--PAGE_BREAK-- Существуют, конечно, программы еще большего размера. Однако те из них, которые действительно используются, обычно можно разбить на несколько практически независимых частей, каждая из которых имеет значительно меньший упомянутого размер. Естественно, трудность написания и сопровождения программы определяется не только числом строк текста, но и сложностью предметной области. Так что приведенные здесь числа, которыми обосновывались наши соображения, не надо воспринимать слишком серьезно.
К сожалению, не всякую часть программы можно хорошо структурировать, сделать независимой от аппаратуры, достаточно понятной и т.д. В С++ есть средства, непосредственно и эффективно представляющие аппаратные возможности. Их использование позволяет избавиться от беспокойства о надежности и простоте понимания программы. Такие части программы можно скрывать, предоставляя надежный и простой интерфейс с ними.
Естественно, если С++ используется для большой программы, то это означает, что язык используют группы программистов. Полезную роль здесь сыграют свойственные языку модульность, гибкость и строго типизированные интерфейсы. В С++ есть такой же хороший набор средств для создания больших программ, как во многих языках. Но когда программа становится еще больше, проблемы по ее созданию и сопровождению перемещаются из области языка в более глобальную область программных средств и управления проектом.
В этой книге основное внимание уделяется методам создания универсальных средств, полезных типов, библиотек и т.д. Эти методы можно успешно применять как для маленьких, так и для больших программ. Более того, поскольку все нетривиальные программы состоят из нескольких в значительной степени независимых друг от друга частей, методы программирования отдельных частей пригодятся как системным, так и прикладным программистам.
Может возникнуть подозрение, что запись программы с использованием подробной системы типов, увеличит размер текста. Для программы на С++ это не так: программа на С++, в которой описаны типы формальных параметров функций, определены классы и т.п., обычно бывает даже короче своего эквивалента на С, где эти средства не используются. Когда в программе на С++ используются библиотеки, она также оказывается короче своего эквивалента на С, если, конечно, он существует.
КРАТКИЙ ОБЗОР С++
Язык программирования С++ задумывался как язык, который будет:
— лучше языка С;
— поддерживать абстракцию данных;
- поддерживать объектно-ориентированное программирование.
С++ — язык общего назначения и задуман для того, чтобы настоящие программисты получили удовольствие от самого процесса программирования. За исключением второстепенных деталей он содержит язык С как подмножество. Язык С расширяется введением гибких и эффективных средств, предназначенных для построения новых типов. Программист структурирует свою задачу, определив новые типы, которые точно соответствуют понятиям предметной области задачи. Такой метод построения программы обычно называют абстракцией данных. Информация о типах содержится в некоторых объектах типов, определенных пользователем. С такими объектами можно работать надежно и просто даже в тех случаях, когда их тип нельзя установить на стадии трансляции. Программирование с использованием таких объектов обычно называют объектно-ориентированным. Если этот метод применяется правильно, то программы становятся короче и понятнее, а сопровождение их упрощается.
Ключевым понятием С++ является класс. Класс — это определяемый пользователем тип. Классы обеспечивают упрятывание данных, их инициализацию, неявное преобразование пользовательских типов, динамическое задание типов, контролируемое пользователем управление памятью и средства для перегрузки операций. В языке С++ концепции контроля типов и модульного построения программ реализованы более полно, чем в С. Кроме того, С++ содержит усовершенствования, прямо с классами не связанные: символические константы, функции-подстановки, стандартные значения параметров функций, перегрузка имен функций, операции управления свободной памятью и ссылочный тип. В С++ сохранены все возможности С эффективной работы с основными объектами, отражающими аппаратную «реальность» (разряды, байты, слова, адреса и т.д.). Это позволяет достаточно эффективно реализовывать пользовательские типы.
Объектно-ориентированное программирование — это метод программирования, способ написания «хороших» программ для множества задач. Если этот термин имеет какой-то смысл, то он должен подразумевать: такой язык программирования, который предоставляет хорошие возможности для объектно-ориентированного стиля программирования.
Нельзя сказать, что один язык лучше другого только потому, что в нем есть возможности, которые в другом отсутствуют. Часто бывает как раз наоборот. Здесь более важно не то, какими возможностями обладает язык, а то, насколько имеющиеся в нем возможности поддерживают избранный стиль программирования для определенного круга задач.
Язык С++ проектировался для поддержки абстракции данных и объектно-ориентированного программирования в добавление к традиционному стилю С. Впрочем, это не значит, что язык требует какого-то одного стиля программирования от всех пользователей.
ПАРАДИГМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ: Процедурное программирование
Первоначальной (и, возможно, наиболее используемой) парадигмой программирования было:
Определите, какие процедуры вам нужны; используйте лучшие из известных вам алгоритмов!
Ударение делалось на обработку данных с помощью алгоритма, производящего нужные вычисления. Для поддержки этой парадигмы языки предоставляли механизм передачи параметров и получения результатов функций. Литература, отражающая такой подход, заполнена рассуждениями о способах передачи параметров, о том, как различать параметры разных типов, о различных видах функций (процедуры, подпрограммы, макрокоманды, ...) и т.д. Первым процедурным языком был Фортран, а Алгол60, Алгол68, Паскаль и С продолжили это направление.
Модульное программирование Со временем при в проектировании программ акцент сместился с организации процедур на организацию структур данных. Помимо всего прочего это вызвано и ростом размеров программ. Модулем обычно называют совокупность связанных процедур и тех данных, которыми они управляют.
Парадигма программирования приобрела вид:
Определите, какие модули нужны; поделите программу так, чтобы данные были скрыты в этих модулях
Эта парадигма известна также как «принцип сокрытия данных». Если в языке нет возможности сгруппировать связанные процедуры вместе с данными, то он плохо поддерживает модульный стиль программирования. Теперь метод написания «хороших» процедур применяется для отдельных процедур модуля.
Поскольку данные есть единственная вещь, которую хотят скрывать, понятие упрятывания данных тривиально расширяется до понятия упрятывания информации, т.е. имен переменных, констант, функций и типов, которые тоже могут быть локальными в модуле. Хотя С++ и не предназначался специально для поддержки модульного программирования, классы поддерживают концепцию модульности ($$5.4.3 и $$5.4.4). Помимо этого С++, естественно, имеет уже продемонстрированные возможности модульности, которые есть в С, т.е. представление модуля как отдельной единицы трансляции.
Абстракция данных
Модульное программирование предполагает группировку всех данных одного типа вокруг одного модуля, управляющего этим типом.
Конечно такое решение намного лучше, чем хаос, свойственный традиционным, неструктурированным решениям, но моделируемые таким способом типы совершенно очевидно отличаются от «настоящих», встроенных. Каждый управляющий типом модуль должен определять свой собственный алгоритм создания «переменных» этого типа. Не существует универсальных правил присваивания идентификаторов, обозначающих объекты такого типа. У «переменных» таких типов не существует имен, которые были бы известны транслятору или другим системным программам, и эти «переменные» не подчиняются обычным правилам областей видимости и передачи параметров.
Тип, реализуемый управляющим им модулем, по многим важным аспектам существенно отличается от встроенных типов. Такие типы не получают той поддержки со стороны транслятора (разного вида контроль), которая обеспечивается для встроенных типов. Проблема здесь в том, что программа формулируется в терминах небольших (одно-два слова) дескрипторов объектов, а не в терминах самих объектов. Это означает, что транслятор не сможет отловить глупые, очевидные ошибки.
Иными словами, концепция модульности, поддерживающая парадигму упрятывания данных, не запрещает такой стиль программирования, но и не способствует ему.
В языках Ада, Clu, С++ и подобных им эта трудность преодолевается благодаря тому, что пользователю разрешается определять свои типы, которые трактуются в языке практически так же, как встроенные. Такие типы обычно называют абстрактными типами данных, хотя лучше, пожалуй, их называть просто пользовательскими. Более строгим определением абстрактных типов данных было бы их математическое определение. Если бы удалось его дать, то, что мы называем в программировании типами, было бы конкретным представлением действительно абстрактных сущностей.
Парадигму же программирования можно выразить теперь так:
Определите, какие типы вам нужны; предоставьте полный набор операций для каждого типа.
Если нет необходимости в разных объектах одного типа, то стиль программирования, суть которого сводится к упрятыванию данных, и следование которому обеспечивается с помощью концепции модульности, вполне адекватен этой парадигме.
Большинство модулей (хотя и не все) лучше определять как пользовательские типы.
Пределы абстракции данных
Абстрактный тип данных определяется как некий «черный ящик». После своего определения он по сути никак не взаимодействует с программой. Его никак нельзя приспособить для новых целей, не меняя определения. В этом смысле это негибкое решение.
Объектно-ориентированное программирование
Объектно-ориентированное программирование наилучшим образом предоставляет технологию управления элементами любой сложности, создавая условия для многократного использования программных компонентов и объединения данных с методами их обработки.
Суть объектно-ориентированного программирования заключается в использовании концепции “объектов”, то есть, скорее, образов, чем данных.
Руководящая идея этого подхода заключается в стремлении связать данные с обрабатывающими эти данные методами в единое целое — объект. Объекты имеют характеристики и возможности.
Фактически объектно-ориентированное программирование можно рассматривать как модульное программирование нового уровня, когда вместо во многом случайного, механического объединения процедур и данных акцент делается на их смысловую связь.
Объектная модель способна одинаково хорошо описать как элементы управления графического интерфейса (типа кнопок и раскрывающихся списков), так и реальные объекты(велосипед, самолёт, кота и воду). Таким образом, задача объектно-ориентированного программирования состоит в том, чтобы правильно представить эти объекты на языке программирования.
В языке C++ полностью поддерживаются принципы объектно-ориентированного программирования, включая три кита, на которых оно состоит: инкапсуляцию, наследование и полиморфизм.
Инкапсуляция Совмещение структур данных с функциями (методами), предназначенными для манипулирования этими данными. Инкапсуляция достигается путём введения класса нового механизма структурирования и типизации данных.
Наследование Создание новых, производных классов, которые наследуют данные и функции от одного или нескольких ранее определённых базовых классов. При этом возможно переопределение или добавление новых данных и методов. В результате создаётся иерархия классов.
Полиморфизм Присвоение методу единого имени или идентификатора в рамках иерархии классов таким образом, чтобы любой класс в иерархии имел возможность по-своему выполнять связанные с этим методом действия.
Одновременно с появлением и детализацией концепции появились и основанные на ней языки программирования. Одним из первых явился алгоритмический язык Modula 2. Язык программирования Turbo Pascal, разработанный фирмой Borland, начиная с версии 5.5 стал объектно-ориентированным. Но наиболее последовательно воплощение концепция объектно-ориентированного программирования нашла в алгоритмическом языке C++.
Пусть, например, нужно определить для графической системы тип shape (фигура). Проблема состоит в том, что мы не различаем общие свойства фигур (например, фигура имеет цвет, ее можно нарисовать и т.д.) и свойства конкретной фигуры (например, окружность — это такая фигура, которая имеет радиус, она изображается с помощью функции, рисующей дуги и т.д.).
Суть объектно-ориентированного программирования в том, что оно позволяет выражать эти различия и использует их. Язык, который имеет конструкции для выражения и использования подобных различий, поддерживает объектно-ориентированное программирование. Все другие языки не поддерживают его. Здесь основную роль играет механизм наследования, заимствованный из языка Симула.
Те функции, для которых можно определить заявленный интерфейс, но реализация которых (т.е. тело с операторной частью) возможна только для конкретных фигур, отмечены служебным словом virtual (виртуальные). В Симуле и С++ виртуальность функции означает: «функция может быть определена позднее в классе, производном от данного».
Определите, какой класс вам необходим; предоставьте полный набор операций для каждого класса; общность классов выразите явно с помощью наследования.
Если общность между классами отсутствует, вполне достаточно абстракции данных. Насколько применимо объектно-ориентированное программирование для данной области приложения определяется степенью общности между разными типами, которая позволяет использовать наследование и виртуальные функции. В некоторых областях, таких, например, как интерактивная графика, есть широкий простор для объектно-ориентированного программирования. В других областях, в которых используются традиционные арифметические типы и вычисления над ними, трудно найти применение для более развитых стилей программирования, чем абстракция данных. Здесь средства, поддерживающие объектно-ориентированное программирование, очевидно, избыточны.
Нахождение общности среди отдельных типов системы представляет собой нетривиальный процесс. Степень такой общности зависит от способа проектирования системы. В процессе проектирования выявление общности классов должно быть постоянной целью. Она достигается двумя способами: либо проектированием специальных классов, используемых как «кирпичи» при построении других, либо поиском похожих классов для выделения их общей части в один базовый класс.
Для представления на С++ множества взаимозависимых классов можно использовать дружественные классы ($$5.4.1).
Еще один способ выражения общности понятий в языке предоставляют шаблоны типа. Шаблонный класс задает целое семейство классов. Например, шаблонный класс список задает классы вида «список объектов T», где T может быть произвольным типом. Таким образом, шаблонный тип указывает, как получается новый тип из заданного в качестве параметра. Самые типичные шаблонные классы — это контейнеры, в частности, списки, массивы и ассоциативные массивы.
Улучшенный С (поддержка процедурного и модульного программирования) Минимальная поддержка процедурного программирования включает функции, арифметические операции, выбирающие операторы и циклы. Помимо этого должны быть предоставлены операции ввода- вывода. Базовые языковые средства С++ унаследовал от С (включая указатели), а операции ввода-вывода предоставляются библиотекой.
Самая зачаточная концепция модульности реализуется с помощью механизма раздельной трансляции.
Поддержка абстракции данных
Поддержка программирования с абстракцией данных в основном сводится к возможности определить набор операций (функции и операции) над типом. Все обращения к объектам этого типа ограничиваются операциями из заданного набора. Однако, имея такие возможности, программист скоро обнаруживает, что для удобства определения и использования новых типов нужны еще некоторые расширения языка. Хорошим примером такого расширения является
перегрузка операций.
Поддержка объектно-ориентированного программирования
Поддержку объектно-ориентированного программирования обеспечивают классы вместе с механизмом наследования, а также механизм вызова функций-членов в зависимости от истинного типа объекта (дело в том, что возможны случаи, когда этот тип неизвестен на стадии трансляции). Особенно важную роль играет механизм вызова функций-членов. Не менее важны средства, поддерживающие абстракцию данных (о них мы говорили ранее). Все доводы в пользу абстракции данных и базирующихся на ней методов, которые позволяют естественно и красиво работать с типами, действуют и для языка, поддерживающего объектно-ориентированное программирование. Успех обоих методов зависит от способа построения типов, от того, насколько они просты, гибки и эффективны. Метод объектно-ориентированного программирования позволяет определять более общие и гибкие пользовательские типы по сравнению с теми, которые получаются, если использовать только абстракцию данных.
Итак, мы указали, какую минимальную поддержку должен обеспечивать язык программирования для процедурного программирования, для упрятывания данных, абстракции данных и объектно-ориентированного программирования.
Пределы совершенства
Язык С++ проектировался как «лучший С», поддерживающий абстракцию данных и объектно-ориентированное программирование. При этом он должен быть пригодным для большинства основных задач системного программирования.
Основная трудность для языка, который создавался в расчете на методы упрятывания данных, абстракции данных и объектно-ориентированного программирования, в том, что для того, чтобы быть языком общего назначения, он должен:
— идти на традиционных машинах;
— сосуществовать с традиционными операционными системами и языками;
— соперничать с традиционными языками программирования в эффективности
выполнения программы;
— быть пригодным во всех основных областях приложения.
Это значит, что должны быть возможности для эффективных числовых операций (арифметика с плавающей точкой без особых накладных расходов, иначе пользователь предпочтет Фортран) и средства такого доступа к памяти, который позволит писать на этом языке драйверы устройств. Кроме того, надо уметь писать вызовы функций в достаточно непривычной записи, принятой для обращений в традиционных операционных системах. Наконец, должна быть возможность из языка, поддерживающего объектно-ориентированное программирование, вызывать функции, написанные на других языках, а из других языков вызывать функцию на этом языке, поддерживающем объектно-ориентированное программирование.
Далее, нельзя рассчитывать на широкое использование искомого языка программирования как языка общего назначения, если реализация его целиком полагается на возможности, которые отсутствуют в машинах с традиционной архитектурой.
Если не вводить в язык возможности низкого уровня, то придется для основных задач большинства областей приложения использовать некоторые языки низкого уровня, например С или ассемблер. Но С++ проектировался с расчетом, что в нем можно сделать все, что допустимо на С, причем без увеличения времени выполнения. Вообще, С++ проектировался, исходя из принципа, что не должно возникать никаких дополнительных затрат времени и памяти, если только этого явно не пожелает сам программист.
Язык проектировался в расчете на современные методы трансляции, которые обеспечивают проверку согласованности программы, ее эффективность и компактность представления. Основным средством борьбы со сложностью программ видится, прежде всего, строгий контроль типов и инкапсуляция. Особенно это касается больших программ, создаваемых многими людьми. Пользователь может не являться одним из создателей таких программ, и может вообще не быть программистом. Поскольку никакую настоящую программу нельзя написать без поддержки библиотек, создаваемых другими программистами, последнее замечание можно отнести практически ко всем программам.
С++ проектировался для поддержки того принципа, что всякая программа есть модель некоторых существующих в реальности понятий, а класс является конкретным представлением понятия, взятого из области приложения ($$12.2). Поэтому классы пронизывают всю программу на С++, и налагаются жесткие требования на гибкость понятия класса, компактность объектов класса и эффективность их использования. Если работать с классами будет неудобно или слишком накладно, то они просто не будут использоваться, и программы выродятся в программы на «лучшем С». Значит пользователь не сумеет насладиться теми возможностями, ради которых, собственно, и создавался язык.
Заключение
Как было обещано в первом издании книги «Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ », запросы пользователей определили развитие С++. Его направлял опыт широкого круга пользователей, работающих в разных областях программирования. За шесть лет, отделяющих нас от первого издания описания С++, число пользователей возросло в сотни раз. За эти годы были усвоены многие уроки, были предложены и подтвердили практикой свое право на существование различные приемы программирования.
Язык C++ явился мощным и стремительным рывком в развитии программирования. C++ и по сей день занимает господствующее положение среди языков программирования в мире. Огромное множество профессиональных программистов использует именно его при разработке разного рода проектов. Очевидно, этот язык будет сохранять свое солидное положение ещё не один год, при этом по-прежнему развиваясь и совершенствуясь.
Список литературы
1. «Бьерн Страуструп. Язык программирования С++»
Джесс либерти, «Освой самостоятельно C++ за 21 день», изд. Дом «Вильямс», Москва — Санкт-Петербург – Киев, 2001 Н. Секунов, «Самоучитель Visual C++ 6», изд. «БХВ-Петербург», Санкт-Петербург, 2003
Ссылки на литературу
Здесь приведен список книг и статей, на которые есть прямые ссылки, а также тех, которые только упоминаются.
[1] A.V.Aho, J.E.Hopcroft, and J.D.Ulman: Data Structures and Algoritms. Addison-Wesley, Reading, Massachusetts. 1983.
[2] O-J.Dahl, B.Myrhaug, and K.Nugaard: SIMULA Common Base Language. Norwegian Computing Ctnter S-22. Oslo, Norway. 1970
[3] O-J.Dahl and C.A.R.Hoare: Hierarhical Program Construction in Structured Programming. Academic Press, New York. 1972. pp. 174-220.
[4] Margaret A.Ellis and Bjarne Stroustrup: The Annotated C++ Reference Manual. Addison-Wesley, Reading, Massachusetts. 1990.
[5] A.Goldberg and D.Rodson: SMALLTALK-80 — The Language and Its Implementation. Addison-Wesley, Reading, Massachusetts. 1983.
[6] R.E.Griswold et.al.: The Snobol14 Programming Language. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersy, 1970.
[7] R.E.Griswold and M.T.Griswold: The ICON Programming Language. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersy. 1983.
[8] Brian W.Kernighan and Dennis M.Ritchie: The C Programming Language. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersy. 1978. Second edition 1988.
[9] Andrew Koenig and Bjarne Stroustrup: C++: As Close to C as possible — but no closer. The C++ Report. Vol.1 No.7. July 1989.
[10] Andrew Koenig and Bjarne Stroustrup: Exception Handling for C++ (revised). Proc USENIX C++ Conference, April 1990. Also, Journal of Object Oriented Programming, Vol.3 No.2, July/August 1990. pp.16-33.
[11] Barbara Liskov et.al.: CLU Reference Manual. MIT/LCS/TR-225.
[12] George Orwell: 1984. Secker and Warburg, London. 1949.
[13] Martin Richards and Colin Whitby-Strevens: BCPL — The Language and Its Compiler. Cambridge University Press. 1980.
[14] L.Rosler: The Evolution of C — Past and Future. AT&T Bell Laboratories Technical Journal. Vol.63 No.8 Part 2. October 1984. pp.1685-1700.
[15] Ravi Sethi: Uniform Syntax for Type Exdivssions and Declarations. Software Practice & Experience, Vol.11. 1981. pp.623-628.
[16] Bjarne Stroustrup: Adding Classes to C: An Exercise in Language Evolution. Software Practice & Experience, Vol.13. 1983. pp.139-61.
[17] Bjarne Stroustrup: The C++ Programming Language. Addison-Wesley. 1986.
[18] Bjarne Stroustrup: Multiple Inheritance for C++. Proc. EUUG Spring Conference, May 1987. Also USENIX Computer Systems, Vol.2 No 4, Fall 1989.
[19] Bjarne Stroustrup and Jonathan Shopiro: A Set of C classes for Co-Routine Style Programming. Proc. USENIX C++ conference, Santa Fe. November 1987. pp.417-439.
[20] Bjarne Stroustrup: Type-safe Linkage for C++. USENIX Computer Systems, Vol.1 No.4 Fall 1988.
[21] Bjurne Stroustrup: Parameterized Type for C++. Proc. USENIX C++ Conference, Denver, October 1988. pp.1-18. Also, USENIX Computer Systems, Vol.2 No.1 Winter 1989.
[22] Bjarne Stroustrup: Standardizing C++. The C++ Report. Vol.1 No.1. January 1989.
[23] Bjarne Stroustrup: The Evolution of C++: 1985-1989. USENIX Computer Systems, V