Бьерн Страуструп. Язык программирования С Второе дополненное издание
 Скачать 2.87 Mb.
|
1.3 "Улучшенный С" { cout << "Hello, World!\n"; } Строка #include \ и непосредственно следующий за ним – обозначают некоторый специальный символ. В данном случае Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 30 \n является символом конца строки (или перевода строки), поэтому он выдается после символов Hello, world! Целое значение, возвращаемое функцией main(), если только оно есть, считается возвращаемым системе значением программы. Если ничего не возвращается, система получит какое-то "мусорное" значение. Средства ввода/вывода потоковой библиотеки подробно описываются в главе 10. 1.3.2 Переменные и арифметические операции Каждое имя и каждое выражение обязаны иметь тип. Именно тип определяет операции, которые могут выполняться над ними. Например, в описании int inch; говорится, что inch имеет тип int, т.е. inch является целой переменной. Описание - это оператор, который вводит имя в программу. В описании указывается тип имени. Тип, в свою очередь, определяет как правильно использовать имя или выражение. Основные типы, наиболее приближенные к "аппаратной реальности" машины, таковы: char short int long Они представляют целые числа. Следующие типы: float double long double представляют числа с плавающей точкой. Переменная типа char имеет размер, нужный для хранения одного символа на данной машине (обычно это один байт). Переменная int имеет размер, необходимый для целой арифметики на данной машине (обычно это одно слово). Следующие арифметические операции можно использовать над любым сочетанием перечисленных типов: + (плюс, унарный и бинарный) - (минус, унарный и бинарный) * (умножение) / (деление) % (остаток от деления) То же верно для операций отношения: == (равно) != (не равно) < (меньше чем) <= (меньше или равно) >= (больше или равно) Для операций присваивания и арифметических операций в С++ выполняются все осмысленные преобразования основных типов, чтобы их можно было неограниченно использовать любые их сочетания: double d; int i; short s; // ... d = d + i; i = s * i; Символ = обозначает обычное присваивание. Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 31 1.3.3 Указатели и массивы Массив можно описать так: char v [ 10 ]; // массив из 10 символов Описание указателя имеет такой вид: char * p; // указатель на символ Здесь [] означает "массив из", а символ * означает "указатель на". Значение нижней границы индекса для всех массивов равно нулю, поэтому v имеет 10 элементов: v [ 0 ] ... v [ 9 ]. Переменная типа указатель может содержать адрес объекта соответствующего типа: p = & v [ 3 ]; // p указывает на 4-й элемент массива v Унарная операция & означает взятие адреса. 1.3.4 Условные операторы и циклы В С++ есть традиционный набор выбирающих операторов и циклов. Ниже приводятся примеры операторов if, switch и while. В следующем примере показано преобразование дюйма в сантиметр и обратно. Предполагается, что во входном потоке значение в сантиметрах завершается символом i, а значение в дюймах - символом c: #include { const float fac = 2.54; float x, in, cm; char ch = 0; cout << "enter length: "; cin >> x; // ввод числа с плавающей точкой cin >> ch // ввод завершающего символа if ( ch == 'i' ) { // дюйм in = x; cm = x * fac; } else if ( ch == 'c' ) { // сантиметры in = x / fac; cm = x; } else in = cm = 0; cout << in << " in = " << cm << " cm\n"; } Операция >> ("ввести из") используется как оператор ввода; cin является стандартным входным потоком. Тип операнда, расположенного справа от операции >>, определяет, какое значение вводится; оно записывается в этот операнд. Оператор switch (переключатель) сравнивает значение с набором констант. Проверку в предыдущем примере можно записать так: switch ( ch ) { case 'i': in = x; cm = x * fac; Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 32 break; case 'c': in = x / fac; cm = x; break; default: in = cm = 0; break; } Операторы break используются для выхода из переключателя. Все константы вариантов должны быть различны. Если сравниваемое значение не совпадает ни с одной из них, выполняется оператор с меткой default. Вариант default может и отсутствовать. Приведем запись, задающую копирование 10 элементов одного массива в другой: int v1 [ 10 ]; int v2 [ 10 ]; // ... for ( int i=0; i<10; i++ ) v1 [ i ] = v2 [ i ]; Словами это можно выразить так: "Начать с i равного нулю, и пока i меньше 10, копировать i-тый элемент и увеличивать i." Инкремент (++) переменной целого типа просто сводится к увеличению на 1. 1.3.5 Функции Функция - это поименованная часть программы, которая может вызываться из других частей программы столько раз, сколько необходимо. Приведем программу, выдающую степени числа два: extern float pow ( float, int ); // pow () определена в другом месте int main () { for ( int i=0; i<10; i++ ) cout << pow ( 2, i ) << '\n'; } Первая строка является описанием функции. Она задает pow как функцию с параметрами типа float и int, возвращающую значение типа float. Описание функции необходимо для ее вызова, ее определение находится в другом месте. При вызове функции тип каждого фактического параметра сверяется с типом, указанным в описании функции, точно так же, как если бы инициализировалась переменная описанного типа. Это гарантирует надлежащую проверку и преобразования типов. Например, вызов функции pow(12.3,"abcd") транслятор сочтет ошибочным, поскольку "abcd" является строкой, а не параметром типа int. В вызове pow(2,i) транслятор преобразует целую константу (целое 2) в число с плавающей точкой (float), как того требует функция. Функция pow может быть определена следующим образом: float pow ( float x, int n ) { if ( n < 0 ) error ( "ошибка: для pow () задан отрицательный показатель"); switch ( n ) { case 0: return 1; case 1: return x; default: return x * pow ( x, n-1 ); } } Первая часть определения функции задает ее имя, тип возвращаемого значения (если оно есть), а также типы и имена формальных параметров (если они существуют). Значение возвращается из функции с помощью оператора return. Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 33 Разные функции обычно имеют разные имена, но функциям, выполняющим сходные операции над объектами разных типов, лучше дать одно имя. Если типы параметров таких функций различны, то транслятор всегда может разобраться, какую функцию нужно вызывать. Например, можно иметь две функции возведения в степень: одну - для целых чисел, а другую - для чисел с плавающей точкой: int pow ( int, int ); double pow ( double, double ); //... x = pow ( 2,10 ); // вызов pow ( int, int ) y = pow ( 2.0, 10.0 );// вызов pow ( double, double ) Такое многократное использование имени называется перегрузкой имени функции или просто перегрузкой; перегрузка рассматривается особо в главе 7. Параметры функции могут передаваться либо "по значению", либо "по ссылке". Рассмотрим определение функции, которая осуществляет взаимообмен значений двух целых переменных. Если используется стандартный способ передачи параметров по значению, то придется передавать указатели: void swap ( int * p, int * q ) { int t = * p; * p = * q; * q = t; } Унарная операция * называется косвенностью (или операцией разыменования), она выбирает значение объекта, на который настроен указатель. Функцию можно вызывать следующим образом: void f ( int i, int j ) { swap ( & i, & j ); } Если использовать передачу параметра по ссылке, можно обойтись без явных операций с указателем: void swap (int & r1, int & r2 ) { int t = r1; r1 = r2; r2 = t; } void g ( int i, int j ) { swap ( i, j ); } Для любого типа T запись T& означает "ссылка на T". Ссылка служит синонимом той переменной, которой она инициализировалась. Отметим, что перегрузка допускает сосуществование двух функций swap в одной программе. 1.3.6 Модули Программа С++ почти всегда состоит из нескольких раздельно транслируемых "модулей". Каждый "модуль" обычно называется исходным файлом, но иногда - единицей трансляции. Он состоит из последовательности описаний типов, функций, переменных и констант. Описание extern позволяет из одного исходного файла ссылаться на функцию или объект, определенные в другом исходном файле. Например: extern "C" double sqrt ( double ); extern ostream cout; Самый распространенный способ обеспечить согласованность описаний внешних во всех исходных Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 34 файлах - поместить такие описания в специальные файлы, называемые заголовочными. Заголовочные файлы можно включать во все исходные файлы, в которых требуются описания внешних. Например, описание функции sqrt хранится в заголовочном файле стандартных математических функций с именем math.h, поэтому, если нужно извлечь квадратный корень из 4, можно написать: #include //... x = sqrt ( 4 ); Поскольку стандартные заголовочные файлы могут включаться во многие исходные файлы, в них нет описаний, дублирование которых могло бы вызвать ошибки. Так, тело функции присутствует в таких файлах, если только это функция-подстановка, а инициализаторы указаны только для констант ($$4.3). Не считая таких случаев, заголовочный файл обычно служит хранилищем для типов, он предоставляет интерфейс между раздельно транслируемыми частями программы. В команде включения заключенное в угловые скобки имя файла (в нашем примере - /usr/include/CC. Файлы, находящиеся в других каталогах, обозначаются своими путевыми именами, взятыми в кавычки. Поэтому в следующих командах: #include "math1.h" #include "/usr/bs/math2.h" включаются файл math1.h из текущего каталога пользователя и файл math2.h из каталога /usr/bs. Приведем небольшой законченный пример, в котором строка определяется в одном файле, а печатается в другом. В файле header.h определяются нужные типы: // header.h extern char * prog_name; extern void f(); Файл main.c является основной программой: // main.c #include "header.h" char * prog_name = "примитивный, но законченный пример"; int main () { f(); } а строка печатается функцией из файла f.c: // f.c #include #include "header.h" void f () { cout << prog_name << '\n'; } При запуске транслятора С++ и передаче ему необходимых файлов-параметров в различных реализациях могут использоваться разные расширения имен для программ на С++. На машине автора трансляция и запуск программы выглядит так: $ CC main.c f.c -o silly $ silly примитивный, но законченный пример $ Кроме раздельной трансляции концепцию модульности в С++ поддерживают классы ($$5.4). Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 35 1.4 Поддержка абстракции данных Поддержка программирования с абстракцией данных в основном сводится к возможности определить набор операций (функции и операции) над типом. Все обращения к объектам этого типа ограничиваются операциями из заданного набора. Однако, имея такие возможности, программист скоро обнаруживает, что для удобства определения и использования новых типов нужны еще некоторые расширения языка. Хорошим примером такого расширения является перегрузка операций. 1.4.1 Инициализация и удаление Когда представление типа скрыто, необходимо дать пользователю средства для инициализации переменных этого типа. Простейшее решение – до использования переменной вызывать некоторую функцию для ее инициализации. Например: class vector { // public: void init ( init size ); // вызов init () перед первым // использованием объекта vector // }; void f () { vector v; // пока v нельзя использовать v.init ( 10 ); // теперь можно } Но это некрасивое и чреватое ошибками решение. Будет лучше, если создатель типа определит для инициализации переменных некоторую специальную функцию. Если такая функция есть, то две независимые операции размещения и инициализации переменной совмещаются в одной (иногда ее называют инсталляцией или просто построением). Функция инициализации называется конструктором. Конструктор выделяется среди всех прочих функций данного класса тем, что имеет такое же имя, как и сам класс. Если объекты некоторого типа строятся нетривиально, то нужна еще одна дополнительная операция для удаления их после последнего использования. Функция удаления в С++ называется деструктором. Деструктор имеет то же имя, что и его класс, но перед ним стоит символ (в С++ этот символ используется для операции дополнения). Приведем пример: class vector { int sz; // число элементов int * v; // указатель на целые public: vector ( int ); // конструктор vector (); // деструктор int& operator [] ( int index ) ; // операция индексации }; Конструктор класса vector можно использовать для контроля над ошибками и выделения памяти: vector::vector ( int s ) { if ( s <= 0 ) error ( "недопустимый размер вектора" ); sz = s; v = new int [ s ]; // разместить массив из s целых } Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 36 Деструктор класса vector освобождает использовавшуюся память: vector::vector () { delete [] v; // освободить массив, на который // настроен указатель v } От реализации С++ не требуется освобождения выделенной с помощью new памяти, если на нее больше не ссылается ни один указатель (иными словами, не требуется автоматическая "сборка мусора"). В замен этого можно без вмешательства пользователя определить в классе собственные функции управления памятью. Это типичный способ применения конструкторов и деструкторов, хотя есть много не связанных с управлением памятью применений этих функций (см., например, $$9.4). 1.4.2 Присваивание и инициализация Для многих типов задача управления ими сводится к построению и уничтожению связанных с ними объектов, но есть типы, для которых этого мало. Иногда необходимо управлять всеми операциями копирования. Вернемся к классу vector: void f () { vector v1 ( 100 ); vector v2 = v1; // построение нового вектора v2, // инициализируемого v1 v1 = v2; // v2 присваивается v1 // } Должна быть возможность определить интерпретацию операций инициализации v2 и присваивания v1. Например, в описании: class vector { int * v; int sz; public: // void operator = ( const vector & ); // присваивание vector ( const vector & ); // инициализация }; указывается, что присваивание и инициализация объектов типа vector должны выполняться с помощью определенных пользователем операций. Присваивание можно определить так: void vector::operator = ( const vector & a ) // контроль размера и копирование элементов { if ( sz != a.sz ) error ( "недопустимый размер вектора для =" ); for ( int i = 0; i < sz; i++ ) v [ i ] = a.v [ i ]; } Поскольку эта операция использует для присваивания "старое значение" вектора, операция инициализации должна задаваться другой функцией, например, такой: vector::vector ( const vector & a ) // инициализация вектора значением другого вектора { sz = a.sz; // размер тот же v = new int [ sz ]; // выделить память для массива for ( int i = 0; i < sz; i++ ) // копирование элементов v [ i ] = a.v [ i ]; Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 37 } В языке С++ конструктор вида T(const T&) называется конструктором копирования для типа T. Любую инициализацию объектов типа T он выполняет с помощью значения некоторого другого объекта типа T. Помимо явной инициализации конструкторы вида T(const T&) используются для передачи параметров по значению и получения возвращаемого функцией значения. 1.4.3 Шаблоны типа Зачем программисту может понадобиться определить такой тип, как вектор целых чисел? Как правило, ему нужен вектор из элементов, тип которых неизвестен создателю класса Vector. Следовательно, надо суметь определить тип вектора так, чтобы тип элементов в этом определении участвовал как параметр, обозначающий "реальные" типы элементов: template < class T > class Vector { // вектор элементов типа T T * v; int sz; public: Vector ( int s ) { if ( s <= 0 ) error ( "недопустимый для Vector размер" ); v = new T [ sz = s ]; // выделить память для массива s типа T } T & operator [] ( int i ); int size () { return sz; } // }; Таково определение шаблона типа. Он задает способ получения семейства сходных классов. В нашем примере шаблон типа Vector показывает, как можно получить класс вектор для заданного типа его элементов. Это описание отличается от обычного описания класса наличием начальной конструкции template { Vector < int > v1 ( 100 ); // вектор из 100 целых Vector < complex > v2 ( 200 ); // вектор из 200 // комплексных чисел v2 [ i ] = complex ( v1 [ x ], v1 [ y ] ); // } Возможности, которые реализует шаблон типа, иногда называются параметрическими типами или генерическими объектами. Оно сходно с возможностями, имеющимися в языках Clu и Ада. Использование шаблона типа не влечет за собой каких-либо дополнительных расходов времени по сравнению с использованием класса, в котором все типы указаны непосредственно. 1.4.4 Обработка особых ситуаций По мере роста программ, а особенно при активном использовании библиотек появляется необходимость стандартной обработки ошибок (или, в более широком смысле, "особых ситуаций"). Языки Ада, Алгол-68 и Clu поддерживают стандартный способ обработки особых ситуаций. Снова вернемся к классу vector. Что нужно делать, когда операции индексации передано значение индекса, выходящее за границы массива? Создатель класса vector не знает, на что рассчитывает пользователь в таком случае, а пользователь не может обнаружить подобную ошибку (если бы мог, то Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 38 эта ошибка вообще не возникла бы). Выход такой: создатель класса обнаруживает ошибку выхода за границу массива, но только сообщает о ней неизвестному пользователю. Пользователь сам принимает необходимые меры. Например: class vector { // определение типа возможных особых ситуаций class range { }; // }; Вместо вызова функции ошибки в функции vector::operator[]() можно перейти на ту часть программы, в которой обрабатываются особые ситуации. Это называется "запустить особую ситуацию" ("throw the exception"): int & vector::operator [] ( int i ) { if ( i < 0 || sz <= i ) throw range (); return v [ i ]; } В результате из стека будет выбираться информация, помещаемая туда при вызовах функций, до тех пор, пока не будет обнаружен обработчик особой ситуации с типом range для класса вектор (vector::range); он и будет выполняться. Обработчик особых ситуаций можно определить только для специального блока: void f ( int i ) { try { // в этом блоке обрабатываются особые ситуации // с помощью определенного ниже обработчика vector v ( i ); // v [ i + 1 ] = 7; // приводит к особой ситуации range // ... g (); // может привести к особой ситуации range // на некоторых векторах } catch ( vector::range ) { error ( "f (): vector range error" ); return; } } Использование особых ситуаций делает обработку ошибок более упорядоченной и понятной. Обсуждение и подробности отложим до главы 9. 1.4.5 Преобразования типов Определяемые пользователем преобразования типа, например, такие, как преобразование числа с плавающей точкой в комплексное, которое необходимо для конструктора complex(double), оказались очень полезными в С++. Программист может задавать эти преобразования явно, а может полагаться на транслятор, который выполняет их неявно в том случае, когда они необходимы и однозначны: complex a = complex ( 1 ); complex b = 1; // неявно: 1 -> complex ( 1 ) a = b + complex ( 2 ); a = b + 2; // неявно: 2 -> complex ( 2) Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 39 Преобразования типов нужны в С++ потому, что арифметические операции со смешанными типами являются нормой для языков, используемых в числовых задачах. Кроме того, большая часть пользовательских типов, используемых для "вычислений" (например, матрицы, строки, машинные адреса) допускает естественное преобразование в другие типы (или из других типов). Преобразования типов способствуют более естественной записи программы: complex a = 2; complex b = a + 2; // это означает: operator + ( a, complex ( 2 )) b = 2 + a; // это означает: operator + ( complex ( 2 ), a ) В обоих случаях для выполнения операции "+" нужна только одна функция, а ее параметры единообразно трактуются системой типов языка. Более того, класс complex описывается так, что для естественного и беспрепятственного обобщения понятия числа нет необходимости что-то изменять для целых чисел. 1.4.6 Множественные реализации Основные средства, поддерживающие объектно-ориентированное программирование, а именно: производные классы и виртуальные функции,- можно использовать и для поддержки абстракции данных, если допустить несколько реализаций одного типа. Вернемся к примеру со стеком: template < class T > class stack { public: virtual void push ( T ) = 0; // чистая виртуальная функция virtual T pop () = 0; // чистая виртуальная функция }; Обозначение =0 показывает, что для виртуальной функции не требуется никакого определения, а класс stack является абстрактным, т.е. он может использоваться только как базовый класс. Поэтому стеки можно использовать, но не создавать: class cat { /* ... */ }; stack < cat > s; // ошибка: стек - абстрактный класс void some_function ( stack { s.push ( kitty ); cat c2 = s.pop (); // } Поскольку интерфейс стека ничего не сообщает о его представлении, от пользователей стека полностью скрыты детали его реализации. Можно предложить несколько различных реализаций стека. Например, стек может быть массивом: template < class T > class astack : public stack < T > { // истинное представление объекта типа стек // в данном случае - это массив // public: astack ( int size ); astack (); void push ( T ); T pop (); }; Можно реализовать стек как связанный список: Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 40 template < class T > class lstack : public stack < T > { // }; Теперь можно создавать и использовать стеки: void g () { lstack < cat > s1 ( 100 ); astack < cat > s2 ( 100 ); cat Ginger; cat Snowball; some_function ( s1, Ginger ); some_function ( s2, Snowball ); } О том, как представлять стеки разных видов, должен беспокоиться только тот, кто их создает (т.е. функция g()), а пользователь стека (т.е. автор функции some_function()) полностью огражден от деталей их реализации. Платой за подобную гибкость является то, что все операции над стеками должны быть виртуальными функциями. 1.5 Поддержка объектно-ориентированного программирования Поддержку объектно-ориентированного программирования обеспечивают классы вместе с механизмом наследования, а также механизм вызова функций-членов в зависимости от истинного типа объекта (дело в том, что возможны случаи, когда этот тип неизвестен на стадии трансляции). Особенно важную роль играет механизм вызова функций-членов. Не менее важны средства, поддерживающие абстракцию данных (о них мы говорили ранее). Все доводы в пользу абстракции данных и базирующихся на ней методов, которые позволяют естественно и красиво работать с типами, действуют и для языка, поддерживающего объектно-ориентированное программирование. Успех обоих методов зависит от способа построения типов, от того, насколько они просты, гибки и эффективны. Метод объектно-ориентированного программирования позволяет определять более общие и гибкие пользовательские типы по сравнению с теми, которые получаются, если использовать только абстракцию данных. 1.5.1 Механизм вызова Основное средство поддержки объектно-ориентированного программирования - это механизм вызова функции-члена для данного объекта, когда истинный тип его на стадии трансляции неизвестен. Пусть, например, есть указатель p. Как происходит вызов p->rotate(45)? Поскольку С++ базируется на статическом контроле типов, задающее вызов выражение имеет смысл только при условии, что функция rotate() уже была описана. Далее, из обозначения p->rotate() мы видим, что p является указателем на объект некоторого класса, а rotate должна быть членом этого класса. Как и при всяком статическом контроле типов проверка корректности вызова нужна для того, чтобы убедиться (насколько это возможно на стадии трансляции), что типы в программе используются непротиворечивым образом. Тем самым гарантируется, что программа свободна от многих видов ошибок. Итак, транслятору должно быть известно описание класса, аналогичное тем, что приводились в $$1.2.5: class shape { // public: // virtual void rotate ( int ); // }; а указатель p должен быть описан, например, так: Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 41 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): stack < plane * > cs ( 200 ); void f () { cs.push ( new Saab900 ); // Ошибка при трансляции : // требуется plane*, а передан car* cs.push ( new Saab37B ); // прекрасно: Saab 37B - на самом // деле самолет, т.е. типа plane cs.pop () -> takeoff (); cs.pop () -> takeoff (); } Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 42 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 void f () { s.push ( new Saab900 ); s.push ( new Saab37B ); s.pop () -> takeoff (); // прекрасно: Saab 37B - самолет cs.pop () -> takeoff (); // динамическая ошибка: // машина не может взлететь } 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 Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 43 { 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 { // public: void trace () { // текст пользователя displayed::trace (); // вызов trace () из displayed task::trace (); // вызов trace () из 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 Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 44 { // 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 объектно- ориентированное 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 объектно- ориентированное 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 Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 45 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. |