Решение задачи
Программы обычно пишутся для того, чтобы решить какую-то конкретную задачу. Например, книжный магазин ведет запись проданных книг. Регистрируется название книги и издательство, причем запись идет в том порядке, в каком книги продаются. Каждые две недели владелец магазина вручную подсчитывает количество проданных книг с одинаковым названием и количество проданных книг от каждого издателя. Этот список сортируется по издателям и используется для составления последующего заказа книг. Нас попросили написать программу для автоматизации этой деятельности.
Один из методов решения большой задачи состоит в разбиении ее на ряд задач поменьше. В идеале, с маленькими задачами легче справиться, а вместе они помогают одолеть большую. Если подзадачи все еще слишком сложны, мы, в свою очередь, разобьем их на еще меньшие, пока каждая из подзадач не будет решена. Такую стратегию называют пошаговой детализацией или принципом “разделяй и властвуй”. Задача книжного магазина делится на четыре подзадачи:
1. Прочитать файл с записями о продажах.
2. Подсчитать количество продаж по названиям и по издателям.
3. Отсортировать записи по издателям.
4. Вывести результаты.
Решения для подзадач 1, 2 и 4 известны, их не нужно делить на более мелкие подзадачи. А вот третья подзадача все еще слишком сложна. Будем дробить ее дальше.
3.a. Отсортировать записи по издателям.
3.b. Для каждого издателя отсортировать записи по названиям.
3.c. Сравнить соседние записи в группе каждого издателя. Для каждой одинаковой пары увеличить счетчик для первой записи и удалить вторую.
Эти подзадачи решаются легко. Теперь мы знаем, как решить исходную, большую задачу. Более того, мы видим, что первоначальный список подзадач был не совсем правильным. Правильная последовательность действий такова:
1. Прочитать файл с записями о продажах.
2. Отсортировать этот файл: сначала по издателям, внутри каждого издателя – по названиям.
3. Удалить повторяющиеся названия, наращивая счетчик.
4. Вывести результат в новый файл.
Результирующая последовательность действий называется алгоритмом. Следующий шаг – перевести наш алгоритм на некоторый язык программирования, в нашем случае – на С++.
Открытый интерфейс каждого из четырех
Открытый интерфейс каждого из четырех производных классов состоит из их открытых членов и унаследованных открытых членов Query. Когда мы пишем:
Query *pq = new NmaeQuery( "Monet" );
то получить доступ к открытому интерфейсу Query можно только через pq. А если пишем:
pq->eval();
то вызывается реализация виртуальной eval() из производного класса, на объект которого указывает pq, в данном случае – из класса NameQuery. Строкой
pq->display();
всегда вызывается невиртуальная функция display() из Query. Однако она выводит разрешающее множество строк объекта того производного класса, на который указывает pq. В этом случае мы не стали полагаться на механизм виртуализации, а вынесли разделяемую операцию и необходимые для нее данные в общий абстрактный базовый класс Query. display() – это пример полиморфного программирования, которое поддерживается не виртуальностью, а исключительно с помощью наследования. Вот ее реализация (это пока только промежуточное решение, как мы увидим в последнем разделе):
void
Query::
display()
{
if ( ! _solution->size() ) {
cout << "\n\tИзвините, "
<< " подходящих строк в тексте не найдено.\n"
<< endl;
}
set<short>::const_iterator
it = _solution->begin(),
end_it = _solution->end();
for ( ; it != end_it; ++it ) {
int line = *it;
// не будем пользоваться нумерацией строк с 0...
cout << "(" << line+1 << " ) "
<< (*_text_file)[line] << '\n';
}
cout << endl;
}
В этом разделе мы попытались определить иерархию классов Query. Однако вопрос о том, как же построить с ее помощью структуру данных, описывающую запрос пользователя, остался без ответа. Когда мы приступим к реализации, это определение придется пересмотреть и расширить. Но прежде нам предстоит более детально изучить механизм наследования в языке C++.
Упражнение 17.3
Рассмотрите приведенные члены иерархии классов для поддержки библиотеки из упражнения 17.1 (раздел 17.1). Выявите возможные кандидаты на роль виртуальных функций, а также те члены, которые являются общими для всех предметов, выдаваемых библиотекой, и, следовательно, могут быть представлены в базовом классе. (Примечание: LibMember – это абстракция человека, которому разрешено брать из библиотеки различные предметы; Date – класс, представляющий календарную дату.)
class Library {
public:
bool check_out( LibMember* ); // выдать
bool check_in ( LibMember* ); // принять назад
bool is_late( const Date& today ); // просрочил
double apply_fine(); // наложить штраф
ostream& print( ostream&=cout );
Date* due_date() const; // ожидаемая дата возврата
Date* date_borrowed() const; // дата выдачи
string title() const; // название
const LibMember* member() const; // записавшийся
};
Упражнение 17.4
Идентифицируйте члены базового и производных классов для той иерархии, которую вы выбрали в упражнении 17.2 (раздел 17.1). Задайте виртуальные функции, а также открытые и защищенные члены.
Упражнение 17.5
Какие из следующих объявлений неправильны:
class base { ... };
(a) class Derived : public Derived { ... };
(b) class Derived : Base { ... };
(c) class Derived : private Base { ... };
(d) class Derived : public Base;
(e) class Derived inherits Base { ... };
Шаблон auto_ptr *
В стандартной библиотеке С++ auto_ptr является шаблоном класса, призванным помочь программистам в манипулировании объектами, которые создаются посредством оператора new. (К сожалению, подобного шаблона для манипулирования динамическими массивами нет. Использовать auto_ptr для создания массивов нельзя, это приведет к непредсказуемым результатам.)
Объект auto_ptr инициализируется адресом динамического объекта, созданного с помощью оператора new. Такой объект автоматически уничтожается, когда заканчивается время жизни auto_ptr. В этом подразделе мы расскажем, как ассоциировать auto_ptr с динамически размещаемыми объектами.
Для использования шаблона класса auto_ptr необходимо включить заголовочный файл:
#include <memory>
Определение объекта auto_ptr имеет три формы:
auto_ptr< type_pointed_to > identifier( ptr_allocated_by_new );
auto_ptr< type_pointed_to > identifier( auto_ptr_of_same_type );
auto_ptr< type_pointed_to > identifier;
Здесь type_pointed_to представляет собой тип нужного объекта. Рассмотрим последовательно каждое из этих определений. Как правило, мы хотим непосредственно инициализировать объект auto_ptr адресом объекта, созданного с помощью оператора new. Это можно сделать следующим образом:
auto_ptr< int > pi ( new int( 1024 ) );
В результате значением pi является адрес созданного объекта, инициализированного числом 1024. С объектом, на который указывает auto_ptr, можно работать обычным способом:
if ( *pi != 1024 )
// ошибка, что-то не так
else *pi *= 2;
Объект, на который указывает pi, будет автоматически уничтожен по окончании времени жизни pi. Если указатель pi является локальным, то объект, который он адресует, будет уничтожен при выходе из блока, где он определен. Если же pi глобальный, то объект, на который он ссылается, уничтожается при выходе из программы.
Что будет, если мы инициализируем auto_ptr адресом объекта класса, скажем, стандартного класса string? Например:
auto_ptr< string >
pstr_auto( new string( "Brontosaurus" ) );
Предположим, что мы хотим выполнить какую-то операцию со строками. С обычной строкой мы бы поступили таким образом:
string *pstr_type = new string( "Brontosaurus" );
if ( pstr_type->empty() )
// ошибка, что-то не так
А как обратиться к операции empty(), используя объект auto_ptr? Точно так же:
auto_ptr< string > pstr_auto( new string( "Brontosaurus" ) );
if ( pstr_type->empty() )
// ошибка, что-то не так
Создатели шаблона класса auto_ptr не в последнюю очередь стремились сохранить привычный синтаксис, употребляемый с обычными указателями, а также обеспечить дополнительные возможности автоматического удаления объекта, на который ссылается auto_ptr. При этом время выполнения не увеличивается. Применение встроенных функций (которые подставляются по месту вызова) позволило сделать использование объекта auto_ptr немногим более дорогим, чем непосредственное употребление указателя.
Что произойдет, если мы проинициализируем pstr_auto2 значением pstr_auto, который является объектом auto_ptr, указывающим на строку?
// кто несет ответственность за уничтожение строки?
auto_ptr< string > pstr_auto2( pstr_auto );
Представим, что мы непосредственно инициализировали один указатель на строку другим:
string *pstr_type2( pstr_type );
Оба указателя теперь содержат адрес одной и той же строки, и мы должны быть внимательными, чтобы не удалить строку дважды.
В противоположность этому шаблон класса auto_ptr поддерживает понятие владения. Когда мы определили pstr_auto, он стал владельцем строки, адресом которой был инициализирован, и принял на себя ответственность за ее уничтожение.
Вопрос в том, кто станет владельцем строки, когда мы инициализируем pstr_auto2 адресом, указывающим на тот же объект, что и pstr_auto? Нежелательно, чтобы оба объекта владели одной и той же строкой: это вернет нас к проблемам повторного удаления, от которых мы стремились уйти с помощью шаблона класса auto_ptr.
Когда один объект auto_ptr инициализируется другим или получает его значение в результате присваивания, одновременно он получает и право владения адресуемым объектом. Объект auto_ptr, стоящий справа от оператора присваивания, передает право владения и ответственность auto_ptr, стоящему слева. В нашем примере ответственность за уничтожение строки несет pstr_auto2, а не pstr_auto. pstr_auto больше не может употребляться для ссылки на эту строку.
Аналогично ведет себя и операция присваивания. Пусть у нас есть два объекта auto_ptr:
auto_ptr< int > p1( new int( 1024 ) );
auto_ptr< int > p2( new int( 2048 ) );
Мы можем скопировать один объекта auto_ptr в другой с помощью этой операции:
p1 = p2;
Перед присваиванием объект, на который ссылался p1, удаляется.
После присваивания p1 владеет объектом типа int со значением 2048. p2 больше не может использоваться как ссылка на этот объект.
Третья форма определения объекта auto_ptr создает его, но не инициализирует значением указателя на область памяти из хипа. Например:
// пока не ссылается ни на какой объект
auto_ptr< int > p_auto_int;
Поскольку p_auto_int не инициализирован адресом какого-либо объекта, значение хранящегося внутри него указателя равно 0. Разыменование таких указателей приводит к непредсказуемому поведению программы:
// ошибка: разыменование нулевого указателя
if ( *p_auto_int != 1024 )
*p_auto_int = 1024;
Обычный указатель можно проверить на равенство 0:
int *pi = 0;
if ( pi ! = 0 ) ...;
А как проверить, адресует auto_ptr какой-либо объект или нет? Операция get() возвращает внутренний указатель, использующийся в объекте auto_ptr. Значит, мы должны применить следующую проверку:
// проверяем, указывает ли p_auto_int на объект
if ( p_auto_int.get() != 0 &&
*p_auto_int != 1024 )
*p_auto_int = 1024;
Если auto_ptr ни на что не указывает, то как заставить его адресовать что-либо? Другими словами, как мы можем присвоить значение внутреннему указателю объекта auto_ptr? Это делается с помощью операции reset(). Например:
else
// хорошо, присвоим ему значение
p_auto_int.reset( new int( 1024 ) );
Объекту auto_ptr нельзя присвоить адрес объекта, созданного с помощью оператора new:
void example() {
// инициализируется нулем по умолчанию
auto_ptr< int > pi;
{
// не поддерживается
pi = new int( 5 ) ;
}
}
В этом случае надо использовать функцию reset(), которой можно передать указатель или 0, если мы хотим обнулить объект auto_ptr. Если auto_ptr указывает на объект и является его владельцем, то этот объект уничтожается перед присваиванием нового значения внутреннему указателю auto_ptr. Например:
auto_ptr< string >
pstr_auto( new string( "Brontosaurus" ) );
// "Brontosaurus" уничтожается перед присваиванием
pstr_auto.reset( new string( "Long-neck" ) );
В последнем случае лучше, используя операцию assign(), присвоить новое значение существующей строке, чем уничтожать одну строку и создавать другую:
// более эффективный способ присвоить новое значение
// используем операцию assign()
pstr_auto->assign( "Long-neck" );
Одна из трудностей программирования состоит в том, что получить правильный результат не всегда достаточно. Иногда накладываются и временные ограничения. Такая мелочь, как удаление и создание заново строкового объекта, вместо использования функции assign() при определенных обстоятельствах может вызвать значительное замедление работы. Подобные детали не должны вас беспокоить при проектировании, но при доводке программы на них следует обращать внимание.
Шаблон класса auto_ptr обеспечивает значительные удобства и безопасность использования динамически выделяемой памяти. Однако все равно надо не терять бдительности, чтобы не навлечь на себя неприятности:
нельзя инициализировать объект auto_ptr указателем, полученным не с помощью оператора new, или присвоить ему такое значение. В противном случае после применения к этому объекту оператора delete поведение программы непредсказуемо;
два объекта auto_ptr не должны получать во владение один и тот же объект. Очевидный способ допустить такую ошибку – присвоить одно значение двум объектам. Менее очевидный – с помощью операции get(). Вот пример:
auto_ptr< string >
pstr_auto( new string( "Brontosaurus" ) );
// ошибка: теперь оба указывают на один объект
// и оба являются его владельцами
auto_ptr< string > pstr_auto2( pstr_auto.get() );
Операция release() гарантирует, что несколько указателей не являются владельцами одного и того же объекта. release() не только возвращает адрес объекта, на который ссылается auto_ptr, но и передает владение им. Предыдущий фрагмент кода нужно переписать так:
// правильно: оба указывают на один объект,
// но pstr_auto больше не является его владельцем
auto_ptr< string >
pstr_auto2( pstr_auto.release() );
Шаблон класса Array
В этом разделе мы завершим реализацию шаблона класса Array, введенного в разделе 2.5 (этот шаблон будет распространен на одиночное наследование в разделе 18.3 и на множественное наследование в разделе 18.6). Так выглядит полный заголовочный файл:
#ifndef ARRAY_H
#define ARRAY_H
#include <iostream>
template <class elemType> class Array;
template <class elemType> ostream&
operator<<( ostream &, Array<elemType> & );
template <class elemType>
class Array {
public:
explicit Array( int sz = DefaultArraySize )
{ init( 0, sz ); }
Array( const elemType *ar, int sz )
{ init( ar, sz ); }
Array( const Array &iA )
{ init( iA._ia, iA._size ); }
~Array() { delete[] _ia; }
Array & operator=( const Array & );
int size() const { return _size; }
elemType& operator[]( int ix ) const
{ return _ia[ix]; }
ostream &print( ostream& os = cout ) const;
void grow();
void sort( int,int );
int find( elemType );
elemType min();
elemType max();
private:
void init( const elemType*, int );
void swap( int, int );
static const int DefaultArraySize = 12;
int _size;
elemType *_ia;
};
#endif
Код, общий для реализации всех трех конструкторов, вынесен в отдельную функцию-член init(). Поскольку она не должна напрямую вызываться пользователями шаблона класса Array, мы поместили ее в закрытую секцию:
template <class elemType>
void Array<elemType>::init( const elemType *array, int sz )
{
_size = sz;
_ia = new elemType[ _size ];
for ( int ix = 0; ix < _size; ++ix )
if ( ! array )
_ia[ ix ] = 0;
else _ia[ ix ] = array[ ix ];
}
Реализация копирующего оператора присваивания не вызывает затруднений. Как отмечалось в разделе 14.7, в код включена защита от копирования объекта в самого себя:
template <class elemType> Array<elemType>&
Array<elemType>::operator=( const Array<elemType> &iA )
{
if ( this != &iA ) {
delete[] _ia;
init( iA._ia, iA._size );
}
return *this;
}
Функция-член print() отвечает за вывод объекта того типа, которым конкретизирован шаблон Array. Возможно, реализация несколько сложнее, чем необходимо, зато данные аккуратно размещаются на странице. Если экземпляр конкретизированного класса Array<int> содержит элементы 3, 5, 8, 13 и 21, то выведены они будут так:
(5) < 3, 5, 8, 13, 21 >
Оператор потокового вывода просто вызывает print(). Ниже приведена реализация обеих функций:
template <class elemType> ostream&
operator<<( ostream &os, Array<elemType> &ar )
{
return ar.print( os );
}
template <class elemType>
ostream & Array<elemType>::print( ostream &os ) const
{
const int lineLength = 12;
os << "( " << _size << " )< ";
for ( int ix = 0; ix < _size; ++ix )
{
if ( ix % lineLength == 0 && ix )
os << "\n\t";
os << _ia[ ix ];
// не выводить запятую за последним элементом в строке,
// а также за последним элементом массива
if ( ix % lineLength != lineLength-1 && ix != _size-1 )
os << ", ";
}
os << " >\n";
return os;
}
Вывод значения элемента массива в функции print() осуществляет такая инструкция:
os << _ia[ ix ];
Для ее правильной работы должно выполняться требование к типам, которыми конкретизируется шаблон Array: такой тип должен быть встроенным либо иметь собственный оператор вывода. В противном случае любая попытка распечатать содержимое класса Array приведет к ошибке компиляции в том месте, где используется несуществующий оператор.
Функция-член grow() увеличивает размер объекта класса Array. В нашем примере – в полтора раза:
template <class elemType>
void Array<elemType>::grow()
{
elemType *oldia = _ia;
int oldSize = _size;
_size = oldSize + oldSize/2 + 1;
_ia = new elemType[_size];
int ix;
for ( ix = 0; ix < oldSize; ++ix )
_ia[ix] = oldia[ix];
for ( ; ix < _size; ++ix )
_ia[ix] = elemType();
delete[] oldia;
}
Функции-члены find(), min() и max() осуществляют последовательный поиск во внутреннем массиве _ia. Если бы массив был отсортирован, то, конечно, их можно было бы реализовать гораздо эффективнее.
template <class elemType>
elemType Array<elemType>::min( )
{
assert( _ia != 0 );
elemType min_val = _ia[0];
for ( int ix = 1; ix < _size; ++ix )
if ( _ia[ix] < min_val )
min_val = _ia[ix];
return min_val;
}
template <class elemType>
elemType Array<elemType>::max()
{
assert( _ia != 0 );
elemType max_val = _ia[0];
for ( int ix = 1; ix < _size; ++ix )
if ( max_val < _ia[ix] )
max_val = _ia[ix];
return max_val;
}
template <class elemType>
int Array<elemType>::find( elemType val )
{
for ( int ix = 0; ix < _size; ++ix )
if ( val == _ia[ix] )
return ix;
return -1;
}
В шаблоне класса Array есть функция-член sort(), реализованная с помощью алгоритма быстрой сортировки. Она очень похожа на шаблон функции, представленный в разделе 10.11. Функция-член swap() – вспомогательная утилита для sort(); она не является частью открытого интерфейса шаблона и потому помещена в закрытую секцию:
template <class elemType>
void Array<elemType>::swap( int i, int j )
{
elemType tmp = _ia[i];
_ia[i] = _ia[j];
_ia[j] = tmp;
}
template <class elemType>
void Array<elemType>::sort( int low, int high )
{
if ( low >= high ) return;
int lo = low;
int hi = high + 1;
elemType elem = _ia[low];
for ( ;; ) {
while ( _ia[++lo] < elem ) ;
while ( _ia[--hi] > elem ) ;
if ( lo < hi )
swap( lo,hi );
else break;
}
swap( low, hi );
sort( low, hi-1 );
sort( hi+1, high );
}
То, что код реализован, разумеется, не означает, что он работоспособен. try_array() – это шаблон функции, предназначенный для тестирования реализации шаблона Array:
#include "Array.h"
template <class elemType>
void try_array( Array<elemType> &iA )
{
cout << "try_array: начальные значения массива\n";
cout << iA << endl;
elemType find_val = iA [ iA.size()-1 ];
iA[ iA.size()-1 ] = iA.min();
int mid = iA.size()/2;
iA[0] = iA.max();
iA[mid] = iA[0];
cout << "try_array: после присваиваний\n";
cout << iA << endl;
Array<elemType> iA2 = iA;
iA2[mid/2] = iA2[mid];
cout << "try_array: почленная инициализация\n";
cout << iA << endl;
iA = iA2;
cout << "try_array: после почленного копирования\n";
cout << iA << endl;
iA.grow();
cout << "try_array: после вызова grow\n";
cout << iA << endl;
int index = iA.find( find_val );
cout << "искомое значение: " << find_val;
cout << "\tвозвращенный индекс: " << index << endl;
elemType value = iA[index];
cout << "значение элемента с этим индексом: ";
cout << value << endl;
}
Рассмотрим шаблон функции try_array(). На первом шаге печатается исходный объект Array, что подтверждает успешную конкретизацию оператора вывода шаблона, а заодно дает начальную картину, с которой можно будет сверяться при последующих модификациях. В переменной find_val хранится значение, которое мы впоследствии передадим find(). Если бы try_array() была обычной функцией, роль такого значения сыграла бы константа. Но поскольку никакая константа не может обслужить все типы, которыми допустимо конкретизировать шаблон, то приходится выбирать другой путь. Далее одним элементам Array случайным образом присваиваются значения других элементов, чтобы протестировать min(), max(), size() и, конечно, оператор взятия индекса.
Затем объект iA2 почленно инициализируется объектом iA, что приводит к вызову копирующего конструктора. После этого тестируется оператор взятия индекса с объектом ia2: производится присваивание элементу с индексом mid/2. (Эти две строки представляют интерес в случае, когда iA – производный подтип Array, а оператор взятия индекса объявлен виртуальной функцией. Мы вернемся к этому в главе 18 при обсуждении наследования.) Далее в iA почленно копируется модифицированный объект iA2, что приводит к вызову копирующего оператора присваивания класса Array. Затем проверяются функции-члены grow() и find(). Напомним, что find() возвращает значение –1, если искомый элемент не найден. Попытка выбрать из “массива” Array элемент с индексом –1 приведет к выходу за левую границу. (В главе 18 для перехвата этой ошибки мы построим производный от Array класс, который будет проверять выход за границы массива.)
Убедиться, что наша реализация шаблона работает для различных типов данных, например целых чисел, чисел с плавающей точкой и строк, поможет программа main(), которая вызывает try_array() с каждым из указанных типов:
#include "Array.C"
#include "try_array.C"
#include <string>
int main()
{
static int ia[] = { 12,7,14,9,128,17,6,3,27,5 };
static double da[] = { 12.3,7.9,14.6,9.8,128.0 };
static string sa[] = {
"Eeyore", "Pooh", "Tigger",
"Piglet", "Owl", "Gopher", "Heffalump"
};
Array<int> iA( ia, sizeof(ia)/sizeof(int) );
Array<double> dA( da, sizeof(da)/sizeof(double) );
Array<string> sA( sa, sizeof(sa)/sizeof(string) );
cout << "template Array<int> class\n" << endl;
try_array(iA);
cout << "template Array<double> class\n" << endl;
try_array(dA);
cout << "template Array<string> class\n" << endl;
try_array(sA);
return 0;
}
Вот что программа выводит при конкретизации шаблона Array типом double:
try_array: начальные значения массива
( 5 )< 12.3, 7.9, 14.6, 9.8, 128 >
try_array: после присваиваний
( 5 )< 14.6, 7.9, 14.6, 9.8, 7.9 >
try_array: почленная инициализация
( 5 )< 14.6, 7.9, 14.6, 9.8, 7.9 >
try_array: после почленного копирования
( 5 )< 14.6, 14.6, 14.6, 9.8, 7.9 >
try_array: после вызова grow
( 8 )< 14.6, 14.6, 14.6, 9.8, 7.9, 0, 0, 0 >
искомое значение: 128 возвращенный индекс: -1
значение элемента с этим индексом: 3.35965e-322
Выход индекса за границу массива приводит к тому, что последнее напечатанное программой значение неверно. Конкретизация шаблона Array типом string заканчивается крахом программы:
template Array<string> class
try_array: начальные значения массива
( 7 )< Eeyore, Pooh, Tigger, Piglet, Owl, Gopher, Heffalump >
try_array: после присваиваний
( 7 )< Tigger, Pooh, Tigger, Tigger, Owl, Gopher, Eeyore >
try_array: почленная инициализация
( 7 )< Tigger, Pooh, Tigger, Tigger, Owl, Gopher, Eeyore >
try_array: после почленного копирования
( 7 )< Tigger, Tigger, Tigger, Tigger, Owl, Gopher, Eeyore >
try_array: после вызова grow
( 11 )< Tigger, Tigger, Tigger, Tigger, Owl, Gopher, Eeyore, <пусто>, <пусто>, <пусто>, <пусто> >
искомое значение: Heffalump возвращенный индекс: -1
Memory fault (coredump)
Упражнение 16.11
Измените шаблон класса Array, убрав из него функции-члены sort(), find(), max(), min() и swap(), и модифицируйте шаблон try_array() так, чтобы она вместо них пользовалась обобщенными алгоритмами (см. главу 12).
Часть V
Объектно-ориентированное программирование
Объектно-ориентированное программирование расширяет объектное программирование, вводя отношения тип-подтип с помощью механизма, именуемого наследованием. Вместо того чтобы заново реализовывать общие свойства, класс наследует данные-члены и функции-члены родительского класса. В языке C++ наследование осуществляется посредством так называемого порождения производных классов. Класс, свойства которого наследуются, называется базовым, а новый класс – производным. Все множество базовых и производных классов образует иерархию
наследования.
Например, в трехмерной компьютерной графике классы OrthographicCamera и PerspectiveCamera обычно являются производными от базового Camera. Множество операций и данных, общее для всех камер, определено в абстрактном классе Camera. Каждый производный от него класс реализует лишь отличия от абстрактной камеры, предоставляя альтернативный код для унаследованных функций-членов либо вводя дополнительные члены.
Если базовый и производный классы имеют общий открытый интерфейс, то производный называется подтипом
базового. Так, PerspectiveCamera является подтипом класса Camera. В C++ существует специальное отношение между типом и подтипом, позволяющее указателю или ссылке на базовый класс адресовать любой из производных от него подтипов без вмешательства программиста. (Такая возможность манипулировать несколькими типами с помощью указателя или ссылки на базовый класс называется полиморфизмом.) Если дана функция:
void lookAt( const Camera *pCamera );
то мы реализуем lookAt(), программируя интерфейс базового класса Camera и не заботясь о том, на что указывает pCamera: на объект класса PerspectiveCamera, на объект класса OrthographicCamera или на объект, описывающий еще какой-то вид камеры, который мы пока не определили.
При каждом вызове lookAt() ей передается адрес объекта, принадлежащего к одному из подтипов Camera. Компилятор автоматически преобразует его в указатель на подходящий базовый класс:
// правильно: автоматически преобразуется в Camera*
OrthographicCamera ocam;
lookAt( &ocam );
// ...
// правильно: автоматически преобразуется в Camera*
PerspectiveCamera *pcam = new PerspectiveCamera;
lookAt( pcam );
Наша реализация lookAt() не зависит от набора подтипов класса Camera, реально существующих в приложении. Если впоследствии потребуется добавить новый подтип или исключить существующий, то изменять реализацию lookAt() не придется.
Полиморфизм подтипов позволяет написать ядро приложения так, что оно не будет зависеть от конкретных типов, которыми мы манипулируем. Мы программируем открытый интерфейс базового класса придуманной нами абстракции, пользуясь только ссылками и указателями на него. При работе программы будет определен фактический тип адресуемого объекта и вызвана подходящая реализация открытого интерфейса.
Нахождение ( или разрешение) нужной функции во время выполнения называется динамическим связыванием (dynamic binding) (по умолчанию функции разрешаются статически
во время компиляции). В C++ динамическое связывание поддерживается с помощью механизма виртуальных функций класса. Полиморфизм подтипов и динамическое связывание формируют основу объектно-ориентированного программирования, которому посвящены следующие главы.
В главе 17 рассматриваются имеющиеся в C++ средства поддержки объектно-ориентированного программирования и изучается влияние наследование на такие механизмы, как конструкторы, деструкторы, почленная инициализация и присваивание; для примера разрабатывается иерархия классов Query, поддерживающая систему текстового поиска, введенную в главе 6.
Темой главы 18 является изучение более сложных иерархий, возможных за счет использования множественного и виртуального наследования. С его помощью мы развернем шаблон класса из главы 16 в трехуровневую иерархию.
В главе 19 обсуждается идентификация типов во время выполнения (RTTI), а также изучается вопрос о влиянии наследования на разрешение перегруженных функций. Здесь мы снова обратимся к средствам обработки исключений, чтобы разобраться в иерархии классов исключений, которую предлагает стандартная библиотека. Мы покажем также, как написать собственные такие классы.
Глава 20 посвящена углубленному рассмотрению библиотеки потокового ввода/вывода iostream. Эта библиотека представляет собой иерархию классов, поддерживающую как виртуальное, так и множественное наследование.
Шаблоны-члены
Шаблон функции или класса может быть членом обычного класса или шаблона класса. Определение шаблона-члена похоже на определение шаблона: ему предшествует ключевое слово template, за которым идет список параметров:
template <class T>
class Queue {
private:
// шаблон класса-члена
template <class Type>
class CL
{
Type member;
T mem;
};
// ...
public:
// шаблон функции-члена
template <class Iter>
void assign( Iter first, Iter last )
{
while ( ! is_empty() )
remove(); // вызывается Queue<T>::remove()
for ( ; first != last; ++first )
add( *first ); // вызывается Queue<T>::add( const T & )
}
}
(Отметим, что шаблоны-члены не поддерживаются компиляторами, написанными до принятия стандарта C++. Эта возможность была добавлена в язык для поддержки реализации абстрактных контейнерных типов, представленных в главе 6.)
Объявление шаблона-члена имеет собственные параметры. Например, у шаблона класса CL есть параметр Type, а у шаблона функции assign() – параметр Iter. Помимо этого, в определении шаблона-члена могут использоваться параметры объемлющего шаблона класса. Например, у шаблона CL есть член типа T, представляющего параметр включающего шаблона Queue.
Объявление шаблона-члена в шаблоне класса Queue означает, что конкретизация Queue потенциально может содержать бесконечное число различных вложенных классов CL функций-членов assign(). Так, конкретизированный экземпляр Queue<int> включает вложенные типы:
Queue<int>::CL<char>
Queue<int>::CL<string>
и вложенные функции:
void Queue<int>::assign( int *, int * )
void Queue<int>::assign( vector<int>::iterator,
vector<int>::iterator )
Для шаблона-члена действуют те же правила доступа, что и для других членов класса. Так как шаблон CL является закрытым членом шаблона Queue, то лишь функции-члены и друзья Queue могут ссылаться на его конкретизации. С другой стороны, шаблон функции assign() объявлен открытым членом и, значит, доступен во всей программе.
Шаблон- член конкретизируется при его использовании в программе. Например, assign() конкретизируется в момент обращения к ней из main():
int main()
{
// конкретизация Queue<int>
Queue<int> qi;
// конкретизация Queue<int>::assign( int *, int * )
int ai[4] = { 0, 3, 6, 9 };
qi.assign( ai, ai + 4 );
// конкретизация Queue<int>::assign( vector<int>::iterator,
// vector<int>::iterator )
vector<int> vi( ai, ai + 4 );
qi.assign( vi.begin(), vi.end() );
}
Шаблон функции assign(), являющийся членом шаблона класса Queue, иллюстрирует необходимость применения шаблонов-членов для поддержки контейнерных типов. Предположим, имеется очередь типа Queue<int>, в которую нужно поместить содержимое любого другого контейнера (списка, вектора или обычного массива), причем его элементы имеют либо тип int (т.е. тот же, что у элементов очереди), либо приводимый к типу int. Шаблон-член assign()позволяет это сделать. Поскольку может быть использован любой контейнерный тип, то интерфейс assign() программируется в расчете на употребление итераторов; в результате реализация оказывается не зависящей от фактического типа, на который итераторы указывают.
В функции main() шаблон-член assign() сначала конкретизируется типом int*, что позволяет поместить в qi содержимое массива элементов типа int. Затем шаблон-член конкретизируется типом vector<int>::iterator – это дает возможность поместить в очередь qi содержимое вектора элементов типа int. Контейнер, содержимое которого помещается в очередь, не обязательно должен состоять из элементов типа int. Разрешен любой тип, который приводится к int. Чтобы понять, почему это так, еще раз посмотрим на определение assign():
template <class Iter>
void assign( Iter first, Iter last )
{
// удалить все элементы из очереди
for ( ; first != last; ++first )
add( *first );
}
Вызываемая из assign() функция add() – это функция-член Queue<Type>::add(). Если Queue конкретизируется типом int, то у add() будет следующий прототип:
void Queue<int>::add( const int &val );
Аргумент * first должен иметь тип int либо тип, которым можно инициализировать параметр-ссылку на const int. Преобразования типов допустимы. Например, если воспользоваться классом SmallInt из раздела 15.9, то содержимое контейнера, в котором хранятся элементы типа SmallInt, с помощью шаблона-члена assign() помещается в очередь типа Queue<int>. Это возможно потому, что в классе SmallInt имеется конвертер для приведения SmallInt к int:
class SmallInt {
public:
SmallInt( int ival = 0 ) : value( ival ) { }
// конвертер: SmallInt ==> int
operator int() { return value; }
// ...
private:
int value;
};
int main()
{
// конкретизация Queue<int>
Queue<int> qi;
vector<SmallInt> vsi;
// заполнить вектор
// конкретизация
// Queue<int>::assign( vector<SmallInt>::iterator,
// vector<SmallInt>::iterator )
qi.assign( vsi.begin(), vsi.end() );
list<int*> lpi;
// заполнить список
// ошибка при конкретизации шаблона-члена assign():
// нет преобразования из int* в int
qi.assign( lpi.begin(), lpi.end() );
}
Первая конкретизация assign() правильна, так как существует неявное преобразование из типа SmallInt в тип int и, следовательно, обращение к add() корректно. Вторая же конкретизация ошибочна: объект типа int* не может инициализировать ссылку на тип const int, поэтому вызвать функцию add() невозможно.
Для контейнерных типов из стандартной библиотеки C++ имеется функция assign(), которая ведет себя так же, как функция-шаблон assign() для нашего класса Queue.
Любую функцию-член можно задать в виде шаблона. Это относится, в частности, к конструктору. Например, для шаблона класса Queue его можно определить следующим образом:
template <class T>
class Queue {
// ...
public:
// шаблон-член конструктора
template <class Iter>
Queue( Iter first, Iter last )
: front( 0 ), back( 0 )
{
for ( ; first != last; ++first )
add( * first );
}
};
Такой конструктор позволяет инициализировать очередь содержимым другого контейнера. У контейнерных типов из стандартной библиотеки C++ также есть предназначенные для этой цели конструкторы в виде шаблонов-членов. Кстати, в первом (в данном разделе) определении функции main() использовался конструктор-шаблон для вектора:
vector<int> vi( ai, ai + 4 );
Это определение конкретизирует шаблон конструктора для контейнера vector<int> типом int*, что позволяет инициализировать вектор содержимым массива элементов типа int.
Шаблон-член, как и обычные члены, может быть определен вне определения объемлющего класса или шаблона класса. Так, являющиеся членами шаблон класса CL или шаблон функции assign() могут быть следующим образом определены вне шаблона Queue:
template <class T>
class Queue {
private:
template <class Type> class CL;
// ...
public:
template <class Iter>
void assign( Iter first, Iter last );
// ...
};
template <class T> template <class Type>
class Queue<T>::CL<Type>
{
Type member;
T mem;
};
template <class T> template <class Iter>
void Queue<T>::assign( Iter first, Iter last )
{
while ( ! is_empty() )
remove();
for ( ; first != last; ++first )
add( *first );
}
Определению шаблона-члена, которое находится вне определения объемлющего шаблона класса, предшествует список параметров объемлющего шаблона класса, а за ним должен следовать собственный такой список. Вот почему определение шаблона функции assign() (члена шаблона класса Queue) начинается с
template <class T> template <class Iter>
Первый список параметров шаблона template <class T> относится к шаблону класса Queue. Второй – к самому шаблону-члену assign(). Имена параметров не обязаны совпадать с теми, которые указаны внутри определения объемлющего шаблона класса. Приведенная инструкция по-прежнему определяет шаблон-член assign():
template <class TT> template <class IterType>
void Queue<TT>::assign( IterType first, IterType last )
{ ... }
Шаблоны функций
В этой главе рассказывается, что такое шаблон функции, как его определять и использовать. Это довольно просто, и многие программисты применяют шаблоны, определенные в стандартной библиотеке, даже не понимая, с чем они работают. Только пользователи, хорошо знающие язык С++, самостоятельно определяют и применяют шаблоны функций так, как здесь описано. Поэтому материал данной главы следует рассматривать как переход к более сложным аспектам C++. Мы начнем с рассказа о том, что такое шаблон функции и как его определять, затем на простом примере проиллюстрируем использование шаблонов. Далее мы перейдем к темам, требующим больших знаний. Сначала посмотрим на усложненные примеры применения шаблонов, затем подробно остановимся на выведении (deduction) их аргументов и покажем, как их можно задавать при конкретизации (instantiation) шаблона функции. После этого мы посмотрим, каким образом компилятор конкретизирует шаблоны и какие требования предъявляются в этой связи к организации наших программ, а также обсудим, как определить специализацию для такой конкретизации. Затем в данной главе будут изложены вопросы, представляющие интерес для проектировщиков шаблонов функций. Мы объясним, как можно перегружать шаблоны и как применительно к ним работает разрешение перегрузки. Мы также расскажем о разрешении имен в определениях шаблонов функций и покажем, как можно определять шаблоны в пространствах имен. Глава завершается развернутым примером.
Шаблоны классов
В этой главе описывается, как определять и использовать шаблоны классов. Шаблон – это предписание для создания класса, в котором один или несколько типов либо значений параметризованы. Начинающий программист может использовать шаблоны, не понимая механизма, стоящего за их определениями и конкретизациями. Фактически на протяжении всей этой книги мы пользовались шаблонами классов, которые определены в стандартной библиотеке C++ (например, vector, list и т.д.), и при этом не нуждались в детальном объяснении механизма их работы. Только профессиональные программисты определяют собственные шаблоны классов и пользуются описанными в данной главе средствами. Поэтому этот материал следует рассматривать как введение в более сложные аспекты C++.
Глава 16 содержит вводные и продвинутые разделы. Во вводных разделах показано, как определяются шаблоны классов, иллюстрируются простые способы применения и обсуждается механизм их конкретизации. Мы расскажем, как можно задавать в шаблонах разные виды членов: функции-члены, статические данные-члены и вложенные типы. В продвинутых разделах представлен материал, необходимый для написания приложений промышленного уровня. Сначала мы рассмотрим, как компилятор конкретизирует шаблоны и какие требования в связи с этим предъявляются к организации нашей программы. Затем покажем, как определять специализации и частичные специализации для шаблона класса и для его члена. Далее мы остановимся на двух вопросах, представляющих интерес для проектировщиков: как разрешаются имена в определениях шаблона класса и как можно определять шаблоны в пространствах имен. Завершается эта глава примером определения и использования шаблона класса.
Шаблоны классов и модель компиляции *
Определение шаблона класса– это лишь предписание для построения бесконечного множества типов классов. Сам по себе шаблон не определяет никакого класса. Например, когда компилятор видит:
template <class Type>
class Queue { ... };
он только сохраняет внутреннее представление Queue. Позже, когда встречается реальное использование класса, конкретизированного по шаблону, скажем:
int main() {
Queue<int> *p_qi = new Queue<int>;
}
компилятор конкретизирует тип класса Queue<int>, применяя сохраненное внутреннее представление определения шаблона Queue.
Шаблон конкретизируется только тогда, когда он употребляется в контексте, требующем полного определения класса. (Этот вопрос подробно обсуждался в разделе 16.2.) В примере выше класс Queue<int> конкретизируется, потому что компилятор должен знать размер типа Queue<int>, чтобы выделить нужный объем памяти для объекта, созданного оператором new.
Компилятор может конкретизировать шаблон только тогда, когда он видел не только его объявление, но и фактическое определение, которое должно предшествовать тому месту программы, где этот шаблон используется:
// объявление шаблона класса
template <class Type>
class Queue;
Queue<int>* global_pi = 0; // правильно: определение класса не нужно
int main() {
// ошибка: необходима конкретизация
// определение шаблона класса должно быть видимо
Queue<int> *p_qi = new Queue<int>;
}
Шаблон класса можно конкретизировать одним и тем же типом в нескольких файлах. Как и в случае с типами классов, когда определение класса должно присутствовать в каждом файле, где используются его члены, компилятор конкретизирует шаблон некоторым типом во всех файлах, в которых данный экземпляр употребляется в контексте, требующем полного определения класса. Чтобы определение шаблона было доступно везде, где может понадобиться конкретизация, его следует поместить в заголовочный файл.
Функции-члены и статические данные-члены шаблонов классов, а также вложенные в них типы ведут себя почти так же, как сами шаблоны. Определения членов шаблона используются для порождения экземпляров членов в конкретизированном шаблоне. Если компилятор видит:
template <class Type>
void Queue<Type>::add( const Type &val )
{ ... }
он сохраняет внутреннее представление Queue<Type>::add(). Позже, когда в программе встречается фактическое употребление этой функции-члена, допустим через объект типа Queue<int>, компилятор конкретизирует Queue<int>::add(const int &), пользуясь таким представлением:
#include "Queue.h"
int main() {
// конкретизация Queue<int>
Queue<int> *p_qi = new Queue<int>;
int ival;
// ...
// конкретизация Queue<int>::add( const int & )
p_qi->add( ival );
// ...
}
Конкретизация шаблона класса некоторым типом не приводит к автоматической конкретизации всех его членов тем же типом. Член конкретизируется только при использовании в таком контексте, где необходимо его определение (т.е. вложенный тип употреблен так, что требуется его полное определение; вызвана функция-член или взят ее адрес; имеется обращение к значению статического члена).
Конкретизация функций-членов и статических членов шаблонов класса поднимает те же вопросы, которые мы уже обсуждали для шаблонов функций в разделе 10.5. Чтобы компилятор мог конкретизировать функцию-член или статический член шаблона класса, должно ли определение члена быть видимым в момент конкретизации? Например, должно ли определение функции-члена add() появиться до ее конкретизации типом int в main()? Следует ли помещать определения функций-членов и статических членов шаблонов класса в заголовочные файлы (как мы поступаем с определениями встроенных функций), которые включаются всюду, где применяются их конкретизированные экземпляры? Или конкретизации определения шаблона достаточно для того, чтобы этими членами можно было пользоваться, так что определения членов можно оставлять в файлах с исходными текстами (где обычно располагаются определения невстроенных функций-членов и статических членов)?
Для ответа на эти вопросы нам придется вспомнить модель компиляции шаблонов в C++, где формулируются требования к организации программы, в которой определяются и употребляются шаблоны. Обе модели (с включением и с разделением), описанные в разделе 10.5, в полной мере применимы и к определениям функций-членов и статических данных-членов шаблонов классов. В оставшейся части этого раздела описываются обе модели и объясняется их использование с определениями членов.
Сильно типизированная библиотека
Библиотека iostream сильно типизирована. Например, попытка прочитать из объекта класса ostream или записать в объект класса istream помечается компилятором как нарушение типизации. Так, если имеется набор объявлений:
#include <iostream>
#include <fstream>
class Screen;
extern istream& operator>>( istream&, const Screen& );
extern void print( ostream& );
ifstream inFile;
то следующие две инструкции приводят к нарушению типизации, обнаруживаемому во время компиляции:
int main()
{
Screen myScreen;
// ошибка: ожидается ostream&
print( cin >> myScreen );
// ошибка: ожидается оператор >>
inFile << "ошибка: оператор вывода";
Средства ввода/вывода включены в состав стандартной библиотеки C++. В главе 20 библиотека iostream описана не полностью, в частности вопрос о создании определенных пользователем манипуляторов и буферных классов остался за рамками введения в язык. Мы сосредоточили внимание лишь на той части библиотеки iostream, которая имеет основополагающее значение для программного ввода/вывода.
Система текстового поиска
В систему текстового поиска входят текстовый файл, указанный пользователем, и средство для задания запроса, состоящего из слов и, возможно, логических операторов.
Если одно или несколько слов запроса найдены, печатается количество их вхождений. По желанию пользователя печатаются предложения, содержащие найденные слова. Например, если нужно найти все вхождения словосочетаний Civil War и Civil Rights, запрос может выглядеть таким образом[9]:
Civil && ( War || Rights )
Результат запроса:
Civil: 12 вхождений
War: 48 вхождений
Rights: 1 вхождение
Civil && War: 1 вхождение
Civil && Rights: 1 вхождение
(8) Civility, of course, is not to be confused with
Civil Rights, nor should it lead to Civil War
Здесь (8) представляет собой номер предложения в тексте. Наша система должна печатать фразы, содержащие найденные слова, в порядке возрастания их номеров (т.е. предложение номер 7 будет напечатано раньше предложения номер 9), не повторяя одну и ту же несколько раз.
Наша программа должна уметь:
запросить имя текстового файла, а затем открыть и прочитать этот файл;
организовать внутреннее представление этого файла так, чтобы впоследствии соотнести найденное слово с предложением, в котором оно встретилось, и определить порядковый номер этого слова ;
понимать определенный язык запросов. В нашем случае он включает следующие операторы:
&& два слова непосредственно следуют одно за другим в строке
|| одно или оба слова встречаются в строке
! слово не встречается в строке
() группировка слов в запросе
Используя этот язык, можно написать:
Lincoln
чтобы найти все предложения, включающие слово Lincoln, или
! Lincoln
для поиска фраз, не содержащих такого слова, или же
( Abe || Abraham ) && Lincoln
для поиска тех предложений, где есть словосочетания Abe Lincoln или Abraham Lincoln.
Представим две версии нашей системы. В этой главе мы решим проблему чтения и хранения текстового файла в отображении, где ключом является слово, а значением – номер строки и позиции в строке. Мы обеспечим поиск по одному слову. (В главе 17 мы реализуем полную систему поиска, поддерживающую все указанные выше операторы языка запросов с помощью класса Query.) .
Возьмем шесть строчек из неопубликованного детского рассказа Стена Липпмана (Stan Lippman)[10]:
Рис. 2.
Alice Emma has long flowing red hair. Her Daddy says when the wind blows through her hair, it looks almost alive, like a fiery bird in flight. A beautiful fiery bird, he tells her, magical but untamed. "Daddy, shush, there is no such thing," she tells him, at the same time wanting him to tell her more. Shyly, she asks, "I mean. Daddy, is there?"
После считывания текста его внутреннее представление выглядит так (процесс считывания включает ввод очередной строки, разбиение ее на слова, исключение знаков препинания, замену прописных букв строчными, минимальная поддержка работы с суффиксами и исключение таких слов, как and, a, the):
alice ((0,0))
alive ((1,10))
almost ((1,9))
ask ((5,2))
beautiful ((2,7))
bird ((2,3),(2,9))
blow ((1,3))
daddy ((0,8),(3,3),(5,5))
emma ((0,1))
fiery ((2,2),(2,8))
flight ((2,5))
flowing ((0,4))
hair ((0,6),(1,6))
has ((0,2))
like ((2,0))
long ((0,3))
look ((1,8))
magical ((3,0))
mean ((5,4))
more ((4,12))
red ((0,5))
same ((4,5))
say ((0,9))
she ((4,0),(5,1))
shush ((3,4))
shyly ((5,0))
such ((3,8))
tell ((2,11),(4,1),(4,10))
there ((3,5),(5,7))
thing ((3,9))
through ((1,4))
time ((4,6))
untamed ((3,2))
wanting ((4,7))
wind ((1,2))
Ниже приводится пример работы программы, которая будет реализована в данном разделе (то, что задает пользователь, выделено курсивом):
please enter file name: alice_emma
enter a word against which to search the text.
to quit, enter a single character ==> alice
alice occurs 1 time:
( line 1 ) Alice Emma has long flowing red hair. Her Daddy says
enter a word against which to search the text.
to quit, enter a single character ==> daddy
daddy occurs 3 times:
( line 1 ) Alice Emma has long flow-ing red hair. Her Daddy says
( line 4 ) magical but untamed. "Daddy, shush, there is no such thing,"
( line 6 ) Shyly, she asks, "I mean, Daddy, is there?"
enter a word against which to search the text.
to quit, enter a single character ==> phoenix
Sorry. There are no entries for phoenix.
enter a word against which to search the text.
to quit, enter a single character ==> .
Ok, bye!
Для того чтобы реализация была достаточно простой, необходимо детально рассмотреть стандартные контейнерные типы и тип string, представленный в главе 3.
Словарь
Вот небольшая программа, иллюстрирующая построение отображения, поиск в нем и обход элементов. Здесь используются два отображения. Первое, необходимое для преобразования слов, содержит два элемента типа string. Ключом является слово, которое нуждается в специальной обработке, а значением– слово, заменяющее ключ. Для простоты мы задали пары ключ/значение непосредственно в тексте программы (вы можете модифицировать программу так, чтобы она читала их из стандартного ввода или из файла). Второе отображение используется для подсчета произведенных замен. Текст программы выглядит следующим образом:
#include <map>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <string>
int main()
{
map< string, string > trans_map;
typedef map< string, string >::value_type valType;
// первое упрощение:
// жестко заданный словарь
trans_map.insert( va1Type( "gratz", "grateful" ));
trans_map.insert( va1Type( "'em", "them" ));
trans_map.insert( va1Type( "cuz", "because" ));
trans_map.insert( va1Type( "nah", "no" ));
trans_map.insert( va1Type( "sez", "says" ));
trans_map.insert( va1Type( "tanx", "thanks" ));
trans_map.insert( va1Type( "wuz", "was" ));
trans_map.insert( va1Type( "pos", "suppose" ));
// напечатаем словарь
map< string,string >::iterator it;
cout << "Наш словарь подстановок: \n\n";
for ( it = trans_map.begin();
it != trans_map.end(); ++it )
cout << "ключ: " << (*it).first << "\t"
<< "значение: " << ("it).second << "\n";
cout << "\n\n";
// второе упрощение: жестко заданный текст
string textarray[14]={ "nah", "I", "sez", "tanx",
Соберем все вместе
Функция main() для нашего приложения текстового поиска выглядит следующим образом:
#include "TextQuery.h"
int main()
{
TextQuery tq;
tq.build_up_text();
tq.query_text();
}
Функция-член build_text_map() – это не что иное, как переименованная функция doit() из раздела 6.14:
inline void
TextQuery::
build_text_map()
{
retrieve_text();
separate_words();
filter_text();
suffix_text();
strip_caps();
build_word_map();
}
Функция-член query_text() заменяет одноименную функцию из раздела 6.14. В первоначальной реализации в ее обязанности входили прием запроса от пользователя и вывод ответа. Мы решили сохранить за query_text() эти задачи, но реализовать ее по-другому[19]:
void
TextQuery::query_text()
{
/* локальные объекты:
*
* text: содержит все слова запроса
* query_text: вектор для хранения пользовательского запроса
* caps: фильтр для поддержки преобразования
* прописных букв в строчные
*
* user_query: объект UserQuery, в котором инкапсулировано
* собственно вычисление ответа на запрос
*/
string text;
string caps( "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ" );
vector<string, allocator> query_text;
UserQuery user_query;
// инициализировать статические члены UserQuery
NotQuery::all_locs( text_locations->second );
AndQuery::max_col( &line_cnt );
UserQuery::word_map( word_map );
do {
// удалить предыдущий запрос, если он был
query_text.clear();
cout << "Введите запрос. Пожалуйста, разделяйте все его "
<< "элементы пробелами.\n"
<< "Запрос (или весь сеанс) завершается точкой ( . ).\n\n"
<< "==> ";
/*
* прочитать запрос из стандартного ввода,
Соображения эффективности *
В общем случае объект класса эффективнее передавать функции по указателю или по ссылке, нежели по значению. Например, если дана функция с сигнатурой:
bool sufficient_funds( Account acct, double );
то при каждом ее вызове требуется выполнить почленную инициализацию формального параметра acct значением фактического аргумента-объекта класса Account. Если же функция имеет любую из таких сигнатур:
bool sufficient_funds( Account *pacct, double );
bool sufficient_funds( Account &acct, double );
то достаточно скопировать адрес объекта Account. В этом случае никакой инициализации класса не происходит (см. обсуждение взаимосвязи между ссылочными и указательными параметрами в разделе 7.3).
Хотя возвращать указатель или ссылку на объект класса также более эффективно, чем сам объект, но корректно запрограммировать это достаточно сложно. Рассмотрим такой оператор сложения:
// задача решается, но для больших матриц эффективность может
// оказаться неприемлемо низкой
Matrix
operator+( const Matrix& m1, const Matrix& m2 )
{
Matrix result;
// выполнить арифметические операции ...
return result;
}
Этот перегруженный оператор позволяет пользователю писать
Matrix a, b;
// ...
// в обоих случаях вызывается operator+()
Matrix c = a + b;
a = b + c;
Однако возврат результата по значению может потребовать слишком больших затрат времени и памяти, если Matrix представляет собой большой и сложный класс. Если эта операция выполняется часто, то она, вероятно, резко снизит производительность.
Следующая пересмотренная реализация намного увеличивает скорость:
// более эффективно, но после возврата адрес оказывается недействительным
// это может привести к краху программы
Matrix&
operator+( const Matrix& m1, const Matrix& m2 )
{
Matrix result;
// выполнить сложение ...
return result;
}
но при этом происходят частые сбои программы. Дело в том, что значение переменной result не определено после выхода из функции, в которой она объявлена. (Мы возвращаем ссылку на локальный объект, который после возврата не существует.)
Значение возвращаемого адреса должно оставаться действительным после выхода из функции. В приведенной реализации возвращаемый адрес не затирается:
// нет возможности гарантировать отсутствие утечки памяти
// поскольку матрица может быть большой, утечки будут весьма заметными
Matrix&
operator+( const Matrix& m1, const Matrix& m2 )
{
Matrix *result = new Matrix;
// выполнить сложение ...
return *result;
}
Однако это неприемлемо: происходит большая утечка памяти, так как ни одна из частей программы не отвечает за применение оператора delete к объекту по окончании его использования.
Вместо оператора сложения лучше применять именованную функцию, которой в качестве третьего параметра передается ссылка, где следует сохранить результат:
// это обеспечивает нужную эффективность,
// но не является интуитивно понятным для пользователя
void
mat_add( Matrix &result,
const Matrix& m1, const Matrix& m3 )
{
// вычислить результат
}
Таким образом, проблема производительности решается, но для класса уже нельзя использовать операторный синтаксис, так что теряется возможность инициализировать объекты
// более не поддерживается
Matrix c = a + b;
и использовать их в выражениях:
// тоже не поддерживается
if ( a + b > c ) ...
Неэффективный возврат объекта класса– слабое место С++. В качестве одного из решений предлагалось расширить язык, введя имя возвращаемого функцией объекта:
Matrix&
operator+( const Matrix& m1, const Matrix& m2 )
name result
{
Matrix result;
// ...
return result;
}
Тогда компилятор мог бы самостоятельно переписать функцию, добавив к ней третий параметр-ссылку:
// переписанная компилятором функция
// в случае принятия предлагавшегося расширения языка
void
operator+( Matrix &result, const Matrix& m1, const Matrix& m2 )
name result
{
// вычислить результат
}
и преобразовать все вызовы этой функции, разместив результат непосредственно в области, на которую ссылается первый параметр. Например:
Matrix c = a + b;
было бы трансформировано в
Matrix c;
operator+(c, a, b);
Это расширение так и не стало частью языка, но предложенная оптимизация прижилась. Компилятор в состоянии распознать, что возвращается объект класса и выполнить трансформацию его значения и без явного расширения языка. Если дана функция общего вида:
classType
functionName( paramList )
{
classType namedResult;
// выполнить какие-то действия ...
return namedResult;
}
то компилятор самостоятельно трансформирует как саму функцию, так и все обращения к ней:
void
functionName( classType &namedResult, paramList )
{
// вычислить результат и разместить его по адресу namedResult
}
что позволяет уйти от необходимости возвращать значение объекта и вызывать копирующий конструктор. Чтобы такая оптимизация была применена, в каждой точке возврата из функции должен возвращаться один и тот же именованный объект класса.
И последнее замечание об эффективности работы с объектами в C++. Инициализация объекта класса вида
Matrix c = a + b;
всегда эффективнее присваивания. Например, результат следующих двух инструкций такой же, как и в предыдущем случае:
Matrix c;
c = a + b;
но объем требуемых вычислений значительно больше. Аналогично эффективнее писать:
for ( int ix = 0; ix < size-2; ++ix ) {
Matrix matSum = mat[ix] + mat[ix+1];
// ...
}
чем
Matrix matSum;
for ( int ix = 0; ix < size-2; ++ix ) {
matSum = mat[ix] + mat[ix+1];
// ...
}
Причина, по которой присваивание всегда менее эффективно, состоит в том, что возвращенный локальный объект нельзя подставить вместо объекта в левой части оператора присваивания. Иными словами, в то время как инструкцию
Point3d p3 = operator+( p1, p2 );
можно безопасно трансформировать:
// Псевдокод на C++
Point3d p3;
operator+( p3, p1, p2 );
преобразование
Point3d p3;
p3 = operator+( p1, p2 );
в
// Псевдокод на C++
// небезопасно в случае присваивания
operator+( p3, p1, p2 );
небезопасно.
Преобразованная функция требует, чтобы переданный ей объект представлял собой неформатированную область памяти. Почему? Потому что к объекту сразу применяется конструктор, который уже был применен к именованному локальному объекту. Если переданный объект уже был сконструирован, то делать это еще раз с семантической точки зрения неверно.
Что касается инициализируемого объекта, то отведенная под него память еще не подвергалась обработке. Если же объекту присваивается значение и в классе объявлены конструкторы (а именно этот случай мы и рассматриваем), можно утверждать, что эта память уже форматировалась одним из них, так что непосредственно передавать объект функции небезопасно.
Вместо этого компилятор должен создать неформатированную область памяти в виде временного объекта класса, передать его функции, а затем почленно присвоить возвращенный временный объект объекту, стоящему в левой части оператора присваивания. Наконец, если у класса есть деструктор, то он применяется к временному объекту. Например, следующий фрагмент
Point3d p3;
p3 = operator+( p1, p2 );
трансформируется в такой:
// Псевдокод на C++
Point3d temp;
operator+( temp, p1, p2 );
p3.Point3d::operator=( temp );
temp.Point3d::~Point3d();
Майкл Тиманн (Michael Tiemann), автор компилятора GNU C++, предложил назвать это расширение языка именованным возвращаемым значением (return value language extension). Его точка зрения изложена в работе [LIPPMAN96b]. В нашей книге “Inside the C++ Object Model” ([LIPPMAN96a]) приводится детальное обсуждение затронутых в этой главе тем.
Сопоставление объявлений в разных файлах
Одна из проблем, вытекающих из возможности объявлять объект или функцию в разных файлах, – вероятность несоответствия объявлений или их расхождения в связи с модификацией программы. В С++ имеются средства, помогающие обнаружить такие различия.
Предположим, что в файле token.C функция addToken() определена как имеющая один параметр типа unsigned char. В файле lex.C, где эта функция вызывается, в ее определении указан параметр типа char.
// ---- в файле token.C ----
int addToken( unsigned char tok ) { /* ... */ }
// ---- в файле lex.C ----
extern int addToken( char );
Вызов addToken() в файле lex.C вызывает ошибку во время связывания программы. Если бы такое связывание прошло успешно, можно представить дальнейшее развитие событий: скомпилированная программа была протестирована на рабочей станции Sun Sparc, а затем перенесена на IBM 390. Первый же запуск потерпел неудачу: даже самые простые тесты не проходили. Что случилось?
Вот часть объявлений набора лексем:
const unsigned char INLINE = 128;
const unsigned char VIRTUAL = 129;
Вызов addToken() выглядит так:
curTok = INLINE;
// ...
addToken( curTok );
Тип char реализован как знаковый в одном случае и как беззнаковый в другом. Неверное объявление addToken() приводит к переполнению на той машине, где тип char является знаковым, всякий раз, когда используется лексема со значением больше 127. Если бы такой программный код компилировался и связывался без ошибки, во время выполнения могли обнаружиться серьезные последствия.
В С++ информация о количестве и типах параметров функций помещается в имя функции – это называется безопасным связыванием (type-safe linkage). Оно помогает обнаружить расхождения в объявлениях функций в разных файлах. Поскольку типы параметров unsigned char и char различны, в соответствии с принципом безопасного связывания функция addToken(), объявленная в файле lex.C, будет считаться неизвестной. Согласно стандарту определение в файле token.C задает другую функцию.
Подобный механизм обеспечивает некоторую степень проверки типов при вызове функций из разных файлов. Безопасное связывание также необходимо для поддержки перегруженных функций. (Мы продолжим рассмотрение этой проблемы в главе 9.)
Прочие типы несоответствия объявлений одного и того же объекта или функции в разных файлах не обнаруживаются во время компиляции или связывания. Поскольку компилятор обрабатывает отдельно каждый файл, он не способен сравнить типы в разных файлах. Несоответствия могут быть источником серьезных ошибок, проявляющихся, подобно приведенным ниже, только во время выполнения программы (к примеру, путем возбуждения исключения или из-за вывода неправильной информации).
// в token. C
unsigned char lastTok = 0;
unsigned char peekTok() { /* ... */ }
// в lex.C
extern char lastTok;
extern char peekTok();
Избежать подобных неточностей поможет прежде всего правильное использование заголовочных файлов. Мы поговорим об этом в следующем подразделе.
Состояние формата
Каждый объект класса из библиотеки iostream поддерживает состояние формата, которое управляет выполнением операций форматирования, например основание системы счисления для целых значений или точность для значений с плавающей точкой. Для модификации состояния формата объекта в распоряжении программиста имеется предопределенный набор манипуляторов.1 Манипулятор применяется к потоковому объекту так же, как к данным. Однако вместо чтения или записи данных манипулятор модифицирует внутреннее состояние потока. Например, по умолчанию объект типа bool, имеющий значение true (а также литеральная константа true), выводится как целая ‘1’:
#include <iostream.h>
int main()
{
bool illustrate = true;
cout << "объект illustrate типа bool установлен в true: "
<< illustrate << '\n';
}
Чтобы поток cout выводил переменную illustrate в виде слова true, мы применяем манипулятор boolalpha:
#include <iostream.h>
int main()
{
bool illustrate = true;
cout << "объект illustrate типа bool установлен в true: ";
// изменяет состояние cout так, что булевские значения
// печатаются в виде строк true и false
cout << boolalpha;
cout << illustrate << '\n';
}
Поскольку манипулятор возвращает потоковый объект, к которому он применялся, то допустимо прицеплять его к выводимым данным и другим манипуляторам. Вот как можно перемежать данные и манипуляторы в нашей программе:
#include <iostream.h>
int main()
{
bool illustrate = true;
cout << "объект illustrate типа bool: "
<< illustrate
<< "\nс использованием boolalpha: "
<< boolalpha << illustrate << '\n';
// ...
}
Вывод данных и манипуляторов вперемежку может сбить пользователя с толку. Применение манипулятора изменяет не только представление следующего за ним объекта, но и внутреннее состояние потока. В нашем примере все значения типа bool в оставшейся части программы также будут выводиться в виде строк.
Чтобы отменить сделанную модификацию потока cout, необходимо использовать манипулятор noboolalpha:
cout << boolalpha // устанавливает внутреннее состояние cout
<< illustrate
<< noboolalpha // сбрасывает внутреннее состояние cout
Как мы покажем, для многих манипуляторов имеются парные.
По умолчанию значения арифметических типов читаются и записываются в десятичной системе счисления. Программист может изменить ее на восьмеричную или шестнадцатеричную, а затем вернуться к десятичной (это распространяется только на целые типы, но не на типы с плавающей точкой), пользуясь манипуляторами hex, oct и dec:
#include <iostream>
int main()
{
int ival = 16;
double dval = 16.0;
cout << "ival: " << ival
<< " установлен oct: " << oct << ival << "\n";
cout << "dval: " << dval
<< " установлен hex: " << hex << dval << "\n";
cout << "ival: " << ival
<< " установлен dec: " << dec << ival << "\n";
}
Эта программа печатает следующее:
ival: 16 установлен oct: 20
dval: 16 установлен hex: 16
ival: 10 установлен dec: 16
Но, глядя на значение, мы не можем понять, в какой системе счисления оно записано. Например, 20 – это действительно 20 или восьмеричное представление 16? Манипулятор showbase выводит основание системы счисления вместе со значением с помощью следующих соглашений:
0x в начале обозначает шестнадцатеричную систему (если мы хотим, чтобы вместо строчной буквы 'x' печаталась заглавная, то можем применить манипулятор uppercase, а для отмены – манипулятор nouppercase);
0 в начале обозначает восьмеричную систему;
отсутствие того и другого обозначает десятичную систему.
Вот та же программа, но и с использованием showbase:
#include <iostream>
int main()
{
int ival = 16;
double dval = 16.0;
cout << showbase;
cout << "ival: " << ival
<< " установлен oct: " << oct << ival << "\n";
cout << "dval: " << dval
<< " установлен hex: " << hex << dval << "\n";
cout << "ival: " << ival
<< " установлен dec: " << dec << ival << "\n";
cout << noshowbase;
}
Результат:
ival: 16 установлен oct: 020
dval: 16 установлен hex: 16
ival: 0x10 установлен dec: 16
Манипулятор noshowbase восстанавливает состояние cout, при котором основание системы счисления не выводится.
По умолчанию значения с плавающей точкой выводятся с точностью 6. Эту величину можно модифицировать с помощью функции-члена precision(int) или манипулятора setprecision(); для использования последнего необходимо включить заголовочный файл iomanip. precision() возвращает текущее значение точности. Например:
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <math.h>
int main()
{
cout << "Точность: "
<< cout.precision() << endl
<< sqrt(2.0) << endl;
cout.precision(12);
cout << "\nТочность: "
<< cout.precision() << endl
<< sqrt(2.0) << endl;
cout << "\nТочность: " << setprecision(3)
<< cout.precision() << endl
<< sqrt(2.0) << endl;
return 0;
}
После компиляции и запуска программа печатает следующее:
Точность: 6
1.41421
Точность: 12
1.41421356237
Точность: 3
1.41
Манипуляторы, принимающие аргумент, такие, как setprecision() и setw(), требуют включения заголовочного файла iomanip:
#include <iomanip>
Кроме описанных аспектов, setprecision() имеет еще два: на целые значения он не оказывает никакого влияния; значения с плавающей точкой округляются, а не обрезаются. Таким образом, при точности 4 значение 3.14159 печатается как 3.142, а при точности 3 – как 3.14.
По умолчанию десятичная точка не печатается, если дробная часть значения равна 0. Например:
cout << 10.00
выводит
10
Чтобы точка выводилась, воспользуйтесь манипулятором showpoint:
cout << showpoint
<< 10.0
<< noshowpoint << '\n';
Манипулятор noshowpoint восстанавливает поведение по умолчанию.
По умолчанию значения с плавающей точкой выводятся в нотации с фиксированной точкой. Для перехода на научную нотацию используется идентификатор scientific, а для возврата к прежней нотации – модификатор fixed:
cout << "научная: " << scientific
<< 10.0
<< "с фиксированной точкой: " << fixed
<< 10.0 << '\n';
В результате печатается:
научная: 1.0e+01
с фиксированной точкой: 10
Если бы мы захотели вместо буквы 'e' выводить 'E', то следовало бы употребить манипулятор uppercase, а для возврата к 'e' – nouppercase. (Манипулятор uppercase не приводит к переводу букв в верхний регистр при печати.)
По умолчанию перегруженные операторы ввода пропускают пустые символы (пробелы, знаки табуляции, новой строки и возврата каретки). Если дана последовательность:
a bc
d
то цикл
char ch;
while ( cin >> ch )
// ...
читает все буквы от 'a' до 'd' за четыре итерации, а пробельные разделители оператором ввода игнорируются. Манипулятор noskipws отменяет такой пропуск пробельных символов:
char ch;
cin >> noskipws;
while ( cin >> ch )
// ...
cin >> skipws;
Теперь цикл while будет выполняться семь раз. Чтобы восстановить поведение по умолчанию, к потоку cin применяется манипулятор skipws.
Когда мы пишем:
cout << "пожалуйста, введите значение: ";
то в буфере потока cout сохраняется литеральная строка. Есть ряд условий, при которых буфер сбрасывается (т.е. опустошается), – в нашем случае в стандартный вывод:
буфер может заполниться. Тогда перед чтением следующего значения его необходимо сбросить;
буфер можно сбросить явно с помощью любого из манипуляторов flush, ends или endl:
// сбрасывает буфер
cout << "hi!" << flush;
// вставляет нулевой символ, затем сбрасывает буфер
char ch[2]; ch[0] = 'a'; ch[1] = 'b';
cout << ch << ends;
// вставляет символ новой строки, затем сбрасывает буфер
cout << "hi!" << endl;
при установлении внутренней переменной состояния потока unitbuf буфер сбрасывается после каждой операции вывода;
объект ostream может быть связан (tied) с объектом istream. Тогда буфер ostream сбрасывается каждый раз, когда istream читает из входного потока. cout всегда связан с cin:
cin.tie( &cout );
Инструкция
cin >> ival;
приводит к сбросу буфера cout.
В любой момент времени объект ostream разрешено связывать только с одним объектом istream. Чтобы разорвать существующую связь, мы передаем функции-члену tie() значение 0:
istream is;
ostream new_os;
// ...
// tie() возвращает существующую связь
ostream *old_tie = is.tie();
is.tie( 0 ); // разорвать существующую связь
is.tie( &new_os ); // установить новую связь
// ...
is.tie( 0 ); // разорвать существующую связь
is.tie( old_tie ); // восстановить прежнюю связь
Мы можем управлять шириной поля, отведенного для печати числового или строкового значения, с помощью манипулятора setw(). Например, программа
#include <iostream>
#include <iomanip>
int main()
{
int ival = 16;
double dval = 3.14159;
cout << "ival: " << setw(12) << ival << '\n'
<< "dval: " << setw(12) << dval << '\n';
}
печатает:
ival: 16
dval: 3.14159
Второй модификатор setw() необходим потому, что, в отличие от других манипуляторов, setw() не изменяет состояние формата объекта ostream.
Чтобы выровнять значение по левой границе, мы применяем манипулятор left (соответственно манипулятор right восстанавливает выравнивание по правой границе). Если мы хотим получить такой результат:
16
- 3
то пользуемся манипулятором internal, который выравнивает знак по левой границе, а значение – по правой, заполняя пустое пространство пробелами. Если же нужен другой символ, то можно применить манипулятор setfill(). Так
cout << setw(6) << setfill('%') << 100 << endl;
печатает:
%%%100
В табл. 20.1 приведен полный перечень предопределенных манипуляторов.
Таблица 20.1. Манипуляторы
|
Манипулятор |
Назначение |
|
boolalpha |
Представлять true и false в виде строк |
|
*noboolalpha |
Представлять true и false как 1 и 0 |
|
Showbase |
Печатать префикс, обозначающий систему счисления |
|
*noshowbase |
Не печатать префикс системы счисления |
|
showpoint |
Всегда печатать десятичную точку |
|
*noshowpoint |
Печатать десятичную точку только в том случае, если дробная часть ненулевая |
|
showpos |
Печатать + для неотрицательных чисел |
|
*noshowpos |
Не печатать + для неотрицательных чисел |
|
*skipws |
Пропускать пробельные символы в операторах ввода |
|
noskipws |
Не пропускать пробельные символы в операторах ввода |
|
uppercase |
Печатать 0X при выводе в шестнадцатеричной системе счисления; E – при выводе в научной нотации |
|
*nouppercase |
Печатать 0x при выводе в шестнадцатеричной системе счисления; e – при выводе в научной нотации |
|
*dec |
Печатать в десятичной системе |
|
hex |
Печатать в шестнадцатеричной системе |
|
oct |
Печатать в восьмеричной системе |
|
left |
Добавлять символ заполнения справа от значения |
|
right |
Добавлять символ заполнения слева от значения |
|
internal |
Добавлять символ заполнения между знаком и значением |
|
*fixed |
Отображать число с плавающей точкой в десятичной нотации |
|
scientific |
Отображать число с плавающей точкой в научной нотации |
|
flush |
Сбросить буфер ostream |
|
ends |
Вставить нулевой символ, затем сбросить буфер ostream |
|
endl |
Вставить символ новой строки, затем сбросить буфер ostream |
|
ws |
Пропускать пробельные символы |
Для этих манипуляторов требуется #include <ionamip>:
|
Манипулятор |
Назначение |
|
setfill( ch) |
Заполнять пустое место символом ch |
|
Setprecision( n ) |
Установить точность вывода числа с плавающей точкой равной n |
|
setw( w ) |
Установить ширину поля ввода или вывода равной w |
|
setbase( b ) |
Выводить целые числа по основанию b |
|
* обозначает состояние потока по умолчанию |
Состояния потока
Пользователей библиотеки iostream, разумеется, интересует, находится ли поток в ошибочном состоянии. Например, если мы пишем
int ival;
cin >> ival;
и вводим слово "Borges", то cin переводится в состояние ошибки после неудачной попытки присвоить строковый литерал целому числу. Если бы мы ввели число 1024, то чтение прошло бы успешно и поток остался бы в нормальном состоянии.
Чтобы выяснить, в каком состоянии находится поток, достаточно проверить его значение на истину:
if ( !cin )
// операция чтения не прошла или встретился конец файла
Для чтения заранее неизвестного количества элементов мы обычно пишем цикл while:
while ( cin >> word )
// операция чтения завершилась успешно ...
Условие в цикле while будет равно false, если достигнут конец файла или произошла ошибка при чтении. В большинстве случаев такой проверки потокового объекта достаточно. Однако при реализации оператора ввода для класса WordCount из раздела 20.5 нам понадобился более точный анализ состояния.
У любого потока есть набор флагов, с помощью которых можно следить за состоянием потока. Имеются четыре предикатные функции-члена:
eof() возвращает true, если достигнут конец файла:
if ( inOut.eof() )
// отлично: все прочитано ...
bad() возвращает true при попытке выполнения некорректной операции, например при установке позиции за концом файла. Обычно это свидетельствует о том, что поток находится в состоянии ошибки;
fail() возвращает true, если операция завершилась неудачно, например не удалось открыть файл или передан некорректный формат ввода:
ifstream iFile( filename, ios_base::in );
if ( iFile.fail() ) // не удалось открыть
error_message( ... );
good() возвращает true, если все вышеперечисленные условия ложны:
if ( inOut.good() )
Существует два способа явно изменить состояние потока iostream. С помощью функции-члена clear() ему явно присваивается указанное значение. Функция setstate() не сбрасывает состояние, а устанавливает один из флагов, не меняя значения остальных. Например, в коде оператора ввода для класса WordCount при обнаружении неверного формата мы используем setstate() для установки флага fail в состоянии объекта istream:
if ((ch = is.get()) != '<' )
{
is.setstate( ios_base::failbit );
return is;
}
Имеются следующие значения флагов состояния:
ios_base::badbit
ios_base::eofbit
ios_base::failbit
ios_base::goodbit
Для установки сразу нескольких флагов используется побитовый оператор ИЛИ:
is.setstate( ios_base::badbit | ios_base::failbit );
При тестировании оператора ввода в классе WordCount (см. раздел 20.5) мы писали:
if ( !cin ) {
cerr << "Ошибка ввода WordCount" << endl;
return -1;
}
Возможно, вместо этого мы предпочли бы продолжить выполнение программы, предупредив пользователя об ошибке и попросив повторить ввод. Но перед чтением нового значения из потока cin необходимо перевести его в нормальное состояние. Это можно сделать с помощью функции-члена clear():
cin.clear(); // сброс ошибок
В более общем случае clear() используется для сброса текущего состояния и установки одного или нескольких флагов нового. Например:
cin.clear( ios_base::goodbit );
восстанавливает нормальное состояние потока. (Оба вызова эквивалентны, поскольку goodbit является для clear() аргументом по умолчанию.)
Функция-член rdstate() позволяет получить текущее состояние объекта:
ios_base::iostate old_state = cin.rdstate();
cin.clear();
process_input();
// перевести поток cin в прежнее состояние
cin.clear( old_state );
Упражнение 20.15
Измените один (или оба) оператор ввода для класса Date из упражнения 20.7 и/или класса CheckoutRecord из упражнения 20.8 (см. раздел 20.4) так, чтобы они устанавливали состояние объекта istream. Модифицируйте программы, которыми вы пользовались для тестирования этих операторов, для проверки явно установленного состояния, вывода его на печать и сброса в нормальное. Протестируйте программы, подав на вход правильные и неправильные данные.
Специализации шаблонов классов *
Прежде чем приступать к рассмотрению специализаций шаблонов классов и причин, по которым в них может возникнуть надобность, добавим в шаблон Queue функции-члены min() и max(). Они будут обходить все элементы очереди и искать среди них соответственно минимальное и максимальное значения (правильнее, конечно, использовать для этой цели обобщенные алгоритмы min() и max(), представленные в главе 12, но мы определим эти функции как члены шаблона Queue, чтобы познакомиться со специализациями.)
template <class Type>
class Queue {
// ...
public:
Type min();
Type max();
// ...
};
// найти минимальное значение в очереди Queue
template <class Type>
Type Queue<Type>::min()
{
assert( ! is_empty() );
Type min_val = front->item;
for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next )
if ( pq->item < min_val )
min_val = pq->item;
return min_val;
}
// найти максимальное значение в очереди Queue
template <class Type>
Type Queue<Type>::max()
{
assert( ! is_empty() );
Type max_val = front->item;
for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next )
if ( pq->item > max_val )
max_val = pq->item;
return max_val;
}
Следующая инструкция в функции-члене min() сравнивает два элемента очереди Queue:
pq->item < min_val
Здесь неявно присутствует требование к типам, которыми может конкретизироваться шаблон класса Queue: такой тип должен либо иметь возможность пользоваться предопределенным оператором “меньше” для встроенных типов, либо быть классом, в котором определен оператор operator<(). Если же этого оператора нет, то попытка применить min() к очереди приведет к ошибке компиляции в том месте, где вызывается несуществующий оператор сравнения. (Аналогичная проблема существует и в max(), только касается оператора operator>()).
Предположим, что шаблон класса Queue нужно конкретизировать таким типом:
class LongSouble {
public:
LongDouble( double dbval ) : value( dval ) { }
bool compareLess( const LongDouble & );
private:
double value;
};
Но в этом классе нет оператора operator<(), позволяющего сравнивать два значения типа LongDouble, поэтому использовать для очереди типа Queue<LongDouble> функции-члены min() и max() нельзя. Одним из решений этой проблемы может стать определение глобальных operator<() и operator>(), в которых для сравнения значений типа Queue<LongDouble> используется функция-член compareLess. Эти глобальные операторы вызывались бы из min() и max() автоматически при сравнении объектов из очереди.
Однако мы рассмотрим другое решение, связанное со специализацией шаблонов класса: вместо общих определений функций-членов min() и max() при конкретизации шаблона Queue типом LongDouble мы определим специальные экземпляры Queue<LongDouble>::min() и Queue<LongDouble>::max(), основанные на функции-члене compareLess() класса LongDouble.
Это можно сделать, если воспользоваться явным определением специализации, где после ключевого слова template идет пара угловых скобок <>, а за ней– определение специализации члена класса. В приведенном примере для функций-членов min() и max() класса Queue<LongDouble>, конкретизированного из шаблона, определены явные специализации:
// определения явных специализаций
template<> LongDouble Queue<LongDouble>::min()
{
assert( ! is_empty() );
LongDouble min_val = front->item;
for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next )
if ( pq->item.compareLess( min_val ) )
min_val = pq->item;
return min_val;
}
template<> LongDouble Queue<LongDouble>::max()
{
assert( ! is_empty() );
LongDouble max_val = front->item;
for ( QueueItem *pq = front->next; pq != 0; pq = pq->next )
if ( max_val.compareLess( pq->item ) )
max_val = pq->item;
return max_val;
}
Хотя тип класса Queue<LongDouble> конкретизируется по шаблону, в каждом объекте этого типа используются специализированные функции-члены min() и max() – не те, что конкретизируются по обобщенным определениям этих функций в шаблоне класса Queue.
Поскольку определения явных специализаций min() и max() – это определения невстроенных функций, помещать их в заголовочный файл нельзя: они обязаны находится в файле с текстом программы. Однако явную специализацию функции можно объявить, не определяя. Например:
// объявления явных специализаций функций-членов
template <> LongDouble Queue<LongDouble>::min();
template <> LongDouble Queue<LongDouble>::max();
Поместив эти объявления в заголовочный файл, а соответствующие определения – в исходный, мы можем организовать код так же, как и для определений функций-членов обычного класса.
Иногда определение всего шаблона оказывается непригодным для конкретизации некоторым типом. В таком случае программист может специализировать шаблон класса целиком. Напишем полное определение класса Queue<LongDouble>:
// QueueLD.h: определяет специализацию класса Queue<LongDouble>
#include "Queue.h"
template<> Queue<LongDouble> {
Queue<LongDouble>();
~Queue<LongDouble>();
LongDouble& remove();
void add( const LongDouble & );
bool is_empty() const;
LongDouble min();
LongDouble max();
private:
// Некоторая реализация
};
Явную специализацию шаблона класса можно определять только после того, как общий шаблон уже был объявлен (хотя и не обязательно определен). Иными словами, должно быть известно, что специализируемое имя обозначает шаблон класса. Если в приведенном примере не включить заголовочный файл Queue.h перед определением явной специализации шаблона, компилятор выдаст сообщение об ошибке, указывая, что Queue – это не имя шаблона.
Если мы определяем специализацию всего шаблона класса, то должны определить также все без исключения функции-члены и статические данные-члены. Определения членов из общего шаблона никогда не используются для создания определений членов явной специализации: множества членов этих шаблонов могут различаться. Чтобы предоставить определение явной специализации для типа класса Queue<LongDouble>, придется определить не только функции-члены min() и max(), но и все остальные.
Если класс специализируется целиком, лексемы template<> помещаются только перед определением явной специализации всего шаблона:
#include "QueueLD.h"
// определяет функцию-член min()
// из специализированного шаблона класса
LongDouble Queue<LongDouble>::min() { }
Класс не может в одних файлах конкретизироваться из общего определения шаблона, а в других – из специализированного, если задано одно и то же множество аргументов. Например, специализацию шаблона QueueItem<LongDouble> необходимо объявлять в каждом файле, где она используется:
// ---- File1.C ----
#include "Queue.h"
void ReadIn( Queue<LongDouble> *pq ) {
// использование pq->add()
// приводит к конкретизации QueueItem<LongDouble>
}
// ---- File2.C ----
#include "QueueLD.h"
void ReadIn( Queue<LongDouble> * );
int main() {
// используется определение специализации для Queue<LongDouble>
Queue<LongDouble> *qld = new Queue<LongDouble>;
ReadIn( qld );
// ...
}
Эта программа некорректна, хотя большинство компиляторов ошибку не обнаружат: заголовочный файл QueueLD.h следует включать во все файлы, где используется Queue<LongDouble>, причем до первого использования.
Специальная семантика инициализации
Наследование, в котором присутствует один или несколько виртуальных базовых классов, требует специальной семантики инициализации. Взгляните еще раз на реализации Bear и Raccoon в предыдущем разделе. Видите ли вы, какая проблема связана с порождением класса Panda?
class Panda : public Bear,
public Raccoon, public Endangered {
public:
Panda( string name, bool onExhibit=true );
virtual ostream& print( ostream& ) const;
bool sleeping() const { return _sleeping; }
void sleeping( bool newval ) { _sleeping = newval; }
// ...
protected:
bool _sleeping;
// ...
};
Проблема в том, что конструкторы базовых классов Bear и Raccoon вызывают конструктор ZooAnimal с неявным набором аргументов. Хуже того, в нашем примере значения по умолчанию для аргумента fam_name (название семейства) не только отличаются, они еще и неверны для Panda.
В случае невиртуального наследования производный класс способен явно инициализировать только свои непосредственные базовые классы (см. раздел 17.4). Так, классу Panda, наследующему от ZooAnimal, не разрешается напрямую вызвать конструктор ZooAnimal в своем списке инициализации членов. Однако при виртуальном наследовании только Panda может напрямую вызывать конструктор своего виртуального базового класса ZooAnimal.
Ответственность за инициализацию виртуального базового возлагается на ближайший производный класс. Например, когда объявляется объект класса Bear:
Bear winnie( "pooh" );
то Bear является ближайшим производным классом для объекта winnie, поэтому выполняется вызов конструктора ZooAnimal, определенный в классе Bear. Когда мы пишем:
cout << winnie.family_name();
будет выведена строка:
The family name for pooh is Bear
(Название семейства для pooh – это Bear)
Аналогично для объявления
Raccoon meeko( "meeko" );
Raccoon – это ближайший производный класс для объекта meeko, поэтому выполняется вызов конструктора ZooAnimal, определенный в классе Raccoon. Когда мы пишем:
cout << meeko.family_name();
печатается строка:
The family name for meeko is Raccoon
(Название семейства для meeko - это Raccoon)
Если же объявить объект типа Panda:
Panda yolo( "yolo" );
то ближайшим производным классом для объекта yolo будет Panda, поэтому он и отвечает за инициализацию ZooAnimal.
Когда инициализируется объект Panda, то явные вызовы конструктора ZooAnimal в конструкторах классов Raccoon и Bear не выполняются, а вызывается он с теми аргументами, которые указаны в списке инициализации членов объекта Panda. Вот так выглядит реализация:
Panda::Panda( string name, bool onExhibit=true )
: ZooAnimal( name, onExhibit, "Panda" ),
Bear( name, onExhibit ),
Raccoon( name, onExhibit ),
Endangered( Endangered::environment,
Endangered::critical ),
sleeping( false )
{}
Если в конструкторе Panda аргументы для конструктора ZooAnimal не указаны явно, то вызывается конструктор ZooAnimal по умолчанию либо, если такового нет, выдается ошибка при компиляции определения конструктора Panda.
Когда мы пишем:
cout << yolo.family_name();
печатается строка:
The family name for yolo is Panda
(Название семейства для yolo - это Panda)
Внутри определения Panda классы Raccoon и Bear являются промежуточными, а не ближайшими производными. В промежуточном производном классе все прямые вызовы конструкторов виртуальных базовых классов автоматически подавляются. Если бы от Panda был в дальнейшем произведен еще один класс, то сам класс Panda стал бы промежуточным и вызов из него конструктора ZooAnimal также был бы подавлен.
Обратите внимание, что оба аргумента, передаваемые конструкторам Bear и Raccoon, излишни в том случае, когда они выступают в роли промежуточных производных классов. Чтобы избежать передачи ненужных аргументов, мы можем предоставить явный конструктор, вызываемый, когда класс оказывается промежуточным производным. Изменим наш конструктор Bear:
class Bear : public virtual ZooAnimal {
public:
// если выступает в роли ближайшего производного класса
Bear( string name, bool onExhibit=true )
: ZooAnimal( name, onExhibit, "Bear" ),
_dance( two_left_feet )
{}
// ... остальное без изменения
protected:
// если выступает в роли промежуточного производного класса
Bear() : _dance( two_left_feet ) {}
// ... остальное без изменения
};
Мы сделали этот конструктор защищенным, поскольку он вызывается только из производных классов. Если аналогичный конструктор по умолчанию обеспечен и для класса Raccoon, можно следующим образом модифицировать конструктор Panda:
Panda::Panda( string name, bool onExhibit=true )
: ZooAnimal( name, onExhibit, "Panda" ),
Endangered( Endangered::environment,
Endangered::critical ),
sleeping( false )
{}
Специальные функции-члены
Существует специальная категория функций-членов, отвечающих за такие действия с объектами, как инициализация, присваивание, управление памятью, преобразование типов и уничтожение. Такие функции называются конструкторами. Они вызываются компилятором неявно каждый раз, когда объект класса определяется или создается оператором new. В объявлении конструктора его имя совпадает с именем класса. Вот, например, объявление конструктора класса Screen, в котором заданы значения по умолчанию для параметров hi, wid и bkground:
class Screen {
public:
Screen( int hi = 8, int wid = 40, char bkground = '#');
// объявления других функций-членов не изменяются
};
Определение конструктора класса Screen выглядит так:
Screen::Screen( int hi, int wid, char bk ) :
_height( hi ), // инициализировать _height значением hi
_width( wid ), // инициализировать _width значением wid
_cursor ( 0 ), // инициализировать _cursor нулем
_screen( hi * wid, bk ) // размер экрана равен hi * wid
// все позиции инициализируются
// символом '#'
{ // вся работа проделана в списке инициализации членов
// этот список обсуждается в разделе 14.5
}
Каждый объявленный объект класса Screen автоматически инициализируется конструктором:
Screen s1; // Screen(8,40,'#')
Screen *ps = new Screen( 20 ); // Screen(20,40,'#')
int main() {
Screen s(24,80,'*'); // Screen(24,80,'*')
// ...
}
(В главе 14 конструкторы, деструкторы и операторы присваивания рассматриваются более подробно. В главе 15 обсуждаются конвертеры и функции управления памятью.)
Спецификации исключений
По объявлениям функций-членов pop() и push() класса iStack невозможно определить, что они возбуждают исключения. Можно, конечно, включить в объявление подходящий комментарий. Тогда описание интерфейса класса в заголовочном файле будет содержать документацию возбуждаемых исключений:
class iStack {
public:
// ...
void pop( int &value ); // возбуждает popOnEmpty
void push( int value ); // возбуждает pushOnFull
private:
// ...
};
Но такое решение несовершенно. Неизвестно, будет ли обновлена документация при выпуске следующих версий iStack. Кроме того, комментарий не дает компилятору достоверной информации о том, что никаких других исключений функция не возбуждает. Спецификация исключений позволяет перечислить в объявлении функции все исключения, которые она может возбуждать. При этом гарантируется, что другие исключения функция возбуждать не будет.
Такая спецификация следует за списком формальных параметров функции. Она состоит из ключевого слова throw, за которым идет список типов исключений, заключенный в скобки. Например, объявления функций-членов класса iStack можно модифицировать, добавив спецификации исключений:
class iStack {
public:
// ...
void pop( int &value ) throw(popOnEmpty);
void push( int value ) throw(pushOnFull);
private:
// ...
};
Гарантируется, что при обращении к pop() не будет возбуждено никаких исключений, кроме popOnEmpty, а при обращении к push()–только pushOnFull.
Объявление исключения – это часть интерфейса функции, оно должно быть задано при ее объявлении в заголовочном файле. Спецификация исключений – это своего рода “контракт” между функцией и остальной частью программы, гарантия того, что функция не будет возбуждать никаких исключений, кроме перечисленных.
Если в объявлении функции присутствует спецификация исключений, то при повторном объявлении этой же функции должны быть перечислены точно те же типы. Спецификации исключений в разных объявлениях одной и той же функции не суммируются:
// два объявления одной и той же функции
extern int foo( int = 0 ) throw(string);
// ошибка: опущена спецификация исключений
extern int foo( int parm ) { }
Что произойдет, если функция возбудит исключение, не перечисленное в ее спецификации? Исключения возбуждаются только при обнаружении определенных аномалий в поведении программы, и во время компиляции неизвестно, встретится ли то или иное исключение во время выполнения. Поэтому нарушения спецификации исключений функции могут быть обнаружены только во время выполнения. Если функция возбуждает исключение, не указанное в спецификации, то вызывается unexpected() из стандартной библиотеки C++, а та по умолчанию вызывает terminate(). (В некоторых случаях необходимо переопределить действия, выполняемые функцией unexpected(). Стандартная библиотека предоставляет механизм для этого. Подробнее см. [STRAUSTRUP97].)
Необходимо уточнить, что unexpected() не вызывается только потому, что функция возбудила исключение, не указанное в ее спецификации. Все нормально, если она обработает это исключение самостоятельно, внутри функции. Например:
void recoup( int op1, int op2 ) throw(ExceptionType)
{
try {
// ...
throw string("we're in control");
}
// обрабатывается возбужденное исключение
catch ( string ) {
// сделать все необходимое
}
} // все хорошо, unexpected() не вызывается
Функция recoup() возбуждает исключение типа string, несмотря на его отсутствие в спецификации. Поскольку это исключение обработано в теле функции, unexpected() не вызывается.
Нарушения спецификации исключений функции обнаруживаются только во время выполнения. Компилятор не сообщает об ошибке, если в выражении throw возбуждается исключение неуказанного типа. Если такое выражение никогда не выполнится или не возбудит исключения, нарушающего спецификацию, то программа будет работать, как и ожидалось, и нарушение никак не проявится:
extern void doit( int, int ) throw(string, exceptionType);
void action ( int op1, int op2 ) throw(string) {
doit( op1, op2 ); // ошибки компиляции не будет
// ...
}
doit() может возбудить исключение типа exceptionType, которое не разрешено спецификацией action(). Однако функция компилируется успешно. Компилятор при этом генерирует код, гарантирующий, что при возбуждении исключения, нарушающего спецификацию, будет вызвана библиотечная функция unexpected().
Пустая спецификация показывает, что функция не возбуждает никаких исключений:
extern void no_problem () throw();
Если же в объявлении функции спецификация исключений отсутствует, то может быть возбуждено исключение любого типа.
Между типом возбужденного исключения и типом исключения, указанного в спецификации, не разрешается проводить никаких преобразований:
int convert( int parm ) throw(string)
{
//...
if ( somethingRather )
// ошибка программы:
// convert() не допускает исключения типа const char*
throw "help!";
}
Выражение throw в функции convert() возбуждает исключение типа строки символов в стиле языка C. Созданный объект-исключение имеет тип const char*. Обычно выражение типа const char* можно привести к типу string. Однако спецификация не допускает преобразования типов, поэтому если convert() возбуждает такое исключение, то вызывается unexpected(). Для исправления ошибки выражение throw можно модифицировать так, чтобы оно явно преобразовывало значение выражения в тип string:
throw string( "help!" );
Спецификации исключений
С помощью спецификации исключений (см. раздел 11.4) в объявлении функции указывается множество исключений, которые она может возбуждать прямо или косвенно. Спецификация позволяет гарантировать, что функция не возбудит не перечисленные в ней исключения.
Такую спецификацию разрешается задавать для функций-членов класса так же, как и для обычных функций; она должна следовать за списком параметров функции-члена. Например, в определении класса bad_alloc из стандартной библиотеки C++ функции-члены имеют пустую спецификацию исключений throw(), т.е. гарантированно не возбуждают никаких исключений:
class bad_alloc : public exception {
// ...
public:
bad_alloc() throw();
bad_alloc( const bad_alloc & ) throw();
bad_alloc & operator=( const bad_alloc & ) throw();
virtual ~bad_alloc() throw();
virtual const char* what() const throw();
};
Отметим, что если функция-член объявлена с модификатором const или volatile, как, скажем, what() в примере выше, то спецификация исключений должна идти после него.
Во всех объявлениях одной и той же функции спецификации исключений обязаны содержать одинаковые типы. Если речь идет о функции-члене, определение которой находится вне определения класса, то спецификации исключений в этом определении и в объявлении функции должны совпадать:
#include <stdexcept>
// <stdexcept> определяет класс overflow_error
class transport {
// ...
public:
double cost( double, double ) throw ( overflow_error );
// ...
};
// ошибка: спецификация исключений отличается от той, что задана
// в объявлении в списке членов класса
double transport::cost( double rate, double distance ) { }
Виртуальная функция в базовом классе может иметь спецификацию исключений, отличающуюся от той, что задана для замещающей функции-члена в производном. Однако в производном классе эта спецификация для виртуальной функции должна накладывать не меньше ограничений, чем в базовом:
class Base {
public:
virtual double f1( double ) throw();
virtual int f2( int ) throw( int );
virtual string f3() throw( int, string );
// ...
}
class Derived : public Base {
public:
// ошибка: спецификация исключений накладывает меньше ограничений,
// чем на Base::f1()
double f1( double ) throw( string );
// правильно: та же спецификация исключений, что и для Base::f2()
int f2( int ) throw( int );
// правильно: спецификация исключений f3() накладывает больше ограничений
string f3( ) throw( int );
// ...
};
Почему спецификация исключений в производном классе должна накладывать не меньше ограничений, чем в базовом? В этом случае мы можем быть уверены, что вызов виртуальной функции из производного класса по указателю на тип базового не нарушит спецификацию исключений функции-члена базового класса:
// гарантируется, что исключения возбуждены не будут
void compute( Base *pb ) throw()
{
try {
pb->f3( ); // может возбудить исключение типа int или string
}
// обработка исключений, возбужденных в Base::f3()
catch ( const string & ) { }
catch ( int ) { }
}
Объявление f3() в классе Base гарантирует, что эта функция возбуждает лишь исключения типа int или string. Следовательно, функция compute() включает catch-обработчики только для них. Поскольку спецификация исключений f3() в производном классе Derived накладывает больше ограничений, чем в базовом Base, то при программировании в согласии с интерфейсом класса Base наши ожидания не будут обмануты.
В главе 11 мы говорили о том, что между типом возбужденного исключения и типом, заданным в спецификации исключений, не допускаются никакие преобразования. Однако если там указан тип класса, то функция может возбуждать исключения в виде объекта класса, открыто наследующего заданному. Аналогично, если имеется указатель на класс, то функции разрешено возбуждать исключения в виде указателя на объект класса, открыто наследующего заданному. Например:
class stackExcp : public Excp { };
class popObEmpty : public stackExcp { };
class pushOnFull : public stackExcp { };
void stackManip() throw( stackExcp )
{
// ...
}
Спецификация исключений указывает, что stackManip() может возбуждать исключения не только типа stackExcp, но также popOnEmpty и pushOnFull. Напомним, что класс, открыто наследующий базовому, представляет собой пример отношения ЯВЛЯЕТСЯ, т.е. является
частным случае более общего базового класса. Поскольку popOnEmpty и pushOnFull – частные случаи stackExcp, они не нарушают спецификации исключений функции stackManip().
Спецификации исключений и указатели на функции
Спецификацию исключений можно задавать и при объявлении указателя на функцию. Например:
void (*pf)( int ) throw(string);
В этом объявлении говорится, что pf указывает на функцию, которая способна возбуждать только исключения типа string. Как и для объявлений функций, спецификации исключений в разных объявлениях одного и того же указателя не суммируются, они должны быть одинаковыми:
extern void (*pf) ( int ) throw(string);
// ошибка: отсутствует спецификация исключения
void (*pf)( int );
При работе с указателем на функцию со спецификацией исключений есть ограничения на тип указателя, используемого в качестве инициализатора или стоящего в правой части присваивания. Спецификации исключений обоих указателей не обязаны быть идентичными. Однако на указатель-инициализатор она должна накладывать столь же или более строгие ограничения, чем на инициализируемый указатель (или тот, которому присваивается значение). Например:
void recoup( int, int ) throw(exceptionType);
void no_problem() throw();
void doit( int, int ) throw(string, exceptionType);
// правильно: ограничения, накладываемые на спецификации
// исключений recoup() и pf1, одинаковы
void (*pf1)( int, int ) throw(exceptionType) = &recoup;
// правильно: ограничения, накладываемые на спецификацию исключений no_problem(), более строгие,
// чем для pf2
void (*pf2)( ) throw(string) = &no_problem;
// ошибка: ограничения, накладываемые на спецификацию
// исключений doit(), менее строгие, чем для pf3
//
void (*pf3)( int, int ) throw(string) = &doit;
Третья инициализация не имеет смысла. Объявление указателя гарантирует, что pf3 адресует функцию, которая может возбуждать только исключения типа string. Но doit() возбуждает также исключения типа exceptionType. Поскольку она не подходит под ограничения, накладываемые спецификацией исключений pf3, то не может служить корректным инициализатором для pf3, так что компилятор выдает ошибку.
Упражнение 11.9
В коде, разработанном для упражнения 11.8, измените объявление оператора operator[]() в классе IntArray, добавив спецификацию возбуждаемых им исключений. Модифицируйте программу так, чтобы operator[]() возбуждал исключение, не указанное в спецификации. Что при этом происходит?
Упражнение 11.10
Какие исключения может возбуждать функция, если ее спецификация исключений имеет вид throw()? А если у нее нет такой спецификации?
Упражнение 11.11
Какое из следующих присваиваний ошибочно? Почему?
void example() throw(string);
(a) void (*pf1)() = example;
(b) void (*pf2) throw() = example;
Спецификатор const
Возьмем следующий пример кода:
for ( int index = 0; index < 512; ++index )
... ;
С использованием литерала 512 связаны две проблемы. Первая состоит в легкости восприятия текста программы. Почему верхняя граница переменной цикла должна быть равна именно 512? Что скрывается за этой величиной? Она кажется случайной...
Вторая проблема касается простоты модификации и сопровождения кода. Предположим, программа состоит из 10 000 строк, и литерал 512 встречается в 4% из них. Допустим, в 80% случаев число 512 должно быть изменено на 1024. Способны ли вы представить трудоемкость такой работы и количество ошибок, которые можно сделать, исправив не то значение?
Обе эти проблемы решаются одновременно: нужно создать объект со значением 512. Присвоив ему осмысленное имя, например bufSize, мы сделаем программу гораздо более понятной: ясно, с чем именно сравнивается переменная цикла.
index < bufSize
В этом случае изменение размера bufSize не требует просмотра 400 строк кода для модификации 320 из них. Насколько уменьшается вероятность ошибок ценой добавления всего одного объекта! Теперь значение 512 локализовано.
int bufSize = 512; // размер буфера ввода
// ...
for ( int index = 0; index < bufSize; ++index )
// ...
Остается одна маленькая проблема: переменная bufSize здесь является l-значением, которое можно случайно изменить в программе, что приведет к трудно отлавливаемой ошибке. Вот одна из распространенных ошибок – использование операции присваивания (=) вместо сравнения (==):
// случайное изменение значения bufSize
if ( bufSize = 1 )
// ...
В результате выполнения этого кода значение bufSize станет равным 1, что может привести к совершенно непредсказуемому поведению программы. Ошибки такого рода обычно очень тяжело обнаружить, поскольку они попросту не видны.
Использование спецификатора const решает данную проблему. Объявив объект как
const int bufSize = 512; // размер буфера ввода
мы превращаем переменную в константу со значением 512, значение которой не может быть изменено: такие попытки пресекаются компилятором: неверное использование оператора присваивания вместо сравнения, как в приведенном примере, вызовет ошибку компиляции.
// ошибка: попытка присваивания значения константе
if ( bufSize = 0 ) ...
Раз константе нельзя присвоить значение, она должна быть инициализирована в месте своего определения. Определение константы без ее инициализации также вызывает ошибку компиляции:
const double pi; // ошибка: неинициализированная константа
Давайте рассуждать дальше. Явная трансформация значения константы пресекается компилятором. Но как быть с косвенной адресацией? Можно ли присвоить адрес константы некоторому указателю?
const double minWage = 9.60;
// правильно? ошибка?
double *ptr = &minWage;
Должен ли компилятор разрешить подобное присваивание? Поскольку minWage – константа, ей нельзя присвоить значение. С другой стороны, ничто не запрещает нам написать:
*ptr += 1.40; // изменение объекта minWage!
Как правило, компилятор не в состоянии уберечь от использования указателей и не сможет сигнализировать об ошибке в случае подобного их употребления. Для этого требуется слишком глубокий анализ логики программы. Поэтому компилятор просто запрещает присваивание адресов констант обычным указателям.
Что же, мы лишены возможности использовать указатели на константы? Нет. Для этого существуют указатели, объявленные со спецификатором const:
const double *cptr;
где cptr – указатель на объект типа const double. Тонкость заключается в том, что сам указатель – не константа, а значит, мы можем изменять его значение. Например:
const double *pc = 0;
const double minWage = 9.60;
// правильно: не можем изменять minWage с помощью pc
pc = &minWage;
double dval = 3.14;
// правильно: не можем изменять minWage с помощью pc
// хотя dval и не константа
pc = &dval; // правильно
dval = 3.14159; //правильно
*pc = 3.14159; // ошибка
Адрес константного объекта присваивается только указателю на константу. Вместе с тем, такому указателю может быть присвоен и адрес обычной переменной:
pc = &dval;
Константный указатель не позволяет изменять адресуемый им объект с помощью косвенной адресации. Хотя dval в примере выше и не является константой, компилятор не допустит изменения переменной dval через pc. (Опять-таки потому, что он не в состоянии определить, адрес какого объекта может содержать указатель в произвольный момент выполнения программы.)
В реальных программах указатели на константы чаще всего употребляются как формальные параметры функций. Их использование дает гарантию, что объект, переданный в функцию в качестве фактического аргумента, не будет изменен этой функцией. Например:
// В реальных программах указатели на константы чаще всего
// употребляются как формальные параметры функций
int strcmp( const char *str1, const char *str2 );
(Мы еще поговорим об указателях на константы в главе 7, когда речь пойдет о функциях.)
Существуют и константные указатели. (Обратите внимание на разницу между константным указателем и указателем на константу!). Константный указатель может адресовать как константу, так и переменную. Например:
int errNumb = 0;
int *const currErr = &errNumb;
Здесь curErr – константный указатель на неконстантный объект. Это значит, что мы не можем присвоить ему адрес другого объекта, хотя сам объект допускает модификацию. Вот как мог бы быть использован указатель curErr:
do_something();
if ( *curErr ) {
errorHandler();
*curErr = 0; // правильно: обнулим значение errNumb
}
Попытка присвоить значение константному указателю вызовет ошибку компиляции:
curErr = &myErNumb; // ошибка
Константный указатель на константу является объединением двух рассмотренных случаев.
const double pi = 3.14159;
const double *const pi_ptr = π
Ни значение объекта, на который указывает pi_ptr, ни значение самого указателя не может быть изменено в программе.
Упражнение 3.16
Объясните значение следующих пяти определений. Есть ли среди них ошибочные?
(a) int i; (d) int *const cpi;
(b) const int ic; (e) const int *const cpic;
(c) const int *pic;
Упражнение 3.17
Какие из приведенных определений правильны? Почему?
(a) int i = -1;
(b) const int ic = i;
(c) const int *pic = ⁣
(d) int *const cpi = ⁣
(e) const int *const cpic = ⁣
Упражнение 3.18
Используя определения из предыдущего упражнения, укажите правильные операторы присваивания. Объясните.
(a) i = ic; (d) pic = cpic;
(b) pic = ⁣ (i) cpic = ⁣
(c) cpi = pic; (f) ic = *cpic;
Спецификатор volatile
Объект объявляется как volatile (неустойчивый, асинхронно изменяемый), если его значение может быть изменено незаметно для компилятора, например переменная, обновляемая значением системных часов. Этот спецификатор сообщает компилятору, что не нужно производить оптимизацию кода для работы с данным объектом.
Спецификатор volatile используется подобно спецификатору const:
volatile int disp1ay_register;
volatile Task *curr_task;
volatile int ixa[ max_size ];
volatile Screen bitmap_buf;
display_register – неустойчивый объект типа int. curr_task – указатель на неустойчивый объект класса Task. ixa – неустойчивый массив целых, причем каждый элемент такого массива считается неустойчивым. bitmap_buf – неустойчивый объект класса Screen, каждый его член данных также считается неустойчивым.
Единственная цель использования спецификатора volatile – сообщить компилятору, что тот не может определить, кто и как может изменить значение данного объекта. Поэтому компилятор не должен выполнять оптимизацию кода, использующего данный объект.
Список инициализации членов
Модифицируем наш класс Account, объявив член _name типа string:
#include <string>
class Account {
public:
// ...
private:
unsigned int _acct_nmbr;
double _balance;
string _name;
};
Придется заодно изменить и конструкторы. Возникает две проблемы: поддержание совместимости с первоначальным интерфейсом и инициализация объекта класса с помощью подходящего набора конструкторов.
Исходный конструктор Account с двумя параметрами
Account( const char*, double = 0.0 );
не может инициализировать член типа string. Например:
string new_client( "Steve Hall" );
Account new_acct( new_client, 25000 );
не будет компилироваться, так как не существует неявного преобразования из типа string в тип char*. Инструкция
Account new_acct( new_client.c_str(), 25000 );
правильна, но вызовет у пользователей класса недоумение. Одно из решений– добавить новый конструктор вида:
Account( string, double = 0.0 );
Если написать:
Account new_acct( new_client, 25000 );
вызывается именно этот конструктор, тогда как старый код
Account *open_new_account( const char *nm )
{
Account *pact = new Account( nm );
// ...
return pacct;
}
по-прежнему будет приводить к вызову исходного конструктора с двумя параметрами.
Так как в классе string определено преобразование из типа char* в тип string (преобразования классов обсуждаются в этой главе ниже), то можно заменить исходный конструктор на новый, которому в качестве первого параметра передается тип string. В таком случае, когда встречается инструкция:
Account myAcct( "Tinkerbell" );
"Tinkerbell" преобразуется во временный объект типа string. Затем этот объект передается новому конструктору с двумя параметрами.
При проектировании приходится идти на компромисс между увеличением числа конструкторов класса Account и несколько менее эффективной обработкой аргументов типа char* из-за необходимости создавать временный объект. Мы предоставили две версии конструктора с двумя параметрами. Тогда модифицированный набор конструкторов Account будет таким:
#include <string>
class Account {
public:
Account();
Account( const char*, double=0.0 );
Account( const string&, double=0.0 );
Account( const Account& );
// ...
private:
// ...
};
Как правильно инициализировать член, являющийся объектом некоторого класса с собственным набором конструкторов? Этот вопрос можно разделить на три:
1. где вызывается конструктор по умолчанию? Внутри конструктора по умолчанию класса Account;
2. где вызывается копирующий конструктор? Внутри копирующего конструктора класса Account и внутри конструктора с двумя параметрами, принимающего в качестве первого тип string;
3. как передать аргументы конструктору класса, являющегося членом другого класса? Это необходимо делать внутри конструктора Account с двумя параметрами, принимающего в качестве первого тип char*.
Решение заключается в использовании списка инициализации членов (мы упоминали о нем в разделе 14.2). Члены, являющиеся классами, можно явно инициализировать с помощью списка, состоящего из разделенных запятыми пар “имя члена/значение”. Наш конструктор с двумя параметрами теперь выглядит так (напомним, что _name – это член, являющийся объектом класса string):
inline Account::
Account( const char* name, double opening_bal )
: _name( name ), _balance( opening_bal )
{
_acct_nmbr = het_unique_acct_nmbr();
}
Список инициализации членов следует за сигнатурой конструктора и отделяется от нее двоеточием. В нем указывается имя члена, а в скобках – начальные значения, что аналогично синтаксису вызова функции. Если член является объектом класса, то эти значения становятся аргументами, передаваемыми подходящему конструктору, который затем и используется. В нашем примере значение name передается конструктору string, который применяется к члену _name. Член _balance инициализируется значением opening_bal.
Аналогично выглядит второй конструктор с двумя параметрами:
inline Account::
Account( const string& name, double opening_bal )
: _name( name ), _balance( opening_bal )
{
_acct_nmbr = het_unique_acct_nmbr();
}
В этом случае вызывается копирующий конструктор string, инициализирующий член _name значением параметра name типа string.
Часто у новичков возникает вопрос: в чем разница между использованием списка инициализации и присваиванием значений членам в теле конструктора? Например, в чем разница между
inline Account::
Account( const char* name, double opening_bal )
: _name( name ), _balance( opening_bal )
{
_acct_nmbr = het_unique_acct_nmbr();
}
и
Account( const char* name, double opening_bal )
{
_name = name;
_balance = opening_bal;
_acct_nmbr = het_unique_acct_nmbr();
}
В конце работы обоих конструкторов все три члена будут иметь одинаковые значения. Разница в том, что только список обеспечивает инициализацию тех членов, которые являются объектами класса. В теле конструктора установка значения члена – это не инициализация, а присваивание. Важно это различие или нет, зависит от природы члена.
С концептуальной точки зрения выполнение конструктора состоит из двух фаз: фаза явной или неявной инициализации и фаза вычислений, включающая все инструкции в теле конструктора. Любая установка значений членов во второй фазе рассматривается как присваивание, а не инициализация. Непонимание этого различия приводит к ошибкам и неэффективным программам.
Первая фаза может быть явной или неявной в зависимости от того, имеется ли список инициализации членов. При неявной инициализации сначала вызываются конструкторы по умолчанию всех базовых классов в порядке их объявления, а затем конструкторы по умолчанию всех членов, являющихся объектами классов. (Базовые классы мы будем рассматривать в главе 17 при обсуждении объектно-ориентированного программирования.) Например, если написать:
inline Account::
Account()
{
_name = "";
_balance = 0.0;
_acct_nmbr = 0;
}
то фаза инициализации будет неявной. Еще до выполнения тела конструктора вызывается конструктор по умолчанию класса string, ассоциированный с членом _name. Это означает, что присваивание _name пустой строки излишне.
Для объектов классов различие между инициализацией и присваиванием существенно. Член, являющийся объектом класса, всегда следует инициализировать с помощью списка, а не присваивать ему значение в теле конструктора. Более правильной является следующая реализация конструктора по умолчанию класса Account:
inline Account::
Account() : _name( string() )
{
_balance = 0.0;
_acct_nmbr = 0;
}
Мы удалили ненужное присваивание _name из тела конструктора. Явный же вызов конструктора по умолчанию string излишен. Ниже приведена эквивалентная, но более компактная версия:
inline Account::
Account()
{
_balance = 0.0;
_acct_nmbr = 0;
}
Однако мы еще не ответили на вопрос об инициализации двух членов встроенных типов. Например, так ли существенно, где происходит инициализация _balance: в списке инициализации или в теле конструктора? Инициализация и присваивание членам, не являющимся объектами классов, эквивалентны как с точки зрения результата, так и с точки зрения производительности (за двумя исключениями). Мы предпочитаем использовать список:
// предпочтительный стиль инициализации
inline Account::
Account() : _balance( 0.0 ), _acct_nmbr( 0 )
{}
Два вышеупомянутых исключения – это константные члены и члены-ссылки независимо от типа. Для них всегда нужно использовать список инициализации, в противном случае компилятор выдаст ошибку:
class ConstRef {
public:
ConstRef(int ii );
private:
int i;
const int ci;
int &ri;
};
ConstRef::
ConstRef( int ii )
{ // присваивание
i = ii; // правильно
ci = ii; // ошибка: нельзя присваивать константному члену
ri = i; // ошибка: ri не инициализирована
}
К началу выполнения тела конструктора инициализация всех константных членов и членов-ссылок должна быть завершена. Для этого нужно указать их в списке инициализации. Правильная реализация предыдущего примера такова:
// правильно: инициализируются константные члены и ссылки
ConstRef::
ConstRef( int ii )
: ci( ii ), ri ( i )
{ i = ii; }
Каждый член должен встречаться в списке инициализации не более одного раза. Порядок инициализации определяется не порядком следования имен в списке, а порядком объявления членов. Если дано следующее объявление членов класса Account:
class Account {
public:
// ...
private:
unsigned int _acct_nmbr;
double _balance;
string _name;
};
то порядок инициализации для такой реализации конструктора по умолчанию
inline Account::
Account() : _name( string() ), _balance( 0.0 ), _acct_nmbr( 0 )
{}
будет следующим: _acct_nmbr, _balance, _name. Однако члены, указанные в списке (или в неявно инициализируемом члене-объекте класса), всегда инициализируются раньше, чем производится присваивание членам в теле конструктора. Например, в следующем конструкторе:
inline Account::
Account( const char* name, double bal )
: _name( name ), _balance( bal )
{
_acct_nmbr = get_unique_acct_nmbr();
}
порядок инициализации такой: _balance, _name, _acct_nmbr.
Расхождение между порядком инициализации и порядком следования членов в соответствующем списке может приводить к трудным для обнаружения ошибкам, когда один член класса используется для инициализации другого:
class X {
int i;
int j;
public:
// видите проблему?
X( int val )
: j( val ), i( j )
{}
// ...
};
кажется, что перед использованием для инициализации i член j уже инициализирован значением val, но на самом деле i инициализируется первым, для чего применяется еще неинициализированный член j. Мы рекомендуем помещать инициализацию одного члена другим (если вы считаете это необходимым) в тело конструктора:
// предпочтительная идиома
X::X( int val ) : i( val ) { j = i; }
Упражнение 14.12
Что неверно в следующих определениях конструкторов? Как бы вы исправили обнаруженные ошибки?
(a) Word::Word( char *ps, int count = 1 )
: _ps( new char[strlen(ps)+1] ),
_count( count )
{
if ( ps )
strcpy( _ps, ps );
else {
_ps = 0;
_count = 0;
}
}
(b) class CL1 {
public:
CL1() { c.real(0.0); c.imag(0.0); s = "not set"; }
// ...
private:
complex<double> c;
string s;
}
(c) class CL2 {
public:
CL2( map<string,location> *pmap, string key )
: _text( key ), _loc( (*pmap)[key] ) {}
// ...
private:
location _loc;
string _text;
};
Список литературы
Следующие работы либо оказали большое влияние на написание данной книги, либо представляют ценный материал по С++, который мы рекомендуем читателю.
[BOOCH94] Booch, Grady, Object-Oriented Analysis and Design, Benjamin/Cummings. Redwood City, CA (1994) ISBN 0-8053-5340-2.
[GAMMA95] Gamma, Erich, Richard Helm, Ralph Johnson, and John Vlissides, Design Patterns, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1995) ISBN 0-201-63361-2.
[GHEZZI97] Ghezzi, Carlo, and Mehdi Jazayeri, Programming Language Concepts, 3rd Edition, John Wiley and Sons, New York, NY (1997) ISBN 0-471-10426-4.
[HARBISON88] Samuel P. Harbison and Guy L. Steele, Jr., C: A Reference Manual, 3rd Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1988) ISBN 0-13-110933-2.
[ISO-C++97] Draft Proposed International Standard for Information Systems — Programming Language C++ – Final Draft (FDIS) 14882.
[KERNIGHAN88] Kernighan, Brian W.I. and Dennis M. Ritchie, The C Programming Language, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1988) ISBN 0-13-110362-8.
[KOENIG97] Koenig, Andrew, and Barbara Moo, Ruminations on C++, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1997) ISBN 0-201-42339-1.
[LIPPMAN91] Lippman, Stanley, C++ Primer, 2nd Edition, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1991) ISBN 0-201-54848-8.
[LIPPMAN96a] Lippman, Stanley, Inside the C++ Object Model, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1996) ISBN 0-201-83454-5.
[LIPPMAN96b] Lippman, Stanley, Editor, C++ Gems, a SIGS Books imprint, Cambridge University Press, Cambridge, England (1996) ISBN 0-13570581-9.
[MEYERS98] Movers, Scott, Effective C++, 2nd Edition, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1998) ISBN 0-201-92488-9.
[MEYERS96] Meyers, Scott, More Effective C++, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1996) ISBN 0-201-63371-X.
[MURRAY93] Murray Robert B., C++ Strategies and Tactics, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1993) ISBN 0-201-56382-7.
[MUSSER96] Musser, David R., and Atui Saint, STL Tutorial and Reference Guide, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1996) ISBN 0-201-63398-1.
[NACKMAN94] Barton, John J., and Lee R. Nackman, Scientific and Engineering C++, An Introduction with Advanced Techniques and Examples, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1994) ISBN 0-201-53393-6.
[NEIDER93] Neider, Jackie, Tom Davis, and Mason Woo, OpenGL Programming Guide, Addison Wesley Inc., Reading, MA (1993) ISBN 0-201-63274-8.
[PERSON68] Person, Russell V., Essentials of Mathematics, 2nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY (1968) ISBN 0-132-84191-6.
[PLAUGER92] Plauger, P.J., The Standard C Library, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1992) ISBN 0-13-131509-9.
[SEDGEWICK88] Sedgewick, Robert, Algorithms, 2nd Edition, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1988) ISBN 0-201-06673-4.
[SHAMPINE97] Shampine, L.E, R.C. Alien, Jr., and S. Pruess, Fundamentals of Numerical Computing, John Wiley & Sons, Inc., New York, NY (1997) ISBN 0-471-16363-5.
[STROUSTRUP94] Stroustrup, Bjarne, The Design and Evolution of C++, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1994) ISBN 0-201-54330-3.
[STROUSTRUP97] Stroustrup, Bjarne, The C++ Programming Language, 3rd Edition, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1997) ISBN 0-201-88954-4.
[UPSTILL90] Upstill, Steve, The RenderMan Companion, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1990) ISBN 0-201-50868-0.
[WERNECKE94] Wernecke, Josie, The Inventor Mentor, Addison Wesley Longman, Inc., Reading, MA (1994) ISBN 0-201-62495-8.
[YOUNG95] Young, Douglas A., Object-Oriented Programming with C++ and OSF/ Motif, 2nd Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1995) ISBN 0-132-09255-7.
Часть I
Краткий обзор языка C++
Программы, которые мы пишем, имеют два основных аспекта:
набор алгоритмов;
набор данных, которыми оперируют.
Эти два аспекта оставались неизменными за всю недолгую историю программирования, зато отношения между ними (парадигма программирования) менялись. .
В процедурной парадигме программирования задача непосредственно моделируется набором алгоритмов. Возьмем, к примеру, систему выдачи книг в библиотеке. В ней реализуются две главные процедуры: процедура выдачи книг и процедура приема книг. Данные хранятся отдельно и передаются этим процедурам как параметры. К наиболее известным процедурным языкам программирования относятся FORTRAN, C и Pascal. С++ также поддерживает процедурное программирование. Отдельные процедуры носят в этом языке название функций. В части III рассматривается поддержка, предоставляемая в С++ процедурной парадигме программирования: функции, шаблоны функций, обобщенные алгоритмы.
В 70- е годы процедурную парадигму стала вытеснять парадигма абстрактных типов данных
(теперь чаще называемая объектным подходом). В рамках этой парадигмы задача моделируется набором абстракций данных. В С++ эти абстракции получили название классов. Наша библиотечная система могла бы быть представлена как взаимоотношения объектов различных классов, представляющих книги, читателей, даты возврата и т.п. Алгоритмы, реализуемые каждым классом, называются открытым интерфейсом класса. Данные “скрыты” внутри объектов класса. Парадигму абстрактных типов данных поддерживают такие языки, как CLU, Ada и Modula-2. В части IV обсуждаются вопросы поддержки этой парадигмы языком С++.
Объектно-ориентированное программирование расширяет парадигму абстрактных типов данных механизмом наследования
(повторного использования существующих объектов) и динамического связывания
(повторного использования существующих интерфейсов). Вводятся отношения тип-подтип. Книга, видеокассета, компакт-диск – все они хранятся в библиотеке, и поэтому могут быть названы подтипами (или подклассами) одного родительского типа, представляющего то, что может храниться в библиотеке. Хотя каждый из классов способен реализовывать свой собственный алгоритм выдачи и возврата, открытый интерфейс для них одинаков. Три наиболее известных языка, поддерживающие объектно-ориентированный подход, – это Simula, Smalltalk и Java. В части V рассматриваются вопросы поддержки парадигмы объектно-ориентированного программирования в С++.
Хотя мы и считаем С++ в основном объектно-ориентированным языком, он поддерживает и процедурную, и объектную парадигму. Преимущество такого подхода в том, что для каждого конкретного случая можно выбрать наилучшее решение. Однако есть и обратная сторона медали: С++ является достаточно громоздким и сложным языком.
В части I мы “пробежимся” по всем основным аспектам С++. Одна из причин такого краткого обзора – желание дать читателю представление об основных возможностях языка, чтобы затем приводить достаточно содержательные примеры. Скажем, мы не будем рассматривать в деталях понятие класса вплоть до главы 13, однако без упоминания о нем наши примеры оказались бы неинтересными и надуманными.
Другая причина такого поверхностного, но широкого обзора – эстетическая. Если вы еще не оценили красоту и сложность сонаты Бетховена или живость регтайма Джоплина, вам будет безумно скучно разбираться в отдельных деталях вроде диезов, бемолей, октав и аккордов. Однако, не овладев ими, вы не научитесь музыке. Во многом это справедливо и для программирования. Разбираться в путанице приоритетов операций или правил приведения типов скучно, но совершенно необходимо для овладения С++.
В главе 1 представлены базовые элементы языка: встроенные типы данных, переменные, выражения, инструкции (statements) и функции. Мы увидим минимальную законченную С++ программу, обсудим вопросы компиляции, коснемся препроцессора и поддержки ввода/вывода.
В главе 2 мы реализуем абстракцию массива – процедурно, объектно, и объектно-ориентированно. Мы сравним нашу реализацию с реализацией, предоставляемой стандартной библиотекой С++, и познакомимся с набором обобщенных алгоритмов стандартной библиотеки. Мы коснемся и таких вещей, как шаблоны, исключения и пространства имен. Фактически, мы представим все особенности языка С++, хотя обсуждение деталей отложим до следующих глав.
Возможно, некоторые читатели сочтут главу 2 трудной для понимания. Материал представляется без подробного объяснения, даются ссылки на последующие разделы. Мы рекомендуем таким читателям не углубляться в эту главу, пропустить ее вовсе или прочитать по диагонали. В главе 3 материал излагается в более традиционной манере. После этого можно будет вернуться к главе 2.
Список параметров функции
Список параметров не может быть опущен. Функция, которая не требует параметров, должна иметь пустой список либо список, состоящий из одного ключевого слова void. Например, следующие объявления эквивалентны:
int fork();
int fork( void );
Такой список состоит из названий типов, разделенных запятыми. После имени типа может находиться имя параметра, хотя это и необязательно. В списке параметров не разрешается использовать сокращенную запись, соотнося одно имя типа с несколькими параметрами:
int manip( int vl, v2 ); // ошибка
int manip( int vl, int v2 ); // правильно
Имена параметров не могут повторяться. Имена, фигурирующие в определении функции, можно и даже нужно использовать в ее теле. В объявлении же функции они не обязательны и служат средством документирования ее интерфейса. Например:
void print( int *array, int size );
Имена параметров в объявлении и в определении одной и той же функции не обязаны совпадать. Однако употребление разных имен может запутать пользователя.
С++ допускает сосуществование двух или более функций, имеющих одно и то же имя, но разные списки параметров. Такие функции называются перегруженными. О списке параметров в этом случае говорят как о сигнатуре функции, поскольку именно он используется различения разных версий одноименных функций. Имя и сигнатура однозначно идентифицируют версию. (Перегруженные функции подробно обсуждаются в главе 9.)
Сравнительные объекты-функции
Сравнительные объекты-функции поддерживают операции равенства, неравенства, больше, больше или равно, меньше, меньше или равно.
Равенство: equal_to<Type>
equal_to<string> stringEqual;
sres = stringEqual( sval1, sval2 );
ires = count_if( svec.begin(), svec.end(),
equal_to<string>(), sval1 );
Неравенство: not_equal_to<Type>
not_equal_to<complex> complexNotEqual;
cres = complexNotEqual( cval1, cval2 );
ires = count_if( svec.begin(), svec.end(),
not_equal_to<string>(), sval1 );
Больше: greater<Type>
greater<int> intGreater;
ires = intGreater( ival1, ival2 );
ires = count_if( svec.begin(), svec.end(),
greater<string>(), sval1 );
Больше или равно: greater_equal<Type>
greater_equal<double> doubleGreaterEqual;
dres = doubleGreaterEqual( dval1, dval2 );
ires = count_if( svec.begin(), svec.end(),
greater_equal <string>(), sval1 );
Меньше: less<Type>
less<Int> IntLess;
Ires = IntLess( Ival1, Ival2 );
ires = count_if( svec.begin(), svec.end(),
less<string>(), sval1 );
Меньше или равно: less_equal<Type>
less_equal<int> intLessEqual;
ires = intLessEqual( ival1, ival2 );
ires = count_if( svec.begin(), svec.end(),
less_equal<string>(), sval1 );
Ссылки
Фактический аргумент или формальный параметр функции могут быть ссылками. Как это влияет на правила преобразования типов?
Рассмотрим, что происходит, когда ссылкой является фактический аргумент. Его тип никогда не бывает ссылочным. Аргумент-ссылка трактуется как l-значение, тип которого совпадает с типом соответствующего объекта:
int i;
int& ri = i;
void print( int );
int main() {
print( i ); // аргумент - это lvalue типа int
print( ri ); // то же самое
return 0;
}
Фактический аргумент в обоих вызовах имеет тип int. Использование ссылки для его передачи во втором вызове не влияет на сам тип аргумента.
Стандартные преобразования и расширения типов, рассматриваемые компилятором, одинаковы для случаев, когда фактический аргумент является ссылкой на тип T и когда он сам имеет такой тип. Например:
int i;
int& ri = i;
void calc( double );
int main() {
calc( i ); // стандартное преобразование между целым типом
// и типом с плавающей точкой
calc( ri ); // то же самое
return 0;
}
А как влияет на преобразования, применяемые к фактическому аргументу, формальный параметр-ссылка? Сопоставление дает следующие результаты:
фактический аргумент подходит в качестве инициализатора параметра-ссылки. В таком случае мы говорим, что между ними есть точное соответствие:
void swap( int &, int & );
void manip( int i1, int i2 ) {
// ...
swap( i1, i2 ); // правильно: вызывается swap( int &, int & )
// ...
return 0;
}
фактический аргумент не может инициализировать параметр-ссылку. В такой ситуации точного соответствия нет, и аргумент нельзя использовать для вызова функции. Например:
int obj;
void frd( double & );
int main() {
frd( obj ); // ошибка: параметр должен иметь иметь тип const double &
return 0;
}
Вызов функции frd() является ошибкой. Фактический аргумент имеет тип int и должен быть преобразован в тип double, чтобы соответствовать формальному параметру-ссылке. Результатом такой трансформации является временная переменная. Поскольку ссылка не имеет спецификатора const, то для ее инициализации такие переменные использовать нельзя.
Вот еще один пример, в котором между формальным параметром-ссылкой и фактическим аргументом нет соответствия:
class B;
void takeB( B& );
B giveB();
int main() {
takeB( giveB() ); // ошибка: параметр должен быть типа const B &
return 0;
}
Вызов функции takeB() – ошибка. Фактический аргумент – это возвращаемое значение, т.е. временная переменная, которая не может быть использована для инициализации ссылки без спецификатора const.
В обоих случаях мы видим, что если формальный параметр-ссылка имеет спецификатор const, то между ним и фактическим аргументом может быть установлено точное соответствие.
Следует отметить, что и преобразование l-значения в r-значение, и инициализация ссылки считаются точными соответствиями. В данном примере первый вызов функции приводит к ошибке:
void print( int );
void print( int& );
int iobj;
int &ri = iobj;
int main() {
print( iobj ); // ошибка: неоднозначность
print( ri ); // ошибка: неоднозначность
print( 86 ); // правильно: вызывается print( int )
return 0;
}
Объект iobj – это аргумент, для которого может быть установлено соответствие с обеими функциями print(), то есть вызов неоднозначен. То же относится и к следующей строке, где ссылка ri обозначает объект, соответствующий обеим функциям print(). С третьим вызовом, однако, все в порядке. Для него print(int&) не является устоявшей. Целая константа – это r-значение, так что она не может инициализировать параметр-ссылку. Единственной устоявшей функцией для вызова print(86) является print(int), поэтому она и выбирается при разрешении перегрузки.
Короче говоря, если формальный параметр представляет собой ссылку, то для фактического аргумента точное соответствие устанавливается, если он может инициализировать ссылку, и не устанавливается в противном случае.
Упражнение 9.6
Назовите два тривиальных преобразования, допустимых при установлении точного соответствия.
Упражнение 9.7
Каков ранг каждого из преобразований аргументов в следующих вызовах функций:
(a) void print( int *, int );
int arr[6];
print( arr, 6 ); // вызов функции
(b) void manip( int, int );
manip( 'a', 'z' ); // вызов функции
(c) int calc( int, int );
double dobj;
double = calc( 55.4, dobj ) // вызов функции
(d) void set( const int * );
int *pi;
set( pi ); // вызов функции
Упражнение 9.8
Какие из данных вызовов ошибочны из-за того, что не существует преобразования между типом фактического аргумента и формального параметра:
(a) enum Stat { Fail, Pass };
void test( Stat );
text( 0 ); // вызов функции
(b) void reset( void *);
reset( 0 ); // вызов функции
(c) void set( void * );
int *pi;
set( pi ); // вызов функции
(d) #include <list>
list<int> oper();
void print( oper() ); // вызов функции
(e) void print( const int );
int iobj;
print( iobj ); // вызов функции
Ссылочный тип
Ссылочный тип, иногда называемый псевдонимом, служит для задания объекту дополнительного имени. Ссылка позволяет косвенно манипулировать объектом, точно так же, как это делается с помощью указателя. Однако эта косвенная манипуляция не требует специального синтаксиса, необходимого для указателей. Обычно ссылки употребляются как формальные параметры функций. В этом разделе мы рассмотрим самостоятельное использование объектов ссылочного типа.
Ссылочный тип обозначается указанием оператора взятия адреса (&) перед именем переменной. Ссылка должна быть инициализирована. Например:
int ival = 1024;
// правильно: refVal - ссылка на ival
int &refVal = ival;
// ошибка: ссылка должна быть инициализирована
int &refVal2;
Хотя, как мы говорили, ссылка очень похожа на указатель, она должна быть инициализирована не адресом объекта, а его значением. Таким объектом может быть и указатель:
int ival = 1024;
// ошибка: refVal имеет тип int, а не int*
int &refVal = &ival;
int *pi = &ival;
// правильно: ptrVal - ссылка на указатель
int *&ptrVal2 = pi;
Определив ссылку, вы уже не сможете изменить ее так, чтобы работать с другим объектом (именно поэтому ссылка должна быть инициализирована в месте своего определения). В следующем примере оператор присваивания не меняет значения refVal, новое значение присваивается переменной ival – ту, которую адресует refVal.
int min_val = 0;
// ival получает значение min_val,
// а не refVal меняет значение на min_val
refVal = min_val;
Все операции со ссылками реально воздействуют на адресуемые ими объекты. В том числе и операция взятия адреса. Например:
refVal += 2;
прибавляет 2 к ival – переменной, на которую ссылается refVal. Аналогично
int ii = refVal;
присваивает ii текущее значение ival,
int *pi = &refVal;
инициализирует pi адресом ival.
Если мы определяем ссылки в одной инструкции через запятую, перед каждым объектом типа ссылки должен стоять амперсанд (&) – оператор взятия адреса (точно так же, как и для указателей). Например:
// определено два объекта типа int
int ival = 1024, ival2 = 2048;
// определена одна ссылка и один объект
int &rval = ival, rval2 = ival2;
// определен один объект, один указатель и одна ссылка
int inal3 = 1024, *pi = ival3, &ri = ival3;
// определены две ссылки
int &rval3 = ival3, &rval4 = ival2;
Константная ссылка может быть инициализирована объектом другого типа (если, конечно, существует возможность преобразования одного типа в другой), а также безадресной величиной – такой, как литеральная константа. Например:
double dval = 3.14159;
// верно только для константных ссылок
const int &ir = 1024;
const int &ir2 = dval;
const double &dr = dval + 1.0;
Если бы мы не указали спецификатор const, все три определения ссылок вызвали бы ошибку компиляции. Однако, причина, по которой компилятор не пропускает таких определений, неясна. Попробуем разобраться.
Для литералов это более или менее понятно: у нас не должно быть возможности косвенно поменять значение литерала, используя указатели или ссылки. Что касается объектов другого типа, то компилятор преобразует исходный объект в некоторый вспомогательный. Например, если мы пишем:
double dval = 1024;
const int &ri = dval;
то компилятор преобразует это примерно так:
int temp = dval;
const int &ri = temp;
Если бы мы могли присвоить новое значение ссылке ri, мы бы реально изменили не dval, а temp. Значение dval осталось бы тем же, что совершенно неочевидно для программиста. Поэтому компилятор запрещает такие действия, и единственная возможность проинициализировать ссылку объектом другого типа – объявить ее как const.
Вот еще один пример ссылки, который трудно понять с первого раза. Мы хотим определить ссылку на адрес константного объекта, но наш первый вариант вызывает ошибку компиляции:
const int ival = 1024;
// ошибка: нужна константная ссылка
int *&pi_ref = &ival;
Попытка исправить дело добавлением спецификатора const тоже не проходит:
const int ival = 1024;
// все равно ошибка
const int *&pi_ref = &ival;
В чем причина? Внимательно прочитав определение, мы увидим, что pi_ref является ссылкой на константный указатель на объект типа int. А нам нужен неконстантный указатель на константный объект, поэтому правильной будет следующая запись:
const int ival = 1024;
// правильно
int *const &piref = &ival;
Между ссылкой и указателем существуют два основных отличия. Во-первых, ссылка обязательно должна быть инициализирована в месте своего определения. Во-вторых, всякое изменение ссылки преобразует не ее, а тот объект, на который она ссылается. Рассмотрим на примерах. Если мы пишем:
int *pi = 0;
мы инициализируем указатель pi нулевым значением, а это значит, что pi не указывает ни на какой объект. В то же время запись
const int &ri = 0;
означает примерно следующее:
int temp = 0;
const int &ri = temp;
Что касается операции присваивания, то в следующем примере:
int ival = 1024, ival2 = 2048;
int *pi = &ival, *pi2 = &ival2;
pi = pi2;
переменная ival, на которую указывает pi, остается неизменной, а pi получает значение адреса переменной ival2. И pi, и pi2 и теперь указывают на один и тот же объект ival2.
Если же мы работаем со ссылками:
int &ri = ival, &ri2 = ival2;
ri = ri2;
то само значение ival меняется, но ссылка ri по-прежнему адресует ival.
В реальных С++ программах ссылки редко используются как самостоятельные объекты, обычно они употребляются в качестве формальных параметров функций. Например:
// пример использования ссылок
// Значение возвращается в параметре next_value
bool get_next_value( int &next_value );
// перегруженный оператор
Matrix operator+( const Matrix&, const Matrix& );
Как соотносятся самостоятельные объекты-ссылки и ссылки-параметры? Если мы пишем:
int ival;
while (get_next_value( ival )) ...
это равносильно следующему определению ссылки внутри функции:
int &next_value = ival;
(Подробнее использование ссылок в качестве формальных параметров функций рассматривается в главе 7.)
Упражнение 3.19
Есть ли ошибки в данных определениях? Поясните. Как бы вы их исправили?
(a) int ival = 1.01; (b) int &rval1 = 1.01;
(c) int &rval2 = ival; (d) int &rval3 = &ival;
(e) int *pi = &ival; (f) int &rval4 = pi;
(g) int &rval5 = pi*; (h) int &*prval1 = pi;
(i) const int &ival2 = 1; (j) const int &*prval2 = &ival;
Упражнение 3.20
Если ли среди нижеследующих операций присваивания ошибочные (используются определения из предыдущего упражнения)?
(a) rval1 = 3.14159;
(b) prval1 = prval2;
(c) prval2 = rval1;
(d) *prval2 = ival2;
Упражнение 3.21
Найдите ошибки в приведенных инструкциях:
(a) int ival = 0;
const int *pi = 0;
const int &ri = 0;
(b) pi = &ival;
ri = &ival;
pi = &rval;
Стандартное пространство имен std
Все компоненты стандартной библиотеки С++ находятся в пространстве имен std. Каждая функция, объект и шаблон класса, объявленные в стандартном заголовочном файле, таком, как <vector> или <iostream>, принадлежат к этому пространству.
Если все компоненты библиотеки объявлены в std, то какая ошибка допущена в данном примере:
#include <vector>
#include <string>
#include <iterator>
int main()
{
// привязка istream_iterator к стандартному вводу
istream_iterator<string> infile( cin );
// istream_iterator, отмечающий end-of-stream
istream_iterator<string> eos;
// инициализация svec элементами, считываемыми из cin
vector<string> svec( infile, eos );
// ...
}
Правильно, этот фрагмент кода не компилируется, потому что члены пространства имен std должны использоваться с указанием их специфицированных имен. Для того чтобы исправить положение, мы можем выбрать один из следующих способов:
заменить имена членов пространства std в этом примере соответствующими специфицированными именами;
применить using-объявления, чтобы сделать видимыми используемые члены пространства std;
употребить using-директиву, сделав видимыми все члены пространства std.
Членами пространства имен std в этом примере являются: шаблон класса istream_iterator, стандартный входной поток cin, класс string и шаблон класса vector.
Простейшее решение – добавить using-директиву после директивы препроцессора #include:
using namespace std;
В данном примере using-директива делает все члены пространства std видимыми. Однако не все они нам нужны. Предпочтительнее пользоваться using-объявлениями, чтобы уменьшить вероятность коллизии имен при последующем добавлении в программу глобальных объявлений.
Using-объявления, необходимые для компиляции этого примера, таковы:
using std::istream_iterator;
using std::string;
using std::cin;
using std::vector;
Но куда их поместить? Если программа состоит из большого количества файлов, можно для удобства создать заголовочный файл, содержащий все эти using-объявления, и включать его в исходные файлы вслед за заголовочными файлами стандартной библиотеки.
В нашей книге мы не употребляли using-объявлений. Это сделано, во-первых, для того, чтобы сократить размер кода, а во-вторых, потому, что большинство примеров компилировались в реализации С++, не поддерживающей пространства имен. Подразумевается, что using-объявления указаны для всех членов пространства имен std, используемых в примерах.
Упражнение 8.14
Поясните разницу между using-объявлениями и using-директивами.
Упражнение 8.15
Напишите все необходимые using-объявления для примера из раздела 6.14.
Упражнение 8.16
Возьмем следующий фрагмент кода:
namespace Exercise {
int ivar = 0;
double dvar = 0;
const int limit = 1000;
}
int ivar = 0;
//1
void manip() {
//2
double dvar = 3.1416;
int iobj = limit + 1;
++ivar;
++::ivar;
}
Каковы будут значения объявлений и выражений, если поместить using-объявления для всех членов пространства имен Exercise в точку //1? В точку //2? А если вместо using-объявлений использовать using-директиву?
Стандартный массив – это вектор
Хотя встроенный массив формально и обеспечивает механизм контейнера, он, как мы видели выше, не поддерживает семантику абстракции контейнера. До принятия стандарта C++ для программирования на таком уровне мы должны были либо приобрести нужный класс, либо реализовать его самостоятельно. Теперь же класс массива является частью стандартной библиотеки C++. Только называется он не массив, а вектор.
Разумеется, вектор реализован в виде шаблона класса. Так, мы можем написать
vector<int> ivec(10);
vector<string> svec(10);
Есть два существенных отличия нашей реализации шаблона класса Array от реализации шаблона класса vector. Первое отличие состоит в том, что вектор поддерживает как присваивание значений существующим элементам, так и вставку дополнительных элементов, то есть динамически растет во время выполнения, если программист решил воспользоваться этой его возможностью. Второе отличие более радикально и отражает существенное изменение парадигмы проектирования. Вместо того чтобы поддержать большой набор операций-членов, применимых к вектору, таких, как sort(), min(), max(), find()и так далее, класс vector предоставляет минимальный набор: операции сравнения на равенство и на меньше, size() и empty(). Более общие операции, перечисленные выше, определены как независимые обобщенные алгоритмы.
Для использования класса vector мы должны включить соответствующий заголовочный файл.
#include <vector>
// разные способы создания объектов типа vector
vector<int> vec0; // пустой вектор
const int size = 8;
const int value = 1024;
// вектор размером 8
// каждый элемент инициализируется 0
vector<int> vec1(size);
// вектор размером 8
// каждый элемент инициализируется числом 1024
vector<int> vec2(size,value);
// вектор размером 4
// инициализируется числами из массива ia
int ia[4] = { 0, 1, 1, 2 };
vector<int> vec3(ia,ia+4);
// vec4 - копия vec2
vector<int> vec4(vec2);
Так же, как наш класс Array, класс vector поддерживает операцию доступа по индексу. Вот пример перебора всех элементов вектора:
#include <vector>
extern int getSize();
void mumble()
{
int size = getSize();
vector<int> vec(size);
for (int ix=0; ix<size; ++ix)
vec[ix] = ix;
// ...
}
Для такого перебора можно также использовать итераторную пару. Итератор – это объект класса, поддерживающего абстракцию указательного типа. В шаблоне класса vector определены две функции-члена – begin() и end(), устанавливающие итератор соответственно на первый элемент вектора и на элемент, который следует за последним. Вместе эти две функции задают диапазон элементов вектора. Используя итератор, предыдущий пример можно переписать таким образом:
#include <vector>
extern int getSize();
void mumble()
{
int size = getSize();
vector<int> vec(size);
vector<int>::iterator iter = vec.begin();
for (int ix=0; iter!=vec.end(); ++iter, ++ix)
*iter = ix;
// ...
}
Определение переменной iter
vector<int>::iterator iter = vec.begin();
инициализирует ее адресом первого элемента вектора vec. iterator определен с помощью typedef в шаблоне класса vector, содержащего элементы типа int. Операция инкремента
++iter
перемещает итератор на следующий элемент вектора. Чтобы получить сам элемент, нужно применить операцию разыменования:
*iter
В стандартной библиотеке С++ имеется поразительно много функций, работающих с классом vector, но определенных не как функции-члены класса, а как набор обобщенных алгоритмов. Вот их неполный перечень:
алгоритмы поиска: find(), find_if(), search(), binary_search(), count(), count_if();
алгоритмы сортировки и упорядочения: sort(), partial_sort(), merge(), partition(), rotate(), reverse(), random_shuffle();
алгоритмы удаления: unique(), remove();
численные алгоритмы: accumulate(), partial_sum(), inner_product(), adjacent_difference();
алгоритмы генерации и изменения последовательности: generate(), fill(), transform(), copy(), for_each();
алгоритмы сравнения: equal(), min(), max().
В число параметров этих обобщенных алгоритмов входит итераторная пара, задающая диапазон элементов вектора, к которым применяется алгоритм. Скажем, чтобы упорядочить все элементы некоторого вектора ivec, достаточно написать следующее:
sort ( ivec.begin(), ivec.end() );
Чтобы применить алгоритм sort() только к первой половине вектора, мы напишем:
sort ( ivec.begin(), ivec.begin() + ivec.size()/2 );
Роль итераторной пары может играть и пара указателей на элементы встроенного массива. Пусть, например, нам дан массив:
int ia[7] = { 10, 7, 9, 5, 3, 7, 1 };
Упорядочить весь массив можно вызовом алгоритма sort():
sort ( ia, ia+7 );
Так можно упорядочить первые четыре элемента:
sort ( ia, ia+4 );
Для использования алгоритмов в программу необходимо включить заголовочный файл
#include <algorithm>
Ниже приведен пример программы, использующей разнообразные алгоритмы в применении к объекту типа vector:
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
int ia[ 10 ] = {
51, 23, 7, 88, 41, 98, 12, 103, 37, 6
};
int main()
{
vector< int > vec( ia, ia+10 );
vector<int>::iterator it = vec.begin(), end_it = vec.end();
cout << "Начальный массив: ";
for ( ; it != end_it; ++ it ) cout << *it << ' ';
cout << "\n";
// сортировка массива
sort( vec.begin(), vec.end() );
cout << "упорядоченный массив: ";
it = vec.begin(); end_it = vec.end();
for ( ; it != end_it; ++ it ) cout << *it << ' ';
cout << "\n\n";
int search_value;
cout << "Введите значение для поиска: ";
cin >> search_value;
// поиск элемента
vector<int>::iterator found;
found = find( vec.begin(), vec.end(), search_value );
if ( found != vec.end() )
cout << "значение найдено!\n\n";
else cout << "значение найдено!\n\n";
// инвертирование массива
reverse( vec.begin(), vec.end() );
cout << "инвертированный массив: ";
it = vec.begin(); end_it = vec.end();
for ( ; it != end_it; ++ it ) cout << *it << ' ';
cout << endl;
}
Стандартная библиотека С++ поддерживает и ассоциативные массивы. Ассоциативный массив – это массив, элементы которого можно индексировать не только целыми числами, но и значениями любого типа. В терминологии стандартной библиотеки ассоциативный массив называется отображением (map). Например, телефонный справочник может быть представлен в виде ассоциативного массива, где индексами служат фамилии абонентов, а значениями элементов – телефонные номера:
#include <map>
#include <string>
#include "TelephoneNumber.h"
map<string, telephoneNum> telephone_directory;
(Классы векторов, отображений и других контейнеров в подробностях описываются в главе 6. Мы попробуем реализовать систему текстового поиска, используя эти классы. В главе 12 рассмотрены обобщенные алгоритмы, а в Приложении приводятся примеры их использования.)
В данной главе были очень бегло рассмотрены основные аспекты программирования на С++, основы объектно-ориентированного подхода применительно к данному языку и использование стандартной библиотеки. В последующих главах мы разберем эти вопросы более подробно и систематично.
Упражнение 2.22
Поясните результаты каждого из следующих определений вектора:
string pals[] = {
"pooh", "tiger", "piglet", "eeyore", "kanga" };
(a) vector<string> svec1(pals,pals+5);
(b) vector<int> ivec1(10);
(c) vector<int> ivec2(10,10);
(d) vector<string> svec2(svec1);
(e) vector<double> dvec;
Упражнение 2.23
Напишите две реализации функции min(), объявление которой приведено ниже. Функция должна возвращать минимальный элемент массива. Используйте цикл for и перебор элементов с помощью индекса итератора
template <class elemType>
elemType min (const vector<elemType> &vec);
Часть II
Основы языка
Код программы и данные, которыми программа манипулирует, записываются в память компьютера в виде последовательности битов. Бит – это мельчайший элемент компьютерной памяти, способная хранить либо 0, либо 1. На физическом уровне это соответствует электрическому напряжению, которое, как известно, либо есть , либо нет. Посмотрев на содержимое памяти компьютера, мы увидим что-нибудь вроде:
00011011011100010110010000111011 ...
Очень трудно придать такой последовательности смысл, но иногда нам приходится манипулировать и подобными неструктурированными данными (обычно нужда в этом возникает при программировании драйверов аппаратных устройств). С++ предоставляет набор операций для работы с битовыми данными. (Мы поговорим об этом в главе 4.)
Как правило, на последовательность битов накладывают какую-либо структуру, группируя биты в байты
и слова. Байт содержит 8 бит, а слово – 4 байта, или 32 бита. Однако определение слова может быть разным в разных операционных системах. Сейчас начинается переход к 64-битным системам, а еще недавно были распространены системы с 16-битными словами. Хотя в подавляющем большинстве систем размер байта одинаков, мы все равно будем называть эти величины машинно-зависимыми.
Теперь мы можем говорить, например, о байте с адресом 1040 или о слове с адресом 1024 и утверждать, что байт с адресом 1032 не равен байту с адресом 1040.
Однако мы не знаем, что же представляет собой какой-либо байт, какое-либо машинное слово. Как понять смысл тех или иных 8 бит? Для того чтобы однозначно интерпретировать значение этого байта (или слова, или другого набора битов), мы должны знать тип данных, представляемых данным байтом.
С++ предоставляет набор встроенных типов данных: символьный, целый, вещественный – и набор составных и расширенных типов: строки, массивы, комплексные числа. Кроме того, для действий с этими данными имеется базовый набор операций: сравнение, арифметические и другие операции. Есть также операторы переходов, циклов, условные операторы. Эти элементы языка С++ составляют тот набор кирпичиков, из которых можно построить систему любой сложности. Первым шагом в освоении С++ станет изучение перечисленных базовых элементов, чему и посвящена часть II данной книги.
Глава 3 содержит обзор встроенных и расширенных типов, а также механизмов, с помощью которых можно создавать новые типы. В основном это, конечно, механизм классов, представленный в разделе 2.3. В главе 4 рассматриваются выражения, встроенные операции и их приоритеты, преобразования типов. В главе 5 рассказывается об инструкциях языка. И наконец глава 6 представляет стандартную библиотеку С++ и контейнерные типы – вектор и ассоциативный массив.
Статические члены класса
Иногда нужно, чтобы все объекты некоторого класса имели доступ к единственному глобальному объекту. Допустим, необходимо подсчитать, сколько их было создано; глобальным может быть указатель на процедуру обработки ошибок для класса или, скажем, указатель на свободную память для его объектов. В подобных случаях более эффективно иметь один глобальный объект, используемый всеми объектами класса, чем отдельные члены в каждом объекте. Хотя такой объект является глобальным, он существует лишь для поддержки реализации абстракции класса.
В этой ситуации приемлемым решением является статический член класса, который ведет себя как глобальный объект, принадлежащий своему классу. В отличие от других членов, которые присутствуют в каждом объекте как отдельные элементы данных, статический член существует в единственном экземпляре и связан с самим типом, а не с конкретным его объектом. Это разделяемая сущность, доступная всем объектам одного класса.
По сравнению с глобальным объектом у статического члена есть следующие преимущества:
статический член не находится в глобальном пространстве имен программы, следовательно, уменьшается вероятность случайного конфликта имен с другими глобальными объектами;
остается возможность сокрытия информации, так как статический член может быть закрытым, а глобальный объект – никогда.
Чтобы сделать член статическим, надо поместить в начале его объявления в теле класса ключевое слово static. К ним применимы все правила доступа к открытым, закрытым и защищенным членам. Например, для определенного ниже класса Account член _interestRate объявлен как закрытый и статический типа double:
class Account { // расчетный счет
Account( double amount, const string &owner );
string owner() { return _owner; }
private:
static double _interestRate; // процентная ставка
double _amount; // сумма на счету
string _owner; // владелец
};
Почему _interestRate сделан статическим, а _amount и _owner нет? Потому что у всех счетов разные владельцы и суммы, но процентная ставка одинакова. Следовательно, объявление члена _interestRate статическим уменьшает объем памяти, необходимый для хранения объекта Account.
Хотя текущее значение _interestRate для всех счетов одинаково, но со временем оно может изменяться. Поэтому мы решили не объявлять этот член как const. Достаточно модифицировать его лишь один раз, и с этого момента все объекты Account будут видеть новое значение. Если бы у каждого объекта была собственная копия, то пришлось бы обновить их все, что неэффективно и является потенциальным источником ошибок.
В общем случае статический член инициализируется вне определения класса. Его имя во внешнем определении должно быть специфицировано именем класса. Вот так можно инициализировать _interestRate:
// явная инициализация статического члена класса
#include "account.h"
double Account::_interestRate = 0.0589;
В программе может быть только одно определение статического члена. Это означает, что инициализацию таких членов следует помещать не в заголовочные файлы, а туда, где находятся определения невстроенных функций-членов класса.
В объявлении статического члена можно указать любой тип. Это могут быть константные объекты, массивы, объекты классов и т.д. Например:
#include <string>
class Account {
// ...
private:
static const string name;
};
const string Account::name( "Savings Account" );
Константный статический член целого типа инициализируется константой внутри тела класса: это особый случай. Если бы для хранения названия счета мы решили использовать массив символов вместо строки, то его размер можно было бы задать с помощью константного члена типа int:
// заголовочный файл
class Account {
//...
private:
static const int nameSize = 16;
static const string name[nameSize];
};
// исходный файл
const string Account::nameSize; // необходимо определение члена
const string Account::name[nameSize] = "Savings Account";
Отметим, что константный статический член целого типа, инициализированный константой, – это константное выражение. Проектировщик может объявить такой статический член, если внутри тела класса возникает необходимость в именованной константе. Например, поскольку константный статический член nameSize является константным выражением, проектировщик использует его для задания размера члена-массива с именем name.
Даже если такой член инициализируется в теле класса, его все равно необходимо задать вне определения класса. Однако поскольку начальное значение уже задано в объявлении, то при определении оно не указывается.
Так как name – это массив (и не целого типа), его нельзя инициализировать в теле класса. Попытка поступить таким образом приведет к ошибке компиляции:
class Account {
//...
private:
static const int nameSize = 16; // правильно: целый тип
static const string name[nameSize] = "Savings Account"; // ошибка
};
Член name должен быть инициализирован вне определения класса.
Обратите внимание, что член nameSize задает размер массива name в определении, находящемся вне тела класса:
const string Account::name[nameSize] = "Savings Account";
nameSize не квалифицирован именем класса Account. И хотя это закрытый член, определение name не приводит к ошибке. Как такое может быть? Определение статического члена аналогично определению функции-члена класса, которое может ссылаться на закрытые члены. Определение статического члена name находится в области видимости класса и может ссылаться на закрытые члены, после того как распознано квалифицированное имя Account::name. (Подробнее об области видимости класса мы поговорим в разделе 13.9.)
Статический член класса доступен функции-члену того же класса и без использования соответствующих операторов:
inline double Account::dailyReturn()
{
return( _interestRate / 365 * _amount );
}
Что же касается функций, не являющихся членами класса, то они могут обращаться к статическому члену двумя способами. Во-первых, посредством операторов доступа:
class Account {
// ...
private:
friend int compareRevenue( Account&, Account* );
// остальное без изменения
};
// мы используем ссылочный и указательный параметры,
// чтобы проиллюстрировать оба оператора доступа
int compareRevenue( Account &ac1, Account *ac2 );
{
double ret1, ret2;
ret1 = ac1._interestRate * ac1._amount;
ret2 = ac2->_interestRate * ac2->_amount;
// ...
}
Как ac1._interestRate, так и ac2->_interestRate относятся к статическому члену Account::_interestRate.
Поскольку есть лишь одна копия статического члена класса, до нее необязательно добираться через объект или указатель. Другой способ заключается в том, чтобы обратиться к статическому члену напрямую, квалифицировав его имя именем класса:
// доступ к статическому члену с указанием квалифицированного имени
if ( Account::_interestRate < 0.05 )
Если обращение к статическому члену производится без помощи оператора доступа, то его имя следует квалифицировать именем класса, за которым следует оператор разрешения области видимости:
Account::
Это необходимо, поскольку такой член не является глобальным объектом, а значит, в глобальной области видимости отсутствует. Следующее определение дружественной функции compareRevenue эквивалентно приведенному выше:
int compareRevenue( Account &ac1, Account *ac2 );
{
double ret1, ret2;
ret1 = Account::_interestRate * ac1._amount;
ret2 = Account::_interestRate * ac2->_amount;
// ...
}
Уникальная особенность статического члена – то, что он существует независимо от объектов класса, – позволяет использовать его такими способами, которые для нестатических членов недопустимы.
статический член может принадлежать к типу того же класса, членом которого он является. Нестатические объявляются лишь как указатели или ссылки на объект своего класса:
class Bar {
public:
// ...
private:
static Bar mem1; // правильно
Bar *mem2; // правильно
Bar mem3; // ошибка
};
статический член может выступать в роли аргумента по умолчанию для функции-члена класса, а для нестатического это запрещено:
extern int var;
class Foo {
private:
int var;
static int stcvar;
public:
// ошибка: трактуется как Foo::var,
// но ассоциированного объекта класса не существует
int mem1( int = var );
// правильно: трактуется как static Foo::stcvar,
// ассоциированный объект и не нужен
int mem2( int = stcvar );
// правильно: трактуется как глобальная переменная var
int mem3( int = :: var );
};
Статические члены шаблонов класса
В шаблоне класса могут быть объявлены статические данные-члены. Каждый конкретизированный экземпляр имеет собственный набор таких членов. Рассмотрим операторы new() и delete() для шаблона QueueItem. В класс QueueItem нужно добавить два статических члена:
static QueueItem<Type> *free_list;
static const unsigned QueueItem_chunk;
Модифицированное определение шаблона QueueItem выглядит так:
#include <cstddef>
template <class Type>
class QueueItem {
// ...
private:
void *operator new( size_t );
void operator delete( void *, size_t );
// ...
static QueueItem *free_list;
static const unsigned QueueItem_chunk;
// ...
};
Операторы new() и delete() объявлены закрытыми, чтобы предотвратить создание объектов типа QueueItem вызывающей программой: это разрешается только членам и друзьям QueueItem (к примеру, шаблону Queue).
Оператор new() можно реализовать таким образом:
template <class Type> void*
QueueItem<Type>::operator new( size_t size )
{
QueueItem<Type> *p;
if ( ! free_list )
{
size_t chunk = QueueItem_chunk * size;
free_list = p =
reinterpret_cast< QueueItem<Type>* >
( new char[chunk] );
for ( ; p != &free_list[ QueueItem_chunk - 1 ]; ++p )
p->next = p + 1;
p->next = 0;
}
p = free_list;
free_list = free_list->next;
return p;
}
А реализация оператора delete() выглядит так:
template <class Type>
void QueueItem<Type>::
operator delete( void *p, size_t )
{
static_cast< QueueItem<Type>* >( p )->next = free_list;
free_list = static_cast< QueueItem<Type>* > ( p );
}
Теперь остается инициализировать статические члены free_list и QueueItem_chunk. Вот шаблон для определения статических данных-членов:
/* для каждой конкретизации QueueItem сгенерировать
* соответствующий free_list и инициализировать его нулем
*/
template <class T>
QueueItem<T> *QueueItem<T>::free_list = 0;
/* для каждой конкретизации QueueItem сгенерировать
* соответствующий QueueItem_chunk и инициализировать его значением 24
*/
template <class T>
const unsigned int
QueueItem<T>::QueueItem_chunk = 24;
Определение шаблона статического члена должно быть вынесено за пределы определения самого шаблона класса, которое начинается с ключевого слово template с последующим списком параметров <class T>. Имени статического члена предшествует префикс QueueItem<T>::, показывающий, что этот член принадлежит именно шаблону QueueItem. Определения таких членов помещаются в заголовочный файл Queue.h и должны включаться во все файлы, где производится их конкретизация. (В разделе 16.8 мы объясним, почему решили делать именно так, и затронем другие вопросы, касающиеся модели компиляции шаблонов.)
Статический член конкретизируется по шаблону только в том случае, когда реально используется в программе. Сам такой член тоже является шаблоном. Определение шаблона для него не приводит к выделению памяти: она выделяется только для конкретизированного экземпляра статического члена. Каждая подобная конкретизация соответствует конкретизации шаблона класса. Таким образом, обращение к экземпляру статического члена всегда производится через некоторый конкретизированный экземпляр класса:
// ошибка: QueueItem - это не реальный конкретизированный экземпляр
int ival0 = QueueItem::QueueItem_chunk;
int ival1 = QueueItem<string>::QueueItem_chunk; // правильно
int ival2 = QueueItem<int>::QueueItem_chunk; // правильно
Упражнение 16.7
Реализуйте определенные в разделе 15.8 операторы new() и delete() и относящиеся к ним статические члены screenChunk и freeStore для шаблона класса Screen, построенного в упражнении 16.6.
Статические функции-члены
Функции-члены raiseInterest() и interest() обращаются к глобальному статическому члену _interestRate:
class Account {
public:
void raiseInterest( double incr );
double interest() { return _interestRate; }
private:
static double _interestRate;
};
inline void Account::raiseInterest( double incr )
{
_interestRate += incr;
}
Проблема в том, что любая функция-член должна вызываться с помощью оператора доступа к конкретному объекту класса. Поскольку приведенные выше функции обращаются только к статическому _interestRate, то совершенно безразлично, для какого объекта они вызываются. Нестатические члены при вызове этих функций не читаются и не модифицируются.
Поэтому лучше объявить такие функции-члены как статические. Это можно сделать следующим образом:
class Account {
public:
static void raiseInterest( double incr );
static double interest() { return _interestRate; }
private:
static double _interestRate;
};
inline void Account::raiseInterest( double incr )
{
_interestRate += incr;
}
Объявление статической функции-члена почти такое же, как и нестатической: в теле класса ему предшествует ключевое слово static, а спецификаторы const или volatile запрещены. В ее определении, находящемся вне тела класса, слова static быть не должно.
Такой функции-члену указатель this не передается, поэтому явное или неявное обращение к нему внутри ее тела вызывает ошибку компиляции. В частности, попытка обращения к нестатическому члену класса неявно требует наличия указателя this и, следовательно, запрещена. Например, представленную ранее функцию-член dailyReturn() нельзя объявить статической, поскольку она обращается к нестатическому члену _amount.
Статическую функцию-член можно вызвать для объекта класса, пользуясь одним из операторов доступа. Ее также можно вызвать непосредственно, квалифицировав ее имя, даже если никаких объектов класса не объявлено. Вот небольшая программа, иллюстрирующая их применение:
#include <iostream>
Статические локальные объекты
Внутри функции или составной инструкции можно объявить объект с локальной областью видимости, который, однако, будет существовать в течение всего времени выполнения программы. Если значение локального объекта должно сохраняться между вызовами функции, то обычный автоматический объект не подойдет: ведь его значение теряется каждый раз после выхода.
В таком случае локальный объект необходимо объявить как static (со статической продолжительностью хранения). Хотя значение такого объекта сохраняется между вызовами функции, в которой он определен, видимость его имени ограничена локальной областью. Статический локальный объект инициализируется во время первого выполнения инструкции, где он объявлен. Вот, например, версия функции gcd(),устанавливающая глубину рекурсии с его помощью:
#include <iostream>
int traceGcd( int vl, int v2 )
{
static int depth = 1;
cout << "глубина #" << depth++ << endl;
if ( v2 == 0 ) {
depth = 1;
return vl;
}
return traceGcd( v2, vl%v2 );
}
Значение, ассоциированное со статическим локальным объектом depth, сохраняется между вызовами traceGcd(). Его инициализация выполняется только один раз – когда к этой функции обращаются впервые. В следующей программе используется traceGcd():
#include <iostream>
extern int traceGcd(int, int);
int main() {
int rslt = traceCcd( 15, 123 );
cout << "НОД (15,123): " << rslt << endl;
return 0;
}
Результат работы программы:
глубина #1
глубина #2
глубина #3
глубина #4
НОД (15,123): 3
Неинициализированные статические локальные объекты получают значение 0. А автоматические объекты в подобной ситуации получают случайные значения. Следующая программа иллюстрирует разницу инициализации по умолчанию для автоматических и статических объектов и опасность, подстерегающую программиста в случае ее отсутствия для автоматических объектов.
#include <iostream>
Статический вызов виртуальной функции
Вызывая виртуальную функцию с помощью оператора разрешения области видимости класса, мы отменяем механизм виртуализации и разрешаем вызов статически, на этапе компиляции. Предположим, что мы определили виртуальную функцию isA() в базовом и каждом из производных классов иерархии Query:
Query *pquery = new NameQuery( "dumbo" );
// isA() вызывается динамически с помощью механизма виртуализации
// реально будет вызвана NameQuery::isA()
pquery->isA();
// isA вызывается статически во время компиляции
// реально будет вызвана Query::isA
pquery->Query::isA();
Тогда явный вызов Query::isA() разрешается на этапе компиляции в пользу реализации isA() в базовом классе Query, хотя pquery адресует объект NameQuery.
Зачем нужно отменять механизм виртуализации? Как правило, ради эффективности. В теле виртуальной функции производного класса часто необходимо вызвать реализацию из базового, чтобы завершить операцию, расщепленную между базовым и производным классами. К примеру, вполне вероятно, что виртуальная функция display() из Camera выводит некоторую информацию, общую для всех камер, а реализация display() в классе PerspectiveCamera сообщает информацию, специфичную только для перспективных камер. Вместо того чтобы дублировать в ней действия, общие для всех камер, можно вызвать реализацию из класса Camera. Мы точно знаем, какая именно реализация нам нужна, поэтому нет нужды прибегать к механизму виртуализации. Более того, реализация в Camera объявлена встроенной, так что разрешение во время компиляции приводит к подстановке по месту вызова.
Приведем еще один пример, когда отмена механизма виртуализации может оказаться полезной, а заодно познакомимся с неким аспектом чисто виртуальных функций, который начинающим программистам кажется противоречащим интуиции.
Реализации функции print() в классах AndQuery и OrQuery совпадают во всем, кроме литеральной строки, представляющей название оператора. Реализуем только одну функцию, которую можно вызывать из данных классов. Для этого мы снова определим абстрактный базовый BinaryQuery (его наследники – AndQuery и OrQuery). В нем определены два операнда и еще один член типа string для хранения значения оператора. Поскольку это абстрактный класс, объявим print() чисто виртуальной функцией:
class BinaryQuery : public Query {
public:
BinaryQuery( Query *lop, Query *rop, string oper )
: _lop(lop), _rop(rop), _oper(oper) {}
~BinaryQuery() { delete _lop; delete _rop; }
ostream &print( ostream&=cout, ) const = 0;
protected:
Query *_lop;
Query *_rop;
string _oper;
};
Вот как реализована в BinaryQuery функция print(), которая будет вызываться из производных классов AndQuery и OrQuery:
inline ostream&
BinaryQuery::
print( ostream &os ) const
{
if ( _lparen )
print_lparen( _lparen, os );
_lop->print( os );
os << ' ' << _oper << ' ';
_rop->print( os );
if ( _rparen )
print_rparen( _rparen, os );
return os;
}
Похоже, мы попали в парадоксальную ситуацию. С одной стороны, необходимо объявить этот экземпляр print() как чисто виртуальную функцию, чтобы компилятор воспринимал BinaryQuery как абстрактный базовый класс. Тогда в приложении определить независимые объекты BinaryQuery будет невозможно.
С другой стороны, нужно определить в классе BinaryQuery виртуальную функцию print() и уметь вызывать ее через объекты AndQuery и OrQuery.
Но как часто бывает с кажущимися парадоксами, мы не учли одного обстоятельства: чисто виртуальную функцию нельзя вызывать с помощью механизма виртуализации, но можно вызывать статически:
inline ostream&
AndQuery::
print( ostream &os ) const
{
// правильно: подавить механизм виртуализации
// вызвать BinaryQuery::print статически
BinaryQuery::print( os );
}
Стек
В разделе 4.5 операции инкремента и декремента были проиллюстрированы на примере реализации абстракции стека. В общем случае стек является очень полезным механизмом для сохранения текущего состояния, если в разные моменты выполнения программы одновременно существует несколько состояний, вложенных друг в друга. Поскольку стек– это важная абстракция данных, в стандартной библиотеке С++ предусмотрен класс stack, для использования которого нужно включить заголовочный файл:
#include <stack>
В стандартной библиотеке стек реализован несколько иначе, чем у нас. Разница состоит в том, что доступ к элементу с вершины стека и удаление его осуществляются двумя функциями – top() и pop(). Полный набор операций со стеком приведен в таблице 6.5.
Таблица 6.5. Операции со стеком
| Операция | Действие | ||
| empty() | Возвращает true, если стек пуст, и false в противном случае | ||
| size() | Возвращает количество элементов в стеке | ||
| pop() | Удаляет элемент с вершины стека, но не возвращает его значения | ||
| top() | Возвращает значение элемента с вершины стека, но не удаляет его | ||
| push(item) | Помещает новый элемент в стек |
В нашей программе приводятся примеры использования этих операций:
#include <stack>
#include <iostream>
int main()
{
const int ia_size = 10;
int ia[ia_size ]={0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
// заполним стек
int ix = 0;
stack< int > intStack;
for ( ; ix < ia_size; ++ix )
intStack.push( ia[ ix ] );
int error_cnt = 0;
if ( intStack.size() != ia_size ) {
cerr << "Ошибка! неверный размер IntStack: "
<< intStack.size()
<< "\t ожидается: " << ia_size << endl,
++error_cnt;
}
int value;
while ( intStack.empty() == false )
{
// считаем элемент с вершины
value = intStack.top();
if ( value != --ix ) {
cerr << "Ошибка! ожидается " << ix
<< " получено " << value << endl;
++error_cnt;
}
// удалим элемент
intStack.pop();
}
cout << " В результате запуска программы получено "
<< error_cnt << " ошибок" << endl;
}
Объявление
stack< int > intStack;
определяет intStack как пустой стек, предназначенный для хранения элементов типа int. Стек является надстройкой над некоторым контейнерным типом, поскольку реализуется с помощью того или иного контейнера. По умолчанию это deque, поскольку именно эта структура обеспечивает эффективную вставку и удаление первого элемента, а vector эти операции не поддерживает. Однако мы можем явно указать другой тип контейнера, задав его как второй параметр:
stack< int, list<int> > intStack;
Элементы, добавляемые в стек, копируются в реализующий его контейнер. Это может приводить к потере эффективности для больших или сложных объектов, особенно если мы только читаем элементы. В таком случае удобнее определить стек указателей на объекты. Например:
#include <stack>
class NurbSurface { /* mumble */ };
stack< NurbSurface* > surf_Stack;
К двум стекам одного типа можно применять операции сравнения: равенство, неравенство, меньше, больше, меньше или равно, больше или равно, если они определены над элементами стека. Элементы сопоставляются попарно. Первая пара несовпадающих элементов определяет результат операции сравнения в целом.
Стек будет использован в нашей программе текстового поиска в разделе 17.7 для поддержки сложных запросов типа
Civil && ( War || Rights )
Строим отображение позиций слов
В этом разделе мы построим отображение (map), позволяющее для каждого уникального слова текста сохранить номера строк и колонок, в которых оно встречается. (В следующем разделе мы изучим ассоциативный контейнер set.) В общем случае контейнер set полезен, если мы хотим знать, содержится ли определенный элемент в некотором множестве, а map позволяет связать с каждым из них какую-либо величину.
В map хранятся пары ключ/значение. Ключ играет роль индекса для доступа к ассоциированному с ним значению. В нашей программе каждое уникальное слово текста будет служить ключом, а значением станет вектор, содержащий пары (номер строки, номер колонки). Для доступа применяется оператор взятия индекса. Например:
string query( "pickle" );
vector< location > *locat;
// возвращается location<vector>*, ассоциированный с "pickle"
locat = text_map[ query ];
Ключом здесь является строка, а значение имеет тип location<vector>*.
Для использования отображения необходимо включить соответствующий заголовочный файл:
#include <map>
Какие основные действия производятся над ассоциативными контейнерами? Их заполняют элементами или проверяют на наличие определенного элемента. В следующем подразделе мы покажем, как определить пару ключ/значение и как поместить такие пары в контейнер. Далее мы расскажем, как сформулировать запрос на поиск элемента и извлечь значение, если элемент существует.
Строковые потоки
Библиотека iostream поддерживает операции над строковыми объектами в памяти. Класс ostringstream вставляет символы в строку, istringstream читает символы из строкового объекта, а stringstream может использоваться как для чтения, так и для записи. Чтобы работать со строковым потоком, в программу необходимо включить заголовочный файл
#include <sstream>
Например, следующая функция читает весь файл alice_emma в объект buf класса ostringstream. Размер buf увеличивается по мере необходимости, чтобы вместить все символы:
#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
string read_file_into_string()
{
ifstream ifile( "alice_emma" );
ostringstream buf;
char ch;
while ( buf && ifile.get( ch ))
buf.put( ch );
return buf.str();
}
Функция-член str() возвращает строку – объект класса string, ассоциированный со строковым потоком ostringstream. Этой строкой можно манипулировать так же, как и “обычным” объектом класса string. Например, в следующей программе text почленно инициализируется строкой, ассоциированной с buf:
int main()
{
string text = read_file_into_string();
// запомнить позиции каждого символа новой строки
vector< string::size_type > lines_of_text;
string::size_type pos = 0;
while ( pos != string::npos )
{
pos = text.find( '\n' pos );
lines_of_text.push_back( pos );
}
// ...
}
Объект класса ostringstream можно использовать для автоматического форматирования составной строки, т.е. строки, составленной из данных разных типов. Так, следующий оператор вывода автоматически преобразует любой арифметический тип в соответствующее строковое представление, поэтому заботиться о выделении нужного количества памяти нет необходимости:
#include <iostream>
#include <sstream>
Строковые типы
В С++ поддерживаются два типа строк– встроенный тип, доставшийся от С, и класс string из стандартной библиотеки С++. Класс string предоставляет гораздо больше возможностей и поэтому удобней в применении, однако на практике нередки ситуации, когда необходимо пользоваться встроенным типом либо хорошо понимать, как он устроен. (Одним из примеров может являться разбор параметров командной строки, передаваемых в функцию main(). Мы рассмотрим это в главе 7.)
Строковый ввод
Считывание можно производить как в C-строки, так и в объекты класса string. Мы рекомендуем пользоваться последними. Их главное преимущество – автоматическое управление памятью для хранения символов. Чтобы прочитать данные в C-строку, т.е. массив символов, необходимо сначала задать его размер, достаточный для хранения строки. Обычно мы читаем символы в буфер, затем выделяем из хипа ровно столько памяти, сколько нужно для хранения прочитанной строки, и копируем данные из буфера в эту память:
#include <iostream>
#include <string.h>
char inBuf[ 1024 ];
try
{
while ( cin >> inBuf ) {
char *str = new char[ strlen( inBuf ) + 1 ];
strcpy( str, inBuf );
// ... сделать что-то с массивом символов str
delete [] str;
}
}
catch( ... ) { delete [] str; throw; }
Работать с типом string значительно проще:
#include <iostream>
#include <string.h>
string str;
while ( cin >> str )
// ... сделать что-то со строкой
Рассмотрим операторы ввода в C-строки и в объекты класса string. В качестве входного текста по-прежнему будет использоваться рассказ об Алисе Эмме:
Alice Emma has long flowing red hair. Her Daddy says
when the wind blows through her hair, it looks almost
alive, like a fiery bird in flight. A beautiful fiery
bird, he tells her, magical but untamed. "Daddy, shush,
there is no such creature," she tells him, at the same time
wanting him to tell her more. Shyly, she asks, "I mean,
Daddy, is there?"
Поместим этот текст в файл alice_emma, а затем перенаправим на него стандартный вход программы. Позже, когда мы познакомимся с файловым вводом, мы откроем и прочтем этот файл непосредственно. Следующая программа помещает прочитанные со стандартного ввода слова в C-строку и находит самое длинное слово:
#include <iostream.h>
#include <string.h>
int main()
{
const int bufSize = 24;
char buf[ bufSize ], largest[ bufSize ];
Структура книги
“C++ для начинающих” содержит обстоятельное введение в международный стандарт С++. Мы включили в название книги слова “для начинающих” потому, что последовательно придерживались учебного подхода к описанию языка С++; однако название не предполагает упрощенного или облегченного изложения материала. Такие аспекты программирования, как обработка исключений, контейнерные типы, объектно-ориентированный подход и т.п., представлены в книге в контексте решения конкретных задач. Правила языка, например разрешение перегруженных функций или преобразования типов в объектно-ориентированном программировании, рассматриваются столь подробно, что во вводном курсе это может показаться неуместным. Но мы уверены, что такое освещение необходимо для практического применения языка. Материал книги не нужно стараться усвоить “за один проход”: мы предполагаем, что читатель будет периодически возвращаться к ранее прочитанным разделам. Если некоторые из них покажутся вам слишком трудными или просто скучными, отложите их на время. (Подозрительные разделы мы помечали значком *.)
Читатель может не знать язык С, хотя некоторое знакомство с каким-либо современным структурным языком программирования было бы полезно. Мы писали книгу, которая стала бы первым учебником по С++, а не первым учебником по программированию! Чтобы не делать предположений о начальном уровне подготовки, мы начинаем с определения базовых терминов. В первых главах описываются базовые концепции, такие, как переменные и циклы, и для некоторых читателей изложение может показаться слишком примитивным, но вскоре оно становится более углубленным.
Основное достоинство С++ заключается в том, что он поддерживает новые способы решения программистских задач. Поэтому чтобы научиться эффективно использовать С++, недостаточно просто выучить новые синтаксис и семантику. Для более глубокого усвоения в книге рассматриваются разнообразные сквозные примеры. Эти примеры используются как для того, чтобы представить разные средства языка, так и для того, чтобы объяснить, зачем эти средства нужны. Изучая возможности языка в контексте реального примера, мы понимаем, чем полезно то или иное средство, как и где его можно применить при решении задач из реальной жизни. Кроме того, на примерах проще продемонстрировать понятия языка, которые еще детально не рассматривались и излагаются лишь в последующих главах. В начальных главах примеры содержат простые варианты использования базовых понятий С++. Их цель– показать, как можно программировать на С++, не углубляясь в детали проектирования и реализации.
Главы 1 и 2 представляют собой полное введение в язык С++ и его обзор. Назначение первой части – как можно быстрее познакомить читателя с понятиями и средствами данного языка, а также основными принципами написания программ.
По окончании этой части у вас должно сложиться некоторое общее представление о возможностях С++, но вместе с тем вполне может остаться ощущение, что вы совсем ничего толком не понимаете. Все нормально: упорядочению ваших знаний как раз и посвящены остальные части книги!
В главе 1 представлены базовые элементы языка: встроенные типы данных, переменные, выражения, инструкции и функции. Мы увидим минимальную законченную программу на С++, обсудим вопросы компиляции, коснемся препроцессора и поддержки ввода/вывода. В этой главе читатель найдет ряд простых, но законченных С++ программ, которые можно откомпилировать и выполнить. Глава 2 посвящена механизму классов и тому, как с его помощью поддержаны парадигмы объектного и объектно-ориентированного программирования. Оба эти подхода иллюстрируются развитием реализации массива как абстрактного типа. Кроме того, приводится краткая информация о шаблонах, пространствах имен, обработке исключений и о поддержке стандартной библиотекой общих контейнерных типов и методов обобщенного (generic) программирования. Материал в этой главе излагается весьма стремительно, и потому некоторым читателям она может показаться трудной. Мы рекомендуем таким читателям просмотреть вторую главу “по диагонали” и вернуться к ней впоследствии.
Фундаментальной особенностью С++ является возможность расширять язык, определяя новые типы данных, которые могут использоваться с тем же удобством и гибкостью, что и встроенные. Первым шагом к овладению этим искусством является знание базового языка. Часть II (главы 3-6) посвящена рассмотрению языка на этом уровне.
В главе 3 представлены встроенные и составные типы, предопределенные в языке, а также типы string, complex и vector из стандартной библиотеки С++. Эти типы составляют основные “кирпичики”, из которых строятся все программы. В главе 4 детально освещаются выражения языка – арифметические, условные, присваивания. Инструкции языка, которые являются мельчайшими независимыми единицами С++ программы, представлены в главе 5. Контейнерные типы данных стали предметом главы 6. Вместо простого перечисления совокупности поддерживаемых ими операций, мы иллюстрируем операции на примере построения системы текстового поиска.
Главы 7-12 (часть III) посвящены процедурно-ориентированному программированию на С++. В главе 7 представлен механизм функций. Функция инкапсулирует набор операций, составляющих единую задачу, как, например, print(). (Круглые скобки после имени говорят о том, что мы имеем дело с функцией.) Такие понятия, как область видимости и время жизни переменных, рассматриваются в главе 8. Обзор механизма функций продолжен в главе 9: речь пойдет о перегрузке функций, которая позволяет присвоить одно и то же имя нескольким функциям, выполняющим похожие, но по-разному реализованные операции. Например, можно определить целый набор функций print() для печати данных разных типов. В главе 10 представлено понятие шаблона функции и приведены примеры его использования. Шаблон функции предназначен для автоматической генерации потенциально бесконечного множества экземпляров функций, отличающихся только типами данных.
С++ поддерживает обработку исключений. Об исключении говорят, когда в программе возникает нестандартная ситуация, такая, например, как нехватка свободной памяти. В том месте программы, где это происходит, возбуждается
исключение, то есть о проблеме ставится в известность вызывающая программа. Какая-то другая функция в программе должна обработать исключение, то есть как-то отреагировать на него. Материал об исключениях разбит на две части. В главе 11 описан основной синтаксис и приведен простой пример, иллюстрирующий возбуждение и обработку исключений типа класса. Поскольку реальные исключения в программах обычно являются объектами некоторой иерархии классов, то мы вернемся к этому вопросу в главе 19, после того как узнаем, что такое объектно-ориентированное программирование.
В главе 12 представлена обширная коллекция обобщенных алгоритмов стандартной библиотеки и способы их применения к контейнерным типам из главы 6, а также к массивам встроенных типов. Эта глава начинается разбором примера построения программы с использованием обобщенных алгоритмов. Итераторы, введенные в главе 6, обсуждаются более детально в главе 12, поскольку именно они являются связующим звеном между обобщенными алгоритмами и контейнерными типами. Также мы вводим и иллюстрируем на примерах понятие объекта-функции. Объекты-функции позволяют задавать альтернативную семантику операций, используемых в обобщенных алгоритмах, – скажем, операций сравнения на равенство или по величине. Детальное описание самих алгоритмов и примеры их использования приводятся в приложении.
Главы 13-16 ( часть IV) посвящены объектному программированию, то есть использованию механизма классов для создания абстрактных типов данных. С помощью типов данных, описывающих конкретную предметную область, язык С++ позволяет программистам сосредоточиться на решении основной задачи и тратить меньше усилий на второстепенные. Фундаментальные для приложения типы данных могут быть реализованы один раз и использованы многократно, что дает программисту возможность не думать о деталях реализации главной задачи. Инкапсуляция данных значительно упрощает последующее сопровождение и модификацию программы.
В главе 13 основное внимание мы уделим общим вопросам механизма классов: как определить класс, что такое сокрытие информации (разделение открытого интерфейса и скрытой реализации), как определять экземпляры класса и манипулировать ими. Мы также коснемся областей видимости класса, вложенных классов и классов как членов пространства имен.
В главе 14 детально исследуются средства, имеющиеся в С++ для инициализации и уничтожения объектов класса и для присваивания им значений. Для этих целей служат специальные функции-члены, называемые конструкторами, деструкторами и копирующими операторами
присваивания. Мы рассмотрим вопрос о почленной инициализации и копировании, а также специальную оптимизацию для этого случая, которая получила название именованное возвращаемое значение.
В главе 15 мы рассмотрим перегрузку операторов применительно к классам. Сначала мы остановимся на общих понятиях и вопросах проектирования, а затем перейдем к рассмотрению конкретных операторов, таких, как присваивание, доступ по индексу, вызов функции, а также операторов new и delete, специфичных для классов.
Будет представлено понятие дружественного класса, имеющего особые права доступа, и объяснено, зачем нужны друзья. Будут рассмотрены и определенные пользователями преобразования типов, стоящие за ними концепции и примеры использования. Кроме того, приводятся правила разрешения функций при перегрузке, иллюстрируемые примерами программного кода.
Шаблоны классов – тема главы 16. Шаблон класса можно рассматривать как алгоритм создания экземпляра класса, в котором параметры шаблона подлежат замене на конкретные значения типов или констант. Скажем, в шаблоне класса vector параметризован тип его элементов. В классе для представления некоторого буфера можно параметризовать не только тип размещаемых элементов, но и размер самого буфера. При разработке сложных механизмов, например в области распределенной обработки данных, могут быть параметризованы практически все интерфейсы: межпроцессной коммуникации, адресации, синхронизации. В главе 16 мы расскажем, как определить шаблон класса, как создать экземпляр класса, подставляя в шаблон конкретные значения, как определить члены шаблона класса (функции-члены, статические члены и вложенные типы) и как следует организовывать программу, в которой используются шаблоны классов. Заканчивается эта глава содержательным примером шаблона класса.
Объектно-ориентированному программированию (ООП) и его поддержке в С++ посвящены главы 17-20 (часть IV). В главе 17 описываются средства поддержки базовых концепций ООП – наследования и позднего связывания. В ООП между классами, имеющими общие черты поведения, устанавливаются отношения родитель/потомок (или тип/подтип). Вместо того чтобы повторно реализовывать общие характеристики, класс-потомок может унаследовать их от класса-родителя. В класс-потомок (подтип) следует добавить только те детали, которые отличают его от родителя. Например, мы можем определить родительский класс Employee (работник) и двух его потомков: TemporaryEmpl (временный работник) и Manager (начальник), которые наследуют все поведение Employee. В них самих реализованы только специфичные для подтипа особенности. Второй аспект ООП, полиморфизм, позволяет родительскому классу представлять любого из своих наследников. Скажем, класс Employee может адресовать не только объект своего типа, но и объект типа TemporaryEmpl или Manager. Позднее связывание – это способность разрешения операций во время выполнения, то есть выбора нужной операции в зависимости от реального типа объекта. В С++ это реализуется с помощью механизма виртуальных функций.
Итак, в главе 17 представлены базовые черты ООП. В ней мы продолжим начатую в главе 6 работу над системой текстового поиска – спроектируем и реализуем иерархию классов запросов Query.
В главе 18 разбираются более сложные случаи наследования – множественное и виртуальное. Шаблон класса из главы 16 получает дальнейшее развитие и становится трехуровневой иерархией с множественным и виртуальным наследованием.
В главе 19 представлено понятие идентификации типа во время выполнения (RTTI – run time type identification). RTTI позволяет программе запросить у полиморфного объекта класса информацию о его типе во время выполнения. Например, мы можем спросить у объекта Employee, действительно ли он представляет собой объект типа Manager. Кроме того, в главе 19 мы вернемся к исключениям и рассмотрим иерархию классов исключений стандартной библиотеки, приводя примеры построения и использования своей собственной иерархии классов исключений. В этой главе рассматривается также вопрос о разрешении перегруженных функций в случае наследования классов.
В главе 20 подробно рассматривается использование библиотеки ввода/вывода iostream. Здесь мы на примерах покажем основные возможности ввода и вывода, расскажем, как определить свои операторы ввода и вывода для класса, как проверять состояние потока и изменять его, как форматировать данные. Библиотека ввода/вывода представляет собой иерархию классов с множественным и виртуальным наследованием.
Завершается книга приложением, где все обобщенные алгоритмы приведены в алфавитном порядке, с примерами их использования.
При написании книги зачастую приходится оставлять в стороне множество вопросов, которые представляются не менее важными, чем вошедшие в книгу. Отдельные аспекты языка – детальное описание того, как работают конструкторы, в каких случаях создаются временные объекты, общие вопросы эффективности – не вписывались во вводный курс. Однако эти аспекты имеют огромное значение при проектировании реальных приложений. Перед тем как взяться за “C++ для начинающих”, Стен написал книгу “Inside the C++ Object Model” [LIPPMAN96a], в которой освещаются именно эти вопросы. В тех местах “C++ для начинающих”, где читателю может потребоваться более детальная информация, даются ссылки на разделы указанной книги.
Некоторые части стандартной библиотеки С++ были сознательно исключены из рассмотрения, в частности поддержка национальных языков и численные методы. Стандартная библиотека С++ очень обширна, и все ее аспекты невозможно осветить в одном учебнике. Материал по отсутствующим вопросам вы можете найти в книгах, приведенных в списке литературы ([MUSSER96] и [STRUOSTRUP97u]). Наверняка вскоре выйдет еще немало книг, освещающих различные аспекты стандартной библиотеки С++.
Тип bool
Объект типа bool может принимать одно из двух значений: true и false. Например:
// инициализация строки
string search_word = get_word();
// инициализация переменной found
bool found = false;
string next_word;
while ( cin >> next_word )
if ( next_word == search_word )
found = true;
// ...
// сокращенная запись: if ( found == true )
if ( found )
cout << "ok, мы нашли слово\n";
else cout << "нет, наше слово не встретилось.\n";
Хотя bool относится к одному из целых типов, он не может быть объявлен как signed, unsigned, short или long, поэтому приведенное определение ошибочно:
// ошибка
short bool found = false;
Объекты типа bool неявно преобразуются в тип int. Значение true превращается в 1, а false – в 0. Например:
bool found = false;
int occurrence_count = 0;
while ( /* mumble */ )
{
found = look_for( /* something */ );
// значение found преобразуется в 0 или 1
occurrence_count += found;
}
Таким же образом значения целых типов и указателей могут быть преобразованы в значения типа bool. При этом 0 интерпретируется как false, а все остальное как true:
// возвращает количество вхождений
extern int find( const string& );
bool found = false;
if ( found = find( "rosebud" ))
// правильно: found == true
// возвращает указатель на элемент
extern int* find( int value );
if ( found = find( 1024 ))
// правильно: found == true
Тип члена класса
Указателю на функцию нельзя присвоить адрес функции-члена, даже если типы возвращаемых значений и списки параметров полностью совпадают. Например, переменная pfi– это указатель на функцию без параметров, которая возвращает значение типа int:
int (*pfi)();
Если имеются глобальные функции HeightIs() и WidthIs() вида:
int HeightIs();
int WidthIs();
то допустимо присваивание pfi адреса любой из этих переменных:
pfi = HeightIs;
pfi = WidthIs;
В классе Screen также определены две функции доступа, height() и width(), не имеющие параметров и возвращающие значение типа int:
inline int Screen::height() { return _height; }
inline int Screen::width() { return _width; }
Однако попытка присвоить их переменной pfi является нарушением типизации и влечет ошибку компиляции:
// неверное присваивание: нарушение типизации
pfi = &Screen::height;
В чем нарушение? У функций-членов есть дополнительный атрибут типа, отсутствующий у функций, не являющихся членами, – класс. Указатель на функцию-член должен соответствовать типу присваиваемой ему функции не в двух, а в трех отношениях: по типу и количеству формальных параметров; типу возвращаемого значения; типу класса, членом которого является функция.
Несоответствие типов между двумя указателями – на функцию-член и на обычную функцию – обусловлено их разницей в представлении. В указателе на обычную функцию хранится ее адрес, который можно использовать для непосредственного вызова. (Указатели на функции рассматривались в разделе 7.9.) Указатель же на функцию-член должен быть сначала привязан к объекту или указателю на объект, чтобы получить this, и только после этого он применяется для вызова функции-члена. (В следующем подразделе мы покажем, как осуществить такую привязку.) Хотя для указателя на обычную функцию и для указателя на функцию-член используется один и тот же термин, их природа различна.
Синтаксис объявления указателя на функцию-член должен принимать во внимание тип класса. То же верно и в отношении указателей на данные-члены. Рассмотрим член _height класса Screen. Его полный тип таков: член класса Screen типа short. Следовательно, полный тип указателя на _height – это указатель на член класса Screen типа short:
short Screen::*
Определение указателя на член класса Screen типа short выглядит следующим образом:
short Screen::*ps_Screen;
Переменную ps_Screen можно инициализировать адресом _height:
short Screen::*ps_Screen = &Screen::_height;
или присвоить ей адрес _width:
short Screen::*ps_Screen = &Screen::_width;
Переменной ps_Screen разрешается присваивать указатель на _width или _height, так как они являются членами класса Screen типа short.
Несоответствие типов указателя на данные-члены и обычного указателя также связано с различием в их представлении. Обычный указатель содержит всю информацию, необходимую для обращения к объекту. Указатель на данные-члены следует сначала привязать к объекту или указателю на него, а лишь затем использовать для доступа к члену этого объекта. (В книге “Inside the C++ Object Model” ([LIPPMAN96a]) также описывается представление указателей на члены.)
Указатель на функцию-член определяется путем задания типа возвращаемого функцией значения, списка ее параметров и класса. Например, следующий указатель, с помощью которого можно вызвать функции height() и width(), имеет тип указателя на функцию-член класса Screen без параметров, которая возвращает значение типа int:
int (Screen::*)()
Указатели на функции-члены можно объявлять, инициализировать и присваивать:
// всем указателям на функции-члены класса можно присвоить значение 0
int (Screen::*pmf1)() = 0;
int (Screen::*pmf2)() = &Screen::height;
pmf1 = pmf2;
pmf2 = &Screen::width;
Использование typedef может облегчить чтение объявлений указателей на члены. Например, для типа “указатель на функцию-член класса Screen без параметров, которая возвращает ссылку на объект Screen”, т.е.
Screen& (Screen::*)()
Следующий typedef определяет Action как альтернативное имя:
typedef Screen& (Screen::*Action)();
Action default = &Screen::home;
Action next = &Screen::forward;
Тип “указатель на функцию-член” можно использовать для объявления формальных параметров и типа возвращаемого значения функции. Для параметра того же типа можно также указать значение аргумента по умолчанию:
Screen& action( Screen&, Action)();
action() объявлена как принимающая два параметра: ссылку на объект класса Screen и указатель на функцию-член Screen без параметров, которая возвращает ссылку на его объект. Вызвать action() можно любым из следующих способов:
Screen meScreen;
typedef Screen& (Screen::*Action)();
Action default = &Screen::home;
extern Screen& action( Screen&, Sction = &Screen::display );
void ff()
{
action( myScreen );
action( myScreen, default );
action( myScreen, &Screen::end );
}
В следующем подразделе обсуждается вызов функции-члена посредством указателя.
Тип “массив”
Мы уже касались массивов в разделе 2.1. Массив – это набор элементов одного типа, доступ к которым производится по индексу – порядковому номеру элемента в массиве. Например:
int ival;
определяет ival как переменную типа int, а инструкция
int ia[ 10 ];
задает массив из десяти объектов типа int. К каждому из этих объектов, или элементов массива, можно обратиться с помощью операции взятия индекса:
ival = ia[ 2 ];
присваивает переменной ival значение элемента массива ia с индексом 2. Аналогично
ia[ 7 ] = ival;
присваивает элементу с индексом 7 значение ival.
Определение массива состоит из спецификатора типа, имени массива и размера. Размер задает количество элементов массива (не менее 1) и заключается в квадратные скобки. Размер массива нужно знать уже на этапе компиляции, а следовательно, он должен быть константным выражением, хотя не обязательно задается литералом. Вот примеры правильных и неправильных определений массивов:
extern int get_size();
// buf_size и max_files константы
const int buf_size = 512, max_files = 20;
int staff_size = 27;
// правильно: константа
char input_buffer[ buf_size ];
// правильно: константное выражение: 20 - 3
char *fileTable[ max_files-3 ];
// ошибка: не константа
double salaries[ staff_size ];
// ошибка: не константное выражение
int test_scores[ get_size() ];
Объекты buf_size и max_files являются константами, поэтому определения массивов input_buffer и fileTable правильны. А вот staff_size – переменная (хотя и инициализированная константой 27), значит, salaries[staff_size] недопустимо. (Компилятор не в состоянии найти значение переменной staff_size в момент определения массива salaries.)
Выражение max_files-3 может быть вычислено на этапе компиляции, следовательно, определение массива fileTable[max_files-3] синтаксически правильно.
Нумерация элементов начинается с 0, поэтому для массива из 10 элементов правильным диапазоном индексов является не 1 – 10, а 0 – 9. Вот пример перебора всех элементов массива:
int main()
{
const int array_size = 10;
int ia[ array_size ];
for ( int ix = 0; ix < array_size; ++ ix )
ia[ ix ] = ix;
}
При определении массив можно явно инициализировать, перечислив значения его элементов в фигурных скобках, через запятую:
const int array_size = 3;
int ia[ array_size ] = { 0, 1, 2 };
Если мы явно указываем список значений, то можем не указывать размер массива: компилятор сам подсчитает количество элементов:
// массив размера 3
int ia[] = { 0, 1, 2 };
Когда явно указаны и размер, и список значений, возможны три варианта. При совпадении размера и количества значений все очевидно. Если список значений короче, чем заданный размер, оставшиеся элементы массива инициализируются нулями. Если же в списке больше значений, компилятор выводит сообщение об ошибке:
// ia ==> { 0, 1, 2, 0, 0 }
const int array_size = 5;
int ia[ array_size ] = { 0, 1, 2 };
Символьный массив может быть инициализирован не только списком символьных значений в фигурных скобках, но и строковым литералом. Однако между этими способами есть некоторая разница. Допустим,
const char cal[] = {'C', '+', '+' };
const char cal2[] = "C++";
Размерность массива ca1 равна 3, массива ca2 – 4 (в строковых литералах учитывается завершающий нулевой символ). Следующее определение вызовет ошибку компиляции:
// ошибка: строка "Daniel" состоит из 7 элементов
const char ch3[ 6 ] = "Daniel";
Массиву не может быть присвоено значение другого массива, недопустима и инициализация одного массива другим. Кроме того, не разрешается использовать массив ссылок. Вот примеры правильного и неправильного употребления массивов:
const int array_size = 3;
int ix, jx, kx;
// правильно: массив указателей типа int*
int *iar [] = { &ix, &jx, &kx };
// error: массивы ссылок недопустимы
int &iar[] = { ix, jx, kx };
int main()
{
int ia3{ array_size ]; // правильно
// ошибка: встроенные массивы нельзя копировать
ia3 = ia;
return 0;
}
Чтобы скопировать один массив в другой, придется проделать это для каждого элемента по отдельности:
const int array_size = 7;
int ia1[] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
int main()
{
int ia3[ array_size ];
for ( int ix = 0; ix < array_size; ++ix )
ia2[ ix ] = ia1[ ix ];
return 0;
}
В качестве индекса массива может выступать любое выражение, дающее результат целого типа. Например:
int someVal, get_index();
ia2[ get_index() ] = someVal;
Подчеркнем, что язык С++ не обеспечивает контроля индексов массива – ни на этапе компиляции, ни на этапе выполнения. Программист сам должен следить за тем, чтобы индекс не вышел за границы массива. Ошибки при работе с индексом достаточно распространены. К сожалению, не так уж трудно встретить примеры программ, которые компилируются и даже работают, но тем не менее содержат фатальные ошибки, рано или поздно приводящие к краху.
Упражнение 3.22
Какие из приведенных определений массивов содержат ошибки? Поясните.
(a) int ia[ buf_size ]; (d) int ia[ 2 * 7 - 14 ]
(b) int ia[ get_size() ]; (e) char st[ 11 ] = "fundamental";
(c) int ia[ 4 * 7 - 14 ];
Упражнение 3.23
Следующий фрагмент кода должен инициализировать каждый элемент массива значением индекса. Найдите допущенные ошибки:
int main() {
const int array_size = 10;
int ia[ array_size ];
for ( int ix = 1; ix <= array_size; ++ix )
ia[ ia ] = ix;
// ...
}
Тип указателя на функцию
Как объявить указатель на функцию? Как выглядит формальный параметр, когда фактическим аргументом является такой указатель? Вот определение функции lexicoCompare(), которая сравнивает две строки лексикографически:
#include <string>
int lexicoCompare( const string &sl, const string &s2 ) {
return sl.compare(s2);
}
Если все символы строк s1 и s2 равны, lexicoCompare() вернет 0, в противном случае– отрицательное число, если s1 меньше чем s2, и положительное, если s1 больше s2.
Имя функции не входит в ее сигнатуру – она определяется только типом возвращаемого значения и списком параметров. Указатель на lexicoCompare() должен адресовать функцию с той же сигнатурой. Попробуем написать так:
int *pf( const string &, const string & ) ;
// нет, не совсем так
Эта инструкция почти правильна. Проблема в том, что компилятор интерпретирует ее как объявление функции с именем pf, которая возвращает указатель типа int*. Список параметров правилен, но тип возвращаемого значения не тот. Оператор разыменования (*) ассоциируется с данным типом (int в нашем случае), а не с pf. Чтобы исправить положение, нужно использовать скобки:
int (*pf)( const string &, const string & ) ;
// правильно
pf объявлен как указатель на функцию с двумя параметрами, возвращающую значение типа int, т.е. такую, как lexicoCompare().
pf способен адресовать и приведенную ниже функцию, поскольку ее сигнатура совпадает с типом lexicoCompare():
int sizeCompare( const string &sl, const string &s2 );
Функции calc() и gcd()другого типа, поэтому pf не может указывать на них:
int calc( int , int );
int gcd( int , int );
Указатель, который адресует эти две функции, определяется так:
int (*pfi)( int, int );
Многоточие является частью сигнатуры функции. Если у двух функций списки параметров отличаются только тем, что в конце одного из них стоит многоточие, то считается, что функции различны. Таковы же и типы указателей.
int printf( const char*, ... );
int strlen( const char* );
int (*pfce)( const char*, ... ); // может указывать на printf()
int (*pfc)( const char* ); // может указывать на strlen()
Типов функций столько, сколько комбинаций типов возвращаемых значений и списков параметров.
Тип возвращаемого функцией значения
Тип возвращаемого функцией значения бывает встроенным, как int или double, составным, как int& или double*, или определенным пользователем– перечислением или классом. Можно также использовать специальное ключевое слово void, которое говорит о том, что функция не возвращает никакого значения:
#include <string>
#include <vector> class Date { /* определение */ };
bool look_up( int *, int );
double calc( double );
int count( const string &, char );
Date& calendar( const char );
void sum( vector<int>&, int );
Однако функция или встроенный массив не могут быть типом возвращаемого значения. Следующий пример ошибочен:
// массив не может быть типом возвращаемого значения
int[10] foo_bar();
Но можно вернуть указатель на первый элемент массива:
// правильно: указатель на первый элемент массива
int *foo_bar();
(Размер массива должен быть известен вызывающей программе.)
Функция может возвращать типы классов, в частности контейнеры. Например:
// правильно: возвращается список символов
list<char> foo_bar();
(Этот подход не очень эффективен. Обсуждение типа возвращаемого значения см. в разделе 7.4.)
Тип возвращаемого функцией значения должен быть явно указан. Приведенный ниже код вызывает ошибку компиляции:
// ошибка: пропущен тип возвращаемого значения
const is_equa1( vector<int> vl, vector<int> v2 );
В предыдущих версиях С++ в подобных случаях считалось, что функция возвращает значение типа int. Стандарт С++ отменил это соглашение. Правильное объявление is_equal() выглядит так:
// правильно: тип возвращаемого значения указан
const bool is_equa1( vector<int> vl, vector<int> v2 );
Типы данных С++
В этой главе приводится обзор встроенных, или элементарных, типов данных языка С++. Она начинается с определения литералов, таких, как 3.14159 или pi, а затем вводится понятие переменной, или объекта, который должен принадлежать к одному из типов данных. Оставшаяся часть главы посвящена подробному описанию каждого встроенного типа. Кроме того, приводятся производные типы данных для строк и массивов, предоставляемые стандартной библиотекой С++. Хотя эти типы не являются элементарными, они очень важны для написания настоящих программ на С++, и нам хочется познакомить с ними читателя как можно раньше. Мы будем называть такие типы данных расширением базовых типов С++.
Типы классов
Механизм классов позволяет создавать новые типы данных; с его помощью введены типы string, vector, complex и pair, рассмотренные выше. В главе 2 мы рассказывали о концепциях и механизмах, поддерживающих объектный и объектно-ориентированный подход, на примере реализации класса Array. Здесь мы, основываясь на объектном подходе, создадим простой класс String, реализация которого поможет понять, в частности, перегрузку операций – мы говорили о ней в разделе 2.3. (Классы подробно рассматриваются в главах 13, 14 и 15. Мы дали краткое описание класса для того, чтобы приводить более интересные примеры. Читатель, только начинающий изучение С++, может пропустить этот раздел и подождать более систематического описания классов в следующих главах.)
Наш класс String должен поддерживать инициализацию объектом класса String, строковым литералом и встроенным строковым типом, равно как и операцию присваивания ему значений этих типов. Мы используем для этого конструкторы класса и перегруженную операцию присваивания. Доступ к отдельным символам String будет реализован как перегруженная операция взятия индекса. Кроме того, нам понадобятся: функция size() для получения информации о длине строки; операция сравнения объектов типа String и объекта String со строкой встроенного типа; а также операции ввода/вывода нашего объекта. В заключение мы реализуем возможность доступа к внутреннему представлению нашей строки в виде строки встроенного типа.
Определение класса начинается ключевым словом class, за которым следует идентификатор – имя класса, или типа. В общем случае класс состоит из секций, предваряемых словами public (открытая) и private (закрытая). Открытая секция, как правило, содержит набор операций, поддерживаемых классом и называемых методами или функциями-членами класса. Эти функции-члены определяют открытый интерфейс класса, другими словами, набор действий, которые можно совершать с объектами данного класса. В закрытую секцию обычно включают данные-члены, обеспечивающие внутреннюю реализацию. В нашем случае к внутренним членам относятся _string – указатель на char, а также _size типа int. _size будет хранить информацию о длине строки, а _string – динамически выделенный массив символов. Вот как выглядит определение класса:
#inc1ude <iostream>
class String;
istream& operator>>( istream&, String& );
ostream& operator<<( ostream&, const String& );
class String {
public:
// набор конструкторов
// для автоматической инициализации
// String strl; // String()
// String str2( "literal" ); // String( const char* );
// String str3( str2 ); // String( const String& );
String();
String( const char* );
String( const String& );
// деструктор
~String();
// операторы присваивания
// strl = str2
// str3 = "a string literal"
String& operator=( const String& );
String& operator=( const char* );
// операторы проверки на равенство
// strl == str2;
// str3 == "a string literal";
bool operator==( const String& );
bool operator==( const char* );
// перегрузка оператора доступа по индексу
// strl[ 0 ] = str2[ 0 ];
char& operator[]( int );
// доступ к членам класса
int size() { return _size; }
char* c_str() { return _string; }
private:
int _size;
char *_string;
}
Класс String имеет три конструктора. Как было сказано в разделе 2.3, механизм перегрузки позволяет определять несколько реализаций функций с одним именем, если все они различаются количеством и/или типами своих параметров. Первый конструктор
String();
является конструктором по умолчанию, потому что не требует явного указания начального значения. Когда мы пишем:
String str1;
для str1 вызывается такой конструктор.
Два оставшихся конструктора имеют по одному параметру. Так, для
String str2("строка символов");
вызывается конструктор
String(const char*);
а для
String str3(str2);
конструктор
String(const String&);
Тип вызываемого конструктора определяется типом фактического аргумента. Последний из конструкторов, String(const String&), называется копирующим, так как он инициализирует объект копией другого объекта.
Если же написать:
String str4(1024);
то это вызовет ошибку компиляции, потому что нет ни одного конструктора с параметром типа int.
Объявление перегруженного оператора имеет следующий формат:
return_type operator op (parameter_list);
где operator – ключевое слово, а op – один из предопределенных операторов: +, =, ==, [] и так далее. (Точное определение синтаксиса см. в главе 15.) Вот объявление перегруженного оператора взятия индекса:
char& operator[] (int);
Этот оператор имеет единственный параметр типа int и возвращает ссылку на char. Перегруженный оператор сам может быть перегружен, если списки параметров отдельных конкретизаций различаются. Для нашего класса String мы создадим по два различных оператора присваивания и проверки на равенство.
Для вызова функции-члена применяются операторы доступа к членам – точка (.) или стрелка (->). Пусть мы имеем объявления объектов типа String:
String object("Danny");
String *ptr = new String ("Anna");
String array[2];
Вот как выглядит вызов функции size() для этих объектов:
vector<int> sizes( 3 );
// доступ к члену для objects (.);
// objects имеет размер 5
sizes[ 0 ] = object.size();
// доступ к члену для pointers (->)
// ptr имеет размер 4
sizes[ 1 ] = ptr->size();
// доступ к члену (.)
// array[0] имеет размер 0
sizes[ 2 ] = array[0].size();
Она возвращает соответственно 5, 4 и 0.
Перегруженные операторы применяются к объекту так же, как обычные:
String namel( "Yadie" );
String name2( "Yodie" );
// bool operator==(const String&)
if ( namel == name2 )
return;
else
// String& operator=( const String& )
namel = name2;
Объявление функции-члена должно находиться внутри определения класса, а определение функции может стоять как внутри определения класса, так и вне его. (Обе функции size() и c_str() определяются внутри класса.) Если функция определяется вне класса, то мы должны указать, кроме всего прочего, к какому классу она принадлежит. В этом случае определение функции помещается в исходный файл, допустим, String.C, а определение самого класса – в заголовочный файл (String.h в нашем примере), который должен включаться в исходный:
// содержимое исходного файла: String.С
// включение определения класса String
#inc1ude "String.h"
// включение определения функции strcmp()
#inc1ude <cstring>
bool // тип возвращаемого значения
String:: // класс, которому принадлежит функция
operator== // имя функции: оператор равенства
(const String &rhs) // список параметров
{
if ( _size != rhs._size )
return false;
return strcmp( _strinq, rhs._string ) ?
false : true;
}
Напомним, что strcmp() – функция стандартной библиотеки С. Она сравнивает две строки встроенного типа, возвращая 0 в случае равенства строк и ненулевое значение в случае неравенства. Условный оператор (?:) проверяет значение, стоящее перед знаком вопроса. Если оно истинно, возвращается значение выражения, стоящего слева от двоеточия, в противном случае – стоящего справа. В нашем примере значение выражения равно false, если strcmp() вернула ненулевое значение, и true – если нулевое. (Условный оператор рассматривается в разделе 4.7.)
Операция сравнения довольно часто используется, реализующая ее функция получилась небольшой, поэтому полезно объявить эту функцию встроенной (inline). Компилятор подставляет текст функции вместо ее вызова, поэтому время на такой вызов не затрачивается. (Встроенные функции рассматриваются в разделе 7.6.) Функция-член, определенная внутри класса, является встроенной по умолчанию. Если же она определена вне класса, чтобы объявить ее встроенной, нужно употребить ключевое слово inline:
inline bool
String::operator==(const String &rhs)
{
// то же самое
}
Определение встроенной функции должно находиться в заголовочном файле, содержащем определение класса. Переопределив оператор == как встроенный, мы должны переместить сам текст функции из файла String.C в файл String.h.
Ниже приводится реализация операции сравнения объекта String со строкой встроенного типа:
inline bool
String::operator==(const char *s)
{
return strcmp( _string, s ) ? false : true;
}
Имя конструктора совпадает с именем класса. Считается, что он не возвращает значение, поэтому не нужно задавать возвращаемое значение ни в его определении, ни в его теле. Конструкторов может быть несколько. Как и любая другая функция, они могут быть объявлены встроенными.
#include <cstring>
// default constructor
inline String::String()
{
_size = 0;
_string = 0;
}
inline String::String( const char *str )
{
if ( ! str ) {
_size = 0; _string = 0;
}
else {
_size = str1en( str );
_string = new char[ _size + 1 ];
strcpy( _string, str );
}
// copy constructor
inline String::String( const String &rhs )
{
size = rhs._size;
if ( ! rhs._string )
_string = 0;
else {
_string = new char[ _size + 1 ];
strcpy( _string, rhs._string );
}
}
Поскольку мы динамически выделяли память с помощью оператора new, необходимо освободить ее вызовом delete, когда объект String нам больше не нужен. Для этой цели служит еще одна специальная функция-член – деструктор, автоматически вызываемый для объекта в тот момент, когда этот объект перестает существовать. (См. главу 7 о времени жизни объекта.) Имя деструктора образовано из символа тильды (~) и имени класса. Вот определение деструктора класса String. Именно в нем мы вызываем операцию delete, чтобы освободить память, выделенную в конструкторе:
inline String: :~String() { delete [] _string; }
В обоих перегруженных операторах присваивания используется специальное ключевое слово this.
Когда мы пишем:
String namel( "orville" ), name2( "wilbur" );
namel = "Orville Wright";
this является указателем, адресующим объект name1 внутри тела функции операции присваивания.
this всегда указывает на объект класса, через который происходит вызов функции. Если
ptr->size();
obj[ 1024 ];
то внутри size() значением this будет адрес, хранящийся в ptr. Внутри операции взятия индекса this содержит адрес obj. Разыменовывая this (использованием *this), мы получаем сам объект. (Указатель this детально описан в разделе 13.4.)
inline String&
String::operator=( const char *s )
{
if ( ! s ) {
_size = 0;
delete [] _string;
_string = 0;
}
else {
_size = str1en( s );
delete [] _string;
_string = new char[ _size + 1 ];
strcpy( _string, s );
}
return *this;
}
При реализации операции присваивания довольно часто допускают одну ошибку: забывают проверить, не является ли копируемый объект тем же самым, в который происходит копирование. Мы выполним эту проверку, используя все тот же указатель this:
inline String&
String::operator=( const String &rhs )
{
// в выражении
// namel = *pointer_to_string
// this представляет собой name1,
// rhs - *pointer_to_string.
if ( this != &rhs ) {
Вот полный текст операции присваивания объекту String объекта того же типа:
inline String&
String::operator=( const String &rhs )
{
if ( this != &rhs ) {
delete [] _string;
_size = rhs._size;
if ( ! rhs._string )
_string = 0;
else {
_string = new char[ _size + 1 ];
strcpy( _string, rhs._string );
}
}
return *this;
}
Операция взятия индекса практически совпадает с ее реализацией для массива Array, который мы создали в разделе 2.3:
#include <cassert>
inline char&
String::operator[] ( int elem )
{
assert( elem >= 0 && elem < _size );
return _string[ elem ];
}
Операторы ввода и вывода реализуются как отдельные функции, а не члены класса. (О причинах этого мы поговорим в разделе 15.2. В разделах 20.4 и 20.5 рассказывается о перегрузке операторов ввода и вывода библиотеки iostream.) Наш оператор ввода может прочесть не более 4095 символов. setw() – предопределенный манипулятор, он читает из входного потока заданное число символов минус 1, гарантируя тем самым, что мы не переполним наш внутренний буфер inBuf. (В главе 20 манипулятор setw() рассматривается детально.) Для использования манипуляторов нужно включить соответствующий заголовочный файл:
#include <iomanip>
inline istream&
operator>>( istream &io, String &s )
{
// искусственное ограничение: 4096 символов
const int 1imit_string_size = 4096;
char inBuf[ limit_string_size ];
// setw() входит в библиотеку iostream
// он ограничивает размер читаемого блока до 1imit_string_size-l
io >> setw( 1imit_string_size ) >> inBuf;
s = mBuf; // String::operator=( const char* );
return io;
}
Оператору вывода необходим доступ к внутреннему представлению строки String. Так как operator<< не является функцией-членом, он не имеет доступа к закрытому члену данных _string. Ситуацию можно разрешить двумя способами: объявить operator<< дружественным классу String, используя ключевое слово friend (дружественные отношения рассматриваются в разделе 15.2), или реализовать встраиваемую (inline) функцию для доступа к этому члену. В нашем случае уже есть такая функция: c_str() обеспечивает доступ к внутреннему представлению строки. Воспользуемся ею при реализации операции вывода:
inline ostream&
operator<<( ostream& os, const String &s )
{
return os << s.c_str();
}
Ниже приводится пример программы, использующей класс String. Эта программа берет слова из входного потока и подсчитывает их общее число, а также количество слов "the" и "it" и регистрирует встретившиеся гласные.
#include <iostream>
#inc1ude "String.h"
int main() {
int aCnt = 0, eCnt = 0, iCnt = 0, oCnt = 0, uCnt = 0,
theCnt = 0, itCnt = 0, wdCnt = 0, notVowel = 0;
// Слова "The" и "It"
// будем проверять с помощью operator==( const char* )
String but, the( "the" ), it( "it" );
// operator>>( ostream&, String& )
while ( cin >> buf ) {
++wdCnt;
// operator<<( ostream&, const String& )
cout << buf << ' ';
if ( wdCnt % 12 == 0 )
cout << endl;
// String::operator==( const String& ) and
// String::operator==( const char* );
if ( buf == the | | buf == "The" )
++theCnt;
else
if ( buf == it || buf == "It" )
++itCnt;
// invokes String::s-ize()
for ( int ix =0; ix < buf.sizeO; ++ix )
{
// invokes String:: operator [] (int)
switch( buf[ ix ] )
{
case 'a': case 'A': ++aCnt; break;
case 'e': case 'E': ++eCnt; break;
case 'i': case 'I': ++iCnt; break;
case 'o': case '0': ++oCnt; break;
case 'u': case 'U': ++uCnt; break;
default: ++notVowe1; break;
}
}
}
// operator<<( ostream&, const String& )
cout << "\n\n"
<< "Слов: " << wdCnt << "\n\n"
<< "the/The: " << theCnt << '\n'
<< "it/It: " << itCnt << "\n\n"
<< "согласных: " < <notVowel << "\n\n"
<< "a: " << aCnt << '\n'
<< "e: " << eCnt << '\n'
<< "i: " << ICnt << '\n'
<< "o: " << oCnt << '\n'
<< "u: " << uCnt << endl;
}
Протестируем программу: предложим ей абзац из детского рассказа, написанного одним из авторов этой книги (мы еще встретимся с этим рассказом в главе 6). Вот результат работы программы:
Alice Emma has long flowing red hair. Her Daddy says when the
wind blows through her hair, it looks almost alive, 1ike a fiery
bird in flight. A beautiful fiery bird, he tells her, magical but
untamed. "Daddy, shush, there is no such thing," she tells him, at
the same time wanting him to tell her more. Shyly, she asks,
"I mean, Daddy, is there?"
Слов: 65
the/The: 2
it/It: 1
согласных: 190
a: 22
e: 30
i: 24
о: 10
u: 7
Упражнение 3.26
В наших реализациях конструкторов и операций присваивания содержится много повторов. Попробуйте вынести повторяющийся код в отдельную закрытую функцию-член, как это было сделано в разделе 2.3. Убедитесь, что новый вариант работоспособен.
Упражнение 3.27
Модифицируйте тестовую программу так, чтобы она подсчитывала и согласные b, d, f, s, t.
Упражнение 3.28
Напишите функцию-член, подсчитывающую количество вхождений символа в строку String, используя следующее объявление:
class String {
public:
// ...
int count( char ch ) const;
// ...
};
Упражнение 3.29
Реализуйте оператор конкатенации строк (+) так, чтобы он конкатенировал две строки и возвращал результат в новом объекте String. Вот объявление функции:
class String {
public:
// ...
String operator+( const String &rhs ) const;
// ...
};
