Жанр: Учеба
Язык С++ с комментариями
...чтожение и копирование значения
определенного пользователем типа. Глава 7 описывает концепцию
производных классов, которая позволяет программисту строить более
сложные классы из более простых, обеспечивать альтернативные
интерфейсы класса и работать с объектами безопасным и не требующим
беспокоиться о типе способом в тех ситуациях, когда типы объектов
не могут быть известны на стадии компиляции.
В Главе 8 представлены классы ostream и istream, предоставляемые
стандартной библиотекой для осуществления ввода-вывода. Эта глава
имеет двоякую цель: в ней представлены полезные средства, что
одновременно является реальным примером использования C++.
И, наконец, в книгу включено справочное руководство по C++.
Ссылки на различные части этой книги даются в форме #2.3.4 (Глава
2 подраздел 3.4). Глава с - это справочное руководство; например,
#с.8.5.5.
- стр 11 -
Замечания по реализации
Во время написания этой книги все реализации C++ использовали
версии единственного интерфейсного компилятора#. Он используется на
многих архитектурах, включая действующие версии системы
операционной системы UNIX на AT&T 3B, DEC VAX, IBM 370 и Motorolla
68000. Фрагменты программ, которые приводятся в этой книге, взяты
непосредственно из исходных файлов, которые компилировались на 3B
в UNIX System V версии 2 [15], VAX11/750 под 8-ой Редакцией UNIX
[16] и CCI Power 6/32 под BSD4.2 UNIX [17]. Язык, описанный в этой
книге, - это "чистый C++", но имеющиеся на текущий момент
компиляторы реализуют большое число "анахронизмов" (описанных в
#с.15.3), которые должны способствовать переходу от C к C++.
Упражнения
Упражнения находятся в конце глав. Все упражнения главным образом
типа напишите-программу. Для решения всегда пишите такую прогармму,
которая будет компилироваться и работать по меньшей мере на
нескольких тестовых случаях. Упражнения различаются в основном по
сложности, поэтому они помечены оценкой степени сложности. Шкала
экспоненциальная, так что если на упражение (*1) вам потребовалось
пять минут, то упражнение (*2) вам может потребоваться час, а на
(*3) - день. Время, которое требуется на то, чтобы написать и
оттестировать программу, зависит больше от опыта читателя, нежели
от самого упражения. Упражнение (*1) может отнять день, если для
того, чтобы запустить ее, читателю сначала придется знакомиться с
новой вычислительной системой. С другой стороны, тот, у кого под
рукой окажется нужный набор программ, может сделать упражнение (*5)
за час. В качестве источника упражнений к Главам 2-4 можно
использовать любую книгу по C. У Ахо и др. [1] приведено большое
количество общих структур данных и алгоритмов втерминах абстрактных
типов данных. Эту книгу также может служить источником упражнений к
Главам 5-7. Однако языку, который в этой книге использовался,
недостает как функций членов, так и производных классов. Поэтому
определенные пользователем типы часто можно выражать в C++ более
элегантно.
Замечания по проекту языка
Существенным критерием при разработке языка была простота; там,
где возникал выбор между упрощением руководства по языку и другой
документации и упрощением компилятора, выбиралось первое. Огромное
значение также придавалось совместимости с C; это помешало удалить
синтаксис C.
В C++ нет типов данных высокого уровня и нет первичных операций
высокого уровня. В нем нет, например, матричного типа с операцией
обращения или типа строка с операцией конкатенации. Если
пользователю понадобятся подобные типы, их можно определить в самом
____________________
# C++ можно купить в AT&T, Software Sales and Marketing, PO Box
25000, Greensboro, NC 27420, USA (телефон 800-828-UNIX) или в ваших
местных организациях, осуществляющих продажу Системы UNIX. (прим.
автора)
- стр 12 -
языке. По сути дела, основное, чем занимается программирование на
C++, - это определение универсальных и специально-прикладных типов.
Хорошо разработанный тип, определенный пользователем, отличается от
встроенного типа только способом определения, но не способом
использования.
Исключались те черты, которые могли бы повлечь дополнительные
расходы памяти или времени выполнения. Например, мысли о том, чтобы
сделать необходимым храние в каждом объекте "хозяйственной"
информации, были отвергнуты; если пользователь описывает структуру,
состоящую из двух 16-битовых величин, то структура поместится в 32битовый
регистр.
C++ проектировался для использования в довольно традиционной
среде компиляции и выполнения, среде программирования на C в
системе UNIX. Средства обработки особых ситуаций и параллельного
программирования, требующие нетривиальной загрузки и поддержки в
процессе выполнения, не были включены в C++. Вследствие этого
реализация C++ очень легко переносима. Однако есть полные основания
использовать C++ в среде, где имеется гораздо более существенная
поддержка. Такие средства, как динамическая загрузка, пошаговая
трансляция и база данных определений типов могут с пользой
применяться без воздействия на язык.
Типы и средства скрытия данных в C++ опираются на проводимый во
время компиляции анализ программ с целью предотвращения случайного
искажения данных. Они не обеспечивают секретности или защиты от
умышленного нарушения правил. Однако эти средства можно
использовать без ограничений, что не приводит к дополнительным
расходам времени на выполнение или пространства памяти.
Исторические замечания
Безусловно, C++ восходит главным образом к C [7]. C сохранено как
подможество, поэтому сделанного в C акцента на средствах низкого
уровня достаточно, чтобы справляться с самыми насущными задачами
системного программирования. C, в свою очередь, многим обязано
своему предшественнику BCPL [9]; на самом деле, комментарии //
(заново) введены в C++ из BCPL. Если вы знаете BCPL, то вы
заметите, что в C++ по-прежнему нет VALOF блока. Еще одним
источником вдохновения послужил язык Simula67 [2,3]; из него была
позаимствована концепция класса (вместе с производными классами и
функциями членами). Это было сделано, чтобы способствовать
модульности через использование виртуальных функций. Возможности
C++ по перегрузке операций и свобода в расположении описаний везде,
где может встречаться оператор, похожи на Алгол68 [14].
Название C++ - изобретение совсем недавнее (лета 1983его). Более
ранние версии языка использовались начиная с 1980ого и были
известны как "C с Классами". Первоначально язык был придуман
потому, что автор хотел написать модели, управляемые прерываниями,
для чего был бы идеален Simula67, если не принимать во внимание
эффективность. "C с Классами" использовался для крупных проектов
моделирования, в которых строго тестировались возможности
написания программ, требующих минимального (только) пространства
памяти и времени на выполнение. В "C с Классами" не хватало
перегрузки операций, ссылок, виртуальных функций и многих деталей.
C++ был впервые введен за пределами исследовательской группы автора
- стр 13 -
в июле 1983его; однако тогда многие особенности C++ были еще не
придуманы.
Название C++ выдумал Рик Масситти. Название указывает на
эволюционную природу перехода к нему от C. "++" - это операция
приращения в C. Чуть более короткое имя C+ является синтаксической
ошибкой; кроме того, оно уже было использовано как совсем другого
языка. Знатоки семантики C находят, что C++ хуже, чем ++C. Названия
D язык не получил, поскольку он является расширением C и в нем не
делается попыток исцеляться от проблем путем выбрасывания
различных особенностей. Еще одну интерпретацию названия C++ можно
найти в приложении к Оруэллу [8].
Изначально C++ был разработан, чтобы автору и его друзьям не
приходилось программировать на ассемблере, C или других современных
языках высокого уровня. Основным его предназначением было сделать
написание хороших программ более простым и приятным для отдельного
программиста. Плана разработки C++ на бумаге никогда не было;
проект, документация и реализация двигались одновременно.
Разумется, внешний интерфейс C++ был написан на C++. Никогда не
существовало "Проекта C++" и "Комитета по разработке C++". Поэтому
C++ развивался и продолжает развиваться во всех направлениях чтобы
справляться со сложностями, с которыми сталкиваются пользователи, а
также в процессе дискуссий автора с его друзьями и коллегами.
В качестве базового языка для C++ был выбран C, потому что он (1)
многоцелевой, лаконичный и относительно низкого уровня; (2)
отвечает большинству задач системного программирования; (3) идет
везде и на всем; и (4) пригоден в среде программирования UNIX. В C
есть свои сложности, но в наспех спроектированном языке тоже были
бы свои, а сложности C нам известны. Самое главное, работа с C
позволила "C с Классами" быть полезным (правда, неудобным)
инструментом в ходе первых месяцев раздумий о добавлении к C
Simula-образных классов.
C++ стал использоваться шире, и по мере того, как возможности,
предоставляемые им помимо возможностей C, становились все более
существенными, вновь и вновь поднимался вопрос о том, сохранять ли
совместимость с C. Ясно, что отказавшись от определенной части
наследия C можно было бы избежать ряда проблем (см., например,
Сэти [12]). Это не было сделано, потому что (1) есть миллионы строк
на C, которые могли бы принести пользу в C++ при условии, что их не
нужно было бы полностью переписывать с C на C++; (2) есть сотни
тысяч строк библиотечных функций и сервисных программ, написанных
на C, которые можно было бы использовать из или на C++ при условии,
что C++ полностью совместим с C по загрузке и синтаксически очень
похож на C; (3) есть десятки тысяч программистов, которые знают C,
и которым, поэтому, нужно только научиться использовать новые
особенности C++, а не заново изучать его основы; и (4), поскольку
C++ и C будут использоваться на одних и тех же системах одними и
теми же людьми, отличия должны быть либо очень большими, либо очень
маленькими, чтобы свести к минимуму ошибки и недоразумения. Позднее
была проведена проверка определения C++, чтобы удостовериться в
том, что любая конструкциия, допустимая и в C и в C++,
действительно означает в обоих языках одно и то же.
Язык C сам эволюционировал за последние несколько лет, частично
под влиянием развития C++ (см. Ростлер [11]). Предварительный
грубый ANSI стандарт C [10] содержит синтаксис описаний функций,
заимствованный из "C с Классами". Заимствование идей идет в обе
стороны; например, указатель void* был придуман для ANSI C и
- стр 14 -
впервые реализован в C++. Когда ANSI стандарт разовьется несколько
дальше, придет время пересмотреть C++, чтобы удалить необоснованную
несовместимость. Будет, например, модернизирован препроцессор
(#с.11), и нужно будет, вероятно, отрегулировать правила
осуществления плавающей арифметики. Это не должно оказаться
болезненным, и C и ANSI C очень близки к тому, чтобы стать
подмножествами C++ (см. #с.11).
Эффективность и структура
C++ был развит из языка программирования C и за очень немногими
исключениями сохраняет C как подмножество. Базовый язык, C
подмножество C++, спроектирован так, что имеется очень близкое
соответствие между его типами, операциями и операторами и
компьютерными объектами, с которыми непосредственно приходится
иметь дело: числами, символами и адресами. За исключением операций
свободной памяти new и delete, отдельные выражения и операторы C++
обычно не нуждаются в скрытой поддержке во время выполнения или
подпрограммах.
В C++ используются те же последовательности вызова и возврата из
функций, что и в C. В тех случаях, когда даже этот довольно
эффективный механизм является слишком дорогим, C++ функция может
быть подставлена inline, удовлетворяя, таким образом, соглашению о
записи функций без дополнительных расходов времени выполнения.
Одним из первоначальных предназначений C было применение его
вместо программирования на ассемблере в самых насущных задачах
системного программирования. Когда проектировался C++, были приняты
меры, чтобы не ставить под угрозу успехи в этой области. Различие
между C и C++ состоит в первую очередь в степени внимания,
уделяемого типам и структурам. C выразителен и снисходителен. C++
еще более выразителен, но чтобы достичь этой выразительности,
программист должен уделить больше внимания типам объектов. Когда
известны типы объектов, компилятор может правильно обрабатывать
выражения, тогда как в противном случае программисту пришлось бы
задавать действия с мучительными подробностями. Знание типов
объектов также позволяет компилятору обнаруживать ошибки, которые в
противном случае остались бы до тестирования. Заметьте, что
использование системы типов для того, чтобы получить проверку
параметров функций, защитить данные от случайного искажения, задать
новые операции и т.д., само по себе не увеличивает расходов по
времени выполнения и памяти.
Особое внимание, уделенное при разработке C++ структуре,
отразилось на возрастании масштаба программ, написанных со времени
разработки C. Маленькую программу (меньше 1000 строк) вы можете
заставить работать с помощью грубой силы, даже нарушая все правила
хорошего стиля. Для программ больших размеров это не совсем так.
Если программа в 10 000 строк имеет плохую структуру, то вы
обнаружите, что новые ошибки появляются так же быстро, как
удаляются старые. C++ был разработан так, чтобы дать возможность
разумным образом структурировать большие программы таким образом,
чтобы для одного человека не было непомерным справляться с
программами в 25 000 строк. Существуют программы гораздо больших
размеров, однако те, которые работают, в целом, как оказывается,
состоят из большого числа почти независимых частей, каждая из
которых намного ниже указанных пределов. Естественно, сложность
- стр 15 -
написания и поддержки программы зависит от сложности разработки, а
не просто от числа строк текста программы, так что точные цифры, с
помощью которых были выражены предыдущие соображения, не следует
воспринимать слишком серьезно.
Не каждая часть программы, однако, может быть хорошо
структурирована, независима от аппаратного обеспечения, легко
читаема и т.п. C++ обладает возможностями, предназначенные для
того, чтобы непосредственно и эффективно работать с аппаратными
средствами, не беспокоясь о безопасности или простоте понимания. Он
также имеет возможности, позволяющие скрывать такие программы за
элегантными и надежными интерфейсами.
В этой книге особый акцент делается на методах создания
универсальных средств, полезных типов, библиотек и т.д. Эти
средства пригодятся как тем программистам, которые пишут небольшие
программы, так и тем, которые пишут большие. Кроме того, поскольку
все нетривиальные программы состоят из большого числа
полунезависимых частей, методы написания таких частей пригодятся и
системным, и прикладным программистам.
У кого-то может появиться подозрение, что спецификация программы
с помощью более подробной системы типов приведет к увеличению
исходных текстов программы. В C++ это не так; C++ программа,
описывающая типы параметров функций, использующая классы и т.д.,
обычно немного короче эквивалентной C программы, в которой эти
средства не используются.
Философские замечания
Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он
дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть
выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист,
размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык,
который настолько "близок к машине", что всеми основными машинными
аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для
программиста образом. С таким умыслом первоначально задумывался C.
Второй цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к
решаемой задаче", чтобы концепции ее решения можно было выражать
прямо и коротко. С таким умыслом предварительно задумывались
средства, добавленные к C для создания C++.
Связь между языком, на котором мы думаем/программируем, и
задачами и решениями, которые мы можем представлять в своем
воображении, очень близка. По этой причине ограничивать свойства
языка только целями исключения ошибок программиста в лучшем случае
опасно. Как и в случае с естественными языками, есть огромная
польза быть по крайней мере двуязычным. Язык предоставляет
программисту набор концептуальных инструментов; если они не
отвечают задаче, то их просто игнорируют. Например, серьезные
ограничения концепции указателя заставляют программиста применять
вектора и целую арифметику, чтобы реализовать структуры, указатели
и т.п. Хорошее проектирование и отсутствие ошибок не может
гарантироваться чисто за счет языковых средств.
Система типов должна быть особенно полезна в нетривиальных
задачах. Действительно, концепция классов в C++ показала себя
мощным концептуальным средством.
- стр 16 -
Размышления о программировании на C++
В идеальном случае подход к разработке программы делится на три
части: вначале получить ясное понимание задачи, потом выделить
ключевые идеи, входящие в ее решение, и наконец выразить решение в
виде программы. Однако подробности задачи и идеи решения часто
становятся ясны только в результате попытки выразить их в виде
программы - именно в этом случае имеет значение выбор языка
программирования.
В большинстве разработок имеются понятия, которые трудно
представить в программе в виде одного из основных типов или как
функцию без ассоциированных с ней статических данных. Если имеется
подобное понятие, опишите класс, представляющий его в программе.
Класс - это тип; это значит, что он задает поведение объектов его
класса: как они создаются, как может осуществляться работа с ними,
и как они уничтожаются. Класс также задает способ представления
объектов; но на ранних стадиях разработки программы это не является
(не должно являться) главной заботой. Ключом к написанию хорошей
программы является разработка таких классов, чтобы каждый из них
представлял одно основное понятие. Обычно это означает, что
программист должен сосредоточиться на вопросах: Как создаются
объекты этого класса? Могут ли эти объекты копироваться и/или
уничтожаться? Какие действия можно производить над этими объектами?
Если на такие вопросы нет удовлетворительных ответов, то во-первых,
скорее всего, понятие не было "ясно", и может быть неплохо еще
немного подумать над задачей и предлагаемым решением вместо того,
чтобы сразу начинать "программировать вокруг" сложностей.
Проще всего иметь дело с такими понятиями, которые имеют
традиционную математическую форму: числа всех видов, множества,
геометрические фигуры и т.п. На самом деле, следовало бы иметь
стандартные библиотеки классов, представляющих такие понятия, но к
моменту написания это не имело места. C++ еще молод, и его
библиотеки не развились еще до той же степени, что и сам язык.
Понятие не существует в пустоте, всегда есть группы связанных
между собой понятий. Организовать в программе взаимоотношения между
классами, то есть определить точную взаимосвязь между различными
понятиями, часто труднее, чем сначала спланировать отдельные
классы. Лучше, чтобы не получилось неразберихи, когда каждый класс
(понятие) зависит от всех остальных. Рассмотрим два класса, A и B.
Взаимосвязи вроде "A вызывает функции из B", "A создает объекты B"
и "A имеет члены B" редко вызывают большие сложности, а взаимосвязь
вроде "A использует данные из B" обычно можно исключить (просто не
используйте открытые данные-члены). Неприятными, как правило,
являются взаимосвязи, которые по своей природе имеют вид "A есть B
и ...".
Одним из наиболее мощных интеллектуальных средств, позволяющих
справляться со сложностью, является иерархическое упорядочение, то
есть организация связанных между собой понятий в древовидную
структуру с самым общим понятием в корне. В C++ такие структуры
представляются производными классами. Часто можно организавать
программу как множество деревьев (лес?). То есть, программист
задает набор базовых классов, каждый из которых имеет свое
собственное множество производных классов. Для определения набора
действий для самой общей интерпретации понятия (базового класса)
часто можно использовать виртуальные функции (#7.2.8).
Интерпретацию этих действий можно, в случае необходимости,
- стр 17 -
усовершенствовать для отдельных специальных классов (производных
классов).
Естественно, такая организация имеет свои ограничения. В
частности, множество понятий иногда лучше организуется в виде
ациклического графа, в котором понятие может непосредственно
зависеть от более чем одного другого понятия; например, "A есть B и
C и ...". В C++ нет непосредственной поддержки этого, но подобные
связи можно представить, немного потеряв в элегантности и сделав
малость дополнительной работы (#7.2.5).
Иногда для организации понятий некоторой программы оказывается
непригоден даже ациклический граф; некоторые понятия оказываются
взаимозависимыми по своей природе. Если множество взаимозависимых
классов настолько мало, что его легко себе представить, то
циклические зависимости не должны вызвать сложностей. Для
представления множеств взаимозависимых классов с C++ можно
использовать идею friend классов (#5.4.1).
Если вы можете организовать понятия программы только в виде общего
графа (не дерева или ациклического направленного графа), и если
вы не можете локализовать взаимные зависимости, то вы, по всей видимости,
попали в затруднительное положение, из которого вас не выручит
ни один язык программирования. Если вы не можете представить
какой-либо просто формулируемой зависимости между основными понятиями,
то скорее всего справиться с программой не удастся.
Напомню, что большую часть программирования можно легко и
очевидно выполнять, используя только простые типы, структуры
данных, обычные функции и небольшое число классов из стандартной
библиотеки. Весь аппарат, входящий в определение новых типов, не
следует использовать за исключением тех случаев, когда он
действительно нужен.
Вопрос "Как пишут хорошие программы на C++" очень похож на вопрос
"Как пишут хорошую английскую прозу?" Есть два вида ответов:
"Знайте, что вы хотите сказать" и "Практикуйтесь. Подражайте
хорошему языку." Оба совета оказываются подходящими к C++ в той же
мере, сколь и для английского - и им столь же трудно следовать.
Правила Правой Руки (*)
Здесь приводится набор правил, которых вам хорошо бы
придерживаться изучая C++. Когда вы станете более опытны, вы можете
превратить их в то, что будет подходить для вашего рода
деятельности и вашего стиля программирования. Они умышленно сделаны
очень простыми, поэтому подробности в них опущены. Не воспринимайте
их чересчур буквально. Написание хороших программ требует ума,
вкуса и терпения. Вы не собираетесь как следует понять это с самого
начала; поэкспериментируйте!
[1] Когда вы программируете, вы создаете конкретное
представление идей вашего решения некоторой задачи. Пусть
структура отражает эти идеи настолько явно, насколько это
возможно:
[a] Если вы считате "это" отдельным понятием, сделайте его
классом.
____________________
(*) Некоторые легко запоминаемые эмпирические правила, "Правилапомошники."
(прим. перев.)
- стр 18 -
[b] Если вы считате "это" отдельным объектом, сделайте его
объектом некоторого класса.
[c] Если два класса имеют общим нечто существенное, сделайте
его базовым классом. Почти все классы в вашей программе
будут иметь нечто общее; заведите (почти) универсальный
базовый класс, и разработайте его наиболее тщательно.
[2] Когда вы определяете класс, который не реализует
некоторый математический объект, вроде матрицы или
комплексного числа, или тип низкого уровня, вроде связанного
списка, то:
[a] Не используйте глобальные данные.
[b] Не используйте глобальные функции (не члены).
[c] Не используйте открытые данные-члены.
[d] Не используйте друзей, кроме как чтобы избежать [a], [b]
или [c].
[e] Не обращайтесь к данным-членам или другим объектам
непосредственно.
[f] Не помещайте в класс "поле типа"; используйте виртуальные
функции.
[g] Не используйте inline-функции, кроме как средство
существенной оптимизации.
Замечания для программистов на C
Чем лучше кто-нибудь знает C, тем труднее окажется избежать
писания на C++ в стиле C, теряя, тем самым, некоторые возм
...Закладка в соц.сетях
