C++: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Название С++ выдумал Рик Масситти. Название указывает на эволюционную природу перехода к нему от C. «++» – это операция приращения в C. Чуть более короткое имя C+ является синтаксической ошибкой, кроме того, оно уже было использовано как имя совсем другого языка. Знатоки семантики C находят, что С++ хуже, чем ++C. Названия D язык не получил, поскольку он является расширением C и в нем не делается попыток исцелиться от проблем путем выбрасывания различных особенностей. Еще одну интерпретацию названия С++ можно найти в приложении к Оруэллу [8].

Изначально С++ был разработан, чтобы автору и его друзьям не приходилось программировать на ассемблере, C или других современных языках высокого уровня. Основным его предназначением было сделать написание хороших программ более простым и приятным для отдельного программиста. Плана разработки С++ на бумаге никогда не было. Проект, документация и реализация двигались одновременно. Разумеется, внешний интерфейс С++ был написан на С++. Никогда не существовало «Проекта С++» и «Комитета по разработке С++». Поэтому С++ развивался и продолжает развиваться во всех направлениях, чтобы справляться со сложностями, с которыми сталкиваются пользователи, а также в процессе дискуссий автора с его друзьями и коллегами.

В качестве базового языка для С++ был выбран C, потому что он

1. многоцелевой, лаконичный и относительно низкого уровня,

2. отвечает большинству задач системного программирования,

3. идет везде и на всем и

4. пригоден в среде программирования UNIX.

В C есть свои сложности, но в наспех спроектированном языке тоже были бы свои, а сложности C нам известны. Самое главное, работа с C позволила «C с Классами» быть полезным (правда, неудобным) инструментом в ходе первых месяцев раздумий о добавлении к C Simula-подобных классов.

С++ стал использоваться шире, и по мере того, как возможности, предоставляемые им помимо возможностей C, становились все более существенными, вновь и вновь поднимался вопрос о том, сохранять ли совместимость с C. Ясно, что отказавшись от определенной части наследия C можно было бы избежать ряда проблем (см., например, Сэти [12]). Это не было сделано, потому что

1. есть миллионы строк на C, которые могли бы принести пользу в С++ при условии, что их не нужно было бы полностью переписывать с C на С++,

2. есть сотни тысяч строк библиотечных функций и сервисных программ, написанных на C, которые можно было бы использовать из или на С++ при условии, что С++ полностью совместим с C по загрузке и синтаксически очень похож на C,

3. есть десятки тысяч программистов, которые знают C, и которым, поэтому, нужно только научиться использовать новые особенности С++, а не заново изучать его основы и

4. поскольку С++ и C будут использоваться на одних и тех же системах одними и теми же людьми, отличия должны быть либо очень большими, либо очень маленькими, чтобы свести к минимуму ошибки и недоразумения.

Позднее была проведена проверка определения С++, чтобы удостовериться в том, что любая конструкция, допустимая и в C и в С++, действительно означает в обоих языках одно и то же.

Язык C сам эволюционировал за последние несколько лет, частично под влиянием развития С++ (см. Ростлер [11]). Предварительный грубый ANSI стандарт C [10] содержит синтаксис описаний функций, заимствованный из «C с Классами». Заимствование идей идет в обе стороны. Например, указатель void* был придуман для ANSI C и впервые реализован в С++. Когда ANSI стандарт разовьется несколько дальше, придет время пересмотреть С++, чтобы удалить необоснованную несовместимость. Будет, например, модернизирован препроцессор (#с.11), и нужно будет, вероятно, отрегулировать правила выполнения плавающей арифметики. Это не должно оказаться болезненным, и C и ANSI C очень близки к тому, чтобы стать подмножествами С++ (см. #с.11).

Эффективность и Структура

С++ был развит из языка программирования C и за очень немногими исключениями сохраняет C как подмножество. Базовый язык, C подмножество С++, спроектирован так, что имеется очень близкое соответствие между его типами, операциями и операторами и компьютерными объектами, с которыми непосредственно приходится иметь дело: числами, символами и адресами. За исключением операций свободной памяти new и delete, отдельные выражения и операторы С++ обычно не нуждаются в скрытой поддержке во время выполнения или подпрограммах.

В С++ используются те же последовательности вызова и возврата из функций, что и в C. В тех случаях, когда даже этот довольно эффективный механизм является слишком дорогим, С++ функция может быть подставлена inline, удовлетворяя, таким образом, соглашению о записи функций без дополнительных расходов времени выполнения.

Одним из первоначальных предназначений C было применение его вместо программирования на ассемблере в самых насущных задачах системного программирования. Когда проектировался С++, были приняты меры, чтобы не ставить под угрозу успехи в этой области. Различие между C и С++ состоит в первую очередь в степени внимания, уделяемого типам и структурам. C выразителен и снисходителен. С++ еще более выразителен, но чтобы достичь этой выразительности, программист должен уделить больше внимания типам объектов. Когда известны типы объектов, компилятор может правильно обрабатывать выражения, тогда как в противном случае программисту пришлось бы задавать действия с мучительными подробностями. Знание типов объектов также позволяет компилятору обнаруживать ошибки, которые в противном случае остались бы до тестирования. Заметьте, что использование системы типов для того, чтобы получить проверку параметров функций, защитить данные от случайного искажения, задать новые операции и т.д., само по себе не увеличивает расходов по времени выполнения и памяти.

Особое внимание, уделенное при разработке С++ структуре, отразилось на возрастании масштаба программ, написанных со времени разработки C. Маленькую программу (меньше 1000 строк) вы можете заставить работать с помощью грубой силы, даже нарушая все правила хорошего стиля. Для программ больших размеров это не совсем так. Если программа в 10 000 строк имеет плохую структуру, то вы обнаружите, что новые ошибки появляются так же быстро, как удаляются старые. С++ был разработан так, чтобы дать возможность разумным образом структурировать большие программы таким образом, чтобы для одного человека не было непомерным справляться с программами в 25 000 строк. Существуют программы гораздо больших размеров, однако те, которые работают, в целом, как оказывается, состоят из большого числа почти независимых частей, размер каждой из которых намного ниже указанных пределов. Естественно, сложность написания и поддержки программы зависит от сложности разработки, а не просто от числа строк текста программы, так что точные цифры, с помощью которых были выражены предыдущие соображения, не следует воспринимать слишком серьезно.

Не каждая часть программы, однако, может быть хорошо структурирована, независима от аппаратного обеспечения, легко читаема и т.п. С++ обладает возможностями, предназначенными для того, чтобы непосредственно и эффективно работать с аппаратными средствами, не заботясь о безопасности или простоте понимания. Он также имеет возможности, позволяющие скрывать такие программы за элегантными и надежными интерфейсами.

В этой книге особый акцент делается на методах создания универсальных средств, полезных типов, библиотек и т.д. Эти средства пригодятся как тем программистам, которые пишут небольшие программы, так и тем, которые пишут большие. Кроме того, поскольку все нетривиальные программы состоят из большого числа полунезависимых частей, методы написания таких частей пригодятся и системным, и прикладным программистам.

У кого-то может появиться подозрение, что спецификация программы с помощью более подробной системы типов приведет к увеличению исходных текстов программы. В С++ это не так. С++ программа, описывающая типы параметров функций, использующая классы и т.д., обычно немного короче эквивалентной C программы, в которой эти средства не используются.

Философские Замечания

Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык, который настолько «близок к машине», что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. С таким умыслом первоначально задумывался C. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько «близок к решаемой задаче», чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко. С таким умыслом предварительно задумывались средства, добавленные к C для создания С++.

Связь между языком, на котором мы думаем/программируем, и задачами и решениями, которые мы можем представлять в своем воображении, очень близка. По этой причине ограничивать свойства языка только целями исключения ошибок программиста в лучшем случае опасно. Как и в случае с естественными языками, есть огромная польза быть по крайней мере двуязычным. Язык предоставляет программисту набор концептуальных инструментов, если они не отвечают задаче, то их просто игнорируют. Например, серьезные ограничения концепции указателя заставляют программиста применять вектора и целую арифметику, чтобы реализовать структуры, указатели и т.п. Хорошее проектирование и отсутствие ошибок не может гарантироваться чисто за счет языковых средств.

Система типов должна быть особенно полезна в нетривиальных задачах. Действительно, концепция классов в С++ показала себя мощным концептуальным средством.

Размышления о Программировании на С++

В идеальном случае подход к разработке программы делится на три части: вначале получить ясное понимание задачи, потом выделить ключевые идеи, входящие в ее решение, и наконец выразить решение в виде программы. Однако подробности задачи и идеи решения часто становятся ясны только в результате попытки выразить их в виде программы – именно в этом случае имеет значение выбор языка программирования.

В большинстве разработок имеются понятия, которые трудно представить в программе в виде одного из основных типов или как функцию без ассоциированных с ней статических данных. Если имеется подобное понятие, опишите класс, представляющий его в программе. Класс – это тип, это значит, что он задает поведение объектов его класса: как они создаются, как может осуществляться работа с ними, и как они уничтожаются. Класс также задает способ представления объектов. Но на ранних стадиях разработки программы это не является (не должно является) главной заботой. Ключом к написанию хорошей программы является разработка таких классов, чтобы каждый из них представлял одно основное понятие. Обычно это означает, что программист должен сосредоточиться на вопросах: Как создаются объекты этого класса? Могут ли эти объекты копироваться и/или уничтожаться? Какие действия можно производить над этими объектами? Если на такие вопросы нет удовлетворительных ответов, то во-первых, скорее всего, понятие не было «ясно», и может быть неплохо еще немного подумать над задачей и предлагаемым решением, вместо того, чтобы сразу начинать «программировать» сложности.