Все нетривиальные программы собираются из нескольких раздельно компилируемых единиц (их принято называть просто файлами). В этой главе описано, как раздельно откомпилированные функции могут обращаться друг к другу, как такие функции могут совместно пользоваться данными (разделять данные), и как можно обеспечить согласованность типов, которые используются в разных файлах программы. Функции обсуждаются довольно подробно. Сюда входят передача параметров, параметры по умолчанию, перегрузка имен функций, и, конечно же, описание и определение функций. В конце описываются макросы.
Иметь всю программу в одном файле обычно невозможно, поскольку коды стандартных библиотек и операционной системы находятся где-то в другом месте. Кроме того, хранить весь текст пользовательской программы в одном файле как правило непрактично и неудобно. Способ организации программы в файлы может помочь читающему охватить всю структуру программы, а также может дать возможность компилятору реализовать эту структуру. Поскольку единицей компиляции является файл, то во всех случаях, когда в файл вносится изменение (сколь бы мало оно ни было), весь файл нужно компилировать заново. Даже для программы умеренных размеров время, затрачиваемое на перекомпиляцию, можно значительно снизить с помощью разбиения программы на файлы подходящих размеров. :
Рассмотрим пример с калькулятором. Он был представлен в виде одного исходного файла. Если вы его набили, то у вас наверняка были небольшие трудности с расположением описаний в правильном порядке, и пришлось использовать по меньшей мере одно "фальшивое" описание, чтобы компилятор смог обработать взаимно рекурсивные функции expr(), term() и prim(). В тексте уже отмечалось, что программа состоит из четырех частей (лексического анализатора, программы синтаксического разбора, таблицы имен и драйвера), но это никак не было отражено в тексте самой программы. По сути дела, калькулятор был написан по-другому. Так это не делается; даже если в этой программе "на выброс" пренебречь всеми соображениями методологии программирования, эксплуатации и эффективности компиляции, автор все равно разобьет эту программу в 200 строк на несколько файлов, чтобы программировать было приятнее. :
Программа, состоящая из нескольких раздельно компилируемых файлов, должна быть согласованной в смысле использования имен и типов, точно так же, как и программа, состоящая из одного исходного файла. В принципе, это может обеспечить и компоновщик. Компоновщик - это программа, стыкующая отдельно скомпилированные части вместе. Компоновщик часто (путая) называют загрузчиком. В UNIX'е компоновщик называется ld. Однако компоновщики, имеющиеся в большинстве систем, обеспечивают очень слабую поддержку проверки согласованности. :
Программист может скомпенсировать недостаток поддержки со стороны компоновщика, предоставив дополнительную информацию о типах (описания). После этого согласованность программы обеспечивается проверкой согласованности описаний, которые находятся в отдельно компилируемых частях. Средства, которые это обеспечивают, в вашей системе будут. C++ разработан так, чтобы способствовать такой явной компоновке.
Компоновка :
Если не указано иное, то имя, не являющееся локальным для функции или класса, в каждой части программы, компилируемой отдельно, должно относиться к одному и тому же типу, значению, функции или объекту. То есть, в программе может быть только один нелокальный тип, значение, функция или объект с этим именем. Рассмотрим, например, два файла:
// file1.c:
int a = 1;:
int f() { /* что-то делает */ }:
// file2.c::
extern int a;:
int f();:
void g() { a = f(); }:
a и f(), используемые g() в файле file2.c,- те же, что определены в файле file1.c. Ключевое слово extern (внешнее) указывает, что описание a в file2.c является (только) описанием, а не определением. Если бы a инициализировалось, extern было бы просто проигнорировано, поскольку описание с инициализацией всегда является определением. Объект в программе должен определяться только один раз. Описываться он может много раз, но типы должны точно согласовываться. Например: :
// file1.c:
:
int a = 1;:
int b = 1;:
extern int c;:
:
// file2.c::
int a;:
extern double b;:
extern int c;:
:
Здесь три ошибки: a определено дважды (int a; является определением, которое означает int a=0;), b описано дважды с разными типами, а c описано дважды, но не определено. Эти виды ошибок (ошибки компоновки) не могут быть обнаружены компилятором, который за один раз видит только один файл. Компоновщик, однако, их обнаруживает. :
Следующая программа не является C++ программой (хотя C программой является): :
:
// file1.c::
int a;:
int f() { return a; }:
:
// file2.c::
int a;:
int g() { return f(); }:
:
Во-первых, file2.c не C++, потому что f() не была описана, и поэтому компилятор будет недоволен. Во-вторых, (когда file2.c фиксирован) программа не будет скомпонована, поскольку a определено дважды.
Имя можно сделать локальным в файле, описав его static. Например: :
:
// file1.c::
static int a = 6;:
static int f() { /* ... */ }:
// file2.c::
static int a = 7;:
static int f() { /* ... */ }:
Поскольку каждое a и f описано как static, получающаяся в результате программа является правильной. В каждом файле своя a и своя f().
Когда переменные и функции явно описаны как static, часть программы легче понять (вам не надо никуда больше заглядывать). Использование static для функций может, помимо этого, выгодно влиять на расходы по вызову функции, поскольку дает оптимизирующему компилятору более простую работу. :
Рассмотрим два файла: :
// file1.c::
const int a = 6;:
inline int f() { /* ... */ }:
struct s { int a,b; }:
// file1.c::
const int a = 7;:
inline int f() { /* ... */ }:
struct s { int a,b; }:
Раз правило "ровно одно определение" применяется к константам, inline-функциям и определениям функций так же, как оно применяется к функциям и переменным, то file1.c и file2.c не могут быть частями одной C++ программы. Но если это так, то как же два файла могут использовать одни и те же типы и константы? Коротко, ответ таков: типы, константы и т.п. могут определяться столько раз, сколько нужно, при условии, что они определяются одинаково. Полный ответ несколько более сложен . :
:
Типы во всех описаниях одного и того же объекта должны быть согласованными. Один из способов это достичь мог бы состоять в обеспечении средств проверки типов в компоновщике, но большинство компоновщиков - образца 1950-х, и их нельзя изменить по практическим соображениям . Другой подход состоит в обеспечении того, что исходный текст, как он передается на рассмотрение компилятору, или согласован, или содержит информацию, которая позволяет компилятору обнаружить несогласованности. Один несовершенный, но простой способ достичь согласованности состоит во включении заголовочных файлов, содержащих интерфейсную информацию, в исходные файлы, в которых содержится исполняемый код и/или определения данных. :
Механизм включения с помощью #include - это чрезвычайно простое средство обработки текста для сборки кусков исходной программы в одну единицу (файл) для ее компиляции. Директива :
:
#include "to_be_included":
:
замещает строку, в которой встретилось #include, содержимым файла "to_be_included". Его содержимым должен быть исходный текст на C++, поскольку дальше его будет читать компилятор. Часто включение обрабатывается отдельной программой, называемой C препроцессором, которую CC вызывает для преобразования исходного файла, который дал программист, в файл без директив включения перед тем, как начать собственно компиляцию. В другом варианте эти директивы обрабатывает интерфейсная система компилятора по мере того, как они встречаются в исходном тексте. Если программист хочет посмотреть на результат директив включения, можно воспользоваться командой :
:
CC -E file.c:
:
для препроцессирования файла file.c точно также, как это сделала бы CC перед запуском собственно компилятора. Для включения файлов из стандартной директории включения вместо кавычек используются угловые скобки
<и>
. Например: :
:
#include // из стандартной директории включения:
:
#define "myheader.h" // из текущей директории:
:
Использование
<>
имеет то преимущество, что в программу фактическое имя директории включения не встраивается (как правило, сначала просматривается /usr/include/CC, а потом usr/include). К сожалению, пробелы в директиве include существенны: :
:
#include
:
Может показаться, что перекомпилировать файл заново каждый раз, когда он куда-либо включается, расточительно, но время компиляции такого файла обычно слабо отличается от времени, которое необходимо для чтения его некоторой заранее откомпилированной формы. Причина в том, что текст программы является довольно компактным представлением программы, и в том, что включаемые файлы обычно содержат только описания и не содержат программ, требующих от компилятора значительного анализа.
Следующее эмпирическое правило относительно того, что следует, а что не следует помещать в заголовочные файлы, является не требованием языка, а просто предложением по разумному использованию аппарата #include.
В заголовочном файле могут содержаться: Определения типов struct point { int x, y; } :
В системе UNIX принято, что заголовочные файлы имеют суффикс (расширение) .h. Файлы, содержащие определение данных или функций, должны иметь суффикс .c. Такие файлы часто называют, соответственно, ".h файлы" и ".c файлы". . Следует заметить, что в C++ макросы гораздо менее полезны, чем в C, поскольку C++ имеет такие языковые конструкции, как const для определения констант и inline для исключения расходов на вызов функции. :
Причина того, почему в заголовочных файлах допускается определение простых констант, но не допускается определение сложных константных объектов, прагматическая. В принципе, сложность тут только в том, чтобы сделать допустимым дублирование определений переменных (даже определения функций можно было бы дублировать). Однако для компоновщиков старого образца слишком трудно проверять тождественность нетривиальных констант и убирать ненужные повторы. Кроме того, простые случаи гораздо более обиходны и потому более важны для генерации хорошего кода. :
Один Заголовочный Файл :
Проще всего решить проблему разбиения программы на несколько файлов поместив функции и определения данных в подходящее число исходных файлов и описав типы, необходимые для их взаимодействия, в одном заголовочном файле, который включается во все остальные файлы. Для программы калькулятора можно использовать четыре .c файла: lex.c, syn.c, table.c и main.c, и заголовочный файл dc.h, содержащий описания всех имен, которые используются более чем в одном .c файле: :
:
// dc.h: общие описания для калькулятора:
:
enum token_value {:
:
NAME, NUMBER, END,:
:
PLUS='+', MINUS='-', MUL='*', DIV='/',:
:
PRINT=';', ASSIGN='=', LP='(', RP=')':
:
};:
extern int no_of_errors;:
extern double error(char* s);:
extern token_value get_token();:
extern token_value curr_tok;:
extern double number_value;:
extern char name_string[256];:
extern double expr();:
extern double term();:
extern double prim();:
struct name {:
char* string;:
name* next;:
double value;:
};:
extern name* look(char* p, int ins = 0);:
inline name* insert(char* s) { return look(s,1); }:
Если опустить фактический код, то lex.c будет выглядеть примерно так: :
// lex.c: ввод и лексический анализ:
#include "dc.h":
#include:
token_value curr_tok;:
double number_value;:
char name_string[256];:
token_value get_token() { /* ... */ }:
Заметьте, что такое использование заголовочных файлов гарантирует, что каждое описание в заголовочном файле объекта, определенного пользователем, будет в какой-то момент включено в файл, где он определяется. Например, при компиляции lex.c компилятору будет передано: :
extern token_value get_token();:
// ..:
.
token_value get_token() { /* ... */ }:
Это обеспечивает то, что компилятор обнаружит любую несогласованность в типах, указанных для имени. Например, если бы get_token() была описана как возвращающая token_value, но при этом определена как возвращающая int, компиляция lex.c не прошла бы из- за ошибки несоответствия типов.
Файл syn.c будет выглядеть примерно так: :
// syn.c: синтаксический анализ и вычисление:
#include "dc.h":
double prim() { /* ... */ }:
double term() { /* ... */ }:
double expr() { /* ... */ }:
Файл table.c будет выглядеть примерно так: :
// table.c: таблица имен и просмотр:
#include "dc.h":
extern char* strcmp(const char*, const char*);:
extern char* strcpy(char*, const char*);:
extern int strlen(const char*);:
:
const TBLSZ = 23;:
name* table[TBLSZ];:
name* look(char* p; int ins) { /* ... */ }:
:
Заметьте, что table.c сам описывает стандартные функции для работы со строками, поэтому никакой проверки согласованности этих описаний нет. Почти всегда лучше включать заголовочный файл, чем описывать имя в .c файле как extern. При этом может включаться "слишком много", но это обычно не оказывает серьезного влияния на время, необходимое для компиляции, и как правило экономит время программиста. В качестве примера этого, обратите внимание на то, как strlen() заново описывается в main() (ниже). Это лишние нажатия клавиш и возможный источник неприятностей, поскольку компилятор не может проверить согласованность этих двух определений. На самом деле, этой сложности можно было бы избежать, будь все описания extern помещены в dc.h, как и предлагалось сделать. Эта "небрежность" сохранена в программе, поскольку это очень типично для C программ, очень соблазнительно для программиста, и чаще приводит, чем не приводит, к ошибкам, которые трудно обнаружить, и к программам, с которыми тяжело работать. Вас предупредили!
И main.c, наконец, выглядит так: :
:
// main.c: инициализация, главный цикл и обработка ошибок:
#include "dc.h":
int no_of_errors;:
double error(char* s) { /* ... */ }:
extern int strlen(const char*);:
main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }:
:
Важный случай, когда размер заголовочных файлов становится серьезной помехой. Набор заголовочных файлов и библиотеку можно использовать для расширения языка множеством обще- и специально- прикладных типов . В таких случаях не принято осуществлять чтение тысяч строк заголовочных файлов в начале каждой компиляции. Содержание этих файлов обычно "заморожено" и изменяется очень нечасто. Наиболее полезным может оказаться метод затравки компилятора содержанием этих заголовочных фалов. По сути, создается язык специального назначения со своим собственным компилятором. Никакого стандартного метода создания такого компилятора с затравкой не принято. :