Препроцессорные средства в C и С++

4.1 Объектные типы данных

4.5.1. Понятие о “позднем” связывании

При описании объектных типов функции, имеющие сходное назначение в разных классах, могут иметь одинаковые имена, типы параметров и возвращаемого значения. При обращении к такой функции с указанием имени объекта компилятору известно, какая из одноименных функций требуется. В то же время к объектам производного типа можно обращаться по указателю на базовый тип и тогда на этапе компиляции нельзя установить, функция какого из производных типов должна быть вызвана. В ходе выполнения программы требуется проверять, на объект какого типа ссылается указатель и после такой проверки вызывать требуемую функцию. Эти действия называют “поздним” связыванием, в отличие от “раннего” связывания, при котором уже на этапах компиляции или редактирования связей можно установить адрес точки входа вызываемой функции. В объектно-ориентированных языках программирования для решения этой проблемы применяются виртуальные методы.

4.5.2. Описание виртуальных функций

virtual void print ( ) = 0;

Такая функция называется “чистой” (pure) виртуальной функцией, а объектный тип, содержащий ее объявление, называется абстрактным объектным типом. В программе не могут создаваться экземпляры абстрактных типов, такой тип может использоваться только для образования производных типов, причем в производном типе следует либо снова определить эту виртуальную функцию как чистую, либо обявить ее как обычную виртуальную функцию, выполняющую конкретные действия.

Виртуальные функции особенно полезны, когда к методом класса требуется обращаться через указатель на экземпляр класса, а сам этот указатель имеет тип указателя на базовый класс. Пусть, например, в классе TBase объявлена чистая виртуальная функция print:

class TBase //базовый класс для массивов всех типов

{int size, //размер элемента

count, //текущее число элементов

maxCount, //размер выделенной памяти в байтах

delta; //приращение памяти в байтах

char *pmem; //указатель на выделенную память

int changeSize(); //перераспределение памяти

protected:

void* getAddr( ){return (void*) pmem;};

void addNewItem(void*); //добавление в конец массива

void error(const char* msg){cout <<msg<<endl;};

public:

int getCount() {return count;};

TBase(int s,int m,int d);

TBase();

TBase(TBase&);

~TBase();

virtual void print ( ) = 0; // Чистая виртуальная функция

};

Тогда в производных классах должна быть объявлена замещающая ее функция print, выполняющая реальные действия:

class TIntArray : public TBase

{ /* Другие методы */

virtual void print ( );

}

class TRealArray : public TBase

{ /* Другие методы */

virtual void print ( );

}

В программе, использующей объекты классов TIntArray и TRealArray могут создаваться экземпляры этих классов с возможностью обращения к ним через указатель на базовый класс:

TBase *pb;

TIntArray aint(5,3);

TRealArray areal(4,2);

Тогда для печати массивов могут применяться операторы

pb = &aint; pb->print(); //Печать массива aint

pb = &areal; pb->print(); // Печать массива areal

Приведем еще один пример использования виртуальных функций. Пусть некоторый любитель домашних животных решил завести каталог своих любимцев и для каждого вида животных определил свой класс с общим базовым классом Pet. Для краткости ограничимся в описании каждого животного его кличкой и типовым излаваемым животным звуком с возможностью вывода на экран списка кличек и представления издаваемых ими звуков.

Программа:

#include <iostream.h>

struct Pet // Базовый класс

{ char *name;

virtual void speak() = 0;

Pet( char *nm){name=nm;}

}

struct Dog : public Pet

{ virtual void speak( ) { cout<<name<<“ говорит “”<<“ Ав - ав”<<endl; };

Dog(char *nm): Pet(nm) { };

};

struct Cat : public Pet

{ virtual void speak( ) { cout<<name<<“ говорит “

<<“ Мяу-Мяу”<<endl;

Cat(char *nm): Pet(nm) { };

}

int main ()

{ Pet *mypets[ ] = { new Dog(“Шарик”),

new Cat(“Мурка”),

new Dog(“Рыжий “)}; // Список животных

const int sz = sizeof( mypets)/ sizeof( mypets [ 0 ]);

for ( int k = 0: k < sz; k++)

mypets [ k ]->speak();

return 0;

}

4.6. “Дружественные” (friend) функции

Функция, объявленная в производном классе, может иметь доступ только к защищенным (protected) или общим (public) компонентам базового класса.

Функция, объявленная вне класса, может иметь доступ только к общим (public) компонентам класса и обращаться к ним по имени, уточненному именем объекта или указателя на объект.

Чтобы получить доступ к личным компонентам объектов некоторого класса Х в функции, не имеющей к ним доступа, эта функция должна быть объявлена дружественной в классе X:

class X

{ friend void Y:: fprv( int, char*);

/* Другие компоненты класса X */

}

Можно объявить все функции класса Y дружественными в классе X;

class Y;

class X

{ friend Y;

/* Другие компоненты класса X */

}

class Y

{ void fy1(int, int);

int fy2( char*, int);

/* Другие компоненты класса Y */

}

Дружественной может быть и функция, не являющаяся компонентой какого-либо класса, например,

class XX

{ friend int printXX ( );

/* Другие компоненты класса ХХ */

}

Здесь функция printXX имеет доступ ко всем компонентам класса XX, независимо от закрепленного за ними уровня доступа.

В теории объектно-ориентированного программирования считается, что при хорошо спроектированной системе классов не должно быть необходимости в дружественных функциях, однако в ряде случаев их использование упрощает понимание и последующие модификации программы.

4.7. Статические компоненты класса

Описатель static в С++ имеет различное назначение в зависимости от контекста, в котором он применен.

Переменные и функции, объявленные вне класса и вне тела функции с описателем static, имеют область действия, ограниченную файлом, в котором они объявлены.

Переменные, объявленные как static внутри функции, видимы только внутри этой функции, но сохраняют свои значения после выхода из функции и инициализируются только при первом обращении к функции.

Компоненты класса также могут объявляться с описателем static, такие компоненты - данные являются общими для всех экземпляров объектов этого класса и размещаются в памяти отдельно от данных объектов класса. Доступ к static - компонентам класса возможен по имени, уточненному именем класса (именем типа) или именем объекта этого класса, причем к static - компонентам класса можно обращаться до создания экземпляров объектов этого класса. Статическое данное - член класса должно быть обязательно инициализировано вне описания класса:

class TBase //базовый класс для массивов всех типов

{ static int nw;

int size, //размер элемента

count, //текущее число элементов

maxCount, //размер выделенной памяти

delta; //приращение памяти

/* Другие компоненты класса TBase */

}

int TBase::nw =1; /* Инициализация статической компоненты класса */

Статические компоненты - функции могут вызываться до создания экземпляров объектов этого класса и поэтому имеют доступ только к статическим данным класса:

class X

{ static int sx1,sx2;

static void fsx ( int k);

int x1,x2;

/* Другие компоненты класса X */

}

int X::sx1 = 1;

int X::sx2 = 2;

int main ()

{ ..........

X:: fsx( 3 );

..............

}

4.8. Переопределение (перегрузка) операций

В языках программирования определена семантика операций, выполняемых над базовыми (предопределенными) типами данных, например, если x, y и z - переменные типа float, то запись x = y + z; предполагает интуитивно очевидные действия, сложение x и y и присваивание переменной z полученной суммы.

тип_результата operator знак_операции (формальные параметры)

{ описание_алгоритма_выполнения_операции }

Например:

class TPoint

{ int x,y;

public:

TPoint& operator+=( const TPoint& adder );

TPoint& operator-=( const TPoint& subber );

friend TPoint operator - ( const TPoint& one, const TPoint& two);

friend TPoint operator + ( const TPoint& one, const TPoint& two);

friend int operator == ( const TPoint& one, const TPoint& two);

friend int operator != ( const TPoint& one, const TPoint& two);

};

Полное определение этих операций для объектов класса TPoint имеет вид:

inline TPoint& TPoint::operator += ( const TPoint& adder )

{ x += adder.x; y += adder.y; return *this;}

inline TPoint& TPoint::operator -= ( const TPoint& subber )

{ x -= subber.x; y -= subber.y; return *this;}

Остальные операции определяются аналогичным образом.

Пусть в программе имеются объявления:

TPoint x(12,3), y(21,30), z(18,30);

Тогда можно записать:

x +=y; y-=z; TPoint r = x + z:

Общие правила переопределения операций сводятся к следующему:

- Двуместные операции должны иметь два параметра, одноместные - один параметр, причем, если операция объявлена как компонента класса, то неявным первым операндом является экземпляр объекта (следовательно при определении двуместной операции будет задаваться один параметр, одноместная операция объявляется с пустым списком параметров). Если операция переопределяется вне класса (с описателем friend ), то для двуместной операции должны быть заданы два параметра, для одноместной операции - один параметр.

- При переопределении сохраняется приоритет исходной операции т.е. операция + будет выполняться раньше операции = и т.д.

- При переопределении не наследуются свойства коммутативности и ассциативности, т.е. результат выражения х + y - z может отличаться от результата выражения y - z + x и зависит от того, как определены соответствующие операции.

- Не допускается переопределение операций . (точка), .* ( точка -звездочка, обращение к указателю на компоненту класса или структуры), :: (разрешение контекста), а также операции # и ##, используемые при препроцессорной обработке.

- Переопределяемые операции = (присваивание), () (функция), [ ] (индекс), -> (обращение к компоненте класса по указателю) всегда должны быть компонентами класса и не могут быть static.

- Переопределяемые операции new и delete должны быть static - компонентами класса.

В остальном к переопределяемым операциям предъявляются те же требования, что и к функциям.

5. Шаблоны функций и классов

Часто встречаются функции, реализующие одни и те же действия для аргументов различных типов. Например, сортировка массива по возрастанию его элементов может выполняться одним и тем же методом и для данных типа int и для данных типа double. Различие состоит только в типах параметров и некоторых внутренних переменных.

В более поздние версии С++ включено специальное средство, позволяющее параметризовать определение функции, чтобы компилятор мог построить конкретную реализацию функции для указанного типа параметров функции. Параметризованное определение функции строится по схеме:

template < class имя_класса >

Заголовок функции

{ /* Тело функции */ }

Имя класса является параметром и задается идентификатором, локализованным в пределах определения функции. Хотя бы один из параметров функции должен иметь тип, соответствующий этому идентификатору.

Параметризованное определение функции сортировки массива методом перестановок может быть построено следующим образом:

template <class T >

void sort ( T a[ ], int n )

{ T temp;

int sign;

for ( int k = 0; k > n; k++)

{ sign = 0;

for ( i = 0; i <n - k; i++)

if ( a [ i ] > a [ i + 1])

{ temp = a [ i ];

a[ i ] = a[ i + 1 ];

a[ i + 1 ] = temp; sign++;

}

if ( sign == 0 ) break;

}

return;

}

Если в программе будут объявлены массивы

int aint [10];

double afl [20];

и установлены значения элементов этих массивов, то вызов функции

sort ( aint, 10 );

обеспечит вызов sort для упорядочения массива целых, а вызов функции

sort ( afl , 20 )

обеспечит вызов sort для упорядочения массива с элементами типа double.

Если элементами массива являются объекты какого-либо определенного программистом класса, для которого определена операция отношения >, то функция sort может быть вызвана и для такого массива. Разумеется, в объектном коде программы будут присутствовать все варианты реально вызывамой функции sort. Параметризация функции сокращает объем исходного текста программы и повышает его надежность.

В описателе template можно указывать несколько параметров вида class имя_типа, а также параметры базовых типов. Например, функция

template < class T1, class T2 >

void copy ( T1 a[ ], T2 b[ ], int n)

{ for ( int i = 0; i <n; i++)

a[ i ] = b [ i ] ;

}

копирует первые n элементов массива b типа T2 в первые n элементов массива a типа T1. Разумеется, программист несет ответственность за то, чтобы такое копирование было возможным.

5.2. Шаблоны классов

По аналогии с параметризованной функцией можно построить параметризованное описание класса, позволяющее создавать экземпляры классов для конкретных значений параметров. Параметризованный класс описывается следующим образом:

template <class T >

class описание класса

Как и для функций, в описателе template может быть задано несколько параметров. В самом описание класса имена параметров используются как имена типов данных, типов параметров функций и типов значений, возвращаемых функциями.

В качестве примера приведем описание класса stack, предназначенного для построения стеков фиксированного максимального размера с элементами произволного типа.

enum BOOLEAN ( FALSE, TRUE );

template <class Type >

class stack

{ private:

enum ( EMPTY = -1 );

Type* s; /* Указатель на массив стека */

int max_len; /* Максимальная длина стека */

int top; /* Индекс элемента в вершине стека */

public:

stack ( ) : max_len ( 100 ) /* конструктор без параметров */

{ s = new Type [ 100 ]; top = EMPTY; }

stack ( int size ) : max_len( size ) /* Второй конструктор */

{ s = new Type [ size ]; top = EMPTY; }

~stack ( ) { delete [ ] s; } /* Деструктор */

void reset ( ) { top = EMPTY; } /* Очистить стек */

void push ( Type c ) { s [ ++top ] = c; }

Type pop ( ) { return (s [top--] }

Type top_of ( ) { return ( s [top ] }

BOOLEAN empty ( ) { return BOOLEAN ( top == EMPTY ) }

BOOLEAN full ( ) { return BOOLEAN ( top == max_len ) }

};

Следует отметить, что в этом примере с целью сокращения исходного текста не предусмотрен контроль выхода за пределы стека в методах push и pop.

Чтобы создать экземпляр параметризованного объектного типа, нужно уточнить имя типа значением параметра в угловых скобках:

stack < int > stack_of_int (50); /* Стек на 50 элементов типа int */

stack < myClass > stmc (20); /* Стек на 20 элементов типа myClass */

В приведенном примере все компоненты-функции определены в описании класса. Когда полное определение функции-члена класса задается вне описания класса, оно должно уточняться описателем template. Например, если бы метод top_of был определен вне описания класса, определение имело бы вид:

template < class Type >

Type top_of ( ) { return s [ top ];}

Отметим некоторые специфические черты описаний параметризованных классов.

Если в параметризованном классе определены friend-функции, то когда такая функция не зависит от параметра, будет использоваться единственная friend-функция для всех значений параметра, а когда friend-функция зависит от параметра, будет использоваться своя friend-функция для каждого значения параметра.

Если в параметризованном классе имеются статические (static) компоненты, то для каждого значения параметра будет использоваться свой экземпляр статической компоненты.

6. Классы для ввода-вывода потоков

Система ввода-вывода С++ основывается на концепции потоков данных, поток представляет собой, с одной стороны, последовательность данных, с другой стороны поток рассматривается как переменная некоторого объектного типа. Это позволяет вынести общие свойства и операции процессов ввода-вывода в определения базовых классов. Ввод-вывод из файлов и консоли, как правило, выполняется с использованием буфера и получение данных программой или вывод данных сводится к пересылке данных из одной области памяти в другую. Реальное обращение к внешним устройствам происходит только при исчерпании данных в буфере (при вводе) или при заполнении буфера (при выводе).

Система классов ввода-вывода С++ использует два базовых класса: класс ios и класс streambuf.

В классе ios определены данные, характеризующие состояние потока, и функции, позволяющие получить доступ к информации о состоянии потока или изменить его состояние. Состояние потока определяется набором битовых флагов, для обращения к отдельным флагам в классе ios описаны перечислимые константы:

- биты состояния (статуса) потока

enum io_state { goodbit = 0x00, // никакие биты не установлены, все хорошо

eofbit = 0x01, // конец файла

failbit = 0x02, // ошибка в последней операции ввода/вывода

badbit = 0x04, // попытка выполнить неверную операцию

hardfail = 0x80 // неисправимая ошибка

};

- биты режима использования потока (режима ввода/вывода)

enum open_mode { in = 0x01, // поток открыт для чтения

out = 0x02, // поток открыт для записи

ate = 0x04, // перейти в конец файла при открытии

app = 0x08, // режим добавления в конец файла

trunc = 0x10, // усечение существующего файла

nocreate = 0x20, // ошибка открытия файла, если он не существует

noreplace = 0x40, // ошибка открытия, если файл существует

binary = 0x80 // двоичный (не текстовый) файл

};

- флаги направления позиционирования в потоке

enum seek_dir { beg=0, cur=1, end=2 };

- флаги - манипуляторы управления вводом/выводом

enum { skipws = 0x0001, // пропускать пробелы при вводе

left = 0x0002, // выравнивание влево при выводе

right = 0x0004, // выравнивание вправо при выводе

internal = 0x0008, // пробел после знака или основания системы счисления

dec = 0x0010, // преобразование в десятичную систему счисления

oct = 0x0020, // преобразование в восьмеричную систему счисления

hex = 0x0040, // шестнадцатеричное преобразование

showbase = 0x0080, // использовать индикатор системы счисления при выводе

showpoint = 0x0100, // указывать десятичную точку при выводе

//(в числах с плавающей точкой)

uppercase = 0x0200, // прописные буквы при шестнадцатеричном выводе

showpos = 0x0400, // добавлять '+' для положительных целых

scientific= 0x0800, // применять нотацию вида 1.2345E2

fixed = 0x1000, // применять нотацию вида 123.45

unitbuf = 0x2000, // очищать все потоки после вставки в поток

stdio = 0x4000, // очищать stdout, stderr после вставки в поток

boolalpha = 0x8000 // вставлять/извлекать булевы как текст или цифры

};

Поскольку эти перечислимые константы объявлены как компоненты класса ios, для доступа к ним требуется уточнение контекста, например, ios::in.

Класс streambuf обеспечивает создание и использование буфера ввода-вывода и содержит компоненты-данные для управления буфером и методы доступа к данным в буфере. Объект класса ios содержит указатель на связанный с ним объект streambuf.

Классы istream и ostream являются производными от класса ios, в них определены функции, выполняющие ввод (istream) и вывод (ostream) данных базовых типов и строк.

В классе istream определены операции бесформатного ввода (без преобразования вводимых данных)и операции форматного ввода с преобразованием из внешнего представления во внутреннее.

Функции get() читают из потока данные типа char в массив, определяемый первым параметром, второй параметр задает максимальное число вводимых символов (l), третий параметр устанавливает символ-ограничитель, ограничивающий ввод. За последним введенным символом в массив пишется символ `\0'.

istream _FAR & _RTLENTRY get( char _FAR *, int l, char = '\n');

istream _FAR & _RTLENTRY get( signed char _FAR *, int l, char = '\n');

istream _FAR & _RTLENTRY get( unsigned char _FAR *, int l, char ='\n');

Функции read() выполняют чтение из потока и занесение в массив указанного числа символов

istream _FAR & _RTLENTRY read( char _FAR *, int l);

istream _FAR & _RTLENTRY read( signed char _FAR *, int l);

istream _FAR & _RTLENTRY read(unsigned char _FAR *, int l);

Для ввода строки, заканчивающейся символом-ограничителем, служит функция getline() при этом символ-ограничитель также заносится в массив

istream _FAR & _RTLENTRY getline( char _FAR *, int, char = '\n');

istream _FAR & _RTLENTRY getline( signed char _FAR *, int, char= '\n');

istream _FAR & _RTLENTRY getline(unsigned char _FAR *, int, char= '\n');

Для извлечения из потока данных типа char вплоть до символа-ограничителя служит вариант функции get():

istream _FAR & _RTLENTRY get(streambuf _FAR &, char = '\n');

Другие варианты функции get() обеспечивают извлечение одного символа

istream _FAR & _RTLENTRY get( char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY get( signed char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY get(unsigned char _FAR &);

int _RTLENTRY get(); // возвращает значение символа

int _RTLENTRY peek(); // возвращает следующий символ без удаления его из потока

int _RTLENTRY gcount(); // число символов, извлеченных из потока

// возвращение указанного символа в поток ввода

istream _FAR & _RTLENTRY putback(char);

Пропуск символов с остановкой по ограничителю выполняет функция

istream _FAR & _RTLENTRY ignore(int = 1, int = EOF);

Форматный ввод релизуется на основе переопределения операций ввода

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (bool _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>>

(istream _FAR & (_RTLENTRY *_f)(istream _FAR &));

istream _FAR & _RTLENTRY operator>>

(ios _FAR & (_RTLENTRY *_f)(ios _FAR &) );

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> ( char _FAR *);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> ( signed char _FAR *);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned char _FAR *);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> ( char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> ( signed char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned char _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (short _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (int _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (long _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned short _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned int _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (unsigned long _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (float _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (double _FAR &);

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (long double _FAR &);

Извлечение из istream и вставка в объект типа streambuf выполняет оператор-функция

istream _FAR & _RTLENTRY operator>> (streambuf _FAR *);

Макрос FAR управляет способом представления указателей, макрос RTLENTRY определяет применение стандартной билиотеки времени выполнения.

Аналогичные операции для вывода определены в классе ostream:

// вставить символ в поток

ostream _FAR & _RTLENTRY put( char);

ostream _FAR & _RTLENTRY put(signed char);

ostream _FAR & _RTLENTRY put(unsigned char);

// вставить в поток строку

ostream _FAR & _RTLENTRY write(const char _FAR *, int l);

ostream _FAR & _RTLENTRY write(const signed char _FAR *, int l);

ostream _FAR & _RTLENTRY write(const unsigned char _FAR *, int l);

Операции форматированного вывола

Вывод "true" или "false" для данных типа bool

ostream _FAR & _RTLENTRY ostream::operator<< (bool);

Вывод ланных типа char

ostream _FAR & _RTLENTRY operator<< ( char);

ostream _FAR & _RTLENTRY operator<< ( signed char);

ostream _FAR & _RTLENTRY operator<< (unsigned char);

Вывод числовых данных с преобразованием во внешнее представление