Страница:
Функция – это именованная часть программы, к которой можно обращаться из других частей программы столько раз, сколько потребуется. Рассмотрим программу, печатающую степени числа 2:
extern float pow(float, int); //pow() определена в другом месте
main() (* for (int i=0; i«10; i++) cout „« pow(2,i) «« «\n“; *)
Первая строка функции – ее описание, указывающее, что pow – функция, получающая параметры типа float и int и возвращающая float. Описание функции используется для того, чтобы сделать определенными обращения к функции в других местах.
При вызове функции тип каждого параметра сопоставляется с ожидаемым типом точно так же, как если бы инициализировалась переменная описанного типа. Это гарантирует надлежащую проверку и преобразование типов. Например, обращение pow(12.3,"abcd") вызовет недовольство компилятора, поскольку «abcd» является строкой, а не int. При вызове pow(2,i) компилятор преобразует 2 к типу float, как того требует функция. Функция pow может быть определена например так:
float pow(float x, int n) (* if (n « 0) error(„sorry, negative exponent to pow()“); // извините, отрицательный показатель для pow() switch (n) (* case 0: return 1; case 1: return x; default: return x*pow(x,n-1); *) *) Первая часть определения функции задает имя функции, тип возвращаемого ею значения (если таковое имеется) и типы и имена ее параметров (если они есть). Значение возвращается из функции с помощью оператора return.
Разные функции, обычно имеют разные имена, но функциям, выполняющим сходные действия над объектами различных типов, иногда лучше дать возможность иметь одинаковые имена. Если типы их параметров различны, то компилятор всегда может различить их и выбрать для вызова нужную функцию. Может, например, иметься одна функция возведения в степень для целых переменных и другая для переменных с плавающей точкой:
overload pow; int pow(int, int); double pow(double, double); //... x=pow(2,10); y=pow(2.0,10.0);
Описание overload pow;
сообщает компилятору, что использование имени pow более чем для одной функции является умышленным.
Если функция не возвращает значения, то ее следует описать как void:
void swap(int* p, int* q) // поменять местами (* int t = *p; *p = *q; *q = t; *)
extern float pow(float, int); //pow() определена в другом месте
main() (* for (int i=0; i«10; i++) cout „« pow(2,i) «« «\n“; *)
Первая строка функции – ее описание, указывающее, что pow – функция, получающая параметры типа float и int и возвращающая float. Описание функции используется для того, чтобы сделать определенными обращения к функции в других местах.
При вызове функции тип каждого параметра сопоставляется с ожидаемым типом точно так же, как если бы инициализировалась переменная описанного типа. Это гарантирует надлежащую проверку и преобразование типов. Например, обращение pow(12.3,"abcd") вызовет недовольство компилятора, поскольку «abcd» является строкой, а не int. При вызове pow(2,i) компилятор преобразует 2 к типу float, как того требует функция. Функция pow может быть определена например так:
float pow(float x, int n) (* if (n « 0) error(„sorry, negative exponent to pow()“); // извините, отрицательный показатель для pow() switch (n) (* case 0: return 1; case 1: return x; default: return x*pow(x,n-1); *) *) Первая часть определения функции задает имя функции, тип возвращаемого ею значения (если таковое имеется) и типы и имена ее параметров (если они есть). Значение возвращается из функции с помощью оператора return.
Разные функции, обычно имеют разные имена, но функциям, выполняющим сходные действия над объектами различных типов, иногда лучше дать возможность иметь одинаковые имена. Если типы их параметров различны, то компилятор всегда может различить их и выбрать для вызова нужную функцию. Может, например, иметься одна функция возведения в степень для целых переменных и другая для переменных с плавающей точкой:
overload pow; int pow(int, int); double pow(double, double); //... x=pow(2,10); y=pow(2.0,10.0);
Описание overload pow;
сообщает компилятору, что использование имени pow более чем для одной функции является умышленным.
Если функция не возвращает значения, то ее следует описать как void:
void swap(int* p, int* q) // поменять местами (* int t = *p; *p = *q; *q = t; *)
1.6 Структура программы
Программа на С++ обычно состоит из большого числа исходных файлов, каждый из которых содержит описания типов, функций, переменных и констант. Чтобы имя можно было использовать в разных исходных файлах для ссылки на один и тот же объект, оно должно быть описано как внешнее. Например:
extern double sqrt(double); extern instream cin;
Самый обычный способ обеспечить согласованность исходных файлов – это поместить такие описания в отдельные файлы, называемые заголовочными (или хедер) файлами, а затем включить, то есть скопировать, эти заголовочные файлы во все файлы, где нужны эти описания. Например, если описание sqrt хранится в заголовочном файле для стандартных математических функций math.h, и вы хотите извлечь квадратный корень из 4, можно написать:
#include «math.h» //... x = sqrt(4);
Поскольку обычные заголовочные файлы включаются во многие исходные файлы, они не содержат описаний, которые не должны повторяться. Например, тела функций даются только для inline-подставляемых функций (#1.12) и инициализаторы даются только для констант (#1.3.1). За исключением этих случаев, заголовочный файл является хранилищем информации о типах. Он обеспечивает интерфейс между отдельно компилируемыми частями программы.
В команде включения include имя файла, заключенное в угловые скобки, например «math.h», относится к файлу с этим именем в стандартном каталоге (часто это /usr/include/CC), на файлы, находящиеся в каких-либо других местах ссылаются с помощью имен, заключенных в двойные кавычки. Например:
#include «math1.h» #include «/usr/bs/math2.h»
включит math1.h из текущего пользовательского каталога, а math2.h из каталога /usr/bs.
Здесь приводится очень маленький законченный пример программы, в котором строка определяется в одном файле, а ее печать производится в другом. Файл header.h определяет необходимые типы:
// header.h
extern char* prog_name; extern void f();
В файле main.c находится главная программа:
// main.c
#include «header.h» char* prog_name = «дурацкий, но полный»; main() (* f(); *)
а файл f.c печатает строку:
// f.c
#include «stream.h» #include «header.h» void f() (* cout «„ prog_name «« «\n“; *)
Скомпилировать и запустить программу вы можете например так:
$ CC main.c f.c -o silly $ silly дурацкий, но полный $
extern double sqrt(double); extern instream cin;
Самый обычный способ обеспечить согласованность исходных файлов – это поместить такие описания в отдельные файлы, называемые заголовочными (или хедер) файлами, а затем включить, то есть скопировать, эти заголовочные файлы во все файлы, где нужны эти описания. Например, если описание sqrt хранится в заголовочном файле для стандартных математических функций math.h, и вы хотите извлечь квадратный корень из 4, можно написать:
#include «math.h» //... x = sqrt(4);
Поскольку обычные заголовочные файлы включаются во многие исходные файлы, они не содержат описаний, которые не должны повторяться. Например, тела функций даются только для inline-подставляемых функций (#1.12) и инициализаторы даются только для констант (#1.3.1). За исключением этих случаев, заголовочный файл является хранилищем информации о типах. Он обеспечивает интерфейс между отдельно компилируемыми частями программы.
В команде включения include имя файла, заключенное в угловые скобки, например «math.h», относится к файлу с этим именем в стандартном каталоге (часто это /usr/include/CC), на файлы, находящиеся в каких-либо других местах ссылаются с помощью имен, заключенных в двойные кавычки. Например:
#include «math1.h» #include «/usr/bs/math2.h»
включит math1.h из текущего пользовательского каталога, а math2.h из каталога /usr/bs.
Здесь приводится очень маленький законченный пример программы, в котором строка определяется в одном файле, а ее печать производится в другом. Файл header.h определяет необходимые типы:
// header.h
extern char* prog_name; extern void f();
В файле main.c находится главная программа:
// main.c
#include «header.h» char* prog_name = «дурацкий, но полный»; main() (* f(); *)
а файл f.c печатает строку:
// f.c
#include «stream.h» #include «header.h» void f() (* cout «„ prog_name «« «\n“; *)
Скомпилировать и запустить программу вы можете например так:
$ CC main.c f.c -o silly $ silly дурацкий, но полный $
1.7 Классы
Давайте посмотрим, как мы могли бы определить тип потока вывода ostream. Чтобы упростить задачу, предположим, что для буферизации определен тип streambuf. Тип streambuf на самом деле определен в «stream.h», где также находится и настоящее определение ostream.
Пожалуйста, не испытывайте примеры, определяющие ostream в этом и последующих разделах. Пока вы не сможете полностью избежать использования «stream.h», компилятор будет возражать против переопределений.
Определение типа, определяемого пользователем (который в С++ называется class, т.е. класс), специфицирует данные, необходимые для представления объекта этого типа, и множество операций для работы с этими объектами. Определение имеет две части: закрытую (private) часть, содержащую информацию, которой может пользоваться только его разработчик, и открытую (public) часть, представляющую интерфейс типа с пользователем:
class ostream (* streambuf* buf; int state; public: void put(char*); void put(long); void put(double); *)
Описания после метки public: задают интерфейс: пользователь может обращаться только к трем функциям put(). Описания перед меткой public задают представление объекта класса ostream. Имена buf и state могут использоваться только функциями put(), описанными в открытой части.
class определяет тип, а не объект данных, поэтому чтобы использовать ostream, мы должны один такой объект описать (так же, как мы описываем переменные типа int):
ostream my_out;
Считая, что my_out был соответствующим образом проинициализирован (как, объясняется в #1.10), его можно использовать например так:
my_out.put(«Hello, world\n»);
С помощью операции точка выбирается член класса для данного объекта этого класса. Здесь для объекта my_out вызывается член функция put().
Функция может определяться так:
void ostream::put(char* p) (* while (*p) buf.sputc(*p++); *)
где sputc() – функция, которая помещает символ в streambuf. Префикс ostream необходим, чтобы отличить put() ostream'а от других функций с именем put().
Для обращения к функции члену должен быть указан объект класса. В функции члене можно ссылаться на этот объект неявно, как это делалось выше в ostream::put(): в каждом вызове buf относится к члену buf объекта, для которого функция вызвана. Можно также ссылаться на этот объект явно посредством указателя с именем this. В функции члене класса X this неявно описан как X* (указатель на X) и инициализирован указателем на тот объект, для которого эта функция вызвана. Определение ostream::put() можно также записать в виде:
void ostream::put(char* p) (* while (*p) this-»buf.sputc(*p++); *) Операция -» применяется для выбора члена объекта, заданного указателем.
Пожалуйста, не испытывайте примеры, определяющие ostream в этом и последующих разделах. Пока вы не сможете полностью избежать использования «stream.h», компилятор будет возражать против переопределений.
Определение типа, определяемого пользователем (который в С++ называется class, т.е. класс), специфицирует данные, необходимые для представления объекта этого типа, и множество операций для работы с этими объектами. Определение имеет две части: закрытую (private) часть, содержащую информацию, которой может пользоваться только его разработчик, и открытую (public) часть, представляющую интерфейс типа с пользователем:
class ostream (* streambuf* buf; int state; public: void put(char*); void put(long); void put(double); *)
Описания после метки public: задают интерфейс: пользователь может обращаться только к трем функциям put(). Описания перед меткой public задают представление объекта класса ostream. Имена buf и state могут использоваться только функциями put(), описанными в открытой части.
class определяет тип, а не объект данных, поэтому чтобы использовать ostream, мы должны один такой объект описать (так же, как мы описываем переменные типа int):
ostream my_out;
Считая, что my_out был соответствующим образом проинициализирован (как, объясняется в #1.10), его можно использовать например так:
my_out.put(«Hello, world\n»);
С помощью операции точка выбирается член класса для данного объекта этого класса. Здесь для объекта my_out вызывается член функция put().
Функция может определяться так:
void ostream::put(char* p) (* while (*p) buf.sputc(*p++); *)
где sputc() – функция, которая помещает символ в streambuf. Префикс ostream необходим, чтобы отличить put() ostream'а от других функций с именем put().
Для обращения к функции члену должен быть указан объект класса. В функции члене можно ссылаться на этот объект неявно, как это делалось выше в ostream::put(): в каждом вызове buf относится к члену buf объекта, для которого функция вызвана. Можно также ссылаться на этот объект явно посредством указателя с именем this. В функции члене класса X this неявно описан как X* (указатель на X) и инициализирован указателем на тот объект, для которого эта функция вызвана. Определение ostream::put() можно также записать в виде:
void ostream::put(char* p) (* while (*p) this-»buf.sputc(*p++); *) Операция -» применяется для выбора члена объекта, заданного указателем.
1.8 Перегрузка операций
Настоящий класс ostream определяет операцию ««, чтобы сделать удобным вывод нескольких объектов одним оператором. Давайте посмотрим, как это сделано.
Чтобы определить @, где @ – некоторая операция языка С++, для каждого определяемого пользователем типа вы определяете функцию с именем operator@, которая получает параметры соответствующего типа. Например:
class ostream (* //... ostream operator««(char*); *);
ostream ostream::operator««(char* p) (* while (*p) buf.sputc(*p++); return *this; *)
определяет операцию «« как член класса ostream, поэтому s««p интерпретируется как s.operator««(p), когда s является ostream и p – указатель на символ. Операция «« бинарна, а функция operator««(char*) на первый взгляд имеет только один параметр. Однако, помимо этого она имеет свой стандартный параметр this.
То, что в качестве возвращаемого значения возвращается ostream, позволяет применять «« к результату операции вывода. Например, s««p««q интерпретируется как (s.operator««(p)).operator««(q). Так задаются операции вывода для встроенных типов.
С помощью множества операций, заданных как открытые члены класса ostream, вы можете теперь определить «« для такого определяемого типа, как complex, не изменяя описание класса ostream:
ostream operator««(ostream s, complex z) // у complex две части: действительная real и мнимая imag // печатает complex как (real,imag) (* return s «« "(" «« z.real «« "," «« z.imag «« ")'; *)
Поскольку operator««(ostream,complex) не является функцией членом, для бинарности необходимо два явных параметра. Вывод значений будет производиться в правильном порядке, потому что ««, как и большинство операций С++, группирует слева направо, то есть f««b««c означает (a««b)««c. При интерпретации операций компилятору известна разница между функциями членами и функциями не членами. Например, если z – комплексная переменная, то s««z будет расширяться с помощью вызова стандартной функции (не члена) operator««(s,z).
Чтобы определить @, где @ – некоторая операция языка С++, для каждого определяемого пользователем типа вы определяете функцию с именем operator@, которая получает параметры соответствующего типа. Например:
class ostream (* //... ostream operator««(char*); *);
ostream ostream::operator««(char* p) (* while (*p) buf.sputc(*p++); return *this; *)
определяет операцию «« как член класса ostream, поэтому s««p интерпретируется как s.operator««(p), когда s является ostream и p – указатель на символ. Операция «« бинарна, а функция operator««(char*) на первый взгляд имеет только один параметр. Однако, помимо этого она имеет свой стандартный параметр this.
То, что в качестве возвращаемого значения возвращается ostream, позволяет применять «« к результату операции вывода. Например, s««p««q интерпретируется как (s.operator««(p)).operator««(q). Так задаются операции вывода для встроенных типов.
С помощью множества операций, заданных как открытые члены класса ostream, вы можете теперь определить «« для такого определяемого типа, как complex, не изменяя описание класса ostream:
ostream operator««(ostream s, complex z) // у complex две части: действительная real и мнимая imag // печатает complex как (real,imag) (* return s «« "(" «« z.real «« "," «« z.imag «« ")'; *)
Поскольку operator««(ostream,complex) не является функцией членом, для бинарности необходимо два явных параметра. Вывод значений будет производиться в правильном порядке, потому что ««, как и большинство операций С++, группирует слева направо, то есть f««b««c означает (a««b)««c. При интерпретации операций компилятору известна разница между функциями членами и функциями не членами. Например, если z – комплексная переменная, то s««z будет расширяться с помощью вызова стандартной функции (не члена) operator««(s,z).
1.9 Ссылки
К сожалению, последняя версия ostream содержит серьезную ошибку и к тому же очень неэффективна. Сложность состоит в том, что ostream копируется дважды при каждом использовании ««: один раз как параметр и один раз как возвращаемое значение. Это оставляет state неизмененным после каждого вызова. Необходима возможность передачи указателя на ostream вместо передачи самого ostream.
Это можно сделать с помощью ссылок. Ссылка действует как имя для объекта. T amp; означает ссылку на T. Ссылка должна быть инициализирована, и она становится другим именем того объекта, которым она инициализирована. Например:
ostream amp; s1 = my_out; ostream amp; s2 = cout;
Теперь можно использовать ссылку s1 и my_out одинаково, и они будут иметь одинаковые значения. Например, присваивание
s1 = s2;
копирует объект, на который ссылается s2 (то есть, cout), в объект, на который ссылается s1 (то есть, my_out). Члены берутся с помощью операции точка
s1.put(«не надо использовать -»»);
а если применить операцию взятия адреса, то вы получите адрес объекта, на который ссылается ссылка:
amp;s1 == amp;my_out
Первая очевидная польза от ссылок состоит в том, чтобы обеспечить передачу адреса объекта, а не самого объекта, в функцию вывода (в некоторых языках это называется вызов по ссылке):
ostream amp; operator««(ostream amp; s, complex z) (* return s «« "(" «« z.real «« "," «« z.imag «« ")"; *)
Достаточно интересно, что тело функции осталось без изменений, но если вы будете осуществлять присваивание s, то будете воздействовать на сам объект, а не на его копию. В данном случае то, что возвращается ссылка, также повышает эффективность, поскольку очевидный способ реализации ссылки – это указатель, а передача указателя гораздо дешевле, чем передача большой структуры данных.
Ссылки также существенны для определения потока ввода, поскольку операция ввода получает в качестве операнда переменную для считывания. Если бы ссылки не использовались, то пользователь должен был бы явно передавать указатели в функции ввода.
class istream (* //... int state; public: istream amp; operator»»(char amp;); istream amp; operator»»(char*); istream amp; operator»»(int amp;); istream amp; operator»»(long amp;); //... *);
Заметьте, что для чтения long и int используются разные функции, тогда как для их печати требовалась только одна. Это вполне обычно, и причина в том, что int может быть преобразовано в long по стандартным правилам неявного преобразования (#с.6.6), избавляя таким образом программиста от беспокойства по поводу написания обеих функций ввода.
Это можно сделать с помощью ссылок. Ссылка действует как имя для объекта. T amp; означает ссылку на T. Ссылка должна быть инициализирована, и она становится другим именем того объекта, которым она инициализирована. Например:
ostream amp; s1 = my_out; ostream amp; s2 = cout;
Теперь можно использовать ссылку s1 и my_out одинаково, и они будут иметь одинаковые значения. Например, присваивание
s1 = s2;
копирует объект, на который ссылается s2 (то есть, cout), в объект, на который ссылается s1 (то есть, my_out). Члены берутся с помощью операции точка
s1.put(«не надо использовать -»»);
а если применить операцию взятия адреса, то вы получите адрес объекта, на который ссылается ссылка:
amp;s1 == amp;my_out
Первая очевидная польза от ссылок состоит в том, чтобы обеспечить передачу адреса объекта, а не самого объекта, в функцию вывода (в некоторых языках это называется вызов по ссылке):
ostream amp; operator««(ostream amp; s, complex z) (* return s «« "(" «« z.real «« "," «« z.imag «« ")"; *)
Достаточно интересно, что тело функции осталось без изменений, но если вы будете осуществлять присваивание s, то будете воздействовать на сам объект, а не на его копию. В данном случае то, что возвращается ссылка, также повышает эффективность, поскольку очевидный способ реализации ссылки – это указатель, а передача указателя гораздо дешевле, чем передача большой структуры данных.
Ссылки также существенны для определения потока ввода, поскольку операция ввода получает в качестве операнда переменную для считывания. Если бы ссылки не использовались, то пользователь должен был бы явно передавать указатели в функции ввода.
class istream (* //... int state; public: istream amp; operator»»(char amp;); istream amp; operator»»(char*); istream amp; operator»»(int amp;); istream amp; operator»»(long amp;); //... *);
Заметьте, что для чтения long и int используются разные функции, тогда как для их печати требовалась только одна. Это вполне обычно, и причина в том, что int может быть преобразовано в long по стандартным правилам неявного преобразования (#с.6.6), избавляя таким образом программиста от беспокойства по поводу написания обеих функций ввода.
1.10 Конструкторы
Определение ostream как класса сделало члены данные зарытыми. Только функция член имеет доступ к закрытым членам, поэтому надо предусмотреть функцию для инициализации. Такая функция называется конструктором и отличается тем, что имеет то же имя, что и ее класс:
class ostream (* //... ostream(streambuf*); ostream(int size, char* s); *);
Здесь задано два конструктора. Один получает вышеупомянутый streambuf для реального вывода, другой получает размер и указатель на символ для форматирования строки. В описании необходимый для конструктора список параметров присоединяется к имени. Теперь вы можете, например, описать такие потоки:
ostream my_out( amp;some_stream_buffer); char xx[256]; ostream xx_stream(256,xx);
Описание my_out не только задает соответствующий объем памяти где-то в другом месте, оно также вызывает конструктор ostream::ostream(streambuf*), чтобы инициализировать его параметром amp;some_stream_buffer, предположительно указателем на подходящий объект класса streambuf. Описание конструкторов для класса не только дает способ инициализации объектов, но также обеспечивает то, что все объекты этого класса будут проинициализированы. Если для класса были описаны конструкторы, то невозможно описать переменную этого класса так, чтобы конструктор не был вызван. Если класс имеет конструктор, не получающий параметров, то этот конструктор будет вызываться в том случае, если в описании нет ни одного параметра.
class ostream (* //... ostream(streambuf*); ostream(int size, char* s); *);
Здесь задано два конструктора. Один получает вышеупомянутый streambuf для реального вывода, другой получает размер и указатель на символ для форматирования строки. В описании необходимый для конструктора список параметров присоединяется к имени. Теперь вы можете, например, описать такие потоки:
ostream my_out( amp;some_stream_buffer); char xx[256]; ostream xx_stream(256,xx);
Описание my_out не только задает соответствующий объем памяти где-то в другом месте, оно также вызывает конструктор ostream::ostream(streambuf*), чтобы инициализировать его параметром amp;some_stream_buffer, предположительно указателем на подходящий объект класса streambuf. Описание конструкторов для класса не только дает способ инициализации объектов, но также обеспечивает то, что все объекты этого класса будут проинициализированы. Если для класса были описаны конструкторы, то невозможно описать переменную этого класса так, чтобы конструктор не был вызван. Если класс имеет конструктор, не получающий параметров, то этот конструктор будет вызываться в том случае, если в описании нет ни одного параметра.
1.11 Вектора
Встроенное в С++ понятие вектора было разработано так, чтобы обеспечить максимальную эффективность выполнения при минимальном расходе памяти. Оно также (особенно когда используется совместно с указателями) является весьма универсальным инструментом для построения средств более высокого уровня. Вы могли бы, конечно, возразить, что размер вектора должен задаваться как константа, что нет проверки выхода за границы вектора и т.д. Ответ на подобные возражения таков: «Вы можете запрограммировать это сами.» Давайте посмотрим, действительно ли оправдан такой ответ. Другими словами, проверим средства абстракции языка С++, попытавшись реализовать эти возможности для векторных типов, которые мы создадим сами, и посмотрим, какие с этим связаны трудности, каких это требует затрат, и насколько получившиеся векторные типы удобны в обращении. class vector (* int* v; int sz; public: vector(int); // конструктор ~vector(); // деструктор int size() (* return sz; *) void set_size(int); int amp; operator[](int); int amp; elem(int i) (* return v[i]; *) *); Функция size возвращает число элементов вектора, таким образом индексы должны лежать в диапазоне 0 ... size()-1. Функция set_size сделана для изменения этого размера, elem обеспечивает доступ к элементам без проверки индекса, а operator[] дает доступ с проверкой границ.
Идея состоит в том, чтобы класс сам был структурой фиксированного размера, управляющей доступом к фактической памяти вектора, которая выделяется конструктором вектора с помощью распределителя свободной памяти new:
vector::vector(int s) (* if (s«=0) error(„bad vector size“); // плохой размер вектора sz = s; v = new int[s]; *)
Теперь вы можете описывать вектора типа vector почти столь же элегантно, как и вектора, встроенные в сам язык:
vector v1(100); vector v2(nelem*2-4);
Операцию доступа можно определить как
int amp; vector::operator[](int i) (* if(i«0 !! sz„=i) error(«vector index out of range“); // индекс выходит за границы вектора return v[i]; *)
Операция !! (ИЛИИЛИ) – это логическая операция ИЛИ. Ее правый операнд вычисляется только тогда, когда это необходимо, то есть если вычисление левого операнда дало ноль. Возращение ссылки обеспечивает то, что запись [] может использоваться с любой стороны операции присваивания:
v1[x] = v2[y];
Функция со странным именем ~vector – это деструктор, то есть функция, описанная для того, чтобы она неявно вызывалась, когда объект класса выходит из области видимости. Деструктор класса C имеет имя ~C. Если его определить как
vector::~vector() (* delete v; *)
то он будет, с помощью операции delete, освобождать пространство, выделенное конструктором, поэтому когда vector выходит из области видимости, все его пространство возвращается обратно в память для дальнейшего использования.
1.12 Inline-подстановка
Если часто повторяется обращение к очень маленькой функции, то вы можете начать беспокоиться о стоимости вызова функции. Обращение к функции члену не дороже обращения к функции не члену с тем же числом параметров (надо помнить, что функция член всегда имеет хотя бы один параметр), и вызовы в функций в С++ примерно столь же эффективны, сколь и в любом языке. Однако для слишком маленьких функций может встать вопрос о накладных расходах на обращение. В этом случае можно рассмотреть возможность спецификации функции как inline-подставляемой. Если вы поступите таким образом, то компилятор сгенерирует для функции соответствующий код в мете ее вызова. Семантика вызова не изменяется. Если, например, size и elem inline-подставляемые, то
vector s(100); //... i = s.size(); x = elem(i-1);
порождает код, эквивалентный
//... i = 100; x = s.v[i-1];
С++ компилятор обычно достаточно разумен, чтобы генерировать настолько хороший код, насколько вы можете получить в результате прямого макрорасширения. Разумеется, компилятор иногда вынужден использовать временные переменные и другие уловки, чтобы сохранить семантику.
Вы можете указать, что вы хотите, чтобы функция была inline-подставляемой, поставив ключевое слово inline, или, для функции члена, просто включив определение функции в описание класса, как это сделано в предыдущем примере для size() и elem().
При хорошем использовании inline-функции резко повышают скорость выполнения и уменьшают размер объектного кода. Однако, inline функции запутывают описания и могут замедлить компиляцию, поэтому, если они не необходимы, то их желательно избегать. Чтобы inline функция давала существенный выигрыш по сравнению с обычной функцией, она должна быть очень маленькой.
Идея состоит в том, чтобы класс сам был структурой фиксированного размера, управляющей доступом к фактической памяти вектора, которая выделяется конструктором вектора с помощью распределителя свободной памяти new:
vector::vector(int s) (* if (s«=0) error(„bad vector size“); // плохой размер вектора sz = s; v = new int[s]; *)
Теперь вы можете описывать вектора типа vector почти столь же элегантно, как и вектора, встроенные в сам язык:
vector v1(100); vector v2(nelem*2-4);
Операцию доступа можно определить как
int amp; vector::operator[](int i) (* if(i«0 !! sz„=i) error(«vector index out of range“); // индекс выходит за границы вектора return v[i]; *)
Операция !! (ИЛИИЛИ) – это логическая операция ИЛИ. Ее правый операнд вычисляется только тогда, когда это необходимо, то есть если вычисление левого операнда дало ноль. Возращение ссылки обеспечивает то, что запись [] может использоваться с любой стороны операции присваивания:
v1[x] = v2[y];
Функция со странным именем ~vector – это деструктор, то есть функция, описанная для того, чтобы она неявно вызывалась, когда объект класса выходит из области видимости. Деструктор класса C имеет имя ~C. Если его определить как
vector::~vector() (* delete v; *)
то он будет, с помощью операции delete, освобождать пространство, выделенное конструктором, поэтому когда vector выходит из области видимости, все его пространство возвращается обратно в память для дальнейшего использования.
1.12 Inline-подстановка
Если часто повторяется обращение к очень маленькой функции, то вы можете начать беспокоиться о стоимости вызова функции. Обращение к функции члену не дороже обращения к функции не члену с тем же числом параметров (надо помнить, что функция член всегда имеет хотя бы один параметр), и вызовы в функций в С++ примерно столь же эффективны, сколь и в любом языке. Однако для слишком маленьких функций может встать вопрос о накладных расходах на обращение. В этом случае можно рассмотреть возможность спецификации функции как inline-подставляемой. Если вы поступите таким образом, то компилятор сгенерирует для функции соответствующий код в мете ее вызова. Семантика вызова не изменяется. Если, например, size и elem inline-подставляемые, то
vector s(100); //... i = s.size(); x = elem(i-1);
порождает код, эквивалентный
//... i = 100; x = s.v[i-1];
С++ компилятор обычно достаточно разумен, чтобы генерировать настолько хороший код, насколько вы можете получить в результате прямого макрорасширения. Разумеется, компилятор иногда вынужден использовать временные переменные и другие уловки, чтобы сохранить семантику.
Вы можете указать, что вы хотите, чтобы функция была inline-подставляемой, поставив ключевое слово inline, или, для функции члена, просто включив определение функции в описание класса, как это сделано в предыдущем примере для size() и elem().
При хорошем использовании inline-функции резко повышают скорость выполнения и уменьшают размер объектного кода. Однако, inline функции запутывают описания и могут замедлить компиляцию, поэтому, если они не необходимы, то их желательно избегать. Чтобы inline функция давала существенный выигрыш по сравнению с обычной функцией, она должна быть очень маленькой.
1.13 Производные классы
Теперь давайте определим вектор, для которого пользователь может задавать границы изменения индекса.
class vec: public vector (* int low, high; public: vec(int,int);
int amp; elem(int); int amp; operator[](int); *);
Определение vec как :public vector
означает, в первую очередь, что vec – это vector. То есть, тип vec имеет (наследует) все свойства типа vector дополнительно к тем, что описаны специально для него. Говорят, что vector является базовым классом для vec, а о vec говорится, что он производный класс от vector. Класс vec модифицирует класс vector тем, что в нем задается другой конструктор, который требует от пользователя указывать две границы изменения индекса, а не длину, и имеются свои собственные функции доступа elem(int) и operator[](int). Функция elem() класса vec легко выражается через elem() класса vector: int amp; vec::elem(int i) (* return vector::elem(i-low); *)
Операция разрешения области видимости :: используется для того, чтобы не было бесконечной рекурсии обращения к vec::elem() из нее самой. с помощью унарной операции :: можно ссылаться на нелокальные имена. Было бы разумно описать vec:: elem() как inline, поскольку, скорее всего, эффективность существенна, но необязательно, неразумно и невозможно написать ее так, чтобы она непосредственно использовала закрытый член v класса vector. Функции производного класса не имеют специального доступа к закрытым членам его базового класса.
Конструктор можно написать так:
vec::vec(int lb, int hb) : (hb-lb+1) (* if (hb-lb«0) hb = lb; low = lb; high = hb; *)
Запись: (hb-lb+1) используется для определения списка параметров конструктора базового класса vector::vector(). Этот конструктор вызывается перед телом vec::vec(). Вот небольшой пример, который можно запустить, если скомпилировать его вместе с остальными описаниями vector:
#include «streams.h»
void error(char* p) (* cerr «„ p «« «\n“; // cerr – выходной поток сообщений об ошибках exit(1); *)
void vector::set_size(int) (* /* пустышка */ *)
int amp; vec::operator[](int i) (* if (i«low !! high„i) error(«vec index out of range“); // индекс vec за границами return elem(i); *)
main() (* vector a(10); for (int i=0; i«a.size(); i++) (* a[i] = i; cout „„ a[i] «« " "; *) cout «« «\n“; vec b(10,19); for (i=0; i«b.size(); i++) b[i+10] = a[i]; for (i=0; i«b.size(); i++) cout «« b[i+10] «« " "; cout «« «\n“; *)
Он выдает 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Это направление развития векторного типа можно разрабатывать дальше. Довольно просто сделать многомерные массивы, массивы, в которых число размерностей задается как параметр конструктора, массивы в стиле Фортрана, к которым можно одновременно обращаться и как к имеющим две размерности, и как к имеющим три, и т.д.
Так класс управляет доступом к некоторым данным. Поскольку весь доступ осуществляется через интерфейс, обеспеченный открытой частью класса, то можно использовать представление данных в соответствие с нуждами разработчика. Например, тривиально можно было бы поменять представление вектора на связанный список. Другая сторона этого состоит в том, что при заданной реализации можно обеспечить любой удобный интерфейс.
class vec: public vector (* int low, high; public: vec(int,int);
int amp; elem(int); int amp; operator[](int); *);
Определение vec как :public vector
означает, в первую очередь, что vec – это vector. То есть, тип vec имеет (наследует) все свойства типа vector дополнительно к тем, что описаны специально для него. Говорят, что vector является базовым классом для vec, а о vec говорится, что он производный класс от vector. Класс vec модифицирует класс vector тем, что в нем задается другой конструктор, который требует от пользователя указывать две границы изменения индекса, а не длину, и имеются свои собственные функции доступа elem(int) и operator[](int). Функция elem() класса vec легко выражается через elem() класса vector: int amp; vec::elem(int i) (* return vector::elem(i-low); *)
Операция разрешения области видимости :: используется для того, чтобы не было бесконечной рекурсии обращения к vec::elem() из нее самой. с помощью унарной операции :: можно ссылаться на нелокальные имена. Было бы разумно описать vec:: elem() как inline, поскольку, скорее всего, эффективность существенна, но необязательно, неразумно и невозможно написать ее так, чтобы она непосредственно использовала закрытый член v класса vector. Функции производного класса не имеют специального доступа к закрытым членам его базового класса.
Конструктор можно написать так:
vec::vec(int lb, int hb) : (hb-lb+1) (* if (hb-lb«0) hb = lb; low = lb; high = hb; *)
Запись: (hb-lb+1) используется для определения списка параметров конструктора базового класса vector::vector(). Этот конструктор вызывается перед телом vec::vec(). Вот небольшой пример, который можно запустить, если скомпилировать его вместе с остальными описаниями vector:
#include «streams.h»
void error(char* p) (* cerr «„ p «« «\n“; // cerr – выходной поток сообщений об ошибках exit(1); *)
void vector::set_size(int) (* /* пустышка */ *)
int amp; vec::operator[](int i) (* if (i«low !! high„i) error(«vec index out of range“); // индекс vec за границами return elem(i); *)
main() (* vector a(10); for (int i=0; i«a.size(); i++) (* a[i] = i; cout „„ a[i] «« " "; *) cout «« «\n“; vec b(10,19); for (i=0; i«b.size(); i++) b[i+10] = a[i]; for (i=0; i«b.size(); i++) cout «« b[i+10] «« " "; cout «« «\n“; *)
Он выдает 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Это направление развития векторного типа можно разрабатывать дальше. Довольно просто сделать многомерные массивы, массивы, в которых число размерностей задается как параметр конструктора, массивы в стиле Фортрана, к которым можно одновременно обращаться и как к имеющим две размерности, и как к имеющим три, и т.д.
Так класс управляет доступом к некоторым данным. Поскольку весь доступ осуществляется через интерфейс, обеспеченный открытой частью класса, то можно использовать представление данных в соответствие с нуждами разработчика. Например, тривиально можно было бы поменять представление вектора на связанный список. Другая сторона этого состоит в том, что при заданной реализации можно обеспечить любой удобный интерфейс.
1.14 Еще об операциях
Другое направление развития – снабдить вектора операциями:
class Vec : public vector (* public: Vec(int s) : (s) (**) Vec(Vec amp;); ~Vec() (**) void operator=(Vec amp;); void operator*=(Vec amp;); void operator*=(int); //... *);
Обратите внимание на способ определения конструктора производного класса, Vec::Vec(), когда он передает свой параметр конструктору базового класса vector::vector() и больше не делает ничего. Это полезная парадигма. Операция присваивания перегружена, ее можно определить так:
void Vec::operator=(Vec amp; a) (* int s = size(); if (s!=a.size()) error(«bad vector size for =»); // плохой размер вектора для = for (int i = 0; i«s; i++) elem(i) = a.elem(i); *)
Присваивание объектов класса Vec теперь действительно копирует элементы, в то время как присваивание объектов
vector просто копирует структуру, управляющую доступом к элментам. Последнее, однако, происходит и тогда, когда vector копируется без явного использования операции присваивания: (1) когда vector передается как параметр и (3) когда vector передается как значение, возвращаемое функцией. Чтобы обрабатывать эти случаи для векторов Vec, вы определяете конструктор Vec(Vec amp;): Vec::Vec(Vec amp; a) : (a.size()) (* int sz = a.size(); for (int i = 0; i«sz; i++) elem(i) = a.elem(i); *) Этот конструктор инициализирует Vec как копию другого Vec, и будет вызываться в отмеченных выше случаях. Выражение в левой части таких операций, как = и +=, безусловно определено, поэтому кажется вполне естественным реализовать их как операции над объектом, который обозначается (денотируется) этим выражением. В частности, тогда они смогут изменять значение своего первого операнда. Левый операнд таких операций, как + и – не требует особого внимания. Вы могли бы, например, передавать оба аргумента по значению и все рано получить правильную реализацию векторного сложения. Однако вектора могут оказаться большими, поэтому чтобы избежать ненужного копирования операнды операции + передаются в operator +() по ссылке:
Vec operator+(Vec amp; a,Vec amp;b) (* int s = a.size(); if (s != b.size()) error(«bad vector size for +»); // плохой размер вектора для + Vec sum(s); for (int i=0; i«s; i++) sum.elem(i) = a.elem(i) + b.elem(i); return sum; *)
Вот пример небольшой программы, которую можно выполнить, если скомпилировать ее вместе с ранее приведенными описаниями vector:
#include «stream.h»
void error(char* p) (* cerr «„ p «« «\n“; exit(1); *)
void vector::set_size(int) (* /*...*/ *)
int amp; vec::operator[](int i) (* /*...*/ *)
main() (* Vec a(10); Vec b(10); for (int i=0; i«a.size(); i++) a[i] = i; b = a; Vec c = a+b; for (i=0; i„c.size(); i++) cout «« c[i] «« «\n“; *)
class Vec : public vector (* public: Vec(int s) : (s) (**) Vec(Vec amp;); ~Vec() (**) void operator=(Vec amp;); void operator*=(Vec amp;); void operator*=(int); //... *);
Обратите внимание на способ определения конструктора производного класса, Vec::Vec(), когда он передает свой параметр конструктору базового класса vector::vector() и больше не делает ничего. Это полезная парадигма. Операция присваивания перегружена, ее можно определить так:
void Vec::operator=(Vec amp; a) (* int s = size(); if (s!=a.size()) error(«bad vector size for =»); // плохой размер вектора для = for (int i = 0; i«s; i++) elem(i) = a.elem(i); *)
Присваивание объектов класса Vec теперь действительно копирует элементы, в то время как присваивание объектов
vector просто копирует структуру, управляющую доступом к элментам. Последнее, однако, происходит и тогда, когда vector копируется без явного использования операции присваивания: (1) когда vector передается как параметр и (3) когда vector передается как значение, возвращаемое функцией. Чтобы обрабатывать эти случаи для векторов Vec, вы определяете конструктор Vec(Vec amp;): Vec::Vec(Vec amp; a) : (a.size()) (* int sz = a.size(); for (int i = 0; i«sz; i++) elem(i) = a.elem(i); *) Этот конструктор инициализирует Vec как копию другого Vec, и будет вызываться в отмеченных выше случаях. Выражение в левой части таких операций, как = и +=, безусловно определено, поэтому кажется вполне естественным реализовать их как операции над объектом, который обозначается (денотируется) этим выражением. В частности, тогда они смогут изменять значение своего первого операнда. Левый операнд таких операций, как + и – не требует особого внимания. Вы могли бы, например, передавать оба аргумента по значению и все рано получить правильную реализацию векторного сложения. Однако вектора могут оказаться большими, поэтому чтобы избежать ненужного копирования операнды операции + передаются в operator +() по ссылке:
Vec operator+(Vec amp; a,Vec amp;b) (* int s = a.size(); if (s != b.size()) error(«bad vector size for +»); // плохой размер вектора для + Vec sum(s); for (int i=0; i«s; i++) sum.elem(i) = a.elem(i) + b.elem(i); return sum; *)
Вот пример небольшой программы, которую можно выполнить, если скомпилировать ее вместе с ранее приведенными описаниями vector:
#include «stream.h»
void error(char* p) (* cerr «„ p «« «\n“; exit(1); *)
void vector::set_size(int) (* /*...*/ *)
int amp; vec::operator[](int i) (* /*...*/ *)
main() (* Vec a(10); Vec b(10); for (int i=0; i«a.size(); i++) a[i] = i; b = a; Vec c = a+b; for (i=0; i„c.size(); i++) cout «« c[i] «« «\n“; *)
1.15 Друзья (friend)
Функция operator+() не воздействует непосредственно на представление вектора. Действительно, она не может этого делать, поскольку не является членом. Однако иногда желательно дать функциям не членам возможность доступа к закрытой части класса. Например, если бы не было функции «доступа без проверки» vector::elem(), вам пришлось бы проверять индекс i на соответствие границам три раза за каждый проход цикла. Здесь мы избежали этой сложности, но она довольно типична, поэтому у класса есть механизм предоставления права доступа к своей закрытой части функциям не членам. Просто в класс помещается описание функции, перед которым стоит ключевое слово friend. Например, если имеется
class Vec; // Vec – имя класса class vector (* friend Vec operator+(Vec, Vec); //... *);
То вы можете написать Vec operator+(Vec a, Vec b) (* int s = a.size(); if (s != b.size()) error(«bad vector size for +»); // плохой размер вектора для + Vec amp; sum = *new Vec(s); int* sp = sum.v; int* ap = a.v; int* bp = b.v; while (s–) *sp++ = *ap++ + *bp++; return sum; *)
Одним из особенно полезных аспектов механизма friend является то, что функция может быть другом двух и более классов. Чтобы увидеть это, рассмотрим определение vector и matrix, а затем определение функции умножения (см. #с.8.8).
1.16 Обобщенные Вектора
«Пока все хорошо,» – можете сказать вы, – «но я хочу, чтобы один из этих векторов был типа matrix, который я только что определил.» К сожалению, в С++ не предусмотрены средства для определения класса векторов с типом элемента в качестве параметра. Один из способов – продублировать описание и класса, и его функций членов. Это не идеальный способ, но зачатую вполне приемлемый.
Вы можете воспользоваться препроцессором (#4.7), чтобы механизировать работу. Например, класс vector – упрощенный вариант класса, который можно найти в стандартном заголовочном файле. Вы могли бы написать:
#include «vector.h»
declare(vector,int);
main() (* vector(int) vv(10); vv[2] = 3; vv[10] = 4; // ошибка: выход за границы *)
Файл vector.h таким образом определяет макросы, чтобы макрос declare(vector,int) после расширения превращался в описание класса vector, очень похожий на тот, который был определен выше, а макрос implement(vector,int) расширялся в определение функций этого класса. Поскольку макрос implement(vector,int) в результате расширения превращается в
определение функций, его можно использовать в программе только один раз, в то время как declare(vector,int) должно использоваться по одному разу в каждом файле, работающем с этим типом целых векторов.
declare(vector,char); //... implement(vector,char);
даст вам отдельный тип «вектор символов». Пример реализации обобщенных классов с помощью макросов приведен в #7.3.5.
class Vec; // Vec – имя класса class vector (* friend Vec operator+(Vec, Vec); //... *);
То вы можете написать Vec operator+(Vec a, Vec b) (* int s = a.size(); if (s != b.size()) error(«bad vector size for +»); // плохой размер вектора для + Vec amp; sum = *new Vec(s); int* sp = sum.v; int* ap = a.v; int* bp = b.v; while (s–) *sp++ = *ap++ + *bp++; return sum; *)
Одним из особенно полезных аспектов механизма friend является то, что функция может быть другом двух и более классов. Чтобы увидеть это, рассмотрим определение vector и matrix, а затем определение функции умножения (см. #с.8.8).
1.16 Обобщенные Вектора
«Пока все хорошо,» – можете сказать вы, – «но я хочу, чтобы один из этих векторов был типа matrix, который я только что определил.» К сожалению, в С++ не предусмотрены средства для определения класса векторов с типом элемента в качестве параметра. Один из способов – продублировать описание и класса, и его функций членов. Это не идеальный способ, но зачатую вполне приемлемый.
Вы можете воспользоваться препроцессором (#4.7), чтобы механизировать работу. Например, класс vector – упрощенный вариант класса, который можно найти в стандартном заголовочном файле. Вы могли бы написать:
#include «vector.h»
declare(vector,int);
main() (* vector(int) vv(10); vv[2] = 3; vv[10] = 4; // ошибка: выход за границы *)
Файл vector.h таким образом определяет макросы, чтобы макрос declare(vector,int) после расширения превращался в описание класса vector, очень похожий на тот, который был определен выше, а макрос implement(vector,int) расширялся в определение функций этого класса. Поскольку макрос implement(vector,int) в результате расширения превращается в
определение функций, его можно использовать в программе только один раз, в то время как declare(vector,int) должно использоваться по одному разу в каждом файле, работающем с этим типом целых векторов.
declare(vector,char); //... implement(vector,char);
даст вам отдельный тип «вектор символов». Пример реализации обобщенных классов с помощью макросов приведен в #7.3.5.
1.17 Полиморфные Вектора
У вас есть другая возможность – определить ваш векторный и другие вмещающие классы через указатели на объекты некоторого класса: class common (* //... *); class vector (* common** v; //... public: cvector(int); common* amp; elem(int); common* amp; operator[](int); //... *);
Заметьте, что поскольку в таких векторах хранятся указатели, а не сами объекты, объект может быть "в" нескольких таких векторах одновременно. Это очень полезное свойство подобных вмещающих классов, таких, как вектора, связанные списки, множества и т.д. Кроме того, можно присваивать указатель на производный класс указателю на его базовый класс, поэтому можно использовать приведенный выше cvector для хранения указателей на объекты всех производных от common классов. Например:
Заметьте, что поскольку в таких векторах хранятся указатели, а не сами объекты, объект может быть "в" нескольких таких векторах одновременно. Это очень полезное свойство подобных вмещающих классов, таких, как вектора, связанные списки, множества и т.д. Кроме того, можно присваивать указатель на производный класс указателю на его базовый класс, поэтому можно использовать приведенный выше cvector для хранения указателей на объекты всех производных от common классов. Например: