Лекция 1 Неизвестные типы и неизвестное пространство имен

• Название: Лекция 1 Неизвестные типы и неизвестное пространство имен
• Дата: 21.05.2022
• Размер: 44.62 Kb.
• Имя файла: 1-lab.docx
• Тип: Лекция; #541534

Лекция 1 «Неизвестные типы и неизвестное пространство имен»

План

1. Пространства имен и объявления using

2. 
   Пространства имен
   
3. 
   Глобальное пространство имен
   
4. 
   Вложенные пространства имен
   
5. 
   Встраиваемые пространства имен
   
6. 
   Безымянные пространства имен
   
7. 
   Безымянные пространства имен вместо статических файловых объектов
   

8. Использование членов пространства имен

9. 
   Директива using и область видимости
   

Пространства имен и объявления using

Кроме встроенных типов, рассмотренных в 1 семестре, язык С++ предоставляет богатую библиотеку абстрактных типов данных. Важнейшими библиотечными типами являются тип string, поддерживающий символьные строки переменной длины, и тип vector, определяющий коллекции переменного размера.

С типами string и vector связаны типы, известные как итераторы (iterator). Они используются для доступа к символам строк и элементам векторов.

Типы string и vector, определенные в библиотеке, являются абстракциями более простого встроенного типа массива. Эта главы посвящена массивам и введению в библиотечные типы vector и string.

Встроенные типы определены непосредственно языком С++. Эти типы представляют средства, которые сами по себе присущи большинству компьютеров, такие как числа или символы. Стандартная библиотека определяет множество дополнительных типов, высокоуровневый характер которых аппаратными средствами компьютеров, как правило, не реализуется непосредственно.

В данной лекции представлены два важнейших библиотечных типа: string и vector.

Тип string — это последовательность символов переменной длины. Тип vector содержит последовательность объектов указанного типа переменной длины. Мы также рассмотрим встроенный тип массива. Как и другие встроенные типы, массивы представляют возможности аппаратных средств. В результате массивы менее удобны в использовании, чем библиотечные типы string и vector.

Однако, прежде чем начать исследование библиотечных типов, рассмотрим механизм, упрощающий доступ к именам, определенным в библиотеке.



До сих пор имена из стандартной библиотеки упоминались в программах явно, т.е. перед каждым из них было указано имя пространства имен std.

Например, при чтении со стандартного устройства ввода применялась форма записи std::cin. Здесь использован оператор области видимости :: (см. раздел 1.2). Он означает, что имя, указанное в правом операнде оператора, следует искать в области видимости, указанной в левом операнде. Таким образом, код std::cin означает, что используемое имя cin определено в пространстве имен std.

При частом использовании библиотечных имен такая форма записи может оказаться чересчур громоздкой. К счастью, существуют и более простые способы применения членов пространств имен. Самый надежный из них — объявление using (using declaration).

Объявление using позволяет использовать имена из другого пространства имен без указания префикса имя_пространства_имен::. Объявление using имеет следующий формат:

using пространство_имен::имя;

После того как объявление using было сделано один раз, к указанному в нем имени можно обращаться без указания пространства имен.

#include

// объявление using; при использовании имени cin теперь

// подразумевается, что оно принадлежит пространству имен std

using std::cin;

int main() {

int i;

cin >> i; // ok: теперь cin - синоним std::cin

cout v2;

cout
Пространства имен

В больших программах обычно используют библиотеки от независимых разработчиков. В таких библиотеках обычно определено множество глобальных имен классов, функций и шаблонов. Когда приложение использует библиотеки от многих разных поставщиков, некоторые из этих имен почти неизбежно совпаду

Библиотеки, помещающие имена в глобальное пространство имен, вызывают загромождение пространства имен (namespace pollution).

Традиционно программисты избегают загромождения пространства имен, используя для глобальных сущностей очень длинные имена, зачастую содержащие префикс, означающий библиотеку, в которой определено имя:

class cplusplus_primer_Query { ... };

string cplusplus_primer_make_plural(size_t, string&);

Это решение далеко от идеала: программистам неудобно писать и читать программы, использующие длинные имена.

Пространства имен (namespace) предоставляют намного более контролируемый механизм предотвращения конфликтов имени. Пространства имен разделяют глобальное пространство имен. Пространство имен — это область видимости. При определении имен библиотеки в пространстве имен, авторы (и пользователи) библиотеки могут избежать ограничений, присущих глобальным именам.

Определение пространств имен

Определение пространства имен начинается с ключевого слова namespace, сопровождаемого именем пространства имен. После имени пространства имен следуют заключенные в фигурные скобки объявления и определения.

В пространство имен может быть помещено любое объявление, которое способно присутствовать в глобальной области видимости, включая классы, переменные (с инициализацией), функции (с их определениями), шаблоны и другие пространства имен.

namespace cplusplus_primer {

class Sales_data { /* ... */};

Sales_data operator+(const Sales_data&,

const Sales_data&);

class Query { /* ... */ };

class Query_base { /* ... */};

} // подобно блокам, пространства имен не завершаются точкой с запятой

Этот код определяет пространство имен cplusplus_primer с четырьмя членами: тремя классами и перегруженным оператором +.

Подобно другим именам, имя пространства имен должно быть уникальным в той области видимости, в которой оно определено. Пространства имен могут быть определены в глобальной области видимости или в другом пространстве имен.

Они не могут быть определены в функциях или классах.

Область видимости пространства имен не заканчивается точкой с запятой.

Каждое пространство имен является областью видимости

Как и в случае любой области видимости, каждое имя в пространстве имен должно относиться к уникальной сущности в пределах данного пространства имен. Поскольку разные пространства имен вводят разные области видимости, в разных пространствах имен могут быть члены с одинаковым именем.

К именам, определенным в пространстве имен, другие члены данного пространства имен могут обращаться непосредственно, включая области видимости, вложенные в пределах этих членов.

Код вне пространства имен должен указывать пространство имен, в котором определено имя:

cplusplus_primer::Query q =

cplusplus_primer::Query("hello");

Если другое пространство имен (например, AddisonWesley) тоже содержит класс Query и этот класс необходимо использовать вместо определенного в пространстве имен cplusplus_primer, приведенный выше код придется изменить следующим образом:

AddisonWesley::Query q = AddisonWesley::Query("hello");

Пространства имен могут быть разобщены

Как упоминалось в разделе 16.5, в отличие от других областей видимости, пространство имен может быть определено в нескольких частях. Вот определение пространства имен:

namespace nsp {

// объявления

}

Этот код определяет новое пространство имен nsp или добавляет члены к уже существующему. Если пространство имен nsp еще не определенно, то создается новое пространство имен с этим именем. В противном случае это определение открывает уже существующее пространство имен и добавляет в него новые объявления.

Тот факт, что определения пространств имен могут быть разобщены, позволяет составить пространство имен из отдельных файлов интерфейса и реализации. Таким образом, пространство имен может быть организовано таким же образом, как и определения собственных классов или функций.

• Члены пространства имен, являющиеся определениями классов, объявлениями функций и объектов, составляющих часть интерфейса класса, могут быть помещены в файлы заголовка. Эти заголовки могут быть подключены в те файлы, которые используют эти члены пространства имен.

• Определения членов пространства имен могут быть помещены в отдельные файлы исходного кода.

Организовав пространство имен таким образом, можно также удовлетворить требование, согласно которому различные сущности, включая не подлежащие встраиванию функции, статические переменные-члены, переменные и т.д., должны быть определены в программе только один раз. Это требование распространяется и на имена, определенные в пространстве имен.

Отделив интерфейс и реализацию, можно гарантировать, что имена функций и другие имена будут определены только один раз и именно это объявление будет многократно использоваться впоследствии.

Для представления несвязанных типов в составных пространствах имен следует использовать отдельные файлы.

Определение пространства имен cplusplus_primer

Используя эту стратегию для отделения интерфейса от реализации, определим библиотеку cplusplus_primer в нескольких отдельных файлах. Объявления класса Sales_data и связанных с ним функций поместим в файл заголовка Sales_data.h, а таковые для класса Query (см. главу 15) — в заголовок Query.h и т.д. Соответствующие файлы реализации были бы в таких файлах, как Sales_data.cc и Query.cc:

// ---- Sales_data.h ----

// директивы #include должны быть перед открытием пространства имен

#include

namespace cplusplus_primer {

class Sales_data { /* ... */};

Sales_data operator+(const Sales_data&,

const Sales_data&);

// объявления остальных функций интерфейса класса Sales_data

}

// ---- Sales_data.cc ----

// все директивы #include перед открытием пространства имен

#include "Sales_data.h"

namespace cplusplus_primer {

// определения членов класса Sales_data и перегруженных операторов

}

Использующая эту библиотеку программа включила бы все необходимые заголовки. Имена в этих заголовках определены в пространстве имен cplusplus_primer:

// ---- user.cc ----

// имена заголовка Sales_data.h находятся в пространстве

// имен cplusplus_primer

#include "Sales_data.h"

int main() {

using cplusplus_primer::Sales_data;

Sales_data trans1, trans2;

// ...

return 0;

}

Подобная организация программы придает библиотеке свойство модульности, необходимое как разработчикам, так и пользователям. Каждый класс организован в виде двух файлов: интерфейса и реализации. Пользователь одного класса вовсе не должен использовать при компиляции другие классы.

Их реализацию можно скрыть от пользователей, разрешив при этом компилировать и компоновать файлы Sales_data.cc и user.cc в одну программу, причем без опасений по поводу возникновения ошибок во время компиляции или компоновки. Кроме того, разработчики библиотеки могут работать над реализацией каждого класса независимо.

В использующую эту библиотеку программу следует подключить все необходимые заголовки. Имена в этих заголовках определены в пространстве имен cplusplus_primer.

Следует заметить, что директивы #include обычно не помещают в пространство имен. Если попробовать сделать это, то произойдет попытка определения всех имен в этом заголовке как членов окружающего пространства имен. Например, если бы файл Sales_data.h открыл пространство имен cplusplus_primer прежде, чем включить заголовок string, то в программе была бы ошибка, поскольку это привело бы к попытке определить пространство имен std в пространстве имен cplusplus_primer.

Определение членов пространства имен

Если объявления находятся в области видимости, то код в пространстве имен может использовать короткую форму имен, определенных в том же (или вложенном) пространстве имен:

#include "Sales_data.h"

namespace cplusplus_primer { // повторное открытие cplusplus_primer

// члены, определенные в пространстве имен, могут использовать имена

// без уточнений

std::istream&

operator>>(std::istream& in, Sales_data& s) { /* ... */}

}

Член пространства имен может быть также определен вне определения пространства имен. Для этого применяется подход, подобный определению членов класса вне его. Объявление пространства имен должно находиться в области видимости, а в определении следует указать пространство имен, которому принадлежит имя.

// члены пространства имен, определенные вне его, должны использовать

// полностью квалифицированные имена

cplusplus_primer::Sales_data

cplusplus_primer::operator+(const Sales_data& lhs,

const Sales_data& rhs) {

Sales_data ret(lhs);

// ...

}

Подобно членам класса, определенным вне самого класса, когда встречается полностью определенное имя, оно находится в пределах пространства имен. В пространстве имен cplusplus_primer можно использовать другие имена членов пространства имен без квалификации. Таким образом, хотя класс Sales_data является членом пространства имен cplusplus_primer, для определения параметров его функций можно использовать его имя без квалификации.

Хотя член класса пространства имен может быть определен вне его определения, такие определения должны присутствовать в окружающем пространстве имен. Таким образом, оператор operator+ класса Sales_data можно определить в пространстве имен cplusplus_primer или в глобальной области видимости. Но он не может быть определен в несвязанном пространстве имен.
Глобальное пространство имен

Имена, определенные в глобальной области видимости (т.е. имена, объявленные вне любого класса, функции или пространства имен), определяются в глобальном пространстве имен (global namespace). Глобальное пространство имен неявно объявляется и существует в каждом приложении. Каждый файл, который определяет сущность в глобальной области видимости (неявно), добавляет ее имя к глобальному пространству имен.

Для обращения к членам глобального пространства имен применяется оператор области видимости (оператор ::) (scope operator). Поскольку глобальное пространство имен неявно, у него нет имени.

Форма записи при обращении к члену глобального пространства имен имеет следующий вид.

::член_имя
Вложенные пространства имен

Вложенное пространство имен (nested namespace) — это пространство имен, определенное в другом пространстве имен:

namespace cplusplus_primer {

// первое вложенное пространство имен: определение части

// библиотеки Query

namespace QueryLib {

class Query { /* ... */ };

Query operator&(const Query&, const Query&);

// ...

}

// второе вложенное пространство имен: определение части

// библиотеки Sales_data

namespace Bookstore {

class Quote { /* ... */ };

class Disc_quote : public Quote { /* ... */ };

// ...

}

}

Вложенное пространство имен — это вложенная область видимости, ее область видимости вкладывается в пределы содержащего ее пространства имен. Имена вложенных пространств имен подчиняются обычным правилам: имена, объявленные во внутреннем пространстве имен, скрывают объявления того же имени во внешнем пространстве. Имена, определенные во вложенном пространстве имен, являются локальными для внутреннего пространства имен. Код во внешних частях окружающего пространства имен может обратиться к имени во вложенном пространстве имен только через его квалифицированное имя. Например, имя класса QueryLib, объявленного во вложенном пространстве имен, выглядит следующим образом:

cplusplus_primer::QueryLib::Query
Встраиваемые пространства имен

Новый стандарт ввел новый вид вложенного пространства имен — встраиваемое пространство имен (inline namespace). В отличие от обычных вложенных пространств имен, имена из встраиваемого пространства имен применяются так, как будто они являются непосредственными членами окружающего пространства имен. Таким образом, нет необходимости в квалификации имен из встраиваемого пространства имен. Для доступа к ним достаточно использовать имя окружающего пространства имен.

Для определения встраиваемого пространства имен ключевое слово namespace предваряется ключевым словом inline:

inline namespace FifthEd {

// пространство имен для кода Primer Fifth Edition

}

namespace FifthEd { // неявно встраиваемая

class Query_base { /* ... */};

// другие объявления, связанные с классом Query

}

Это ключевое слово должно присутствовать в первом определении пространства имен. Если пространство имен вновь открывается позже, ключевое слово inline не обязательно, но может быть повторено.

Встраиваемые пространства имен зачастую используются при изменении кода от одного выпуска приложения к следующему. Например, весь код текущего издания Вводного курса можно поместить во встраиваемое пространство имен. Код предыдущих версий был бы в обычных, а не встраиваемых пространствах имен:

namespace FourthEd {

class Item_base { /* ... */};

class Query_base { /* ... */};

// другой код из Fourth Edition

}

Общее пространство имен cplusplus_primer включило бы определения обоих пространств имен. Например, с учетом того, что каждое пространство имен было определено в заголовке с соответствующим именем, пространство имен cplusplus_primer можно определить следующим образом:

namespace cplusplus_primer {

#include "FifthEd.h"

#include "FourthEd.h"

}

Поскольку пространство имен FifthEd встраиваемое, код обращающийся к имени из пространства имен cplusplus_primer::, получит версию из этого пространства имен. Если понадобится код прежнего издания, к нему можно обратиться как к любому другому вложенному пространству имен, указав все имена окружающих пространств имен, например: cplusplus_primer::FourthEd::Query_base.
Безымянные пространства имен

У безымянного пространства имен (unnamed namespace) сразу за ключевым словом namespace следует блок объявлений, разграниченных фигурными скобками. У переменных, определенных в безымянном пространстве имен, статическая продолжительность существования: они создаются перед их первым использованием и удаляются по завершении программы.

Безымянное пространство имен может быть разобщено в пределах данного файла, но не охватывающих файлов. У каждого файла есть собственное безымянное пространство имен. Если два файла содержат безымянные пространства имен, эти пространства имен не связаны. Оба безымянных пространства имен могут определить одинаковое имя, и эти определения будут относиться к разным сущностям. Если заголовок определяет безымянное пространство имен, то имена в этом пространстве определяют сущности, локальные для каждого файла, включенного в заголовок.

В отличие от других пространств имен, безымянное пространство является локальным для конкретного файла и никогда не охватывает несколько файлов.

Имена, определенные в безымянном пространстве имен, используются непосредственно; в конце концов, для их квалификации нет никакого имени пространства имен. Для обращения к членам безымянных пространств имен невозможно использовать оператор области видимости.

Имена, определенные в безымянном пространстве имен, находятся в той же области видимости, что и область видимости, в которой определено пространство имен. Если безымянное пространство имен определяется в наиболее удаленной области видимости файла, то имена в безымянном пространстве имен должны отличаться от имен, определенных в глобальной области видимости:

int i; // глобальное объявление для i

namespace {

int i;

}

// неоднозначность: определено глобально и в не вложенном, безымянном

// пространстве имен

i = 10;

Во всем остальном члены безымянного пространства имен являются обычными сущностями программы. Безымянное пространство имен, как и любое другое пространство имен, может быть вложено в другое пространство имен. Если безымянное пространство имен вкладывается, то к содержащимся в нем именам обращаются обычным способом, используя имена окружающего пространства имен:

namespace local {

namespace {

int i;

}

}

// ok: i определено во вложенном безымянном пространстве имен

// отдельно от глобального i

local::i = 42;
Безымянные пространства имен вместо статических файловых объектов

До введения пространств имен в стандарт С++, чтобы сделать имена локальными для файла, их приходилось объявлять статическими (static). Применение статических файловых объектов (file static) унаследовано от языка С. В языке С объявленный статическим глобальный объект был невидим вне того файла, в котором он объявлен.

В соответствии со стандартом С++ применение объявлений статических файловых объектов не рекомендуется. Вместо них используются безымянные пространства имен.

Использование членов пространства имен

Обращение к члену пространства имен в формате имя_пространства_имен::имя_члена является чересчур громоздким, особенно когда имя пространства имен слишком длинное. К счастью, существуют способы, которые облегчают использование имен членов пространства имен.

Один из этих способов, объявление using (см. раздел 3.1), уже использовался в программах, приведенных выше. Другие способы, псевдонимы пространств имен и директивы using будут описаны в этом разделе.

Псевдонимы пространства имен

Псевдоним пространства имен (namespace alias) применяется в качестве короткого синонима имени пространства имен. Например, длинное имя пространства имен может иметь следующий вид:

namespace cplusplus_primer { /* ... */ };

Ему может быть назначен более короткий синоним следующим образом:

namespace primer = cplusplus_primer;

Объявление псевдонима пространства имен начинается с ключевого слова namespace, за которым следует имя псевдонима пространства имен (короткое), сопровождаемое знаком =, первоначальное имя пространства имен и точка с запятой.

Если имя первоначального пространства имен еще не было определено как пространство имен, произойдет ошибка.

Псевдоним пространства имен может быть также применен к вложенному пространству имен:

namespace Qlib = cplusplus_primer::QueryLib;

Qlib::Query q;

Пространство имен может иметь множество синонимов или псевдонимов. Все псевдонимы и первоначальное имя пространства имен равнозначны в применении.

Объявления using (напоминание)

Имена, представленные в объявлении using, подчиняются обычным правилам области видимости. Имя видимо от точки объявления using и до конца области видимости, в которой оно объявлено. Сущности внутренней области видимости скрывают одноименные сущности внешней.

Короткие имена могут использоваться только в той области видимости, в которой они объявлены, а также в областях видимости, вложенных в нее. По завершении области видимости следует использовать полные имена.

Объявление using может присутствовать в глобальной и локальной области видимости, а также в области видимости пространства имен или класса. Объявление using в области видимости класса ограничено именами, определенными в базовом классе определяемого класса (см. раздел 15.5).

Директива using

Подобно объявлению using, директива using (using directive) позволяет использовать не квалифицированную форму имен. Однако, в отличие от объявления using, здесь не сохраняется контроль над видимостью имен, поскольку все они видимы.

Директива using начинается с ключевого слова using, за которым следует ключевое слово namespace, сопровождаемое именем пространства имен. Если имя пространства не было определено ранее, произойдет ошибка. Директива using может присутствовать в глобальной, локальной области видимости или в пространстве имен. Она не может присутствовать в области видимости класса.

Предоставление директив using для таких пространств имен, как std, которые приложение не контролирует, возвращает все проблемы конфликта имени, присущие использованию нескольких библиотек.
Директива using и область видимости

Область видимости имен, указанных директивой using, гораздо сложнее, чем в случае объявления using. Объявление using помещает имя непосредственно в ту же область видимости, в которой находится само объявление using. Объявление using подобно локальному псевдониму для члена пространства имен.

Директива using не объявляет локальные псевдонимы для имен членов пространства имен. Вместо этого она поднимает члены пространства имен в ближайшую область видимости, которая содержит и пространство имен, и саму директиву using.

Различие в области видимости между объявлением using и директивой using проистекает непосредственно из принципа действия этих средств.

В случае объявления using само имя просто становится доступным в локальной области видимости. Директива using, напротив, делает доступным все содержимое пространства имен. Вообще, пространство имен способно включать определения, которые не могут присутствовать в локальной области видимости. Как следствие, директива using рассматривается как присутствующая в ближайшей области видимости окружающего пространства имен.

Рассмотрим самый простой случай. Предположим, что в глобальной области видимости определено пространство имен А и функция f(). Если функция f() имеет директиву using для пространства имен А, функция f() будет вести себя так, как будто имена пространства имен А присутствовали в глобальной области видимости до определения функции f().

// пространство имен А и функция f() определены в глобальной области

// видимости

namespace А {

int i, j;

}

void f() {

using namespace A; // переводит имена из области видимости А в

// глобальную область видимости

cout