Часть I

Краткий обзор языка C++

Программы, которые мы пишем, имеют два основных аспекта:

набор алгоритмов;

набор данных, которыми оперируют.

Эти два аспекта оставались неизменными за всю недолгую историю программирования, зато отношения между ними (парадигма программирования) менялись. .

В процедурной парадигме программирования задача непосредственно моделируется набором алгоритмов. Возьмем, к примеру, систему выдачи книг в библиотеке. В ней реализуются две главные процедуры: процедура выдачи книг и процедура приема книг. Данные хранятся отдельно и передаются этим процедурам как параметры. К наиболее известным процедурным языкам программирования относятся FORTRAN, C и Pascal. С++ также поддерживает процедурное программирование. Отдельные процедуры носят в этом языке название функций. В части III рассматривается поддержка, предоставляемая в С++ процедурной парадигме программирования: функции, шаблоны функций, обобщенные алгоритмы.

В 70-е годы процедурную парадигму стала вытеснять парадигма абстрактных типов данных (теперь чаще называемая объектным подходом). В рамках этой парадигмы задача моделируется набором абстракций данных. В С++ эти абстракции получили название классов. Наша библиотечная система могла бы быть представлена как взаимоотношения объектов различных классов, представляющих книги, читателей, даты возврата и т. п. Алгоритмы, реализуемые каждым классом, называются открытым интерфейсом класса. Данные скрыты внутри объектов класса. Парадигму абстрактных типов данных поддерживают такие языки, как CLU, Ada и Modula-2. В части IV обсуждаются вопросы поддержки этой парадигмы языком С++.

Объектно-ориентированное программирование расширяет парадигму абстрактных типов данных механизмом наследования (повторного использования существующих объектов) и динамического связывания (повторного использования существующих интерфейсов). Вводятся отношения тип-подтип. Книга, видеокассета, компакт-диск - все они хранятся в библиотеке, и поэтому могут быть названы подтипами (или подклассами) одного родительского типа, представляющего то, что может храниться в библиотеке. Хотя каждый из классов способен реализовывать свой собственный алгоритм выдачи и возврата, открытый интерфейс для них одинаков. Три наиболее известных языка, поддерживающие объектно-ориентированный подход, - это Simula, Smalltalk и Java. В части V рассматриваются вопросы поддержки парадигмы объектно-ориентированного программирования в С++.

Хотя мы и считаем С++ в основном объектно-ориентированным языком, он поддерживает и процедурную, и объектную парадигму. Преимущество такого подхода в том, что для каждого конкретного случая можно выбрать наилучшее решение. Однако есть и обратная сторона медали: С++ является достаточно громоздким и сложным языком.

В части I мы пробежимся по всем основным аспектам С++. Одна из причин такого краткого обзора - желание дать читателю представление об основных возможностях языка, чтобы затем приводить достаточно содержательные примеры. Скажем, мы не будем рассматривать в деталях понятие класса вплоть до главы 13, однако без упоминания о нем наши примеры оказались бы неинтересными и надуманными.

1. Начинаем

В этой главе представлены основные элементы языка: встроенные типы данных, определения именованных объектов, выражений и операторов, определение и использование именованных функций. Мы посмотрим на минимальную законченную С++ программу, вкратце коснемся процесса компиляции этой программы, узнаем, что такое препроцессор, и бросим самый первый взгляд на поддержку ввода и вывода. Мы увидим также ряд простых, но законченных С++ программ.

1.1. Решение задачи

Программы обычно пишутся для того, чтобы решить какую-то конкретную задачу. Например, книжный магазин ведет запись проданных книг. Регистрируется название книги и издательство, причем запись идет в том порядке, в каком книги продаются. Каждые две недели владелец магазина вручную подсчитывает количество проданных книг с одинаковым названием и количество проданных книг от каждого издателя. Этот список сортируется по издателям и используется для составления последующего заказа книг. Нас попросили написать программу для автоматизации этой деятельности.

Один из методов решения большой задачи состоит в разбиении ее на ряд задач поменьше. В идеале, с маленькими задачами легче справиться, а вместе они помогают одолеть большую. Если подзадачи все еще слишком сложны, мы, в свою очередь, разобьем их на еще меньшие, пока каждая из подзадач не будет решена. Такую стратегию называют пошаговой детализацией или принципом разделяй и властвуй . Задача книжного магазина делится на четыре подзадачи:

Другая причина такого поверхностного, но широкого обзора - эстетическая. Если вы еще не оценили красоту и сложность сонаты Бетховена или живость регтайма Джоплина, вам будет безумно скучно разбираться в отдельных деталях вроде диезов, бемолей, октав и аккордов. Однако, не овладев ими, вы не научитесь музыке. Во многом это справедливо и для программирования. Разбираться в путанице приоритетов операций или правил приведения типов скучно, но совершенно необходимо для овладения С++.

В главе 1 представлены базовые элементы языка: встроенные типы данных, переменные, выражения, инструкции (statements) и функции. Мы увидим минимальную законченную С++ программу, обсудим вопросы компиляции, коснемся препроцессора и поддержки ввода/вывода.

В главе 2 мы реализуем абстракцию массива - процедурно, объектно, и объектно-ориентированно. Мы сравним нашу реализацию с реализацией, предоставляемой стандартной библиотекой С++, и познакомимся с набором обобщенных алгоритмов стандартной библиотеки. Мы коснемся и таких вещей, как шаблоны, исключения и пространства имен. Фактически, мы представим все особенности языка С++, хотя обсуждение деталей отложим до следующих глав.

Возможно, некоторые читатели сочтут главу 2 трудной для понимания. Материал представляется без подробного объяснения, даются ссылки на последующие разделы. Мы рекомендуем таким читателям не углубляться в эту главу, пропустить ее вовсе или прочитать по диагонали. В главе 3 материал излагается в более традиционной манере. После этого можно будет вернуться к главе 2.

int book count = 0;

book count = books on shelf + books on order;

инструкций С++:

cout << значение переменной book count: << book count;

Первая из нриведенн1х инструкций является инструкцией объявления. book count можно назвать идентификатором, символической переменной (или просто переменной) или объектом. Переменной соответствует область в памяти компьютера, соотнесенная с определенным именем (в данном случае book count), в которой хранится значение типа (в нашем случае целого). 0 - это константа. Переменная book count инициализирована значением 0.

Вторая инструкция - присваивание. Она помещает в область памяти, отведенную переменной book count, результат сложения двух других переменных -books on shelf и books on order. Предполагается, что эти две целочисленные переменные определены где-то ранее в программе и им присвоены некоторые значения.

Прочитать файл с записями о продажах.

Подсчитать количество продаж по названиям и по издателям.

Отсортировать записи по издателям.

Вывести результаты.

Решения для подзадач 1, 2 и 4 известны, их не нужно делить на более мелкие подзадачи. А вот третья подзадача все еще слишком сложна. Будем дробить ее дальше.

3a. Отсортировать записи по издателям.

3b. Для каждого издателя отсортировать записи по названиям.

3c. Сравнить соседние записи в группе каждого издателя. Для каждой одинаковой пары увеличить счетчик для первой записи и удалить вторую.

Эти подзадачи решаются легко. Теперь мы знаем, как решить исходную, большую задачу. Более того, мы видим, что первоначальный список подзадач был не совсем правильным. Правильная последовательность действий такова:

Прочитать файл с записями о продажах.

Отсортировать этот файл: сначала по издателям, внутри каждого издателя - по названиям.

Удалить повторяющиеся названия, наращивая счетчик. Вывести результат в новый файл.

Результирующая последовательность действий называется алгоритмом. Следующий шаг - перевести наш алгоритм на некоторый язык программирования, в нашем случае -на С++.

1.2. Программа на языке C++

В С++ действие называется выражением, а выражение, заканчивающееся точкой с запятой, - инструкцией. Инструкция - это атомарная часть С++ программы, которой в программе на С++ соответствует предложение естественного языка. Вот примеры