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:
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 инструкций С++:
int book_count = 0;
book_count = books_on_shelf + books_on_order;
cout << "значение переменной book_count: " << book_count;
Первая из приведенных 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.
Третья инструкция является инструкцией вывода. cout – это выходной поток, направленный на терминал, << – оператор вывода. Эта инструкция выводит в cout – то есть на терминал – сначала символьную константу, заключенную в двойные кавычки ("значение переменной book_count: "), затем значение, содержащееся в области памяти, отведенном под переменную book_count. В результате выполнения данной инструкции мы получим на терминале сообщение:
значение переменной book_count: 11273
если значение book_count равно 11273 в данной точке выполнения программы.
Инструкции часто объединяются в именованные группы, называемые функциями. Так, группа инструкций, необходимых для чтения исходного файла, объединена в функцию readIn(). Аналогичным образом инструкции для выполнения оставшихся подзадач сгруппированы в функции sort(), compact() и print().
В каждой С++ программе должна быть ровно одна функция с именем main(). Вот как может выглядеть эта функция для нашего алгоритма:
int main()
{
readIn();
sort();
compact();
print();
return 0;
}
Исполнение программы начинается с выполнения первой инструкции функции main(), в нашем случае – вызовом функции readIn(). Затем одна за другой исполняются все дальнейшие инструкции, и, выполнив последнюю инструкцию функции main(), программа заканчивает работу.
Функция состоит их четырех частей: типа возвращаемого значения, имени, списка параметров и тела функции. Первые три части составляют прототип функции.
Список параметров заключается в круглые скобки и может содержать ноль или более параметров, разделенных запятыми. Тело функции содержит последовательность исполняемых инструкций и ограничено фигурными скобками.
В нашем примере тело функции main() содержит вызовы функций readIn(), sort(), compact() и print(). Последней выполняется инструкция
return 0;
Инструкция return обеспечивает механизм завершения работы функции. Если оператор return сопровождается некоторым значением (в данном примере 0), это значение становится возвращаемым значением функции. В нашем примере возвращаемое значение 0 говорит об успешном выполнении функции main(). (Стандарт С++ предусматривает, что функция main() возвращает 0 по умолчанию, если оператор return не использован явно.)
Давайте закончим нашу программу, чтобы ее можно было откомпилировать и выполнить. Во-первых, мы должны определить функции readIn(), sort(), compact() и print(). Для начала вполне подойдут заглушки:
void readIn() { cout << "readIn()\n"; }
void sort() { cout << "sort()\n"; }
void compact() { cout << "compact()\n"; }
void print() { cout << "print ()\n"; }
Тип void используется, чтобы обозначить функцию, которая не возвращает никакого значения. Наши заглушки не производят никаких полезных действий, они только выводят на терминал сообщения о том, что были вызваны. Впоследствии мы заменим их на реальные функции, выполняющие нужную нам работу.
Пошаговый метод написания программ позволяет справляться с неизбежными ошибками. Попытаться заставить работать сразу всю программу – слишком сложное занятие.
Имя файла с текстом программы, или исходного файла, как правило, состоит из двух частей: собственно имени (например, bookstore) и расширения, записываемого после точки. Расширение, в соответствии с принятыми соглашениями, служит для определения назначения файла. Файл bookstore.h является заголовочным файлом для С или С++ программы. (Необходимо отметить, что стандартные заголовочные файлы С++ являются исключением из правила: у них нет расширения.)
Файл bookstore.c является исходным файлом для нашей С программы. В операционной системе UNIX, где строчные и прописные буквы в именах файлов различаются, расширение .C обозначает исходный текст С++ программы, и в файле bookstore.C располагается исходный текст С++.
В других операционных системах, в частности в DOS, где строчные и прописные буквы не различаются, разные реализации могут использовать разные соглашения для обозначения исходных файлов С++. Чаще всего употребляются расширения .cpp и .cxx: bookstore.cpp, bookstore.cxx.
Заголовочные файлы С++ программ также могут иметь разные расширения в разных реализациях (и это одна из причин того, что стандартные заголовочные файлы С++ не имеют расширения). Расширения, используемые в конкретной реализации компилятора С++, указаны в поставляемой вместе с ним документации.
Итак, создадим текст законченной С++ программы (используя любой текстовый редактор):
#include
using namespace std;
void readIn() { cout << "readIn()\n"; }
void sort() { cout << "sort()\n"; }
void compact() { cout << "compact()\n"; }
void print() { cout << "print ()\n"; }
int main()
{
readIn();
sort();
compact();
print();
return 0;
}
Здесь iostream – стандартный заголовочный файл библиотеки ввода/вывода (обратите внимание: у него нет расширения). Эта библиотека содержит информацию о потоке cout, используемом в нашей программе. #include является директивой препроцессора, заставляющей включить в нашу программу текст из заголовочного файла iostream. (Директивы препроцессора рассматриваются в разделе 1.3.)
Непосредственно за директивой препроцессора
#include
следует инструкция
using namespace std;
Эта инструкция называется директивой using. Имена, используемые в стандартной библиотеке С++ (такие, как cout), объявлены в пространстве имен std и невидимы в нашей программе до тех пор, пока мы явно не сделаем их видимыми, для чего и применяется данная директива. (Подробнее о пространстве имен говорится в разделах 2.7 и 8.5.)1
После того как исходный текст программы помещен в файл, скажем prog1.C, мы должны откомпилировать его. В UNIX для этого выполняется следующая команда:
$ CC prog1.C
Здесь $ представляет собой приглашение командной строки. CC – команда вызова компилятора С++, принятая в большинстве UNIX-систем. Команды вызова компилятора могут быть разными в разных системах.
Одной из задач, выполняемых компилятором в процессе обработки исходного файла, является проверка правильности программы. Компилятор не может обнаружить смысловые ошибки, однако он может найти формальные ошибки в тексте программы. Существует два типа формальных ошибок:
синтаксические ошибки. Программист может допустить “грамматические”, с точки зрения языка С++, ошибки. Например:
int main( { // ошибка – пропущена ')'
readIn(): // ошибка – недопустимый символ ':'
sort();
compact();
print();
return 0 // ошибка – пропущен символ ';'
}
ошибки типизации. С каждой переменной и константой в С++ сопоставлен некоторый тип. Например, число 10 – целого типа. Строка "hello", заключенная в двойные кавычки, имеет символьный тип. Если функция ожидает получить в качестве параметра целое значение, а получает символьную строку, компилятор рассматривает это как ошибку типизации.
Сообщение об ошибке содержит номер строки и краткое описание. Полезно просматривать список ошибок, начиная с первой, потому что одна-единственная ошибка может вызвать цепную реакцию, появление “наведенных” ошибок. Исправление этой единственной ошибки приведет и к исчезновению остальных. После исправления синтаксических ошибок программу нужно перекомпилировать.
После проверки на правильность компилятор переводит исходный текст в объектный код, который может быть понят и исполнен компьютером. Эту фазу работы компилятора называют генерацией кода.
В результате успешной компиляции образуется выполняемый файл. Если запустить выполняемый файл, полученный в результате компиляции нашей программы, на терминале появится следующий текст:
readIn()
sort()
compact()
print()
В С++ набор основных типов данных – это целый и вещественный числовые типы, символьный тип и логический, или булевский. Каждый тип обозначается своим ключевым словом. Любой объект программы ассоциируется с некоторым типом. Например:
int age = 10;
double price = 19.99;
char delimiter = ' ';
bool found = false;
Здесь определены четыре объекта: age, price, delimiter, found, имеющие соответственно типы целый, вещественный с двойной точностью, символьный и логический. Каждый объект инициализирован константой – целым числом 10, вещественным числом 19.99, символом пробела и логическим значением false.
Между основными типами данных может осуществляться неявное преобразование типов. Если переменной age, имеющей тип int, присвоить константу типа double, например:
age = 33.333;
то значением переменной age станет целое число 33. (Стандартные преобразования типов, а также общие проблемы преобразования типов рассматриваются в разделе 4.14.)
Стандартная библиотека С++ расширяет базовый набор типов, добавляя к ним такие типы, как строка, комплексное число, вектор, список. Примеры:
// заголовочный файл с определением типа string
#include
string current_chapter = "Начинаем";
// заголовочный файл с определением типа vector
#include
vector chapter_titles(20);
Здесь current_chapter – объект типа string, инициализированный константой "Начинаем". Переменная chapter_titles – вектор из 20 элементов строкового типа. Несколько необычный синтаксис выражения
vector
сообщает компилятору о необходимости создать вектор, содержащий объекты типа string. Для того чтобы определить вектор из 20 целых значений, необходимо написать:
vector ivec(20);
Никакой язык, никакие стандартные библиотеки не способны обеспечить нас всеми типами данных, которые могут потребоваться. Взамен современные языки программирования предоставляют механизм создания новых типов данных. В С++ для этого служит механизм классов. Все расширенные типы данных из стандартной библиотеки С++, такие как строка, комплексное число, вектор, список, являются классами, написанными на С++. Классами являются и объекты из библиотеки ввода/вывода.
Механизм классов – одна из самых главных особенностей языка С++, и в главе 2 мы рассмотрим его очень подробно.
1.2.1. Порядок выполнения инструкций
По умолчанию инструкции программы выполняются одна за другой, последовательно. В программе
int main()
{
readIn();
sort();
compact();
print();
return 0;
}
первой будет выполнена инструкция readIn(), за ней sort(), compact() и наконец print().
Однако представим себе ситуацию, когда количество продаж невелико: оно равно 1 или даже 0. Вряд ли стоит вызывать функции sort() и compact() для такого случая. Но вывести результат все-таки нужно, поэтому функцию print() следует вызывать в любом случае. Для этого случая мы можем использовать условную инструкцию if. Нам придется переписать функцию readIn() так, чтобы она возвращала количество прочитанных записей:
// readIn() возвращает количество прочитанных записей
// возвращаемое значение имеет тип int
int readIn() { ... }
// ...
int main()
{
int count = readIn();
// если количество записей больше 1,
// то вызвать sort() и compact()
if ( count > 1 ) {
sort();
compact();
}
if ( count == 0 )
cout << "Продаж не было\n";
else
print();
return 0;
}
Первая инструкция if обеспечивает условное выполнение блока программы: функции sort() и compact() вызываются только в том случае, если count больше 1. Согласно второй инструкции if на терминал выводится сообщение “Продаж не было”, если условие истинно, т.е. значение count равно 0. Если же это условие ложно, производится вызов функции print(). (Детальное описание инструкции if приводится в разделе 5.3.)
Другим распространенным способом непоследовательного выполнения программы является итерация, или инструкция цикла. Такая инструкция предписывает повторять блок программы до тех пор, пока некоторое условие не изменится с true на false. Например:
int main()
{
int iterations = 0;
bool continue_loop = true;
while ( continue_loop != false )
{
iterations++;
cout << "Цикл был выполнен " << iterations << "раз\n";
if ( iterations == 5 )
continue_loop = false;
}
return 0;
}
В этом надуманном примере цикл while выполняется пять раз, до тех пор пока переменная iterations не получит значение 5 и переменная continue_loop не станет равной false. Инструкция
iterations++;
увеличивает значение переменной iterations на единицу. (Инструкции цикла детально рассматриваются в главе 5.)
|
