"Язык формирует наш способ мышления и определяет, о чем мы можем мыслить." Б.Л. Ворф
C++ - универсальный язык
программирования, задуманный так,
чтобы сделать программирование
более приятным для серьезного
программиста. За исключением
второстепенных деталей C++ является
надмножеством языка
программирования C. Помимо
возможностей, которые дает C, C++
предоставляет гибкие и эффективные
средства определения новых типов.
Используя определения новых типов,
точно отвечающих концепциям
приложения, программист может
разделять разрабатываемую
программу на легко поддающиеся
контролю части. Такой метод
построения программ часто называют
абстракцией данных. Информация о
типах содержится в некоторых
объектах типов, определенных
пользователем. Такие объекты
просты и надежны в использовании в
тех ситуациях, когда их тип нельзя
установить на стадии компиляции.
Программирование с применением
таких объектов часто называют
объектно-ориентированным. При
правильном использовании этот
метод дает более короткие, проще
понимаемые и легче контролируемые
программы.
Ключевым понятием C++ является
класс. Класс - это тип, определяемый
пользователем. Классы обеспечивают
скрытие данных, гарантированную
инициализацию данных, неявное
преобразование типов для типов,
определенных пользователем,
динамическое задание типа,
контролируемое пользователем
управление памятью и механизмы
перегрузки операций. C++
предоставляет гораздо лучшие, чем в
C, средства выражения модульности
программы и проверки типов. В языке
есть также усовершенствования, не
связанные непосредственно с
классами, включающие в себя
символические константы, inline-
подстановку функций, параметры
функции по умолчанию,
перегруженные имена функций,
операции управления свободной
памятью и ссылочный тип. В C++
сохранены возможности языка C по
работе с основными объектами
аппаратного обеспечения (биты,
байты, слова, адреса и т.п.). Это
позволяет весьма эффективно
реализовывать типы, определяемые
пользователем.
C++ и его стандартные библиотеки
спроектированы так, чтобы
обеспечивать переносимость.
Имеющаяся на текущий момент
реализация языка будет идти в
большинстве систем, поддерживающих
C. Из C++ программ можно использовать
C библиотеки, и с C++ можно
использовать большую часть
инструментальных средств,
поддерживающих программирование
на C.
Эта книга предназначена главным
образом для того, чтобы помочь
серьезным программистам изучить
язык и применять его в
нетривиальных проектах. В ней дано
полное описание C++, много примеров и
еще больше фрагментов программ.
"О многом," -молвил Морж, -
"Пришла пора поговорить." Л.
Кэррол
Глава 1 - это короткое
турне по основным особенностям C++,
предназначенное для того, чтобы
дать читателю почувствовать язык.
Программисты на C первую половину
главы могут прочитать очень быстро;
она охватывает главным образом
черты, общие для C и C++. Во второй
главе описаны средства определения
новых типов в C++; начинающие могут
отложить более подробное изучение
этого до того, как прочтут Главы 2, 3 и 4.
В Главах 2, 3
и 4 описываются
средства C++, не включенные в
определение новых типов: основные
типы, выражения и структуры
управления в C++ программах. Другими
словами, в них описывается
подмножество C++, которое по
существу является языком C.
Рассмотрение в них проводится
гораздо подробнее, но полную
информацию можно найти только в
справочном руководстве.
В Главах 5, 6
и 7 описываются
средства C++ по описанию новых типов,
особенности языка, не имеющие
эквивалента в C. В Главе 5
приводится понятие базового
класса, и показывается, как можно
инициализировать объекты типа,
определенного пользователем,
обращаться к ним и, наконец, убирать
их. В Главе 6
объясняется, как для определенного
пользователем типа определять
унарные и бинарные операции, как
задавать преобразования между
типами, определенными
пользователем, и как задавать то,
каким образом должно
обрабатываться каждое создание,
уничтожение и копирование значения
определенного пользователем типа. Глава 7 описывает
концепцию производных классов,
которая позволяет программисту
строить более сложные классы из
более простых, обеспечивать
альтернативные интерфейсы класса и
работать с объектами безопасным и
не требующим беспокоиться о типе
способом в тех ситуациях, когда
типы объектов не могут быть
известны на стадии компиляции.
В Главе 8 представлены
классы ostream и istream, предоставляемые
стандартной библиотекой для
осуществления ввода-вывода. Эта
глава имеет двоякую цель: в ней
представлены полезные средства,
что одновременно является реальным
примером использования C++.
И, наконец, в книгу включено
справочное руководство по C++.
Ссылки на различные части этой
книги даются в форме #2.3.4 (Глава 2
подраздел 3.4). Глава с - это
справочное руководство; например,
#с.8.5.5.
Во время написания этой книги все реализации C++ использовали версии единственного интерфейсного компилятора #. Он используется на многих архитектурах, включая действующие версии системы операционной системы UNIX на AT&T 3B, DEC VAX, IBM 370 и Motorolla 68000. Фрагменты программ, которые приводятся в этой книге, взяты непосредственно из исходных файлов, которые компилировались на 3B в UNIX System V версии 2 [15], VAX11/750 под 8-ой Редакцией UNIX [16] и CCI Power 6/32 под BSD4.2 UNIX [17]. Язык, описанный в этой книге, - это "чистый C++", но имеющиеся на текущий момент компиляторы реализуют большое число "анахронизмов" (описанных в #с.15.3), которые должны способствовать переходу от C к C++.
Безусловно, C++ восходит
главным образом к C [7]. C сохранено
как подмножество, поэтому
сделанного в C акцента на средствах
низкого уровня достаточно, чтобы
справляться с самыми насущными
задачами системного
программирования. C, в свою очередь,
многим обязано своему
предшественнику BCPL [9]; на самом
деле, комментарии // (заново) введены
в C++ из BCPL. Если вы знаете BCPL, то вы
заметите, что в C++ по-прежнему нет
VALOF блока. Еще одним источником
вдохновения послужил язык Simula67 [2,3];
из него была позаимствована
концепция класса (вместе с
производными классами и функциями
членами). Это было сделано, чтобы
способствовать модульности через
использование виртуальных функций.
Возможности C++ по перегрузке
операций и свобода в расположении
описаний везде, где может
встречаться оператор, похожи на
Алгол68 [14].
Название C++ - изобретение совсем
недавнее (лета 1983его). Более ранние
версии языка использовались
начиная с 1980ого и были известны как
"C с Классами". Первоначально
язык был придуман потому, что автор
хотел написать модели, управляемые
прерываниями, для чего был бы
идеален Simula67, если не принимать во
внимание эффективность. "C с
Классами" использовался для
крупных проектов моделирования, в
которых строго тестировались
возможности написания программ,
требующих минимального (только)
пространства памяти и времени на
выполнение. В "C с Классами" не
хватало перегрузки операций,
ссылок, виртуальных функций и
многих деталей. C++ был впервые
введен за пределами
исследовательской группы автора в
июле 1983его; однако тогда многие
особенности C++ были еще не
придуманы.
Название C++ выдумал Рик Масситти.
Название указывает на эволюционную
природу перехода к нему от C.
"++" - это операция приращения в
C. Чуть более короткое имя C+
является синтаксической ошибкой;
кроме того, оно уже было
использовано как совсем другого
языка. Знатоки семантики C находят,
что C++ хуже, чем ++C. Названия D язык не
получил, поскольку он является
расширением C и в нем не делается
попыток исцеляться от проблем
путем выбрасывания различных
особенностей. Еще одну
интерпретацию названия C++ можно
найти в приложении к Оруэллу [8].
Изначально C++ был разработан, чтобы
автору и его друзьям не приходилось
программировать на ассемблере, C
или других современных языках
высокого уровня. Основным его
предназначением было сделать
написание хороших программ более
простым и приятным для отдельного
программиста. Плана разработки C++
на бумаге никогда не было; проект,
документация и реализация
двигались одновременно.
Разумеется, внешний интерфейс C++
был написан на C++. Никогда не
существовало "Проекта C++" и
"Комитета по разработке C++".
Поэтому C++ развивался и продолжает
развиваться во всех направлениях
чтобы справляться со сложностями, с
которыми сталкиваются
пользователи, а также в процессе
дискуссий автора с его друзьями и
коллегами.
В качестве базового языка для C++ был
выбран C, потому что он (1)
многоцелевой, лаконичный и
относительно низкого уровня; (2)
отвечает большинству задач
системного программирования; (3)
идет везде и на всем; и (4) пригоден в
среде программирования UNIX. В C есть
свои сложности, но в наспех
спроектированном языке тоже были
бы свои, а сложности C нам известны.
Самое главное, работа с C позволила
"C с Классами" быть полезным
(правда, неудобным) инструментом в
ходе первых месяцев раздумий о
добавлении к C Simula-образных классов.
C++ стал использоваться шире, и по
мере того, как возможности,
предоставляемые им помимо
возможностей C, становились все
более существенными, вновь и вновь
поднимался вопрос о том, сохранять
ли совместимость с C. Ясно, что
отказавшись от определенной части
наследия C можно было бы избежать
ряда проблем (см., например, Сети [12]).
Это не было сделано, потому что (1)
есть миллионы строк на C, которые
могли бы принести пользу в C++ при
условии, что их не нужно было бы
полностью переписывать с C на C++; (2)
есть сотни тысяч строк
библиотечных функций и сервисных
программ, написанных на C, которые
можно было бы использовать из или
на C++ при условии, что C++ полностью
совместим с C по загрузке и
синтаксически очень похож на C; (3)
есть десятки тысяч программистов,
которые знают C, и которым, поэтому,
нужно только научиться
использовать новые особенности C++,
а не заново изучать его основы; и (4),
поскольку C++ и C будут
использоваться на одних и тех же
системах одними и теми же людьми,
отличия должны быть либо очень
большими, либо очень маленькими,
чтобы свести к минимуму ошибки и
недоразумения. Позднее была
проведена проверка определения C++,
чтобы удостовериться в том, что
любая конструкция, допустимая и в C
и в C++, действительно означает в
обоих языках одно и то же.
Язык C сам эволюционировал за
последние несколько лет, частично
под влиянием развития C++ (см.
Ростлер [11]). Предварительный грубый
ANSI стандарт C [10] содержит синтаксис
описаний функций, заимствованный
из "C с Классами".
Заимствование идей идет в обе
стороны; например, указатель void* был
придуман для ANSI C и впервые
реализован в C++. Когда ANSI стандарт
разовьется несколько дальше,
придет время пересмотреть C++, чтобы
удалить необоснованную
несовместимость. Будет, например,
модернизирован препроцессор (#с.11),
и нужно будет, вероятно,
отрегулировать правила
осуществления плавающей
арифметики. Это не должно оказаться
болезненным, и C и ANSI C очень близки к
тому, чтобы стать подмножествами C++
(см. #с.11).
В идеальном случае подход
к разработке программы делится на
три части: вначале получить ясное
понимание задачи, потом выделить
ключевые идеи, входящие в ее
решение, и наконец выразить решение
в виде программы. Однако
подробности задачи и идеи решения
часто становятся ясны только в
результате попытки выразить их в
виде программы - именно в этом
случае имеет значение выбор языка
программирования.
В большинстве разработок имеются
понятия, которые трудно
представить в программе в виде
одного из основных типов или как
функцию без ассоциированных с ней
статических данных. Если имеется
подобное понятие, опишите класс,
представляющий его в программе.
Класс - это тип; это значит, что он
задает поведение объектов его
класса: как они создаются, как может
осуществляться работа с ними, и как
они уничтожаются. Класс также
задает способ представления
объектов; но на ранних стадиях
разработки программы это не
является (не должно являться)
главной заботой. Ключом к написанию
хорошей программы является
разработка таких классов, чтобы
каждый из них представлял одно
основное понятие. Обычно это
означает, что программист должен
сосредоточиться на вопросах: Как
создаются объекты этого класса?
Могут ли эти объекты копироваться
и/или уничтожаться? Какие действия
можно производить над этими
объектами? Если на такие вопросы
нет удовлетворительных ответов, то
во-первых, скорее всего, понятие не
было "ясно", и может быть
неплохо еще немного подумать над
задачей и предлагаемым решением
вместо того, чтобы сразу начинать
"программировать вокруг"
сложностей.
Проще всего иметь дело с такими
понятиями, которые имеют
традиционную математическую форму:
числа всех видов, множества,
геометрические фигуры и т.п. На
самом деле, следовало бы иметь
стандартные библиотеки классов,
представляющих такие понятия, но к
моменту написания это не имело
места. C++ еще молод, и его библиотеки
не развились еще до той же степени,
что и сам язык.
Понятие не существует в пустоте,
всегда есть группы связанных между
собой понятий. Организовать в
программе взаимоотношения между
классами, то есть определить точную
взаимосвязь между различными
понятиями, часто труднее, чем
сначала спланировать отдельные
классы. Лучше, чтобы не получилось
неразберихи, когда каждый класс
(понятие) зависит от всех остальных.
Рассмотрим два класса, A и B.
Взаимосвязи вроде "A вызывает
функции из B", "A создает
объекты B" и "A имеет члены B"
редко вызывают большие сложности, а
взаимосвязь вроде "A использует
данные из B" обычно можно
исключить (просто не используйте
открытые данные-члены).
Неприятными, как правило, являются
взаимосвязи, которые по своей
природе имеют вид "A есть B и ...".
Одним из наиболее мощных
интеллектуальных средств,
позволяющих справляться со
сложностью, является иерархическое
упорядочение, то есть организация
связанных между собой понятий в
древовидную структуру с самым
общим понятием в корне. В C++ такие
структуры представляются
производными классами. Часто можно
организовать программу как
множество деревьев (лес?). То есть,
программист задает набор базовых
классов, каждый из которых имеет
свое собственное множество
производных классов. Для
определения набора действий для
самой общей интерпретации понятия
(базового класса) часто можно
использовать виртуальные функции (#7.2.8). Интерпретацию
этих действий можно, в случае
необходимости, усовершенствовать
для отдельных специальных классов
(производных классов).
Естественно, такая организация
имеет свои ограничения. В
частности, множество понятий
иногда лучше организуется в виде
ациклического графа, в котором
понятие может непосредственно
зависеть от более чем одного
другого понятия; например, "A есть
B и C и ...". В C++ нет
непосредственной поддержки этого,
но подобные связи можно
представить, немного потеряв в
элегантности и сделав малость
дополнительной работы (#7.2.5).
Иногда для организации понятий
некоторой программы оказывается
непригоден даже ациклический граф;
некоторые понятия оказываются
взаимозависимыми по своей природе.
Если множество взаимозависимых
классов настолько мало, что его
легко себе представить, то
циклические зависимости не должны
вызвать сложностей. Для
представления множеств
взаимозависимых классов с C++ можно
использовать идею friend классов (#5.4.1).
Если вы можете организовать
понятия программы только в виде
общего графа (не дерева или
ациклического направленного
графа), и если вы не можете
локализовать взаимные зависимости,
то вы, по всей видимости, попали в
затруднительное положение, из
которого вас не выручит ни один
язык программирования. Если вы не
можете представить какой-либо
просто формулируемой зависимости
между основными понятиями, то
скорее всего справиться с
программой не удастся.
Напомню, что большую часть
программирования можно легко и
очевидно выполнять, используя
только простые типы, структуры
данных, обычные функции и небольшое
число классов из стандартной
библиотеки. Весь аппарат, входящий
в определение новых типов, не
следует использовать за
исключением тех случаев, когда он
действительно нужен.
Вопрос "Как пишут хорошие
программы на C++" очень похож на
вопрос "Как пишут хорошую
английскую прозу?" Есть два вида
ответов: "Знайте, что вы хотите
сказать" и "Практикуйтесь.
Подражайте хорошему языку." Оба
совета оказываются подходящими к C++
в той же мере, сколь и для
английского - и им столь же трудно
следовать.
Здесь приводится набор правил,
которых вам хорошо бы
придерживаться изучая C++. Когда вы
станете более опытны, вы можете
превратить их в то, что будет
подходить для вашего рода
деятельности и вашего стиля
программирования. Они умышленно
сделаны очень простыми, поэтому
подробности в них опущены. Не
воспринимайте их чересчур
буквально. Написание хороших
программ требует ума, вкуса и
терпения. Вы не собираетесь как
следует понять это с самого начала;
поэкспериментируйте!
[1] Когда вы программируете, вы
создаете конкретное представление
идей вашего решения некоторой
задачи. Пусть структура отражает
эти идеи настолько явно, насколько
это возможно:
[a] Если вы считайте "это"
отдельным понятием, сделайте его
классом.
[b] Если вы считайте "это"
отдельным объектом, сделайте его
объектом некоторого класса.
[c] Если два класса имеют общим нечто
существенное, сделайте его базовым
классом. Почти все классы в вашей
программе будут иметь нечто общее;
заведите (почти) универсальный
базовый класс, и разработайте его
наиболее тщательно.
[2] Когда вы определяете класс,
который не реализует некоторый
математический объект, вроде
матрицы или комплексного числа, или
тип низкого уровня, вроде
связанного списка, то:
[a] Не используйте глобальные
данные.
[b] Не используйте глобальные
функции (не члены).
[c] Не используйте открытые
данные-члены.
[d] Не используйте друзей, кроме как
чтобы избежать [a], [b] или [c].
[e] Не обращайтесь к данным-членам
или другим объектам
непосредственно.
[f] Не помещайте в класс "поле
типа"; используйте виртуальные
функции.
[g] Не используйте inline-функции, кроме
как средство существенной
оптимизации.
Чем лучше кто-нибудь знает C, тем труднее окажется избежать писания на C++ в стиле C, теряя, тем самым, некоторые возможные выгоды C++. Поэтому проглядите, пожалуйста, раздел "Отличия от C" в справочном руководстве (#с.15). Там указывается на области, в которых C++ позволяет делать что-то лучше, чем C. Макросы (#define) в C++ почти никогда не бывают необходимы; чтобы определять провозглашаемые константы, используйте const (#2.4.6) или enum (#2.4.7), и inline (#1.12) - чтобы избежать лишних расходов на вызов функции. Старайтесь описывать все функции и типы всех параметров - есть очень мало веских причин этого не делать. Аналогично, практически нет причин описывать локальную переменную не инициализируя ее, поскольку описание может появляться везде, где может стоять оператор, - не описывайте переменную, пока она вам не нужна. Не используйте malloc() - операция new (#3.2.6) делает ту же работу лучше. Многие объединения не нуждаются в имени - используйте безымянные объединения (#2.5.2).
# C++ можно купить в AT&T,
Software Sales and Marketing, PO Box 25000, Greensboro, NC 27420,
USA (телефон 800-828-UNIX) или в ваших
местных организациях,
осуществляющих продажу Системы UNIX.
(прим. автора)
(*1) Некоторые легко
запоминаемые эмпирические правила,
"Правила- помощники." (прим.
перев.)