ПРОГРАММИРОВАНИЕ II Емельянов Павел Геннадьевич к.ф.-м.н., с.н.с. ИСИ СО РАН emelianov@iis.nsk.su. - презентация

1 ПРОГРАММИРОВАНИЕ II Емельянов Павел Геннадьевич к.ф.-м.н., с.н.с. ИСИ СО РАН

2 Общий план курса Объектно-ориентированное программирование (на примере основных концепций языка C++) Объектно-ориентированное проектирование. Модели данных и базы данных (на примере XML и реляционных МД и БД) Организация взаимодействия между компьютером и человеком (на примере программных графических интерфейсов в среде Windows)

3 Часть I. Основы языка С++ Концепция класса. Видимость членов. Конструкторы/деструкторы. Статические члены и методы. Перегрузка имен. Переопределение операторов. Друзья класса. Области видимости и пространства имен. Исключения. Шаблоны. Наследование. STL.

4 Литература 1.Б. Страуструп. Язык программирования С++. Третье издание: Пер. с англ. – М: М: ДМК Пресс; СПб: Питер, с. 2.Б. Страуструп. Дизайн и эволюция С++. Пер. с англ. – М: ДМК Пресс; СПб: Питер, с. 3.Н. Джосьютис. C++ Стандартная библиотека. Для профессионалов. Пер. с англ. – СПб: Питер, с. 4. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на C++, Второе издание: Пер. с англ. – М: Бином, с. 5. Курсы Интернет университета информационных технологий.

sp=0; st->sz=size; st->bf=(int*)malloc(size*sizeof(int)); } void deinit_stack(Stack* st) { free(st->bf); } int empty(Stack* st) { return st->sp==0; } void push(Stack* st,i" title="Программа на С #include "myStack.h" void init_stack(Stack* st, int size) { st->sp=0; st->sz=size; st->bf=(int*)malloc(size*sizeof(int)); } void deinit_stack(Stack* st) { free(st->bf); } int empty(Stack* st) { return st->sp==0; } void push(Stack* st,i" class="link_thumb"> 5 Программа на С #include "myStack.h" void init_stack(Stack* st, int size) { st->sp=0; st->sz=size; st->bf=(int*)malloc(size*sizeof(int)); } void deinit_stack(Stack* st) { free(st->bf); } int empty(Stack* st) { return st->sp==0; } void push(Stack* st,int x) { if (st->sp==st->sz) { printf("error: stack overflow"); return; } st->bf[st->sp++]=x; } int pop(Stack* st) { if (empty(st)) { printf("error: stack underflow"); return 0; } return st->bf[--st->sp]; } #include "myStack.h" void main() { Stack st; init_stack(&st,100); push(&st,5);... while (! empty(&st)) { int x=pop(&st);... push(&st,x*x);... } deinit_stack(&st); } файл myStack.c файл prog.c typedef struct { int sz; int sp; int* bf; } Stack; void init_stack(Stack*, int); void deinit_stack(Stack*); int empty(Stack*); void push(Stack*,int); int pop(Stack*); файл myStack.h sp=0; st->sz=size; st->bf=(int*)malloc(size*sizeof(int)); } void deinit_stack(Stack* st) { free(st->bf); } int empty(Stack* st) { return st->sp==0; } void push(Stack* st,i"> sp=0; st->sz=size; st->bf=(int*)malloc(size*sizeof(int)); } void deinit_stack(Stack* st) { free(st->bf); } int empty(Stack* st) { return st->sp==0; } void push(Stack* st,int x) { if (st->sp==st->sz) { printf("error: stack overflow"); return; } st->bf[st->sp++]=x; } int pop(Stack* st) { if (empty(st)) { printf("error: stack underflow"); return 0; } return st->bf[--st->sp]; } #include "myStack.h" void main() { Stack st; init_stack(&st,100); push(&st,5);... while (! empty(&st)) { int x=pop(&st);... push(&st,x*x);... } deinit_stack(&st); } файл myStack.c файл prog.c typedef struct { int sz; int sp; int* bf; } Stack; void init_stack(Stack*, int); void deinit_stack(Stack*); int empty(Stack*); void push(Stack*,int); int pop(Stack*); файл myStack.h"> sp=0; st->sz=size; st->bf=(int*)malloc(size*sizeof(int)); } void deinit_stack(Stack* st) { free(st->bf); } int empty(Stack* st) { return st->sp==0; } void push(Stack* st,i" title="Программа на С #include "myStack.h" void init_stack(Stack* st, int size) { st->sp=0; st->sz=size; st->bf=(int*)malloc(size*sizeof(int)); } void deinit_stack(Stack* st) { free(st->bf); } int empty(Stack* st) { return st->sp==0; } void push(Stack* st,i">

6 Задачи, которые хотелось бы решить при создании нового языка Удобное моделирование математических концепций (в С пользовательские типы не ведут себя как стандартные, конструирование новых типов из существующих,...). Повышение надежности создаваемых программных систем (в С слаб даже статический типовой контроль, неудобные средства обработки исключительных ситуаций,...). Разработка больших программных систем (использование старого кода, пере использование существующих программных компонент,...).

7 Краткая история С++ Язык С – 1970 год (действующий ISO стандарт – 1990 год). Начало 80-х – С с классами. Simula 67, Clu, Smalltalk, Ada, Algol 68, Modula-2, ML. Первая версия языка С++ – 1983 год (действующий ISO стандарт – 1998 год). Managed Extensions for C++ –> Ecma C++/CLI.

8 Что является С и не является С++ Отсутствие типа подразумевает int. Устаревшее описание параметров функций и процедур. В С++ появились новые ключевые слова. Макросы С – ключевые слова С++. В С возможен goto в обход инициализации. В С в инициализаторе массива может быть больше элементов: char a[3]=abc;

9 Новые возможности С++ Константы, инициализаторы в операторах, новое в приведении типов, параметры по умолчанию, операторы распределения динамической памяти. Концепция класса, контроль доступа, виды хранения, конструкторы/деструкторы. Производные классы. Виртуальность/абстрактные классы. Перегрузка операторов. Шаблоны. Стандартная библиотека. Обработка исключений. Доступ к типовой информации во время исполнения.

10 Логический тип bool int x=0; bool b = x==1;//значения типа bool: true/false int y=int(b);//у имеет значение 0 x=int(y == 0);//x имеет значение 1 b=123; //b имеет значение true

11 Константы #define PI //стиль С const float PI = ; const int v[]={1,2,3}; //массив констант void f(const int* n) { *n=123; //ошибка: менять *n нельзя } … int x; //переменная … f(&x); //гарантируется, что значение не //изменится …

12 Указатели и константы void Proc(char * p, const char * q) { char s[]=abc; const char * pc=s; //указатель на константу pc[1]=z; //ошибка pc=p; char * const cp=s; //константный указатель cp[1]=z; cp=p; //ошибка const char * const cpc=s; //константный указатель на //константу cpc[1]=z; //ошибка cpc=p; //ошибка *q=z; //ошибка: нельзя изменить *q }

13 Ссылки: пример из Паскаля procedure Inc(var x:integer ) begin x:=x+1; end; … Inc(y); … procedure Inc(x:^integer) begin x^:=x^+1; end; … …

14 Ссылки в С++ //что можно в С void Inc(int* x) { *x++; } … Inc(&y); … //новое в C++ void Inc(int& x) { x++; } … Inc(y); … Ссылки как альтернативные имена для объекта: int x=123; int& r=x; //ссылка обязательно должна быть инициализирована int y=r; //значение y равно 123 r++; //значение x и r равно 124, значение y не изменилось //уточнение в С++ void Inc(int * const x) { (*x)++; } … Inc(&y); …

15 Концепция класса class Complex { double re; double im; }; typedef struct { double re; double im; } _Complex; class Complex { private: double re; double im; public: }; class _Complex { public: double re; double im; }; _Complex s; s.re+=s.im; //правильно: оба члена открыты Complex c; c.re+=c.im; //ошибка: члены класса закрыты

16 Классы и объекты: реализация стека class Stack { int sz; int sp; int* bf; public: // объединяет варианты Stack() и Stack(int) Stack(int=100); ~Stack() { delete[] bf; } bool empty() const { return this->sp==0; } void push(const int x) { bf[sp++]=x; } int pop(); }; inline Stack::Stack(int size) { sp=0; bf=new int[sz=size]; } inline int Stack::pop() { return this->bf[--this->sp]; } #include Stack.h void main() { Stack st100, st(5000); … st100.push(123); … while (!st100.empty()) { … st.push(st100.pop()); … }

17 Конструирование объектов – I Автоматическое создание объекта при входе в блок. Создание объекта в динамической памяти: Stack* st100=new Stack(); Stack* st=new Stack(5000); Объект, являющийся элементом массива: Stack st[25]; Stack* st=new Stack[25]; ВАЖНО: Для всех элементов массива будет вызван один и тот же конструктор без параметров!!!

18 Конструирование объектов – II Статические объекты: –Глобальные в программе: Stack stk; //создается при запуске программы до вызова main int main() { return stk.pop(stk.push(123)); } –Локальные в программе: void func(int n) { static Stack st0; //создается при первом вызове func if (n==1) { static Stack st1; //создается при первом вызове func c n=1 … } … } –Локальные в классе: class myClass { static Stack st0; //создается при запуске программы до вызова main … }

19 Конструирование объектов – III Создание нестатического объекта, являющегося членом класса: class newClass { Stack stk; int num; public: newClass(int n=20) : stk(n), num(n) { stk.push(num); } } Создание временного объекта при вычислении выражения: class Complex { double re; double im; public: Complex(double r=0.0, double i=0.0) : re(r), im(i) {} Complex operator+(Complex x) { return Complex(re+x.re,im+x.im); } }; … Complex a(1,2), b(2,1), c=a+b+Complex(1,1); …

20 Конструктор по умолчанию Конструктор без аргументов называется конструктором по умолчанию. Конструктор, для всех аргументов которого заданы умолчательные значения, является конструктором по умолчанию. Если конструктор по умолчанию не задан для класса явно, то он сгенерируется компилятором автоматически и будет вызываться неявно всякий раз, когда это требуется. При этом для членов классов будут вызываться конструкторы по умолчанию. Класс, содержащий в качестве членов константы и ссылки, обязан содержать определение конструктора по умолчанию: class SomeClass { const int val; int& ref; public: SomeClass(int v=100, int& r) : val(v), ref(r) {} … }

21 Копирующий конструктор Конструктор, единственным аргументом которого является объект того же самого типа, называется копирующим конструктором. //ВАЖНО: параметр – ссылка, иначе бесконечный цикл Stack::Stack(const Stack& stk) : sz(stk.sz), sp(stk.sp) { //действия по копированию массива bf } Случаи, когда объект копируется: инициализация, передача аргумента функции, возвращение значения функции и исключения. Если копирующий конструктор не задан для класса явно, то он сгенерируется компилятором автоматически и будет вызываться неявно всякий раз, когда это требуется. Смысл – почленное копирование. «Ручная реализация»: class Complex { double re; double im; public: Complex(const Complex& c) : re(c.re), im(c.im) {} … } ВАЖНО: отличия копирующего конструктора и оператора присваивания

22 Плохой копирующий конструктор Stack s1; Stack s2=s1;... sz 100 sp 0 bf s1 sz 100 sp 0 bf s2 Вах!!!

23 Уничтожение объектов Деструктор вызывается: – для автоматических объектов – когда управление выходит из блока, где они описаны; – для статических объектов - когда программа «завершает свое исполнение»; в порядке, обратном вызову конструкторов. Обычно деструктор вызывается неявно. Явный вызов деструктора T* po=new T(); po->~T(); встречается редко (например, переопределение оператора delete ).

24 Статические члены и методы класса class AAA { static const int BOUND=100; //статич. константа интегрального типа static int count; int val; public: AAA(int n=1) : val(n) { ++count; } ~AAA() { --count; } void proc() { if (count>BOUND) val*=2; //имеется доступ ко всем членам } static int func() { val++; //ошибка: доступ к нестатическому члену return count; //правильно: статический метод имеет доступ // только к статическим членам } … int AAA::count=0; … AAA x; x.proc(); if (AAA::func()>1000) cout<

25 class SomeClass { char *cache; … public: SomeClass() : cache(0) { /*инициализация других членов*/ } ~SomeClass() { delete[] cache; /*деинициализация других членов*/ } … char* toString() const { if (! cache) { //создать строковое представление объекта SomeClass* thisObject=const_cast (this); thisObject->cache=new char[100]; … } return cache; } const SomeClass constObject; … constObject.toString() … //проблема!!! Объявление mutable логическое и физическое постоянство mutable

26 Перегрузка имен функций – I int abs(int); long labs(long); long abs(long); double fabs(double); double abs(double); void print(int); void print(long); void print(float); void print(double); void print(char); void print(char*); … print(1); //ошибка: print(int) или print(long) или // print(float) или print(double)? print(1.0); //ошибка: print(float) или print(double)? Явное приведение параметров, определяющее выбор: print(int(1)); print(long(1)); //print(1L); print(static_cast (1));

27 Перегрузка имен функций – II Точное соответствие типов, включая следующие случаи: –имя массива и указатель void print(char*); … char a[]=abc; print(a); –имя функции и указатель на функцию void map(void(*action)()); void F() { /*действие*/ }; … map(F); –тип и константа такого типа void print(const char); … char c=a; print(c); Процедура поиска (процедура разрешения неоднозначности) соответствия вызова определению функции основывается на проверке набора критериев в следующем порядке:

28 Перегрузка имен функций – III Соответствие, достигаемое за счет продвижения в «охватывающие» типы: –bool, (signed/unsigned) char, short -> int –float -> double, double -> long double. Соответствие, достигаемое за счет преобразований: –int -> double, double -> int, int -> unsigned int –произвольный указатель -> void* –указатели на производные типы -> указатели на их базовые типы. Соответствие, достигаемое за счет преобразований, определяемых пользователем. Соответствие за счет (...) в объявлении функции.

29 Перегрузка имен функций – IV Результат разрешения перегрузки не зависит от порядка объявления функций. Тип возвращаемого значения не используется при разрешении перегрузки. Случай нескольких аргументов: int pow(int,int); double pow(double,double); … double d=pow(2.0,2); //pow(int(2.0),2) или pow(2.0,double(2))? Правило: вызывается функция, у которой наилучшим образом соответствует один аргумент и лучшим либо таким же остальные аргументы. Иначе – ошибка (неоднозначность).

30 Переопределение операторов – I class Complex { double re; double im; public: Complex(double r=0.0, double i=0.0) : re(r), im(i) {} Complex operator+(Complex x) { return Complex(re+x.re,im+x.im); } Complex operator*(Complex x); }; … Complex Complex::operator*(Complex x) { return Complex(…,…); } … Complex a(1,2), b(2,1), c=a+Complex(0,1)*b; //приоритет операций обычный … a+b сокращение для a.operator+(b)

31 Переопределение операторов – II + - * / % ^ & | ~ ! = += -= *= /= %= ^= &= |= > >>= <<= == != <= >= && || >*, -> [] () new delete new[] delete[] Нельзя переопределить: разрешение области видимости – :: выбор члена –. выбор члена через указатель на член –.* тернарный условный оператор – ?: Нельзя ввести новую лексему для оператора или изменить его местность. Предопределенный (для объектов) смысл операторов =, & и, можно скрыть, сделав их закрытыми.

32 Переопределение операторов – III Бинарные операторы могут определяться: Либо в виде нестатической функции-члена с одним аргументом: class X { … public: X(int); void operator+(int); … } Либо в виде функции-не-члена с двумя аргументами: void operator+(X,X); за исключением операторов =, [], ->, чтобы гарантировать, что первый аргумент изменяемое значение: operator=(operator[](1,X),123); //!!! Eсли определены обе операторные функции, то для выбора применяются правила разрешения перегрузки: X a; a+1;//a.operator+(1); 1+a;//operator+(X(1),a); Если выбор неоднозначен, то выдается ошибка.

33 Переопределение операторов – IV Унарные операторы могут определяться: Либо в виде нестатической функции-члена : class X { … public: void operator~(); //без аргументов void operator++(); //без аргументов - префиксный void operator++(int); //с одним фиктивным аргументом - постфиксный … } Либо в виде функции-не-члена: void operator~(X); //с одним аргументом void operator++(X); //с одним аргументом – префиксный void operator++(X,int); //с двумя аргументами - постфиксный Eсли определены обе операторные функции, то для выбора применяются правила разрешения перегрузки. Если выбор неоднозначен, то выдается ошибка. enum Day {sun,mon,tue,wed,thu,fri,sat}; Day& operator++(Day& d) { return d=(d==sat)?sun:Day(d+1); }

34 Оператор присваивания ВАЖНО: В отличии от копирующего конструктора оператор присваивания работает с уже существующим объектом: class Stack{ int sp; int sz; int* bf; public: … Stack& operator=(const Stack& stk) { //this->bf уже указывает на какой-то буфер. после //присваивания по умолчанию связь со старым буфером //могла бы потеряться. надо сделать что-то умное … }

35 Плохой оператор присваивания Stack s1; Stack s2;... sz 100 sp 0 bf s1 sz 100 sp 0 bf s2 Вах!!! s2=s1;... Вах!!!

36 Стандартные потоки ввода/вывода class istream { … } cin; class ostream { … } cout, cerr; istream& operator>>(istream&, int); ostream& operator<<(ostream&, int); #include … int n; cin >> n; cout << n+1 << endl; … istream& operator>> ( istream& inputStream, Date& date ) { inputStream >> date.Month >> date.Day >> date.Year; return inputStream; }

37 Переопределение операторов – V class Complex { double re, im; public: Complex(double r=0.0,double i=0.0) : re(r), im(i) {} double real() const { return re; } double imag() const { return im; } Complex& operator+=(Complex c) { re+=c.re; im+=c.im; return *this; } Complex& operator+=(double r) { re+=r; return *this; } //функции помощники для реализации смешанной арифметики Complex operator+(Complex a, Complex b) { Complex c=a; return c+=b; } Complex operator+ (Complex, double); Complex operator+ (double, Complex); Complex operator+ (Complex);//унарный плюс Complex operator- (Complex);//унарный минус bool operator==(Complex, Complex); bool operator!=(Complex, Complex); istream& operator>>(istream&, complex&); ostream& operator>>(ostream&, complex&);

38 Z=M * X+Y и эффективность «Типичный» код в типичной программе по линейной алгебре: … while (…) {… Z=M * X+Y; …} … где X, Y, Z – векторы и M – матрица. При прямолинейной реализации создаются две временные переменные и осуществляются два копирования. Очень неэффективно. Широко распространенная операция: –The GNU Multiple Precision Arithmetic Library void mpz_addmul(mpz_t rop,mpz_t op1,mpz_t op2) //rop rop+op1×op2 –Операции вида rop rop+op1×op2 стандартизованы в IEEE Standard for Floating-Point Arithmetic (IEEE 754) 2008 года. –Анонсировано FMA расширение SSE компаниями Intel и AMD (2011 г.).

39 Z=M * X+Y и отложенные вычисления – I void mul_add_and_assign(Vector&, const Matrix&, const Vector&, const Vector& ); struct MVmul { const Matrix& m; const Vector& v; MVmul(const Matrix& mm, const Vector& vv) : m(mm), v(vv) {} operator Vector(); // }; inline MVmul operator*(const Matrix& mm, const Vector& vv) { return MVmul(mm,vv); } struct MVmulVadd { const Matrix& m; const Vector& v; const Vector& v2; MVmulVadd(const Matrix& mv, const Vector& vv) : m(mv.m), v(mv.v), v2(vv){} operator Vector(); }; inline MVmulVadd operator+(const MVmul& mv, const Vector& vv) { return MVmulVadd(mm,vv); }

40 class Vector { // public: // Vector(const MVmulVadd& mvv) { mul_add_and_assign(this,&mvv.m,&mvv.v,&mvv.v2); } Vector& operator=(const MVmulVadd& mvv) { mul_add_and_assign(this,&mvv.m,&mvv.v,&mvv.v2); return *this; } }; … Matrix M; Vector X,Y,Z; … Z=M*X+Y; … Z.operator=(MVmulVadd(MVmul(M,X),Y)); mul_add_and_assign(&Z,&M,&X,&Y); Z=M * X+Y и отложенные вычисления – II

41 Друзья класса – I Нестатическая функция-член обладает следующими свойствами: доступ к закрытой части класса; находится в области видимости класса; вызывается для объекта класса. Статическая функция-член обладает только первыми двумя свойствами. Объявление функции-члена как friend наделяет ее только первым свойством. Задачи, решаемые в данном случае: – разделить различные классы объектов; – предоставить эффективные средства доступа к внутреннему устройству классов, являющихся логически связанными.

42 Друзья класса – II class Matrix; class Vector { int length; … public: … friend Vector operator*(const Matrix&, const Vector&); … } class Matrix { int numRows, numColumns; … friend Vector operator*(const Matrix&, const Vector&); public: … } Vector operator*(const Matrix& m, const Vector& v) { if (m.numColumns!=v.length) //несоответствие размерностей. что-то надо сделать … }

43 Друзья класса – III Друзей можно объявлять как в private-, так и в public-части описания класса. Отношение «дружбы» не является транзитивным. Можно объявить весь класс другом: class A { friend class B; int count; … public: … }; class B { … public: B(const A& a) { if (a.count>0) /*что-то сделать*/ … }

44 Области видимости и пространства имен Глобальная ОВ (на уровне всей программы). Локальная ОВ (внутри блока). ОВ класса. ОВ пространства имен. namespace UsefulThings { class Stack; class Queue { … Queue(const Stack& s) { /* использовать s */ } … }; … } … class UsefulThings::Stack { … }; … UsefulThings::Queue* qе=new UsefulThings::Queue();

45 Пространства имен – I Синонимы пространства имен: namespace UT=UsefulThings; … UT::Stack sp=UT::Stack(128); «Глобализация» всех описаний из пространства имен: using namespace UsefulThings; … Stack sp=Stack(10); «Глобализация» одного описания из пространства имен: using namespace UsefulThings::Stack; … Stack sp=Stack(10); //правильно Queue qe; //ошибка: требуется квалификатор // пространства имен

46 Пространства имен – II Разрешение области видимости: namespace ZZZ { int Var; } int Var; void main() { using namespace ZZZ; Var++; //ошибка: глобальная или из ПИ ZZZ ::Var++; //правильно: глобальная ZZZ::Var++; //правильно: из пространства имен ZZZ } Вложенные пространства имен: namespace X { namespace Y { int Var; } } … X::Y::Var++; … Пространства имен являются открытыми: namespace ZZZ { int AAA; } … namespace ZZZ { int BBB; }

47 Неименованные пространства имен: namespace { int Var; } //определение … Var++; … //находится в той же единице трансляции, что и определение Стандартное пространство имен: //файл stdio.h namespace std { … int printf(char* fmt,...); … } using namespace std; //файл myProg.c #include … printf(Hello!); … Пространства имен – III #include … std::printf(Hello!); …

48 Исключения – I При возникновении ошибок, которые невозможно обработать в месте их возникновения, нужно: сгенерировать информацию об ошибке; перехватить эту информацию в том месте, где это важно; обработать эту ошибку или передать дальше в случае невозможности восстановить корректный ход вычислений. Традиционный подход, основанный на «длинных» переходах или проверке системных переменных errno/error/…, оказывается неадекватным для систематического использования.

49 Исключения – II class Stack { … public: class Overflow { int limit; public: Overflow(int n=0) : limit(n) {} char* Message() { return /*выдать информацию о допустимом размере*/; } } … bool empty() throw() { return sp==0; } void push(int x) throw(Overflow) { if (sp==sz) throw Overflow(sz); bf[sp++]=x; // если ошибка, то std::unexpected } … try { stk.push(123); } catch (Stack::Overflow& err) { cout<

50 Исключения – III try { throw E(); } catch (H) { //управление окажется здесь, если: //1. H того же типа, что и E. //2. H является однозначной открытой базой E. //3. H и E являются указателями, и пункт 1 или 2 // выполняется для типов, на которые они ссылаются. //4. H является ссылкой, и пункт 1 или 2 выполняется // для типа, на который он ссылается. } try { //действия } catch (... ) { //управление окажется здесь в случае любого //«С++»-исключения }

51 Исключения – IV Повторная генерация исключения try { throw E(); } catch (...) { if (...) //внештатная ситуация может быть полностью обработана else throw; //то же самое исключение генерируется повторно //и передается выше } Порядок обработки исключений try { //возможны исключения } catch (ExceptionType1) // catch (ExceptionType2) // … catch (...) //все остальные исключения

52 Исключения – V Техника обратных вызовов (callback techniques) #include LexicalAnalyser.h namespace LA=LexicalAnalyser; … while (true) try { LA::Lexer(inputStream); //чтение и разбор входного потока } catch (LA::Number& number) { //обработать число } catch (LA::Keyword& keyword) { //обработать ключевое слово } catch (LA::Name& name) { //обработать имя } catch (LA::Error& err) { //обработать известную лексическую ошибку/прервать разбор } catch (LA::EndOfInput& eof) { //достигнут конец входного потока } catch (...) { //неизвестная ошибка }

53 Сортировка в стандартной C-библиотеке void qsort( файл stdlib.h void* Base, size_t NumOfElements, size_t SizeOfElements, int (*Compare)(const void*, const void*) ); файл myfile.h #include … int cmp(const int* x,const int* y) { return (*x==*y ? 0 : (*x<*y ? -1 : 1)); } … int arr[]={2,243,5,6,76,8,67,1,43,2}; … qsort(arr, 10, sizeof(int), cmp); …

54 Шаблоны – I Процедурное программирование: один раз пишем – используем многократно; в качестве параметров выступают конкретные значения, типы которых зафиксированы при разработке. Обобщенное программирование: один раз пишем – используем многократно; в качестве параметров выступают типы (и некоторые другие объекты языка). После настройки типа (выполняется автоматически компилятором) все как обычно. Идеи из языка Ada: generic types and packages – обобщенные/родовые типы и пакеты.

55 Шаблоны – II template void qsort(T a[], int p, int r) { if (p < r) { T x=a[r], t; int i=p-1; for (int j=p; j

56 Шаблоны – III template class Stack { int sz; int sp; Type bf[size]; public: Stack() : sp(0), sz(size) {} … void push(const Type& x) { bf[sp++]=x; } Type pop() { return bf[--sp]; } }; #include Stack.h сlass SomeClass { //нужно что-нибудь? } var; void main() { Stack intStack; Stack st[10]; … intStack.push(123); st.push(var); while (!st.empty()) { … st.push(*new SomeClass()); … } … }

57 Шаблоны – IV template class Stack { int sz; int sp; Type *bf; public: Stack(int=100); ~Stack() { delete [] bf; } bool empty() const { return sp==0; } void push(const Type& x) { bf[sp++]=x; } Type pop(); }; template inline Stack ::Stack(int size) { sp=0; bf=new Type[sz=size]; } template inline Type Stack ::pop() { return bf[--sp]; } #include Stack.h сlass SomeClass {}; void main() { int n; cin >> n; Stack intStack(n); Stack st[10]; … intStack.push(123); … while (!st.empty()) { … }

58 Template-реализация стека namespace UsefulThings { template class Stack { int sz, sp; Type *bf; public: class Stack_Overflow {}; class Stack_Underflow {}; Stack(int size=100) { sp=0; bf=new Type[sz=size]; } Stack(const Stack& stk) { sp=stk.sp; bf=new Type[sz=stk.sz]; for(int i=0; i

59 class SomeClass{ int val; public: SomeClass(int x) : val(x) {} operator int() const { return val; } }; template void proc( Stack & s1, Stack & s2) { while (!s1.empty()) s2.push(T2(s1.pop())); } void main() { Buff_Stack st1; List_Stack st2; List_Stack st3; //заполнить st1 proc(st1,st2); proc(st2,st3); } Наследование в ООП – I

60 Наследование в ООП – II #include namespace UsefulThings { template class Stack { public: class Stack_Overflow {}; class Stack_Underflow {}; virtual bool empty() const throw()=0; virtual void push(const Type& x) throw(Stack_Overflow)=0; virtual Type pop() throw(Stack_Underflow)=0; //Stack& operator=(const Stack& stk); }; template class Buff_Stack : public Stack { int sz, sp; Type *bf; public: Buff_Stack(int size=100); … } template class List_Stack : public Stack { std::list lst; public: List_Stack(){} ~List_Stack(){} List_Stack(const List_Stack& src) : lst(src.lst.begin(),src.lst.end()) {} List_Stack& operator=(const List_Stack& src){ lst.assign(src.begin(),src.end()); return *this; } bool empty()const throw(){return lst.empty();} void push(const Type& x)throw(Stack_Overflow){ lst.push_front(x); } Type pop() throw(Stack_Underflow) { if (empty()) throw Stack::Stack_Underflow(); Type x=lst.front(); lst.pop_front(); return x; } }; //конец определения класса } //конец определения пространства имен

61 Наследование в ООП – III Жизнь до ист.мат. Совмещение типов в C typedef struct { Common com; int radius; } Circle; typedef struct { Common com; Point* vectors; } Polygon; typedef struct { int x; int y; } Point; typedef int Color; typedef enum { circ, poly } Kind; typedef struct { Kind kind; Point startpoint; Color color; Color bordercolor; } Common; typedef union { Circle circle; Polygon polygon; } Shape; void RotatePolygon (Polygon p, int angle) { /*...*/ } void Rotate(Shape* s, int angle) { switch (s->circle.com.kind) { case circ: //вращать не надо!!! return; case poly: RotatePolygon(*s,angle); return; default: //ошибка!!! } void RotateAll(Shape* figs,int n,int a) { for(int i=0; i

62 Наследование в ООП – III Еще одна попытка typedef struct { Shape common; Point* vectors; } Polygon; Point where(struct Polygon s) { return s.common.startpoint; } void draw(struct Polygon s) { //... } void rotate(struct Polygon s, int angle){ //... } typedef struct { Shape common; int radius; } Circle; Point where(struct Circle s) { return s.common.startpoint; } void draw(struct Circle s) { //... } void rotate(struct Circle s, int angle){} typedef struct { Point startpoint; Color color; Color bordercolor; } Shape; Point Where(struct Shape s) { return s.startpoint; } void Draw(struct Shape s) { ??? } void Rotate(struct Shape s, int angle) { ??? }

63 Наследование в ООП – IV Класс, обеспечивающий интерфейс для множества других классов, называется полиморфным типом. class Shape { Point center; class Circle: public Shape { Color color; int radius; protected: public: Color bordercolor; Circle(Color c) : public: Shape(c), radius(0) {} Shape(Color c) : color(c) {} void draw() { Point where() { //... return center; } } void rotate(int) {} virtual void draw()=0; void drawborder() { virtual void rotate(int angle)=0; bordercolor=new Color(…); void move(Point position) { Shape::drawborder(); center=position; } draw(); }; } virtual void drawborder() void RotateAll(Shape* figs,int n,int a){ {/*...использование bordercolor...*/} for(int i=0; irotate(10); }

64 Наследование в ООП – V Реализация center.x center.y color bordercolor radius ShapeShape CircleCircle virtuals Circle::draw Circle::rotate Circle::drawborder vtbl

65 Наследование – VI class Person { char name[100]; Date birthday; int department; }; class Manager : public Person { list staff; Date appointment; public: int level; }; void proc(Manager m, Person p) { Person* pp=&m; Manager* pm=&p; //…=static_cast (&p); pm->level=2; //!!! pm=static_cast (pp); pm->level=2; p=m; //!!! m=p; m.staff.push_front(&m); m.staff.push_front(&p); } name birthday department name birthday department staff appointment level Person p;Manager m;

66 Преобразования типов static_cast int x=static_cast (1.0); reinterpret_cast int* x=reinterpret_cast (0xEEEE); dynamic_cast void proc(Base* pb) { //pb не нулевой Derived* pd=dynamic_cast (pb); if (!pd) //pb не указывает на объект типа Derived или имеет //в качестве базовых классов более одного типа Derived … } const_cast SomeClass* thisObject=const_cast (this); Конструкторы как преобразователи типов. Операторы-преобразователи типов.

67 Обзор STL string (строки); типы vector, list, deque, queue, stack, map, multimap, set, multiset, bitset; memory (распределение памяти); iterator (стандартные механизмы доступа) algorithm (стандартные алгоритмы: сортировка, перестановка, мин/макс, …) stdexcept (стандартные исключения) locale (информация о культурных особенностях)

68 Стек, предоставляемый STL template > class stack { Container c; public: typedef _Container container_type; typedef typename Container::value_type value_type; typedef typename Container::size_type size_type; typedef typename Container::reference reference; typedef typename Container::const_reference const_reference; stack() : c() {} explicit stack(const _Container& _Cont) : c(_Cont) {} bool empty() const { return (c.empty()); } size_type size() const { return (c.size()); } reference top() { return (c.back()); } const_reference top() const { return (c.back()); } void push(const value_type& _Val) { c.push_back(_Val); } void pop() { c.pop_back(); } }; template inline bool operator== (const stack & Left, const stack & Right) { return (_Left.c == _Right.c); } /* *Copyright (c) by P.J. Plauger. ALL RIGHTS RESERVED. * Copyright (c) 1994 * Hewlett-Packard Company */

69 Пример: for_each-шаблон template inline _Fn1 for_each(_InIt _First, _InIt _Last, _Fn1_Func) { for (; _ChkFirst != _ChkLast; ++_ChkFirst) _Func(*_ChkFirst); return _Func; }... class Average { long amount; long sum; public: Average() : amount(0), sum(0) {} void operator()(int val) { amount++; sum+=val; } operator double() { return static_cast (sum)/amount; } };... vector v1; //заполнить вектор значениями cout<

70 Современное ООП вне C++. Расширение Микрософт языка C++ – C++/CLI

71 Managed Extensions for C++ и C++/CLI Managed Extensions for C++ компании Микрософт появились в 2002 в связи с переходом на платформу.Net (Visual Studio.Net), в значительной мере унифицированную. С выходом Visual C , Managed Extensions for C++ включены в расширенный синтаксис языка Visual C++, получивший название C++/CLI. CLI (Common Language Infrastructure) – это стандарт операционной обстановки, предназначенной для исполнения программного кода. CLR (Сommon Language Runtime) – реализация Микрософт стандарта CLI. Этот синтаксис не является частью ANSI/ISO стандарта C++. Он стандартизован в Ecma C++/CLI Specification. Нами в основном будут рассмотрены аспекты расширения, связанные с управлением памятью.

72 Функции CLR CLR обеспечивает автоматическое размещение объектов и управление ссылками на них, а также освобождение объектов, когда они больше не используются (сборка мусора). Объекты, время жизни которых управляется подобным образом, называются управляемыми данными. Сборка мусора исключает утечки памяти, появление висячих ссылок, удаление используемых объектов и некоторые другие ошибки программирования, возможные при использовании «неуправляемых» данных. CLR упрощает разработку компонентов и приложений, разработанных на разных языках, путем предоставления общей системы типов, определяемых средой, и саму эту среду. Программы компилируются в общий промежуточный язык (Common Intermediate Language, CIL), что дает возможность исполнения откомпилированного кода на любых процессорах и в любых операционных системах, поддерживающих среду выполнения. Управляемые приложения включают метаданные, содержащие сведения о используемых компонентах и ресурсах. Среда выполнения использует эти сведения, чтобы обеспечить наличие всех необходимых ресурсов для компонента или приложения.

73 Выделение памяти в управляемой куче При запуске приложения CLR резервирует для него непрерывную область адресного пространства – управляемую кучу (УК). Все ссылочные типы размещаются в УК. Она хранит указатель, с которого будет выделена память для следующего объекта в куче. Изначально этот указатель устанавливается в базовый адрес УК текущего приложения. При создании приложением очередного объекта ссылочного типа для него выделяется память в адресном пространстве, непосредственно следующем за уже размещенными объектами (по базовому адресу УК, если их еще не было). Пока имеется доступное адресное пространство, память для новых объектов продолжает выделяться по этой схеме, являющейся очень эффективной. Управляемая куча делится на два раздела. Один – для хранения мелких объектов. Второй – для объектов большого размера (> байтов ). Идея – большие объекты живут долго и перемещать их затратно.

74 Освобождение памяти в управляемой куче Когда сборщик мусора (СМ) выполняет сборку мусора, он освобождает память, выделенную для объектов, которые больше не используются приложением. Они определяются посредством построения графа достижимости для объектов. При обнаружении недостижимого объекта СМ выполняет копирование памяти для уплотнения достижимых объектов в памяти, освобождая блоки адресного пространства, выделенные под недостижимые объекты. Память уплотняется, только если при очистке обнаруживается значительное число недостижимых объектов. После уплотнения памяти, занимаемой достижимыми объектами, сборщик мусора вносит необходимые поправки в указатели приложения.

75 Эмпирические законы поведения объектов в куче Уплотнять память для части управляемой кучи быстрее, чем для всей кучи. Более новые объекты имеют меньшее время жизни, а более старые объекты имеют большее время жизни. Новые объекты теснее связаны друг с другом, и приложение обращается к ним приблизительно в одно и то же время.

76 Поколения объектов Объекты, созданные после последней сборки мусора или после запуска приложения до первой сборки мусора, являются объектами поколения 0. Если приложение пытается создать новый объект, когда поколение 0 заполнено, сборщик мусора выполняет сборку, пытаясь освободить для этого объекта адресное пространство в поколении 0 (уплотняя объекты поколения 0). Для объектов, оставшихся после сборок мусора, их уровень повышается, и они переводятся в поколение 1. Если уплотнение объектов поколения 0 не освободило достаточно памяти, то уплотняются объекты поколения 1, а затем снова поколение 0. Если это не принесло результатов, то последовательно уплотняются (полная сборка мусора) и переводятся из поколения в поколение 0->1, 1->2. Объекты поколения 2 существуют до тех пор пока не будут удалены при сборке.

77 Расширения C++/CLI для управления памятью ref class / ref struct – управляемые к/с. gcnew – выделение памяти в управляемой куче. nullptr – константа, представляющая нулевой указатель. ^^ – управляемый указатель. % – управляемая ссылка. array – управляемый массив. interior_ptr / pin_ptr – специфические указатели на объекты в управляемой куче.

78 Управляемые классы/структуры В то время как «родные» объекты C++ могут создаваться в разделах памяти разных типов (например, стек или куча), объекты ref-типов создаются в УК (managed heap). CLR поддерживает эту специальную кучу и реализует для нее асинхронный сборщик мусора. Обычные указатели С++ не могут указывать на объекты в УК. ref class MyClass { public: int val; MyClass(int i) : val(i) {} }; ^ - управляемый указатель (handle to an object on the managed heap), указывает на объект управляемой кучи целиком, создается с помощью gcnew и уничтожается delete. MyClass ^ mp=gcnew MyClass(123); cout val; % - управляемая ссылка (tracking reference), аналогична обычным ссылкам C++. Однако во время исполнения объект, на который она ссылается, может быть перемещен CLR сборщиком мусора. Управляемая ссылка размещается только на стеке. Она не может быть членом класса, но может указывать на член класса. Ей нельзя присвоить null. Управляемая ссылка может быть переприсвоена многократно. MyClass ^% mr=mp; int % r=mr->val; mr->val=r+mr->val;

79 Внутренний указатель interior_ptr Внутренний указатель interior_ptr используется для объявления указателя на члены объекта управляемого типа (внутрь и только туда). Внутренний указатель размещается только на стеке. Он не может быть членом класса. За исключением этого interior_ptr предоставляет ту же функциональность, что и обычный, включая сравнение и арифметику. ref class IntClass { public: int data; };... IntClass^ obj = gcnew IntClass; obj->data = 1; interior_ptr p1 = &(obj->data); //при перемещении СМ объекта *p1 = 2; //obj будут корректироваться interior_ptr p2 = &obj; //указатели p1 и p2 (*p2)->data = 3;...

80 Пришпиленный указатель pin_ptr Пришпиленный указатель pin_ptr является вариантом внутреннего указателя, который предотвращает перемещение СМ объекта, внутрь которого он указывает. Он может быть объявлен только как нестатическая локальная переменная на стеке. Главное назначение – охрана управляемых данных при передаче указателя на эти данные в функцию. Если pin_ptr присвоено новое значение (в том числе nullptr) или управление покинуло его область видимости, то объект, указываемый им ранее, перестает быть пришпиленным. void unmanaged_function(int* p) { // делает что-то умное. во время исполнения может быть вызван СМ } ref class ArrClass { array ^ arr; public: ArrClass() { arr = gcnew array (1000); } void load() { pin_ptr p = &arr[0]; int* ump = p; unmanaged_function(ump); } };

81 Некоторые другие расширения value class interface class property delegate abstract new override sealed finally for each safe_cast typeid event