости имени начинается в точке его описания (по окончании описателя, но еще до начала инициализатора - см. $$R.3.2). Это означает, что имя можно использовать даже до того, как задано его начальное значение. Например:

Такое присваивание недопустимо и лишено смысла. Если вы попытаетесь транслировать эту программу, то получите предупреждение: "использование до задания значения". Вместе с тем, не применяя оператора ::, можно использовать одно и то же имя для обозначения двух различных объектов блока. Например:

}

Переменная y инициализируется значением глобального x, т.е. 11, а затем ей присваивается значение локальной переменной x, т.е. 22. Имена формальных параметров функции считаются описанными в самом большом блоке функции, поэтому в описании ниже есть ошибка:

Здесь x определено дважды в одной и той же области видимости. Это хотя и не слишком редкая, но довольно тонкая ошибка.

2.1.2 Объекты и адреса

Можно выделять память для "переменных", не имеющих имен, и использовать эти переменные. Возможно даже присваивание таким странно выглядящим "переменным", например, *p[a+10]=7. Следовательно, есть потребность именовать "нечто хранящееся в памяти". Можно привести подходящую цитату из справочного руководства: "Любой объект - это некоторая область памяти, а адресом называется выражение, ссылающееся на объект или функцию" ($$R.3.7). Слову адрес (lvalue - left value, т.е. величина слева) первоначально приписывался смысл "нечто, что может в присваивании стоять слева". Адрес может ссылаться и на константу (см. $$2.5). Адрес, который не был описан со спецификацией const, называется изменяемым адресом.

2.1.3 Время жизни объектов

Если только программист не вмешается явно, объект будет создан при появлении его определения и уничтожен, когда исчезнет из области видимости. Объекты с глобальными именами создаются, инициализируются (причем только один раз) и существуют до конца программы. Если локальные объекты описаны со служебным словом static, то они также существуют до конца программы. Инициализация их происходит, когда в первый раз управление "проходит через" описание этих объектов, например:

int a = 1; void f()

{

48

<<" b = " << b++

<<" c = " << c++ << '\n';

}

int main()

{

while (a < 4) f();

}

Здесь программа выдаст такой результат:

a = 1 b = 1 c = 1 a = 2 b = 1 c = 2 a = 3 b = 1 c = 3

''Из примеров этой главы для краткости изложения исключена макрокоманда #include <iostream>. Она нужна лишь в тех из них, которые выдают результат.

Операция "++" является инкрементом, т. е. a++ означает: добавить 1 к переменной a.

Глобальная переменная или локальная переменная static, которая не была явно инициализирована, инициализируется неявно нулевым значением (#2.4.5). Используя операции new и delete, программист может создавать объекты, временем жизни которых он управляет сам (см. $$3.2.6).

2.2 ИМЕНА

Имя (идентификатор) является последовательностью букв или цифр. Первый символ должен быть буквой. Буквой считается и символ подчеркивания _. Язык С++ не ограничивает число символов в имени. Но в реализацию входят программные компоненты, которыми создатель транслятора управлять не может (например, загрузчик), а они, к сожалению, могут устанавливать ограничения. Кроме того, некоторые системные программы, необходимые для выполнения программы на С++, могут расширять или сужать множество символов, допустимых в идентификаторе. Расширения (например, использование $ в имени) могут нарушить переносимость программы. Нельзя использовать в качестве имен служебные слова С++ (см. $$R.2.4), например:

Теперь приведем примеры последовательностей символов, которые не могут использоваться как идентификаторы:

Заглавные и строчные буквы считаются различными, поэтому Count и count - разные имена. Но выбирать имена, почти не отличающиеся друг от друга, неразумно. Все имена, начинающиеся с символа подчеркивания, резервируются для использования в самой реализации или в тех программах, которые выполняются совместно с рабочей, поэтому крайне легкомысленно вставлять такие имена в свою программу. При разборе программы транслятор всегда стремится выбрать самую длинную последовательность символов, образующих имя, поэтому var10 - это имя, а не идущие подряд имя var и число 10. По той же причине elseif - одно имя (служебное), а не два служебных имени else и if.

2.3ТИПЫ

Скаждым именем (идентификатором) в программе связан тип. Он задает те операции, которые могут применяться к имени (т.е. к объекту, который обозначает имя), а также интерпретацию этих операций.

Приведем примеры:

int error_number; float real(complex* p);

Поскольку переменная error_number описана как int (целое), ей можно присваивать, а также можно использовать ее значения в арифметических выражениях. Функцию real можно вызывать с параметром,

49

содержащим адрес complex. Можно получать адреса и переменной, и функции. Некоторые имена, как в нашем примере int и complex, являются именами типов. Обычно имя типа нужно, чтобы задать в описании типа некоторое другое имя. Кроме того, имя типа может использоваться в качестве операнда в операциях sizeof (с ее помощью определяют размер памяти, необходимый для объектов этого типа) и new (с ее помощью можно разместить в свободной памяти объект этого типа). Например:

int main()

{

int* p = new int;

cout << "sizeof(int) = " << sizeof(int) '\n';

}

Еще имя типа может использоваться в операции явного преобразования одного типа к другому

($$3.2.5), например:

2.3.1 Основные типы

Основные типы С++ представляют самые распространенные единицы памяти машин и все основные способы работы с ними. Это:

char short int int

long int

Перечисленные типы используются для представления различного размера целых. Числа с плавающей точкой представлены типами:

float double

long double

Следующие типы могут использоваться для представления без знаковых целых, логических значений, разрядных массивов и т.д.:

unsigned char unsigned short int unsigned int unsigned long int

Ниже приведены типы, которые используются для явного задания знаковых типов:

signed char signed short int signed int signed long int

Поскольку по умолчанию значения типа int считаются знаковыми, то соответствующие типы с signed являются синонимами типов без этого служебного слова. Но тип signed char представляет особый интерес: все 3 типа - unsigned char, signed char и просто char считаются различными (см. также $$R.3.6.1).

Для краткости (и это не влечет никаких последствий) слово int можно не указывать в многословных типах, т.е. long означает long int, unsigned - unsigned int. Вообще, если в описании не указан тип, то предполагается, что это int. Например, ниже даны два определения объекта типа int:

50