Структура книги
“C++ для начинающих” содержит обстоятельное введение в международный стандарт С++. Мы включили в название книги слова “для начинающих” потому, что последовательно придерживались учебного подхода к описанию языка С++; однако название не предполагает упрощенного или облегченного изложения материала. Такие аспекты программирования, как обработка исключений, контейнерные типы, объектно-ориентированный подход и т.п., представлены в книге в контексте решения конкретных задач. Правила языка, например разрешение перегруженных функций или преобразования типов в объектно-ориентированном программировании, рассматриваются столь подробно, что во вводном курсе это может показаться неуместным. Но мы уверены, что такое освещение необходимо для практического применения языка. Материал книги не нужно стараться усвоить “за один проход”: мы предполагаем, что читатель будет периодически возвращаться к ранее прочитанным разделам. Если некоторые из них покажутся вам слишком трудными или просто скучными, отложите их на время. (Подозрительные разделы мы помечали значком *.)
Читатель может не знать язык С, хотя некоторое знакомство с каким-либо современным структурным языком программирования было бы полезно. Мы писали книгу, которая стала бы первым учебником по С++, а не первым учебником по программированию! Чтобы не делать предположений о начальном уровне подготовки, мы начинаем с определения базовых терминов. В первых главах описываются базовые концепции, такие, как переменные и циклы, и для некоторых читателей изложение может показаться слишком примитивным, но вскоре оно становится более углубленным.
Основное достоинство С++ заключается в том, что он поддерживает новые способы решения программистских задач. Поэтому чтобы научиться эффективно использовать С++, недостаточно просто выучить новые синтаксис и семантику. Для более глубокого усвоения в книге рассматриваются разнообразные сквозные примеры. Эти примеры используются как для того, чтобы представить разные средства языка, так и для того, чтобы объяснить, зачем эти средства нужны. Изучая возможности языка в контексте реального примера, мы понимаем, чем полезно то или иное средство, как и где его можно применить при решении задач из реальной жизни. Кроме того, на примерах проще продемонстрировать понятия языка, которые еще детально не рассматривались и излагаются лишь в последующих главах. В начальных главах примеры содержат простые варианты использования базовых понятий С++. Их цель– показать, как можно программировать на С++, не углубляясь в детали проектирования и реализации.
Главы 1 и 2 представляют собой полное введение в язык С++ и его обзор. Назначение первой части – как можно быстрее познакомить читателя с понятиями и средствами данного языка, а также основными принципами написания программ.
По окончании этой части у вас должно сложиться некоторое общее представление о возможностях С++, но вместе с тем вполне может остаться ощущение, что вы совсем ничего толком не понимаете. Все нормально: упорядочению ваших знаний как раз и посвящены остальные части книги!
В главе 1 представлены базовые элементы языка: встроенные типы данных, переменные, выражения, инструкции и функции. Мы увидим минимальную законченную программу на С++, обсудим вопросы компиляции, коснемся препроцессора и поддержки ввода/вывода. В этой главе читатель найдет ряд простых, но законченных С++ программ, которые можно откомпилировать и выполнить. Глава 2 посвящена механизму классов и тому, как с его помощью поддержаны парадигмы объектного и объектно-ориентированного программирования. Оба эти подхода иллюстрируются развитием реализации массива как абстрактного типа. Кроме того, приводится краткая информация о шаблонах, пространствах имен, обработке исключений и о поддержке стандартной библиотекой общих контейнерных типов и методов обобщенного (generic) программирования. Материал в этой главе излагается весьма стремительно, и потому некоторым читателям она может показаться трудной. Мы рекомендуем таким читателям просмотреть вторую главу “по диагонали” и вернуться к ней впоследствии.
Фундаментальной особенностью С++ является возможность расширять язык, определяя новые типы данных, которые могут использоваться с тем же удобством и гибкостью, что и встроенные. Первым шагом к овладению этим искусством является знание базового языка. Часть II (главы 3-6) посвящена рассмотрению языка на этом уровне.
В главе 3 представлены встроенные и составные типы, предопределенные в языке, а также типы string, complex и vector из стандартной библиотеки С++. Эти типы составляют основные “кирпичики”, из которых строятся все программы. В главе 4 детально освещаются выражения языка – арифметические, условные, присваивания. Инструкции языка, которые являются мельчайшими независимыми единицами С++ программы, представлены в главе 5. Контейнерные типы данных стали предметом главы 6. Вместо простого перечисления совокупности поддерживаемых ими операций, мы иллюстрируем операции на примере построения системы текстового поиска.
Главы 7-12 (часть III) посвящены процедурно-ориентированному программированию на С++. В главе 7 представлен механизм функций. Функция инкапсулирует набор операций, составляющих единую задачу, как, например, print(). (Круглые скобки после имени говорят о том, что мы имеем дело с функцией.) Такие понятия, как область видимости и время жизни переменных, рассматриваются в главе 8. Обзор механизма функций продолжен в главе 9: речь пойдет о перегрузке функций, которая позволяет присвоить одно и то же имя нескольким функциям, выполняющим похожие, но по-разному реализованные операции. Например, можно определить целый набор функций print() для печати данных разных типов. В главе 10 представлено понятие шаблона функции и приведены примеры его использования. Шаблон функции предназначен для автоматической генерации потенциально бесконечного множества экземпляров функций, отличающихся только типами данных.
С++ поддерживает обработку исключений. Об исключении говорят, когда в программе возникает нестандартная ситуация, такая, например, как нехватка свободной памяти. В том месте программы, где это происходит, возбуждается
исключение, то есть о проблеме ставится в известность вызывающая программа. Какая-то другая функция в программе должна обработать исключение, то есть как-то отреагировать на него. Материал об исключениях разбит на две части. В главе 11 описан основной синтаксис и приведен простой пример, иллюстрирующий возбуждение и обработку исключений типа класса. Поскольку реальные исключения в программах обычно являются объектами некоторой иерархии классов, то мы вернемся к этому вопросу в главе 19, после того как узнаем, что такое объектно-ориентированное программирование.
В главе 12 представлена обширная коллекция обобщенных алгоритмов стандартной библиотеки и способы их применения к контейнерным типам из главы 6, а также к массивам встроенных типов. Эта глава начинается разбором примера построения программы с использованием обобщенных алгоритмов. Итераторы, введенные в главе 6, обсуждаются более детально в главе 12, поскольку именно они являются связующим звеном между обобщенными алгоритмами и контейнерными типами. Также мы вводим и иллюстрируем на примерах понятие объекта-функции. Объекты-функции позволяют задавать альтернативную семантику операций, используемых в обобщенных алгоритмах, – скажем, операций сравнения на равенство или по величине. Детальное описание самих алгоритмов и примеры их использования приводятся в приложении.
Главы 13-16 ( часть IV) посвящены объектному программированию, то есть использованию механизма классов для создания абстрактных типов данных. С помощью типов данных, описывающих конкретную предметную область, язык С++ позволяет программистам сосредоточиться на решении основной задачи и тратить меньше усилий на второстепенные. Фундаментальные для приложения типы данных могут быть реализованы один раз и использованы многократно, что дает программисту возможность не думать о деталях реализации главной задачи. Инкапсуляция данных значительно упрощает последующее сопровождение и модификацию программы.
В главе 13 основное внимание мы уделим общим вопросам механизма классов: как определить класс, что такое сокрытие информации (разделение открытого интерфейса и скрытой реализации), как определять экземпляры класса и манипулировать ими. Мы также коснемся областей видимости класса, вложенных классов и классов как членов пространства имен.
В главе 14 детально исследуются средства, имеющиеся в С++ для инициализации и уничтожения объектов класса и для присваивания им значений. Для этих целей служат специальные функции-члены, называемые конструкторами, деструкторами и копирующими операторами
присваивания. Мы рассмотрим вопрос о почленной инициализации и копировании, а также специальную оптимизацию для этого случая, которая получила название именованное возвращаемое значение.
В главе 15 мы рассмотрим перегрузку операторов применительно к классам. Сначала мы остановимся на общих понятиях и вопросах проектирования, а затем перейдем к рассмотрению конкретных операторов, таких, как присваивание, доступ по индексу, вызов функции, а также операторов new и delete, специфичных для классов.
Будет представлено понятие дружественного класса, имеющего особые права доступа, и объяснено, зачем нужны друзья. Будут рассмотрены и определенные пользователями преобразования типов, стоящие за ними концепции и примеры использования. Кроме того, приводятся правила разрешения функций при перегрузке, иллюстрируемые примерами программного кода.
Шаблоны классов – тема главы 16. Шаблон класса можно рассматривать как алгоритм создания экземпляра класса, в котором параметры шаблона подлежат замене на конкретные значения типов или констант. Скажем, в шаблоне класса vector параметризован тип его элементов. В классе для представления некоторого буфера можно параметризовать не только тип размещаемых элементов, но и размер самого буфера. При разработке сложных механизмов, например в области распределенной обработки данных, могут быть параметризованы практически все интерфейсы: межпроцессной коммуникации, адресации, синхронизации. В главе 16 мы расскажем, как определить шаблон класса, как создать экземпляр класса, подставляя в шаблон конкретные значения, как определить члены шаблона класса (функции-члены, статические члены и вложенные типы) и как следует организовывать программу, в которой используются шаблоны классов. Заканчивается эта глава содержательным примером шаблона класса.
Объектно-ориентированному программированию (ООП) и его поддержке в С++ посвящены главы 17-20 (часть IV). В главе 17 описываются средства поддержки базовых концепций ООП – наследования и позднего связывания. В ООП между классами, имеющими общие черты поведения, устанавливаются отношения родитель/потомок (или тип/подтип). Вместо того чтобы повторно реализовывать общие характеристики, класс-потомок может унаследовать их от класса-родителя. В класс-потомок (подтип) следует добавить только те детали, которые отличают его от родителя. Например, мы можем определить родительский класс Employee (работник) и двух его потомков: TemporaryEmpl (временный работник) и Manager (начальник), которые наследуют все поведение Employee. В них самих реализованы только специфичные для подтипа особенности. Второй аспект ООП, полиморфизм, позволяет родительскому классу представлять любого из своих наследников. Скажем, класс Employee может адресовать не только объект своего типа, но и объект типа TemporaryEmpl или Manager. Позднее связывание – это способность разрешения операций во время выполнения, то есть выбора нужной операции в зависимости от реального типа объекта. В С++ это реализуется с помощью механизма виртуальных функций.
Итак, в главе 17 представлены базовые черты ООП. В ней мы продолжим начатую в главе 6 работу над системой текстового поиска – спроектируем и реализуем иерархию классов запросов Query.
В главе 18 разбираются более сложные случаи наследования – множественное и виртуальное. Шаблон класса из главы 16 получает дальнейшее развитие и становится трехуровневой иерархией с множественным и виртуальным наследованием.
В главе 19 представлено понятие идентификации типа во время выполнения (RTTI – run time type identification). RTTI позволяет программе запросить у полиморфного объекта класса информацию о его типе во время выполнения. Например, мы можем спросить у объекта Employee, действительно ли он представляет собой объект типа Manager. Кроме того, в главе 19 мы вернемся к исключениям и рассмотрим иерархию классов исключений стандартной библиотеки, приводя примеры построения и использования своей собственной иерархии классов исключений. В этой главе рассматривается также вопрос о разрешении перегруженных функций в случае наследования классов.
В главе 20 подробно рассматривается использование библиотеки ввода/вывода iostream. Здесь мы на примерах покажем основные возможности ввода и вывода, расскажем, как определить свои операторы ввода и вывода для класса, как проверять состояние потока и изменять его, как форматировать данные. Библиотека ввода/вывода представляет собой иерархию классов с множественным и виртуальным наследованием.
Завершается книга приложением, где все обобщенные алгоритмы приведены в алфавитном порядке, с примерами их использования.
При написании книги зачастую приходится оставлять в стороне множество вопросов, которые представляются не менее важными, чем вошедшие в книгу. Отдельные аспекты языка – детальное описание того, как работают конструкторы, в каких случаях создаются временные объекты, общие вопросы эффективности – не вписывались во вводный курс. Однако эти аспекты имеют огромное значение при проектировании реальных приложений. Перед тем как взяться за “C++ для начинающих”, Стен написал книгу “Inside the C++ Object Model” [LIPPMAN96a], в которой освещаются именно эти вопросы. В тех местах “C++ для начинающих”, где читателю может потребоваться более детальная информация, даются ссылки на разделы указанной книги.
Некоторые части стандартной библиотеки С++ были сознательно исключены из рассмотрения, в частности поддержка национальных языков и численные методы. Стандартная библиотека С++ очень обширна, и все ее аспекты невозможно осветить в одном учебнике. Материал по отсутствующим вопросам вы можете найти в книгах, приведенных в списке литературы ([MUSSER96] и [STRUOSTRUP97u]). Наверняка вскоре выйдет еще немало книг, освещающих различные аспекты стандартной библиотеки С++.
