Бьерн Страуструп. Язык программирования С Второе дополненное издание
 Скачать 2.87 Mb.
|
Если я выбираю слово, оно значит только то, что я решу, ни больше и ни меньше. - Шалтай Болтай Глава содержит описание механизма перегрузки операций в С++. Программист может задать интерпретацию операций, когда они применяются к объектам определенного класса. Помимо арифметических, логических и операций отношения можно переопределить вызов функций (), индексацию [], косвенное обращение ->, а также присваивание и инициализацию. Можно определить явные и скрытые преобразования между пользовательскими и основными типами. Показано, как определить класс, объект которого можно копировать и уничтожать только с помощью специальных, определенных пользователем функций. 7.1 Введение Обычно в программах используются объекты, являющиеся конкретным представлением абстрактных понятий. Например, в С++ тип данных int вместе с операциями +, -, *, / и т.д. реализует (хотя и ограниченно) математическое понятие целого. Обычно с понятием связывается набор действий, которые реализуются в языке в виде основных операций над объектами, задаваемых в сжатом, удобном и привычном виде. К сожалению, в языках программирования непосредственно представляется только малое число понятий. Так, понятия комплексных чисел, алгебры матриц, логических сигналов и строк в С++ не имеют непосредственного выражения. Возможность задать представление сложных объектов вместе с набором операций, выполняемых над такими объектами, реализуют в С++ классы. Позволяя программисту определять операции над объектами классов, мы получаем более удобную и традиционную систему обозначений для работы с этими объектами по сравнению с той, в которой все операции задаются как обычные функции. Приведем пример: class complex { double re, im; public: complex(double r, double i) { re=r; im=i; } friend complex operator+(complex, complex); friend complex operator*(complex, complex); }; Здесь приведена простая реализация понятия комплексного числа, когда оно представлено парой чисел с плавающей точкой двойной точности, с которыми можно оперировать только с помощью операций + и *. Интерпретацию этих операций задает программист в определениях функций с именами operator+ и operator*. Так, если b и c имеют тип complex, то b+c означает (по определению) operator+(b,c). Теперь можно приблизиться к привычной записи комплексных выражений: void f() { complex a = complex(1,3.1); complex b = complex(1.2,2); complex c = b; a = b+c; b = b+c*a; c = a*b+complex(1,2); } Сохраняются обычные приоритеты операций, поэтому второе выражение выполняется как b=b+(c*a), а не как b=(b+c)*a. 7.2 Операторные функции Можно описать функции, определяющие интерпретацию следующих операций: Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 182 + - * / % ^ & | ! = < > += -= *= /= %= ^= &= |= << >> >>= <<= == != <= >= && || ++ -- ->* , -> [] () new delete Последние пять операций означают: косвенное обращение ($$7.9), индексацию ($$7.7), вызов функции ($$7.8), размещение в свободной памяти и освобождение ($$3.2.6). Нельзя изменить приоритеты этих операций, равно как и синтаксические правила для выражений. Так, нельзя определить унарную операцию % , также как и бинарную операцию !. Нельзя ввести новые лексемы для обозначения операций, но если набор операций вас не устраивает, можно воспользоваться привычным обозначением вызова функции. Поэтому используйте pow(), а не ** . Эти ограничения можно счесть драконовскими, но более свободные правила легко приводят к неоднозначности. Допустим, мы определим операцию ** как возведение в степень, что на первый взгляд кажется очевидной и простой задачей. Но если как следует подумать, то возникают вопросы: должны ли операции ** выполняться слева направо (как в Фортране) или справа налево (как в Алголе)? Как интерпретировать выражение a**p как a*(*p) или как (a)**(p)? Именем операторной функции является служебное слово operator, за которым идет сама операция, например, operator<<. Операторная функция описывается и вызывается как обычная функция. Использование символа операции является просто краткой формой записи вызова операторной функции: void f(complex a, complex b) { complex c = a + b; // краткая форма complex d = operator+(a,b); // явный вызов } С учетом приведенного описания типа complex инициализаторы в этом примере являются эквивалентными. 7.2.1 Бинарные и унарные операции Бинарную операцию можно определить как функцию-член с одним параметром, или как глобальную функцию с двумя параметрами. Значит, для любой бинарной операции @ выражение aa @ bb интерпретируется либо как aa.operator(bb), либо как operator@(aa,bb). Если определены обе функции, то выбор интерпретации происходит по правилам сопоставления параметров ($$R.13.2). Префиксная или постфиксная унарная операция может определяться как функция-член без параметров, или как глобальная функция с одними параметром. Для любой префиксной унарной операции @ выражение @aa интерпретируется либо как aa.operator@(), либо как operator@(aa). Если определены обе функции, то выбор интерпретации происходит по правилам сопоставления параметров ($$R.13.2). Для любой постфиксной унарной операции @ выражение @aa интерпретируется либо как aa.operator@(int), либо как operator@(aa,int). Подробно это объясняется в $$7.10. Если определены обе функции, то выбор интерпретации происходит по правилам сопоставления параметров ($$13.2). Операцию можно определить только в соответствии с синтаксическими правилами, имеющимися для нее в грамматике С++. В частности, нельзя определить % как унарную операцию, а + как тернарную. Проиллюстрируем сказанное примерами: class X { // члены (неявно используется указатель `this'): X* operator&(); // префиксная унарная операция & // (взятие адреса) X operator&(X); // бинарная операция & (И поразрядное) X operator++(int); // постфиксный инкремент X operator&(X,X); // ошибка: & не может быть тернарной X operator/(); // ошибка: / не может быть унарной }; // глобальные функции (обычно друзья) X operator- (X); // префиксный унарный минус Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 183 X operator- (X,X); // бинарный минус X operator-- (X&,int); // постфиксный инкремент X operator- (); // ошибка: нет операнда X operator- (X,X,X); // ошибка: тернарная операция X operator%(X); // ошибка: унарная операция % Операция [] описывается в $$7.7, операция () в $$7.8, операция -> в $$7.9, а операции ++ и -- в $$7.10. 7.2.2 Предопределенные свойства операций Используется только несколько предположений о свойствах пользовательских операций. В частности, operator=, operator[], operator() и operator-> должны быть нестатическими функциями-членами. Этим обеспечивается то, что первый операнд этих операций является адресом. Для некоторых встроенных операций их интерпретация определяется как комбинация других операций, выполняемых над теми же операндами. Так, если a типа int, то ++a означает a+=1, что в свою очередь означает a=a+1. Такие соотношения не сохраняются для пользовательских операций, если только пользователь специально не определил их с такой целью. Так, определение operator+=() для типа complex нельзя вывести из определений complex::operator+() и complex operator=(). По исторической случайности оказалось, что операции = (присваивание), &(взятие адреса) и , (операция запятая) обладают предопределенными свойствами для объектов классов. Но можно закрыть от произвольного пользователя эти свойства, если описать эти операции как частные: class X { // private: void operator=(const X&); void operator&(); void operator,(const X&); // }; void f(X a, X b) { a= b; // ошибка: операция = частная &a; // ошибка: операция & частная a,b // ошибка: операция , частная } С другой стороны, можно наоборот придать с помощью соответствующих определений этим операциям иное значение. 7.2.3 Операторные функции и пользовательские типы Операторная функция должна быть либо членом, либо иметь по крайней мере один параметр, являющийся объектом класса (для функций, переопределяющих операции new и delete, это не обязательно). Это правило гарантирует, что пользователь не сумеет изменить интерпретацию выражений, не содержащих объектов пользовательского типа. В частности, нельзя определить операторную функцию, работающую только с указателями. Этим гарантируется, что в С++ возможны расширения, но не мутации (не считая операций =, &, и , для объектов класса). Операторная функция, имеющая первым параметр основного типа, не может быть функцией-членом. Так, если мы прибавляем комплексную переменную aa к целому 2, то при подходящем описании функции-члена aa+2 можно интерпретировать как aa.operator+(2), но 2+aa так интерпретировать нельзя, поскольку не существует класса int, для которого + определяется как 2.operator+(aa). Даже если бы это было возможно, для интерпретации aa+2 и 2+aa пришлось иметь дело с двумя разными функциями- членами. Этот пример тривиально записывается с помощью функций, не являющихся членами. Каждое выражение проверяется для выявления неоднозначностей. Если пользовательские операции задают возможную интерпретацию выражения, оно проверяется в соответствии с правилами $$R.13.2. Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 184 7.3 Пользовательские операции преобразования типа Описанная во введении реализация комплексного числа является слишком ограниченной, чтобы удовлетворить кого-нибудь, и ее надо расширить. Делается простым повторением описаний того же вида, что уже были применены: class complex { double re, im; public: complex(double r, double i) { re=r; im=i; } friend complex operator+(complex, complex); friend complex operator+(complex, double); friend complex operator+(double, complex); friend complex operator-(complex, double); friend complex operator-(complex, double); friend complex operator-(double, complex); complex operator-(); // унарный - friend complex operator*(complex, complex); friend complex operator*(complex, double); friend complex operator*(double, complex); // }; Имея такое определение комплексного числа, можно писать: void f() { complex a(1,1), b(2,2), c(3,3), d(4,4), e(5,5); a = -b-c; b = c*2.0*c; c = (d+e)*a; } Все-таки утомительно, как мы это только что делали для operator*() писать для каждой комбинации complex и double свою функцию. Более того, разумные средства для комплексной арифметики должны предоставлять десятки таких функций (посмотрите, например, как описан тип complex в 7.3.1 Конструкторы Вместо того, чтобы описывать несколько функций, можно описать конструктор, который из параметра double создает complex: class complex { // complex(double r) { re=r; im=0; } }; Этим определяется как получить complex, если задан double. Это традиционный способ расширения вещественной прямой до комплексной плоскости. Конструктор с единственным параметром не обязательно вызывать явно: complex z1 = complex(23); complex z2 = 23; Обе переменные z1 и z2 будут инициализироваться вызовом complex(23). Конструктор является алгоритмом создания значения заданного типа. Если требуется значение некоторого типа и существует строящий его конструктор, параметром которого является это значение, то тогда этот конструктор и будет использоваться. Так, класс complex можно было описать следующим образом: class complex { double re, im; Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 185 public: complex(double r, double i =0) { re=r; im=i; } friend complex operator+(complex, complex); friend complex operator*(complex, complex); complex operator+=(complex); complex operator*=(complex); // }; Все операции над комплексными переменными и целыми константами с учетом этого описания становятся законными. Целая константа будет интерпретироваться как комплексное число с мнимой частью, равной нулю. Так, a=b*2 означает a = operator*(b, complex( double(2), double(0) ) ) Новые версии операций таких, как + , имеет смысл определять только, если практика покажет, что повышение эффективности за счет отказа от преобразований типа стоит того. Например, если выяснится, что операция умножения комплексной переменной на вещественную константу является критичной, то к множеству операций можно добавить operator*=(double): class complex { double re, im; public: complex(double r, double i =0) { re=r; im=i; } friend complex operator+(complex, complex); friend complex operator*(complex, complex); complex& operator+=(complex); complex& operator*=(complex); complex& operator*=(double); // }; Операции присваивания типа *= и += могут быть очень полезными для работы с пользовательскими типами, поскольку обычно запись с ними короче, чем с их обычными "двойниками" * и + , а кроме того они могут повысить скорость выполнения программы за счет исключения временных переменных: inline complex& complex::operator+=(complex a) { re += a.re; im += a.im; return *this; } При использовании этой функции не требуется временной переменной для хранения результата, и она достаточно проста, чтобы транслятор мог "идеально" произвести подстановку тела. Такие простые операции как сложение комплексных тоже легко задать непосредственно: inline complex operator+(complex a, complex b) { return complex(a.re+b.re, a.im+b.im); } Здесь в операторе return используется конструктор, что дает транслятору ценную подсказку на предмет оптимизации. Но для более сложных типов и операций, например таких, как умножение матриц, результат нельзя задать как одно выражение, тогда операции * и + проще реализовать с помощью *= и += , и они будут легче поддаваться оптимизации: matrix& matrix::operator*=(const matrix& a) { // return *this; } Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 186 matrix operator*(const matrix& a, const matrix& b) { matrix prod = a; prod *= b; return prod; } Отметим, что в определенной подобным образом операции не нужных никаких особых прав доступа к классу, к которому она применяется, т.е. эта операция не должна быть другом или членом этого класса. Пользовательское преобразование типа применяется только в том случае, если оно единственное($$7.3.3). Построенный в результате явного или неявного вызова конструктора, объект является автоматическим, и уничтожается при первой возможности,- как правило сразу после выполнения оператора, в котором он был создан. 7.3.2 Операции преобразования Конструктор удобно использовать для преобразования типа, но возможны нежелательные последствия: [1] Неявные преобразования от пользовательского типа к основному невозможны (поскольку основные типы не являются классами). [2] Нельзя задать преобразование из нового типа в старый, не изменяя описания старого типа. [3] Нельзя определить конструктор с одним параметром, не определив тем самым и преобразование типа. Последнее не является большой проблемой, а первые две можно преодолеть, если определить операторную функцию преобразования для исходного типа. Функция-член X::operator T(), где T – имя типа, определяет преобразование типа X в T. Например, можно определить тип tiny (крошечный), значения которого находятся в диапазоне 0..63, и этот тип может в арифметических операциях практически свободно смешиваться с целыми: class tiny { char v; void assign(int i) { if (i>63) { error(" выход из диапазона"); v=i&63; } v=i; } public: tiny(int i) { assign(i) } tiny(const tiny& t) { v = t.v; } tiny& operator=(const tiny& t) { v = t.v; return *this; } tiny& operator=(int i) { assign(i); return *this; } operator int() { return v; } }; Попадание в диапазон проверяется как при инициализации объекта tiny, так и в присваивании ему int. Один объект tiny можно присвоить другому без контроля диапазона. Для выполнения обычных операций с целыми для переменных типа tiny определяется функция tiny::operator int(), производящая неявное преобразование типа из tiny в int. Там, где требуется int, а задана переменная типа tiny, используется преобразованное к int значение: void main() { tiny c1 = 2; tiny c2 = 62; tiny c3 = c2 -c1; // c3 = 60 tiny c4 = c3; // контроля диапазона нет (он не нужен) int i = c1 + c2; // i = 64 c1 = c2 + 2 * c1; // выход из диапазона: c1 = 0 (а не 66) Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 187 c2 = c1 - i; // выход из диапазона: c2 = 0 c3 = c2; // контроля диапазона нет (он не нужен) } Более полезным может оказаться вектор из объектов tiny, поскольку он позволяет экономить память. Чтобы такой тип было удобно использовать, можно воспользоваться операцией индексации []. Пользовательские операции преобразования типа могут пригодиться для работы с типами, реализующими нестандартные представления чисел (арифметика с основанием 100, арифметика чисел с фиксированной точкой, представление в двоично-десятичной записи и т.д.). При этом обычно приходится переопределять такие операции, как + и *. Особенно полезными функции преобразования типа оказываются для работы с такими структурами данных, для которых чтение (реализованное как операция преобразования) является тривиальным, а присваивание и инициализация существенно более сложные операции. Функции преобразования нужны для типов istream и ostream, чтобы стали возможными, например, такие операторы: while (cin>>x) cout< Вообще, лучше экономно пользоваться операциями преобразования. Избыток таких операций может вызывать большое число неоднозначностей. Транслятор обнаруживает эти неоднозначности, но разрешить их может быть совсем непросто. Возможно вначале лучше для преобразований использовать поименованные функции, например, X::intof(), и только после того, как такую функцию как следуют опробуют, и явное преобразование типа будет сочтено неэлегантным решением, можно заменить операторной функцией преобразования X::operator int(). |