- •Предисловие
- •Структура книги
- •Благодарности
- •1. Начинаем
- •1.1. Решение задачи
- •1.2. Программа на языке C++
- •1.2.1. Порядок выполнения инструкций
- •1.3. Директивы препроцессора
- •1.4. Немного о комментариях
- •1.5. Первый взгляд на ввод/вывод
- •1.5.1. Файловый ввод/вывод
- •2. Краткий обзор С++
- •2.1. Встроенный тип данных “массив”
- •2.2. Динамическое выделение памяти и указатели
- •2.3. Объектный подход
- •2.4. Объектно-ориентированный подход
- •2.5. Использование шаблонов
- •2.7. Использование пространства имен
- •2.8. Стандартный массив – это вектор
- •Часть II
- •3. Типы данных С++
- •3.1. Литералы
- •3.2. Переменные
- •3.2.1. Что такое переменная
- •3.2.2. Имя переменной
- •3.2.3. Определение объекта
- •3.3. Указатели
- •3.4. Строковые типы
- •3.4.1. Встроенный строковый тип
- •3.4.2. Класс string
- •3.5. Спецификатор const
- •3.6. Ссылочный тип
- •3.7. Тип bool
- •3.8. Перечисления
- •3.9. Тип “массив”
- •3.9.1. Многомерные массивы
- •3.9.2. Взаимосвязь массивов и указателей
- •3.10. Класс vector
- •3.11. Класс complex
- •3.12. Директива typedef
- •3.14. Класс pair
- •3.15. Типы классов
- •4. Выражения
- •4.2. Арифметические операции
- •4.3. Операции сравнения и логические операции
- •4.4. Операции присваивания
- •4.5. Операции инкремента и декремента
- •4.6. Операции с комплексными числами
- •4.7. Условное выражение
- •4.8. Оператор sizeof
- •4.9. Операторы new и delete
- •4.10. Оператор “запятая”
- •4.11. Побитовые операторы
- •4.12. Класс bitset
- •4.13. Приоритеты
- •4.14. Преобразования типов
- •4.1. Что такое выражение?
- •4.14.1. Неявное преобразование типов
- •4.14.2. Арифметические преобразования типов
- •4.14.3. Явное преобразование типов
- •4.14.4. Устаревшая форма явного преобразования
- •4.15. Пример: реализация класса Stack
- •5. Инструкции
- •5.1. Простые и составные инструкции
- •5.2. Инструкции объявления
- •5.3. Инструкция if
- •5.4. Инструкция switch
- •5.5. Инструкция цикла for
- •5.6. Инструкция while
- •5.8. Инструкция do while
- •5.8. Инструкция break
- •5.9. Инструкция continue
- •5.10. Инструкция goto
- •5.11. Пример связанного списка
- •5.11.1. Обобщенный список
- •6. Абстрактные контейнерные типы
- •6.1. Система текстового поиска
- •6.2. Вектор или список?
- •6.3. Как растет вектор?
- •6.4. Как определить последовательный контейнер?
- •6.5. Итераторы
- •6.6. Операции с последовательными контейнерами
- •6.6.1. Удаление
- •6.6.2. Присваивание и обмен
- •6.6.3. Обобщенные алгоритмы
- •6.7. Читаем текстовый файл
- •6.8. Выделяем слова в строке
- •6.9. Обрабатываем знаки препинания
- •6.10. Приводим слова к стандартной форме
- •6.11. Дополнительные операции со строками
- •6.12. Строим отображение позиций слов
- •6.12.2. Поиск и извлечение элемента отображения
- •6.12.3. Навигация по элементам отображения
- •6.12.4. Словарь
- •6.12.5. Удаление элементов map
- •6.13. Построение набора стоп-слов
- •6.13.2. Поиск элемента
- •6.13.3. Навигация по множеству
- •6.14. Окончательная программа
- •6.15. Контейнеры multimap и multiset
- •6.16. Стек
- •6.17. Очередь и очередь с приоритетами
- •6.18. Вернемся в классу iStack
- •Часть III
- •7. Функции
- •7.1. Введение
- •7.2. Прототип функции
- •7.2.1. Тип возвращаемого функцией значения
- •7.2.2. Список параметров функции
- •7.2.3. Проверка типов формальных параметров
- •7.3. Передача аргументов
- •7.3.1. Параметры-ссылки
- •7.3.2. Параметры-ссылки и параметры-указатели
- •7.3.3. Параметры-массивы
- •7.3.5. Значения параметров по умолчанию
- •7.3.6. Многоточие
- •7.4. Возврат значения
- •7.5. Рекурсия
- •7.6. Встроенные функции
- •7.7. Директива связывания extern "C" A
- •7.8.1. Класс для обработки параметров командной строки
- •7.9. Указатели на функции
- •7.9.1. Тип указателя на функцию
- •7.9.2. Инициализация и присваивание
- •7.9.3. Вызов
- •7.9.4. Массивы указателей на функции
- •7.9.5. Параметры и тип возврата
- •7.9.6. Указатели на функции, объявленные как extern "C"
- •8. Область видимости и время жизни
- •8.1. Область видимости
- •8.1.1. Локальная область видимости
- •8.2. Глобальные объекты и функции
- •8.2.1. Объявления и определения
- •8.2.2. Сопоставление объявлений в разных файлах
- •8.2.3. Несколько слов о заголовочных файлах
- •8.3. Локальные объекты
- •8.3.1. Автоматические объекты
- •8.3.2. Регистровые автоматические объекты
- •8.3.3. Статические локальные объекты
- •8.4. Динамически размещаемые объекты
- •8.4.2. Шаблон auto_ptr А
- •8.4.3. Динамическое создание и уничтожение массивов
- •8.4.5. Оператор размещения new А
- •8.5. Определения пространства имен А
- •8.5.1. Определения пространства имен
- •8.5.2. Оператор разрешения области видимости
- •8.5.3. Вложенные пространства имен
- •8.5.4. Определение члена пространства имен
- •8.5.5. ПОО и члены пространства имен
- •8.5.6. Безымянные пространства имен
- •8.6. Использование членов пространства имен А
- •8.6.1. Псевдонимы пространства имен
- •8.6.2. Using-объявления
- •8.6.3. Using-директивы
- •8.6.4. Стандартное пространство имен std
- •9. Перегруженные функции
- •9.1. Объявления перегруженных функций
- •9.1.1. Зачем нужно перегружать имя функции
- •9.1.2. Как перегрузить имя функции
- •9.1.3. Когда не надо перегружать имя функции
- •9.1.4. Перегрузка и область видимости A
- •9.1.5. Директива extern "C" и перегруженные функции A
- •9.1.6. Указатели на перегруженные функции A
- •9.1.7. Безопасное связывание A
- •9.2. Три шага разрешения перегрузки
- •9.3. Преобразования типов аргументов A
- •9.3.1. Подробнее о точном соответствии
- •9.3.3. Подробнее о стандартном преобразовании
- •9.3.4. Ссылки
- •9.4. Детали разрешения перегрузки функций
- •9.4.1. Функции-кандидаты
- •9.4.2. Устоявшие функции
- •9.4.3. Наилучшая из устоявших функция
- •9.4.4. Аргументы со значениями по умолчанию
- •10. Шаблоны функций
- •10.1. Определение шаблона функции
- •10.2. Конкретизация шаблона функции
- •10.3. Вывод аргументов шаблона А
- •10.4. Явное задание аргументов шаблона A
- •10.5. Модели компиляции шаблонов А
- •10.5.1. Модель компиляции с включением
- •10.5.2. Модель компиляции с разделением
- •10.5.3. Явные объявления конкретизации
- •10.6. Явная специализация шаблона А
- •10.7. Перегрузка шаблонов функций А
- •10.8. Разрешение перегрузки при конкретизации A
- •10.9. Разрешение имен в определениях шаблонов А
- •10.10. Пространства имен и шаблоны функций А
- •10.11. Пример шаблона функции
- •11. Обработка исключений
- •11.1. Возбуждение исключения
- •11.2. try-блок
- •11.3. Перехват исключений
- •11.3.1. Объекты-исключения
- •11.3.2. Раскрутка стека
- •11.3.3. Повторное возбуждение исключения
- •11.3.4. Перехват всех исключений
- •11.4. Спецификации исключений
- •11.4.1. Спецификации исключений и указатели на функции
- •11.5. Исключения и вопросы проектирования
- •12. Обобщенные алгоритмы
- •12.1. Краткий обзор
- •12.2. Использование обобщенных алгоритмов
- •12.3. Объекты-функции
- •12.3.1. Предопределенные объекты-функции
- •12.3.2. Арифметические объекты-функции
- •12.3.3. Сравнительные объекты-функции
- •12.3.4. Логические объекты-функции
- •12.3.5. Адаптеры функций для объектов-функций
- •12.3.6. Реализация объекта-функции
- •12.4. Еще раз об итераторах
- •12.4.1. Итераторы вставки
- •12.4.2. Обратные итераторы
- •12.4.3. Потоковые итераторы
- •12.4.4. Итератор istream_iterator
- •12.4.5. Итератор ostream_iterator
- •12.4.6. Пять категорий итераторов
- •12.5. Обобщенные алгоритмы
- •12.5.1. Алгоритмы поиска
- •12.5.2. Алгоритмы сортировки и упорядочения
- •12.5.3. Алгоритмы удаления и подстановки
- •12.5.4. Алгоритмы перестановки
- •12.5.5. Численные алгоритмы
- •12.5.6. Алгоритмы генерирования и модификации
- •12.5.7. Алгоритмы сравнения
- •12.5.8. Алгоритмы работы с множествами
- •12.5.9. Алгоритмы работы с хипом
- •12.6.1. Операция list_merge()
- •12.6.2. Операция list::remove()
- •12.6.3. Операция list::remove_if()
- •12.6.4. Операция list::reverse()
- •12.6.5. Операция list::sort()
- •12.6.6. Операция list::splice()
- •12.6.7. Операция list::unique()
- •Часть IV
- •13. Классы
- •13.1. Определение класса
- •13.1.1. Данные-члены
- •13.1.2. Функции-члены
- •13.1.3. Доступ к членам
- •13.1.4. Друзья
- •13.1.5. Объявление и определение класса
- •13.2. Объекты классов
- •13.3. Функции-члены класса
- •13.3.1. Когда использовать встроенные функции-члены
- •13.3.2. Доступ к членам класса
- •13.3.3. Закрытые и открытые функции-члены
- •13.3.4. Специальные функции-члены
- •13.3.5. Функции-члены со спецификаторами const и volatile
- •13.3.6. Объявление mutable
- •13.4. Неявный указатель this
- •13.4.1. Когда использовать указатель this
- •13.5. Статические члены класса
- •13.5.1. Статические функции-члены
- •13.6. Указатель на член класса
- •13.6.1. Тип члена класса
- •13.6.2. Работа с указателями на члены класса
- •13.6.3. Указатели на статические члены класса
- •13.7. Объединение – класс, экономящий память
- •13.8. Битовое поле – член, экономящий память
- •13.9. Область видимости класса A
- •13.9.1. Разрешение имен в области видимости класса
- •13.10. Вложенные классы A
- •13.11. Классы как члены пространства имен A
- •13.12. Локальные классы A
- •14.1. Инициализация класса
- •14.2. Конструктор класса
- •14.2.1. Конструктор по умолчанию
- •14.2.2. Ограничение прав на создание объекта
- •14.2.3. Копирующий конструктор
- •14.3. Деструктор класса
- •14.3.1. Явный вызов деструктора
- •14.3.2. Опасность увеличения размера программы
- •14.4. Массивы и векторы объектов
- •14.4.1. Инициализация массива, распределенного из хипа A
- •14.4.2. Вектор объектов
- •14.5. Список инициализации членов
- •14.6. Почленная инициализация A
- •14.6.1. Инициализация члена, являющегося объектом класса
- •14.7. Почленное присваивание A
- •14.8. Соображения эффективности A
- •15.1. Перегрузка операторов
- •15.1.1. Члены и не члены класса
- •15.1.2. Имена перегруженных операторов
- •15.1.3. Разработка перегруженных операторов
- •15.2. Друзья
- •15.3. Оператор =
- •15.4. Оператор взятия индекса
- •15.5. Оператор вызова функции
- •15.6. Оператор “стрелка”
- •15.7. Операторы инкремента и декремента
- •15.8. Операторы new и delete
- •15.8.1. Операторы new[ ] и delete [ ]
- •15.8.2. Оператор размещения new() и оператор delete()
- •15.9. Определенные пользователем преобразования
- •15.9.1. Конвертеры
- •15.9.2. Конструктор как конвертер
- •15.10. Выбор преобразования A
- •15.10.1. Еще раз о разрешении перегрузки функций
- •15.10.2. Функции-кандидаты
- •15.11. Разрешение перегрузки и функции-члены A
- •15.11.1. Объявления перегруженных функций-членов
- •15.11.2. Функции-кандидаты
- •15.11.3. Устоявшие функции
- •15.12. Разрешение перегрузки и операторы A
- •15.12.1. Операторные функции-кандидаты
- •15.12.2. Устоявшие функции
- •15.12.3. Неоднозначность
- •16. Шаблоны классов
- •16.1. Определение шаблона класса
- •16.1.1. Определения шаблонов классов Queue и QueueItem
- •16.2. Конкретизация шаблона класса
- •16.2.1. Аргументы шаблона для параметров-констант
- •16.3. Функции-члены шаблонов классов
- •16.3.1. Функции-члены шаблонов Queue и QueueItem
- •16.4. Объявления друзей в шаблонах классов
- •16.4.1. Объявления друзей в шаблонах Queue и QueueItem
- •16.5. Статические члены шаблонов класса
- •16.6. Вложенные типы шаблонов классов
- •16.7. Шаблоны-члены
- •16.8. Шаблоны классов и модель компиляции A
- •16.8.1. Модель компиляции с включением
- •16.8.2. Модель компиляции с разделением
- •16.8.3. Явные объявления конкретизации
- •16.9. Специализации шаблонов классов A
- •16.10. Частичные специализации шаблонов классов A
- •16.11. Разрешение имен в шаблонах классов A
- •16.12. Пространства имен и шаблоны классов
- •16.13. Шаблон класса Array
- •Часть V
- •17. Наследование и подтипизация классов
- •17.1. Определение иерархии классов
- •17.1.1. Объектно-ориентированное проектирование
- •17.2. Идентификация членов иерархии
- •17.2.1. Определение базового класса
- •17.2.2. Определение производных классов
- •17.2.3. Резюме
- •17.3. Доступ к членам базового класса
- •17.4. Конструирование базового и производного классов
- •17.4.1. Конструктор базового класса
- •17.4.2. Конструктор производного класса
- •17.4.3. Альтернативная иерархия классов
- •17.4.4. Отложенное обнаружение ошибок
- •17.4.5. Деструкторы
- •17.5.1. Виртуальный ввод/вывод
- •17.5.2. Чисто виртуальные функции
- •17.5.3. Статический вызов виртуальной функции
- •17.5.4. Виртуальные функции и аргументы по умолчанию
- •17.5.5. Виртуальные деструкторы
- •17.5.6. Виртуальная функция eval()
- •17.5.7. Почти виртуальный оператор new
- •17.5.8. Виртуальные функции, конструкторы и деструкторы
- •17.6. Почленная инициализация и присваивание A
- •17.7. Управляющий класс UserQuery
- •17.7.1. Определение класса UserQuery
- •17.8. Соберем все вместе
- •18.1. Готовим сцену
- •18.2. Множественное наследование
- •18.3. Открытое, закрытое и защищенное наследование
- •18.3.1. Наследование и композиция
- •18.3.2. Открытие отдельных членов
- •18.3.3. Защищенное наследование
- •18.3.4. Композиция объектов
- •18.4. Область видимости класса и наследование
- •18.5. Виртуальное наследование A
- •18.5.1. Объявление виртуального базового класса
- •18.5.2. Специальная семантика инициализации
- •18.5.3. Порядок вызова конструкторов и деструкторов
- •18.5.4. Видимость членов виртуального базового класса
- •18.6.2. Порождение класса отсортированного массива
- •18.6.3. Класс массива с множественным наследованием
- •19. Применение наследования в C++
- •19.1. Идентификация типов во время выполнения
- •19.1.1. Оператор dynamic_cast
- •19.1.2. Оператор typeid
- •19.1.3. Класс type_info
- •19.2. Исключения и наследование
- •19.2.1. Исключения, определенные как иерархии классов
- •19.2.2. Возбуждение исключения типа класса
- •19.2.3. Обработка исключения типа класса
- •19.2.4. Объекты-исключения и виртуальные функции
- •19.2.5. Раскрутка стека и вызов деструкторов
- •19.2.6. Спецификации исключений
- •19.2.7. Конструкторы и функциональные try-блоки
- •19.3. Разрешение перегрузки и наследование A
- •19.3.1. Функции-кандидаты
- •19.3.3. Наилучшая из устоявших функций
- •20. Библиотека iostream
- •20.1. Оператор вывода <<
- •20.2. Ввод
- •20.2.1. Строковый ввод
- •20.3. Дополнительные операторы ввода/вывода
- •20.4. Перегрузка оператора вывода
- •20.5. Перегрузка оператора ввода
- •20.6. Файловый ввод/вывод
- •20.7. Состояния потока
- •20.8. Строковые потоки
- •20.9. Состояние формата
- •20.10. Сильно типизированная библиотека
- •accumulate()
- •adjacent_difference()
- •adjacent_find()
- •binary_search()
- •copy()
- •copy_backward()
- •count_if()
- •equal()
- •equal_range()
- •fill()
- •find()
- •find_if()
- •find_end()
- •find_first_of()
- •generate()
- •generate_n()
- •includes()
- •inplace_merge()
- •iter_swap()
- •lexicographical_compare()
- •max_element()
- •merge()
- •next_permutation()
- •nth_element()
- •partial_sort()
- •partial_sort_copy()
- •partition()
- •prev_permutation()
- •random_shuffle()
- •remove()
- •remove_if()
- •remove_copy_if()
- •replace_copy()
- •replace_if()
- •replace_copy_if()
- •reverse_copy()
- •rotate()
- •search_n()
- •set_difference()
- •set_intersection()
- •set_union()
- •sort()
- •stable_partition()
- •swap()
- •swap_ranges()
- •transform()
- •unique_copy()
- •upper_bound()
- •Алгоритмы для работы с хипом
- •make_heap()
- •pop_heap()
- •push_heap()
- •sort_heap()
С++ для начинающих |
36 |
Что делает следующий фрагмент кода? В чем состоит логическая ошибка? (Отметим, что операция взятия индекса ([]) правильно применена к указателю pia. Объяснение этому
int *pi = new int(10); int *pia = new int[10];
while ( *pi < 10 ) { pia[*pi] = *pi; *pi = *pi + 1;
}
delete pi;
факту можно найти в разделе 3.9.2.) delete[] pia;
2.3. Объектный подход
В этом разделе мы спроектируем и реализуем абстракцию массива, используя механизм классов С++. Первоначальный вариант будет поддерживать только массив элементов типа int. Впоследствии при помощи шаблонов мы расширим наш массив для поддержки любых типов данных.
Первый шаг состоит в том, чтобы определить, какие операции будет поддерживать наш массив. Конечно, было бы заманчиво реализовать все мыслимые и немыслимые операции, но невозможно сделать сразу все на свете. Поэтому для начала определим то, что должен уметь наш массив:
1.обладать некоторыми знаниями о самом себе. Пусть для начала это будет знание собственного размера;
2.поддерживать операцию присваивания и операцию сравнения на равенство;
3.отвечать на некоторые вопросы, например: какова величина минимального и максимального элемента; содержит ли массив элемент с определенным значением; если да, то каков индекс первого встречающегося элемента, имеющего это значение;
4.сортировать сам себя. Пусть такая операция покажется излишней, все-таки реализуем ее в качестве дополнительного упражнения: ведь кому-то это может пригодиться.
5.Конечно, мы должны реализовать и базовые операции работы с массивом, а именно:Возможность задать размер массива при его создании. (Речь не идет о том, чтобы знать эту величину на этапе компиляции.)
6.Возможность проинициализировать массив некоторым набором значений.
7.Возможность обращаться к элементу массива по индексу. Пусть эта возможность реализуется с помощью стандартной операции взятия индекса.
8.Возможность обнаруживать обращения к несуществующим элементам массива и сигнализировать об ошибке. Не будем обращать внимание на тех потенциальных пользователей нашего класса, которые привыкли работать со встроенными массивами С и не считают данную возможность полезной – мы хотим создать такой массив,
который был бы удобен в использовании даже самым неискушенным программистам на С++.
С++ для начинающих |
37 |
Кажется, мы перечислили достаточно потенциальных достоинств нашего будущего массива, чтобы загореться желанием немедленно приступить к его реализации. Как же это будет выглядеть на С++? В самом общем случае объявление класса выглядит
class classname { public:
//набор открытых операций private:
//закрытые функции, обеспечивающие реализацию
следующим образом:
};
class, public и private – это ключевые слова С++, а classname – имя, которое программист дал своему классу. Назовем наш проектируемый класс IntArray: на первом этапе этот массив будет содержать только целые числа. Когда мы научим его обращаться с данными любого типа, можно будет переименовать его в Array.
Определяя класс, мы создаем новый тип данных. На имя класса можно ссылаться точно так же, как на любой встроенный описатель типа. Можно создавать объекты этого нового
// статический объект типа IntArray
типа аналогично тому, как мы создаем объекты встроенных типов:
IntArray myArray;
// указатель на динамический объект типа IntArray IntArray *pArray = new IntArray;
Определение класса состоит из двух частей: заголовка (имя, предваренное ключевым словом class) и тела, заключенного в фигурные скобки. Заголовок без тела может
// объявление класса IntArray
служить объявлением класса.
// без определения его class IntArray;
Тело класса состоит из определений членов и спецификаторов доступа – ключевых слов public, private и protected. (Пока мы ничего не будем говорить об уровне доступа protected.) Членами класса могут являться функции, которые определяют набор действий, выполняемых классом, и переменные, содержащие некие внутренние данные, необходимые для реализации класса. Функции, принадлежащие классу, называют функциями-членами или, по-другому, методами класса. Вот набор методов класса
IntArray:
С++ для начинающих |
38 |
class IntArray { public:
// операции сравнения: #2b
bool operator== (const IntArray&) const; bool operator!= (const IntArray&) const;
// операция присваивания: #2a IntArray& operator= (const IntArray&);
int size() const; |
// #1 |
void sort(); |
// #4 |
int min() const; |
// #3a |
int max() const; |
// #3b |
//функция find возвращает индекс первого
//найденного элемента массива
//или -1, если элементов не найдено
int find (int value) const; // #3c
private:
//дальше идут закрытые члены,
//обеспечивающие реализацию класса
...
}
Номера, указанные в комментариях при объявлениях методов, ссылаются на спецификацию класса, которую мы составили в начале данного раздела. Сейчас мы не будем объяснять смысл ключевого слова const, он не так уж важен для понимания того, что мы хотим продемонстрировать на данном примере. Будем считать, что это ключевое слово необходимо для правильной компиляции программы.
Именованная функция-член (например, min()) может быть вызвана с использованием одной из двух операций доступа к члену класса. Первая операция доступа, обозначаемая точкой (.), применяется к объектам класса, вторая – стрелка (->) – к указателям на объекты. Так, чтобы найти минимальный элемент в объекте, имеющем тип IntArray, мы
// инициализация переменной min_val
должны написать:
int min_val = myArray.min();
// минимальным элементом myArray
Чтобы найти минимальный элемент в динамически созданном объекте типа IntArray, мы должны написать:
int min_val = pArray->min();
(Да, мы еще ничего не сказали о том, как же проинициализировать наш объект – задать его размер и наполнить элементами. Для этого служит специальная функция-член, называемая конструктором. Мы поговорим об этом чуть ниже.)
Операции применяются к объектам класса точно так же, как и к встроенным типам данных. Пусть мы имеем два объекта типа IntArray:
С++ для начинающих |
39 |
IntArray myАrray0, myArray1;
Инструкции присваивания и сравнения с этими объектами выглядят совершенно
//инструкция присваивания -
//вызывает функцию-член myArray0.operator=(myArray1)
myArray0 = myArray1;
//инструкция сравнения -
//вызывает функцию-член myArray0.operator==(myArray1) if (myArray0 == myArray1)
обычным образом:
cout << "Ура! Оператор присваивания сработал!\n";
Спецификаторы доступа public и private определяют уровень доступа к членам класса. К тем членам, которые перечислены после public, можно обращаться из любого места программы, а к тем, которые объявлены после private, могут обращаться только функции-члены данного класса. (Помимо функций-членов, существуют еще функции- друзья класса, но мы не будем говорить о них вплоть до раздела 15.2.)
В общем случае открытые члены класса составляют его открытый интерфейс, то есть набор операций, которые определяют поведение класса. Закрытые члены класса обеспечивают его скрытую реализацию.
Такое деление на открытый интерфейс и скрытую реализацию называют сокрытием информации, или инкапсуляцией. Это очень важная концепция программирования, мы еще поговорим о ней в следующих главах. В двух словах, эта концепция помогает решить следующие проблемы:
∙если мы меняем или расширяем реализацию класса, то изменения можно выполнить так, что большинство пользовательских программ, использующих наш класс, их “не заметят”: модификации коснутся лишь скрытых членов (мы поговорим об этом в разделе 6.18);
∙если в реализации класса обнаруживается ошибка, то обычно для ее исправления достаточно проверить код, составляющий именно скрытую реализацию, а не весь код программы, где данный класс используется.
Какие же внутренние данные потребуются для реализации класса IntArray? Необходимо где-то сохранить размер массива и сами его элементы. Мы будем хранить их в массиве встроенного типа, память для которого выделяется динамически. Так что нам потребуется
class IntArray { public:
// ...
int size() const { return _size; } private:
// внутренние данные-члены
указатель на этот массив. Вот как будут выглядеть определения этих данных-членов:
int _size; int *ia;
};
С++ для начинающих |
40 |
Поскольку мы поместили член _size в закрытую секцию, пользователь класса не имеет возможности обратиться к нему напрямую. Чтобы позволить внешней программе узнать размер массива, мы написали функцию-член size(), которая возвращает значение члена _size. Нам пришлось добавить символ подчеркивания к имени нашего скрытого члена _size, поскольку функция-член с именем size() уже определена. Члены класса – функции и данные – не могут иметь одинаковые имена.
Может показаться, что реализуя подобным образом доступ к скрытым данным класса, мы очень сильно проигрываем в эффективности. Сравним два выражения (предположим, что
IntArray array;
мы изменили спецификатор доступа члена _size на public):
int array_size = array.size(); array_size = array._size;
Действительно, вызов функции гораздо менее эффективен, чем прямой доступ к памяти, как во втором операторе. Так что же, принцип сокрытия информации заставляет нас жертвовать эффективностью?
На самом деле, нет. С++ имеет механизм встроенных (inline) функций. Текст встроенной функции подставляется компилятором в то место, где записано обращение к ней. (Это напоминает механизм макросов, реализованный во многих языках, в том числе и в С++. Однако есть определенные отличия, о которых мы сейчас говорить не будем.)
for (int index=0; index<array.size(); ++index)
Вот пример. Если у нас есть следующий фрагмент кода:
// ...
то функция size() не будет вызываться _size раз во время исполнения. Вместо вызова компилятор подставит ее текст, и результат компиляции предыдущего кода будет в точности таким же, как если бы мы написали:
for (int index=0; index<array._size; ++index)
// ...
Если функция определена внутри тела класса (как в нашем случае), она автоматически считается встроенной. Существует также ключевое слово inline, позволяющее объявить встроенной любую функцию3.
Мы до сих пор ничего не сказали о том, как будем инициализировать наш массив.
Одна из самых распространенных ошибок при программировании (на любом языке) состоит в том, что объект используется без предварительной инициализации. Чтобы помочь избежать этой ошибки, С++ обеспечивает механизм автоматической инициализации для определяемых пользователем классов – конструктор класса.
3 Объявление функции inline – это всего лишь подсказка компилятору. Однако компилятор не всегда может сделать функцию встроенной, существуют некоторые ограничения. Подробнее об этом сказано в разделе 7.6.
С++ для начинающих |
41 |
Конструктор – это специальная функция-член, которая вызывается автоматически при создании объекта типа класса. Конструктор пишется разработчиком класса, причем у одного класса может быть несколько конструкторов.
Функция-член класса, носящее то же имя, что и сам класс, считается конструктором. (Нет никаких специальных ключевых слов, позволяющих определить конструктор как-то по- другому.) Мы уже сказали, что конструкторов может быть несколько. Как же так: разные функции с одинаковыми именами?
В С++ это возможно. Разные функции могут иметь одно и то же имя, если у этих функций различны количество и/или типы параметров. Это называется перегрузкой функции. Обрабатывая вызов перегруженной функции, компилятор смотрит не только на ее имя, но и на список параметров. По количеству и типам передаваемых параметров компилятор может определить, какую же из одноименных функций нужно вызывать в данном случае. Рассмотрим пример. Мы можем определить следующий набор перегруженных функций min(). (Перегружаться могут как обычные функции, так и
//список перегруженных функций min()
//каждая функция отличается от других списком параметров
#include <string>
int min (const int *pia,int size); int min (int, int);
int min (const char *str); char min (string);
функции-члены.)
string min (string,string);
Поведение перегруженных функций во время выполнения ничем не отличается от поведения обычных. Компилятор определяет нужную функцию и помещает в объектный код именно ее вызов. (В главе 9 подробно обсуждается механизм перегрузки.)
Итак, вернемся к нашему классу IntArray. Давайте определим для него три
class IntArray { public:
explicit IntArray (int sz = DefaultArraySize); IntArray (int *array, int array_size); IntArray (const IntArray &rhs);
// ...
private:
static const int DefaultArraySize = 12;
конструктора:
}
Первый из перечисленных конструкторов
IntArray (int sz = DefaultArraySize);
называется конструктором по умолчанию, потому что он может быть вызван без параметров. (Пока не будем объяснять ключевое слово explicit.) Если при создании объекта ему задается параметр типа int, например
С++ для начинающих |
42 |
IntArray array1(1024);
то значение 1024 будет передано в конструктор. Если же размер не задан, допустим:
IntArray array2;
то в качестве значения отсутствующего параметра конструктор принимает величину DefaultArraySize. (Не будем пока обсуждать использование ключевого слова static в определении члена DefaultArraySize: об этом говорится в разделе 13.5. Скажем лишь,
что такой член данных существует в единственном экземпляре и принадлежит одновременно всем объектам данного класса.)
IntArray::IntArray (int sz)
{
//инициализация членов данных
_size = sz;
ia = new int[_size];
//инициализация элементов массива for (int ix=0; ix<_size; ++ix)
ia[ix] = 0;
Вот как может выглядеть определение нашего конструктора по умолчанию:
}
Это определение содержит несколько упрощенный вариант реализации. Мы не позаботились о том, чтобы попытаться избежать возможных ошибок во время выполнения. Какие ошибки возможны? Во-первых, оператор new может потерпеть неудачу при выделении нужной памяти: в реальной жизни память не бесконечна. (В разделе 2.6 мы увидим, как обрабатываются подобные ситуации.) А во-вторых, параметр sz из-за небрежности программиста может иметь некорректное значение, например нуль или отрицательное.
Что необычного мы видим в таком определении конструктора? Сразу бросается в глаза первая строчка, в которой использована операция разрешения области видимости (::):
IntArray::IntArray(int sz);
Дело в том, что мы определяем нашу функцию-член (в данном случае конструктор) вне тела класса. Для того чтобы показать, что эта функция на самом деле является членом класса IntArray, мы должны явно предварить имя функции именем класса и двойным двоеточием. (Подробно области видимости разбираются в главе 8; области видимости применительно к классам рассматриваются в разделе 13.9.)
Второй конструктор класса IntArray инициализирует объект IntArray значениями элементов массива встроенного типа. Он требует двух параметров: массива встроенного типа со значениями для инициализации и размера этого массива. Вот как может
int ia[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
выглядеть создание объекта IntArray с использованием данного конструктора:
IntArray iA3(ia,10);
С++ для начинающих |
43 |
Реализация второго конструктора очень мало отличается от реализации конструктора по
IntArray::IntArray (int *array, int sz)
{
// инициализация членов данных
_size = sz;
ia = new int[_size];
// инициализация элементов массива for (int ix=0; ix<_size; ++ix)
ia[ix] = array[ix];
умолчанию. (Как и в первом случае, мы пока опустили обработку ошибочных ситуаций.)
}
Третий конструктор называется копирующим конструктором. Он инициализирует один объект типа IntArray значением другого объекта IntArray. Такой конструктор вызывается автоматически при выполнении следующих инструкций:
IntArray array;
// следующие два объявления совершенно эквивалентны: IntArray ia1 = array;
IntArray ia2 (array);
Вот как выглядит реализация копирующего конструктора для IntArray, опять-таки без
IntArray::IntArray (const IntArray &rhs )
обработки ошибок:
{
//инициализация членов данных
_size = rhs._size; ia = new int[_size];
//инициализация элементов массива for (int ix=0; ix<_size; ++ix)
ia[ix] = rhs.ia[ix];
}
В этом примере мы видим еще один составной тип данных – ссылку на объект, которая обозначается символом &. Ссылку можно рассматривать как разновидность указателя: она также позволяет косвенно обращаться к объекту. Однако синтаксис их использования различается: для доступа к члену объекта, на который у нас есть ссылка, следует использовать точку, а не стрелку; следовательно, мы пишем rhs._size, а не rhs->_size. (Ссылки рассматриваются в разделе 3.6.)
Заметим, что реализация всех трех конструкторов очень похожа. Если один и тот же код повторяется в разных местах, желательно вынести его в отдельную функцию. Это облегчает и дальнейшую модификацию кода, и чтение программы. Вот как можно модернизировать наши конструкторы, если выделить повторяющийся код в отдельную функцию init():
С++ для начинающих |
44 |
class IntArray { public:
explicit IntArray (int sz = DefaultArraySize); IntArray (int *array, int array_size); IntArray (const IntArray &rhs);
// ...
private:
void init (int sz,int *array); // ...
};
// функция, используемая всеми конструкторами void IntArray::init (int sz,int *array)
{
_size = sz;
ia = new int[_size];
for (int ix=0; ix<_size; ++ix) if ( !array )
ia[ix] = 0; else
ix[ix] = array[ix];
}
// модифицированные конструкторы
IntArray::IntArray (int sz) { init(sz,0); } IntArray::IntArray (int *array, int array_size)
{init (array_size,array); } IntArray::IntArray (const IntArray &rhs)
{init (rhs._size,rhs.ia); }
Имеется еще одна специальная функция-член – деструктор, который автоматически вызывается в тот момент, когда объект прекращает существование. Имя деструктора совпадает с именем класса, только в начале идет символ тильды (~). Основное назначение данной функции – освободить ресурсы, отведенные объекту во время его создания и использования. Применение деструкторов помогает бороться с трудно обнаруживаемыми ошибками, ведущими к утечке памяти и других ресурсов. В случае класса IntArray эта функция-член должна освободить память, выделенную в момент создания объекта. (Подробно конструкторы и деструкторы описаны в главе 14.) Вот как выглядит
class IntArray {
деструктор для IntArray:
public:
// конструкторы
explicit IntArray (int sz = DefaultArraySize); IntArray (int *array, int array_size); IntArray (const IntArray &rhs);
// деструктор
~IntArray() { delete[] ia; }
//...
private:
//...
};
С++ для начинающих |
45 |
Теперь нам нужно определить операции доступа к элементам массива IntArray. Мы хотим, чтобы обращение к элементам IntArray выглядело точно так же, как к элементам
IntArray array;
массива встроенного типа, с использованием оператора взятия индекса: int last_pos = array.size()-1;
int temp = array[0]; array[0] = array[last_pos]; array[last_pos] = temp;
Для реализации доступа мы используем возможность перегрузки операций. Вот как
#include <cassert>
int& IntArray::operator[] (int index)
{
assert (index >= 0 && index < _size); return ia[index];
выглядит функция, реализующая операцию взятия индекса:
}
Обычно для проектируемого класса перегружают операции присваивания, операцию сравнения на равенство, возможно, операции сравнения по величине и операции ввода/вывода. Как и перегруженных функций, перегруженных операторов, отличающихся типами операндов, может быть несколько. К примеру, можно создать
несколько операций присваивания объекту значения другого объекта того же самого или иного типа. Конечно, эти объекты должны быть более или менее “похожи”. (Подробно о перегрузке операций мы расскажем в главе 15, а в разделе 3.15 приведем еще несколько примеров.)
Определения класса, различных относящихся к нему констант и, быть может, каких-то
еще переменных и макросов по принятым соглашениям помещаются в заголовочный файл, имя которого совпадает с именем класса. Для класса IntArray мы должны создать заголовочный файл IntArray.h. Любая программа, в которой будет использоваться класс IntArray, должна включать этот заголовочный файл директивой препроцессора
#include.
По тому же самому соглашению функции-члены класса, определенные вне его описания, помещаются в файл с именем класса и расширением, обозначающим исходный текст С++ программы. Мы будем использовать расширение .С (напомним, что в разных системах вы можете встретиться с разными расширениями исходных текстов С++ программ) и назовем наш файл IntArray.C.
Упражнение 2.5
Ключевой особенностью класса С++ является разделение интерфейса и реализации. Интерфейс представляет собой набор операций (функций), выполняемых объектом; он определяет имя функции, возвращаемое значение и список параметров. Обычно пользователь не должен знать об объекте ничего, кроме его интерфейса. Реализация скрывает алгоритмы и данные, нужные объекту, и может меняться при развитии объекта,