Язык программирования C++. Вводный курс. С для начинающих
 Скачать 5.41 Mb.
|
|
Таблица 7.1. Трассировка вызова rgcd (15,123) vl v2 return 15 123 rgcd(123,15) 123 15 rgcd(15,3) 15 3 rgcd(3,0) 3 0 3 Последний вызов, rgcd(3,0); удовлетворяет условию окончания. Функция возвращает наибольший общий делитель, он же возвращается и каждым предшествующим вызовом. Говорят, что значение всплывает (percolates) вверх, пока управление не вернется в функцию, вызвавшую rgcd() в первый раз. Рекурсивные функции обычно выполняются медленнее, чем их нерекурсивные (итеративные) аналоги. Это связано с затратами времени на вызов функции. Однако, как правило, они компактнее и понятнее. Приведем пример. Факториалом числа n является произведение натуральных чисел от 1 до n. Так, факториал 5 равен 120: 1 × 2 × 3 × 4 × 5 = 120 Вычислять факториал удобно с помощью рекурсивной функции: int rgcd( int vl, int v2 ) { if ( v2 != 0 ) return rgcd( v2, vl%v2 ); return vl; С++ для начинающих 346 } Рекурсия обрывается по достижении val значения 1. Упражнение 7.12 Перепишите factorial() как итеративную функцию. Упражнение 7.13 Что произойдет, если условием окончания factorial() будет следующее: if ( val != 0 ) 7.6. Встроенные функции Рассмотрим следующую функцию min(): } Преимущества определения функции для такой небольшой операции таковы: • как правило, проще прочесть и интерпретировать вызов min(), чем читать условный оператор и вникать в смысл его действий, особенно если v1 и v2 являются сложными выражениями; • модифицировать одну локализованную реализацию в приложении легче, чем 300. Например, если будет решено изменить проверку на: ( vl == v2 || vl < v2 ) поиск каждого ее вхождения будет утомительным и с большой долей вероятности приведет к ошибкам; • семантика единообразна. Все проверки выполняются одинаково; • функция может быть повторно использована в другом приложении. Однако этот подход имеет один недостаток: вызов функции происходит медленнее, чем непосредственное вычисление условного оператора. Необходимо скопировать два аргумента, запомнить содержимое машинных регистров и передать управление в другое место программы. Решение дают встроенные функции. Встроенная функция “подставляется по месту” в каждой точке своего вызова. Например: int minVa12 = min( i, j ); unsigned long factorial( int val ) { if ( val > 1 ) return val * factorial( val-1 ); return 1; int min( int vl, int v2 ) { return( vl < v2 ? vl : v2 ); С++ для начинающих 347 заменяется при компиляции на int minVal2 = i < j ? i : j; Таким образом, не требуется тратить время на реализацию min() в виде функции. Функция min() объявляется как встроенная с помощью ключевого слова inline перед типом возвращаемого значения в объявлении или определении: inline int min( int vl, int v2 ) { /* ... */ } Заметим, однако, что спецификация inline – это только подсказка компилятору. Компилятор может проигнорировать ее, если функция плохо подходит для встраивания по месту. Например, рекурсивная функция (такая, как rgcd()) не может быть полностью встроена в месте вызова (хотя для самого первого вызова это возможно). Функция из 1200 строк также скорее всего не подойдет. В общем случае такой механизм предназначен для оптимизации небольших, простых, часто используемых функций. Он крайне важен для поддержки концепции сокрытия информации при разработке абстрактных типов данных. Например, встроенной объявлена функция-член size() в классе IntArray из раздела 2.3. Встроенная функция должна быть видна компилятору в месте вызова. В отличие от обычной, такая функция определяется в каждом исходном файле, где есть обращения к ней. Конечно же, определения одной и той же встроенной функции в разных файлах должны совпадать. Если программа содержит два исходных файла compute.C и draw.C, не нужно писать для них разные реализации функции min(). Если определения функции различаются, программа становится нестабильной: неизвестно, какое из них будет выбрано для каждого вызова, если компилятор не стал встраивать эту функцию. Рекомендуется помещать определение встроенной функции в заголовочный файл и включать его во все файлы, где есть обращения к ней. Такой подход гарантирует, что для встроенной функции существует только одно определение и код не дублируется; дублирование может привести к непреднамеренному расхождению текстов в течение жизненного цикла программы. Поскольку min() является общеупотребительной операцией, реализация ее входит в стандартную библиотеку С++; это один из обобщенных алгоритмов, описанных в главе 12 и в Приложении. Функция min() реализована как шаблон, что позволяет ей работать с операндами арифметического типа, отличного от int. (Шаблоны функций рассматриваются в главе 10.) 7.7. Директива связывания extern "C" A Если программист хочет использовать функцию, написанную на другом языке, в частности на С, то компилятору нужно указать, что при вызове требуются несколько иные условия. Скажем, имя функции или порядок передачи аргументов различаются в зависимости от языка программирования. Показать, что функция написана на другом языке, можно с помощью директивы связывания в форме простой либо составной инструкции: С++ для начинающих 348 } Первая форма такой директивы состоит из ключевого слова extern, за которым следует строковый литерал, а за ним – “обычное” объявление функции. Хотя функция написана на другом языке, проверка типов вызова выполняется полностью. Несколько объявлений функций могут быть помещены в фигурные скобки составной инструкции директивы связывания – второй формы этой директивы. Скобки отмечают те объявления, к которым она относится, не ограничивая их видимости, как в случае обычной составной инструкции. Составная инструкция extern "C" в предыдущем примере говорит только о том, что функции printf() и scanf() написаны на языке С. Во всех остальных отношениях эти объявления работают точно так же, как если бы они были расположены вне инструкции. Если в фигурные скобки составной директивы связывания помещается директива препроцессора #include, все объявленные во включаемом заголовочном файле функции рассматриваются как написанные на языке, указанном в этой директиве. В предыдущем примере все функции из заголовочного файла cmath написаны на языке С. Директива связывания не может появиться внутри тела функции. Следующий фрагмент кода вызывает ошибку компиляции: } Если мы переместим директиву так, чтобы она оказалась вне тела main(), программа откомпилируется правильно: // директива связывания в форме простой инструкции extern "C" void exit(int); // директива связывания в форме составной инструкции extern "C" { int printf( const char* ... ); int scanf( const char* ... ); } // директива связывания в форме составной инструкции extern "C" { #include // ошибка: директива связывания не может появиться // внутри тела функции extern "C" double sqrt( double ); double getValue(); // правильно double result = sqrt ( getValue() ); //... return 0; extern "C" double sqrt( double ); int main() { double getValue(); // правильно double result = sqrt ( getValue() ); //... return 0; С++ для начинающих 349 } Однако более подходящее место для директивы связывания – заголовочный файл, где находится объявление функции, описывающее ее интерфейс. Как сделать С++ функцию доступной для программы на С? Директива extern "C" поможет и в этом: extern "C" double calc( double dparm ) { /* ... */ } Если в одном файле имеется несколько объявлений функции, то директива связывания может быть указана при каждом из них или только при первом – в этом случае она распространяется и на все последующие объявления. Например: double calc( double dparm ) { // ... } В данном разделе мы видели примеры директивы связывания extern "C" только для языка С. Это единственный внешний язык, поддержку которого гарантирует стандарт С++. Конкретная реализация может поддерживать связь и с другими языками. Например, extern "Ada" для функций, написанных на языке Ada; extern "FORTRAN" для языка FORTRAN и т.д. Мы описали один из случаев использования ключевого слова extern в С++. В разделе 8.2 мы покажем, что это слово имеет и другое назначение в объявлениях функций и объектов. Упражнение 7.14 exit() , printf(), malloc(), strcpy() и strlen() являются функциями из библиотеки С. Модифицируйте приведенную ниже С-программу так, чтобы она компилировалась и связывалась в С++. // функция calc() может быть вызвана из программы на C // ---- myMath.h ---- extern "C" double calc( double ); // ---- myMath.C ---- // объявление calc() в myMath.h #include "myMath.h" // определение функции extern "C" calc() // функция calc() может быть вызвана из программы на C С++ для начинающих 350 } 7.8. Функция main(): разбор параметров командной строки При запуске программы мы, как правило, передаем ей информацию в командной строке. Например, можно написать prog -d -o of lie dataO Фактические параметры являются аргументами функции main() и могут быть получены из массива C-строк с именем argv; мы покажем, как их использовать. Во всех предыдущих примерах определение main() содержало пустой список: int main() { ... } Развернутая сигнатура main() позволяет получить доступ к параметрам, которые были заданы пользователем в командной строке: int main( int argc, char *argv[] ){...} argc содержит их количество, а argv – C-строки, представляющие собой отдельные значения (в командной строке они разделяются пробелами). Скажем, при запуске команды prog -d -o ofile data0 argc получает значение 5, а argv включает следующие строки: argv[ 0 ] = "prog"; argv[ 1 ] = "-d"; argv[ 2 ] = "-o"; argv[ 3 ] = "ofile"; argv[ 4 ] = "dataO"; const char *str = "hello"; void *malloc( int ); char *strcpy( char *, const char * ); int printf( const char *, ... ); int exit( int ); int strlen( const char * ); int main() { /* программа на языке С */ char* s = malloc( strlen(str)+l ); strcpy( s, str ); printf( "%s, world\n", s ); exit( 0 ); С++ для начинающих 351 В argv[0] всегда входит имя команды (программы). Элементы с индексами от 1 до argc-1 служат параметрами. Посмотрим, как можно извлечь и использовать значения, помещенные в argv. Пусть программа из нашего примера вызывается таким образом: [ file_name [file_name [ ... ]]] Параметры в квадратных скобках являются необязательными. Вот, например, запуск программы с их минимальным количеством – одним лишь именем файла: prog chap1.doc Но можно запускать и так: prog -l 512 -d chap4.doc При разборе параметров командной строки выполняются следующие основные шаги: 1. По очереди извлечь каждый параметр из argv. Мы используем для этого цикл for с начальным индексом 1 (пропуская, таким образом, имя программы): } 2. Определить тип параметра. Если строка начинается с дефиса (-), это одна из опций { h , d, v, l, o}. В противном случае это может быть либо значение, ассоциированное с опцией (максимальный размер для -l, имя выходного файла для -o), либо имя входного файла. Чтобы определить, начинается ли строка с дефиса, используем инструкцию switch: prog [-d] [-h] [-v] [-o output_file] [-l limit_value] file_name prog -l 1024 -o chap1-2.out chapl.doc chap2.doc prog d chap3.doc for ( int ix = 1; ix < argc; ++ix ) { char *pchar = argv[ ix ]; // ... switch ( pchar[ 0 ] ) { case '-': { // -h, -d, -v, -l, -o } default: { // обработаем максимальный размер для опции -1 // имя выходного файла для -o // имена входных файлов ... } С++ для начинающих 352 } Реализуем обработку двух случаев пункта 2. Если строка начинается с дефиса, мы используем switch по следующему символу для определения конкретной опции. Вот общая схема этой части программы: } Опция -d задает необходимость отладки. Ее обработка заключается в присваивании переменной с объявлением bool debug_on = false; значения true: break; В нашу программу может входить код следующего вида: display_state_elements( obj ); case '-': { switch( pchar[ 1 ] ) { case 'd': // обработка опции debug break; case 'v': // обработка опции version break; case 'h': // обработка опции help break; case 'o': // приготовимся обработать выходной файл break; case 'l': // приготовимся обработать макс.размер break; default: // неопознанная опция: // сообщить об ошибке и завершить выполнение } case 'd': debug_on = true; if ( debug_on ) С++ для начинающих 353 Опция -v выводит номер версии программы и завершает исполнение: return 0; Опция -h запрашивает информацию о синтаксисе запуска и завершает исполнение. Вывод сообщения и выход из программы выполняется функцией usage(): usage(); Опция -o сигнализирует о том, что следующая строка содержит имя выходного файла. Аналогично опция -l говорит, что за ней указан максимальный размер. Как нам обработать эти ситуации? Если в строке параметра нет дефиса, возможны три варианта: параметр содержит имя выходного файла, максимальный размер или имя входного файла. Чтобы различать эти случаи, присвоим true переменным, отражающим внутреннее состояние: bool limit_on = false; Вот обработка опций -l и -o в нашей инструкции switch: break; Встретив строку, не начинающуюся с дефиса, мы с помощью переменных состояния можем узнать ее содержание: case 'v': cout << program_name << "::" << program_version << endl; case 'h': // break не нужен: usage() вызывает exit() // если ofi1e_on==true, // следующий параметр - имя выходного файла bool ofi1e_on = false; // если ofi1e_on==true, // следующий параметр - максимальный размер case 'l': limit_on = true; break; case 'o': ofile_on = true; С++ для начинающих 354 } Если аргумент является именем выходного файла, сохраним это имя и выключим ofile_on : } Если аргумент задает максимальный размер, мы должны преобразовать строку встроенного типа в представляемое ею число. Сделаем это с помощью стандартной функции atoi(), которая принимает строку в качестве аргумента и возвращает int (также существует функция atof(), возвращающая double). Для использования atoi() включим заголовочный файл ctype.h. Нужно проверить, что значение максимального размера неотрицательно и выключить limit_on: } Если обе переменных состояния равны false, у нас есть имя входного файла. Сохраним его в векторе строк: file_names.push_back( string( pchar )); // обработаем максимальный размер для опции -1 // имя выходного файла для -o // имена входных файлов ... default: { // ofile_on включена, если -o встречалась if ( ofile_on ) { // обработаем имя выходного файла // выключим ofile_on } else if ( limit_on ) { // если -l встречалась // обработаем максимальный размер // выключим limit_on } else { // обработаем имя входного файла } if ( ofile_on ) { ofile_on = false; ofile = pchar; // int limit; else if ( limit_on ) { limit_on = false; limit = atoi( pchar ); if ( limit < 0 ) { cerr << program_name << "::" << program_version << " : error: " << "negative value for limit.\n\n"; usage( -2 ); } else С++ для начинающих 355 При обработке параметров командной строки важен способ реакции на неверные опции. Мы решили, что задание отрицательной величины в качестве максимального размера будет фатальной ошибкой. Это приемлемо или нет в зависимости от ситуации. Также можно распознать эту ситуацию как ошибочную, выдать предупреждение и использовать ноль или какое-либо другое значение по умолчанию. Слабость нашей реализации становится понятной, если пользователь небрежно относится к пробелам, разделяющим параметры. Скажем, ни одна из следующих двух строк не будет обработана: prog -oout_file dataOl (Оба случая мы оставим для упражнений в конце раздела.) Вот полный текст нашей программы. (Мы добавили инструкции печати для трассировки выполнения.) prog - d dataOl С++ для начинающих 356 #include #include #include #include { // печатает отформатированное сообщение о порядке вызова // и завершает программу с кодом exit_value ... cerr << " порядок вызова:\n" << program_name << " " << "[-d] [-h] [-v] \n\t" << "[-o output_file] [-l limit] \n\t" << "file_name\n\t[file_name [file_name [ ... ]]]\n\n" << " где [] указывает на необязательность опции:\n\n\t" << "-h: справка.\n\t\t" << " печать этого сообщения и выход\n\n\t" << "-v: версия.\n\t\t" << " печать информации о версии программы и выход\n\n\t" << "-d: отладка.\n\t\t включает отладочную печать\n\n\t" << "-l limit\n\t\t" << "limit должен быть неотрицательным целым числом\n\n\t" << "-o ofile\n\t\t" << " файл, в который выводится результат\n\t\t" << " по умолчанию результат записывается на стандартный вывод\n\n" << "file_name\n\t\t" << " имя подлежащего обработке файла\n\t\t" << " должно быть задано хотя бы одно имя --\n\t\t" << " но максимальное число не ограничено\n\n" << " примеры:\n\t\t" << "$command chapter7.doc\n\t\t" << "$command -d -l 1024 -o test_7_8 " << "chapter7.doc chapter8.doc\n\n"; exit( exit_value ); } int main( int argc, char* argv[] ) { bool debug_on = false; bool ofile_on = false; bool limit_on = false; int limit = -1; string ofile; vector демонстрация обработки параметров в командной строке:\n" << "argc: " << argc << endl; for ( int ix = 1; ix < argc; ++ix ) { cout << "argv[ " << ix << " ]: " << argv[ ix ] << endl; char *pchar = argv[ ix ]; switch ( pchar[ 0 ] ) { case '-': { cout << " встретился \'-\'\n"; switch( pchar[ 1 ] ) { case 'd': cout << " встретилась -d: " << " отладочная печать включена\n"; debug_on = true; break; case 'v': cout << " встретилась -v: " |