Препроцессорные средства в C и С++

Препроцессорные средства в C и С++

3.1 Основные понятия препроцессорной обработки

Препроцессорная обработка (макрообработка) — это преобразование текста путем замены препроцессорных переменных их значениями и выполнения препроцессорных операторов (директив препроцессора).

В общем случае препроцессорные средства включают:

— определение препроцессорных переменных и присвоенных им значений;

— средства управления просмотром преобразуемого текста;

— правила подстановки значений макропеременных.

Определение препроцессорной переменной часто называют макроопределением или макросом, а подстановку ее значения в обрабатываемый текст — макрорасширением.

Макрообработка состоит в последовательном просмотре исходного текста и выделения в нем лексем — сканировании текста. Если выделенная лексема является препроцессорной переменной, она заменяется на свое значение, т. е. строится макрорасширение. Если встречается препроцессорная директива, то она выполняется. Лексемы, не являющиеся препроцессорными переменными или директивами, переносятся в выходной текст без изменения. Результатом такой обработки является текст, не содержащий препроцессорных директив и препроцессорных переменных. Если исходный текст был программой на C или C++, то после макрообработки должен быть получен синтаксически правильный текст на C или C++.

Как правило, строковые литералы (строки в кавычках) рассматриваются препроцессором как отдельные лексемы и переносятся в выходной текст без изменения.

Препроцессор обычно обеспечивает возможность включения в программу исходных текстов из других файлов, в Си/Си++ это выполняется по директиве

# include имя файла Если включаемый файл находится в одном из оглавлений, указываемых в установках интегрированной среды в пункте options-directory-include, где можно указать несколько путей, разделяя их точкой с запятой, имя файла заключается в уголковые кавычки, например

# include

в остальных случаях указывается полный путь к включаемому файлу в кавычках:

# include «c:myincludinclud1.h»

При включении файла на место директивы #include вставляется текст из этого файла, а последующие строки исходного файла сдвигаются вниз, после чего вставленный текст сканируется препроцессором.

Отметим, что директивы препроцессора всегда записывается с новой строки и первым символом директивы должен быть знак #, которому могут предшествовать только пробелы и знаки табуляции. Концом текста директивы служит конец строки. Если директива не помещается в одной строке, в конце строки ставится знак и директива продолжается на следующей строке. Количество строк продолжения не ограничивается.

3.2. Препроцессорные переменные

Препроцессорная переменная (макроимя) объявляется директивой

# define идентификатор значение Например:

# define L_NAME 6

# define END_FORMULA `;'

# define DEBUG

Если объявленное таким способом макроимя встретится в последующем тексте программы, оно будет заменено на соответствующее значение:

char namevar [L_NAME]; // эквивалентно char namevar[6];

if (c ≠ END_FORMULA) … // if (c ≠ `;')…

Переменная DEBUG объявлена. но не имеет значения. В последующем тексте можно проверять. объявлено или нет это имя, и в зависимости от результата проверки включать или не включать в программу некоторые операторы.

Объявленное в define макроимя известно препроцессору от точки его объявления до конца файла или пока не встретится директива

# undef имя Например, #undef DEBUG

Если в последующем тексте встретится имя DEBUG, оно будет рассматриваться как обычное, а не препроцессорное имя.

Имеется ряд предопределенных макроимен, предусмотренных стандартами на языки C и C++, в том числе:

_ _LINE_ _ - номер строки в исходном файле,

_ _FILE_ _ - имя обрабатываемого файла,

_ _DATE_ _ - дата начала обработки препроцессором,

_ _TIME_ _ - время начала обработки,

_ _STDC_ _ - программа должна соответствовать стандарту ANSI.

_ _cplusplus — компилировать программу в соответствии с синтаксисом Си++,

_ _PASCAL_ _ - последующие имена по умолчанию имеют тип «имя языка Pascal»

Предопределенные имена нельзя объявлять в #define или отменять в #undef.

Макросы FILE, DATE и TIME могут использоваться в сообщениях, выдаваемых в начале программы для указания, какая версия программы используется, например,

cout << «n Файл «<< __FILE__ << «От «<< __DATE__ << «n»;

Макрос PASCAL применяется при описании функций, предназначенных для использования в программах, написанных на языке Pascal, а также функций, вызываемых операционной системой Windows.

При программировании на Си директивы типа

#define MAX_LEN 80

обычно применяются для задания именованных констант.

Введение

описателя const в последние версии Си и в Си++ позволяет определять именованные константы так же, как и обычные переменные.

3.3. Макроопределения (макросы)

Рассмотренный выше вариант директивы #define — частный случай. Полный синтаксис этой директивы имеет вид:

# define идентификатор (параметры) список_замены Параметры задаются их именами, список замены — это текст на C, C++, содержащий имена параметров, например:

# define MAX (a, b) ((a) > (b))? (a): (b)

# define PRINT (a) cout<< #a<<�"= «<<(a)<

Если в области действия этих макроопределений встретится текст

x = MAX (y + p, s);

то он будет заменен на

x = ((y + p) > (s))? (y + p): (s);

оператор PRINT (x) будет заменен на

cout<<�"x"<<�"= «<<(x)<

Знак # перед именем параметра означает, что значение аргумента рассматривается как строковый литерал. Если между двумя параметрами в макрорасширении стоят знаки ##, то значения аргументов сцепляются по правилу сцепления строк, например,

# define VAR (a, b) (a##b)

x = d [ VAR (i, j)]; // x = d [ (ij)];

Использование макросов в ряде случаев позволяет сократить исходный текст программы и сделать его более наглядным. Например, если поместить в файл-заголовок макросы

#if defined (__cplusplus)

# define _PTRDEF (name) typedef name * P##name;

# define _REFDEF (name) typedef name & R##name;

# define _STRUCTDEF (name) struct name;

_PTRDEF (name)

_REFDEF (name)

#endif

то мы получим возможность одной строкой программы

_STRUCTDEF (MyStruct)

объявить имя структурного типа MyStruct, указатель на этот тип PMyStruct и тип ссылки на него RMyStruct, т. е. получить в выходном тексте строчки

struct MyStruct;

typedef MyStruct *PMyStruct;

typedef MyStruct &RMystruct;

3.4. Условная компиляция

Директивы препроцессора # if, # else, # endif и # elif позволяют, в зависимости от результатов проверки некоторых условий, включать в программу один из нескольких вариантов текста:

# if препроцессорное_условие текст 1

# else

текст 2

# endif

дальнейший текст.

Условие — это константное выражение, которое строится из макроимен, констант и знаков операций, включая логические связки && и | |. Допускается также выражение sizeof (имя_типа) и препроцессорная функция defined (макроимя), возвращающая 1, если это макроимя определено, и 0, если оно не определено. Вместо директивы

# if defined (DEBUG)

можно написать

# ifdef DEBUG

а вместо

# if! defined (DEBUG)

написать

# ifndef DEBUG

Комбинации #if — #else могут быть вложенными, причем последовательность #else — #if заменяется одной директивой #elif с условием:

# if препроцессорное_условие₁

текст 1

# elif препроцессорное_условие₂

текст₂

# else

текст₃

# endif

В файлах заголовков для предотвращения многократного включения одного и того же заголовка в программу обычно присутствует текст вида:

#if !defined (_ _DEFS_H)

#define _ _DEFS_H

/* Текст объявляемых заголовков */

…

#endif /* Конец _ _DEFS_H */

4. Объектно-ориентированные средства С++

4.1 Объектные типы данных

Объектные типы данных — это агрегатные типы, полностью определяемые программистом, описание объектного типа должно содержать компоненты-данные, определяющие область возможных значений переменных этого типа, и описание операций, допустимых над переменными этого типа и компонентами-данными, составляющими переменную. Для сохранения совместимости с программами на Си синтаксис описания объектного типа в Си++ выбран подобным описанию структурного типа или типа объединения в Си. В сущности структуры и объединения в Си++ рассматриваются как варианты объектных типов. Имеются три варианта объектных типов: структура (struct), объединение (union) и класс (class), различающиеся возможностями доступа к компонентам типа. В дальнейшем для краткости все варианты объектных типов будем называть классами. Описание объектного типа строится по схеме:

вариант_типа имя_типа: список_базовых_классов

{ компоненты (члены) класса }

Компонентами класса могут быть компоненты-данные и компоненты-функции. Компоненты-функции предназначены для выполнения операций над объектным данным, их часто называют методами класса.

Для каждого компонента класса устанавливается уровень доступа либо явно, указанием уровня доступа одним из ключевых слов public, protected или private с двоеточием, либо неявно, по умолчанию. Указание уровня доступа относится ко всем последующим компонентам класса, пока не встретится указание другого уровня доступа. Уровень доступа public разрешает доступ к компонентам класса из любого места программы, в котором известна переменная этого класса. Уровень доступа private разрешает доступ к компонентам класса только из методов этого класса. Уровень доступа protected имеет смысл только в иерархической системе классов и разрешает доступ к компонентам этого уровня из методов производного класса. По умолчанию для всех компонент класса типа struct принимается уровень доступа public, но можно явно задавать и другие уровни доступа, уровень доступа к компонентам класса типа class по умолчанию private, явно можно определять и другие уровни, для класса типа union уровень доступа public и не может быть изменен.

Например, пусть программист решил в классе TPoint (точка) запретить внешний доступ к координатам точки и разрешить внешний доступ к методам перемещения точки на плоскости. Описание класса TPoint можно построить так:

class TPoint

{ private:

int x, y;

public:

void movePoint (int newx, int newy); // в новую точку

void relmove (int dx, int dy); // смещение на dx, dy

int getx (void) (return x; };

int gety (void) { return y; };

};

Описание тела компоненты-функции может быть включено в описание класса, как это сделано в примере для функций getx и gety, или помещено вне описания класса. Компоненты-функции при их вызове неявно получают дополнительный аргумент — указатель на переменную объектного типа, для которой вызвана функция и в теле функции можно обращаться ко всем компонентам класса. В связи с этим при описании тела компоненты-функции вне описания класса нужно использовать операцию разрешения контекста, чтобы информировать компилятор о принаждлежности функции к классу. Методы класса TPoint можно описать так:

void TPoint:: movePoint (int newx, int newy)

{ x = newx; y = newy; }

void TPoint:: relmove (int dx, int dy)

{ x += dx; y += dy; }

Чтобы выполнить начальную инициализацию компонент-данных при создании переменных объектного типа в описание типа включаются специальные методы-конструкторы. Имя конструктора совпадает с именем типа, конструктор не возвращает никакого значения и для него не указывается тип возвращаемого значения. Для рассмотренного выше класса TPoint можно было обойтись без конструктора и использовать для инициализации метод movePoint. Рассмотрим в качестве примера класс TRect, описывающий прямоугольник со сторонами, параллельными осям координат:

enum Boolean {FALSE, TRUE };

class TRect

{ public:

TPoint a, b; // a — левый верхний угол, b — правый нижний угол

void move (int dx, int dy) // перемещение прямоугольника

{ a. relmove (dx, dy); b. relmove (dx, dy);}

void grow (int dx, int dy) // изменение размеров

{ a. x +=dx; a. y += dy; b. x +=dx; b. y += dy; }

void intersect (const TRect& r); // общая часть двух прямоугольников

void Union (const TRect& r); /* прямоугольник, охватывающий два прямоугольника */

Boolean contains (const TPoint& p);

/* TRUE, если точка p принадлежит прямоугольнику */

Boolean isEmpty ();

/* TRUE, если ширина или высота прямоугольника равны нулю */

TRect (int ax, int ay, int bx, int by) // конструктор

{ a, x — ax; a, y = ay; b. x = bx; b. y = by; };

TRect (TPoint p1, TPoint p2) // конструктор

{ a = p1; b = p2; };

TRect () // конструктор

{ a. x = a. y = b. x = b. y = 0; };

};

/* Методы класса TRect */

void TRect:: intersect (const TRect& r)

{ a. x = max (a.x, r.a.x); b. x = min (b.x, r.b.x);

a.y = max (a.y, r.a.y); b. y = min (b.y, r.b.y);

};

void TRect:: Union (const TRect & r)

{ a. x = (a.x <= r.a.x)? a. x: r.a.x ;

a.y = (a.y <= r.a.y)? a. y: r.a.y ;

b.x = (b.x >= r.b.x)? b. x: r.b.x ;

b.y = (b.y >= r.b.y)? b. y: r.b.y ;

};

Boolean TRect:: contains (const TPoint & p)

{ return Boolean (p.x >= p. x && p. x < b. x && p. y >= a. y && p. y < b. y); };

Boolean TRect:: isEmpty ()

a.y >= b. y); ;

Более полная информация о конструкторах объектных типов приведена в следующем разделе.

Объявление переменной объектного типа строится по общим правилам, но за идентификатором переменной можно указать в скобках аргументы определенного в классе конструктора, например:

TRect r1(2,4,20,50); // инициализация с использованием первого конструктора

TRect *pr = &r1; // укзатель на TRect

TRect r2, *ptr; // для r2 используется конструктор без параметров В операции new для размещения в динамической памяти объектной переменной за именем типа также указываются аргументы конструктора этого типа:

ptr = new TRect (7,3,18,40);

Для обращения к компонентам объектного типа имя компоненты должно уточняться именем объектной переменной или указателем на нее:

r1.grow (2, -3);

pr->move (1, 1);

Boolean bb= r1. isEmpty ();

4.2. Конструкторы и деструкторы

Описание класса обычно содержит специальные методы, вызываемые при создании переменной этого класса и удалении переменной из динамической памяти — конструкторы и деструкторы. Конструктор вызывается после выделения памяти для переменной и обеспечивает инициализацию компонент-данных, деструктор вызывается перед освобождением памяти, занимаемой объектной переменной, и предназначен для выполнения дополнительных действий, связанных с уничтожением объектной переменной, например, для освобождения памяти, выделенной для объекта вне участка, отведенного для компонент-данных.

Как уже отмечалось, конструктор всегда имеет имя, совпадающее с именем класса, для него не указывается тип возвращаемого значения и он не возвращает никакого значения. Конструктор должен обеспечивать инициализацию всех компонент-данных. Для класса может быть объявлено несколько конструкторов, различающихся числом и типами параметров. В общем случае различают следующие виды конструкторов: конструктор с параметрами, конструктор без параметров и конструктор копирования с одним параметром — ссылкой на переменную того же объектного типа. Если для объектного типа не определено ни одного конструктора, компилятор создает для него конструктор по умолчанию, не использующий параметров. Конструктор копирования необходим, если переменная объектного типа передается в какую-нибудь функцию как аргумент, поскольку все аргументы передаются в функцию по значению.

Деструктор необходим, если объектный тип содержит компоненту-данное, являющуюся указателем на динамическое данное, которое должно уничтожаться при уничтожении объектной переменной. Деструктор всегда имеет то же имя, что и имя класса, но перед именем записывается знак ~ (тильда). Деструктор не имеет параметров и подобно конструктору не возвращает никакого значения.

В качестве примера рассмотрим объектный тип TString для представления строковых данных с более высокой степенью защиты от ошибок, чем это обеспечено стандартными функциями обработки строк из файла-заголовка string.h.

#include

#include

class TString

{ public:

TString (); // конструктор без параметров

TString (int n, char* s=0); // конструктор, создающий пустую строку

/* конструктор, преобразующий массив из char с завершающим нулем

в тип TString */

TString (char* s);

TString (TString& st); // конструктор копирования

~TString (); // деструктор

void print (); // вывод строки на экран

int sz; // длина строки

char* ps; // указатель на память для хранения строки

};

/* Методы класса TString */

TString:TString (){sz=0; ps=0;}

TString:TString (int n, char* s)

{ sz=n; ps=new char[n+1];

strncpy (ps, s, n); ps[sz]='';

}

TString:TString (char* s)

{ sz=strlen (s)+1; ps=new char[sz];

strcpy (ps, s);

}

TString:TString (TString& str)

{ sz = str. sz; ps=new char[sz+1];

strcpy (ps, str. ps);

}

TString:~TString ()

{ if (ps ≠ 0) delete [] ps; }

void TString: print ()

{ if (sz == 0)

{ cout << «Строка пустая «<< endl; return;}

cout<<" Строка = «<< ps <

}

Ниже приведен пример программы, иллюстрирующей использование данных типа TString.

int main ()

{ char rabstr = «yes» ;

while (*rabstr ≠'n')

{ cin >> rabstr;

if (*rabstr == 'n')break;

TString s1();

TString s2(6);

TString s3(6, rabstr);

TString* ps1=new TString («Это строка по указателю»);

cout <<" s1="; ps1->print ();

cout <<" s2="; s2. print ();

cout <<" s3="; s3. print ();

}

return 0;

}

Описание конструктора можно упростить, если компоненты-данные принадлежат к базовым типам или являются объектными переменными, имеющими конструктор. При описании конструктора после заголовка функции можно поставить двоеточие и за ним список инициализаторов вида идентификатор (аргументы). Например, для класса TPoint из предыдущего параграфа можно было определить конструктор так:

class TPoint

(…

public:

TPoint (int x0, int y0): x (x0), y (y0){ };

}

В этом конструкторе все компоненты получают значения из списка инициализации, а тело конструктора представлено пустым составным оператором.

4.3. Производные классы

Классы образуют иерархическую структуру, когда выделяется некоторый базовый класс, содержащий общие данные и методы группы сходных классов, и строится несколько производных классов, в которых к данным и методам базового класса добавляются данные и методы, необходимые для реализации производного класса. Описание системы классов в этом случае выглядит так:

class TA // базовый класс

{ Переменные и методы TA }

class TAA: public TA // класс, производный от класса TA

{ Переменные и методы TAA }

class TAAB: public TAA // класс, производный от класса TAAB

{ Переменные и методы TAAB }

Доступом к компонентам базового класса управляют ключевые слова public и private. Если базовый класс public, то в производном классе public-компоненты базового класса останутся public, protected-компоненты базового класса останутся protected, private-компоненты базового класса для функций производного класса будут недоступны.

Если базовый класс private, то в производном классе public и protected компоненты базового класса доступны для функций производного класса, но для следующего производного класса они будут считаться private, т. е. будут недоступны, private-компоненты базового класса недоступны в производных классах.

Конструктор производного класса должен вызывать конструктор своего базового класса:

class TBase

{ public: TBase (int s, int m, int d);

/* Другие компоненты класса TBase */

}

class TVect: public TBase

{ public: TVect (int k, int s, int m int d): TBase (s, m, d)

{ /* инициализация остальных компонент TVect */};

}

4.4. Пример построения системы классов

Известно, что при объявлении массивов в Си/Си++ количество элементов массива задается константой и в дальнейшем не может быть изменено. При обращении к элементам массив отсутствует контроль выхода за пределы индексов массива, что приводит к трудно обнаруживамым ошибкам в программах. Построим систему классов для обработки динамических массивов, в которые можно добавлять новые элементы и исключить возможность выхода за пределы текущего размера массива. Общие свойства массивов с такими сойствами, не зависящие от типа элементов массива, объединим в классе TBase, а для массивов с различными типами элеменов образуем свои классы. Описания классов объединим в файле заголовков TBASEARR. H, а определения методов приведем в файле TBASEARR.CPP.

// файл TBASEARR. H

#include

#include

class TBase //базовый класс для массивов всех типов

{int size, //размер элемента

count, //текущее число элементов

maxCount, //размер выделенной памяти в байтах

delta; //приращение памяти в байтах

char *pmem; //указатель на выделенную память

int changeSize (); //перераспределение памяти

protected:

void* getAddr (){return (void*) pmem;};

void addNewItem (void*); //добавление в конец массива

void error (const char* msg){cout <

public:

int getCount () {return count;};

TBase (int s, int m, int d);

TBase ();

TBase (TBase&);

~TBase ();

};

/* Массив с элементами типа int */

class TIntArray: public TBase

{ public:

int getElem (int index); // Значение элемента по индексу

void putElem (int index, int &pe); // Замена значения элемента по индексу

void addElem (int& el); // Добавление элемента в конец массива

TIntArray& add (TIntArray&); // Сложение двух массивов поэлементно

TIntArray& subtract (TIntArray&); // Вычитание массивов

void printElem (int index); // Вывод значения элемента на экран

void print (); // Вывод на экран всего массива

TIntArray (int m, int d):TBase ((int)sizeof (int), m, d){ }; /*Конструктор */

TIntArray (TBase& a):TBase (a){}; /*Конструктор */

~TIntArray ();

};

Определения методов приведены в файле TBASEARR. CPP:

#include

#include

#include

#include

/* Методы класса TBase */

TBase:TBase (int s, int m, int d):size (s), maxCount (m), delta (d)

{char* p;

int k;

count = 0; p = pmem = new char [size * maxCount];

for (k=0; k < maxCount; k++)

{ *p = ''; p++;}

}

TBase:TBase ():size (1), maxCount (10), delta (1)

{char* p;

int k;

count = 0; p = pmem = new char [size *maxCount];

for (k=0; k < maxCount; k++)

{ *p = ''; p++;}

}

TBase:TBase (TBase& b):size (b.size), maxCount (b.maxCount), delta (b.delta)

{ int k;

count = b. count; pmem = new char [size * maxCount];

for (k=0; k < maxCount * size; k++)

{ pmem[k] = b. pmem[k]; }

}

TBase:~TBase ()

{ delete [ ] pmem; }

4.5 Виртуальные функции

4.5.1. Понятие о «позднем» связывании

При описании объектных типов функции, имеющие сходное назначение в разных классах, могут иметь одинаковые имена, типы параметров и возвращаемого значения. При обращении к такой функции с указанием имени объекта компилятору известно, какая из одноименных функций требуется. В то же время к объектам производного типа можно обращаться по указателю на базовый тип и тогда на этапе компиляции нельзя установить, функция какого из производных типов должна быть вызвана. В ходе выполнения программы требуется проверять, на объект какого типа ссылается указатель и после такой проверки вызывать требуемую функцию. Эти действия называют «поздним» связыванием, в отличие от «раннего» связывания, при котором уже на этапах компиляции или редактирования связей можно установить адрес точки входа вызываемой функции. В объектно-ориентированных языках программирования для решения этой проблемы применяются виртуальные методы.

4.5.2. Описание виртуальных функций

Функция-компонента класса объявляется как виртуальная указанием ключевого слова virtual. Функции-компоненты в производных классах, заменяющие виртуальную функцию базового класса должны объявляться с тем же именем, тем же списком параметров и типом возвращаемого значения, что и соответствующая функция базового класса. Если из производного класса не образуется новых производных классов, ключевое слово virtual в описании функции можно опустить.

Если в производном классе нет объявления функции с тем же именем, что и виртуальная функция базового класса, будет вызываться функция базового класса.

Виртуальная функция может быть объявлена в форме:

virtual void print () = 0;

Такая функция называется «чистой» (pure) виртуальной функцией, а объектный тип, содержащий ее объявление, называется абстрактным объектным типом. В программе не могут создаваться экземпляры абстрактных типов, такой тип может использоваться только для образования производных типов, причем в производном типе следует либо снова определить эту виртуальную функцию как чистую, либо обявить ее как обычную виртуальную функцию, выполняющую конкретные действия.

Виртуальные функции особенно полезны, когда к методом класса требуется обращаться через указатель на экземпляр класса, а сам этот указатель имеет тип указателя на базовый класс. Пусть, например, в классе TBase объявлена чистая виртуальная функция print:

class TBase //базовый класс для массивов всех типов

{int size, //размер элемента

count, //текущее число элементов

maxCount, //размер выделенной памяти в байтах

delta; //приращение памяти в байтах

char *pmem; //указатель на выделенную память

int changeSize (); //перераспределение памяти

protected:

void* getAddr (){return (void*) pmem;};

void addNewItem (void*); //добавление в конец массива

void error (const char* msg){cout <

public:

int getCount () {return count;};

TBase (int s, int m, int d);

TBase ();

TBase (TBase&);

~TBase ();

virtual void print () = 0; // Чистая виртуальная функция

};

Тогда в производных классах должна быть объявлена замещающая ее функция print, выполняющая реальные действия:

class TIntArray: public TBase

{ /* Другие методы */

virtual void print ();

}

class TRealArray: public TBase

{ /* Другие методы */

virtual void print ();

}

В программе, использующей объекты классов TIntArray и TRealArray могут создаваться экземпляры этих классов с возможностью обращения к ним через указатель на базовый класс:

TBase *pb;

TIntArray aint (5,3);

TRealArray areal (4,2);

Тогда для печати массивов могут применяться операторы

pb = &aint; pb->print (); //Печать массива aint

pb = &areal; pb->print (); // Печать массива areal

Приведем еще один пример использования виртуальных функций. Пусть некоторый любитель домашних животных решил завести каталог своих любимцев и для каждого вида животных определил свой класс с общим базовым классом Pet. Для краткости ограничимся в описании каждого животного его кличкой и типовым излаваемым животным звуком с возможностью вывода на экран списка кличек и представления издаваемых ими звуков.

Программа:

#include

struct Pet // Базовый класс

{ char *name;

virtual void speak () = 0;

Pet (char *nm){name=nm;}

}

struct Dog: public Pet

{ virtual void speak () { cout<<�" говорит ««<<�» Ав — ав"<

Dog (char *nm): Pet (nm) { };

};

struct Cat: public Pet

{ virtual void speak () { cout<<�" говорит «

<<�" Мяу-Мяу"<

Cat (char *nm): Pet (nm) { };

}

int main ()

{ Pet *mypets[ ] = { new Dog («Шарик»),

new Cat («Мурка»),

new Dog («Рыжий «)}; // Список животных

const int sz = sizeof (mypets)/ sizeof (mypets [ 0 ]);

for (int k = 0: k < sz; k++)

mypets [ k ]->speak ();

return 0;

}

4.6. «Дружественные» (friend) функции

Функция, объявленная в производном классе, может иметь доступ только к защищенным (protected) или общим (public) компонентам базового класса.

Функция, объявленная вне класса, может иметь доступ только к общим (public) компонентам класса и обращаться к ним по имени, уточненному именем объекта или указателя на объект.

Чтобы получить доступ к личным компонентам объектов некоторого класса Х в функции, не имеющей к ним доступа, эта функция должна быть объявлена дружественной в классе X:

class X

{ friend void Y: fprv (int, char*);

/* Другие компоненты класса X */

}

Можно объявить все функции класса Y дружественными в классе X;

class Y;

class X

{ friend Y;

/* Другие компоненты класса X */

}

class Y

{ void fy1(int, int);

int fy2(char*, int);

/* Другие компоненты класса Y */

}

Дружественной может быть и функция, не являющаяся компонентой какого-либо класса, например,

class XX

{ friend int printXX ();

/* Другие компоненты класса ХХ */

}

Здесь функция printXX имеет доступ ко всем компонентам класса XX, независимо от закрепленного за ними уровня доступа.

В теории объектно-ориентированного программирования считается, что при хорошо спроектированной системе классов не должно быть необходимости в дружественных функциях, однако в ряде случаев их использование упрощает понимание и последующие модификации программы.

4.7. Статические компоненты класса

Описатель static в С++ имеет различное назначение в зависимости от контекста, в котором он применен.

Переменные и функции, объявленные вне класса и вне тела функции с описателем static, имеют область действия, ограниченную файлом, в котором они объявлены.

Переменные, объявленные как static внутри функции, видимы только внутри этой функции, но сохраняют свои значения после выхода из функции и инициализируются только при первом обращении к функции.

Компоненты класса также могут объявляться с описателем static, такие компоненты — данные являются общими для всех экземпляров объектов этого класса и размещаются в памяти отдельно от данных объектов класса. Доступ к static — компонентам класса возможен по имени, уточненному именем класса (именем типа) или именем объекта этого класса, причем к static — компонентам класса можно обращаться до создания экземпляров объектов этого класса. Статическое данное — член класса должно быть обязательно инициализировано вне описания класса:

class TBase //базовый класс для массивов всех типов

{ static int nw;

int size, //размер элемента

count, //текущее число элементов

maxCount, //размер выделенной памяти

delta; //приращение памяти

/* Другие компоненты класса TBase */

}

int TBase: nw =1; /* Инициализация статической компоненты класса */

Статические компоненты — функции могут вызываться до создания экземпляров объектов этого класса и поэтому имеют доступ только к статическим данным класса:

class X

{ static int sx1, sx2;

static void fsx (int k);

int x1, x2;

/* Другие компоненты класса X */

}

int X: sx1 = 1;

int X: sx2 = 2;

int main ()

{ …

X: fsx (3);

…

}

4.8. Переопределение (перегрузка) операций

В языках программирования определена семантика операций, выполняемых над базовыми (предопределенными) типами данных, например, если x, y и z — переменные типа float, то запись x = y + z; предполагает интуитивно очевидные действия, сложение x и y и присваивание переменной z полученной суммы.

Желательно было бы и для типов, определяемых в программе, в том числе для классов, определить семантику и алгоритмы операций сложения, вычитания, умножения и т. д., чтобы иметь возможность вместо вызова соответствующих функций записывать просто x + y и в случае, когда x и y являются объектами некоторых классов. В C++ это достигается переопределением имеющихся в языке операций для других типов данных.

Переопределенная операция объявляется так:

тип_результата operator знак_операции (формальные параметры)

{ описание_алгоритма_выполнения_операции }

Например:

class TPoint

{ int x, y;

public:

TPoint& operator+=(const TPoint& adder);

TPoint& operator-=(const TPoint& subber);

friend TPoint operator — (const TPoint& one, const TPoint& two);

friend TPoint operator + (const TPoint& one, const TPoint& two);

friend int operator == (const TPoint& one, const TPoint& two);

friend int operator ≠ (const TPoint& one, const TPoint& two);

};

Полное определение этих операций для объектов класса TPoint имеет вид:

inline TPoint& TPoint: operator += (const TPoint& adder)

{ x += adder. x; y += adder. y; return *this;}

inline TPoint& TPoint: operator -= (const TPoint& subber)

{ x -= subber. x; y -= subber. y; return *this;}

Остальные операции определяются аналогичным образом.

Пусть в программе имеются объявления:

TPoint x (12,3), y (21,30), z (18,30);

Тогда можно записать:

x +=y; y-=z; TPoint r = x + z:

Общие правила переопределения операций сводятся к следующему:

— Двуместные операции должны иметь два параметра, одноместные — один параметр, причем, если операция объявлена как компонента класса, то неявным первым операндом является экземпляр объекта (следовательно при определении двуместной операции будет задаваться один параметр, одноместная операция объявляется с пустым списком параметров). Если операция переопределяется вне класса (с описателем friend), то для двуместной операции должны быть заданы два параметра, для одноместной операции — один параметр.

— При переопределении сохраняется приоритет исходной операции т. е. операция + будет выполняться раньше операции = и т. д.

— При переопределении не наследуются свойства коммутативности и ассциативности, т. е. результат выражения х + y — z может отличаться от результата выражения y — z + x и зависит от того, как определены соответствующие операции.

— Не допускается переопределение операций. (точка), .* (точказвездочка, обращение к указателю на компоненту класса или структуры),: (разрешение контекста), а также операции # и ##, используемые при препроцессорной обработке.

— Переопределяемые операции = (присваивание), () (функция), [ ] (индекс), -> (обращение к компоненте класса по указателю) всегда должны быть компонентами класса и не могут быть static.

— Переопределяемые операции new и delete должны быть static — компонентами класса.

В остальном к переопределяемым операциям предъявляются те же требования, что и к функциям.

5. Шаблоны функций и классов

5.1. Шаблоны функций

Часто встречаются функции, реализующие одни и те же действия для аргументов различных типов. Например, сортировка массива по возрастанию его элементов может выполняться одним и тем же методом и для данных типа int и для данных типа double. Различие состоит только в типах параметров и некоторых внутренних переменных.

В более поздние версии С++ включено специальное средство, позволяющее параметризовать определение функции, чтобы компилятор мог построить конкретную реализацию функции для указанного типа параметров функции. Параметризованное определение функции строится по схеме:

template < class имя_класса >

Заголовок функции

{ /* Тело функции */ }

Имя класса является параметром и задается идентификатором, локализованным в пределах определения функции. Хотя бы один из параметров функции должен иметь тип, соответствующий этому идентификатору.

Параметризованное определение функции сортировки массива методом перестановок может быть построено следующим образом:

template

void sort (T a[ ], int n)

{ T temp;

int sign;

for (int k = 0; k > n; k++)

{ sign = 0;

for (i = 0; i

if (a [ i ] > a [ i + 1])

{ temp = a [ i ];

a[ i ] = a[ i + 1 ];

a[ i + 1 ] = temp; sign++;

}

if (sign == 0) break;

}

return;

}

Если в программе будут объявлены массивы

int aint [10];

double afl [20];

и установлены значения элементов этих массивов, то вызов функции

sort (aint, 10);

обеспечит вызов sort для упорядочения массива целых, а вызов функции

sort (afl, 20)

обеспечит вызов sort для упорядочения массива с элементами типа double.

Если элементами массива являются объекты какого-либо определенного программистом класса, для которого определена операция отношения >, то функция sort может быть вызвана и для такого массива. Разумеется, в объектном коде программы будут присутствовать все варианты реально вызывамой функции sort. Параметризация функции сокращает объем исходного текста программы и повышает его надежность.

В описателе template можно указывать несколько параметров вида class имя_типа, а также параметры базовых типов. Например, функция

template < class T1, class T2 >

void copy (T1 a[ ], T2 b[ ], int n)

{ for (int i = 0; i

a[ i ] = b [ i ] ;

}

копирует первые n элементов массива b типа T2 в первые n элементов массива a типа T1. Разумеется, программист несет ответственность за то, чтобы такое копирование было возможным.

5.2. Шаблоны классов

По аналогии с параметризованной функцией можно построить параметризованное описание класса, позволяющее создавать экземпляры классов для конкретных значений параметров. Параметризованный класс описывается следующим образом:

template

class описание класса Как и для функций, в описателе template может быть задано несколько параметров. В самом описание класса имена параметров используются как имена типов данных, типов параметров функций и типов значений, возвращаемых функциями.

В качестве примера приведем описание класса stack, предназначенного для построения стеков фиксированного максимального размера с элементами произволного типа.

enum BOOLEAN (FALSE, TRUE);

template

class stack

{ private:

enum (EMPTY = -1);

Type* s; /* Указатель на массив стека */

int max_len; /* Максимальная длина стека */

int top; /* Индекс элемента в вершине стека */

public:

stack (): max_len (100) /* конструктор без параметров */

{ s = new Type [ 100 ]; top = EMPTY; }

stack (int size): max_len (size) /* Второй конструктор */

{ s = new Type [ size ]; top = EMPTY; }

~stack () { delete [ ] s; } /* Деструктор */

void reset () { top = EMPTY; } /* Очистить стек */

void push (Type c) { s [ ++top ] = c; }

Type pop () { return (s [top—] }

Type top_of () { return (s [top ] }

BOOLEAN empty () { return BOOLEAN (top == EMPTY) }

BOOLEAN full () { return BOOLEAN (top == max_len) }

};

Следует отметить, что в этом примере с целью сокращения исходного текста не предусмотрен контроль выхода за пределы стека в методах push и pop.

Чтобы создать экземпляр параметризованного объектного типа, нужно уточнить имя типа значением параметра в угловых скобках:

stack < int > stack_of_int (50); /* Стек на 50 элементов типа int */

stack < myClass > stmc (20); /* Стек на 20 элементов типа myClass */

В приведенном примере все компоненты-функции определены в описании класса. Когда полное определение функции-члена класса задается вне описания класса, оно должно уточняться описателем template. Например, если бы метод top_of был определен вне описания класса, определение имело бы вид:

template < class Type >

Type top_of () { return s [ top ]; }

Отметим некоторые специфические черты описаний параметризованных классов.

Если в параметризованном классе определены friend-функции, то когда такая функция не зависит от параметра, будет использоваться единственная friend-функция для всех значений параметра, а когда friend-функция зависит от параметра, будет использоваться своя friend-функция для каждого значения параметра.

Если в параметризованном классе имеются статические (static) компоненты, то для каждого значения параметра будет использоваться свой экземпляр статической компоненты.

6. Классы для ввода-вывода потоков

6.1. Система классов ввода-вывода

Система ввода-вывода С++ основывается на концепции потоков данных, поток представляет собой, с одной стороны, последовательность данных, с другой стороны поток рассматривается как переменная некоторого объектного типа. Это позволяет вынести общие свойства и операции процессов ввода-вывода в определения базовых классов. Ввод-вывод из файлов и консоли, как правило, выполняется с использованием буфера и получение данных программой или вывод данных сводится к пересылке данных из одной области памяти в другую. Реальное обращение к внешним устройствам происходит только при исчерпании данных в буфере (при вводе) или при заполнении буфера (при выводе).

Система классов ввода-вывода С++ использует два базовых класса: класс ios и класс streambuf.

В классе ios определены данные, характеризующие состояние потока, и функции, позволяющие получить доступ к информации о состоянии потока или изменить его состояние. Состояние потока определяется набором битовых флагов, для обращения к отдельным флагам в классе ios описаны перечислимые константы:

— биты состояния (статуса) потока

enum io_state { goodbit = 0×00, // никакие биты не установлены, все хорошо

eofbit = 0×01, // конец файла

failbit = 0×02, // ошибка в последней операции ввода/вывода

badbit = 0×04, // попытка выполнить неверную операцию

hardfail = 0×80 // неисправимая ошибка

};

— биты режима использования потока (режима ввода/вывода)

enum open_mode { in = 0×01, // поток открыт для чтения

out = 0×02, // поток открыт для записи

ate = 0×04, // перейти в конец файла при открытии

app = 0×08, // режим добавления в конец файла

trunc = 0×10, // усечение существующего файла

nocreate = 0×20, // ошибка открытия файла, если он не существует

noreplace = 0×40, // ошибка открытия, если файл существует

binary = 0×80 // двоичный (не текстовый) файл

};

— флаги направления позиционирования в потоке

enum seek_dir { beg=0, cur=1, end=2 };

— флаги — манипуляторы управления вводом/выводом

enum { skipws = 0×0001, // пропускать пробелы при вводе

left = 0×0002, // выравнивание влево при выводе

right = 0×0004, // выравнивание вправо при выводе

internal = 0×0008, // пробел после знака или основания системы счисления

dec = 0×0010, // преобразование в десятичную систему счисления

oct = 0×0020, // преобразование в восьмеричную систему счисления

hex = 0×0040, // шестнадцатеричное преобразование

showbase = 0×0080, // использовать индикатор системы счисления при выводе

showpoint = 0×0100, // указывать десятичную точку при выводе

//(в числах с плавающей точкой)

uppercase = 0×0200, // прописные буквы при шестнадцатеричном выводе

showpos = 0×0400, // добавлять '+' для положительных целых

scientific= 0×0800, // применять нотацию вида 1.2345E2

fixed = 0×1000, // применять нотацию вида 123.45

unitbuf = 0×2000, // очищать все потоки после вставки в поток

stdio = 0×4000, // очищать stdout, stderr после вставки в поток

boolalpha = 0×8000 // вставлять/извлекать булевы как текст или цифры

};

Поскольку эти перечислимые константы объявлены как компоненты класса ios, для доступа к ним требуется уточнение контекста, например, ios: in.

Класс streambuf обеспечивает создание и использование буфера ввода-вывода и содержит компоненты-данные для управления буфером и методы доступа к данным в буфере. Объект класса ios содержит указатель на связанный с ним объект streambuf.

Классы istream и ostream являются производными от класса ios, в них определены функции, выполняющие ввод (istream) и вывод (ostream) данных базовых типов и строк.

В классе istream определены операции бесформатного ввода (без преобразования вводимых данных) и операции форматного ввода с преобразованием из внешнего представления во внутреннее.

Функции get () читают из потока данные типа char в массив, определяемый первым параметром, второй параметр задает максимальное число вводимых символов (l), третий параметр устанавливает символ-ограничитель, ограничивающий ввод. За последним введенным символом в массив пишется символ `'.

istream _FAR & _RTLENTRY get (char _FAR *, int l, char = 'n');

istream _FAR & _RTLENTRY get (signed char _FAR *, int l, char = 'n');

istream _FAR & _RTLENTRY get (unsigned char _FAR *, int l, char ='n');

Функции read () выполняют чтение из потока и занесение в массив указанного числа символов

istream _FAR & _RTLENTRY read (char _FAR *, int l);

istream _FAR & _RTLENTRY read (signed char _FAR *, int l);

istream _FAR & _RTLENTRY read (unsigned char _FAR *, int l);

Для ввода строки, заканчивающейся символом-ограничителем, служит функция getline () при этом символ-ограничитель также заносится в массив

istream _FAR & _RTLENTRY getline (char _FAR *, int, char = 'n');

istream _FAR & _RTLENTRY getline (signed char _FAR *, int, char= 'n');

istream _FAR & _RTLENTRY getline (unsigned char _FAR *, int, char= 'n');

Для извлечения из потока данных типа char вплоть до символа-ограничителя служит вариант функции get ():

istream _FAR & _RTLENTRY get (streambuf _FAR &, char = 'n');

Другие варианты функции get () обеспечивают извлечение одного символа

istream _FAR & _RTLENTRY get (char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY get (signed char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY get (unsigned char _FAR &);

int _RTLENTRY get (); // возвращает значение символа

int _RTLENTRY peek (); // возвращает следующий символ без удаления его из потока

int _RTLENTRY gcount (); // число символов, извлеченных из потока

// возвращение указанного символа в поток ввода

istream _FAR & _RTLENTRY putback (char);

Пропуск символов с остановкой по ограничителю выполняет функция

istream _FAR & _RTLENTRY ignore (int = 1, int = EOF);

Форматный ввод релизуется на основе переопределения операций ввода

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (bool _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>>

(istream _FAR & (_RTLENTRY *_f)(istream _FAR &));

istream _FAR & _RTLENTRY operator>>

(ios _FAR & (_RTLENTRY *_f)(ios _FAR &));

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (char _FAR *);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (signed char _FAR *);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned char _FAR *);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (signed char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (short _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (int _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (long _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned short _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned int _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned long _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (float _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (double _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (long double _FAR &);

Извлечение из istream и вставка в объект типа streambuf выполняет оператор-функция

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (streambuf _FAR *);

Макрос FAR управляет способом представления указателей, макрос RTLENTRY определяет применение стандартной билиотеки времени выполнения.

Аналогичные операции для вывода определены в классе ostream:

// вставить символ в поток

ostream _FAR & _RTLENTRY put (char);

ostream _FAR & _RTLENTRY put (signed char);

ostream _FAR & _RTLENTRY put (unsigned char);

// вставить в поток строку

ostream _FAR & _RTLENTRY write (const char _FAR *, int l);

ostream _FAR & _RTLENTRY write (const signed char _FAR *, int l);

ostream _FAR & _RTLENTRY write (const unsigned char _FAR *, int l);

Операции форматированного вывола

Вывод «true» или «false» для данных типа bool

ostream _FAR & _RTLENTRY ostream: operator<< (bool);

Вывод ланных типа char

ostream _FAR & _RTLENTRY operator<< (char);

ostream _FAR & _RTLENTRY operator<< (signed char);

ostream _FAR & _RTLENTRY operator<< (unsigned char);

Вывод числовых данных с преобразованием во внешнее представление