🗊Презентация Язык C++

Список литературы И. А. Волкова, А. В. Иванов, Л. Е. Карпов. Основы объектно-ориентированного программирования. Язык программирования С++. Учебное пособие для студентов 2 курса (969.27 Кбайт). — М.: Издательский отдел факультета ВМК МГУ, 2011. И. А. Волкова, А. А. Вылиток, Т. В. Руденко. Формальные грамматики и языки. Элементы теории трансляции (3-е издание) (1.59 Мбайт). — М.: Изд-во МГУ, 2009 (версия от 06.02.2010). И. А. Волкова, И. Г. Головин, Л. Е. Карпов. Системы программирования (Учебное пособие) (1.2 Мбайт). — М.: Издательский отдел факультета ВМиК МГУ, 2009. И. А. Волкова, А. А. Вылиток, Л. Е. Карпов. Сборник задач и упражнений по языку С++ (Учебное пособие для студентов 2 курса). – М.: Издательский отдел факультета ВМК МГУ, 2013. Д. Грис. Конструирование компиляторов для цифровых вычислительных машин. — М.: Мир, 1975. Ф. Льюис, Д. Розенкранц, Р. Стирнз. Теоретические основы проектирования компиляторов. — М.: Мир, 1979. А. Ахо, Дж. Ульман. Теория синтаксического анализа, перевода и компиляции, т.1,2 — М.: Мир, 1979. Л. Бек. Введение в системное программирование. — М.: Мир, 1988. А. Ахо, Р. Сети, Дж. Ульман. Компиляторы. — М.: Изд. дом «Вильямс», 2001. (Шифр в библиотеке МГУ: 5ВГ66 А-955) А. В. Гордеев, А. Ю. Молчанов. Системное программное обеспечение. — СПб.: Питер, 2001

Г. Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++ (zip), 2-е издание. — М. СПб.: «Издательство Бином» — «Невский диалект»,1998. Г. Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++ (zip), 2-е издание. — М. СПб.: «Издательство Бином» — «Невский диалект»,1998. А. Элиенс. Принципы объектно-ориентированной разработки программ, 2-е издание. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. И. О. Одинцов. Профессиональное программирование. Системный подход. — СПб.: БХВ-Петербург, 2002. Н. Н. Мансуров, О. Л. Майлингова. Методы формальной спецификации программ: языки MSC и SDL. — М.: Изд-во «Диалог-МГУ», 1998. А. М. Вендров. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. — Электронная публикация на CITFORUM.RU М. Фаулер, К. Скотт. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования. — М.: Мир, 1999. Г. Майерс. Искусство тестирования программ. — М.: «Финансы и статистика», 1982 С. Канер, Дж. Фолк, Е. К. Нгуен. Тестирование программного обеспечения. — М.: «DiaSoft», 2001 Дж. Макгрегор, Д. Сайкс. Тестирование объектно-ориентированного программного обеспечения. Практическое пособие. — М.: «DiaSoft», 2002. Б. Страуструп. Язык программирования С++. Специальное издание. — М.: Издательство «БИНОМ», 2001. Б. Страуструп. Программирование: принципы и практика использования С++.: Пер. с англ. – М. ООО «И.Д.Вильямс», 2011. – 1248 с. Г. Шилдт. Самоучитель С++. 3-е изд. — СПб: БХВ-Петербург, 2002.

Электронные ссылки Материалы по курсу можно найти на сайте: http://cmcmsu.no-ip.info/2course/ Некоторые электронные ссылки на полезные книги: http://povt.zaural.ru/edocs/uml/content.htm - Г Буч, Д Рамбо, А Джекобсон «Язык UML. Руководство пользователя» http://vmk.ugatu.ac.ru/book/buch/index.htm - Гради Буч "Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++"

Язык C++ С++ позволяет справиться с возрастающей сложностью программ (в отличие от С). Автор – Бьёрн Страуструп. Стандарты (комитета по стандартизации ANSI) – 1998, 2011, 2014. С++: лучше С, поддерживает абстракции данных, поддерживает объектно-ориентированное программирование (ООП).

Парадигмы программирования Все программы состоят из кода и данных и каким-либо образом концептуально организованы вокруг своего кода и\или данных. Основные парадигмы (технологии) программирования определяют способ построения программ: процедурно-ориентированная (при кот. программа – это ряд последовательно выполняемых операций, причём код воздействует на данные, например в программах на С), объектно-ориентированная (при кот. программа состоит из объектов – программных сущностей, объединяющих в себе код и данные, взаимодействующих друг с другом через определенные интерфейсы, при этом доступ к коду и данным объекта осуществляется только через сам объект, т.е. данные определяют выполняемый код), функциональная, логическая.

Постулаты ООП. Абстракция - центральное понятие ООП. Абстракция позволяет программисту справиться со сложностями решаемых им задач. Мощный способ создания абстракций – иерархическая классификация типовая структурная (структура классов) (структура объектов) Основные механизмы (постулаты) ООП: инкапсуляция, наследование, полиморфизм.

ИНКАПСУЛЯЦИЯ Инкапсуляция - механизм, - связывающий вместе код и данные, которыми он манипулирует; - защищающий их от произвольного доступа со стороны другого кода, внешнего по отношению к рассматриваемому. Доступ к коду и данным жестко контролируется интерфейсом. Основой инкапсуляции является класс. Класс - это механизм (пользовательский тип данных) для создания объектов. Объект класса - переменная типа класс или экземпляр класса. Любой объект характеризуется состоянием (значениями полей данных) и поведением (операциями над объектами, задаваемыми определенными в классе функциями, которые называют методами класса).

НАСЛЕДОВАНИЕ Наследование - механизм, с помощью которого один объект (производного класса) приобретает свойства другого объекта (родительского, базового класса). Наследование позволяет объекту производного класса наследовать от своего родителя общие атрибуты, а для себя определять только те характеристики, которые делают его уникальным внутри класса. Производный класс конкретизирует, в общем случае расширяет базовый класс. Наследование поддерживает концепцию иерархической классификации. Новый класс не обязательно описывать, начиная с нуля, что существенно упрощает работу программиста.

ПОЛИМОРФИЗМ Полиморфизм - механизм, позволяющий использовать один и тот же интерфейс для общего класса действий. В общем случае концепция полиморфизма выражается с помощью фразы "один интерфейс - много методов". Выбор конкретного действия (метода) применительно к конкретной ситуации возлагается на компилятор. Программисту же достаточно запомнить и применять один интерфейс, вместо нескольких, что также упрощает его работу. Различаются следующие виды полиморфизма: статический (на этапе компиляции, с помощью перегрузки функций), динамический (во время выполнения программы, реализуется с помощью виртуальных функций) и параметрический (на этапе компиляции, с использованием механизма шаблонов).

Декомпозиция задачи При программировании в объектно-ориентированном стиле на первое место выходит проектирование решения задачи, т.е определение того, какие классы и объекты будут использоваться в программе, каковы их свойства и способы взаимодействия. Как правило, при этом необходимо произвести декомпозицию задачи. Декомпозиция – научный метод, использующий структуру задачи и позволяющий разбить решение одной большой задачи на решения серии меньших задач, возможно взаимосвязанных, но более простых.

Синтаксис класса class имя_класса { [private:] закрытые члены класса (функции, типы и поля-данные) public: открытые члены класса (функции, типы и поля-данные) protected: защищенные члены класса } список_объектов; Описание объектов – экземпляров класса: имя_класса список объектов; // служ. слово class не требуется Классы С++ отличаются от структур С++ только правилами определения по умолчанию прав доступа к первой области доступа членов класса и типа наследования: для структур – public, для классов – private.

Члены класса Члены-данные; Члены-функции (методы); Члены-типы – вложенные пользовательские типы, Правила доступа к членам класса и поиска их имен единообразны для всех членов класса и не зависят от их вида. Ex.: class X { double t; // Данное public: void f ( ); // метод int a; // данное enum { e1, e2, e3 } g; private: struct inner { // вложенный класс int i, j; void g ( ); }; inner c; }; ... X x; x.a = 0; x.g = X::e1;

Действия над объектами классов Над объектами класса можно производить следующие действия: присваивать объекты одного и того же класса (при этом производится почленное копирование членов данных), получать адрес объекта с помощью операции &, передавать объект в качестве формального параметра в функцию, возвращать объект в качестве результата работы функции. осуществлять доступ к элементам объекта с помощью операции ‘.’, а если используется указатель на объект, то с помощью операции ‘->’. вызывать методы класса, определяющие поведение объекта.

Пример класса ... class A { int a; public: void set_a (int n); int get_a ( ) const { return a; } // Константные методы класса // не изменяют состояние своего объекта }; void A::set_a (int n) { a = n; } int main () { A obj1, obj2; obj1.set_a(5); obj2.set_a(10); cout << obj1.get_a ( ) << ‘\n’; cout << obj2.get_a ( ) << endl; return 0; }

АТД (абстрактный тип данных) АТД называют тип данных с полностью скрытой (инкапсулированной) структурой, а работа с переменными такого типа происходит только через специальные, предназначенные для этого функции. В С++ АТД реализуется с помощью классов (структур), в которых нет открытых членов-данных. Класс А из предыдущего примера является абстрактным типом данных.

О терминологии Оператор (statement) – действие, задаваемое некоторой конструкцией языка. Операция (operator, для обозначения операций языка: +, *, =, и др.) – используются в выражениях. Определение (описание) переменной (definition) - при этом отводится память, производится инициализация, определение возможно только 1 раз. Объявление переменной (declaration) - дает информацию компилятору о том, что эта переменная где-то в программе описана. Для преобразования типов используются два термина – преобразование (conversion) и приведение (cast).

Некоторые отличия С++ от С Введен логический тип bool и константы логического типа true и false. В С++ отсутствуют типы по умолчанию (например, обязательно int main () {…} ). Локальные переменные можно описывать в любом месте программы, в частности внутри цикла for. Главное, чтобы они были описаны до их первого использования. По стандарту С++ переменная, описанная внутри цикла for, локализуется в теле этого цикла. В С++ переработана стандартная библиотека. В частности, в стандартной библиотеке С++ файл заголовков ввода/вывода назвается <iostream>, введены классы, соответствующие стандартным (консольным) потокам ввода – класс istream – и вывода – класс ostream, а также объекты cin (класса istream) и cout и cerr (класса ostream). Через эти объекты доступны операции ввода >> из стандартного потока ввода (например, cin >> x ;), и вывода << в стандартный поток вывода (например, cout << ”string” << S << ‘\n’;), при использовании которых не надо указывать никакие форматирующие элементы.

Работа с динамической памятью int *p,*m; p = new int ; или p = new int (1); или m = new int [10]; - для массива из 10 элементов; массивы, создаваемые в динамической памяти инициализировать нельзя; ……. delete p; или delete [ ] m; - для удаления всего массива;

Значения параметров функции по умолчанию Пример: void f (int a, int b = 0, int c =1); Обращения к функции: f(3) // a = 3, b = 0, c = 1; f(3, 4) // a = 3, b = 4, c = 1; f(3, 4, 5) // a = 3, b = 4, c = 5.

Пространства имен Пространства имен вводятся только на уровне файла, но не внутри блока. namespace std { // объявления, определения } Ex: std::cout << std::endl; namespace NS { char name [ 10 ] ; namespace SP { int var = 3; } } Ex: ... NS::name ...; NS::SP::var += 2; #include <iostream> using namespace std; using NS::name;

Указатель this Иногда для реализации того или иного метода возникает необходимость иметь указатель на «свой» объект, от имени которого производится вызов данного метода. В C++ введено ключевое слово this, обозначающее «указатель на себя», которое можно трактовать как неявный параметр любого метода класса: <имя класса> * const this; *this – сам объект. Таким образом, любой метод класса имеет на один (первый) параметр больше, чем указано явно. This, участвующий в описании функции, перегружающей операцию, всегда указывает на самый левый (в выражении с этой операцией) операнд операции. В реальности поле this не существует (не расходуется память), и при сборке программы вместо this подставляется соответствующий адрес объекта.

Специальные методы класса Конструктор – метод класса, который имеет имя, в точности совпадающее с именем самого класса; не имеет типа возвращаемого значения; всегда вызывается при создании объекта (сразу после отведения памяти под объект в соответствии с его описанием). Деструктор – метод класса, который имеет имя, совпадающее с именем класса, перед первым символом которого приписывается символ ~ ; не имеет типа возвращаемого значения и параметров; всегда вызывается при уничтожении объекта (перед освобождением памяти, отведенной под объект).

Специальные методы класса class A { ...... public: A ( ); // конструктор умолчания A (A & y); // A (const A & y); конструктор копирования (КК) [explicit] A (int x); // конструктор преобразования; explicit запрещает // компилятору неявное преобразование int в А A (int x, int y); // A (int x = 0, int y = 0); // заменяет 1-ый, 3-ий и 4-ый // конструкторы ~A (); // деструктор ...... }; Int main () { A a1, a2 (10), a3 = a2; A a4 = 5, a5 = A(7); // Err!, т.к. временный объект не может быть // параметром для неконстантной ссылки в КК // О.К., если будет A (const A & y) A *a6 = new A (1); }

Правила автоматической генерации специальных методов класса Если в классе явно не описан никакой конструктор, то конструктор умолчания генерируется автоматически с пустым телом в public области. Если в классе явно не описан конструктор копирования, то он всегда генерируется автоматически в public области с телом, реализующим почленное копирование значений полей-данных параметра конструктора в значения соответствующих полей-данных создаваемого объекта Если в классе явно не описан деструктор, то он всегда генерируется автоматически с пустым телом в public области.

Класс Box class Box { int l; // length – длина int w; // width – ширина int h; // height – высота public: int volume () const { return l * w * h ; } Box (int a, int b, int c ) { l = a; w = b; h = c; } Box (int s) { l = w = h = s; } Box ( ) { w = h = 1; l = 2; } int get_l ( ) const { return l; } int get_w ( ) const { return w; } int get_h ( ) const { return h; } }; Автоматически сгенерированные конструктор копирования и операция присваивания: Box (const Box & a) { l = a.l; w = a.w; h = a.h; } Box & operator = ( const Box & a) { l = a.l; w = a.w; h = a.h; return * this; } Конструктор копирование и операцию присваивания можно переопределить.

Неплоский класс string class string { char * p; // здесь потребуется динамическая память, int size; public: string (const char * str); string (const string & a); ~string ( ) { delete [ ] p; } string & operator= (const string & a); ... }; string :: string (const char * str) { p = new char [ ( size = strlen (str) ) + 1]; strcpy (p, str); } string :: string (const string & a) { p = new char [ (size = a.size) + 1]; strcpy (p, a.p); }

Пример использования класса string void f { string s1 (“Alice”); s1 string s2 = s1; s2 string s3 (“Kate”); s3 ... s3 = s1; } {... s1...s2 {...s3...}...s1...s2}

Переопределение операции присваивания string & string :: operator = (const string & a) { if (this == & a) return * this; // если a = a delete [ ] p; p = new char [ (size = a.size) + 1]; strcpy (p, a.p); return * this; } При этом: s1 = s2 ~ s1.operator= (s2);

Композиция (строгая агрегация) объектов class Point { class Z { int x; Point p; int y; int z; public: public: Point ( ); Z ( int с ) { z = c; }; Point ( int, int ); ... ... }; }; Z * z = new Z (1); // Point ( ); Z(1); delete z; // ~Z(); ~Point(); Использование списка инициализации при описании конструктора: Z :: Z ( int c ) : p (1, 2) { z = c; } или Z :: Z ( int c ) : p (1, 2), z (c) { }

Cсылки 1 Ссылочный тип данных задается так: <тип> & Ссылка (reference) – переменная ссылочного типа. Единственная операция над ссылками – инициализация (установление связи с инициализатором) при создании, при этом ссылка обозначает (именует) тот же адрес памяти, что и ее инициализатор (L-value выражение). После описания и обязательной инициализации ссылку можно использовать точно так же, как и соответствующий ей инициализатор. Фактически ссылка является синонимом своего инициализатора. Ссылочный тип данных в С++ используется в следующих случаях: a). Описание переменных-ссылок (локальных или глобальных). Например, int i = 5; int & yeti = i; //ссылка обязательно должна быть инициализирована // yeti – синоним имени i ; &i ≡ &yeti; i = yeti + 1; yeti = i + 1; cout << i << yeti; //напечатается 7 7

Cсылки 2 b). Передача параметров в функции по ссылке. Инициализация формального параметра ссылки происходит в момент передачи фактического параметра (L-value выражения), и далее все действия, выполняемые с параметром-ссылкой, выполняются с соответствующим фактическим параметром. Пример: void swap (int & x, int & y) { int t = x; x = y; y = t; } Пример обращения к функции swap: int a = 5, b = 6; swap (a, b); c). Возвращение результата работы функции в виде ссылки - для более эффективной реализации функции - т.к. не надо создавать временную копию возвращаемого объекта – и в том случае, когда возвращаемое значение должно быть L-value-выражением. Инициализация возвращаемой ссылки происходит при работе оператора return, операндом которого должно быть L-value выражение. Не следует возвращать ссылку на локальный объект функции, который перестает существовать при выходе из функции. Пример: int & f( ) { int * p = new int(5); return *p; } Пример обращения к функции f: int & x = f();

Cсылки 3 d). Использование ссылок – членов-данных класса. Инициализация поля-ссылки класса обязательно происходит через список инициализации конструктора, вызываемого при создании объекта. Пример: class A { int x; public: int & r; A( ) : r (x) { x = 3; } A(const A &); // !!! A & operator= (const A&); // !!! ... }; int main () { A a; ... }

Cсылки 4 Константные ссылки е). Использование ссылок на константу– формальных параметров функций (для эффективности реализации в случае объектов классов). Инициализация параметра – ссылки на константу происходит во время передачи фактического параметра, который, в частности, может быть временным объектом, сформированным компилятором для фактического параметра-константы. Пример: struct A { int a; A( int t = 0) { a = t; } }; int f (const int & n, const A & ob) { return n+ob.a; } int main () { cout << f (3, 5) << endl; ... }

Временные объекты Временные объекты создаются в рамках выражений (в частности, инициализирующих), где их можно модифицировать (применять неконстантные методы, менять значения членов-данных). В общем случае «живут» временные объекты до окончания вычисления соответствующих выражений. НО! Если инициализировать ссылку на константу временным объектом (в частности, передавать временный объект в качестве параметра для формального параметра – ссылки на константу), время его жизни продлевается до конца жизни соответствующей ссылочной переменной. НЕЛЬЗЯ инициализировать неконстантную ссылку временным объектом (в частности, неконстантные ссылки – формальные параметры). Пример: struct A { A (int); A (const A &); }; … const A & r = A (1); // если здесь и в КК убрать const, A a1 = A (2); // все эти конструкции будут A a2 = 3; … // ошибочными Важно! Компилятор ВСЕГДА сначала проверяет синтаксическую и семантическую (контекстные условия) правильность, а затем оптимизирует!!!

Порядок вызова конструкторов и деструкторов При вызове конструктора класса выполняются: конструкторы базовых классов (если есть наследование), конструкторы умолчания всех вложенных объектов в порядке их описания в классе, собственный конструктор (при его вызове все поля класса уже проинициализированы, следовательно, их можно использовать). Деструкторы выполняются в обратном порядке: собственный деструктор (при этом поля класса ещё не очищены, следовательно, доступны для использования), автоматически вызываются деструкторы для всех вложенных объектов в порядке, обратном порядку их описания в классе, деструкторы базовых классов (если есть наследование).

Вызов конструктора копирования явно, 2. в случае: Box a (1, 2, 3); Box b = a; // a – параметр конструктора копирования, 3. в случае: Box c = Box (3, 4, 5); // сначала создается временный объект и вызывается // обычный конструктор, а затем работает конструктор // копирования при создании объекта с; если компилятор // оптимизирующий, вызывается только обычный // конструктор с указанными параметрами; 4. при передаче параметров функции по значению (при создании локального объекта); 5. при возвращении результата работы функции в виде объекта, 6. при генерации исключения-объекта.

Вызов других конструкторов явно, при создании объекта (при обработке описания объекта), при создании объекта в динамической памяти (по new), при этом сначала в «куче» отводится необходимая память, а затем работает соответствующий конструктор, при композиции объектов наряду с собственным конструктором вызывается конструктор объекта – члена класса, при создании объекта производного класса также вызывается конструктор и базового класса, при автоматическом приведении типа с помощью конструктора преобразования.

Вызов деструктора явно, при свертке стека - при выходе из блока описания объекта, в частности при обработке исключений, завершении работы функции; при уничтожении временных объектов - сразу, как только завершается конструкция, в которой они использовались; при выполнении операции delete для указателя на объект (инициализация указателя - с помощью операции new), при этом сначала работает деструктор, а затем освобождается память. при завершении работы программы при удалении глобальных/статических объектов. Конструкторы вызываются в порядке определения объектов в блоке. При выходе из блока для всех автоматических объектов вызываются деструкторы, в порядке, противоположном порядку выполнения конструкторов.