Информация о курсе в систематизированном виде излагаются основные понятия и описываются возможности языка C++. При этом основное внимание уделяется объяснению того, как теми или иными возможностями пользоваться

7.4 Переопределение операций

В языке Си++ можно сделать так, что класс будет практически неотличим от предопределенных встроенных типов при использовании в выражениях. Для класса можно определить операции сложения, умножения и т.д. пользуясь стандартной записью таких операций, т.е. x + y. В языке Си++ считается, что подобная запись - это также вызов метода с именем operator+ того класса, к которому принадлежит переменная x. Перепишем определение класса Complex:

// определение класса комплексных чисел

class Complex

{

public:

int real; // вещественная часть

int imaginary; // мнимая часть

// прибавить комплексное число

Complex operator+(const Complex x) const;

};

Вместо метода Add появился метод operator+. Изменилось и его определение. Во-первых, этот метод возвращает значение типа Complex (операция сложения в результате дает новое значение того же типа, что и типы операндов). Во-вторых, перед аргументом метода появилось ключевое слово const. Это слово обозначает, что при выполнении данного метода аргумент изменяться не будет. Также const появилось после объявление метода. Второе ключевое слово const означает, что объект, выполняющий метод, не будет изменен. При выполнении операции сложения x + y над двумя величинами x и y сами эти величины не изменяются. Теперь запишем определение операции сложения:

7.5 Подписи методов и необязательные аргументы

Как и при объявлении функций, язык Си++ допускает определение в одном классе нескольких методов с одним и тем же именем, но разными типами и количеством аргументов. (Определение методов или атрибутов с одинаковыми именами в разных классах не вызывает проблем, поскольку пространства имен разных классов не пересекаются).

// определение класса комплексных чисел

class Complex

{

public:

int real; // вещественная часть

int imaginary; // мнимая часть

// прибавить комплексное число

Complex operator+(const Complex x) const;

// прибавить целое число

Complex operator+(long x) const;

};

В следующем примере вначале складываются два комплексных числа, и вызывается первая операция +. Затем к комплексному числу прибавляется целое число, и тогда выполняется вторая операция сложения.

Аналогично можно задавать значения аргументов методов по умолчанию. Более подробное описание можно найти в лекции 5.

7.6 Запись классов

Как уже отмечалось раньше, выбор имен - это не праздный вопрос. Существует множество систем именования классов. Опишем ту, которой мы придерживаемся в данной книге.

Имена классов, их методов и атрибутов составляются из английских слов, описывающих их смысл, при этом если слов несколько, они пишутся слитно. Имена классов начинаются с заглавной буквы; если название состоит из нескольких слов, каждое слово начинается с заглавной буквы, остальные буквы маленькие:

Complex, String, StudentLibrarian

Имена методов классов также начинаются с большой буквы:

Имена атрибутов класса начинаются с маленькой буквы, однако если имя состоит из нескольких слов, последующие слова начинаются с большой:

При записи определения класса мы придерживаемся той же системы расположения, что и при записи функций. Ключевое слово class и имя класса записываются в первой строке, открывающаяся фигурная скобка - на следующей строке, методы и атрибуты класса - на последующих строках с отступом.

8.1 Массивы

Массив – это коллекция нескольких величин одного и того же типа. Простейшим примером массива может служить набор из двенадцати целых чисел, соответствующих числу дней в каждом календарном месяце:

int days[12];

days[0] = 31; // январь

days[1] = 28; // февраль

days[2] = 31; // март

days[3] = 30; // апрель

days[4] = 31; // май

days[5] = 30; // июнь

days[6] = 31; // июль

days[7] = 31; // август

days[8] = 30; // сентябрь

days[9] = 31; // октябрь

days[10] = 30; // ноябрь

days[11] = 31; // декабрь

В первой строчке мы объявили массив из 12 элементов типа int и дали ему имя days. Остальные строки примера – присваивания значений элементам массива. Для того, чтобы обратиться к определенному элементу массива, используют операцию индексации []. Как видно из примера, первый элемент массива имеет индекс 0, соответственно, последний – 11.

При объявлении массива его размер должен быть известен в момент компиляции, поэтому в качестве размера можно указывать только целую константу. При обращении же к элементу массива в роли значения индекса может выступать любая переменная или выражение, которое вычисляется во время выполнения программы и преобразуется к целому значению.

Предположим, мы хотим распечатать все элементы массива   days. Для этого удобно воспользоваться циклом for.

Следует отметить, что при выполнении программы границы массива не контролируются. Если мы ошиблись и вместо 12 в приведенном выше цикле написали 13, то компилятор не выдаст ошибку. При выполнении программа попытается напечатать 13-е число. Что при этом случится, вообще говоря, не определено. Быть может, произойдет сбой программы. Более вероятно, что будет напечатано какое-то случайное 13-е число. Выход индексов за границы массива – довольно распространенная ошибка, которую иногда очень трудно обнаружить. В дальнейшем при изучении классов мы рассмотрим, как можно переопределить операцию [] и добавить контроль за индексами.

Отсутствие контроля индексов налагает на программиста большую ответственность. С другой стороны, индексация – настолько часто используемая операция, что наличие контроля, несомненно, повлияло бы на производительность программ.

Рассмотрим еще один пример. Предположим, что имеется массив из 100 целых чисел, и его необходимо отсортировать, т.е. расположить в порядке возрастания. Сортировка методом "пузырька" – наиболее простая и распространенная – будет выглядеть следующим образом:

В приведенных примерах у массивов имеется только один индекс. Такие одномерные массивы часто называются векторами. Имеется возможность определить массивы с несколькими индексами или размерностями. Например, объявление

представляет матрицу целых чисел размером 10 на 5. По-другому интерпретировать приведенное выше объявление можно как массив из 10 элементов, каждый из которых – вектор целых чисел длиной 5. Общее количество целых чисел в массиве   m равно 50.

Обращение к элементам многомерных массивов аналогично обращению к элементам векторов: m[1][2] обращается к третьему элементу второй строки матрицы m.

Количество размерностей в массиве может быть произвольным. Как и в случае с вектором, при объявлении многомерного массива все его размеры должны быть заданы константами.

При объявлении массива можно присвоить начальные значения его элементам (инициализировать   массив). Для вектора это будет выглядеть следующим образом:

int days[12] = { 31, 28, 31, 30, 31, 31,

30, 31, 30, 31 };

При инициализации многомерных массивов каждая размерность должна быть заключена в фигурные скобки:

Интересной особенностью инициализации многомерных массивов является возможность не задавать размеры всех измерений массива, кроме самого последнего. Приведенный выше пример можно переписать так:

8.2 Структуры

Структуры – это не что иное, как классы, у которых разрешен доступ ко всем их элементам (доступ к определенным атрибутам класса может быть ограничен, о чем мы узнаем в лекции 11). Пример структуры:

struct Record {

int number;

char name[20];

};

Так же, как и для классов, операция "." обозначает обращение к элементу структуры.

В отличие от классов, можно определить переменную-структуру без определения отдельного типа:

struct {

double x;

double y;

} coord;

Обратиться к атрибутам переменной coord можно coord.x и coord.y.

8.3 Битовые поля

В структуре можно определить размеры атрибута с точностью до бита. Традиционно структуры используются в системном программировании для описания регистров аппаратуры. В них каждый бит имеет свое значение. Не менее важной является возможность экономии памяти – ведь минимальный тип атрибута структуры это байт (char), который занимает 8 битов. До сих пор, несмотря на мегабайты и даже гигабайты оперативной памяти, используемые в современных компьютерах, существует немало задач, где каждый бит на счету.

Если после описания атрибута структуры поставить двоеточие и затем целое число, то это число задает количество битов, выделенных под данный атрибут структуры. Такие атрибуты называют битовыми полями. Следующая структура хранит в компактной форме дату и время дня с точностью до секунды.

struct TimeAndDate

{

unsigned hours :5; // часы от 0 до 24

unsigned mins :6; // минуты

unsigned secs :6; // секунды от 0 до 60

unsigned weekDay :3; // день недели

unsigned monthDay :6; // день месяца от 1 до 31

unsigned month :5; // месяц от 1 до 12

unsigned year :8; // год от 0 до 100

};

Одна структура   TimeAndDate требует всего 39 битов, т.е. 5 байтов (один байт — 8 битов). Если бы мы использовали для каждого атрибута этой структуры тип char, нам бы потребовалось 7 байтов.

8.4 Объединения

Особым видом структур данных является объединение. Определение объединения напоминает определение структуры, только вместо ключевого слова struct используется union:

В отличие от структуры, все атрибуты объединения располагаются по одному адресу. Под объединение выделяется столько памяти, сколько нужно для хранения наибольшего атрибута объединения. Объединения применяются в тех случаях, когда в один момент времени используется только один атрибут объединения и, прежде всего, для экономии памяти. Предположим, нам нужно определить структуру, которая хранит "универсальное" число, т.е. число одного из предопределенных типов, и признак типа. Это можно сделать следующим образом:

struct Value {

enum NumberType { ShortType, LongType,

DoubleType };

NumberType type;

short sx; // если type равен ShortType

long lx; // если type равен LongType

double dx; // если type равен DoubleType

};

Хотя память выделяется под все три атрибута sx, ls и dx, реально используется только один из них. Сэкономить память можно, используя объединение:

Теперь память выделена только для максимального из этих трех атрибутов (в данном случае dx). Однако и обращаться с объединением надо осторожно. Поскольку все три атрибута делят одну и ту же область памяти, изменение одного из них означает изменение всех остальных. На рисунке поясняется выделение памяти под объединение. В обоих случаях мы предполагаем, что структура расположена по адресу 1000. Объединение располагает все три своих атрибута по одному и тому же адресу.

Рис. 8.1.  Использование памяти в объединениях.

Замечание. Объединения существовали в языке Си, откуда без изменений и перешли в Си++. Использование наследования классов, описанное в следующей главе, позволяет во многих случаях добиться того же эффекта без использования объединений, причем программа будет более надежной.

8.5 Указатели

Указатель – это производный тип, который представляет собой адрес какого-либо значения. В языке Си++ используется понятие адреса переменных. Работа с адресами досталась Си++ в наследство от языка Си. Предположим, что в программе определена переменная типа int:

int x;

Можно определить переменную типа "указатель" на целое число:

и присвоить переменной xptr адрес переменной x:

Операция &, примененная к переменной, – это операция взятия адреса. Операция *, примененная к адресу, – это операция обращения по адресу. Таким образом, два оператора эквивалентны:

С помощью операции обращения по адресу можно записывать значения:

// записать число 10 по адресу xptr

После выполнения этого оператора значение переменной x станет равным 10, поскольку xptr указывает на переменную x.

Указатель – это не просто адрес, а адрес величины определенного типа. Указатель xptr – адрес целой величины. Определить адреса величин других типов можно следующим образом:

Если указатель ссылается на объект некоторого класса, то операция обращения к атрибуту класса вместо точки обозначается "->", например p->real. Если вспомнить один из предыдущих примеров:

то this – это указатель на текущий объект, т.е. объект, который выполняет метод Add. Запись this-> означает обращение к атрибуту текущего объекта.

Можно определить указатель на любой тип, в том числе на функцию или метод класса. Если имеется несколько функций одного и того же типа:

int foo(long x);

int bar(long x);

можно определить переменную типа указатель на функцию и вызывать эти функции не напрямую, а косвенно, через указатель:

Для чего нужны указатели? Указатели появились, прежде всего, для нужд системного программирования. Поскольку язык Си предназначался для "низкоуровневого" программирования, на нем нужно было обращаться, например, к регистрам устройств. У этих регистров вполне определенные адреса, т.е. необходимо было прочитать или записать значение по определенному адресу. Благодаря механизму указателей, такие операции не требуют никаких дополнительных средств языка.

Однако использование указателей нуждами системного программирования не ограничивается. Указатели позволяют существенно упростить и ускорить ряд операций. Предположим, в программе имеется область памяти для хранения промежуточных результатов вычислений. Эту область памяти используют разные модули программы. Вместо того, чтобы каждый раз при обращении к модулю копировать эту область памяти, мы можем передавать указатель в качестве аргумента вызова функции, тем самым упрощая и ускоряя вычисления.

В приведенном примере проиллюстрированы сразу две возможности использования указателей: передача адреса общей памяти и возможность функции иметь более одного значения в качестве результата. Структура   TempResults используется для хранения данных. Вместо того чтобы передавать эти данные по отдельности, в функцию calc передается указатель на структуру. Таким образом достигаются две цели: большая наглядность и большая эффективность (не надо копировать элементы структуры по одному). Функция calc возвращает булево значение – признак успешного завершения вычислений. Сами же результаты вычислений записываются в структуру, указатель на которую передан в качестве аргумента.

Упомянутые примеры использования указателей никак не связаны с объектно-ориентированным программированием. Казалось бы, объектно-ориентированное программирование должно уменьшить зависимость от низкоуровневых конструкций типа указателей. На самом деле программирование с классами нисколько не уменьшило потребность в указателях, и даже наоборот, нашло им дополнительное применение, о чем мы будем рассказывать по ходу изложения.

8.6 Адресная арифметика

С указателями можно выполнять не только операции присваивания и обращения по адресу, но и ряд арифметических операций. Прежде всего, указатели одного и того же типа можно сравнивать с помощью стандартных операций сравнения. При этом сравниваются значения указателей, а не значения величин, на которые данные указатели ссылаются. Так, в приведенном ниже примере результат первой операции сравнения будет ложным:

int x = 10;

int y = 10;

int* xptr = &x;

int* yptr = &y;

// сравниваем указатели

if (xptr == yptr) {

cout << "Указатели равны" << endl;

} else {

cout << "Указатели неравны" << endl;

}

// сравниваем значения, на которые указывают

// указатели

if (*xptr == *yptr) {

cout << "Значения равны" << endl;

} else {

cout << "Значения неравны" << endl;

}

Однако результат второй операции сравнения будет истинным, поскольку переменные x и y имеют одно и то же значение.

Кроме того, над указателями можно выполнять ограниченный набор арифметических операций. К указателю можно прибавить целое число или вычесть из него целое число. Результатом прибавления к указателю единицы является адрес следующей величины типа, на который ссылается указатель, в памяти. Поясним это на рисунке. Пусть xPtr – указатель на целое число типа long, а cp – указатель на тип char. Начиная с адреса 1000, в памяти расположены два целых числа. Адрес второго — 1004 (в большинстве реализаций Си++ под тип long выделяется четыре байта). Начиная с адреса 2000, в памяти расположены объекты типа char.