Объектно-ориентированное программирование на Borland C++

Объектно-ориентированное программирование на Borland C++

Тексты лекций, прочитанных в Московском государственном университете экономики, статистики и информатики

В текстах лекций рассмотрены основные принципы и средства объектно-ориентированного программирования с применением языка С++ и системы программирования Borland C++. В приложении приведены задачи для самостоятельного решения. Предполагается, что читатель уже знаком с основами универсальных языков программирования. Пособие предназначено для студентов специальности «Прикладная математика» и может быть использовано студентами других специальностей для самостоятельного изучения С++.

1. Объектно-ориентированный подход в программировании

1.1 Технологии программирования

Технология программирования — это совокупность методов и средств разработки (написания) программ и порядок применения этих методов и средств.

На ранних этапах развития программирования, когда программы писались в виде последовательностей машинных команд, какая-либо технология программирования отсутствовала. Первые шаги в разработке технологии состояли в представлении программы в виде последовательности операторов. Написанию последовательности машинных команд предшествовало составление операторной схемы, отражающей последовательность операторов и переходы между ними. Операторный подход позволил разработать первые программы для автоматизации составления программ — так называемые составляющие программы.

С увеличением размеров программ стали выделять их обособленные части и оформлять их как подпрограммы. Часть таких подпрограмм объединялась в библиотеки, из которых подпрошраммы можно было включать в рабочие программы и затем вызывать из рабочих программ. Это положило начало процедурному программированию — большая программа представлялась совокупностью процедур-подпрограмм. Одна из подпрограмм являлась главной, и с нее начиналось выполнение программы.

В 1958 году были разработаны первые языки программирования, Фортран и Алгол-58. Программа на Фортране состояла из главной программы и некоторого количества процедур — подпрограмм и функций. Программа на Алголе-58 и его последующей версии Алголе-60 представляла собой единое целое, но имела блочную структуру, включающую главный блок и вложенные блоки подпрограмм и функций. Компиляторы для Фортрана обеспечивали раздельную трансляцию процедур и последующее их объединение в рабочую программу, первые компиляторы для Алгола предполагали, что транслируется сразу вся программа, раздельная трансляция процедур не обеспечивалась.

Процедурный подход потребовал структурирования будущей программы, разделения ее на отдельные процедуры. При разработке отдельной процедуры о других процедурах требовалось знать только их назначение и способ вызова. Появилась возможность перерабатывать отдельные процедуры, не затрагивая остальной части программы, сокращая при этом затраты труда и машинного времени на разработку и модернизацию программ.

Следующим шагом в углублении структурирования программ стало так называемое структурное программирование, при котором программа в целом и отдельные процедуры рассматривались как последовательности канонических структур: линейных участков, циклов и разветвлений. Появилась возможность читать и проверять программу как последовательный текст, что повысило производительность труда программистов при разработке и отладке программ. С целью повышения структурности программы были выдвинуты требования к большей независимости подпрограмм, подпрограммы должны связываться с вызывающими их программами только путем передачи им аргументов, использование в подпрограммах переменных, принадлежащих другим процедурам или главной программе, стало считаться нежелательным.

Процедурное и структурное программирование затронули, прежде всего, процесс описания алгоритма как последовательности шагов, ведущих от варьируемых исходных данных к искомому результату. Для решения специальных задач стали разрабатываться языки программирования, ориентированные на конкретный класс задач: на системы управления базами данных, имитационное моделирование и т. д.

При разработке трансляторов все больше внимания стало уделяться обнаружению ошибок в исходных текстах программ, обеспечивая этим сокращение затрат времени на отладку программ.

Применение программ в самых разных областях человеческой деятельности привело к необходимости повышения надежности всего программного обеспечения. Одним из направлений совершенствования языков программирования стало повышения уровня типизации данных. Теория типов данных исходит из того, что каждое используемое в программе данное принадлежит одному и только одному типу данных. Тип данного определяет множество возможных значений данного и набор операций, допустимых над этим данным. Данное конкретного типа в ряде случаев может быть преобразовано в данное другого типа, но такое преобразование должно быть явно представлено в программе. В зависимости от степени выполнения перечисленных требований можно говорить об уровне типизации того или иного языка программирования. Стремление повысить уровень типизации языка программирования привело к появлению языка Паскаль, который считается строго типизированным языком, хотя и в нем разрешены некоторые неявные преобразования типов, например, целого в вещественное. Применение строго типизированного языка при написании программы позволяет еще при трансляции исходного текста выявить многие ошибки использования данных и этим повысить надежность программы. Вместе с тем строгая типизация сковывала свободу программиста, затрудняла применение некоторых приемов преобразования данных, часто используемых в системном программировании. Практически одновременно с Паскалем был разработан язык Си, в большей степени ориентированный на системное программирование и относящийся к слабо типизированным языкам.

Все универсальные языки программирования, несмотря на различия в синтаксисе и используемых ключевых словах, реализуют одни и те же канонические структуры: операторы присваивания, циклы и разветвления. Во всех современных языках присутствуют предопределенные (базовые) типы данных (целые и вещественные арифметические типы, символьный и, возможно, строковый тип), имеется возможность использования агрегатов данных, в том числе массивов и структур (записей). Для арифметических данных разрешены обычные арифметические операции, для агрегатов данных обычно предусмотрена только операция присваивания и возможность обращения к элементам агрегата. Вместе с тем при разработке программы для решения конкретной прикладной задачи желательна возможно большая концептуальная близость текста программы к описанию задачи. Например, если решение задачи требует выполнения операций над комплексными числами или квадратными матрицами, желательно, чтобы в программе явно присутствовали операторы сложения, вычитания, умножения и деления данных типа комплексного числа, сложения, вычитания, умножения и обращения данных типа квадратной матрицы. Решение этой проблемы возможно несколькими путями:

— Построением языка программирования, содержащего как можно больше типов данных, и выбором для каждого класса задач некоторого подмножества этого языка. Такой язык иногда называют языком-оболочкой. На роль языка-оболочки претендовал язык ПЛ/1, оказавшийся настолько сложным, что так и не удалось построить его формализованное описание. Отсутствие формализованного описания, однако, не помешало широкому применению ПЛ/1 как в Западной Европе, так и в СССР.

— Построением расширяемого языка, содержащего небольшое ядро и допускающего расширение, дополняющее язык типами данных и операторами, отражающими концептуальную сущность конкретного класса задач. Такой язык называют языком-ядром. Как язык-ядро были разработаны языки Симула и Алгол-68, не получившие широкого распространения, но оказавшие большое влияние на разработку других языков программирования.

Дальнейшим развитием второго пути явился объектно-ориентированный подход к программированию, рассматриваемый в следующем параграфе.

1.2. Сущность объектно-ориентированного подхода к программированию

Основные идеи объектно-ориентированного подхода опираются на следующие положения:

— Программа представляет собой модель некоторого реального процесса, части реального мира.

— Модель реального мира или его части может быть описана как совокупность взаимодействующих между собой объектов.

— Объект описывается набором параметров, значения которых определяют состояние объекта, и набором операций (действий), которые может выполнять объект.

— Взаимодействие между объектами осуществляется посылкой специальных сообщений от одного объекта к другому. Сообщение, полученное объектом, может потребовать выполнения определенных действий, например, изменения состояния объекта.

— Объекты, описанные одним и тем же набором параметров и способные выполнять один и тот же набор действий представляют собой класс однотипных объектов.

С точки зрения языка программирования класс объектов можно рассматривать как тип данного, а отдельный объект — как данное этого типа. Определение программистом собственных классов объектов для конкретного набора задач должно позволить описывать отдельные задачи в терминах самого класса задач (при соответствующем выборе имен типов и имен объектов, их параметров и выполняемых действий).

Таким образом, объектно-ориентированный подход предполагает, что при разработке программы должны быть определены классы используемых в программе объектов и построены их описания, затем созданы экземпляры необходимых объектов и определено взаимодействие между ними.

Классы объектов часто удобно строить так, чтобы они образовывали иерархическую структуру. Например, класс «Студент», описывающий абстрактного студента, может служить основой для построения классов «Студент 1 курса», «Студент 2 курса» и т. д., которые обладают всеми свойствами студента вообще и некоторыми дополнительными свойствами, характеризующими студента конкретного курса. При разработке интерфейса с пользователем программы могут использовать объекты общего класса «Окно» и объекты классов специальных окон, например, окон информационных сообщений, окон ввода данных и т. п. В таких иерархических структурах один класс может рассматриваться как базовый для других, производных от него классов. Объект производного класса обладает всеми свойствами базового класса и некоторыми собственными свойствами, он может реагировать на те же типы сообщений от других объектов, что и объект базового класса и на сообщения, имеющие смысл только для производного класса. Обычно говорят, что объект производного класса наследует все свойства своего базового класса.

Некоторые параметры объекта могут быть локализованы внутри объекта и недоступны для прямого воздействия извне объекта. Например, во время движения объекта-автомобиля объект-водитель может воздействовать только на ограниченный набор органов управления (рулевое колесо, педали газа, сцепления и тормоза, рычаг переключения передач) и ему недоступен целый ряд параметров, характеризующих состояние двигателя и автомобиля в целом.

Очевидно, для того, чтобы продуктивно применять объектный подход для разработки программ, необходимы языки программирования, поддерживающие этот подход, т. е. позволяющие строить описание классов объектов, образовывать данные объектных типов, выполнять операции над объектами. Одним из первых таких языков стал язык SmallTalk в котором все данные являются объектами некоторых классов, а общая система классов строится как иерархическая структура на основе предопределенных базовых классов.

Опыт программирования показывает, что любой методический подход в технологии программирования не должен применяться слепо с игнорированием других подходов. Это относится и к объектно-ориентированному подходу. Существует ряд типовых проблем, для которых его полезность наиболее очевидна, к таким проблемам относятся, в частности, задачи имитационного моделирования, программирование диалогов с пользователем. Существуют и задачи, в которых применение объектного подхода ни к чему, кроме излишних затрат труда, не приведет. В связи с этим наибольшее распространение получили объектно-ориентированные языки программирования, позволяющие сочетать объектный подход с другими методологиями. В некоторых языках и системах программирования применение объектного подхода ограничивается средствами интерфейса с пользователем (например, Visual FoxPro ранних версий).

Наиболее используемыми в настоящее время объектно-ориентированными языками являются Паскаль с объектами и Си++, причем наиболее развитые средства для работы с объектами содержатся в Си++.

Практически все объектно-ориентированные языки программирования являются развивающимися языками, их стандарты регулярно уточняются и расширяются. Следствием этого развития являются неизбежные различия во входных языках компиляторов различных систем программирования. .Наиболее распространенными в настоящее время являются системы программирования Microsoft C++, Microsoft Visual C++ и системы программирования фирмы Borland International. Дальнейший материал в данном пособии излагается применительно к системе программирования Borland C++. Это связано прежде всего наличием в этой системе программирования развитой интегрированной среды, объединяющей текстовый редактор, компилятор, редактор связей (компоновщик) и отладочные средства.

2. Начальные сведения о языке Си

2.1 Назначение Си, исторические сведения

Язык Си был разработан в 70-е годы как язык системного программирования. При этом ставилась задача получить язык, обеспечивающий реализацию идей процедурного и структурного программирования и возможность реализации специфических приемов системного программирования. Такой язык позволил бы разрабатывать сложные программы на уровне, сравнимом с программированием на Ассемблере, но существенно быстрее. Эти цели, в основном, были достигнуты. Большинство компиляторов для Си написаны на Си, операционная система UNIX <�также почти полностью написана на Си. Недостатком Си оказалась низкая надежность разрабатываемых программ из-за отсутствия контроля типов. Попытка поправить дело включением в систему программирования Си отдельной программы, контролирующей неявные преобразования типов, решила эту проблему лишь частично.

На основе Си в 80-е годы был разработан язык Си++, вначале названный «Си с классами». Си++ практически включает язык Си и дополнен средствами объектно-ориентированного программирования. Рабочая версия Си++ появилась в 1983 г. С тех пор язык продолжает развиваться и опубликовано несколько версий проекта стандартов Си и Си++.

Рядом фирм, производящих программное обеспечение, разработаны компиляторы для Си и Си++. Системы программирования фирмы Borland International выделяются среди других фирм прежде всего комплексным подходом к разработке программ, выражающимся во включении в систему программирования интегрированной среды разработчика, объединяющей под общим управлением текстовый редактор для ввода исходных текстов программ, компилятор, редактор связей и набор отладочных средств. В 1989 г. этой фирмой была выпущена система Turbo C++, включавшая компилятор Си++, работающий в операционной системе DOS, с 1992 г. выпускаются системы Borland C++, содержащие компиляторы Си++ для DOS и WINDOWS, с 1997 г. поставляется версия Borland C 5.0, содержащая компиляторы Си++ для WINDOWS, причем компилятор для WINDOWS теперь позволяет разрабатывать как 16-разрядные, так и 32-разрядные варианты программ для ПЭВМ с процессорами i486 и Pentium.

Программа на Си/Си++ представляет собой один или несколько исходных файлов, которые могут транслироваться раздельно. Результаты трансляции (объектные файлы) объединяются в исполняемый файл редактором связей (компоновщиком). Обычно различают два типа исходных файлов: файлы заголовков и программные файлы. Файлы заголовков содержат описания типов данных и прототипов функций и предназначены для включения в программные файлы перед их компиляцией, их имена, как правило, имеют расширение .h, например, stdio.h. Программные файлы содержат описания функций и, возможно, глобальных переменных и констант, их имена принято записывать с расширениями .c или .cpp, например, myprog.cpp. Один и тот же файл заголовков может включаться в несколько программных файлов Каждый файл содержит последовательность так называемых «внешних определений», описывающих типы данных, переменные, константы и функции.

В последующих параграфах этого раздела приведен обзор средств Си/Си++, не связанных с объектной ориентацией Си++.

2.2 Алфавит, базовые типы и описание данных.

Алфавит языка включает практически все символы, имеющиеся на стандартной клавиатуре ПЭВМ:

— латинские буквы A… Z, a… z;

— цифры 0…9;

— знаки операций и разделители:

{ } [ ] (). , -> & * + - ~ ! / %? :; = < > | # ^

Некоторые операции обозначаются комбинациями символов, значения символов операций в ряде случаев зависят от контекста, в котором они употреблены.

Базовые (предопределенные) типы данных объединены в две группы: данные целого типа и данные с плавающей точкой (вещественные).

Данные целого типа могут быть обычными целыми со знаком (signed) и целыми без знака (unsigned). По числу разрядов, используемых для представления данного (диапазону значений) различают обычные целые (int), короткие целые (short int) и длинные целые (long int). Символьные данные (char) также рассматриваются как целые и могут быть со знаком и без знака.

Константы целого типа записываются как последовательности десятичных цифр, тип константы зависит от числа цифр в записи константы и может быть уточнен добавлением в конце константы букв L или l (тип long), U или u (тип unsigned) или их сочетания:

321 — константа типа int,

5326u — константа типа unsigned int,

45 637 778 — константа типа long int,

2746L — константа типа long int.

Целые константы могут записываться в восьмеричной системе счисления, в этом случае первой цифрой должна быть цифра 0, число может содержать только цифры 0 … 7:

0777 — константа типа int,

453 377 — константа типа long.

Целые константы можно записывать и в шестнадцатеричной системе счисления, в этом случае запись константы начинается с символов 0x или 0X:

0x45 °F — константа типа int,

0xFFFFFFFF — константа типа unsigned long.

Константы типа char всегда заключаются в одиночные кавычки, значение константы задается либо знаком из используемого набора символов, либо целой константой, которой предшествует обратная косая черта: 'A', '33', '42', 'x1B'. Имеется также ряд специальных символов, которые могут указываться в качестве значений константы типа char:

'n' - новая строка,

't' - горизонтальная табуляция,

'v' - вертикальная табуляция,

'r' - перевод каретки,

'f' - перевод страницы,

'a' - звуковой сигнал,

''' - одиночная кавычка (апостроф),

'" ' - двойная кавычка,

'\' - обратная косая черта.

Вещественные числа могут быть значениями одного из трех типов: float, double, long double. Диапазон значений каждого из этих типов зависит от используемых ЭВМ и компилятора. Константы вещественных типов могут записываться в естественной или экспоненциальной формах и по умолчанию имеют тип double, например, 15.31, 1.43E-3, 2345.1e4. При необходимости тип константы можно уточнить, записав в конце суффикс f или F для типа float, суффикс l или L для типа long double.

Внешнее определение, объявляющее переменные, состоит из необязательного спецификатора класса памяти, спецификаторов типа и списка так называемых деклараторов-инициализаторов, каждый из которых объявляет идентификатор одной переменной и, возможно, значение, присваиваемое переменной при ее объявлении. Внешнее определение заканчивается точкой с запятой:

int i, j, k; // Три переменных типа int без явной инициализации

double x=1, y=2; //Две переменных типа double с начальными значениями 1 и 2

char c1='0'; // Переменная типа char, ее значение — код литеры 0

Текст, записанный в этих примерах после знаков //, является комментарием и служит только для документирования программы. Такой комментарий может занимать только одну строку текста и допускается в текстах программ на Си++. Комментарий, занимающий несколько строк, заключается в специальные скобки /* и */.

В качестве спецификаторов класса памяти во внешнем определении может указываться одно из ключевых слов extern, static или typedef, Спецификатор extern означает, что объявляемый объект принадлежит другому программному файлу, а здесь дается информация о его имени и типе и не должно присутствовать инициализирующее выражение. Спецификатор static ограничивает область действия объявляемого имени данным файлом или блоком, если объявление содержится в блоке.

Если объявление данного содержится внутри тела функции (локальное объявление), то можно указывать спецификаторы класса памяти register или auto. Спецификатор register носит рекомендательный характер, компилятор пытается разместить данное этот класса в регистре процессора, если в данный момент имеются свободные регистры. Спецификатор auto принимается по умолчанию и поэтому явно не указывается, он означает, что данное класса auto должно размещаться в программном стеке при вызове функции.

Спецификатор typedef служит для присвоения имени описываемому типу данного и будет рассмотрен подробнее в следующем параграфе.

Наряду с показанными выше константами-литералами, значения которых определяются их представлением в программе, в Си и Си++ предусмотрены константы, которым присваиваются собственные имена — именованные константы. В описании именованной константы присутствует описатель const, например,

const double Pi = 3.141 592 653;

Переменной, идентификатор которой объявлен с описателем const, нельзя присвоить иное значение, чем было установлено при объявлении идентификатора. Инициализирующее значение при объявлении константы является обязательным.

Наряду с базовыми целыми и вещественными типами различных размеров в программе могут объявляться и использоваться данные типов, определяемых программистом: указатели, ссылки, агрегаты данных и данные перечислимого типа.

Перечислимый тип применяется для данных целого типа, которые могут принимать ограниченный набор значений. Каждому значению соответствует собственное имя-идентификатор и целое число, значение этого имени. Объявление перечислимого типа строится по схеме:

enum идентификатор {список перечисления} деклараторы-инициализаторы;

Здесь идентификатор задает имя перечислимого типа, список перечисления состоит из перечислителей, разделенных запятыми. Каждый перечислитель задается идентификатором и, возможно, целым значением типа char или int, например,

enum color { RED, GREEN, BLUE } en_color;

enum lex_type { CNST, VAR, OPER=3, FUNC };

Если значение перечислителя не задано, первый из них получает значение 0, а каждый следующий — значение, большее на 1. Вообще любой перечислитель по умолчанию имеет значение на 1 больше предыдущего. В Си/Си++ принято записывать идентификаторы перечислителей прописными буквами. Имена перечислителей используется либо как именованные константы либо для присвапивания переменным перечислимого типа.

В Си/Си++ для ссылок на переменную того или иного типа служат указатели. Указатель — это тип данного, значением которого является адрес другого данного. При объявлении указателя перед идентификатором записывается знак *. Указатель может инициализироваться адресом данного, для получения адреса служит операция & (амперсенд):

double y;

double *px, *py = &y;

Для указателей определены операции сравнения, сложения указателя с целым числом, вычитание двух указателей, а также операция индексирования (операция []).

Для обращения к переменной по указателю выполняется операция разыменования, обозначаемая знаком * (звездочка), например, *py = 7.5; .

При объявлении указателя может использоваться описатель const, например,

const int cc = 20;

const int *pc = &cc; // Можно инициализировать адресом константы.

double *const delta = 0.001; // Указатель — константа Кроме обычных переменных и указателей в Си++ имеется тип «ссылка на переменную», задающий для переменной дополнительное имя (псевдоним). Внутреннее представление ссылки такое же, как указателя, т. е. в виде адреса переменной, но обращение к переменной по ссылке записывается в той же форме, что и обращение по основному имени. Переменная типа ссылки всегда инициализируется заданием имени переменной, к которой относится ссылка. При объявлении ссылки за именем типа записывается знак & (амперсенд):

int ii;

int& aii = ii;

При таком описании операторы aii = 5; и ii = 5; эквивалентны.

Из переменных любого типа могут образовываться массивы. При объявлении массива в деклараторе-инициализаторе за идентификатором массива задается число элементов массива в квадратных скобках:

int a [ 5 ]; // Массив из пяти элементов типа int

Индексы элементов массива всегда начинаются с 0, индекс последнего элемента на единицу меньше числа элементов в массиве. Массив может инициализироваться списком значений в фигурных скобках:

int b [ 4 ] = { 1, 2, 3, 4 };

При наличии списка инициализации, охватывающего все элементы массива, можно не указывать число элементов массива, оно будет определено компилятором:

int c [ ] = { 1, 2, 3 }; // Массив из трех элементов типа int

Массивы с размерностью 2 и более рассматриваются как массивы массивов и для каждого измерения указывается число элементов:

double aa [ 2 ] [ 2 ] = { 1, 2, 3, 4 }; // Матрица 2 * 2

Массивы типа char могут инициализироваться строковым литералом. Строковый литерал — это последовательность любых символов, кроме кавычек и обратной косой черты, заключенная в кавычки. Если строковый литерал не умещается на одной строке, его можно прервать символом «» и продолжить с начала следующей строки. В стандарте C++ предусмотрена и другая возможность записи длинных литералов в виде нескольких записанных подряд строковых литералов. Если между строковыми литералами нет символов, отличных от пробелов, такие литералы сливаются компилятором в один.

При размещении в памяти в конце строкового литерала добавляется символ '', т. е. нулевой байт. Строковый литерал может применяться и для инициализации указателя на тип char:

char str1 [ 11 ] = «Это строка» ,

str2 [ ] = «Размер этого массива определяется»

" числом знаков в литерале + 1″ ;

char *pstr = «Указатель с инициализацией строкой» ;

Имя массива в Си/Си++ является указателем-константой, ссылающимся на первый элемент массива, имеющий индекс, равный нулю. Для обращения к элементу массива указывается идентификатор массива и индекс элемента в круглых скобках, например, c[2], aa[0][1].

2.3 Структуры и объединения

Наряду с массивами в Си/Си++ имеются агрегаты данных типа структур и объединений. Тип структуры представляет собой упорядоченную совокупность данных различных типов, к которой можно обращаться как к единому данному. Описание структурного типа строится по схеме:

struct идентификатор

{ деклараторы членов } деклараторы_инициализаторы;

Такое объявление выполняет две функции, во-первых объявляется структурный тип, во-вторых объявляются переменные этого типа.

Идентификатор после ключевого слова struct является именем структурного типа. Имя типа может отсутствовать, тогда тип будет безымянный и в других частях программы нельзя будет объявлять данные этого типа. Деклараторы_инициализаторы объявляют конкретные переменные структурного типа, т. е. данные описанного типа, указатели на этот тип и массивы данных. Деклараторы_инициализаторы могут отсутствовать, в этом случае объявление описывает только тип структуры.

Структура, описывающая точку на плоскости, может быть определена так:

struct Point_struct // Имя структуры

{ int x, y; } // Деклараторы членов структуры

point1, *ptr_to_point, arpoint [3]; // Данные структурного типа Члены (компоненты) структуры описываются аналогично данным соответствующего типа и могут быть скалярными данными, указателями, массивами или данными другого структурного типа. Например, для описания структурного типа «прямоугольник со сторонами, параллельными осям координат» можно предложить несколько вариантов:

struct Rect1

{Point p1; // Координаты левого верхнего угла

Point p2; // Координаты правого нижнего угла

};

struct Rect2

{Point p [ 2 ];

};

struct Rect3

{Point p; // Левый верхний угол

int width; // Ширина

int high; // Высота прямоугольника

};

Поскольку при описании членов структуры должны использоваться только ранее определенные имена типов, предусмотрен вариант предварительного объявления структуры, задающий только имя структурного типа. Например, чтобы описать элемент двоичного дерева, содержащий указатели на левую и правую ветви дерева и указатель на некоторую структуру типа Value, содержащую значение данного в узле, можно поступить так:

struct Value;

struct Tree_element

{Value * val;

Tree_element *left, *right;

};

Членами структур могут быть так называемые битовые поля, когда в поле памяти переменной целого типа (int или unsigned int) размещается несколько целых данных меньшей длины. Пусть, например, в некоторой програме синтаксического разбора описание лексемы содержит тип лексемы (до шести значений) и порядковый номер лексемы в таблице соответствующего типа (до 2000 значениий). Для представления значения типа лексемы достаточно трех двоичных разрядов (трех бит), а для представления чисел от 0 до 2000 — 11 двоичных разрядов (11 бит). Описание структуры, содержащей сведения о лексеме может выглядеть так:

struct Lexema

{unsigned int type_lex: 3;

unsigned int num_lex :11;

};

Двоеточие с целым числом после имени члена структуры указывает, что это битовое поле, а целое число задает размер поля в битах.

Объединение можно определить как структуру, все компоненты которой размещаются в памяти с одного и того же адреса. Таким образом, объединение в каждый момент времени содержит один из возможных вариантов значений. Для размещения объединения в памяти выделяется участок, достаточный для размещения члена объединения самого большого размера. Применение объединения также позволяет обращаться к одному и тому же полю памяти по разным именам и интерпретировать как значения разных типов.

Описание объединения строится по той же схеме, что и описание структуры, но вместо ключевого слова struct используется слово union, например, объединение uword позволяет интерпретировать поле памяти либо как unsigned int, либо как массив из двух элементов типа unsigned char.

union uword

{unsigned int u;

unsigned char b [ 2 ];

};

Описания типов, объявляемых программистом, в том числе структур и объединений могут быть достаточно большими, поэтому в Си/Си++ предусмотрена возможность присваивания типам собственных имен (синонимов), достигая при этом повышения наглядности программных текстов. Синоним имени типа вводится с ключевым словом typedef и строится как обычное объявление, но идентификаторы в деклараторах в этом случае интерпретируются как синонимы описанных типов. Синонимы имен типов принято записывать прописными буквами, чтобы отличать их от идентификаторов переменных. Ниже приведено несколько примеров объявления синонимов имен типов.

typedef struct { double re, im } COMPLEX;

typedef int *PINT;

После таких объявлений синоним имени может использоваться как спецификатор типа:

COMPLEX ca, *pca; // переменная типа COMPLEX и указатель на COMPLEX

PINT pi; // указатель на int

Приведенное выше описание структур и объединений в основном соответствует их построению в языке Си. В Си++ структуры и объединения являются частными случаями объектных типов данных. Дополнительные сведения об этом будут приведены при рассмотрении объектно-ориентированных средств Си++.

2.4 Операции и выражения

Несмотря на ограниченный набор базовых типов данных (целые и вещественные арифметические данные и строковые литералы) в языке Си++ определен обширный набор операций над данными, часть из которых непосредственно соответствует машинным командам. Как и во всех языках программирования, операции служат для построения выражений. Выражение представляет собой последовательность операндов и знаков операций и служит для вычисления некоторого значения.

В качестве операндов в выражении выступают идентификаторы переменных, константы, и строковые литералы, являющиеся первичными выражениями. Выражение, заключенное в круглые скобки, также рассматривается как первичное. Каждая операция предполагает использование определенных типов операндов (целых, вещественных, указателей). Операция присваивания в Си++ также является выражением, в связи с этим различаются операнды, которым можно присвоить новое значение и операнды, значение которых не может меняться. Чтобы операнду можно было присвоить значение, ему должна соответствовать область памяти и компилятору должен быть известен адрес этой памяти. Такие операнды называют L-выражениями (от английского leftлевый), так как они могут быть записаны в левой части оператора присваивания.

Результат вычисления выражения зависит от приоритетов операций. В Си++ сложная система приоритетов операций, включающая 16 уровней. В таблице 2.1 приведен перечень операций Си++ с указанием их приоритетов, назначения и схемы записи.

Таблица 2.1

Рассмотрим особенности применения основных из перечисленных выше операций.

Операция «: :» (два двоеточия) применяется для уточнения имени объекта программы в случае, когда в этом месте программы известны два одинаковом имени, например, когда одно имя объявлено глобально, а другое в теле функции. Если имени предшествуют два двоеточия, то это глобальное имя.

Для обращения к членам структуры или объединения можно воспользоваться либо именем структурного данного, либо указателем на структурное данное. В первом случае полное имя члена структуры состоит из имени самой структуры и имени члена структуры, разделенных точкой. Во втором случае за именем указателя на структуру ставится знак -> (стрелка), а за ним имя члена структуры. Пусть в программе объявлен структурный тип AnyStruct, содержащий компоненту с именем member типа int и объявлены

AnyStruct s1; // Данное s1 типа AnyStruct

AnyStruct *ps1 = &s1; // Указатель на данное типа AnyStruct

Тогда к члену структуры member из s1 можно обратиться как к s1. member или как ps1->member.

Поскольку членом структуры может быть указатель, в Си++ имеются специальные операции разыменования такого указателя, операции .* и ->. Пусть одним из членов структуры AnyStruct является указатель pp1 на данное типа int. Тогда выражения s1.*pp1 и ps1->*pp1 обеспечат доступ к значению данного, на которое указывает pp1 из s1.

Выше отмечалось, что имя массива в Си/Си++ интерпретируется как указатель-константа на первый элемент массива. Для разыменования указателя, т. е. для доступа к данному по указателю на это данное служит операция * (звездочка). Следовательно, если в программе объявлен массив

int Array1 [ 10 ];

то выражение *Array1=0 служит для присвоения нулевого значения первому элементу массива. Чтобы обратиться к произвольному элементу массива, нужно указать индекс элемента, например, Array1. Это выражение эквивалентно выражению *(Array1 + 3), т. е. требуется сначала увеличить указатель Array1 на 3 единицы, а затем разыменовать полученный указатель. При сложении указателя на объект некоторого типа T с целым числом N значение указателя увеличивается на N, умноженное на длину данного типа T. Отметим, что индекс можно задавать не только для имен массивов, но и для любого типа указателя, кроме указателя на тип void:

int *pint = &Array[ 4 ]; pint [ 2 ] =1;

В этом примере указатель pint инициализирован адресом пятого элемента массива Array, а затем седьмому элементу этого массива присвоено значение 1.

В качестве индекса может задаваться любое выражение со значением целого типа.

Поскольку Си++ является типизированным языком, в нем определены явные и неявные преобразования типов данных. Неявные преобразования выполняются при двуместных арифметических операциях и операции присваивания и называются стандартными арифметическими преобразованиями. Эти преобразования выполняются в следующей последовательности:

— если один операнд имеет тип long double, другой операнд преобразуется в тип long double;

— иначе, если один операнд имеет тип double, другой операнд преобразуется в тип double;

— иначе, если один операнд имеет тип float, другой операнд преобразуется в тип float;

— иначе, если один операнд имеет тип unsigned long int, другой операнд преобразуется в тип unsigned long int;

— иначе, если один операнд имеет тип long int, >другой операнд преобразуется в тип long int;

— иначе, выполняются стандартные преобразования для целых, при этом типы char, short int и битовые поля типа int преобразуются в тип int, затем, если один операнд имеет больший размер (больший диапазон значений), чем другой операнд, то второй операнд преобразуется к типу операнда большего размера;

— в остальных случаях операнды имеют тип int.

Явное преобразование типов может быть задано в двух формах. Первая форма совместима с Си, в ней за именем типа в круглых скобках записывается преобразуемое значение, которое может быть первичным выражением или выражением с одноместной операцией. Имя типа в этом случае может быть представлено последовательностью описателей, например, (long int *) pp определеяет преобразование некоторого данного pp в тип указателя на long int. Вторая форма преобразования типа записывается как вызов функции, при этом имя типа должно задаваться идентификатором, например, int (x). Следует отметить, что результат явного преобразования не является L-значением.

Операции автоувеличения и автоуменьшения (++ и —) могут быть префиксными и постфиксными и вызывают увеличение (уменьшение) своего операнда на единицу, т. е. выражение ++x эквивалентно x = x +1, а —x эквивалентно x = x — 1. Префиксная операция выполняется до того, как ее операнд будет использован в вычислении выражения, а постфиксная операция выполняется после того, как ее операнд будет использован в выражении, например, в результате вычисления выражения

++x * 2 + y— *3

переменная x сначала увеличивается на 1, а затем умножается на 2, переменная y сначала умножается на 3, затем уменьшается на 1. Если перед вычислением этого выражения x и y были равны 1, то результат выражения будет равен 5, кроме того переменная x получит значение 2, а переменная y — значение 0. Таким образом, операции автоувеличения и автоуменьшения всегда дают побочный эффект, изменяют значения своих операндов. Операнды этих операций должны быть L-значениями.

Операция ~ (тильда) применяется только к целому значению и заменяет все биты своего операнда со значением 0 на 1, а биты со значением 1 на 0.

Логическое отрицание (операция !) возвращает значение 0 целого типа, если операнд не равен нулю, или значение 1, если операнд равен нулю.

Операции «одноместный +» и «одноместный -» имеют обычный математический смысл, знак + не изменяет значения операнда, знак — меняет знак операнда на противоположный.

Для получения адреса операнда, являющегося L-значением, применяется операция & (амперсанд). Результатом этой операции будет указатель на соответствующий тип данного. Разыменование указателя, т. е. получение значения данного по указателю на него обеспечивается операцией * (звездочка). Результат операции разыменования является L-значением.

В Си++ определены операции размещения данных в динамической памяти и удаления динамических данных из памяти.

Операция new требует в качестве операнда имени типа и предназначена для размещения данного указанного типа в динамической памяти, результатом операции будет указатель на данное. При невозможности выделить память операция new возвращает значение NULL — предопределенную константу, имеющую нулевое значение практически во всех компиляторах Си и Си++. Память, выделяемую операцией new, можно инициализировать, указав за именем типа скалярного данного начальное значение в круглых скобках, задание начальных значений для агрегатов данных будет рассмотрено позже. Примеры применения операции new :

int *ip = new int; /* создание объекта типа int и получение указателя на него */

int *ip2 = new int (2); // то же с установкой начального значения 2

inr *intArray = new int [ 10 ]; // массив из 10 элементов типа int

double **matr = new double [ m ] [ n ]; // матрица из m строк и n столбцов Данное, размещенное в динамической памяти операцией new, удаляется из памяти операцией delete с операндом-указателем, значение которого получено операцией new, например,

delete intArray; delete ip2;

Операция delete только освобождает динамическую память, но не изменяет значение указателя-операнда. Программист должен помнить, что после освобождения памяти использовать этот указатель для обращения к данному нельзя.

Размер данного или типа данного в байтах можно получить по операции sizeof. Операнд может быть любого типа, кроме типа функции и битового поля. Если операндом является имя типа, оно должно заключаться в скобки. Возвращаемое значение имеет предопределенный тип size_t, это целый тип, размер которого определяется реализацией компилятора, обычно типу size_t соответствует unsigned int. Размер массива равен числу байт, занимаемых массивом в памяти, размер строкового литерала — это число знаков в литерале +1, т. е. завершающий нулевой байт учитывается при определении длины литерала. Значение, возвращаемое sizeof является константой.

Двуместные арифметические операции умножения (*), деления (/), получения остатка от деления нацело (%), сложения (+) и вычитания (-) имеют обычный смысл и обычный относительный приоритет. Если операнды арифметической операции имеют разные типы, предварительно выполняются стандартные арифметические преобразования и тип результата операции определяется общим типом операндов после стандартных преобразований. Следовательно, выражение 7/2 будет иметь значение 3 типа int, так как оба опернда имеют тип int, а выражение 7.0/2 даст результат 3.5 типа double, поскольку этот тип имеет первый операнд.

Операции отношения двух выражений (<, <=, >, >=) требуют операндов арифметического типа или же оба операнда должны быть указателями на одинаковый тип. В случае операндов арифметического типа вычисляются значения операндов, выполняются стандартные арифметические преобразования и возвращается 1 типа int, если отношение выполняется (истинно), или 0, если отношение не выполняется (ложно). Когда сравниваются два указателя, результат зависит от относительного размещения в памяти объектов, на которые ссылаются указатели. Операции сравнения (== и ≠) выполняются аналогичным образом, но имеют меньший приоритет.

Выражения отношений могут соединяться логическими связками && (конъюнкция, логическое умножение) и | | (дизъюнкция, логическое сложение). В общем случае операндами логических связок могут быть любые скалярные значения и операция && дает реззультат, равный 1 типа int, если оба операнда имеют ненулевые значения, а операция | | дает результат, равный 0, если значения обоих операндов нулевые. Применяется сокращенная форма вычисления значения логических связок, если в операции && первый операнд равен нулю, то второй операнд не вычисляется и возвращается 0, если в операции | | первый операнд не равен нулю, то второй операнд не вычисляется и возвращается значение 1.

Как уже отмечалось, присваивание, обозначаемое знаком = в Си/Си++ рассматривается как операция и возвращает значение, которое было присвоено левому операнду. Операция присваивания вычисляется справа налево, т. е. сначала вычисляется присваиваемое значение, затем выполняется присваивание. Это позволяет записывать выражения вида x = y = z = 1 для установки одинаковых значений нескольким переменным. Можно, хотя это и снижает наглядность программы, строить и выражения с побочным эффектом вида (x = 2) * (y = 3) + (z = 4). Результатом этого выражения будет 24, но одновременно переменные x, y и z получат новые значения.

Кроме простого присваивания имеется набор составных операций присваивания, в которых присваивание совмещается с указанной двуместной операцией. Запись x += y эквивалентна выражению x = x + y.

Для целых операндов определены операции сдвига влево и вправо. При выполнении операции e1 << e2 биты первого операнда сдвигаются влево на e1 разрядов и результат имеет тип первого операнда. Освобождающиеся правые разряды заполняются нулями. При сдвиге вправо (e1 >> e2) если e1 имеет тип unsigned, освобождающиеся левые разряды заполняются нулями, а при e1 типа signed в освобождающихся левых разрядах повторяется знаковый разряд.

Над целыми операндами допустимы операции поразрядного логического умножения, логического сложения и исключающего или (отрицания равнозначности). В этих операциях операнды рассматриваются как последовательности битов и операция выполняется над каждой парой соответствующих разрядов из обоих операндов. Например, результатом выражения (x >> (p — n +1)) & (~(~0 << n)) будет выделение из целого беззнакового x n битов, начиная с бита с номером p, и сдвиг выделенных битов вправо, т. е. выделение n-разрядного целого, хранящегося в машинном слове x начиная с p-го разряда.

В Си/Си++ имеется конструкция, которая называется условным выражением. Условное выражение строится по схеме:

условие? выражение1: выражение2

В качестве условия может выступать любое скалярное выражение. Если результат вычисления условия ненулевой, то значением всего выражения будет выражение1, при нулевом значении условия значение всего выражения определяется выражением2. Второй и третий операнды условного выражения должны быть либо оба арифметического типа, либо однотипными структурами или объединениями, либо указателями одинакового типа, либо один из них — указатель на какой-либо тип, а другой операнд NULL или имеет тип void*. Выражение x > 0? 1: 0 возвращает 1, если x больше 0, и 0 в противном случае.

Выражение может быть представлено последовательностью выражений, разделенных запятыми, в этом случае вычисляются все выражения слева направо и возвращается значение последнего выражения в списке. Например в результате вычисления выражения

x = 2, e * 3, x +1 будет получено значение 3 и попутно x получит значение 2. Результат умножения e * 3 никак не может быть использован.

2.5 Операторы Си++

Операторы — это синтаксические конструкции, определяющие действия, выполняемые программой. В Си/Си++ имеются следующие типы операторов: операторы-выражения, операторы выбора, операторы цикла и оператор перехода. Синтаксис некоторых операторов содержит выражения, играющие роль условий, в зависисмости от выполнения или невыполнения которых выбирается та или иная последовательность действий. Поскольку в Си нет булевых выражений, в качестве условий используются любые выражения, дающие скалярные значения, и условие считается выполненым, если это значение отлично от нуля, и невыполненным, если оно равно нулю. Несколько операторов могут быть объединены в составной оператор заключением их в фигурные (операторные) скобки. Признаком конца оператора (кроме составного оператора) служит точка с запятой, являющаяся в этом случае частью оператора.

Перед любым оператором может быть записана метка в виде идентификатора, отделенного от помечаемого оператора двоеточием. Метка служит только для указания ее в операторе перехода.

Наиболее простым является оператор-выражение, представляющий собой полное выражение, закнчивающееся точкой с запятой, например,

x = 3; y = (x +1) * t; i++;

Выражение, оформленное как оператор, вычисляется, но его значение теряется и действие оператора-выражения состоит в побочных эффектах, сопровождающих вычисление, например, при выполнении операций присваивания, автоувеличения и автоуменьшения.

Операторы выбора в Си/Си++ представлены условным оператором и переключателем. Условный оператор аналогичен условным операторам других языков программирования и может использоваться в сокращенной и полной формах, которым соответствуют схемы:

if (выражение-условие) оператор

if (выражение-условие) оператор-1 else оператор-2

В сокращенной форме условного оператора вычисляется выражение-условие и, если его значение отлично от нуля, выполняется следующий за условием оператор, в противном случае не производится никаких действий.