Прежде всего, давайте напишем программу, выводящую строку выдачи:

#include
main()
{
cout << "Hello, world\n";
}

Откуда появились выходной поток cout и код, реализующий операцию вывода <<? Для получения выполняемого кода написанная на C++ программа должна быть скомпилирована; по своей сути процесс компиляции такой же, как и для С, и в нем участвует большая часть входящих в последний программ. Производится чтение и анализ текста программы, и если не обнаружены ошибки, то генерируется код. Затем программа проверяется на наличие имен и операций, которые использовались, но не были определены (в нашем случае это cout и <<). Если это возможно, то программа делается полной посредством дополнения недостающих определений из библиотеки (есть стандартные библиотеки, и пользователи могут создавать свои собственные). В нашем случае cout и << были описаны в stream.h, то есть, были указаны их типы, но не было дано никаких подробностей относительно их реализации. В стандартной библиотеке содержится спецификация пространства и инициализирующий код для cout и <<. На самом деле, в этой библиотеке содержится и много других вещей, часть из которых описана в stream.h, однако к скомпилированной версии добавляется только подмножество библиотеки, необходимое для того, чтобы сделать нашу программу полной.

Команда компиляции в C++ обычно называется CC. Она используется так же, как команда cc для программ на C; подробности вы можете найти в вашем руководстве. Предположим, что программа с "Hello, world" хранится в файле с именем hello.c, тогда вы можете ее скомпилировать и запустить примерно так ($ - системное приглашение):

$ CC hello.c
$ a.out
Hello,world
$

a.out - это принимаемое по умолчанию имя исполняемого результата компиляции. Если вы хотите назвать свою программу, вы можете сделать это с помощью опции -o:

$ CC hello.c -o hello
$ hello
Hello,world
$

1.1.3 Ввод

Следующая (довольно многословная) программа предлагает вам ввести число дюймов. После того, как вы это сделаете, она напечатает соответствующее число сантиметров.

#include
main()
{
int inch = 0;         // inch - дюйм
cout << "inches";
cin >> inch;
cout << inch;
cout << " in = ";
cout << inch*2.54;
cout << " cm\n";
}

Первая строка функции main() описывает целую переменную inch. Ее значение считывается с помощью операции >> ("взять из") над стандартным потоком ввода cin. Описания cin и >>, конечно же, находятся в . После ее запуска ваш терминал может выглядеть примерно так:

$ a.out
inches=12
12 in = 30.48 cm
$

В этом примере на каждую команду вывода приходится один оператор; это слишком длинно. Операцию вывода << можно применять к ее собственному результату, так что последние четыре команды вывода можно было записать одним оператором:

cout << inch << " in = " << inch*2.54 << " cm\n";

Часто бывает полезно вставлять в программу текст, который предназначается в качестве комментария только для читающего программу человека и игнорируется компилятором в программе. В C++ это можно сделать одним из двух способов.

Символы /* начинают комментарий, заканчивающийся символами */. Вся эта последовательность символов эквивалентна символу пропуска (например, символу пробела). Это наиболее полезно для многострочных комментариев и изъятия частей программы при редактировании, однако следует помнить, что комментарии /* */ не могут быть вложенными.

Основные типы, наиболее непосредственно отвечающие средствам аппаратного обеспечения, такие:

char  short  int  long  float  double

Первые четыре типа используются для представления целых, последние два - для представления чисел с плавающей точкой. Переменная типа char имеет размер, естественный для хранения символа на данной машине (обычно, байт), а переменная типа int имеет размер, соответствующий целой арифметике на данной машине (обычно, слово). Диапазон целых чисел, которые могут быть представлены типом, зависит от его размера. В C++ размеры измеряются в единицах размера данных типа char, поэтому char по определению имеет размер единица. Соотношение между основными типами можно записать так:

1 = sizeof(char) <= sizeof(short) <= sizeof(int) <= sizeof(long)
sizeof(float) <= sizeof(double)

В целом, предполагать что-либо еще относительно основных типов неразумно. В частности, то, что целое достаточно для хранения указателя, верно не для всех машин.

К основному типу можно применять прилагательное const. Это дает тип, имеющий те же свойства, что и исходный тип, за исключением того, что значение переменных типа const не может изменяться после инициализации.

const float pi = 3.14;
const char plus = '+';

Символ, заключенный в одинарные кавычки, является символьной константой. Заметьте, что часто константа, определенная таким образом, не занимает память; просто там, где требуется, ее значение может использоваться непосредственно. Константа должна инициализироваться при описании. Для переменных инициализация необязательна, но настоятельно рекомендуется. Оснований для введения локальной переменной без ее инициализации очень немного.

К любой комбинации этих типов могут применяться арифметические операции:

1.3.2 Производные Типы

Вот операции, создающие из основных типов новые типы:

В C++ имеется большое число операций, и они будут объясняться там, где (и если) это потребуется. Следует учесть, что операции

Самый обычный вид оператора - оператор выражение. Он состоит из выражения, за которым следует точка с запятой. Например:

a = b*3+c;
cout << "go go go";
lseek(fd,0,2);

1.4.3 Пустой оператор

Простейшей формой оператора является пустой оператор:

;

Блок - это возможно пустой список операторов, заключенный в фигурные скобки:

{ a=b+2; b++; }

Программа в следующем примере осуществляет преобразование дюймов в сантиметры и сантиметров в дюймы; предполагается, что вы укажете единицы измерения вводимых данных, добавляя i для дюймов и c для сантиметров:

#include
main()
{
const float fac = 2.54;
float x, in, cm;
char ch = 0;
cout << "введите длину: ";
cin >> x >> ch;
if (ch == 'i') {       // inch - дюймы
in = x;
cm = x*fac;
}
else if (ch == 'c')   //  cm - сантиметры
in = x/fac;
cm = x;
}
else
in = cm = 0;
cout << in << " in = " << cm << " cm\n";
}

Оператор switch производит сопоставление значения с множеством констант. Проверки в предыдущем примере можно записать так:

switch (ch) {
case 'i':
in = x;
cm = x*fac;
break;
case 'c':
in = x/fac;
cm = x;
break;
default:
in = cm = 0;
break;
}

Рассмотрим копирование строки, когда заданы указатель p на ее первый символ и указатель q на целевую строку. По соглашению строка оканчивается символом с целым значением 0.

while (p != 0) {
*q = *p;        // скопировать символ
q = q+1;
p = p+1;
}
*q = 0;             // завершающий символ 0 скопирован не был

Следующее после while условие должно быть заключено в круглые скобки. Условие вычисляется, и если его значение не ноль, выполняется непосредственно следующий за ним оператор. Это повторяется до тех пор, пока вычисление условия не даст ноль.

Этот пример слишком пространен. Можно использовать операцию ++ для непосредственного указания увеличения, и проверка упростится:

while (*p)  *q++ = *p++;
*q = 0;

где конструкция *p++ означает: "взять символ, на который указывает p, затем увеличить p."

Пример можно еще упростить, так как указатель p разыменовывается дважды за каждый цикл. Копирование символа можно делать тогда же, когда производится проверка условия:

while (*q++ = *p++) ;

Рассмотрим копирование десяти элементов одного вектора в другой:

for (int i=0; i<10; i++) q[i]=p[i];

Это эквивалентно

int i = 0;
while (i<10) {
q[i] = p[i];
i++;
}

но более удобочитаемо, поскольку вся информация, управляющая циклом, локализована. При применении операции ++ к целой переменной к ней просто добавляется единица. Первая часть оператора for не обязательно должна быть описанием, она может быть любым оператором. Например:

for (i=0; i<10; i++) q[i]=p[i];

Описание - это оператор, вводящий имя в программе. Оно может также инициализировать объект с этим именем. Выполнение описания означает, что когда поток управления доходит до описания, вычисляется инициализирующее выражение (инициализатор) и производится инициализация. Например:

for (int i = 1; i

1.5 Функции

Функция - это именованная часть программы, к которой можно обращаться из других частей программы столько раз, сколько потребуется. Рассмотрим программу, печатающую степени числа 2:

extern float pow(float, int); //pow() определена в другом месте
main()
{
for (int i=0; i<10; i++) cout << pow(2,i) << "\n";
}

Первая строка функции - описание, указывающее, что pow - функция, получающая параметры типа float и int и возвращающая float. Описание функции используется для того, чтобы сделать определенными обращения к функции в других местах.

При вызове тип каждого параметра функции сопоставляется с ожидаемым типом точно так же, как если бы инициализировалась переменная описанного типа. Это гарантирует надлежащую проверку и преобразование типов. Например, обращение pow(12.3,"abcd") вызовет недовольство компилятора, поскольку "abcd" является строкой, а не int. При вызове pow(2,i) компилятор преобразует 2 к типу float, как того требует функция. Функция pow может быть определена например так:

float pow(float x, int n)
{
if (n < 0) error("извините, отрицательный показатель для pow()");
switch (n) {
case 0: return 1;
case 1: return x;
default:    return x*pow(x,n-1);
}
}

Первая часть определения функции задает имя функции, тип возвращаемого ею значения (если таковое имеется) и типы и имена ее параметров (если они есть). Значение возвращается из функции с помощью оператора return.

Разные функции обычно имеют разные имена, но функциям, выполняющим сходные действия над объектами различных типов, иногда лучше дать возможность иметь одинаковые имена. Если типы их параметров различны, то компилятор всегда может различить их и выбрать для вызова нужную функцию. Может, например, иметься одна функция возведения в степень для целых переменных и другая для переменных с плавающей точкой:

overload pow;
int pow(int, int);
double pow(double, double);
//...
x=pow(2,10);
y=pow(2.0,10.0);
Описание
overload pow;

сообщает компилятору, что использование имени pow более чем для одной функции является умышленным.

Если функция не возвращает значения, то ее следует описать как void:

void swap(int* p, int* q)    // поменять местами
{
int t = *p;
*p = *q;
*q = t;
}

1.6 Структура программы

Программа на C++ обычно состоит из большого числа исходных файлов, каждый из которых содержит описания типов, функций, переменных и констант. Чтобы имя можно было использовать в разных исходных файлах для ссылки на один и тот же объект, оно должно быть описано как внешнее. Например:

extern double sqrt(double);
extern instream cin;

Самый обычный способ обеспечить согласованность исходных файлов - это поместить такие описания в отдельные файлы, называемые заголовочными (или хэдер) файлами, а затем включить, то есть скопировать, эти заголовочные файлы во все файлы, где нужны эти описания. Например, если описание sqrt хранится в заголовочном файле для стандартных математических функций math.h, и вы хотите извлечь квадратный корень из 4, можно написать:

#include
//...
x = sqrt(4);

1.7 Классы

Давайте посмотрим, как мы могли бы определить тип потока вывода ostream. Чтобы упростить задачу, предположим, что для буферизации определен тип streambuf. Тип streambuf на самом деле определен в , где также находится и настоящее определение ostream. Пожалуйста, не испытывайте примеры, определяющие ostream в этом и последующих разделах; пока вы не сможете полностью избежать использования , компилятор будет возражать против переопределений.

Определение типа, определяемого пользователем (который в C++ называется class, т.е. класс), специфицирует данные, необходимые для представления объекта этого типа, и множество операций для работы с этими объектами. Определение имеет две части: закрытую (private) часть, содержащую информацию, которой может пользоваться только его разработчик, и открытую (public) часть, представляющую интерфейс типа с пользователем:

class ostream {
streambuf* buf;
int state;
public:
void put(char*);
void put(long);
void put(double);
}

Описания после метки public задают интерфейс: пользователь может обращаться только к трем функциям put(). Описания перед меткой public задают представление объекта класса ostream; имена buf и state могут использоваться только функциями put(), описанными в открытой части.

class определяет тип, а не объект данных, поэтому чтобы использовать ostream, мы должны один такой объект описать (так же, как мы описываем переменные типа int):

ostream my_out;

Настоящий класс ostream определяет операцию <<, чтобы сделать удобным вывод нескольких объектов одним оператором. Давайте посмотрим, как это сделано.

Чтобы определить @, где @ - некоторая операция языка C++, для каждого определяемого пользователем типа вы определяете функцию с именем operator@, которая получает параметры соответствующего типа. Например:

class ostream {
//...
ostream operator<<(char*);
};
ostream ostream::operator<<(char* p)
{
while (*p) buf.sputc(*p++);
return *this;
}

определяет операцию << как член класса ostream, поэтому sа если применить операцию взятия адреса, то вы получите адрес объекта, на который ссылается ссылка:

&s1 == &my_out

Первая очевидная польза от ссылок состоит в том, чтобы обеспечить передачу адреса объекта, а не самого объекта, в функцию вывода (в некоторых языках это называется передачей параметра по ссылке):

ostream& operator<<(ostream& s, complex z) {
return s << "(" << z.real << "," << z.imag << ")";
}

Достаточно интересно, что тело функции осталось без изменений, но если вы будете осуществлять присваивание s, то будете воздействовать на сам объект, а не на его копию. В данном случае то, что возвращается ссылка, также повышает эффективность, поскольку очевидный способ реализации ссылки - это указатель, а передача указателя гораздо дешевле, чем передача большой структуры данных.

Ссылки также существенны для определения потока ввода, поскольку операция ввода получает в качестве операнда переменную для считывания. Если бы ссылки не использовались, то пользователь должен был бы явно передавать указатели в функции ввода.

class istream {
//...
int state;
public:
istream& operator>>(char≈);
istream& operator>>(char*);
istream& operator>>(int&);
istream& operator>>(long&);
//...
};

Определение ostream как класса сделало члены данные закрытыми. Только функция член имеет доступ к закрытым членам, поэтому надо предусмотреть функцию для инициализации. Такая функция называется конструктором и отличается тем, что имеет то же имя, что и ее класс:

class ostream {
//...
ostream(streambuf*);
ostream(int size, char* s);
};

Здесь задано два конструктора. Один получает вышеупомянутый streambuf для реального вывода, другой получает размер и указатель на символ для форматирования строки. В описании необходимый для конструктора список параметров присоединяется к имени. Теперь вы можете, например, описать такие потоки:

ostream my_out(&some_stream_buffer);
char xx[256];
ostream xx_stream(256,xx);

Встроенное в C++ понятие вектора было разработано так, чтобы обеспечить максимальную эффективность выполнения при минимальном расходе памяти. Оно также (особенно когда используется совместно с указателями) является весьма универсальным инструментом для построения средств более высокого уровня. Вы могли бы, конечно, возразить, что размер вектора должен задаваться как константа, что нет проверки выхода за границы вектора и т.д. Ответ на подобные возражения таков: "Вы можете запрограммировать это сами." Давайте посмотрим, действительно ли оправдан такой ответ. Другими словами, проверим средства абстракции языка C++, попытавшись реализовать эти возможности для векторных типов, которые мы создадим сами, и посмотрим, какие с этим связаны трудности, каких это требует затрат, и насколько получившиеся векторные типы удобны в обращении.

class vector {
int* v;
int  sz;
public:
vector(int);      // конструктор
~vector();        // деструктор
int size() { return sz; }
void set_size(int);
int& operator[](int);
int& elem(int i) { return v[i]; }
};

Функция size возвращает число элементов вектора, таким образом индексы должны лежать в диапазоне 0 ... size()-1. Функция set_size сделана для изменения этого размера, elem обеспечивает доступ к элементам без проверки индекса, а operator[] дает доступ с проверкой границ.

Идея состоит в том, чтобы класс сам был структурой фиксированного размера, управляющей доступом к фактической памяти вектора, которая выделяется конструктором вектора с помощью распределителя свободной памяти new:

vector::vector(int s)
{
if (s<=0) error("плохой размер вектора");
sz = s;
v = new int[s];
}

Теперь вы можете описывать вектора типа vector почти столь же элегантно, как и вектора, встроенные в сам язык:

vector v1(100);
vector v2(nelem*2-4);

Операцию доступа можно определить как

int& vector::operator[](int i)
{
if(i<0 || sz<=i) error("индекс выходит за границы");
return v[i];
}

Операция || (ИЛИИЛИ) - это логическая операция ИЛИ. Ее правый операнд вычисляется только тогда, когда это необходимо, то есть если вычисление левого операнда дало ноль. Возвращение ссылки обеспечивает то, что запись [] может использоваться с любой стороны операции присваивания:

v1[x] = v2[y];

Функция со странным именем ~vector - это деструктор, то есть функция, описанная для того, чтобы она неявно вызывалась, когда объект класса выходит из области видимости. Деструктор класса C имеет имя ~C. Если его определить как

vector::~vector()
{
delete v;
}

Если часто повторяется обращение к очень маленькой функции, то вы можете начать беспокоиться о стоимости вызова функции. Обращение к функции члену не дороже обращения к функции не члену с тем же числом параметров (надо помнить, что функция член всегда имеет хотя бы один параметр), и вызовы в функций в C++ примерно столь же эффективны, сколь и в любом языке. Однако для слишком маленьких функций может встать вопрос о накладных расходах на обращение. В этом случае можно рассмотреть возможность спецификации функции как inline-подставляемой. Если вы поступите таким образом, то компилятор сгенерирует для функции соответствующий код в месте ее вызова. Семантика вызова не изменяется. Если, например, size и elem inline-подставляемые, то

vector s(100);
//...
i = s.size();
x = elem(i-1);

порождает код, эквивалентный

//...
i = 100;
x = s.v[i-1];

C++ компилятор обычно достаточно разумен, чтобы генерировать настолько хороший код, насколько вы можете получить в результате прямого макрорасширения. Разумеется, компилятор иногда вынужден использовать временные переменные и другие уловки, чтобы сохранить семантику.

Вы можете указать, что вы хотите, чтобы функция была inline- подставляемой, поставив ключевое слово inline, или, для функции члена, просто включив определение функции в описание класса, как это сделано в предыдущем примере для size() и elem().

Теперь давайте определим вектор, для которого пользователь может задавать границы изменения индекса.

class vec: public vector {
int low, high;
public:
vec(int,int);
int& elem(int);
int& operator[](int);
};

Определение vec как

:public vector

означает, в первую очередь, что vec это vector. То есть, тип vec имеет (наследует) все свойства типа vector дополнительно к тем, что описаны специально для него. Говорят, что класс vector является базовым классом для vec, а о vec говорится, что он производный от vector.

Класс vec модифицирует класс vector тем, что в нем задается другой конструктор, который требует от пользователя указывать две границы изменения индекса, а не длину, и имеются свои собственные функции доступа elem(int) и operator[](int). Функция elem() класса vec легко выражается через elem() класса vector:

int& vec::elem(int i)
{
return vector::elem(i-low);
}

Операция разрешения области видимости :: используется для того, чтобы не было бесконечной рекурсии обращения к vec::elem() из нее самой. с помощью унарной операции :: можно ссылаться на нелокальные имена. Было бы разумно описать vec::elem() как inline, поскольку, скорее всего, эффективность существенна, но необязательно, неразумно и невозможно написать ее так, чтобы она непосредственно использовала закрытый член v класса vector. Фунции производного класса не имеют специального доступа к закрытым членам его базового класса.

Конструктор можно написать так:

vec::vec(int lb, int hb) : (hb-lb+1)
{
if (hb-lb<0) hb = lb;
low = lb;
high = hb;
}

Запись : (hb-lb+1) используется для определения списка параметров конструктора базового класса vector::vector(). Этот конструктор вызывается перед телом vec::vec(). Вот небольшой пример, который можно запустить, если скомпилировать его вместе с остальными описаниями vector:

#include
void error(char* p)
{
cerr << p << "n\"; // cerr - выходной поток сообщений об
ошибках
exit(1);
}
void vector::set_size(int) { /* пустышка */ }
int& vec::operator[](int i)
{
if (i

1.14 Еще об операциях

Другое направление развития - снабдить вектора операциями:

class Vec : public vector {
public:
Vec(int s) : (s) {}
Vec(Vec&);
~Vec() {}
void operator=(Vec&);
void operator*=(Vec&);
void operator*=(int);
//...
};

Обратите внимание на способ определения конструктора производного класса, Vec::Vec(), когда он передает свой параметр конструктору базового класса vector::vector() и больше не делает ничего. Это полезная парадигма. Операция присваивания перегружена, ее можно определить так:

void Vec::operator=(Vec& a)
{
int s = size();
if (s!=a.size()) error("плохой размер вектора для =");
for (int i = 0; i
void error(char* p) {
cerr << p << "\n";
exit(1);
}
void vector::set_size(int) { /*...*/ }
int& vec::operator[](int i) { /*...*/ }
main()
{
Vec a(10);
Vec b(10);
for (int i=0; i

1.15 Друзья (friends)

Функция operator+() не воздействует непосредственно на представление вектора. Действительно, она не может этого делать, поскольку не является членом. Однако иногда желательно дать функциям не членам возможность доступа к закрытой части класса. Например, если бы не было функции "доступа без проверки" vector::elem(), вам пришлось бы проверять индекс i на соответствие границам три раза за каждый проход цикла. Здесь мы избежали этой сложности, но она довольно типична, поэтому у класса есть механизм предоставления права доступа к своей закрытой части функциям не членам. Просто в описание класса помещается описание функции, перед которым стоит ключевое слово friend. Например, если имеется

class Vec;  // Vec - имя класса
class vector {
friend Vec operator+(Vec, Vec);
//...
};

То вы можете написать

Vec operator+(Vec a, Vec b)
{
int s = a.size();
if (s != b.size()) error("плохой размер вектора для +");
Vec& sum = *new Vec(s);
int* sp = sum.v;
int* ap = a.v;
int* bp = b.v;
while (s--) *sp++ = *ap++ + *bp++;
return sum;
}

"Пока все хорошо," - можете сказать вы, - "но я хочу, чтобы один из этих векторов был типа matrix, который я только что определил." К сожалению, в C++ не предусмотрены средства для определения класса векторов с типом элемента в качестве параметра. Один из способов - продублировать описание и класса, и его функций членов. Это не идеальный способ, но зачастую вполне приемлемый.

У вас есть другая возможность - определить ваш векторный и другие вмещающие классы через указатели на объекты некоторого класса:

class common {
//...
};
class vector {
common** v;
//...
public:
cvector(int);
common*& elem(int);
common*& operator[](int);
//...
};

Заметьте, что поскольку в таких векторах хранятся указатели, а не сами объекты, объект может быть "в" нескольких таких векторах одновременно. Это очень полезное свойство подобных вмещающих классов, таких, как вектора, связанные списки, множества и т.д. Кроме того, можно присваивать указатель на производный класс указателю на его базовый класс, поэтому можно использовать приведенный выше cvector для хранения указателей на объекты всех производных от common классов. Например:

class apple : public common { /*...*/ }
class orange : public common { /*...*/ }
class apple_vector : public cvector {
public:
cvector fruitbowl(100);
//...
apple aa;
orange oo;
//...
fruitbowl[0] = &aa;
fruitbowl[1] = &oo;
}

Однако, точный тип объекта, вошедшего в такой вмещающий класс, больше компилятору не известен. Например, в предыдущем примере вы знаете, что элемент вектора является common, но является он apple или orange? Обычно точный тип должен в последствие быть восстановлен, чтобы обеспечить правильное использование объекта. Для этого нужно или в какой-то форме хранить информацию о типе в самом объекте, или обеспечить, чтобы во вмещающий класс помещались только объекты данного типа. Последнее легко достигается с помощью производного класса. Вы можете, например, создать вектор указателей на apple:

class apple_vector : public cvector {
public:
apple*& elem(int i)
{ return (apple*&) cvector::elem(i); }
//...
};

Предположим, что мы пишем программу для изображения фигур на экране. Общие атрибуты фигуры представлены классом shape, а специальные атрибуты - специальными классами:

class shape {
point center;
color col;
//...
public:
void move(point to) { center=to; draw(); }
point where() { return center; }
virual void draw();
virtual void rotate(int);
//...
};

Функции, которые можно определить не зная точно определенной фигуры (например, move и where, то есть, "передвинуть" и "где"), можно описать как обычно. Остальные функции описываются как virual, то есть такие, которые должны определяться в производном классе. Например:

class circle: public shape {
int radius;
public:
void draw();
void rotatte(int i) {}
//...
};

Теперь, если shape_vec - вектор фигур, то можно написать:

for (int i = 0; i