Бьярн Страуструп - Язык программирования C++

Бьерн Страуструп. Язык программирования С++

Все же обычно пропуск типа в описании в надежде, что по умолчанию это будет тип int, считается дурным стилем. Он может вызвать тонкий и нежелательный эффект (см. $$R.7.1).

Для хранения символов и работы с ними наиболее подходит тип char. Обычно он представляет байт из 8 разрядов. Размеры всех объектов в С++ кратны размеру char, и по определению значение sizeof(char) тождественно 1. В зависимости от машины значение типа char может быть знаковым или беззнаковым целым. Конечно, значение типа unsigned char всегда беззнаковое, и, задавая явно этот тип, мы улучшаем переносимость программы. Однако, использование unsigned char вместо char может снизить скорость выполнения программы. Естественно, значение типа signed char всегда знаковое.

В язык введено несколько целых, несколько без знаковых типов и несколько типов с плавающей точкой, чтобы программист мог полнее использовать возможности системы команд. У многих машин значительно различаются размеры выделяемой памяти, время доступа и скорость вычислений для значений различных основных типов. Как правило, зная особенности конкретной машины, легко выбрать оптимальный основной тип (например, один из типов int) для данной переменной. Однако, написать действительно переносимую программу, использующую такие возможности низкого уровня, непросто. Для размеров основных типов выполняются следующие соотношения:

1==sizeof(char)<=sizeof(short)<=sizeof(int)<=sizeof(long) sizeof(float)<=sizeof(double)<=sizeof(long double) sizeof(I)==sizeof(signed I)==sizeof(unsigned I)

Здесь I может быть типа char, short, int или long. Помимо этого гарантируется, что char представлен не менее, чем 8 разрядами, short - не менее, чем 16 разрядами и long - не менее, чем 32 разрядами. Тип char достаточен для представления любого символа из набора символов данной машины. Но это означает только то, что тип char может представлять целые в диапазоне 0..127. Предположить большее - рискованно.

Типы беззнаковых целых больше всего подходят для таких программ, в которых память рассматривается как массив разрядов. Но, как правило, использование unsigned вместо int, не дает ничего хорошего, хотя таким образом рассчитывали выиграть еще один разряд для представления положительных целых. Описывая переменную как unsigned, нельзя гарантировать, что она будет только положительной, поскольку допустимы неявные преобразования типа, например:

unsigned surprise = -1;

Это определение допустимо (хотя компилятор может выдать предупреждение о нем).

2.3.2Неявное преобразование типа

Вприсваивании и выражении основные типы могут совершенно свободно использоваться совместно. Значения преобразовываются всюду, где это возможно, таким образом, чтобы информация не терялась. Точные правила преобразований даны в $$R.4 и $$R.5.4.

Все-таки есть ситуации, когда информация может быть потеряна или даже искажена. Потенциальным источником таких ситуаций становятся присваивания, в которых значение одного типа присваивается значению другого типа, причем в представлении последнего используется меньше разрядов. Допустим, что следующие присваивания выполняются на машине, в которой целые представляются в дополнительном коде, и символ занимает 8 разрядов:

int i1 = 256+255;

В присваивании ch=i1 теряется один разряд (и самый важный!), а когда мы присваиваем значение переменной i2, у переменной ch значение "все единицы", т.е. 8 единичных разрядов. Но какое значение примет i2? На машине DEC VAX, в которой char представляет знаковые значения, это будет -1, а на машине Motorola 68K, в которой char - беззнаковый, это будет 255. В С++ нет динамических средств контроля подобных ситуаций, а контроль на этапе трансляции вообще слишком сложен, поэтому надо быть осторожными.

51

2.3.3 Производные типы

Исходя из основных (и определенных пользователем) типов, можно с помощью следующих операций описания:

*указатель

&ссылка

а также с помощью определения структур, задать другие, производные типы. Например:

int* a;

float v[10];

char* p[20]; // массив из 20 символьных указателей void f(int);

struct str { short length; char* p; };

Правила построения типов с помощью этих операций подробно объяснены в $$R.8. Ключевая идея состоит в том, что описание объекта производного типа должно отражать его использование, например:

Обозначения, используемые для производных типов, достаточно трудны для понимания лишь потому, что операции * и & являются префиксными, а [] и () - постфиксными. Поэтому в задании типов, если приоритеты операций не отвечают цели, надо ставить скобки. Например, приоритет операции [] выше, чем у *, и мы имеем:

Большинство людей просто запоминает, как выглядят наиболее часто употребляемые типы. Можно описать сразу несколько имен в одном описании. Тогда оно содержит вместо одного имени список отделяемых друг от друга запятыми имен. Например, можно так описать две переменные целого типа:

Когда мы описываем производные типы, не надо забывать, что операции описаний применяются только к данному имени (а вовсе не ко всем остальным именам того же описания). Например:

Но такие описания запутывают программу, и, возможно, их следует избегать.

2.3.4 Тип void

Тип void синтаксически эквивалентен основным типам, но использовать его можно только в производном типе. Объектов типа void не существует. С его помощью задаются указатели на объекты неизвестного типа или функции, невозвращающие значение.

Указатель произвольного типа можно присваивать переменной типа void*. На первый взгляд этому трудно найти применение, поскольку для void* недопустимо косвенное обращение (разыменование). Однако, именно на этом ограничении основывается использование типа void*. Он приписывается параметрам функций, которые не должны знать истинного типа этих параметров. Тип void* имеют также бестиповые объекты, возвращаемые функциями. Для использования таких объектов нужно выполнить явную операцию преобразования типа. Такие функции обычно находятся на самых нижних уровнях системы, которые управляют аппаратными ресурсами. Приведем пример:

52

{

int* pi = (int*)malloc(10*sizeof(int)); char* pc = (char*)malloc(10);

//...

free(pi);

free(pc);

}

Обозначение: (тип) выражение - используется для задания операции преобразования выражения к типу, поэтому перед присваиванием pi тип void*, возвращаемый в первом вызове malloc(), преобразуется в тип int. Пример записан в архаичном стиле; лучший стиль управления размещением в свободной памяти показан в $$3.2.6.

2.3.5 Указатели

Для большинства типов T указатель на T имеет тип T*. Это значит, что переменная типа T* может хранить адрес объекта типа T. Указатели на массивы и функции, к сожалению, требуют более сложной записи:

Главная операция над указателями - это косвенное обращение (разыменование), т.е. обращение к объекту, на который настроен указатель. Эту операцию обычно называют просто косвенностью. Операция косвенности * является префиксной унарной операцией. Например:

Переменная, на которую указывает p,- это c1, а значение, которое хранится в c1, равно 'a'. Поэтому присваиваемое c2 значение *p есть 'a'. Над указателями можно выполнять и некоторые арифметические операции. Ниже в качестве примера представлена функция, подсчитывающая число символов в строке, заканчивающейся нулевым символом (который не учитывается):

int strlen(char* p)

{

int i = 0;

while (*p++) i++; return i;

}

Можно определить длину строки по-другому: сначала найти ее конец, а затем вычесть адрес начала строки из адреса ее конца.

int strlen(char* p)

{

char* q = p; while (*q++) ; return q-p-1;

}

Широко используются указатели на функции; они особо обсуждаются в $$4.6.9

2.3.6 Массивы

Для типа T T[size] является типом "массива из size элементов типа T". Элементы индексируются от 0 до

53

Можно следующим образом записать цикл, в котором печатаются целые значения прописных букв:

extern "C" int strlen(const char*); // из <string.h> char alpha[] = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";

main()

{

int sz = strlen(alpha); for (int i=0; i<sz; i++) {

char ch = alpha[i];

cout << '\''<< ch << '\''

<<" = " <<int(ch)

<<" = 0" << oct(ch)

<<" = 0x" << hex(ch) << '\n';

}

}

Здесь функции oct() и hex() выдают свой параметр целого типа в восьмеричном и шестнадцатеричном виде соответственно. Обе функции описаны в <iostream.h>. Для подсчета числа символов в alpha используется функция strlen() из <string.h>, но вместо нее можно было использовать размер массива alpha ($$2.4.4). Для множества символов ASCII результат будет таким:

'a' = 97 = 0141 = 0x61 'b' = 98 = 0142 = 0x62 'c' = 99 = 0143 = 0x63

...

Отметим, что не нужно указывать размер массива alpha: транслятор установит его, подсчитав число символов в строке, заданной в качестве инициализатора. Задание массива символов в виде строки инициализатора - это удобный, но к сожалению, единственный способ подобного применения строк. Присваивание строки массиву недопустимо, поскольку в языке присваивание массивам не определено, например:

Классы позволяют реализовать представление строк с большим набором операций (см. $$7.10).

Очевидно, что строки пригодны только для инициализации символьных массивов; для других типов приходится использовать более сложную запись. Впрочем, она может использоваться и для символьных массивов. Например:

Здесь v3 и v4 - массивы из четырех (а не пяти) символов; v4 не оканчивается нулевым символом, как того требуют соглашение о строках и большинство библиотечных функций. Используя такой массив char мы сами готовим почву для будущих ошибок.

Многомерные массивы представлены как массивы массивов. Однако нельзя при задании граничных значений индексов использовать, как это делается в некоторых языках, запятую. Запятая - это особая операция для перечисления выражений (см. $$3.2.2). Можно попробовать задать такое описание:

или такое

int v[5][2];

54

Ниже описывается массив из двух элементов, каждый из которых является, в свою очередь, массивом из 5 элементов типа char:

char v[2][5];

В следующем примере первый массив инициализируется пятью первыми буквами алфавита, а второй - пятью младшими цифрами.

char v[2][5] = {

{'a', 'b', 'c', 'd', 'e' },

{'0', '1', '2', '3', '4' }

}; main() {

for (int i = 0; i<2; i++) { for (int j = 0; j<5; j++)

cout << "v[" << i << "][" << j

<< "]=" << v[i][j] << " "; cout << '\n';

}

}

В результате получим:

v[0][0]=a v[0][1]=b v[0][2]=c v[0][3]=d v[0][4]=e v[1][0]=0 v[1][1]=1 v[1][2]=2 v[1][3]=3 v[1][4]=4

2.3.7 Указатели и массивы

Указатели и массивы в языке Си++ тесно связаны. Имя массива можно использовать как указатель на его первый элемент, поэтому пример с массивом alpha можно записать так:

int main()

{

char alpha[] = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"; char* p = alpha;

char ch;

while (ch = *p++)

cout << ch << " = " << int (ch) << " = 0" << oct(ch) << '\n';

}

Можно также задать описание p следующим образом:

char* p = &alpha[0];

Эта эквивалентность широко используется при вызовах функций с параметром-массивом, который всегда передается как указатель на его первый элемент. Таким образом, в следующем примере в обоих вызовах strlen передается одно и то же значение:

void f()

{

extern "C" int strlen(const char*); // из <string.h> char v[] = "Annemarie";

char* p = v; strlen(p); strlen(v);

}

Но в том и загвоэдка, что обойти это нельзя: не существует способа так описать функцию, чтобы при ее вызове массив v копировался ($$4.6.3).

Результат применения к указателям арифметических операций +, -, ++ или -- зависит от типа указуемых

55

объектов. Если такая операция применяется к указателю p типа T*, то считается, что p указывает на массив объектов типа T. Тогда p+1 обозначает следующий элемент этого массива, а p-1 - предыдущий элемент. Отсюда следует, что значение (адрес) p+1 будет на sizeof(T) байтов больше, чем значение p. Поэтому в следующей программе

main()

{

char cv[10]; int iv[10]; char* pc = cv; int* pi = iv;

cout << "char* " << long(pc+1)-long(pc) << '\n'; cout << "int* " << long(pi+1)-long(pi) << '\n';

}

с учетом того, что на машине автора (Maccintosh) символ занимает один байт, а целое - четыре байта, получим:

char* 1 int* 4

Перед вычитанием указатели были явной операцией преобразованы к типу long ($$3.2.5). Он использовался для преобразования вместо "очевидного" типа int, поскольку в некоторых реализациях языка С++ указатель может не поместиться в тип int (т.е. sizeof(int)<sizeof(char*)).

Вычитание указателей определено только в том случае, когда они оба указывают на один и тот же массив (хотя в языке нет возможностей гарантировать этот факт). Результат вычитания одного указателя из другого равен числу (целое) элементов массива, находящихся между этими указателями. Можно складывать с указателем или вычитать из него значение целого типа; в обоих случаях результатом будет указатель. Если получится значение, не являющееся указателем на элемент того же массива, на который был настроен исходный указатель (или указателем на следующий за массивом элемент), то результат использования такого значения неопределен. Приведем пример:

Как правило, сложных арифметических операций с указателями не требуется и лучше всего их избегать. Следует сказать, что в большинстве реализаций языка С++ нет контроля над границами массивов. Описание массива не является самодостаточным, поскольку необязательно в нем будет храниться число элементов массива. Понятие массива в С является, по сути, понятием языка низкого уровня. Классы помогают развить его (см. $$1.4.3).

2.3.8 Структуры

Массив представляет собой совокупность элементов одного типа, а структура является совокупностью элементов произвольных (практически) типов. Например:

};

56

Здесь определяется новый тип, называемый address, который задает почтовый адрес. Определение не является достаточно общим, чтобы учесть все случаи адресов, но оно вполне пригодно для примера. Обратите внимание на точку с запятой в конце определения: это один из немногих в С++ случаев, когда после фигурной скобки требуется точка с запятой, поэтому про нее часто забывают.

Переменные типа address можно описывать точно так же, как и любые другие переменные, а с помощью операции . (точка) можно обращаться к отдельным членам структуры. Например:

address jd;

jd.name = "Jim Dandy"; jd.number = 61;

Инициализировать переменные типа struct можно так же, как массивы. Например:

address jd = { "Jim Dandy",

61, "South Street",

"New Providence", {'N','J'}, 7974

};

Но лучше для этих целей использовать конструктор ($$5.2.4). Отметим, что jd.state нельзя инициализировать строкой "NJ". Ведь строки оканчиваются нулевым символом '\0', значит в строке "NJ" три символа, а это на один больше, чем помещается в jd.state. К структурным объектам часто обращаются c помощью указателей, используя операцию ->. Например:

void print_addr(address* p)

{

cout << p->name << '\n'

<<p->number << ' ' << p->street << '\n'

<<p->town << '\n'

<<p->state[0] << p->state[1]

<<' ' << p->zip << '\n';

}

Объекты структурного типа могут быть присвоены, переданы как фактические параметры функций и возвращены функциями в качестве результата. Например:

address current;

address set_current(address next)

{

address prev = current; current = next;

return prev;

}

Другие допустимые операции, например, такие, как сравнение (== и !=), неопределены. Однако пользователь может сам определить эти операции (см. главу 7).

Размер объекта структурного типа не обязательно равен сумме размеров всех его членов. Это происходит по той причине, что на многих машинах требуется размещать объекты определенных типов, только выравнивая их по некоторой зависящей от системы адресации границе (или просто потому, что работа при таком выравнивании будет более эффективной ). Типичный пример - это выравнивание целого по словной границе. В результате выравнивания могут появиться "дырки" в структуре. Так, на уже упоминавшейся машине автора sizeof(address) равно 24, а не 22, как можно было ожидать.

Следует также упомянуть, что тип можно использовать сразу после его появления в описании, еще до того, как будет завершено все описание. Например:

struct link{ link* previous;

link* successor;

};

Однако новые объекты типа структуры нельзя описать до тех пор, пока не появится ее полное описание. Поэтому описание

57

struct no_good { no_good member;

};

является ошибочным (транслятор не в состоянии установить размер no_good). Чтобы позволить двум (или более) структурным типам ссылаться друг на друга, можно просто описать имя одного из них как имя некоторого структурного типа. Например:

struct list; // будет определено позднее struct link {

link* pre; link* suc;

list* member_of;

};

struct list { link* head;

};

Если бы не было первого описания list, описание члена link привело бы к синтаксической ошибке. Можно также использовать имя структурного типа еще до того, как тип будет определен, если только это использование не предполагает знания размера структуры. Например:

Но приведенные описания можно использовать лишь после того, как тип S будет определен:

2.3.9 Эквивалентность типов

Два структурных типа считаются различными даже тогда, когда они имеют одни и те же члены. Например, ниже определены различные типы:

struct s1 { int a; }; struct s2 { int a; };

В результате имеем:

Есть, однако, возможность, не определяя новый тип, задать новое имя для типа. В описании, начинающемся служебным словом typedef, описывается не переменная указанного типа, а вводится новое имя для типа. Приведем пример:

typedef char* Pchar; Pchar p1, p2;

char* p3 = p1;

Это просто удобное средство сокращения записи.

58

2.3.10 Ссылки

Ссылку можно рассматривать как еще одно имя объекта. В основном ссылки используются для задания параметров и возвращаемых функциями значений , а также для перегрузки операций (см.$$7). Запись X& обозначает ссылку на X. Например:

Ссылка должна быть инициализирована, т.е. должно быть нечто, что она может обозначать. Следует помнить, что инициализация ссылки совершенно отличается от операции присваивания. Хотя можно указывать операции над ссылкой, ни одна из них на саму ссылку не действует, например,

Здесь операция ++ допустима, но rr++ не увеличивает саму ссылку rr; вместо этого ++ применяется к целому, т.е. к переменной ii. Следовательно, после инициализации значение ссылки не может быть изменено: она всегда указывает на тот объект, к которому была привязана при ее инициализации. Чтобы получить указатель на объект, обозначаемый ссылкой rr, можно написать &rr. Очевидной реализацией ссылки может служить постоянный указатель, который используется только для косвенного обращения. Тогда инициализация ссылки будет тривиальной, если в качестве инициализатора указан адрес (т.е. объект, адрес которого можно получить; см. $$R.3.7). Инициализатор для типа T должен быть адресом. Однако, инициализатор для &T может быть и не адресом, и даже не типом T. В таких случаях делается следующее:

[1] во-первых, если необходимо, применяется преобразование типа (см.$$R.8.4.3);

[2]затем получившееся значение помещается во временную переменную;

[3]наконец, адрес этой переменной используется в качестве инициализатора ссылки. Пусть имеются описания:

Ссылки на переменные и ссылки на константы различаются по следующей причине: в первом случае создание временной переменной чревато ошибками, поскольку присваивание этой переменной означает присваивание временной переменной, которая могла к этому моменту исчезнуть. Естественно, что во втором случае подобных проблем не существует. и ссылки на константы часто используются как параметры функций (см.$$R.6.3). Ссылка может использоваться для функции, которая изменяет значение своего параметра. Например:

void incr(int& aa) { aa++; } void f()

{

}

По определению передача параметров имеет ту же семантику, что и инициализация, поэтому при вызове функции incr ее параметр aa становится другим именем для x. Лучше, однако, избегать изменяющих свои параметры функций, чтобы не запутывать программу. В большинстве случаев предпочтительнее, чтобы функция возвращала результат явным образом, или чтобы использовался

59

Кроме перечисленного, с помощью ссылок можно определить функции, используемые как в правой, так и в левой частях присваивания. Наиболее интересное применение это обычно находит при определении нетривиальных пользовательских типов. В качестве примера определим простой ассоциативный массив. Начнем с определения структуры

Идея заключается в том, что со строкой связывается некоторое целое значение. Нетрудно написать функцию поиска find(), которая работает со структурой данных, представляющей ассоциативный массив. В нем для каждой отличной от других строки содержится структура pair (пара: строка и значение ). В данном примере - это просто массив. Чтобы сократить пример, используется предельно простой, хотя и неэффективный алгоритм:

const int large = 1024; static pair vec[large+1]; pair* find(const char* p) /*

//работает со множеством пар "pair":

//ищет p, если находит, возвращает его "pair",

//в противном случае возвращает неиспользованную "pair"

*/

{

for (int i=0; vec[i].name; i++)

if (strcmp(p,vec[i].name)==0) return &vec[i]; if (i == large) return &vec[large-1];

return &vec[i];

}

Эту функцию использует функция value(), которая реализует массив целых, индексируемый строками (хотя привычнее строки индексировать целыми):

Для заданного параметра (строки) value() находит объект, представляющий целое (а не просто значение соответствующего целого) и возвращает ссылку на него. Эти функции можно использовать, например, так:

const int MAX = 256; // больше длины самого длинного слова

60