- •Бьерн Страуструп.
- •Второе дополненное издание
- •Оглавление
- •Глава 2. Описания и константы 38
- •Глава 3. Выражения и операторы 58
- •Глава 4. 80
- •Глава 6. 124
- •Глава 7. 151
- •Глава 8. Шаблоны типа 171
- •Глава 9. 195
- •Глава 10. Потоки 216
- •Глава 11. Проектирование и развитие 238
- •Глава 13. Проектирование библиотек 282
- •Предварительные замечания
- •Об авторе книги:
- •Предисловие
- •Выражение признательности
- •Предисловие к первому изданию
- •Выражение признательности
- •Предварительные замечания
- •Структура книги
- •Замечания по реализации
- •Упражнения
- •Замечания по проекту языка
- •Историческая справка
- •Эффективность и структура
- •Философские замечания
- •Несколько полезных советов
- •Замечание для программистов на с
- •Список литературы
- •1.1 Введение
- •1.2 Парадигмы программирования
- •1.2.1 Процедурное программирование
- •1.2.2 Модульное программирование
- •1.2.3 Абстракция данных
- •1.2.4 Пределы абстракции данных
- •1.2.5 Объектно-ориентированное программирование
- •1.3 "Улучшенный с"
- •1.3.1 Программа и стандартный вывод
- •1.3.2 Переменные и арифметические операции
- •1.3.3 Указатели и массивы
- •1.3.4 Условные операторы и циклы
- •1.3.5 Функции
- •1.3.6 Модули
- •1.4 Поддержка абстракции данных
- •1.4.1 Инициализация и удаление
- •1.4.2 Присваивание и инициализация
- •1.4.3 Шаблоны типа
- •1.4.4 Обработка особых ситуаций
- •1.4.5 Преобразования типов
- •1.4.6 Множественные реализации
- •1.5 Поддержка объектно-ориентированного программирования
- •1.5.1 Механизм вызова
- •1.5.2 Проверка типа
- •1.5.3 Множественное наследование
- •1.5.4 Инкапсуляция
- •1.6 Пределы совершенства
- •Глава 2. Описания и константы
- •2.1 Описания
- •2.1.1 Область видимости
- •2.1.2 Объекты и адреса
- •2.1.3 Время жизни объектов
- •2.2 Имена
- •2.3 Типы
- •2.3.1 Основные типы
- •2.3.2 Неявное преобразование типа
- •2.3.3 Производные типы
- •2.3.5 Указатели
- •2.3.6 Массивы
- •2.3.7 Указатели и массивы
- •2.3.8 Структуры
- •2.3.9 Эквивалентность типов
- •2.3.10 Ссылки
- •2.4 Литералы
- •2.4.1 Целые константы
- •2.4.2 Константы с плавающей точкой
- •2.4.3 Символьные константы
- •2.4.4 Строки
- •2.4.5 Нуль
- •2.5 Поименованные константы
- •2.5.1. Перечисления
- •2.6. Экономия памяти
- •2.6.1 Поля
- •2.6.2. Объединения
- •2.7 Упражнения
- •Глава 3. Выражения и операторы
- •3.1 Калькулятор
- •3.1.1 Анализатор
- •3.1.2 Функция ввода
- •3.1.3 Таблица имен
- •3.1.4 Обработка ошибок
- •3.1.5 Драйвер
- •3.1.6 Параметры командной строки
- •3.2 Сводка операций
- •3.2.1 Скобки
- •3.2.2 Порядок вычислений
- •3.2.3 Инкремент и декремент
- •3.2.4 Поразрядные логические операции
- •3.2.5 Преобразование типа
- •3.2.6 Свободная память
- •3.3 Сводка операторов
- •Синтаксис операторов
- •3.3.1 Выбирающие операторы
- •3.3.2 Оператор goto
- •3.4 Комментарии и расположение текста
- •3.5 Упражнения
- •Глава 4.
- •4.1 Введение
- •4.2 Связывание
- •4.3 Заголовочные файлы
- •4.3.1 Единственный заголовочный файл
- •4.3.2 Множественные заголовочные файлы
- •4.4 Связывание с программами на других языках
- •4.5 Как создать библиотеку
- •4.6 Функции
- •4.6.1 Описания функций
- •4.6.2 Определения функций
- •4.6.3 Передача параметров
- •4.6.4 Возвращаемое значение
- •4.6.5 Параметр-массив
- •4.6.6 Перегрузка имени функции
- •4.6.7 Стандартные значения параметров
- •4.6.8 Неопределенное число параметров
- •4.6.9 Указатель на функцию
- •4.7 Макросредства
- •4.8 Упражнения
- •5. Классы
- •5.1 Введение и краткий обзор
- •5.2 Классы и члены
- •5.2.1 Функции-члены
- •5.2.2 Классы
- •5.2.3 Ссылка на себя
- •5.2.4 Инициализация
- •5.2.5 Удаление
- •5.2.6 Подстановка
- •5.3 Интерфейсы и реализации
- •5.3.1 Альтернативные реализации
- •5.3.2 Законченный пример класса
- •5.4 Еще о классах
- •5.4.1 Друзья
- •5.4.2 Уточнение имени члена
- •5.4.3 Вложенные классы
- •5.4.4 Статические члены
- •5.4.5 Указатели на члены
- •5.4.6 Структуры и объединения
- •5.5 Конструкторы и деструкторы
- •5.5.1 Локальные переменные
- •5.5.2 Статическая память
- •5.5.3 Свободная память
- •5.5.4 Объекты класса как члены
- •5.5.5 Массивы объектов класса
- •5.5.6 Небольшие объекты
- •5.6 Упражнения
- •Глава 6.
- •6.1 Введение и краткий обзор
- •6.2 Производные классы
- •6.2.1 Функции-члены
- •6.2.2 Конструкторы и деструкторы
- •6.2.3 Иерархия классов
- •6.2.4 Поля типа
- •6.2.5 Виртуальные функции
- •6.3 Абстрактные классы
- •6.4 Пример законченной программы
- •6.4.1 Монитор экрана
- •6.4.2 Библиотека фигур
- •6.4.3 Прикладная программа
- •6.5 Множественное наследование
- •6.5.1 Множественное вхождение базового класса
- •6.5.2 Разрешение неоднозначности
- •6.5.3 Виртуальные базовые классы
- •6.6 Контроль доступа
- •6.6.1 Защищенные члены
- •6.6.2 Доступ к базовым классам
- •6.7 Свободная память
- •6.7.1 Виртуальные конструкторы
- •6.7.2 Указание размещения
- •6.8 Упражнения
- •Глава 7.
- •7.1 Введение
- •7.2 Операторные функции
- •7.2.1 Бинарные и унарные операции
- •7.2.2 Предопределенные свойства операций
- •7.2.3 Операторные функции и пользовательские типы
- •7.3 Пользовательские операции преобразования типа
- •7.3.1 Конструкторы
- •7.3.2 Операции преобразования
- •7.3.3 Неоднозначности
- •7.4 Литералы
- •7.5 Большие объекты
- •7.6 Присваивание и инициализация
- •7.7 Индексация
- •7.8 Вызов функции
- •7.9 Косвенное обращение
- •7.10 Инкремент и декремент
- •7.11 Строковый класс
- •7.12 Друзья и члены
- •7.13 Предостережения
- •7.14 Упражнения
- •Глава 8. Шаблоны типа
- •8.1 Введение
- •8.2 Простой шаблон типа
- •8.3 Шаблоны типа для списка
- •8.3.1 Список с принудительной связью
- •8.3.2 Список без принудительной связи
- •8.3.3 Реализация списка
- •8.3.4 Итерация
- •8.4 Шаблоны типа для функций
- •8.4.1 Простой шаблон типа для глобальной функции
- •8.4.2 Производные классы позволяют ввести новые операции
- •8.4.3 Передача операций как параметров функций
- •8.4.4 Неявная передача операций
- •8.4.5 Введение операций с помощью параметров шаблонного класса
- •8.5 Разрешение перегрузки для шаблонной функции
- •8.6 Параметры шаблона типа
- •8.7 Шаблоны типа и производные классы
- •8.7.1 Задание реализации с помощью параметров шаблона
- •8.8 Ассоциативный массив
- •8.9 Упражнения
- •Глава 9.
- •9.1 Обработка ошибок
- •9.1.1 Особые ситуации и традиционная обработка ошибок
- •9.1.2 Другие точки зрения на особые ситуации
- •9.2 Различение особых ситуаций
- •9.3 Имена особых ситуаций
- •9.3.1 Группирование особых ситуаций
- •9.3.2 Производные особые ситуации
- •9.4 Запросы ресурсов
- •9.4.1 Конструкторы и деструкторы
- •9.4.2 Предостережения
- •9.4.3 Исчерпание ресурса
- •9.4.4 Особые ситуации и конструкторы
- •9.5 Особые ситуации могут не быть ошибками
- •9.6 Задание интерфейса
- •9.6.1 Неожиданные особые ситуации
- •9.7 Неперехваченные особые ситуации
- •9.8 Другие способы обработки ошибок
- •9.9 Упражнения
- •Глава 10. Потоки
- •10.1 Введение
- •10.2 Вывод
- •10.2.1 Вывод встроенных типов
- •10.2.2 Вывод пользовательских типов
- •10.3 Ввод
- •10.3.1 Ввод встроенных типов
- •10.3.2 Состояния потока
- •10.3.3 Ввод пользовательских типов
- •10.4 Форматирование
- •10.4.1 Класс ios
- •10.4.1.1 Связывание потоков
- •10.4.1.2 Поля вывода
- •10.4.1.3 Состояние формата
- •10.4.1.4 Вывод целых
- •10.4.1.5 Выравнивание полей
- •10.4.1.6 Вывод плавающих чисел.
- •10.4.2 Манипуляторы
- •10.4.2.1 Стандартные манипуляторы ввода-вывода
- •10.4.3 Члены ostream
- •10.4.4 Члены istream
- •10.5 Файлы и потоки
- •10.5.1 Закрытие потоков
- •10.5.2 Строковые потоки
- •10.5.3 Буферизация
- •10.6 Ввод-вывод в с
- •10.7 Упражнения
- •Глава 11. Проектирование и развитие
- •11.1 Введение
- •11.2 Цели и средства
- •11.3 Процесс развития
- •11.3.1 Цикл развития
- •11.3.2 Цели проектирования
- •11.3.3 Шаги проектирования
- •11.3.3.1 Шаг 1: определение классов
- •11.3.3.2 Шаг 2: определение набора операций
- •11.3.3.3 Шаг 3: указание зависимостей
- •11.3.3.4 Шаг 4: определение интерфейсов
- •11.3.3.5 Перестройка иерархии классов
- •11.3.3.6 Использование моделей
- •11.3.4 Эксперимент и анализ
- •11.3.5 Тестирование
- •11.3.6 Сопровождение
- •11.3.7 Эффективность
- •11.4 Управление проектом
- •11.4.1 Повторное использование
- •11.4.2 Размер
- •11.4.3 Человеческий фактор
- •11.5 Свод правил
- •11.6 Список литературы с комментариями
- •12.1 Проектирование и язык программирования.
- •12.1.1 Игнорирование классов
- •12.1.2 Игнорирование наследования
- •12.1.3 Игнорирование статического контроля типов
- •12.1.4 Гибридный проект
- •12.2 Классы
- •12.2.1 Что представляют классы?
- •12.2.2 Иерархии классов
- •12.2.3 Зависимости в рамках иерархии классов.
- •12.2.4 Отношения принадлежности
- •12.2.5 Принадлежность и наследование
- •12.2.6 Отношения использования
- •12.2.7 Отношения внутри класса
- •12.2.7.1 Инварианты
- •12.2.7.2 Инкапсуляция
- •12.2.8 Программируемые отношения
- •12.3 Компоненты
- •12.4 Интерфейсы и реализации
- •12.5 Свод правил
- •Глава 13. Проектирование библиотек
- •13.1 Введение
- •13.2 Конкретные типы
- •13.3 Абстрактные типы
- •13.4 Узловые классы
- •13.5 Динамическая информация о типе
- •13.5.1 Информация о типе
- •13.5.2 Класс Type_info
- •13.5.3 Как создать систему динамических запросов о типе
- •13.5.4 Расширенная динамическая информация о типе
- •13.5.5 Правильное и неправильное использование динамической информации о типе
- •13.6 Обширный интерфейс
- •13.7 Каркас области приложения
- •13.8 Интерфейсные классы
- •13.9 Управляющие классы
- •13.10 Управление памятью
- •13.10.1 Сборщик мусора
- •13.10.2 Контейнеры и удаление
- •13.10.3 Функции размещения и освобождения
- •13.11 Упражнения
Историческая справка
Безусловно С++ многим обязан языку С [8], который сохраняется как его подмножество. Сохранены и все свойственные С средства низкого уровня, предназначенные для решения самых насущных задач системного программирования. С, в свою очередь, многим обязан своему предшественнику языку BCPL [13]. Комментарий языка BCPL был восстановлен в С++. Если читатель знаком с языком BCPL, то может заметить, что в С++ по-прежнему нет блока VALOF. Еще одним источником вдохновения был язык SIMULA-67 [2,3]; именно из него была заимствована концепция классов (вместе c производными классами и виртуальными функциями). Оператор inspect из SIMULA-67 намеренно не был включен в С++. Причина – желание способствовать модульности за счет использования виртуальных функций. Возможность в С++ перегрузки операций и свобода размещения описаний всюду, где может встречаться оператор, напоминают язык Алгол-68 [24].
С момента выхода в свет первого издания этой книги язык С++ подвергся существенным изменениям и уточнениям. В основном это касается разрешения неоднозначности при перегрузке, связывании и управлении памятью. Вместе с тем, были внесены незначительные изменения с целью увеличить совместимость с языком С. Были также введены некоторые обобщения и существенные расширения, как то: множественное наследование, функции-члены со спецификациями static и const, защищенные члены (protected), шаблоны типа и обработка особых ситуаций. Все эти расширения и доработки были нацелены на то, чтобы С++ стал языком, на котором можно создавать и использовать библиотеки. Все изменения описываются в [10,18,20,21 и 23].
Шаблоны типов появились частично из-за желания формализовать макросредства, а частично были инспирированы описанием генерических объектов в языке Ада (с учетом их достоинств и недостатков) и параметризированными модулями языка CLU. Механизм обработки особых ситуаций появился отчасти под влиянием языков Ада и CLU [11], а отчасти под влиянием ML [26]. Другие расширения, введенные за период между 1985 и 1991 г.г. (такие как множественное наследование, статические функции-члены и чистые виртуальные функции), скорее появились в результате обобщения опыта программирования на С++, чем были почерпнуты из других языков.
Более ранние версии языка, получившие название "С с классами" [16], использовались, начиная с 1980 г. Этот язык возник потому, что автору потребовалось написать программы моделирования, управляемые прерываниями. Язык SIMULA-67 идеально подходит для этого, если не учитывать эффективность. Язык "С с классами" использовался для больших задач моделирования. Строгой проверке подверглись тогда возможности написания на нем программ, для которых критичны ресурсы времени и памяти. В этом языке недоставало перегрузки операций, ссылок, виртуальных функций и многих других возможностей. Впервые С++ вышел за пределы исследовательской группы, в которой работал автор, в июле 1983 г., однако тогда многие возможности С++ еще не были разработаны.
Название С++ (си плюс плюс) , было придумано Риком Маскитти летом 1983 г. Это название отражает эволюционный характер изменений языка С. Обозначение ++ относится к операции наращивания С. Чуть более короткое имя С+ является синтаксической ошибкой. Кроме того, оно уже было использовано как название совсем другого языка. Знатоки семантики С находят, что С++ хуже, чем ++С. Язык не получил названия D, поскольку он является расширением С, и в нем не делается попыток решить какие-либо проблемы за счет отказа от возможностей С. Еще одну интересную интерпретацию названия С++ можно найти в приложении к [12].
Изначально С++ был задуман для того, чтобы автору и его друзьям не надо было программировать на ассемблере, С или других современных языках высокого уровня. Основное его предназначение - упростить и сделать более приятным процесс программирования для отдельного программиста. До недавнего времени не было плана разработки С++ на бумаге. Проектирование, реализация и документирование шли параллельно. Никогда не существовало "проекта С++" или "Комитета по разработке С++". Поэтому язык развивался и продолжает развиваться так, чтобы преодолеть все проблемы, с которыми столкнулись пользователи. Толчками к развитию служат также и обсуждения автором всех проблем с его друзьями и коллегами.
В связи с лавинообразным процессом увеличения числа пользователей С++, пришлось сделать следующие изменения. Примерно в 1987 г. стало очевидно, что работа по стандартизации С++ неизбежна и что следует незамедлительно приступить к созданию основы для нее [22]. В результате были предприняты целенаправленные действия, чтобы установить контакт между разработчиками С++ и большинством пользователей. Применялась обычная и электронная почта, а также было непосредственное общение на конференциях по С++ и других встречах.
Фирма AT&T Bell Laboratories внесла основной вклад в эту работу, предоставив автору право изучать версии справочного руководства по языку вместе с упоминавшимися разработчиками и пользователями. Не следует недооценивать этот вклад, т.к. многие из них работают в компаниях, которые можно считать конкурентами фирмы AT&T. Менее просвещенная компания могла бы просто ничего не делать, и в результате появилось бы несколько несогласованных версий языка. Около ста представителей из порядка 20 организаций изучали и комментировали то, что стало современной версией справочного руководства и исходными материалами для ANSI по стандартизации С++. Их имена можно найти в "Аннотированном справочном руководстве по языку С++" [4]. Справочное руководство полностью вошло в настоящую книгу. Наконец, по инициативе фирмы Hewlett-Packard в декабре 1989 г. в составе ANSI был образован комитет X3J16. Ожидается, что работы по стандартизации С++ в ANSI (американский стандарт) станут составной частью работ по стандартизации силами ISO (Международной организации по стандартизации).
С++ развивался одновременно с развитием некоторых фундаментальных классов, представленных в данной книге. Например, автор разрабатывал классы complex, vector и stack, создавая одновременно возможность перегрузки операций. В результате этих же усилий и благодаря содействию Д. Шапиро появились строковые и списочные классы. Эти классы стали первыми библиотечными классами, которые начали активно использоваться. Библиотека task, описываемая в [19] и в упражнении 13 из $$6.8 стала частью самой первой программы, написанной на языке "С с классами". Эта программа и используемые в ней классы были созданы для моделирования в стиле Симулы. Библиотека task была существенно переработана Д. Шапиро и продолжает активно использоваться до настоящего времени. Потоковая библиотека, как указывалось в первом издании книги, была разработана и применена автором. Д. Шварц преобразовал ее в потоковую библиотеку ввода-вывода ($$10), используя наряду с другими приемами метод манипуляторов Э.Кенига ($$10.4.2). Класс map ($$8.8) был предложен Э.Кенигом. Он же создал класс Pool ($$13.10), чтобы использовать для библиотеки предложенный автором способ распределения памяти для классов ($$5.5.6). На создание остальных шаблонов повлияли шаблоны Vector, Map, Slist и sort, представленные в главе 8.
Сравнение языков С++ и С
Выбор С в качестве базового языка для С++ объясняется следующими его достоинствами:
(1) универсальность, краткость и относительно низкий уровень;
(2) адекватность большинству задач системного программирования;
(3) он идет в любой системе и на любой машине;
(4) полностью подходит для программной среды UNIX.
В С существуют свои проблемы, но в языке, разрабатываемом "с нуля" они появились бы тоже, а проблемы С, по крайней мере, хорошо известны. Более важно то, что ориентация на С позволила использовать язык "С с классами" как полезный (хотя и не очень удобный) инструмент в течение первых месяцев раздумий о введении в С классов в стиле Симулы.
С++ стал использоваться шире, но по мере роста его возможностей, выходящих за пределы С, вновь и вновь возникала проблема совместимости. Ясно, что отказавшись от части наследства С, можно избежать некоторых проблем (см., например, [15]). Это не было сделано по следующим причинам:
(1) существуют миллионы строк программ на С, которые можно улучшить с помощью С++, но при условии, что полной переписи их на язык С++ не потребуется;
(2) существуют миллионы строк библиотечных функций и служебных программ на С, которые можно было бы использовать в С++ при условиях совместимости обоих языков на стадии связывания и их большого синтаксического сходства;
(3) существуют сотни тысяч программистов, знающих С; им достаточно овладеть только новыми средствами С++ и не надо изучать основ языка;
(4) поскольку С и С++ будут использоваться одними и теми же людьми на одних и тех же системах многие годы, различия между языками должны быть либо минимальными, либо максимальными, чтобы свести к минимуму количество ошибок и недоразумений. Описание С++ было переработано так, чтобы гарантировать, что любая допустимая в обоих языках конструкция означала в них одно и то же.
Язык С сам развивался в последние несколько лет, что отчасти было связано с разработкой С++ [14]. Стандарт ANSI для С [27] содержит, например, синтаксис описания функций, позаимствованный из языка "С с классами". Происходит взаимное заимствование, например, тип указателя void* был придуман для ANSI С, а впервые реализован в С++. Как было обещано в первом издании этой книги, описание С++ было доработано, чтобы исключить неоправданные расхождения. Теперь С++ более совместим с языком С, чем это было вначале ($$R.18). В идеале С++ должен максимально приближаться к ANSI C, но не более [9]. Стопроцентной совместимости никогда не было и не будет, поскольку это нарушит надежность типов и согласованность использования встроенных и пользовательских типов, а эти свойства всегда были одними из главных для С++.
Для изучения С++ не обязательно знать С. Программирование на С способствует усвоению приемов и даже трюков, которые при программировании на С++ становятся просто ненужными. Например, явное преобразование типа (приведение) , в С++ нужно гораздо реже, чем в С (см. "Замечания для программистов на С" ниже). Тем не менее, хорошие программы на языке С по сути являются программами на С++. Например, все программы из классического описания С [8] являются программами на С++. В процессе изучения С++ будет полезен опыт работы с любым языком со статическими типами.