Страница:
относится ли цифра к числу или является отдельным символом.
Для шестнадцатеричных констант используйте два разряда. Рассмотрим
следующие примеры:
char v1[] = "a\x0fah\0129"; // 'a' '\xfa' 'h' '\12' '9'
char v2[] = "a\xfah\129"; // 'a' '\xfa' 'h' '\12' '9'
char v3[] = "a\xfad\127"; // 'a' '\xfad' '\127'
Нуль (0) имеет тип int. Благодаря стандартным преобразованиям ($$R.4)
0 можно использовать как константу целого типа, или типа с плавающей
точкой, или типа указателя. Нельзя разместить никакой объект, если
вместо адреса указан 0. Какой из типов нуля использовать, определяется
контекстом. Обычно (но необязательно) нуль представляется
последовательностью разрядов "все нули" подходящей длины.
Добавив к описанию объекта служебное слово const, можно превратить
этот объект из переменной в константу, например:
const int model = 90;
const int v[] = { 1, 2, 3, 4 };
Поскольку константе нельзя ничего присвоить, она должна быть
инициализирована. Описывая какой-либо объект как const, мы гарантируем,
что его значение не изменяется в области видимости:
model = 200; // ошибка
model++; // ошибка
Отметим, что спецификация const скорее ограничивает возможности
использования объекта, чем указывает, где следует размещать объект.
Может быть вполне разумным и даже полезным описание функции с типом
возвращаемого значения const:
const char* peek(int i) // вернуть указатель на строку-константу
{
return hidden[i];
}
Приведенную функцию можно было бы использовать для передачи строки,
защищенной от записи, в другую программу, где она будет читаться.
Вообще говоря, транслятор может воспользоваться тем фактом, что объект
является const, для различных целей (конечно, это зависит от
"разумности" транслятора). Самое очевидное - это то, что для
константы не нужно отводить память, поскольку ее значение известно
транслятору. Далее, инициализатор для константы, как правило (но не
всегда) является постоянным выражением, которое можно вычислить на
этапе трансляции. Однако, для массива констант обычно приходится
отводить память, поскольку в общем случае транслятор не знает,
какой элемент массива используется в выражении. Но и в этом случае
на многих машинах возможна оптимизация, если поместить такой массив
в защищенную от записи память.
Задавая указатель, мы имеем дело с двумя объектами: с самим указателем
и с указуемым объектом. Если в описании указателя есть "префикс"
const, то константой объявляется сам объект, но не указатель на него,
например:
const char* pc = "asdf"; // указатель на константу
pc[3] = 'a'; // ошибка
pc = "ghjk"; // нормально
Чтобы описать как константу сам указатель, а не указуемый объект,
нужно использовать операцию * перед const. Например:
char *const cp = "asdf"; // указатель-константа
cp[3] = 'a'; // нормально
cp = "ghjk"; // ошибка
Чтобы сделать константами и указатель, и объект, надо оба объявить
const, например:
const char *const cpc = "asdf"; // указатель-константа на const
cpc[3] = 'a'; // ошибка
cpc = "ghjk"; // ошибка
Объект может быть объявлен константой при обращении к нему с помощью
указателя, и в то же время быть изменяемым, если обращаться к
нему другим способом. Особенно это удобно использовать для параметров
функции. Описав параметр-указатель функции как const, мы запрещаем
изменять в ней указуемый объект, например:
char* strcpy(char* p, const char* q); // не может изменять *q
Указателю на константу можно присвоить адрес переменной, т.к. это
не принесет вреда. Однако, адрес константы нельзя присваивать указателю
без спецификации const, иначе станет возможным менять ее значение,
например:
int a = 1;
const int c = 2;
const int* p1 = &c; // нормально
const int* p2 = &a; // нормально
int* p3 = &c; // ошибка
*p3 = 7; // меняет значение c
Есть способ связывания имен с целыми константами, который часто более
удобен, чем описание с const. Например:
enum { ASM, AUTO, BREAK };
Здесь определены три целых константы, которые называются элементами
перечисления, и им присвоены значения. Поскольку по умолчанию значения
элементов перечисления начинаются с 0 и идут в возрастающем порядке,
то приведенное перечисление эквивалентно определениям:
const ASM = 0;
const AUTO = 1;
const BREAK = 2;
Перечисление может иметь имя, например:
enum keyword { ASM, AUTO, BREAK };
Имя перечисления становится новым типом. С помощью стандартных
преобразований тип перечисления может неявно приводиться к типу int.
Обратное преобразование (из типа int в перечисление) должно быть задано
явно. Например:
void f()
{
keyword k = ASM;
int i = ASM;
k = i // ошибка
k = keyword(i);
i = k;
k = 4; // ошибка
}
Последнее преобразование поясняет, почему нет неявного преобразования
из int в перечисление: большинство значений типа int не имеет
представления в данном перечислении.
Описав переменную с типом keyword вместо очевидного int, мы дали
как пользователю, так и транслятору определенную информацию о том,
как будет использоваться эта переменная. Например, для следующего
оператора
keyword key;
switch (key) {
case ASM:
// выполнить что-либо
break;
case BREAK:
// выполнить что-либо
break;
}
транслятор может выдать предупреждение, поскольку из трех возможных
значений типа keyword используются только два.
Значения элементов перечисления можно задавать и явно. Например:
enum int16 {
sign=0100000,
most_significant=040000,
least_significant=1
};
Задаваемые значения необязательно должны быть различными, положительными
и идти в возрастающем порядке.
В процессе создания нетривиальной программы рано или поздно наступает
момент, когда требуется больше памяти, чем можно выделить или
запросить. Есть два способа выжать еще некоторое количество памяти:
[1] паковать в байты переменные с малыми значениями;
[2] использовать одну и ту же память для хранения разных объектов
в разное время.
Первый способ реализуется с помощью полей, а второй - с помощью
объединений. И те, и другие описываются ниже. Поскольку назначение
этих конструкций связано в основном с оптимизацией программы, и
поскольку, как правило, они непереносимы, программисту следует
хорошенько подумать, прежде чем использовать их. Часто лучше изменить
алгоритм работы с данными, например, больше использовать динамически
выделяемую память, чем заранее отведенную статическую память.
Кажется расточительным использовать для признака, принимающего
только два значения ( например: да, нет) тип char, но объект типа
char является в С++ наименьшим объектом, который может независимо
размещаться в памяти. Однако, есть возможность собрать переменные
с малым диапазоном значений воедино, определив их как поля структуры.
Член структуры является полем, если в его определении после имени
указано число разрядов, которое он должен занимать. Допустимы
безымянные поля. Они не влияют на работу с поименованными полями,
но могут улучшить размещение полей в памяти для конкретной машины:
struct sreg {
unsigned enable : 1;
unsigned page : 3;
unsigned : 1; // не используется
unsigned mode : 2;
unsigned : 4; // не используется
unsigned access : 1;
unsigned length : 1;
unsigned non_resident : 1;
};
Приведенная структура описывает разряды нулевого
регистра состояния DEC PDP11/45 (предполагается, что поля в слове
размещаются слева направо). Этот пример показывает также другое
возможное применение полей: давать имена тем частям
объекта, размещение которых определено извне. Поле должно иметь
целый тип ($$R.3.6.1 и $$R.9.6), и оно используется аналогично другим
объектам целого типа. Но есть исключение: нельзя брать адрес поля.
В ядре операционной системы или в отладчике тип sreg мог бы
использоваться следующим образом:
sreg* sr0 = (sreg*)0777572;
//...
if (sr0->access) { // нарушение прав доступа
// разобраться в ситуации
sr0->access = 0;
}
Тем не менее,
применяя поля для упаковки нескольких переменных в один байт, мы
необязательно сэкономим память. Экономится память для данных, но
на большинстве машин одновременно возрастает объем команд,
нужных для работы с упакованными данными.
Известны даже такие программы, которые значительно сокращались в объеме,
если двоичные переменные, задаваемые полями, преобразовывались в
переменные типа char! Кроме того, доступ к char или int обычно
происходит намного быстрее, чем доступ к полю. Поля - это просто
удобная краткая форма задания логических операций для извлечения
или занесения информации в части слова.
Рассмотрим таблицу имен, в которой каждый элемент содержит имя и
его значение. Значение может задаваться либо строкой, либо целым числом:
struct entry {
char* name;
char type;
char* string_value; // используется если type == 's'
int int_value; // используется если type == 'i'
};
void print_entry(entry* p)
{
switch(p->type) {
case 's':
cout << p->string_value;
break;
case 'i':
cout << p->int_value;
break;
default:
cerr << "type corrupted\n";
break;
}
}
Поскольку переменные
string_value и int_value никогда не могут использоваться одновременно,
очевидно, что часть памяти пропадает впустую. Это можно легко исправить,
описав обе переменные как члены объединения, например, так:
struct entry {
char* name;
char type;
union {
char* string_value; // используется если type == 's'
int int_value; // используется если type == 'i'
};
};
Теперь гарантируется, что при выделении памяти для entry члены
string_value и int_value будут размещаться с одного адреса, и
при этом не нужно менять все части программы, работающие с entry.
Из этого следует, что все члены объединения вместе занимают такой же
объем памяти, какой занимает наибольший член объединения.
Надежный способ работы с объединением заключается в том, чтобы
выбирать значение с помощью того же самого члена, который его записывал.
Однако, в больших программах трудно гарантировать, что объединение
используется только таким способом, а в результате использования
не того члена обЪединения могут возникать трудно обнаруживаемые ошибки.
Но можно встроить объединение в такую структуру, которая обеспечит
правильную связь между значением поля типа и текущим типом члена
объединения ($$5.4.6).
Иногда объединения используют для "псевдопреобразований" типа
(в основном на это идут программисты, привыкшие к языкам, в которых
нет средств преобразования типов, и в результате приходится обманывать
транслятор). Приведем пример такого "преобразования" int в int*
на машине VAX, которое достигается простым совпадением разрядов:
struct fudge {
union {
int i;
int* p;
};
};
fudge a;
a.i = 4095;
int* p = a.p; // некорректное использование
В действительности это вовсе не преобразование типа, т.к. на одних
машинах int и int* занимают разный объем памяти, а на других целое
не может размещаться по адресу, задаваемому нечетным числом. Такое
использование объединений не является переносимым, тогда как
существует переносимый способ задания явного преобразования
типа ($$3.2.5).
Иногда объединения используют специально, чтобы избежать
преобразования типов. Например, можно использовать fudge, чтобы
узнать, как представляется указатель 0:
fudge.p = 0;
int i = fudge.i; // i необязательно должно быть 0
Объединению можно дать имя, то есть можно сделать его
полноправным типом. Например, fudge можно описать так:
union fudge {
int i;
int* p;
};
и использовать (некорректно) точно так же, как и раньше. Вместе с тем,
поименованные объединения можно использовать и вполне корректным
и оправданным способом (см. $$5.4.6).
1. (*1) Запустить программу "Hello, world" (см. $$1.3.1).
2. (*1) Для каждого описания из $$2.1 сделать следующее: если описание
не является определением, то написать соответствующее определение;
если же описание является определением, написать для него описание,
которое не являлось бы одновременно и определением.
3. (*1) Напишите описания следующих объектов: указателя на символ;
массива из 10 целых; ссылки на массив из 10 целых; указателя
на массив символьных строк; указателя на указатель на символ;
целого-константы; указателя на целое-константу; константного
указателя на целое. Описания снабдить инициализацией.
4. (*1.5) Напишите программу, которая печатает размеры основных типов
и типа указателя. Используйте операцию sizeof.
5. (*1.5) Напишите программу, которая печатает буквы от 'a' до 'z' и цифры
от '0' до '9' и их целые значения. Проделайте то же самое для других
видимых символов. Проделайте это, используя шестнадцатеричную
запись.
6. (*1) Напечатайте последовательность разрядов представления указателя
0 на вашей машине. Подсказка: см.$$2.6.2.
7. (*1.5) Напишите функцию, печатающую порядок и мантиссу параметра типа
double.
8. (*2) Каковы на используемой вами машине наибольшие и наименьшие
значения следующих типов: char, short,int,long, float, double,
long double, unsigned, char*, int* и void*? Есть ли какие-то
особые ограничения на эти значения? Например, может ли int* быть
нечетным целым? Как выравниваются в памяти объекты этих типов?
Например, может ли целое иметь нечетный адрес?
9. (*1) Какова максимальная длина локального имени, которое
можно использовать в вашей реализации С++ ? Какова максимальная
длина внешнего имени? Есть ли какие-нибудь ограничения на символы,
которые можно использовать в имени?
10. (*1) Напишите функцию, которая меняет местами значения двух целых.
В качестве типа параметров используйте int*. Напишите другую функцию
с тем же назначением, используя в качестве типа параметров int&.
11. (*1) Каков размер массива str в следующем примере:
char str[] = "a short string";
Какова длина строки "a short string"?
12. (*1.5) Составьте таблицу из названий месяцев года и числа дней
в каждом из них. Напишите программу, печатающую ее. Проделайте
это дважды: один раз - используя массивы для названий месяцев
и количества дней, а другой раз - используя массив структур,
каждая из которых содержит название месяца и количество дней в нем.
13. (*1) С помощью typedef определите типы: unsigned char, константный
unsigned char, указатель на целое, указатель на указатель на
символ, указатель на массив символов, массив из 7 указателей
на целое, указатель на массив из 7 указателей на целое и массив из
8 массивов из 7 указателей на целое.
14. (*1) Определить функции f(char), g(char&) и h(const char&) и
вызвать их, используя в качестве параметров 'a', 49, 3300, c, uc, и
sc, где c - char, uc - unsigned char и sc - signed char. Какой
вызов является законным? При каком вызове транслятору придется
завести временную переменную?
"Но с другой стороны не следует
забывать про эффективность"
(Джон Бентли)
С++ имеет сравнительно небольшой набор операторов, который позволяет
создавать гибкие структуры управления, и богатый набор операций для
работы с данными. Основные их возможности показаны в этой главе на одном
завершенном примере. Затем приводится сводка выражений, и подробно
обсуждаются операции преобразования типа и размещение в свободной памяти.
Далее дана сводка операторов, а в конце главы обсуждается выделение
текста пробелами и использование комментариев.
Мы познакомимся с выражениями и операторами на примере программы
калькулятора. Калькулятор реализует четыре основных арифметических
действия в виде инфиксных операций над числами с плавающей точкой.
В качестве упражнения предлагается добавить к калькулятору
переменные. Допустим, входной поток имеет вид:
r=2.5
area=pi*r*r
(здесь pi имеет предопределенное значение). Тогда программа калькулятора
выдаст:
2.5
19.635
Результат вычислений для первой входной строки равен 2.5, а результат
для второй строки - это 19.635.
Программа калькулятора состоит из четырех основных частей:
анализатора, функции ввода, таблицы имен и драйвера. По сути - это
транслятор в миниатюре, в котором анализатор проводит синтаксический
анализ, функция ввода обрабатывает входные данные и проводит
лексический анализ, таблица имен хранит постоянную информацию, нужную
для работы, а драйвер выполняет инициализацию,
вывод результатов и обработку ошибок. К такому калькулятору можно
добавить много других полезных возможностей, но программа его и так
достаточно велика (200 строк), а введение новых возможностей
только увеличит ее объем, не давая дополнительной
информации для изучения С++.
Грамматика языка калькулятора определяется следующими правилами:
программа:
END // END - это конец ввода
список-выражений END
список-выражений:
выражение PRINT // PRINT - это '\n' или ';'
выражение PRINT список-выражений
выражение:
выражение + терм
выражение - терм
терм
терм:
терм / первичное
терм * первичное
первичное
первичное:
NUMBER // число с плавающей запятой в С++
NAME // имя в языке С++ за исключением '_'
NAME = выражение
- первичное
( выражение )
Иными словами, программа есть последовательность строк, а каждая
строка содержит одно или несколько выражений, разделенных точкой
с запятой. Основные элементы выражения - это числа, имена и
операции *, /, +, - (унарный и бинарный минус) и =. Имена
необязательно описывать до использования.
Для синтаксического анализа используется метод, обычно называемый
рекурсивным спуском. Это распространенный и достаточно очевидный
метод. В таких языках как С++, то есть в которых операция вызова
не сопряжена с большими накладными расходами, это метод эффективен.
Для каждого правила грамматики имеется своя функция, которая вызывает
другие функции. Терминальные символы (например, END, NUMBER, + и -)
распознаются лексическим анализатором get_token(). Нетерминальные
символы распознаются функциями синтаксического анализатора expr(),
term() и prim(). Как только оба операнда выражения или подвыражения
стали известны, оно вычисляется. В настоящем трансляторе в этот
момент создаются команды, вычисляющие выражение.
Анализатор использует для ввода функцию get_token().
Значение последнего вызова get_token() хранится в глобальной переменной
curr_tok. Переменная curr_tok принимает значения элементов перечисления
token_value:
enum token_value {
NAME, NUMBER, END,
PLUS='+', MINUS='-', MUL='*', DIV='/',
PRINT=';', ASSIGN='=', LP='(', RP=')'
};
token_value curr_tok;
Для всех функций анализатора предполагается, что get_token() уже
была вызвана, и поэтому в curr_tok хранится следующая лексема,
подлежащая анализу. Это позволяет анализатору заглядывать на одну
лексему вперед. Каждая функция анализатора всегда читает
на одну лексему больше, чем нужно для распознавания того правила,
для которого она вызывалась. Каждая функция анализатора вычисляет
"свое" выражение и возвращает его результат. Функция expr() обрабатывает
сложение и вычитание. Она состоит из одного цикла, в котором
распознанные термы складываются или вычитаются:
double expr() // складывает и вычитает
{
double left = term();
for(;;) // ``вечно''
switch(curr_tok) {
case PLUS:
get_token(); // случай '+'
left += term();
break;
case MINUS:
get_token(); // случай '-'
left -= term();
break;
default:
return left;
}
}
Сама по себе эта функция делает немного. Как принято в
высокоуровневых функциях больших программ, она выполняет задание,
вызывая другие функции. Отметим, что выражения вида 2-3+4
вычисляются как (2-3)+4, что предопределяется правилами грамматики.
Непривычная запись for(;;) - это стандартный способ задания бесконечного
цикла, и его можно обозначить словом "вечно". Это вырожденная форма
оператора for, и альтернативой ей может служить оператор while(1).
Оператор switch выполняется повторно до тех пор, пока не
перестанут появляться операции + или - , а тогда по умолчанию выполняется
оператор return (default).
Операции += и -= используются для выполнения операций сложения и
вычитания. Можно написать эквивалентные присваивания: left=left+term() и
left=left-term(). Однако вариант left+=term() и left-=term() не
только короче, но и более четко определяет требуемое действие. Для бинарной
операции @ выражение x@=y означает x=x@y, за исключением того, что x
вычисляется только один раз. Это применимо к бинарным операциям:
+ - * / % & | ^ << >>
поэтому возможны следующие операции присваивания:
+= -= *= /= %= &= |= ^= <<= >>=
Каждая операция является отдельной лексемой, поэтому a + =1
содержит синтаксическую ошибку (из-за пробела между + и =). Расшифровка
операций следующая: % - взятие остатка, &, | и ^ - разрядные логические
операции И, ИЛИ и Исключающее ИЛИ; << и >> сдвиг влево и сдвиг вправо.
Функции term() и get_token() должны быть описаны до определения expr().
В главе 4 рассматривается построение программы в виде совокупности
файлов. За одним исключением, все программы калькулятора можно составить
так, чтобы в них все объекты описывались только один раз и до их
использования. Исключением является функция expr(), которая вызывает
функцию term(), а она, в свою очередь, вызывает prim(), и уже та, наконец,
вызывает expr(). Этот цикл необходимо как-то разорвать, для чего вполне
подходит заданное до определения prim() описание:
double expr(); // это описание необходимо
Функция term() справляется с умножением и делением аналогично
тому, как функция expr() со сложением и вычитанием:
double term() // умножает и складывает
{
double left = prim();
for(;;)
switch(curr_tok) {
case MUL:
get_token(); // случай '*'
left *= prim();
break;
case DIV:
get_token(); // случай '/'
double d = prim();
if (d == 0) return error("деление на 0");
left /= d;
break;
default:
return left;
}
}
Проверка отсутствия деления на нуль необходима, поскольку
результат деления на нуль неопределен и, как правило, приводит к
катастрофе.
Функция error() будет рассмотрена позже. Переменная d появляется в
программе там, где она действительно нужна, и сразу же инициализируется.
Во многих языках описание может находиться только в начале блока.
Но такое ограничение может искажать естественную структуру программы и
способствовать появлению ошибок.
Чаще всего не инициализированные локальные переменные
свидетельствуют о плохом стиле программирования. Исключение составляют
те переменные, которые инициализируются операторами ввода, и переменные
типа массива или структуры, для которых нет традиционной
инициализации с помощью одиночных присваиваний. Следует напомнить, что =
является операцией присваивания, тогда как == есть операция сравнения.
Функция prim, обрабатывающая первичное, во многом похожа на
функции expr и term(). Но раз мы дошли до низа в иерархии вызовов,
то в ней кое-что придется сделать. Цикл для нее не нужен:
double number_value;
char name_string[256];
double prim() // обрабатывает первичное
{
switch (curr_tok) {
case NUMBER: // константа с плавающей точкой
get_token();
return number_value;
case NAME:
if (get_token() == ASSIGN) {
name* n = insert(name_string);
get_token();
n->value = expr();
return n->value;
}
return look(name_string)->value;
case MINUS: // унарный минус
get_token();
return -prim();
case LP:
get_token();
double e = expr();
if (curr_tok != RP) return error("требуется )");
get_token();
return e;
case END:
return 1;
default:
return error("требуется первичное");
}
}
Когда появляется NUMBER (то есть константа с плавающей точкой),
возвращается ее значение. Функция ввода get_token() помещает значение
константы в глобальную переменную number_value. Если в программе
используются глобальные переменные, то часто это указывает на то, что
структура не до конца проработана, и поэтому требуется некоторая
оптимизация. Именно так обстоит дело в данном случае. В идеале лексема
должна состоять из двух частей: значения, определяющего вид лексемы
(в данной программе это token_value), и (если необходимо) собственно
значения лексемы. Здесь же имеется только одна простая переменная
curr_tok, поэтому для хранения последнего прочитанного значения NUMBER
требуется глобальная переменная number_value. Такое решение проходит
потому, что калькулятор во всех вычислениях вначале выбирает одно число,
а затем считывает другое из входного потока. В качестве упражнения
предлагается избавиться от этой излишней глобальной переменной
($$3.5 [15]).
Если последнее значение NUMBER хранится в глобальной переменной
number_value, то строковое представление последнего значения NAME
хранится в name_string. Перед тем, как что-либо делать с именем,
калькулятор должен заглянуть вперед, чтобы выяснить, будет ли ему
присваиваться значение, или же будет только использоваться существующее
его значение. В обоих случаях надо обратиться к таблице имен. Эта таблица
рассматривается в $$3.1.3; а здесь достаточно только знать, что она
состоит из записей, имеющих вид:
struct name {
char* string;
name* next;
double value;
};
Член next используется только служебными функциями, работающими
с таблицей:
name* look(const char*);
name* insert(const char*);
Обе функции возвращают указатель на ту запись name, которая соответствует
их параметру-строке. Функция look() "ругается", если имя не было
занесено в таблицу. Это означает, что в калькуляторе можно использовать
имя без предварительного описания, но в первый раз оно может
появиться только в левой части присваивания.
Получение входных данных - часто самая запутанная часть программы.
Причина кроется в том, что программа должна взаимодействовать
с пользователем, то есть "мириться" с его прихотями, учитывать принятые
соглашения и предусматривать кажущиеся редкими ошибки.
Попытки заставить человека вести себя более удобным для машины образом,
как правило, рассматриваются как неприемлемые, что справедливо.
Для шестнадцатеричных констант используйте два разряда. Рассмотрим
следующие примеры:
char v1[] = "a\x0fah\0129"; // 'a' '\xfa' 'h' '\12' '9'
char v2[] = "a\xfah\129"; // 'a' '\xfa' 'h' '\12' '9'
char v3[] = "a\xfad\127"; // 'a' '\xfad' '\127'
Нуль (0) имеет тип int. Благодаря стандартным преобразованиям ($$R.4)
0 можно использовать как константу целого типа, или типа с плавающей
точкой, или типа указателя. Нельзя разместить никакой объект, если
вместо адреса указан 0. Какой из типов нуля использовать, определяется
контекстом. Обычно (но необязательно) нуль представляется
последовательностью разрядов "все нули" подходящей длины.
Добавив к описанию объекта служебное слово const, можно превратить
этот объект из переменной в константу, например:
const int model = 90;
const int v[] = { 1, 2, 3, 4 };
Поскольку константе нельзя ничего присвоить, она должна быть
инициализирована. Описывая какой-либо объект как const, мы гарантируем,
что его значение не изменяется в области видимости:
model = 200; // ошибка
model++; // ошибка
Отметим, что спецификация const скорее ограничивает возможности
использования объекта, чем указывает, где следует размещать объект.
Может быть вполне разумным и даже полезным описание функции с типом
возвращаемого значения const:
const char* peek(int i) // вернуть указатель на строку-константу
{
return hidden[i];
}
Приведенную функцию можно было бы использовать для передачи строки,
защищенной от записи, в другую программу, где она будет читаться.
Вообще говоря, транслятор может воспользоваться тем фактом, что объект
является const, для различных целей (конечно, это зависит от
"разумности" транслятора). Самое очевидное - это то, что для
константы не нужно отводить память, поскольку ее значение известно
транслятору. Далее, инициализатор для константы, как правило (но не
всегда) является постоянным выражением, которое можно вычислить на
этапе трансляции. Однако, для массива констант обычно приходится
отводить память, поскольку в общем случае транслятор не знает,
какой элемент массива используется в выражении. Но и в этом случае
на многих машинах возможна оптимизация, если поместить такой массив
в защищенную от записи память.
Задавая указатель, мы имеем дело с двумя объектами: с самим указателем
и с указуемым объектом. Если в описании указателя есть "префикс"
const, то константой объявляется сам объект, но не указатель на него,
например:
const char* pc = "asdf"; // указатель на константу
pc[3] = 'a'; // ошибка
pc = "ghjk"; // нормально
Чтобы описать как константу сам указатель, а не указуемый объект,
нужно использовать операцию * перед const. Например:
char *const cp = "asdf"; // указатель-константа
cp[3] = 'a'; // нормально
cp = "ghjk"; // ошибка
Чтобы сделать константами и указатель, и объект, надо оба объявить
const, например:
const char *const cpc = "asdf"; // указатель-константа на const
cpc[3] = 'a'; // ошибка
cpc = "ghjk"; // ошибка
Объект может быть объявлен константой при обращении к нему с помощью
указателя, и в то же время быть изменяемым, если обращаться к
нему другим способом. Особенно это удобно использовать для параметров
функции. Описав параметр-указатель функции как const, мы запрещаем
изменять в ней указуемый объект, например:
char* strcpy(char* p, const char* q); // не может изменять *q
Указателю на константу можно присвоить адрес переменной, т.к. это
не принесет вреда. Однако, адрес константы нельзя присваивать указателю
без спецификации const, иначе станет возможным менять ее значение,
например:
int a = 1;
const int c = 2;
const int* p1 = &c; // нормально
const int* p2 = &a; // нормально
int* p3 = &c; // ошибка
*p3 = 7; // меняет значение c
Есть способ связывания имен с целыми константами, который часто более
удобен, чем описание с const. Например:
enum { ASM, AUTO, BREAK };
Здесь определены три целых константы, которые называются элементами
перечисления, и им присвоены значения. Поскольку по умолчанию значения
элементов перечисления начинаются с 0 и идут в возрастающем порядке,
то приведенное перечисление эквивалентно определениям:
const ASM = 0;
const AUTO = 1;
const BREAK = 2;
Перечисление может иметь имя, например:
enum keyword { ASM, AUTO, BREAK };
Имя перечисления становится новым типом. С помощью стандартных
преобразований тип перечисления может неявно приводиться к типу int.
Обратное преобразование (из типа int в перечисление) должно быть задано
явно. Например:
void f()
{
keyword k = ASM;
int i = ASM;
k = i // ошибка
k = keyword(i);
i = k;
k = 4; // ошибка
}
Последнее преобразование поясняет, почему нет неявного преобразования
из int в перечисление: большинство значений типа int не имеет
представления в данном перечислении.
Описав переменную с типом keyword вместо очевидного int, мы дали
как пользователю, так и транслятору определенную информацию о том,
как будет использоваться эта переменная. Например, для следующего
оператора
keyword key;
switch (key) {
case ASM:
// выполнить что-либо
break;
case BREAK:
// выполнить что-либо
break;
}
транслятор может выдать предупреждение, поскольку из трех возможных
значений типа keyword используются только два.
Значения элементов перечисления можно задавать и явно. Например:
enum int16 {
sign=0100000,
most_significant=040000,
least_significant=1
};
Задаваемые значения необязательно должны быть различными, положительными
и идти в возрастающем порядке.
В процессе создания нетривиальной программы рано или поздно наступает
момент, когда требуется больше памяти, чем можно выделить или
запросить. Есть два способа выжать еще некоторое количество памяти:
[1] паковать в байты переменные с малыми значениями;
[2] использовать одну и ту же память для хранения разных объектов
в разное время.
Первый способ реализуется с помощью полей, а второй - с помощью
объединений. И те, и другие описываются ниже. Поскольку назначение
этих конструкций связано в основном с оптимизацией программы, и
поскольку, как правило, они непереносимы, программисту следует
хорошенько подумать, прежде чем использовать их. Часто лучше изменить
алгоритм работы с данными, например, больше использовать динамически
выделяемую память, чем заранее отведенную статическую память.
Кажется расточительным использовать для признака, принимающего
только два значения ( например: да, нет) тип char, но объект типа
char является в С++ наименьшим объектом, который может независимо
размещаться в памяти. Однако, есть возможность собрать переменные
с малым диапазоном значений воедино, определив их как поля структуры.
Член структуры является полем, если в его определении после имени
указано число разрядов, которое он должен занимать. Допустимы
безымянные поля. Они не влияют на работу с поименованными полями,
но могут улучшить размещение полей в памяти для конкретной машины:
struct sreg {
unsigned enable : 1;
unsigned page : 3;
unsigned : 1; // не используется
unsigned mode : 2;
unsigned : 4; // не используется
unsigned access : 1;
unsigned length : 1;
unsigned non_resident : 1;
};
Приведенная структура описывает разряды нулевого
регистра состояния DEC PDP11/45 (предполагается, что поля в слове
размещаются слева направо). Этот пример показывает также другое
возможное применение полей: давать имена тем частям
объекта, размещение которых определено извне. Поле должно иметь
целый тип ($$R.3.6.1 и $$R.9.6), и оно используется аналогично другим
объектам целого типа. Но есть исключение: нельзя брать адрес поля.
В ядре операционной системы или в отладчике тип sreg мог бы
использоваться следующим образом:
sreg* sr0 = (sreg*)0777572;
//...
if (sr0->access) { // нарушение прав доступа
// разобраться в ситуации
sr0->access = 0;
}
Тем не менее,
применяя поля для упаковки нескольких переменных в один байт, мы
необязательно сэкономим память. Экономится память для данных, но
на большинстве машин одновременно возрастает объем команд,
нужных для работы с упакованными данными.
Известны даже такие программы, которые значительно сокращались в объеме,
если двоичные переменные, задаваемые полями, преобразовывались в
переменные типа char! Кроме того, доступ к char или int обычно
происходит намного быстрее, чем доступ к полю. Поля - это просто
удобная краткая форма задания логических операций для извлечения
или занесения информации в части слова.
Рассмотрим таблицу имен, в которой каждый элемент содержит имя и
его значение. Значение может задаваться либо строкой, либо целым числом:
struct entry {
char* name;
char type;
char* string_value; // используется если type == 's'
int int_value; // используется если type == 'i'
};
void print_entry(entry* p)
{
switch(p->type) {
case 's':
cout << p->string_value;
break;
case 'i':
cout << p->int_value;
break;
default:
cerr << "type corrupted\n";
break;
}
}
Поскольку переменные
string_value и int_value никогда не могут использоваться одновременно,
очевидно, что часть памяти пропадает впустую. Это можно легко исправить,
описав обе переменные как члены объединения, например, так:
struct entry {
char* name;
char type;
union {
char* string_value; // используется если type == 's'
int int_value; // используется если type == 'i'
};
};
Теперь гарантируется, что при выделении памяти для entry члены
string_value и int_value будут размещаться с одного адреса, и
при этом не нужно менять все части программы, работающие с entry.
Из этого следует, что все члены объединения вместе занимают такой же
объем памяти, какой занимает наибольший член объединения.
Надежный способ работы с объединением заключается в том, чтобы
выбирать значение с помощью того же самого члена, который его записывал.
Однако, в больших программах трудно гарантировать, что объединение
используется только таким способом, а в результате использования
не того члена обЪединения могут возникать трудно обнаруживаемые ошибки.
Но можно встроить объединение в такую структуру, которая обеспечит
правильную связь между значением поля типа и текущим типом члена
объединения ($$5.4.6).
Иногда объединения используют для "псевдопреобразований" типа
(в основном на это идут программисты, привыкшие к языкам, в которых
нет средств преобразования типов, и в результате приходится обманывать
транслятор). Приведем пример такого "преобразования" int в int*
на машине VAX, которое достигается простым совпадением разрядов:
struct fudge {
union {
int i;
int* p;
};
};
fudge a;
a.i = 4095;
int* p = a.p; // некорректное использование
В действительности это вовсе не преобразование типа, т.к. на одних
машинах int и int* занимают разный объем памяти, а на других целое
не может размещаться по адресу, задаваемому нечетным числом. Такое
использование объединений не является переносимым, тогда как
существует переносимый способ задания явного преобразования
типа ($$3.2.5).
Иногда объединения используют специально, чтобы избежать
преобразования типов. Например, можно использовать fudge, чтобы
узнать, как представляется указатель 0:
fudge.p = 0;
int i = fudge.i; // i необязательно должно быть 0
Объединению можно дать имя, то есть можно сделать его
полноправным типом. Например, fudge можно описать так:
union fudge {
int i;
int* p;
};
и использовать (некорректно) точно так же, как и раньше. Вместе с тем,
поименованные объединения можно использовать и вполне корректным
и оправданным способом (см. $$5.4.6).
1. (*1) Запустить программу "Hello, world" (см. $$1.3.1).
2. (*1) Для каждого описания из $$2.1 сделать следующее: если описание
не является определением, то написать соответствующее определение;
если же описание является определением, написать для него описание,
которое не являлось бы одновременно и определением.
3. (*1) Напишите описания следующих объектов: указателя на символ;
массива из 10 целых; ссылки на массив из 10 целых; указателя
на массив символьных строк; указателя на указатель на символ;
целого-константы; указателя на целое-константу; константного
указателя на целое. Описания снабдить инициализацией.
4. (*1.5) Напишите программу, которая печатает размеры основных типов
и типа указателя. Используйте операцию sizeof.
5. (*1.5) Напишите программу, которая печатает буквы от 'a' до 'z' и цифры
от '0' до '9' и их целые значения. Проделайте то же самое для других
видимых символов. Проделайте это, используя шестнадцатеричную
запись.
6. (*1) Напечатайте последовательность разрядов представления указателя
0 на вашей машине. Подсказка: см.$$2.6.2.
7. (*1.5) Напишите функцию, печатающую порядок и мантиссу параметра типа
double.
8. (*2) Каковы на используемой вами машине наибольшие и наименьшие
значения следующих типов: char, short,int,long, float, double,
long double, unsigned, char*, int* и void*? Есть ли какие-то
особые ограничения на эти значения? Например, может ли int* быть
нечетным целым? Как выравниваются в памяти объекты этих типов?
Например, может ли целое иметь нечетный адрес?
9. (*1) Какова максимальная длина локального имени, которое
можно использовать в вашей реализации С++ ? Какова максимальная
длина внешнего имени? Есть ли какие-нибудь ограничения на символы,
которые можно использовать в имени?
10. (*1) Напишите функцию, которая меняет местами значения двух целых.
В качестве типа параметров используйте int*. Напишите другую функцию
с тем же назначением, используя в качестве типа параметров int&.
11. (*1) Каков размер массива str в следующем примере:
char str[] = "a short string";
Какова длина строки "a short string"?
12. (*1.5) Составьте таблицу из названий месяцев года и числа дней
в каждом из них. Напишите программу, печатающую ее. Проделайте
это дважды: один раз - используя массивы для названий месяцев
и количества дней, а другой раз - используя массив структур,
каждая из которых содержит название месяца и количество дней в нем.
13. (*1) С помощью typedef определите типы: unsigned char, константный
unsigned char, указатель на целое, указатель на указатель на
символ, указатель на массив символов, массив из 7 указателей
на целое, указатель на массив из 7 указателей на целое и массив из
8 массивов из 7 указателей на целое.
14. (*1) Определить функции f(char), g(char&) и h(const char&) и
вызвать их, используя в качестве параметров 'a', 49, 3300, c, uc, и
sc, где c - char, uc - unsigned char и sc - signed char. Какой
вызов является законным? При каком вызове транслятору придется
завести временную переменную?
"Но с другой стороны не следует
забывать про эффективность"
(Джон Бентли)
С++ имеет сравнительно небольшой набор операторов, который позволяет
создавать гибкие структуры управления, и богатый набор операций для
работы с данными. Основные их возможности показаны в этой главе на одном
завершенном примере. Затем приводится сводка выражений, и подробно
обсуждаются операции преобразования типа и размещение в свободной памяти.
Далее дана сводка операторов, а в конце главы обсуждается выделение
текста пробелами и использование комментариев.
Мы познакомимся с выражениями и операторами на примере программы
калькулятора. Калькулятор реализует четыре основных арифметических
действия в виде инфиксных операций над числами с плавающей точкой.
В качестве упражнения предлагается добавить к калькулятору
переменные. Допустим, входной поток имеет вид:
r=2.5
area=pi*r*r
(здесь pi имеет предопределенное значение). Тогда программа калькулятора
выдаст:
2.5
19.635
Результат вычислений для первой входной строки равен 2.5, а результат
для второй строки - это 19.635.
Программа калькулятора состоит из четырех основных частей:
анализатора, функции ввода, таблицы имен и драйвера. По сути - это
транслятор в миниатюре, в котором анализатор проводит синтаксический
анализ, функция ввода обрабатывает входные данные и проводит
лексический анализ, таблица имен хранит постоянную информацию, нужную
для работы, а драйвер выполняет инициализацию,
вывод результатов и обработку ошибок. К такому калькулятору можно
добавить много других полезных возможностей, но программа его и так
достаточно велика (200 строк), а введение новых возможностей
только увеличит ее объем, не давая дополнительной
информации для изучения С++.
Грамматика языка калькулятора определяется следующими правилами:
программа:
END // END - это конец ввода
список-выражений END
список-выражений:
выражение PRINT // PRINT - это '\n' или ';'
выражение PRINT список-выражений
выражение:
выражение + терм
выражение - терм
терм
терм:
терм / первичное
терм * первичное
первичное
первичное:
NUMBER // число с плавающей запятой в С++
NAME // имя в языке С++ за исключением '_'
NAME = выражение
- первичное
( выражение )
Иными словами, программа есть последовательность строк, а каждая
строка содержит одно или несколько выражений, разделенных точкой
с запятой. Основные элементы выражения - это числа, имена и
операции *, /, +, - (унарный и бинарный минус) и =. Имена
необязательно описывать до использования.
Для синтаксического анализа используется метод, обычно называемый
рекурсивным спуском. Это распространенный и достаточно очевидный
метод. В таких языках как С++, то есть в которых операция вызова
не сопряжена с большими накладными расходами, это метод эффективен.
Для каждого правила грамматики имеется своя функция, которая вызывает
другие функции. Терминальные символы (например, END, NUMBER, + и -)
распознаются лексическим анализатором get_token(). Нетерминальные
символы распознаются функциями синтаксического анализатора expr(),
term() и prim(). Как только оба операнда выражения или подвыражения
стали известны, оно вычисляется. В настоящем трансляторе в этот
момент создаются команды, вычисляющие выражение.
Анализатор использует для ввода функцию get_token().
Значение последнего вызова get_token() хранится в глобальной переменной
curr_tok. Переменная curr_tok принимает значения элементов перечисления
token_value:
enum token_value {
NAME, NUMBER, END,
PLUS='+', MINUS='-', MUL='*', DIV='/',
PRINT=';', ASSIGN='=', LP='(', RP=')'
};
token_value curr_tok;
Для всех функций анализатора предполагается, что get_token() уже
была вызвана, и поэтому в curr_tok хранится следующая лексема,
подлежащая анализу. Это позволяет анализатору заглядывать на одну
лексему вперед. Каждая функция анализатора всегда читает
на одну лексему больше, чем нужно для распознавания того правила,
для которого она вызывалась. Каждая функция анализатора вычисляет
"свое" выражение и возвращает его результат. Функция expr() обрабатывает
сложение и вычитание. Она состоит из одного цикла, в котором
распознанные термы складываются или вычитаются:
double expr() // складывает и вычитает
{
double left = term();
for(;;) // ``вечно''
switch(curr_tok) {
case PLUS:
get_token(); // случай '+'
left += term();
break;
case MINUS:
get_token(); // случай '-'
left -= term();
break;
default:
return left;
}
}
Сама по себе эта функция делает немного. Как принято в
высокоуровневых функциях больших программ, она выполняет задание,
вызывая другие функции. Отметим, что выражения вида 2-3+4
вычисляются как (2-3)+4, что предопределяется правилами грамматики.
Непривычная запись for(;;) - это стандартный способ задания бесконечного
цикла, и его можно обозначить словом "вечно". Это вырожденная форма
оператора for, и альтернативой ей может служить оператор while(1).
Оператор switch выполняется повторно до тех пор, пока не
перестанут появляться операции + или - , а тогда по умолчанию выполняется
оператор return (default).
Операции += и -= используются для выполнения операций сложения и
вычитания. Можно написать эквивалентные присваивания: left=left+term() и
left=left-term(). Однако вариант left+=term() и left-=term() не
только короче, но и более четко определяет требуемое действие. Для бинарной
операции @ выражение x@=y означает x=x@y, за исключением того, что x
вычисляется только один раз. Это применимо к бинарным операциям:
+ - * / % & | ^ << >>
поэтому возможны следующие операции присваивания:
+= -= *= /= %= &= |= ^= <<= >>=
Каждая операция является отдельной лексемой, поэтому a + =1
содержит синтаксическую ошибку (из-за пробела между + и =). Расшифровка
операций следующая: % - взятие остатка, &, | и ^ - разрядные логические
операции И, ИЛИ и Исключающее ИЛИ; << и >> сдвиг влево и сдвиг вправо.
Функции term() и get_token() должны быть описаны до определения expr().
В главе 4 рассматривается построение программы в виде совокупности
файлов. За одним исключением, все программы калькулятора можно составить
так, чтобы в них все объекты описывались только один раз и до их
использования. Исключением является функция expr(), которая вызывает
функцию term(), а она, в свою очередь, вызывает prim(), и уже та, наконец,
вызывает expr(). Этот цикл необходимо как-то разорвать, для чего вполне
подходит заданное до определения prim() описание:
double expr(); // это описание необходимо
Функция term() справляется с умножением и делением аналогично
тому, как функция expr() со сложением и вычитанием:
double term() // умножает и складывает
{
double left = prim();
for(;;)
switch(curr_tok) {
case MUL:
get_token(); // случай '*'
left *= prim();
break;
case DIV:
get_token(); // случай '/'
double d = prim();
if (d == 0) return error("деление на 0");
left /= d;
break;
default:
return left;
}
}
Проверка отсутствия деления на нуль необходима, поскольку
результат деления на нуль неопределен и, как правило, приводит к
катастрофе.
Функция error() будет рассмотрена позже. Переменная d появляется в
программе там, где она действительно нужна, и сразу же инициализируется.
Во многих языках описание может находиться только в начале блока.
Но такое ограничение может искажать естественную структуру программы и
способствовать появлению ошибок.
Чаще всего не инициализированные локальные переменные
свидетельствуют о плохом стиле программирования. Исключение составляют
те переменные, которые инициализируются операторами ввода, и переменные
типа массива или структуры, для которых нет традиционной
инициализации с помощью одиночных присваиваний. Следует напомнить, что =
является операцией присваивания, тогда как == есть операция сравнения.
Функция prim, обрабатывающая первичное, во многом похожа на
функции expr и term(). Но раз мы дошли до низа в иерархии вызовов,
то в ней кое-что придется сделать. Цикл для нее не нужен:
double number_value;
char name_string[256];
double prim() // обрабатывает первичное
{
switch (curr_tok) {
case NUMBER: // константа с плавающей точкой
get_token();
return number_value;
case NAME:
if (get_token() == ASSIGN) {
name* n = insert(name_string);
get_token();
n->value = expr();
return n->value;
}
return look(name_string)->value;
case MINUS: // унарный минус
get_token();
return -prim();
case LP:
get_token();
double e = expr();
if (curr_tok != RP) return error("требуется )");
get_token();
return e;
case END:
return 1;
default:
return error("требуется первичное");
}
}
Когда появляется NUMBER (то есть константа с плавающей точкой),
возвращается ее значение. Функция ввода get_token() помещает значение
константы в глобальную переменную number_value. Если в программе
используются глобальные переменные, то часто это указывает на то, что
структура не до конца проработана, и поэтому требуется некоторая
оптимизация. Именно так обстоит дело в данном случае. В идеале лексема
должна состоять из двух частей: значения, определяющего вид лексемы
(в данной программе это token_value), и (если необходимо) собственно
значения лексемы. Здесь же имеется только одна простая переменная
curr_tok, поэтому для хранения последнего прочитанного значения NUMBER
требуется глобальная переменная number_value. Такое решение проходит
потому, что калькулятор во всех вычислениях вначале выбирает одно число,
а затем считывает другое из входного потока. В качестве упражнения
предлагается избавиться от этой излишней глобальной переменной
($$3.5 [15]).
Если последнее значение NUMBER хранится в глобальной переменной
number_value, то строковое представление последнего значения NAME
хранится в name_string. Перед тем, как что-либо делать с именем,
калькулятор должен заглянуть вперед, чтобы выяснить, будет ли ему
присваиваться значение, или же будет только использоваться существующее
его значение. В обоих случаях надо обратиться к таблице имен. Эта таблица
рассматривается в $$3.1.3; а здесь достаточно только знать, что она
состоит из записей, имеющих вид:
struct name {
char* string;
name* next;
double value;
};
Член next используется только служебными функциями, работающими
с таблицей:
name* look(const char*);
name* insert(const char*);
Обе функции возвращают указатель на ту запись name, которая соответствует
их параметру-строке. Функция look() "ругается", если имя не было
занесено в таблицу. Это означает, что в калькуляторе можно использовать
имя без предварительного описания, но в первый раз оно может
появиться только в левой части присваивания.
Получение входных данных - часто самая запутанная часть программы.
Причина кроется в том, что программа должна взаимодействовать
с пользователем, то есть "мириться" с его прихотями, учитывать принятые
соглашения и предусматривать кажущиеся редкими ошибки.
Попытки заставить человека вести себя более удобным для машины образом,
как правило, рассматриваются как неприемлемые, что справедливо.