Эта глава представляет собой краткий обзор основных черт языка программирования C++. Сначала приводится программа на C++, затем показано, как ее откомпилировать и запустить, и как такая программа может выводить выходные данные и считывать входные. В первой трети этой главы после введения описаны наиболее обычные черты C++: основные типы, описания, выражения, операторы, функции и структура программы. Оставшаяся часть главы посвящена возможностям C++ по определению новых типов, скрытию данных, операциям, определяемым пользователем, и иерархии определяемых пользователем типов.
Это турне проведет вас через ряд программ и частей программ на C++. К концу у вас должно сложиться общее представление об основных особенностях C++, и будет достаточно информации, чтобы писать простые программы. Для точного и полного объяснения понятий, затронутых даже в самом маленьком законченном примере, потребовалось бы несколько страниц определений. Чтобы не превращать эту главу в описание или в обсуждение общих понятий, примеры снабжены только самыми короткими определениями используемых терминов. Термины рассматриваются позже, когда будет больше примеров, способствующих обсуждению.
Вывод
Прежде всего, давайте напишем программу, выводящую строку выдачи:
#include
main()
{
cout
Строка #include сообщает компилятору, чтобы он включил стандартные возможности потока ввода и вывода, находящиеся в файле stream.h. Без этих описаний выражение cout
main() { ... }
определяет функцию, названную main. Каждая программа должна содержать функцию с именем main, и работа программы начинается с выполнения этой функции.
Компиляция
Откуда появились выходной поток cout и код, реализующий операцию вывода
$ 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
$
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
cout
$ a.out
inches=12
12 in = 30.48 cm
$
В этом примере на каждую команду вывода приходится один оператор; это слишком длинно. Операцию вывода
Комментарии
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.
Символы // начинают комментарий, который заканчивается в конце строки, на которой они появились. Опять, вся последовательность символов эквивалентна пропуску. Этот способ наиболее полезен для коротких комментариев. Символы // можно использовать для того, чтобы закомментировать символы /* или */, а символами /* можно закомментировать //.
Каждое имя и каждое выражение имеет тип, определяющий операции, которые могут над ними производиться. Например, описание
int inch;
определяет, что inch имеет тип int, то есть, inch является целой переменной.
Описание - это оператор, который вводит имя в программе. Описание задает тип этого имени. Тип определяет правильное использование имени или выражения. Для целых определены такие операции, как +, -, * и /. После того, как включен файл stream.h, объект типа int может также быть вторым операндом
cout
Основные Tипы
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)
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: + (плюс, унарный и бинарный)
- (минус, унарный и бинарный)
* (умножение)
/ (деление)
А также операции сравнения: == (равно)
!= (не равно)
Заметьте, что целое деление дает целый результат: 7/2 есть 3. Над целыми может выполняться операция % получения остатка: 7%2 равно 1.
При присваивании и арифметических операциях C++ выполняет все осмысленные преобразования между основными типами, чтобы их можно было сочетать без ограничений:
double d = 1;
int i = 1;
d = d + i;
i = d + i;
Производные Типы
Вот операции, создающие из основных типов новые типы: * указатель на
*const константный указатель на
& ссылка на
[] вектор*2
() функция, возвращающая
Например: char* p // указатель на символ
char *const q // константный указатель на символ
char v[10] // вектор из 10 символов
Все вектора в качестве нижней границы индекса имеют ноль, поэтому в v десять элементов: v[0] ... v[9]. Функции объясняются в #1.5, ссылки в #1.9. Переменная указатель может содержать адрес объекта соответствующего типа:
char c;
// ...
p = &c; // p указывает на c
Унарное & является операцией взятия адреса.
В C++ имеется богатый набор операций, с помощью которых в выражениях образуются новые значения и изменяются значения переменных. Поток управления в программе задается с помощью операторов , а описания используются для введения в программе имен переменных, констант и т.д. Заметьте, что описания являются операторами, поэтому они свободно могут сочетаться с другими операторами.
Выражения
В C++ имеется большое число операций, и они будут объясняться там, где (и если) это потребуется. Следует учесть, что операции
~ (дополнение)
& (И)
^ (исключающее ИЛИ)
| (включающее ИЛИ)
применяются к целым, и что нет отдельного типа данных для логических действий.
Смысл операции зависит от числа операндов; унарное & является операцией взятия адреса, а бинарное & - это операция логического И. Смысл операции зависит также от типа ее операндов: + в выражении a+b означает сложение с плавающей точкой, если операнды имеют тип float, но целое сложение, если они типа int. В #1.8 объясняется, как можно определить операцию для типа, определяемого пользователем, без потери ее значения, предопределенного для основных и производных типов.
В C++ есть операция присваивания =, а не оператор присваивания, как в некоторых языках. Таким образом, присваивание может встречаться в неожиданном контексте; например, x=sqrt(a=3*x). Это бывает полезно. a=b=c означает присвоение c объекту b, а затем объекту a. Другим свойством операции присваивания является то, что она может совмещаться с большинством бинарных операций. Например, x[i+3]*=4 означает x[i+3]=x[i+3]*4, за исключением того факта, что выражение x[i+3] вычисляется только один раз. Это дает привлекательную степень эффективности без необходимости обращения к оптимизирующим компиляторам. К тому же это более кратко.
В большинстве программ на C++ широко применяются указатели. Унарная операция * разыменовывает*3 указатель, т.е. *p есть объект, на который указывает p. Эта операция также называется косвенной адресацией. Например, если имеется char* p, то *p есть символ, на который указывает p. Часто при работе с указателями бывают полезны операция увеличения ++ и операция уменьшения --. Предположим, p указывает на элемент вектора v, тогда p++ делает p указывающим на следующий элемент.
Операторы Выражения
Самый обычный вид оператора - оператор выражение. Он состоит из выражения, за которым следует точка с запятой. Например:
a = b*3+c;
cout
Пустой оператор
Простейшей формой оператора является пустой оператор:
;
Он не делает ничего. Однако он может быть полезен в тех случаях, когда синтаксис требует наличие оператора, а вам оператор не нужен.
Блоки
Блок - это возможно пустой список операторов, заключенный в фигурные скобки:
{ a=b+2; b++; }
Блок позволяет рассматривать несколько операторов как один. Область видимости имени, описанного в блоке, простирается до конца блока. Имя можно сделать невидимым с помощью описаний такого же имени во внутренних блоках.
Операторы if
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
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
Заметьте, что условие в операторе if должно быть заключено в круглые скобки.
Операторы switch
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;
}
Операторы break применяются для выхода из оператора switch. Константы в вариантах case должны быть различными, и если проверяемое значение не совпадает ни с одной из констант, выбирается вариант default. Программисту не обязательно предусматривать default.
Оператор while
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++) ;
Здесь берется символ, на который указывает p, p увеличивается, этот символ копируется туда, куда указывает q, и q увеличивается. Если символ ненулевой, цикл повторяется. Поскольку вся работа выполняется в условии, не требуется ни одного оператора. Чтобы указать на это, используется пустой оператор. C++ (как и C) одновременно любят и ненавидят за возможность такого чрезвычайно краткого ориентированного на выразительность программирования *4.