С++


С++
C++
Семантика:

мультипарадигмальный: объектно-ориентированное, обобщённое, процедурное, метапрограммирование

Тип исполнения:

компилируемый

Появился в:

1985 г.

Автор(ы):

Бьёрн Страуструп

Типизация данных:

строгая, статическая

Основные реализации:

Microsoft Visual C++, Borland C++ Builder, GNU C++, Watcom C++ compiler, Digital Mars C++, Comeau C/C++, Sun Studio C++ compiler, Intel C++ compiler

Диалекты:

ANSI C++ 1998, ANSI C++ 2003

Си++ (англ. C++) — компилируемый строго типизированный язык программирования общего назначения. Поддерживает разные парадигмы программирования: процедурную, обобщённую, функциональную; наибольшее внимание уделено поддержке объектно-ориентированного программирования.

Название «Си++» происходит от Си, в котором унарный оператор ++ обозначает инкремент переменной.

В 1990-х годах язык стал одним из наиболее широко применяемых языков программирования общего назначения.

При создании Си++ стремились сохранить совместимость с языком Си. Большинство программ на Си будут исправно работать и с компилятором Си++. Си++ имеет синтаксис, основанный на синтаксисе Си.

Содержание

Философия Си++

В книге «Дизайн и эволюция языка C++» Бьёрн Страуструп описывает принципы, которых он придерживался при проектировании Си++.[1] Эти принципы объясняют, почему Си++ именно такой, какой он есть. Некоторые из них:

  • Получить универсальный язык со статическими типами данных, эффективностью и переносимостью языка Си.
  • Непосредственно и всесторонне поддерживать множество стилей программирования, в том числе процедурное программирование, абстракцию данных, объектно-ориентированное программирование и обобщённое программирование.
  • Дать программисту свободу выбора, даже если это даст ему возможность выбирать неправильно.
  • Максимально сохранить совместимость с Си, тем самым делая возможным лёгкий переход от программирования на Си.
  • Избежать разночтений между Си и C++: любая конструкция, которая допустима в обоих этих языках, должна в каждом из них обозначать одно и то же и приводить к одному и тому же поведению программы.
  • Избегать особенностей, которые зависят от платформы или не являются универсальными.
  • Никакое языковое средство не должно приводить к снижению производительности программ, не использующих его.
  • Не требовать слишком усложнённой среды программирования.

История

Язык возник в начале 1980-х годов, когда сотрудник фирмы Bell Laboratories Бьёрн Страуструп придумал ряд усовершенствований к языку Си под собственные нужды. До начала официальной стандартизации язык развивался в основном силами Страуструпа в ответ на запросы программистского сообщества. В 1998 году был ратифицирован международный стандарт языка Си++: ISO/IEC 14882:1998 «Standard for the C++ Programming Language»; после принятия технических исправлений к стандарту в 2003 году — нынешняя версия этого стандарта — ISO/IEC 14882:2003.

Страуструп начал работать над «Си с классами» в 1979 году. Идея создания нового языка берёт начало от опыта программирования Страуструпа для диссертации. Он обнаружил, что язык моделирования Симула (Simula) имеет такие возможности, которые были бы очень полезны для разработки большого программного обеспечения, но работает слишком медленно. В то же время язык BCPL достаточно быстр, но слишком близок к языкам низкого уровня и не подходит для разработки большого программного обеспечения. Страуструп начал работать в Bell Labs над задачами теории очередей (в приложении к моделированию телефонных вызовов). Попытки применения существующих в то время языков моделирования оказались неэффективными. Вспоминая опыт своей диссертации, Страуструп решил дополнить язык Си (преемник UNIX, на которой работали компьютеры Bell, является быстрым, многофункциональным и переносимым. Страуструп добавил к нему возможность работы с классами и объектами. В результате, практические задачи моделирования оказались доступными для решения как с точки зрения времени разработки (благодаря использованию Симула-подобных классов) так и с точки зрения времени вычислений (благодаря быстродействию Си). В начале в Си были добавлены классы (с инкапсуляцией), производные классы, строгая проверка типов, inline-функции и аргументы по умолчанию.

Разрабатывая Си с классами (позднее Си++), Страуструп также написал программу cfront — транслятор, перерабатывающий исходный код Си с классами в исходный код простого Си. Новый язык, неожиданно для автора, приобрёл большую популярность среди коллег и вскоре Страуструп уже не мог лично поддерживать его, отвечая на тысячи вопросов.

В 1983 году произошло переименование языка из Си с классами в Си++. Кроме того, в него были добавлены новые возможности, такие как виртуальные функции, перегрузка функций и операторов, ссылки, константы, пользовательский контроль над управлением свободной памятью, улучшенная проверка типов и новый стиль комментариев (//). Его первый коммерческий выпуск состоялся в октябре 1985 года. В 1985 году вышло также первое издание «Языка программирования Си++», обеспечивающее первое описание этого языка, что было чрезвычайно важно из-за отсутствия официального стандарта. В 1989 году состоялся выход Си++ версии 2.0. Его новые возможности включали множественное наследование, абстрактные классы, статические функции-члены, функции-константы и защищённые члены.

В 1990 году вышло «Комментированное справочное руководство по C++», положенное впоследствии в основу стандарта. Последние обновления включали шаблоны, исключения, пространства имён, новые способы приведения типов и булевский тип.

Стандартная библиотека Си++ также развивалась вместе с ним. Первым добавлением к стандартной библиотеке Си++ стали потоки ввода/вывода, обеспечивающие средства для замены традиционных функций Си printf и scanf. Позднее самым значительным развитием стандартной библиотеки стало включение в неё Стандартной библиотеки шаблонов.

После многих лет работы совместный комитет ANSI-1998 году (ISO/IEC 14882:1998 — Язык программирования Си++). В течение нескольких лет после официального выхода стандарта комитет обрабатывал сообщения об ошибках и в итоге выпустил исправленную версию стандарта Си++ в 2003 году. В настоящее время рабочая группа МОС (ISO) работает над новой версией стандарта под кодовым названием C++09 (ранее известный как C++0X), который должен выйти в 2009 году.

Никто не обладает правами на язык Си++, он является свободным. Однако сам документ стандарта языка (за исключением черновиков) не доступен бесплатно.

История названия

Название «Си++» было придумано Риком Масситти (Rick Mascitti) и впервые было использовано в декабре 1983 года. Ранее, на этапе разработки, новый язык назывался «Си с классами».

Имя, получившееся в итоге, происходит от оператора Си «++» (увеличение значения переменной на единицу) и распространённому способу присвоения новых имён компьютерным программам, заключающемся в добавлении к имени символа «+» для обозначения улучшений (например «Википедия+»). Согласно Страуструпу, «это название указывает на эволюционную природу изменений Си». Выражением «С+» назывался более ранний, не связанный с Си++, язык программирования.

Некоторые программисты на Си могут заметить, что если выполняются выражения x=3; y=x++; то в результате получится x=4 и y=3, потому что x увеличивается только после присвоения его y. Однако если второе выражение будет y=++x; то получится x=4 и y=4.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что логичнее было бы назвать язык не Си++, а ++Си. Однако оба выражения c++ и ++c увеличивают c, а кроме того выражение c++ более распространено.

Педанты также могут заметить, что введение языка Си++ не изменяет самого Си, поэтому самым точным именем было бы «С+1».

Технический обзор

Стандарт Си++ на 1998 год состоит из двух основных частей: ядра языка и стандартной библиотеки.

Стандартная библиотека Си++ вобрала в себя разрабатывавшуюся одновременно со стандартом библиотеку шаблонов STL. Сейчас название STL официально не употребляется, однако в кругах программистов на Си++ это название используется для обозначения части стандартной библиотеки, содержащей определения шаблонов контейнеров, итераторов, алгоритмов и функторов.

Стандарт Си++ содержит нормативную ссылку на стандарт Си от 1990 года и не определяет самостоятельно те функции стандартной библиотеки, которые заимствуются из стандартной библиотеки Си.

Кроме того, существует огромное количество библиотек Си++, не входящих в стандарт. В программах на Си++ можно использовать многие библиотеки Си.

Стандартизация определила язык программирования Си++, однако за этим названием могут скрываться также неполные, ограниченные, достандартные варианты языка. В первое время язык развивался вне формальных рамок, спонтанно, по мере ставившихся перед ним задач. Развитию языка сопутствовало развитие кросс-компилятора cfront. Новшества в языке отражались в изменении номера версии кросс-компилятора. Эти номера версий кросс-компилятора распространялись и на сам язык, но применительно к настоящему времени речь о версиях языка Си++ не ведут.

Новые возможности по сравнению с Си

Нововведениями Си++ в сравнении с Си являются:

Язык Си++ во многом является надмножеством Си. Новые возможности Си++ включают объявления в виде выражений, преобразования типов в виде функций, операторы new и delete, тип bool, ссылки, расширенное понятие константности, подставляемые функции, аргументы по умолчанию, переопределения, пространства имён, классы (включая и все связанные с классами возможности, такие как наследование, функции-члены, виртуальные функции, абстрактные классы и конструкторы), переопределения операторов, шаблоны, оператор ::, обработку исключений, динамическую идентификацию и многое другое. Язык Си++ также во многих случаях строже относится к проверке типов, чем Си.

В Си++ появились комментарии в виде двойной косой черты («//»), которые были в предшественнике Си — языке BCPL.

Некоторые особенности Си++ позднее были перенесены в Си, например ключевые слова const и inline, объявления в циклах for и комментарии в стиле Си++ («//»). В более поздних реализациях Си также были представлены возможности, которых нет в Си++, например макросы vararg и улучшенная работа с массивами-параметрами.

Не объектно-ориентированные возможности

В этом разделе описываются возможности, непосредственно не связанные с объектно-ориентированным программированием (ООП). Многие из них, однако, особенно важны в сочетании с ООП.

  • Описатель inline означает, что функция является хорошим кандидатом на оптимизацию, при которой в местах обращения к функции компилятор вставит тело этой функции, а не код вызова. Пример: inline double Sqr(double x) {return x*x;}. inline является не директивой, а рекомендацией компилятору — компилятор не обязан реализовывать подстановку тела для inline-функций, но может, исходя из заданных критериев оптимизации, выполнять подстановку тела для функций, которые не объявлены как inline.
  • Описатель volatile используется в описании переменных и информирует компилятор, что значение данной переменной может быть изменено способом, который компилятор не в состоянии отследить. Для переменных, объявленных volatile, компилятор не должен применять средства оптимизации, изменяющие положение переменной в памяти (например, помещающие её в регистр) или полагающиеся на неизменность значения переменной в промежутке между двумя присваиваниями ей значения.
  • Вместо функций malloc и free (которые оставлены только для обратной совместимости), введены новые операции new и delete. Если T — произвольный тип, то
    • new T выделяет память, достаточную для размещения одного объекта типа Т, возможно, инициализирует объект в этой памяти, и возвращает указатель типа Т*.
    • new T[n] выделяет память, достаточную для размещения n объектов типа Т, возможно, инициализирует каждый объект в этой памяти, и возвращает указатель типа Т*.
    • delete p — разрушает объект, на который ссылается указатель p, и освобождает область памяти, выделенную для него ранее операцией new T.
    • delete [] p — разрушает каждый объект в массиве, на который ссылается указатель p, и освобождает область памяти, выделенную для этого массива ранее операцией new T[n].

Операция delete проверяет, что её аргумент не NULL, в противном случае она ничего не делает. При создании и удалении экземпляров классов с помощью new и delete компилятор генерирует вызовы конструктора и деструктора класса (см. ниже).

  • Функции могут принимать аргументы по ссылке. Например, функция void f(int& x) {x=3;} присваивает своему аргументу значение 3. Функции также могут возвращать результат по ссылке, и ссылки могут быть вне всякой связи с функциями. Например, {double&b=a[3]; b=sin(b);} эквивалентно a[3]=sin(a[3]);. Ссылки в определённой степени сходны с указателями, со следующими особенностями: при описании ссылки инициализируются указанием на существующее значение данного типа; ссылка пожизненно указывает на один и тот же адрес; при обращении к ссылке операция * производится автоматически. Существуют и другие отличия в использовании указателей и ссылок.
  • Могут быть несколько функций с одним и тем же именем, но разными типами или количеством аргументов (перегрузка функций; при этом тип возвращаемого значения на перегрузку не влияет). Например, вполне можно писать:
void Print(int x);
void Print(double x);
void Print(int x, int y);
  • Один или несколько последних аргументов функции могут задаваться по умолчанию. К примеру, если функция описана как void f(int x, int y=5, int z=10) , вызовы f(1), f(1,5) и f(1,5,10) эквивалентны.
  • При описании функций отсутствие аргументов в скобках означает, в отличие от Си, что аргументов нет, а не то, что они неизвестны. Если аргументы неизвестны, надо пользоваться многоточием, например int printf(const char* fmt, …).
  • Можно описывать операции над новыми типами. К примеру, так:
struct Date {int day, month, year;};
void operator ++(struct Date& date);

Операции ничем не отличаются от (других) функций. Нельзя описывать операции над предопределёнными типами (скажем, переопределять умножение чисел); нельзя выдумывать новые операции, которых нет в Си++ (скажем, **); арность (количество параметров) и приоритет операций сохраняется (скажем, в выражении a+b*c сначала будет выполняться умножение, а потом сложение, к каким бы типам ни принадлежали a, b и c.) Можно переопределить операции [] (с одним параметром) и () (с любым числом параметров).

  • Добавлены пространства имён namespace. Например, если написать
namespace Foo {
   const int x=5;
   typedef int** T;
   void f(y) {return y*x};
   double g(T);
   ...
}

то вне фигурных скобок мы должны обращаться к T,x, f, g как Foo::T, Foo::x, Foo::f, Foo::g. Если мы в каком-то файле хотим обращаться к ним непосредственно, мы можем написать

using namespace Foo;

Или же

using Foo::T;

Пространства имён нужны, чтобы не возникало коллизий между пакетами, имеющими совпадающие имена глобальных переменных, функций и типов. Специальным случаем является безымянное пространство имён

namespace {
    ...
}

Все имена, описанные в нём, доступны в текущей единице трансляции и больше нигде.

  • Добавлен новый тип bool , имеющий значения true и false . Операции сравнения возвращают тип bool . Выражения в скобках после if , while приводятся к типу bool .
  • // означает, что вся оставшаяся часть строки является комментарием.
  • Добавлены шаблоны (template). Например, template<class T> T Min(T x, T y) {return x<y?x:y;} определяет функцию Min для любых типов. Шаблоны могут задавать не только функции, но и типы. Например, template<class T> struct Array{int len; T* val;}; определяет массив значений любого типа, после чего мы можем писать Array<float> x;
  • Введена стандартная библиотека шаблонов (STL, Standard Template Library), определяющая шаблоны и функции для векторов (одномерных массивов произвольной длины), множеств, ассоциативных массивов (map), списков, символьных строк, потоков ввода-вывода и другие шаблоны и функции.
  • Если описана структура, класс, объединение (union) или перечисление (enum), её имя является именем типа, например:
struct Time {
    int hh, mm, ss;
};
Time t1, t2;
  • Внутри класса можно описывать вложенные типы, как через typedef, так и через описание других классов, а также перечислений. Для доступа к таким типам вне класса, к имени типа добавляется имя класса и два двоеточия:
struct S {
    typedef int** T;
    T x;
};
S::T y;

Стандартная библиотека

Стандартная библиотека Си++ включает стандартную библиотеку Си с небольшими изменениями, которые делают её более подходящей для языка Си++. Другая большая часть библиотеки Си++ основана на Стандартной Библиотеке Шаблонов (STL). Она предоставляет такие важные инструменты, как контейнеры (например, векторы и списки) и итераторы (обобщённые указатели), предоставляющие доступ к этим контейнерам как к массивам. Кроме того, STL позволяет сходным образом работать и с другими типами контейнеров, например, ассоциативными списками, стеками, очередями.

Используя шаблоны, можно писать обобщённые алгоритмы, способные работать с любыми контейнерами или последовательностями, определяемыми итераторами.

Так же, как и в Си, возможности библиотек активизируются использованием директивы #include для включения стандартных файлов. Всего в стандарте Си++ определено 50 таких файлов.

STL до включения в стандарт Си++ была сторонней разработкой, в начале — фирмы SGI. Стандарт языка не называет её «STL», так как эта библиотека стала неотъемлемой частью языка, однако многие люди до сих пор используют это название, чтобы отличать её от остальной части стандартной библиотеки (потоки ввода/вывода (

Проект под названием STLport[2], основанный на SGI STL, осуществляет постоянное обновление STL, IOstream и строковых классов. Некоторые другие проекты также занимаются разработкой частных применений стандартной библиотеки для различных конструкторских задач. Каждый производитель компиляторов Си++ обязательно поставляет какую-либо реализацию этой библиотеки, так как она является очень важной частью стандарта и широко используется.

Объектно-ориентированные особенности языка

Си++ добавляет к Си объектно-ориентированные возможности. Он вводит классы, которые обеспечивают три самых важных свойства ООП: инкапсуляцию, наследование и полиморфизм.

Существует два значения слова класс. В широком смысле класс — это пользовательский тип, объявленный с использованием одного из ключевых слов class, struct или union. В узком смысле класс — это пользовательский тип, объявленный с использованием ключевого слова class.

Инкапсуляция

Основным способом организации информации в Си++ являются классы. В отличие от типа структура (struct) языка Си, которая может состоять только из полей и вложенных типов, класс (class) Си++ может состоять из полей, вложенных типов и функций-членов (member functions). Члены класса бывают публичными (открытыми, public), защищёнными (protected) и собственными (закрытыми, приватными, private). В Си++ тип структура аналогичен типу класс, отличие в том, что по умолчанию члены и базовые классы у структуры публичные, а у класса — собственные.

С открытыми (публичными) членами класса можно делать снаружи класса всё, что угодно. К закрытым (приватным) членам нельзя обращаться извне класса, чтобы не нарушить целостность данных класса. Попытка такого обращения вызовет ошибку компиляции. К таким членам могут обращаться только функции-члены класса (а также так называемые функции-друзья и функции-члены классов-друзей; о понятии друзей в C++ см. ниже). Помимо открытых и закрытых членов класса, могут быть ещё и защищённые — это члены, доступные содержащему их классу, его друзьям, а также производным от него классам. Такая защита членов называется инкапсуляцией.

Используя инкапсуляцию, автор класса может защитить свои данные от некорректного использования. Кроме того, она задумывалась для облегчения совместной разработки классов. Имелось в виду, что при изменении способа хранения данных, если они объявлены как защищённые или собственные, не требуется соответствующих изменений в классах, которые используют изменённый класс. Например, если в старой версии класса данные хранились в виде линейного списка, а в новой версии — в виде дерева, те классы, которые были написаны до изменения формата хранения данных, переписывать не потребуется, если данные были приватными или защищёнными (в последнем случае — если использующие классы не были классами-наследниками), так как ни один из них этих классов не мог бы напрямую обращаться к данным, а только через стандартные функции, которые в новой версии должны уже корректно работать с новым форматом данных. Даже оператор доступа operator [] может быть определён как такая стандартная функция.

Используя инкапсуляцию, структуру Array из предыдущего раздела можно переписать следующим образом:

class Array {
public:
    void Alloc(int new_len);
    void Free();
    inline double Elem(int i);
    inline void ChangeElem(int i, double x);
protected:
    int len;
    double* val;
};
 
void Array::Alloc(int new_len) 
    {if (len>0) Free(); len=new_len; val=new double[new_len];}
void Array::Free() {delete [] val; len=0;}
inline double Array::Elem(int i) 
    {assert(i>=0 && i<len ); return val[i];}
inline void Array::ChangeElem(int i, double x) 
    {assert(i>=0 && i<len); val[i]=x;}

И далее

Array a;
a.Alloc(10);
a.ChangeElem(3, 2.78);
double b = a.Elem(3);
a.Free();

Здесь массив a имеет 4 публичных функции-члена и 2 защищённых поля. Описатель inline означает подсказку компилятору, что вместо вызова функции её код следует подставить в точку вызова, чем иногда можно достичь большей эффективности.

Описание функций в теле класса

В теле класса можно указать только заголовок функции, а можно описать всю функцию. Во втором случае она считается встраиваемой (inline), например:

class Array {
public:
    void Alloc(int _len) 
        {if (len==0) Free(); len=_len; val=new double[len];}

и так далее.

Конструкторы и деструкторы

Однако в приведённом примере не решена важная проблема: функции Alloc и Free по-прежнему надо вызывать вручную. Другая проблема данного примера — опасность оператора присваивания.

Для решения этих проблем в язык были введены конструкторы и деструкторы. Конструктор вызывается каждый раз, когда создаётся объект данного типа; деструктор — при уничтожении. При преобразованиях типов с участием экземпляров классов тоже вызываются конструкторы и деструкторы.

С конструкторами и деструктором класс выглядит так:

class Array {
public:
    Array() : len(0), val(NULL) {}
    Array(int _len) : len(_len) {val = new double[_len];}
    Array(const Array& a);
    ~Array() { Free(); }
    inline double Elem(int i);
    inline void ChangeElem(int i, double x);
protected:
    void Alloc(int _len);
    void Free();
    int len;
    double* val;
};
 
Array::Array(const Array& a) : len(a.len)
{
    val = new double[len];
    for (int i=0; i<len; i++)
        val[i] = a.val[i];
}

Здесь Array::Array — конструктор, а Array::~Array — деструктор. Конструктор копирования (copy constructor) Array::Array(const Array&) вызывается при создании нового объекта, являющегося копией уже существующего объекта. Теперь объект класса Array нельзя испортить: как бы мы его ни создавали, что бы мы ни делали, его значение будет хорошим, потому что конструктор вызывается автоматически. Все опасные операции с указателями спрятаны в закрытые функции.

Array a(5); // вызывается Array::Array(int)
Array b;    // вызывается Array::Array()
Array c(a); // вызывается Array::Array(const Array&)
Array d=a;  // то же самое
b=c;        // происходит вызов оператора =
            // если он не определён (как в данном случае), то вызывается оператор присваивания по умолчанию, который
            // осуществляет копирование базовых подобъектов и почленное копирование нестатических членов-данных.
            // как правило конструктор копий и оператор присваивания переопределяются попарно

Оператор new тоже вызывает конструкторы, а delete — деструкторы.

По умолчанию, каждый класс имеет неявно объявленные конструктор без параметров, копирующий конструктор, копирующий оператор присваивания и деструктор.

Класс может иметь сколько угодно конструкторов (с разными наборами параметров), но только один деструктор (без параметров).

Другие возможности функций-членов

Функции-члены могут быть и операциями:

class Array {
...
    inline double &operator[] (int n)
    {
         return val[n];
    }

И далее

Array a(10);
...
double b = a[5];

Функции-члены (и только они) могут иметь описатель const

class Array {
...
    inline double operator[] (int n) const;

Такие функции не имеют права изменять поля класса (кроме полей, определённых как mutable). Если они пытаются это сделать, компилятор должен выдать сообщение об ошибке.

Наследование

Для создания классов с добавленной функциональностью вводят наследование. Класс-наследник имеет поля и функции-члены базового класса, но не имеет права обращаться к собственным (private) полям и функциям базового класса. В этом и заключается разница между собственными и защищёнными членами.

Класс-наследник может добавлять свои поля и функции или переопределять функции базового класса.

По умолчанию, конструктор наследника без параметров вызывает конструктор базового класса, а затем конструкторы нестатических членов-данных, являющихся экземплярами классов. Деструктор работает в обратном порядке. Другие конструкторы приходится определять каждый раз заново. К счастью, это можно сделать вызовом конструктора базового класса.

class ArrayWithAdd : public Array {
    ArrayWithAdd(int n) : Array(n) {}
    ArrayWithAdd() : Array() {}
    ArrayWithAdd(const Array& a) : Array(a) {}
    void Add(const Array& a);
};

Наследник — это больше чем базовый класс, поэтому, если наследование открытое, то он может использоваться везде, где используется базовый класс, но не наоборот.

Наследование бывает публичным, защищённым и собственным. При публичном наследовании, публичные и защищённые члены базового класса сохраняют свой статус, а к собственным не могут обращаться даже функции-члены наследника. Защищённое наследование отличается тем, что при нём публичные члены базового класса являются защищёнными членами наследника. При собственном наследовании все члены базового класса становятся собственными членами класса-наследника. Таким образом, пользователь производного класса не может обращаться к членам базового класса, даже если они объявлены как публичные. Класс-наследник делает их собственными с помощью собственного наследования. Как правило, публичное наследование встречается значительно чаще других.

Класс может быть наследником нескольких классов. Это называется множественным наследованием. Такой класс обладает полями и функциями-членами всех его предков. Например, класс FlyingCat (ЛетающийКот) может быть наследником классов Cat (Кот) и FlyingAnimal (ЛетающееЖивотное)

class Cat {
    ...
    void Purr();
    ...
};
class FlyingAnimal {
    ...
    void Fly();
    ...
};
class FlyingCat : public Cat, public FlyingAnimal {
    ...
    PurrAndFly() {Purr(); Fly();}
    ...
};

Полиморфизм

Полиморфизмом в программировании называется переопределение наследником функций-членов базового класса, например

class Figure {
    ...
    void Draw() const;
    ...
};
 
class Square : public Figure {
    ...
    void Draw() const;
    ...
};
 
class Circle : public Figure {
    ...
    void Draw() const;
    ...
};

В этом примере, какая из функций будет вызвана — Circle::Draw(), Square::Draw() или Figure::Draw(), определяется во время компиляции. К примеру, если написать

Figure* x = new Circle(0,0,5);
x->Draw();

то будет вызвана Figure::Draw(), поскольку x — объект класса Figure. Такой полиморфизм называется статическим.

Но в C++ есть и динамический полиморфизм, когда вызываемая функция определяется во время выполнения. Для этого функции-члены должны быть виртуальными.

class Figure {
    ...
    virtual void Draw() const;
    ...
};
 
class Square : public Figure {
    ...
    virtual void Draw() const;
    ...
};
 
class Circle : public Figure {
    ...
    virtual void Draw() const;
    ...
};
 
Figure* figures[10];
figures[0] = new Square(1, 2, 10);
figures[1] = new Circle(3, 5, 8);
...
for (int i = 0; i < 10; i++)
    figures[i]->Draw();

В этом случае для каждого элемента будет вызвана Square::Draw() или Circle::Draw() в зависимости от вида фигуры.

Чисто виртуальной функцией называется функция-член, которая объявлена со спецификатором = 0:

class Figure {
    ...
    virtual void Draw() const = 0;
);

Чисто виртуальная функция может быть оставлена без определения, кроме случая, когда требуется произвести её вызов. Абстрактным классом называется такой, у которого есть хотя бы одна чисто виртуальная функция-член. Объекты таких классов создавать запрещено. Абстрактные классы часто используются как интерфейсы.

Друзья

Функции-друзья — это функции, не являющиеся функциями-членами и тем не менее имеющие доступ к защищённым и собственным полям и функциям-членам класса. Они должны быть описаны в теле класса как friend. Например:

class Matrix {
    ...
    friend Matrix Multiply(Matrix m1, Matrix m2);
    ...
};
 
Matrix Multiply(Matrix m1, Matrix m2) {
    ...
}

Здесь функция Multiply может обращаться к любым полям и функциям-членам класса Matrix.

Существуют также классы-друзья. Если класс A — друг класса B, то все его функции-члены могут обращаться к любым полям и функциям членам класса B. Например:

class Matrix {
    ...
    friend class Vector;
    ...
};

Однако в С++ не действует правило «друг моего друга — мой друг».

По стандарту C++03 вложенный класс не имеет прав доступа к закрытым членам объемлющего класса и не может быть объявлен его другом (последнее следует из определения термина друг как нечлена класса). Тем не менее, многие широко распространённые компиляторы нарушают оба эти правила (по всей видимости, ввиду совокупной странности этих правил).

Будущее развитие

Текущий стандарт языка был принят в 2003 году. Следующая версия стандарта носит неофициальное название C++0x.

Си++ продолжает развиваться, чтобы отвечать современным требованиям. Одна из групп, занимающихся языком Си++ в его современном виде и направляющих комитету по стандартизации Си++ советы по его улучшению — это Boost. Например, одно из направлений деятельности этой группы — совершенствование возможностей языка путём добавления в него особенностей метапрограммирования.

Стандарт Си++ не описывает способы именования объектов, некоторые детали обработки исключений и другие возможности, связанные с деталями реализации, что делает несовместимым объектный код, созданный различными компиляторами. Однако для этого третьими лицами создано множество стандартов для конкретных архитектур и операционных систем.

Тем не менее (по состоянию на время написания этой статьи) среди компиляторов Си++ всё ещё продолжается битва за полную реализацию стандарта Си++, особенно в области шаблонов — части языка, совсем недавно полностью разработанной комитетом стандартизации.

Ключевое слово export

Одной из точек преткновения в этом вопросе является ключевое слово export, используемое также и для разделения объявления и определения шаблонов.

Первым компилятором, поддерживающим export в шаблонах, стал Comeau C++ в начале 2003 года (спустя пять лет после выхода стандарта). В 2004 году бета-версия компилятора Borland C++ Builder X также начала его поддержку.

Оба этих компилятора основаны на внешнем интерфейсе EDG. Другие компиляторы, такие как Microsoft Visual C++ или GCC (GCC 3.4.4), вообще этого не поддерживают. Герб Саттер (англ.), секретарь комитета по стандартизации Си++, рекомендовал убрать export из будущих версий стандарта по причине серьёзных сложностей в полноценной реализации, однако впоследствии окончательным решением было решено его оставить.

Из списка других проблем, связанных с шаблонами, можно привести вопросы конструкций частичной специализации шаблонов, которые плохо поддерживались в течение многих лет после выхода стандарта Си++.

Си++ не включает в себя Си

Несмотря на то что большая часть кода Си будет справедлива и для Си++, Си++ не является надмножеством Си и не включает его в себя. Существует и такой верный для Си код, который неверен для Си++. Это отличает его от Объектного Си, ещё одного усовершенствования Си для ООП, как раз являющегося надмножеством Си.

Например, следующий фрагмент кода корректен с точки зрения Си, но некорректен с точки зрения Си++:

typedef struct mystr {
    int a;
    int b;
} mystr;

Дело в том, что в Си идентификаторы структур (теги структур), то есть идентификаторы, используемые при описании структуры в качестве имени структуры, являются сущностями отдельного вида, имеющими обособленное пространство имён, тогда как в Си++ идентификатор структуры представляет собой попросту её тип. Таким образом, в языке Си вышеприведённый фрагмент вводит структуру mystr и новый тип mystr, тогда как в Си++ этот же фрагмент будет воспринят как попытка дважды описать тип с именем mystr.

Другим источником несовместимости являются добавленные ключевые слова. Так, описание переменной

    int try;

является вполне корректным для Си, но заведомо ошибочным для Си++, поскольку слово try является в Си++ ключевым.

Существуют и другие различия. Например, Си++ не разрешает вызывать функцию main() внутри программы, в то время как в Си это действие правомерно. Кроме того, Си++ более строг в некоторых вопросах; например, он не допускает неявное приведение типов между несвязанными типами указателей и не разрешает использовать функции, которые ещё не объявлены.

Более того, код, верный для обоих языков, может давать разные результаты в зависимости от того, компилятором какого языка он оттранслирован. Например, на большинстве платформ следующая программа печатает «С», если компилируется компилятором Си, и «С++» — если компилятором Си++. Так происходит из-за того, что символьные константы в Си (например 'a') имеют тип int, а в Си++ — тип char, а размеры этих типов обычно различаются.

#include <stdio.h>
 
int main()
{
    printf("%s\n", (sizeof('a') == sizeof(char)) ? "C++" : "C");
    return 0;
}

Примеры программ на Си++

Пример № 1

Это пример программы, которая не делает ничего. Она начинает выполняться и немедленно завершается. Она состоит из основного потока: функции main(), которая обозначает точку начала выполнения программы на Си++.

int main()
{
    return 0;
}

Стандарт Си++ требует, чтобы функция main() возвращала тип int. Программа, которая имеет другой тип возвращаемого значения функции main(), не соответствует стандарту Си++.

Стандарт не говорит о том, что на самом деле означает возвращаемое значение функции main(). Традиционно оно интерпретируется как код возврата программы. Стандарт гарантирует, что возвращение 0 из функции main() показывает, что программа была завершена успешно.

Завершение программы на Си++ с ошибкой традиционно обозначается путём возврата ненулевого значения.

Пример № 2

Эта программа также ничего не делает, но более лаконична.

int main(){}

В Си++, если выполнение программы доходит до конца функции main(), то это эквивалентно return 0;. Это неверно для любой другой функции кроме main().

Пример № 3

Это пример программы Hello World, которая выводит это знаменитое сообщение, используя стандартную библиотеку, и завершается.

#include <iostream> // это необходимо для std::cout и std::endl
 
int main()
{
    std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
}

Пример № 4

Современный Си++ позволяет решать простым способом и более сложные задачи. Этот пример демонстрирует кроме всего прочего использование контейнеров стандартной библиотеки шаблонов (STL).

#include <iostream>   // для использования std::cout
#include <vector>     // для std::vector<>
#include <map>        // для std::map<> и std::pair<>
#include <algorithm>  // для std::for_each()
#include <string>     // для std::string
 
using namespace std;  // используем пространство имён "std"
 
void display_item_count(pair< string const, vector<string> > const& person) {
   // person - это пара двух объектов: person.first - это его имя,
   // person.second - это список его предметов (вектор строк)
   cout << person.first << " is carrying " << person.second.size() << " items" << endl;
}
 
int main()
{
   // объявляем карту со строковыми ключами и данными в виде векторов строк
   map< string, vector<string> > items;
 
   // Добавим в эту карту пару человек и дадим им несколько предметов
   items["Anya"].push_back("scarf");
   items["Dimitri"].push_back("tickets");
   items["Anya"].push_back("puppy");
 
   // Переберём все объекты в контейнере
   for_each(items.begin(), items.end(), display_item_count);
}

В этом примере для простоты используется директива использования пространства имён, в настоящей же программе обычно рекомендуется использовать объявления, которые аккуратнее директив:

#include <vector>
 
int main()
{
    using std::vector;
 
    vector<int> my_vector;
}

Здесь директива помещена в область функции, что уменьшает шансы столкновений имён (это и стало причиной введения в язык пространств имён). Использование объявлений, сливающих разные пространства имён в одно, разрушает саму концепцию пространства имён.

Сравнение C++ с языками Java и C#

Целью создания C++ было расширение возможностей Си, наиболее распространённого языка системного программирования. Ориентированный на ту же самую область применения, C++ унаследовал множество не самых лучших, с теоретической точки зрения, особенностей Си. Перечисленные выше принципы, которых придерживался автор языка, предопределили многие недостатки C++.

В области прикладного программирования альтернативой C++ стал его язык-потомок, Майкрософт предложила язык C#, представляющий собой ещё одну переработку C++ в том же направлении, что и Java. В дальнейшем появился язык функционального программирования. Ещё позже появилась попытка объединения эффективности C++ с безопасностью и скоростью разработки C# — был предложен язык D, который пока не получил широкого признания.

Java и C++ можно рассматривать как два языка-потомка Си, разработанных из различных соображений и пошедших, вследствие этого, по разным путям. В этой связи представляет интерес сравнение данных языков (всё, сказанное ниже про Java, можно с равным успехом отнести к языкам C# и Nemerle, поскольку в рассматриваемых деталях эти языки отличаются лишь внешне).

Синтаксис 
C++ сохраняет совместимость с C, насколько это возможно. Java сохраняет внешнее подобие C и C++, но, в действительности, сильно отличается от них — из языка удалено большое число синтаксических средств, признанных необязательными. В результате Java гораздо проще C++, что облегчает как изучение языка, так и создание трансляторов для него.
Исполнение программы 
Java-код компилируются в промежуточный код, который в дальнейшем интерпретируется или компилируется, тогда как C++ изначально ориентирован на компиляцию в машинный код заданной платформы (хотя, теоретически, ничто не мешает создавать для C++ трансляторы в промежуточный код). Это уже определяет разницу в сферах применения языков: Java вряд ли может быть использована при написании таких специфических программ, как драйвера устройств или низкоуровневые системные утилиты. Механизм исполнения Java делает программы, даже откомпилированные (в байт-код) полностью переносимыми. Стандартное окружение и среда исполнения позволяют выполнять программы на Java на любой аппаратной платформе и в любой ОС, без каких-либо изменений, усилия по портированию программ минимальны (при соблюдении рекомендаций по созданию переносимых программ — и вовсе нулевые). Ценой переносимости становится потеря эффективности — работа среды исполнения приводит к дополнительным накладным расходам.
Управление памятью 
C++ следует классической технике управления памятью, когда программист, выделяя динамически память под объекты, обязан позаботиться о своевременном её освобождении. Java работает в среде со сборкой мусора, которая автоматически отслеживает прекращение использования объектов и освобождает занимаемую ими память. Первый вариант предпочтительнее в системном программировании, где требуется полный контроль программиста над используемыми программой ресурсами, второй удобнее в прикладном программировании, поскольку в значительной степени освобождает программиста от необходимости отслеживать момент прекращения использования ранее выделенной памяти. Сборщик мусора Java требует системных ресурсов, что также снижает эффективность выполнения программ.
Стандартизация окружения 
В Java есть чётко определённые стандарты на ввод-вывод, графику, геометрию, диалог, доступ к базам данных и прочим типовым приложениям. C++ в этом отношении гораздо более свободен. Стандарты на графику, доступ к базам данных и т. д. являются недостатком, если программист хочет определить свой собственный стандарт.
Указатели 
C++ сохраняет возможность работы с низкоуровневыми указателями. В Java указателей нет. Использование указателей часто является причиной труднообнаруживаемых ошибок, но необходимо для низкоуровневого программирования. В принципе, C++ обладает набором средств (конструкторы и деструкторы, стандартные шаблоны, ссылки), позволяющих почти полностью исключить выделение и освобождение памяти вручную и опасные операции с указателями. Однако такое исключение требует определённой культуры программирования, в то время как в языке Java оно реализуется автоматически.
Парадигма программирования 
Язык Java является чисто объектно-ориентированным, тогда как C++ сохраняет возможности чисто процедурного программирования (свободные функции и переменные).
Динамическая информация о типах 
В C++ отсутствует полноценная информации о типах во время исполнения RTTI. Эту возможность можно было бы реализовать в C++, имея полную информацию о типах во время компиляции CTTI.
Препроцессор 
C++ сохранил препроцессор Си, в том числе возможность введения пользовательского синтаксиса с помощью #define. Этот механизм небезопасен, он может привести к тому, что модули в крупных пакетах программ становятся сильно связаны друг с другом, что резко понижает надёжность пакетов и возможность организации разделённых модулей. С++ предоставляет достаточно средств (константы, шаблоны, встроенные функции) для того, чтобы практически полностью исключить использование #define. Java просто исключила препроцессор полностью, избавившись разом от всех проблем с его использованием, хотя и потеряв при этом некоторые возможности.

Отличия языков приводят к ожесточённым спорам между сторонниками двух языков о том, какой язык лучше. Споры эти во многом беспредметны, поскольку сторонники Java считают различия говорящими в пользу Java, а сторонники C++ полагают обратное. Некоторая аргументация устаревает со временем, например, упрёки в неэффективности Java из-за наличия среды исполнения, бывшие справедливыми в первой половине 1990-х годов, в результате лавинообразного роста производительности компьютеров и появления более эффективной техники исполнения (

Далеко не все программисты являются сторонниками одного из языков. По мнению большинства программистов, Java и C++ не являются конкурентами, потому что обладают различными областями применимости. Другие считают, что выбор языка для многих задач является вопросом личного вкуса.

Достоинства и недостатки языка

Прежде всего, необходимо подчеркнуть, что оценивать достоинства и, в особенности, недостатки С++ необходимо в контексте тех принципов, на которых строился язык, и требований, которые к нему изначально предъявлялись.

Достоинства

C++ — чрезвычайно мощный язык, содержащий средства создания эффективных программ практически любого назначения, от низкоуровневых утилит и драйверов до сложных программных комплексов самого различного назначения. В частности:

  • Высокая совместимость с языком С, позволяющая использовать весь существующий С-код (код С может быть с минимальными переделками скомпилирован компилятором С++; библиотеки, написанные на С, обычно могут быть вызваны из С++ непосредственно без каких-либо дополнительных затрат, в том числе и на уровне функций обратного вызова, позволяя библиотекам, написанным на С, вызывать код, написанный на С++).
  • Поддерживаются различные стили и технологии программирования, включая традиционное директивное программирование, ООП, обобщенное программирование, метапрограммирование (шаблоны, макросы).
  • Имеется возможность работы на низком уровне с памятью, адресами, портами.
  • Возможность создания обобщённых контейнеров и алгоритмов для разных типов данных, их специализация и вычисления на этапе компиляции, используя шаблоны.
  • Кроссплатформенность. Доступны компиляторы для большого количества платформ, на языке C++ разрабатывают программы для самых различных платформ и систем.
  • Эффективность. Язык спроектирован так, чтобы дать программисту максимальный контроль над всеми аспектами структуры и порядка исполнения программы. Ни одна из языковых возможностей, приводящая к дополнительным накладным расходам, не является обязательной для использования — при необходимости язык позволяет обеспечить максимальную эффективность программы.

Недостатки

Отчасти недостатки C++ унаследованы от языка-предка — Си, — и вызваны изначально заданным требованием возможно большей совместимости с Си. Это такие недостатки, как:

  • Синтаксис, провоцирующий ошибки:
    • Операция присваивания обозначается как = , а операция сравнения как ==. Их легко спутать, при этом операция присваивания возвращает значение, поэтому присваивание на месте выражения является синтаксически корректным, а в конструкциях цикла и ветвления появление числа на месте логического значения также допустимо, так что ошибочная конструкция оказывается синтаксически правильной. Типичный пример подобной ошибки:
      if (x=0) { операторы }
      
      Здесь в условном операторе по ошибке написано присваивание вместо сравнения. В результате, вместо того, чтобы сравнить текущее значение x с нулём, программа присвоит x нулевое значение, а потом интерпретирует его как значение условия в операторе if. Так как нуль соответствует логическому значению «ложь» (false), блок операторов в условной конструкции не выполнится никогда. Ошибки такого рода трудно выявлять, но во многих современных компиляторах предлагается диагностика некоторых подобных конструкций.
    • Операции присваивания (=), инкрементации (++), декрементации (--) и другие возвращают значение. В сочетании с обилием операций это позволяет, хотя и не обязывает, создавать трудночитаемые выражения. Наличие этих операций в Си было вызвано желанием получить инструмент ручной оптимизации кода, но в настоящее время оптимизирующие компиляторы обычно генерируют оптимальный код и на традиционных выражениях. С другой стороны, один из основных принципов языков C и C++ — позволять программисту писать в любом стиле, а не навязывать «хороший» стиль.
    • Макросы (#define) являются мощным, но опасным средством. Они сохранены в C++ несмотря на то, что необходимость в них, благодаря шаблонам и встроенным функциям, не так уж велика. В унаследованных стандартных С-библиотеках много потенциально опасных макросов.
    • Некоторые преобразования типов неинтуитивны. В частности, операция над беззнаковым и знаковым числами выдаёт беззнаковый результат.
    • Необходимость записывать break в каждой ветви оператора switch и возможность последовательного выполнения нескольких ветвей при его отсутствии провоцирует ошибки из-за пропуска break. Эта же особенность позволяет делать сомнительные «трюки», базирующиеся на избирательном неприменении break и затрудняющие понимание кода.
  • Препроцессор, унаследованный от С, очень примитивен. Это приводит с одной стороны к тому, что с его помощью нельзя (или тяжело) осуществлять некоторые задачи метапрограммирования, а с другой, вследствие своей примитивности, он часто приводит к ошибкам и требует много действий по обходу потенциальных проблем. Некоторые языки программирования (например, Nemerle) имеют намного более мощные и более безопасные системы метапрограммирования (также называемые макросами, но мало напоминающие макросы С/С++).
  • Плохая поддержка модульности (по сути, в классическом Си модульность на уровне языка отсутствует, её обеспечение переложено на компоновщик). Подключение интерфейса внешнего модуля через препроцессорную вставку заголовочного файла (#include) серьёзно замедляет компиляцию при подключении большого количества модулей (потому что результирующий файл, который обрабатывается компилятором, оказывается очень велик). Эта схема без изменений скопирована в C++. Для устранения этого недостатка, многие компиляторы реализуют механизм прекомпиляции заголовочных файлов Precompiled Headers.

К собственным недостаткам C++ можно отнести:

  • Сложность и избыточность, из-за которых C++ трудно изучать, а построение компилятора сопряжено с большим количеством проблем. В частности:
    • В языке практически полностью сохранён набор конструкций Си, к которому добавлены новые средства. Во многих случаях новые средства и механизмы позволяют делать то же самое, что и старые, но в языке сохраняются оба варианта.
    • Поддержка множественного наследования реализации в ООП-подсистеме языка вызывает целый ряд логических проблем, а также создаёт дополнительные трудности в реализации компилятора.
    • Шаблоны в своём исходном виде приводят к порождению кода очень большого объёма, а введённая позже в язык возможность частичной спецификации шаблонов трудно реализуема и не поддерживается многими существующими компиляторами.
  • Недостаток информации о типах данных во время компиляции (CTTI).
  • Метапрограммирование на основе шаблонов C++ сложно и при этом ограничено в возможностях. Оно состоит в реализации средствами шаблонов C++ интерпретатора примитивного функционального языка программирования выполняющегося во время компиляции. Сама по себе данная возможность весьма привлекательна, но такой код весьма трудно воспринимать и отлаживать. Языки Lisp/Nemerle и некоторые другие имеют более мощные и одновременно более простые для восприятия подсистемы метапрограммирования. Кроме того, в языке D реализована сравнимая по мощности, но значительно более простая в применении подсистема шаблонного метапрограммирования.
  • Хотя декларируется, что С++ мультипарадигменный язык, реально в языке отсутствует поддержка функционального программирования. Отчасти, данный пробел устраняется различными библиотеками (Boost) использующими средства метапрограммирования для расширения языка функциональными конструкциями (например, поддержкой лямбд/анонимных методов), но качество подобных решений значительно уступает качеству встроенных в функциональные языки решений. Такие возможности функциональных языков, как сопоставление с образцом, вообще крайне сложно эмулировать средствами метапрограммирования.
  • Некоторые считают недостатком языка C++ отсутствие встроенной системы сборки мусора. С другой стороны, в C++ имеется достаточно средств, позволяющих почти исключить использование опасных указателей, нет принципиальных проблем и в реализации и использовании сборки мусора (на уровне библиотек, а не языка). Отсутствие встроенной сборки мусора позволяет пользователю самому выбрать стратегию управления ресурсами.

Примечания

  1. Страуструп Б. Дизайн и эволюция C++ = The Design and Evolution of C++. — СПб.: Питер, 2007. — 445 с. — ISBN 5-469-01217-4
  2. http://www.stlport.org/

См. также

Ссылки

Статьи и книги, библиотеки материалов по C++
Форумы
  • Bloodshed Dev-C++ (сайт) — бесплатная и свободная среда разработки в C++ под Windows.
  • (сайт) — бесплатная и свободная кроссплатформенная среда разработки.
  • Blitz++ — библиотека научных программ на C++, с упором на линейную алгебру
  • The Matrix Template Library — линейная алгебра на C++
  • Boost C++ Libraries — свободные кроссплатформенные библиотеки на C++
  • GNU Scientific Library — свободная математическая библиотека для C/C++, распространяемая на условиях лицензии GNU General Public License.
  • The C++ Standards Committee
  • VivaCore — свободная библиотека для создания систем статического анализа Си/Си++ кода [1].
  • сайт) — бесплатная открытая библиотека для создания своего пользовательского интерфейса.
  • сайт) — ещё одна библиотека создания кроссплатформенных приложений, бесплатная для некоммерческого использования.

Литература

  • Страуструп Б. Язык программирования C++. Специальное издание = The C++ programming language. Special edition. — М.: Бином-Пресс, 2007. — 1104 с. — ISBN 5-7989-0223-4
  • Герберт Шилдт. Полный справочник по C++ = C++: The Complete Reference. — 4-е изд. — М.: Вильямс, 2006. — 800 с. — ISBN 0-07-222680-3
  • Джесс Либерти, Дэвид Хорват. Освой самостоятельно C++ за 24 часа = Sams Teach Yourself C++ in 24 Hours, Complete Starter Kit. — 4-е изд. — М.: Вильямс, 2007. — 448 с. — ISBN 0-672-32681-7
  • Стефенс Д. Р. C++. Сборник рецептов. — КУДИЦ-ПРЕСС, 2007. — 624 с. — ISBN 5-91136-030-6

Wikimedia Foundation. 2010.


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.