5 Основы программирования 2012

1

5 Основы программирования на языке С++

5.1 Основные понятия языков программирования

Согласно ГОСТ ИСО/ МЭК 2382-99. «Информационные технологии. Словарь. Часть 1» имеются следующие определения:

1)искусственный язык - язык, правила которого четко устанавливаются до его использования;

2)язык программирования - искусственный язык для представления программ,

позволяющий программно задавать алгоритм и переводить его непосредственно в команды процессора;

3)программа - синтаксическая единица, подчиняющаяся правилам специфического языка программирования и состоящая из описаний и операторов или команд, необходимых для решения определенной функции, задачи или проблемы.

4)программировать - создавать, записывать, модифицировать и тестировать программы;

5)программирование - создание, запись, модификация и тестирование

программы.

Языки программирования включают следующие характеристики:

1)алфавит – совокупность допустимых символов языка;

2)лексика (словарь) – способы образования слов из символов;

3)синтаксис – правила описания данных и построения отдельных выражений операций языка;

4)семантика – набор правил реализаций вычислительного алгоритма (последовательности описания данных и действий);

5)прагматика – назначение и область применения языка.

В составе языка программирования входят следующие компоненты:

1)средства описания данных (констант, типов, переменных);

2)средства описания операций (операторы и подпрограммы);

3)средства управления (директивы предпроцессора, метки). Языки программирования подразделяются по уровню на:

1)язык высокого уровня (ADA, Pascal, Modula-2, VB), разработанный для быстроты и удобства использования программистом. Программы проще для понимания программистом, но менее эффективны, чем их аналоги, создаваемые при помощи низкоуровневых языков;

2)язык среднего уровня находится в промежуточном положении между языком

верхнего и низкого уровня, сочетая относительное удобство в понимании программ с эффективностью создаваемого ПО. Такие языки используются для создания операционных систем (С, С++);

3) язык низкого уровня близок к программированию непосредственно в машинных кодах используемого процессора. Отличаются высокой эффективностью программ, которые весьма сложны для непосредственного восприятия. Для обозначения машинных команд применяется мнемоническое обозначение, что позволяет запоминать команды не в виде последовательности двоичных нулей и единиц, а в виде осмысленных сокращений слов английского языка. Примером является группа языков ассемблера.

Языки программирования при реализации подразделяются на:

1)компилируемые, которые при помощи специальной программы компилятора преобразуются (компилируются) в набор инструкций для данного типа процессора (машинный код) и далее записывается в исполнимый модуль – exe или dll-файл.

2)интерпретируемые (интерпретаторы) непосредственно выполняют (интерпретируют) исходный текст программы выполняет исходный текст прямо во время исполнения программы («интерпретируя» его своими средствами). Примером является Visual Basic for Application.

Разделение на компилируемые и интерпретируемые языки является условным. Скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем, при каждом изменении текста программы требуется еѐ перекомпиляция, что создаѐт трудности при разработке. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать

2

исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция. Интерпретация дает возможность запускать программы в различных операционных

интерпретация, хотя отдельные его части для ускорения работы программы могут быть транслированы в машинный код непосредственно во время выполнения программы по технологии компиляции «на лету» (Just-in-time compilation, JIT). Для Java байт-код исполняется виртуальной машиной Java (Java Virtual Machine, JVM), для

2)компиляция исходного текста программы в машинный (объектный) код, который хранится в файлах с расширением obj;

3)компоновка объектных файлов с системными библиотеками и создание загрузочных модулей или динамически подключаемых библиотек;

4)отладчик программы, позволяющий производить пошаговое выполнение программы, устанавливать контрольные точки, просматривать значения всех переменных программы;

5)оптимизатор выполняемого кода программы, который оптимизирует загрузочный файл программы в соответствии с заданным критерием (максимальное быстродействие, минимальный объем и т.д.).

5.2 Алфавит языков программирования C и C++

В языке программирования C++ для написания идентификаторов используются следующие группы ACSII символов:

1)символы латинского алфавита верхнего и нижнего регистров, из которых строятся наименования операторов и идентификаторов (верхний и нижний регистр различается в отличие от языков Pascal и Delphi);

2)цифры от 0 до 9, обозначающие численные константы;

3)специальные символы знаков операций: <,>,=,+,*,\,/,#,@ и др.;

4)разделители, которые отделяют элементы языка друг от друга (символы пробела, запятой и точки с запятой);

5)символы местного (русского) языка, которые можно использовать только внутри строковых констант или комментариев.

1)идентификатор может состоять из одного или более символов латинского алфавита, включая символ подчеркивания (_) и цифры от 0 до 9, имя всегда должно начинаться с символа;

2)максимальная длина – 126 символов, но в некоторых версиях С только первые 31 символ являются значимыми (в С++ все символы значимые);

3)идентификатор не может совпадать с зарезервированными словами С или C++ и не должен иметь такое же имя, как функция из библиотеки модулей;

4)идентификаторы учитывают регистр (xn, Xn и XN - различные идентификаторы). В языке C++ имеется опция подавления учета регистра,

между словами и строками на печатной странице. Эти символы разделяют элементы программы друг от друга.

3

Знаки пунктуации и специальные символы (, ; #) используются для различных целей – от организации текста программы до определения заданий, которые будут выполнены компилятором или откомпилированной программой.

Запятая (,) отделяет между элементы некоторого списка (например, списка переменных: int i, j, k;):

Точка с запятой (;) служит терминатором оператора и отделяет между собой выражения языка.

Двоеточие (:) служит для обозначения оператора с меткой.

5.3 Словарь языков программирования C и С++

Программа на языке C++ записывается как последовательность символов, представляющих собой исходный код, создаваемый в текстовом редакторе. Базовой программной единицей в C++ является файл, имеющий расширение *.c или *.cpp. Словарь языков С и С++ состоит из лексем. Лексемы C++ образуются из последовательности операций, выполняемых с программой компилятором и препроцессором языка. C++ распознает лексемы семи классов:

1)ключевые (зарезервированные) слова языка – используются для обозначения некоторых операторов и действий в программе;

2)идентификаторы – имена переменных, констант, типов и функций, вводимые программистом;

3)константы – значения, неизменные в процессе выполнения программы;

4)строковые литералы (строковые константы) – содержат управляющие комбинации символов для форматирования ввода – вывода данных;

5)операции – обозначение операций преобразования данных в программе (операторы, функции),

игнорируются при ее выполнении.

5.3.1 Комментарии

Комментарии – текстовые фрагменты, предназначенные для пояснения определенной части программы. Комментарии перед лексическим анализом исключаются компилятором из исходного текста программы.

Существует два способа указания на комментарии:

1)традиционный метод языка C – представляет собой любую последовательность символов, помещаемую внутри двух пар символов /* */:

/* Программа решения задачи */

2)метод языка C++ – создает комментарий в одной строке при помощи двух подряд следующих символов наклонной черты (//), который может начинаться в любой позиции строки и включает в себя все до символа новой строки:

float Xn; // начальное значение X

Разрешается смешанное и комбинированное использование комментариев любого типа в программах языков C и C++. Комментарии стиля С (/**/) являются более мощным средством, чем комментарии С++ (//), и могут закомментировать фрагменты кода при отладке программы с внутренними строчными комментариями.

Пример отключения части кода с помощью комментариев.

5.3.2 Операции языка С++.

Операции – лексемы, определяющие вычисления с переменными и прочими объектами, указанными в выражении. Язык C++ имеет широкий состав операций, включающий арифметические и логических операции, средства манипуляции с данными на битовом уровне, доступ к компонентам структур и объединений, а также операции с указателями.

Различают два типа операций:

1)унарные – состоят из символа операций и одного знака, например –X;

2)бинарные – включают два операнда, например A+B.

Операции # и ## используются только препроцессором.

программирования для специальных целей, которые не должны использоваться в качестве имен идентификаторов.

Таблица 5.2 – Ключевые слова языка С++

1)простые (скалярные) типы, не имеющие внутренней структуры, описывающие одно значение данных;

2)составные (структурированные) типы, имеющие некоторую внутреннюю

структуру, описывающие некоторый комплекс единых данных. В языке C имеется пять базовых типов данных:

1)символьный char – определяет символы текста;

2)целочисленный int – определяет целые численные значения;

3)вещественный с одинарной точностью float – определяет численные

-указание о невозвращении значения функцией;

-указание о неполучении параметров функции;

-создание нетипизированных указателей.

Четыре первых базовых (фундаментальных) типа данных могут иметь

6

1)десятичной дроби классического формата (с фиксированной точкой):

цифры_целой_части.цифры_десятичной_дроби

Пример const A=5.678;

2):экспоненциальный формат (научная нотация или с плавающей точкой) обозначающей значение мантисса∙10степень, состоящей из шести частей:

десятичное целое значение;

десятичная точка (.) – разделитель дробной части;

десятичное дробное значение;

символ e или E – разделитель мантиссы и показателя степени;

целочисленная экспонента со знаком (опционально для положительного значения), обозначающая степень;

суффикс типа: f или F либо l или L (опционально).

Пример обозначения вещественных констант в научной нотации:

1.031e-03 – значение 0,001031 или 1,031∙10-3;

2.156E+04 – значение 21560 или 2,156∙104;

4.E10F – значение 40 000 000 000 или 4∙1010 вещественного формата.

5.5.2 Целочисленные константы

Используются для определения целых чисел. В зависимости от способа представления различают следующие виды целочисленных констант:

1)десятичные константы (представленные в десятичном формате чисел) с использованием цифр от 0 до 9; формат записи константы:

<десятичное число><суффикс>

2)шестнадцатеричные константы (используют шестнадцатеричный или HEX код), записываются с помощью цифр от 0 до 9 и шесть букв: A, B, C, D, E, F (или a, b, c, d, e, f); формат записи константы должен начинаться с двух символов - нуля и х (0x или 0X):

0X<HEX число><суффикс>

Пример OXFF // 256 в десятичном коде

3)восьмеричные константы (используют восьмеричный код), их значения задаются с первого символа 0 (цифра ноль), остальные - цифры от 0 до 8 в формате;

0<восьмиричное число><суффикс>

Пример 010 // Десятичное число 9 Суффикс целочисленных констант:

-для беззнаковых констант: u или U;

-длинной константы: l или L

Таблица 5.4 Диапазоны значений целочисленных констант без знака

Если за константой следует суффикс L (или l), то такая константа будет представлена как длинная (типа long). Суффикс U (или u) делает константу константой без знака (unsigned). Если численное значение константы превышает десятичное 65535, независимо от используемого основания системы счисления, то такая константа будет иметь тип unsigned long. Суффиксы можно указывать для одной и той же константы в произвольном порядке и набирать в любом регистре: ul, lu, UL и т.д.

5.5.3 Символьные константы

Символьная константа – один или более символов, заключенных в одинарные кавычки (например: 'F', '=', '\n'). Они представляют последовательность символов. В качестве символа может использоваться любой символ за исключением

7

символов одинарной кавычки ('), обратной наклонной черты (\) или управляющейпоследовательности символа новой строки. В C константы из одного символа имеют тип int и внутренний размер 16 бит, когда старший байт слова заполняется нулем или знаком. В C++ константа из одного символа имеет тип char.

C++ поддерживает также двухсимвольные константы (например, 'An', '\n\t' и '\007\007'). Эти константы представлены 16-битовыми значениями типа int, где первый символ расположен в младшем байте, а второй символ - в старшем байте. Эти константы не могут быть перенесены на другие компиляторы C.

5.5.4 Строковые константы (литералы)

Строковые константы (литералы) используются для работы с фиксированными последовательностями символов. Строковый литерал имеет тип данных array of char и класс памяти static, и записывается как последовательность произвольного

последовательности. Строковая константа хранится в памяти как заданная последовательность символов, заканчивающаяся пустым символом ('\0'). Нулевая строка хранится в виде одного символа '\0'.

Для задания строковой константы, выходящей за границы строки в качестве символа продолжения используют обратный слэш (\). В таком случае символы наклонной черты влево и символ новой строки отбрасываются, что позволяет рассматривать две физические строки текста как единое целое. Пример "склеивания" строк символом \:

cout << "В действительности \

это однострочная строка символов");

5.5.5 Управляющие последовательности

Используются для управления форматом ввода вывода и задания непечатных символов. Для введения управляющих последовательностей, позволяющих получить визуальное представление некоторых, не имеющих графического аналога символов, используется символ обратной наклонной черты (\ - обратный слэш).

Таблица 5.5 - Управляющие последовательности C++

5.6 Переменные

Переменная в традиционных языках программирования — именованная (или адресуемая иным способом) область оперативной памяти, имя (или адрес) которой можно использовать для осуществления доступа к данным, находящимся в переменной (по данному адресу). Переменная описывает данные, которые изменяют свои значения при выполнении программы. Все переменные языка программирования связаны с определенным типом данных, который определяет, какие значения может принимать переменная и какие операции возможны над ней. Перед использованием переменной ее надо объявить, используя следующий формат:

8

тип_данных_переменной имя_переменной;

Примеры объявления переменных

int I; // объявление целочисленной переменной I float X; // объявление вещественной переменной X

Имя переменной должно начинаться с символа латинского алфавита или символа подчеркивания (_) и может включать далее и цифры. В языках программирования С и С++ различаются прописные и строчные символы: x и X – это

сокращенная форма записи, использующая формат:

тип_данных имя_первой_переменной, имя_второй_переменной, …; int i, j, k; // объявление трех целочисленных переменных

В языках С и С++ при объявлении переменных можно присвоить начальные значения (провести инициализацию переменных), так как считается, что по умолчанию переменная имеет нулевое значение. Формат инициализации имеет вид:

тип_данных имя_переменной=начальное значение;

Примеры объявления переменных:

double z=1.5e-5; // инициализация переменной значением 1.5∙10-5 int i=10, j=-100; // инициализация двух целых переменных

Переменные классифицируются по зоне видимости на локальные и глобальные. Локальные переменные доступны только в конкретной подпрограмме или фрагменте программы, глобальные — во всей программе. Это дает возможность использовать одинаковые имена переменных, выполняющие схожие функции. Однако следует избегать чрезмерного употребления одинаковых имен для глобальной и локальной переменной, так как при этом теряется доступ к данным глобальной переменной. Следует также избегать чрезмерного применения глобальных переменных.

При объявлении переменных могут использоваться спецификаторы хранения, которые указываются перед типом переменной:

1)extern – объявление внешней переменной при модульном программировании, которое означает, что в программе уже выделена память под эту переменную в ином модуле, например: extern int Nsize;

2)static – обозначение статической долговременной переменной,

существующей на протяжении всего файла или функции;

3) register – указание регистровой переменной, к которой обеспечивается быстрый доступ.

По способу выделения адреса оперативной памяти различаю статические и динамические переменные. Если адрес именованной ячейки памяти определяется на этапе компиляции, то переменная является статической, создающейся при запуске программы. Динамические переменные создаются и удаляются в процессе выполнения программы по мере необходимости.

5.7 Операции в выражениях

Выражением называется последовательность операций, операндов и пунктуаторов (разделителей), задающих определенное вычисление. Например:

a = b*3+c;

cout << "press Enter"; sin(2*x+1);

Простейшей формой оператора выражения является пустой оператор – точка с запятой (;), который ничего не выполняет. Однако он может быть полезным в случаях, когда синтаксис требует наличия оператора, а сам оператор не нужен.

Расчет выражений производится по определенным правилам преобразования, группировки, ассоциативности и приоритета, которые зависят от используемых в выражениях операций, наличия круглых скобок и типов данных операндов. При формировании выражений учитывается приоритет выполнения операций, порядок

9

убывания которого представлен в таблице 4.4. Операции с одинаковым приоритетом указаны на одной строке. Операции, отмеченные (R→L), имеют правую ассоциативность (то есть при сочетании равноприоритетных операций без скобок они вычисляются справа налево).

Таблица 5.6 – Приоритет операций

Для задания требуемой последовательности выполнения операций внутри выражения используются круглые скобки. Например:

X=-(A+B)*C; // сначала A+B , затем изменяется знак и умножается на С Таблица 5.7 - Арифметические операции в языке С

Целое деление дает целый результат: 7/2 есть 3. Над целыми может выполняться операция % получения остатка: 7%2 равно 1.

В таблице 5.8 представлены операторы С++, используемые для управления логикой выполнения.

Таблица 5.8 – Логические операторы и сравнения

Важно не путать операторы равенства (==) и присваивания (=), например a==b - это проверка на равенство, а при a=b переменная a станет равна b.

5.7.1 Операция присваивания

Оператор присваивания в С и С++ обозначается символом = и имеет формат

переменная = расчетное выражение;

При этом сначала рассчитывается выражение, стоящее справа от знака равенства (=), которое в последствии присваивается переменной, стоящей в левой части.

В C++ в отличие от многих языков программирования имеется операция присваивания вместо оператора присваивания. Это позволяет выполнять присваивание внутри других выражений, например: x=sqrt(a=3*x).

Допустимо множественное присваивание в формате

10

Переменная_1 = переменная_2 = ... = переменная_N = выражение;

Пример: a=b=c=10;

Это означает присвоение значения 10 сначала c потом b, а затем a.

Другим свойством операции присваивания является то, что она может совмещаться с бинарными операциями (таблица 5.9). Формат совмещенного оператора

не выполняет. Однако он может быть полезен в случаях, когда синтаксис требует наличие оператора, а сам оператор не нужен.

5.7.4 Составной оператор

Составной оператор - это блок, ограниченный фигурными скобками. Составной оператор позволяет рассматривать несколько операторов как один. Это возможно список операторов, заключенный в фигурные скобки:

{a=b+2;

b++;

}

5.8 Операторы ввода-вывода

5.8.1 Консольный ввод-вывод в языке С

Консольный ввод-вывод организует чтение программой данных с клавиатуры в командной строке, а вывод из программы - на текстовый экран. Такой обмен данными реализуется в операционных системах MS-DOS, LINUX и консоли Windows XP.

Система ввода вывода С предназначена для работы с множеством устройств, которые рассматриваются как единое логическое устройство – поток. Различают текстовые (в которых содержатся последовательности символов) и двоичные потоки, содержащие последовательность байт.

Таблица 5.10 – Потоки ввода-вывода в языке С