Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Функция вызывается при вычислении выражений. При вызове ей передаются определенные аргументы, функция выполняет необходимые действия и возвращает результат.
Программа на языке Си++ состоит, по крайней мере, из одной функции – функции main. С нее всегда начинается выполнение программы. Встретив имя функции в выражении, программа вызовет эту функцию, т.е. передаст управление на ее начало и начнет выполнять операторы. Достигнув конца функции или оператора return – выхода из функции, управление вернется в ту точку, откуда функция была вызвана, подставив вместо нее вычисленный результат.
Прежде всего, функцию необходимо объявить. Объявление функции, аналогично объявлению переменной, определяет имя функции и ее тип – типы и количество ееаргументов и тип возвращаемого значения.
// функция sqrt с одним аргументом – вещественным числом двойной точности,
// возвращает результат типа double
double sqrt(double x);
// функция sum от трех целых аргументов
// возвращает целое число
int sum(int a, int b, int c);
Объявление функции называют иногда прототипом функции. После того, как функция объявлена, ее можно использовать в выражениях:
double x = sqrt(3) + 1;
sum(k, l, m) / 15;
Если функция не возвращает никакого результата, т.е. она объявлена как void, ее вызов не может быть использован как операнд более сложного выражения, а должен быть записан сам по себе:
func(a,b,c);
Определение функции описывает, как она работает, т.е. какие действия надо выполнить, чтобы получить искомый результат. Для функции sum, объявленной выше, определение может выглядеть следующим образом:
int
sum(int a, int b, int c)
{
int result;
result = a + b + c;
return result;
}
Первая строка – это заголовок функции, он совпадает с объявлением функции, за исключением того, что объявление заканчивается точкой с запятой. Далее в фигурных скобках заключено тело функции – действия, которые данная функция выполняет.
Аргументы a, b и c называются формальными параметрами. Это переменные, которые определены в теле функции (т.е. к ним можно обращаться только внутри фигурных скобок). При написании определения функции программа не знает их значения. При вызове функции вместо них подставляются фактические параметры – значения, с которыми функция вызывается. Выше, в примере вызова функции sum, фактическими параметрами ( или фактическими аргументами) являлись значения переменных k, l и m.
Формальные параметры принимают значения фактических аргументов, заданных при вызове, и функция выполняется.
Первое, что мы делаем в теле функции — объявляем внутреннюю переменную result типа целое. Переменные, объявленные в теле функции, также называют локальными. Это связано с тем, что переменнаяresult существует только во время выполнения тела функции sum. После завершения выполнения функции она уничтожается – ее имя становится неизвестным, и память, занимаемая этой переменной, освобождается.
Вторая строка определения тела функции – вычисление результата. Сумма всех аргументов присваивается переменной result. Отметим, что до присваивания значение result было неопределенным (то есть значение переменной было неким произвольным числом, которое нельзя определить заранее).
Последняя строчка функции возвращает в качестве результата вычисленное значение. Оператор return завершает выполнение функции и возвращает выражение, записанное после ключевого слова return, в качестве выходного значения. В следующем фрагменте программы переменной s присваивается значение 10:
int k = 2;
int l = 3;
int m = 5;
int s = sum(k, l, m);
В языке Си++ допустимо иметь несколько функций с одним и тем же именем (перегрузка имен функций), потому что функции различаются не только по именам, но и по типам аргументов. Если в дополнение к определенной выше функции sum мы определим еще одну функцию с тем же именем
double
sum(double a, double b, double c)
{
double result;
result = a + b + c;
return result;
}
это будет считаться новой функцией. Иногда говорят, что у этих функций разные подписи. В следующем фрагменте программы в первый раз будет вызвана перваяфункция, а во второй раз – вторая:
int x, y, z, ires;
double p,q,s, dres;
. . .
// вызвать первое определение функции sum
ires = sum(x,y,z);
// вызвать второе определение функции sum
dres = sum(p,q,s);
При первом вызове функции sum все фактические аргументы имеют тип int. Поэтому вызывается первая функция. Во втором вызове все аргументы имеют тип double, соответственно, вызывается вторая функция.
Важен не только тип аргументов, но и их количество. Можно определить функцию sum, суммирующую четыре аргумента:
int
sum(int x1, int x2, int x3, int x4)
{
return x1 + x2 + x3 + x4;
}
Отметим, что при определении функций имеют значение тип и количество аргументов, но не тип возвращаемого значения. Попытка определения двух функций с одним и тем же именем, одними и теми жеаргументами, но разными возвращаемыми значениями, приведет к ошибке компиляции:
int foo(int x);
double foo(int x);
// ошибка – двукратное определение имени
При объявлении функций в языке Си++ имеется возможность задать значения аргументов по умолчанию. Первый случай применения этой возможности языка – сокращение записи. Если функция вызывается с одним и тем же значением аргумента в 99% случаев, и это значение достаточно очевидно, можно задать его по умолчанию. Предположим, функция expnt возводит число в произвольную целую положительную степень. Чаще всего она используется для возведения в квадрат. Ее объявление можно записать так:
double expnt (double x, unsigned int e = 2);
Определение функции:
double
expnt (double x, unsigned int e = 2)
{
double result = 1;
for (int i = 0; i < e; i++)
result *= x;
return result;
}
int main()
{
double y = expnt(3.14);
double x = expnt(2.9, 5);
return 1;
}
Использовать аргументы по умолчанию удобно при изменении функции. Если при изменении программы нужно добавить новый аргумент, то для того чтобы не изменять все вызовы этой функции, можно новыйаргумент объявить со значением по умолчанию. В таком случае старые вызовы будут использовать значение по умолчанию, а новые – значения, указанные при вызове.
Необязательных аргументов может быть несколько. Если указан один необязательный аргумент, то либо он должен быть последним в прототипе, либо все аргументы после него должны также иметь значение по умолчанию.
Если для функции задан необязательный аргумент, то фактически задано несколько подписей этой функции. Например, попытка определения двух функций
double expnt (double x, unsigned int e = 2);
double expnt (double x);
приведет к ошибке компиляции – неоднозначности определения функции. Это происходит потому, что вызов
double x = expnt(4.1);
подходит как для первой, так и для второй функции.
Рекурсия
Определения функций не могут быть вложенными, т.е. нельзя внутри тела одной функции определить тело другой. Разумеется, можно вызвать одну функцию из другой. В том числе функция может вызвать сама себя.
Рассмотрим функцию вычисления факториала целого числа. Ее можно реализовать двумя способами. Первый способ использует итерацию:
int
fact(int n)
{
int result = 1;
for (int i = 1; i <= n; i++)
result = result * i;
return result;
}
Второй способ:
int
fact(int n)
{
if (n==0 || n==1) // факториал 1 равен 1
return 1;
else // факториал числа n равен
// факториалу n-1
// умноженному на n
return n * fact(n -1);
}
Функция fact вызывает сама себя с модифицированными аргументами. Такой способ вычислений называется рекурсией. Рекурсия – это очень мощный метод вычислений. Значительная часть математическихфункций определяется в рекурсивных терминах. В программировании алгоритмы обработки сложных структур данных также часто бывают рекурсивными. Рассмотрим, например, структуру двоичного дерева. Дерево состоит из узлов и направленных связей. С каждым узлом могут быть связаны один или два узла, называемые сыновьями этого узла. Соответственно, для "сыновей" узел, из которого к ним идут связи, называется "отцом". Узел, у которого нет "отца", называется корнем. У дерева есть только один корень. Узлы, у которых нет "сыновей", называются листьями. Пример дерева приведен на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Пример дерева.
В этом дереве узел A – корень дерева, узлы B и C – "сыновья" узла A, узлы D и E – "сыновья" узла B, узел F – "сын" узла C. Узлы D, E и F – листья. Узел B является корнем поддерева, состоящего из трех узлов B, D и E. Обход дерева (прохождение по всем его узлам) можно описать таким образом:
Очевидно, что реализация такого алгоритма с помощью рекурсии не составляет труда.
Довольно часто рекурсия и итерация взаимозаменяемы (как в примере с факториалом). Выбор между ними может быть обусловлен разными факторами. Чаще рекурсия более наглядна и легче реализуется. Однако, в большинстве случаев итерация более эффективна.
|
Общая информация Встроенные типы данных предопределены в языке. Это самые простые величины, из которых составляют все производные типы, в том числе и классы. Различные реализации и компиляторы могут определять различные диапазоны значений целых и вещественных чисел. В таблице 6.1 перечислены простейшие типы данных, которые определяет язык Си++, и приведены наиболее типичные диапазоны их значений. Таблица 6.1. Встроенные типы языка Си++. Название Обозначение Диапазон значений Байт char от -128 до +127 без знака unsigned char от 0 до 255 Короткое целое число short от -32768 до +32767 Короткое целое число без знака unsigned short от 0 до 65535 Целое число int от – 2147483648 до + 2147483647 Целое число без знака unsigned int (или простоunsigned) от 0 до 4294967295 Длинное целое число long от – 2147483648 до + 2147483647 Длинное целое число без знака unsigned long от 0 до 4294967295 Вещественное число одинарной точности float от ±3.4e-38 до ±3.4e+38 (7 значащих цифр) Вещественное число двойной точности double от ±1.7e-308 до ±1.7e+308 (15 значащих цифр) Вещественное число увеличенной точности long double от ±1.2e-4932 до ±1.2e+4932 Логическое значение bool значения true(истина) или false (ложь) Целые числа Для представления целых чисел в языке Си++ существует несколько типов – char, short, int и long (полное название типов: short int, long int, unsigned long int и т.д. Поскольку описатель int можно опустить, мы используем сокращенные названия). Они отличаются друг от друга диапазоном возможных значений. Каждый из этих типов может быть знаковым или беззнаковым. По умолчанию тип целых величин – знаковый. Если перед определением типа стоит ключевое слово unsigned, то тип целого числа — беззнаковый. Для того чтобы определить переменную x типа короткого целого числа, нужно записать: short x; Число без знака принимает только положительные значения и значение ноль. Число со знаком принимает положительные значения, отрицательные значения и значение ноль. Целое число может быть непосредственно записано в программе в виде константы. Запись чисел соответствует общепринятой нотации. Примеры целых констант: 0, 125, -37. По умолчанию целые константы принадлежат к типу int. Если необходимо указать, что целое число — это константа типа long , можно добавить символ L или l после числа. Если константа беззнаковая, т.е. относится к типу unsigned long или unsigned int , после числа записывается символ U или u. Например: 34U, 700034L, 7654ul. Кроме стандартной десятичной записи, числа можно записывать в восьмеричной или шестнадцатеричной системе счисления. Признаком восьмеричной системы счисления является цифра 0 в начале числа. Признаком шестнадцатеричной — 0x или 0X перед числом. Для шестнадцатеричных цифр используются латинские буквы от A до F (неважно, большие или маленькие). Таким образом, фрагмент программы const int x = 240; const int y = 0360; const int z = 0x0F0;
определяет три целые константы x, y и z с одинаковыми значениями. Отрицательные числа предваряются знаком минус "-". Приведем еще несколько примеров:
const unsigned long ll = 0678; // ошибка в записи восьмеричного числа const short a = 0xa4; // правильная запись const int x = 23F3; // ошибка в записи десятичного числа
Для целых чисел определены стандартные арифметические операции сложения (+), вычитания (-), умножения (*), деления (/); нахождение остатка от деления (%), изменение знака (-). Результатом этих операций также является целое число. При делении остаток отбрасывается. Примеры выражений с целыми величинами: x + 4; 30 — x; x * 2; -x; 10 / x; x % 3;
Кроме стандартных арифметических операций, для целых чисел определен набор битовых (или поразрядных) операций. В них целое число рассматривается как строка битов (нулей и единиц при записи числа в двоичной системе счисления или разрядов машинного представления). К этим операциям относятся поразрядные операции И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, поразрядное отрицание и сдвиги. Поразрядная операция ИЛИ, обозначаемая знаком |, выполняет операцию ИЛИ над каждым индивидуальным битом двух своих операндов. Например, 1 | 2 в результате дают 3, поскольку в двоичном виде 1 это 01, 2 – это 10, соответственно, операция ИЛИ дает 11 или 3 в десятичной системе (нули слева мы опустили). Аналогично выполняются поразрядные операции И, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и отрицание. 3 | 1 результат 3 4 & 7 результат 4 4 ^ 7 результат 3 0 & 0xF результат 0 ~0x00F0 результат 0xFF0F Операция сдвига перемещает двоичное представление левого операнда на количество битов, соответствующее значению правого операнда. Например, двоичное представление короткого целого числа 3 –0000000000000011. Результатом операции 3 << 2 (сдвиг влево) будет двоичное число 0000000000001100 или, в десятичной записи, 12. Аналогично, сдвинув число 9 (в двоичном виде 0000000000001001) на 2разряда вправо (записывается 9 >> 2) получим 0000000000000010, т.е. 2. При сдвиге влево число дополняется нулями справа. При сдвиге вправо бит, которым дополняется число, зависит от того, знаковое оно или беззнаковое. Для беззнаковых чисел при сдвиге вправо они всегда дополняются нулевым битом. Если же число знаковое, то значение самого левого бита числа используется для дополнения. Это объясняется тем, что самый левый бит как раз и является знаком — 0 означает плюс и 1 означает минус. Таким образом, если short x = 0xFF00; unsigned short y = 0xFF00;
то результатом x >> 2 будет 0xFFC0 (двоичное представление 1111111111000000), а результатом y >> 2 будет 0x3FC0 (двоичное представление 0011111111000000). Рассмотренные арифметические и поразрядные операции выполняются над целыми числами и в результате дают целое число. В отличие от них операции сравнения выполняются над целыми числами, но в результате дают логическое значение истина ( true ) или ложь ( false ). Для целых чисел определены операции сравнения: равенства (==), неравенства (!=), больше (>), меньше (<), больше или равно (>=) и меньше или равно (<=). Последний вопрос, который мы рассмотрим в отношении целых чисел, – это преобразование типов. В языке Си++ допустимо смешивать в выражении различные целые типы. Например, вполне допустимо записать x + y, где x типа short , а y – типа long . При выполнении операции сложения величина переменной x преобразуется к типу long . Такое преобразование можно произвести всегда, и оно безопасно, т.е. мы не теряем никаких значащих цифр. Общее правило преобразования целых типов состоит в том, что более короткий тип при вычислениях преобразуется в более длинный. Только при выполнении присваивания длинный тип может преобразовываться в более короткий. Например: short x; long y = 15; . . . x = y; // преобразование длинного типа // в более короткий Такое преобразование не всегда безопасно, поскольку могут потеряться значащие цифры. Обычно компиляторы, встречая такое преобразование, выдают предупреждение или сообщение об ошибке. |
|
Вещественные числа Вещественные числа в Си++ могут быть одного из трех типов: с одинарной точностью — float , с двойной точностью – double , и с расширенной точностью – long double. float x; double e = 2.9; long double s;
В большинстве реализаций языка представление и диапазоны значений соответствуют стандарту IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) для представления вещественных чисел. Точность представления чисел составляет 7 десятичных значащих цифр для типа float , 15 значащих цифр для double и 19 — для типа long double . Вещественные числа записываются либо в виде десятичных дробей, например 1.3, 3.1415, 0.0005, либо в виде мантиссы и экспоненты: 1.2E0, 0.12e1. Отметим, что обе предыдущие записи изображают одно и то же число 1.2. По умолчанию вещественная константа принадлежит к типу double . Чтобы обозначить, что константа на самом деле float , нужно добавить символ f или F после числа: 2.7f. Символ l или L означает, что записанное число относится к типу long double . const float pi_f = 3.14f; double pi_d = 3.1415; long double pi_l = 3.1415L;
Для вещественных чисел определены все стандартные арифметические операции сложения (+), вычитания (-), умножения (*), деления (/) и изменения знака (-). В отличие от целых чисел, операция нахождения остатка от деления для вещественных чисел не определена. Аналогично, все битовые операции и сдвиги к вещественным числам неприменимы; они работают только с целыми числами. Примеры операций: 2 * pi; (x – e) / 4.0
Вещественные числа можно сравнивать на равенство (==), неравенство (!=), больше (>), меньше (<), больше или равно (>=) и меньше или равно (<=). В результате операции сравнения получается логическое значение истина или ложь. Если арифметическая операция применяется к двум вещественным числам разных типов, то менее точное число преобразуется в более точное, т.е. float преобразуется в double и double преобразуется вlong double . Очевидно, что такое преобразование всегда можно выполнить без потери точности. Если вторым операндом в операции с вещественным числом является целое число, то целое число преобразуется в вещественное представление. Хотя любую целую величину можно представить в виде вещественного числа, при таком преобразовании возможна потеря точности (для больших чисел). Логические величины В языке Си++ существует специальный тип для представления логических значений bool . Для величин этого типа существует только два возможных значения: true (истина) и false (ложь). Объявление логической переменной выглядит следующим образом: bool condition;
Соответственно, существуют только две логические константы – истина и ложь. Они обозначаются, соответственно, true и false . Для типа bool определены стандартные логические операции: логическое И (&&), ИЛИ (||) и НЕ (!). // истинно, если обе переменные cond1 и cond2, истинны cond1 && cond2 // истинно, если хотя бы одна из переменных истинна cond1 || cond2 // результат противоположен значению cond1 !cond1
Как мы уже отмечали ранее, логические значения получаются в результате операций сравнения. Кроме того, в языке Си++ принято следующее правило преобразования чисел в логические значения: ноль соответствует значению false , и любое отличное от нуля число преобразуется в значение true . Поэтому можно записать, например: int k = 100; while (k) { // выполнить цикл 100 раз k--; } |
|
Символы и байты Символьный или байтовый тип в языке Си++ относится к целым числам, однако мы выделили их в особый раздел, потому что запись знаков имеет свои отличия. Итак, для записи знаков в языке Си++ служат типы char и unsigned char . Первый – это целое число со знаком, хранящееся в одном байте, второй – беззнаковое байтовое число. Эти типы чаще всего используются для манипулирования символами, поскольку коды символов как раз помещаются в байт. Пояснение. Единственное, что может хранить компьютер, это числа. Поэтому для того чтобы можно было хранить символы и манипулировать ими, символам присвоены коды – целые числа. Существует несколько стандартов, определяющих, какие коды каким символам соответствуют. Для английского алфавита и знаков препинания используется стандарт ASCII. Этот стандарт определяет коды от 0 до 127. Для представления русских букв используется стандарт КОИ-8 или CP-1251. В этих стандартах русские буквы кодируются числами от 128 до 255. Таким образом, все символы могут быть представлены в одном байте (максимальное число символов в одном байте –255). Для работы с китайским, японским, корейским и рядом других алфавитов одного байта недостаточно, и используется кодировка с помощью двух байтов и, соответственно, тип wchar_t (подробнее см. ниже). Чтобы объявить переменную байтового типа, нужно записать: char c; // байтовое число со знаком unsigned char u; // байтовое число без знака Поскольку байты – это целые числа, то все операции с целыми числами применимы и к байтам. Стандартная запись целочисленных констант тоже применима к байтам, т.е. можно записать: c = 45;
где c — байтовая переменная. Однако для байтов существует и другая запись констант. Знак алфавита (буква, цифра, знак препинания), заключенный в апострофы, представляет собой байтовую константу, например: 'S' '&' '8' 'ф'
Числовым значением такой константы является код данного символа, принятый в Вашей операционной системе. В кодировке ASCII два следующих оператора эквивалентны: char c = 68; char c = 'D'; Первый из них присваивает байтовой переменной c значение числа 68. Второй присваивает этой переменной код латинской буквы D, который в кодировке ASCII равен 68. Для обозначения ряда непечатных символов используются так называемые экранированные последовательности – знак обратной дробной черты, после которого стоит буква. Эти последовательности стандартны и заранее предопределены в языке: \a звонок \b возврат на один символ назад \f перевод страницы \n новая строка \r перевод каретки \t горизонтальная табуляция \v вертикальная табуляция \' апостроф \" двойные кавычки \\ обратная дробная черта \? вопросительный знак Для того чтобы записать произвольное байтовое значение, также используется экранированная последовательность: после обратной дробной черты записывается целое число от 0 до 255. char zero = '\0'; const unsigned char bitmask = '\0xFF'; char tab = '\010'; Следующая программа выведет все печатные символы ASCII и их коды в порядке увеличения: for (char c = 32; c < 127; c++) cout << c << " " << (int)c << " "; Однако напомним еще раз, что байтовые величины – это, прежде всего, целые числа, поэтому вполне допустимы выражения вида 'F' + 1 'a' < 23 и тому подобные. Тип char был придуман для языка Си, от которого Си++ достались все базовые типы данных. Язык Си предназначался для программирования на достаточно "низком" уровне, приближенном к тому, как работает процессор ЭВМ, именно поэтому символ в нем – это лишь число. В языке Си++ в большинстве случаев для работы с текстом используются специально разработанные классы строк, о которых мы будем говорить позже. Кодировка, многобайтовые символы Мы уже упоминали о наличии разных кодировок букв, цифр, знаков препинания и т.д. Алфавит большинства европейских языков может быть представлен однобайтовыми числами (т.е. кодами в диапазоне от 0до 255). В большинстве кодировок принято, что первые 127 кодов отводятся для символов, входящих в набор ASCII: ряд специальных символов, латинские заглавные и строчные буквы, арабские цифры и знаки препинания. Вторая половина кодов – от 128 до 255 отводится под буквы того или иного языка. Фактически, вторая половина кодовой таблицы интерпретируется по-разному, в зависимости от того, какой язык считается "текущим". Один и тот же код может соответствовать разным символам в зависимости от того, какой язык считается "текущим". Однако для таких языков, как китайский, японский и некоторые другие, одного байта недостаточно – алфавиты этих языков насчитывают более 255 символов. Перечисленные выше проблемы привели к созданию многобайтовых кодировок символов. Двухбайтовые символы в языке Си++ представляются с помощью типа wchar_t : wchar_t wch; Тип wchar_t иногда называют расширенным типом символов, и детали его реализации могут варьироваться от компилятора к компилятору, в том числе может меняться и количество байт, которое отводится под один символ. Тем не менее, в большинстве случаев используется именно двухбайтовое представление. Константы типа wchar_t записываются в виде L='ab'. Наборы перечисляемых значений Достаточно часто в программе вводится тип, состоящий лишь из нескольких заранее известных значений. Например, в программе используется переменная, хранящая величину, отражающую время суток, и мы решили, что будем различать ночь, утро, день и вечер. Конечно, можно договориться обозначить время суток числами от 1 до 4. Но, во-первых, это не наглядно. Во-вторых, что даже более существенно, очень легко сделать ошибку и,например, использовать число 5, которое не соответствует никакому времени дня. Гораздо удобней и надежнее определить набор значений с помощью типа enum языка Си++: enum DayTime { morning, day, evening, night }; Теперь можно определить переменную DayTime current; которая хранит текущее время дня, а затем присваивать ей одно из допустимых значений типа DayTime: current = day; Контроль, который осуществляет компилятор при использовании в программе этой переменной, гораздо более строгий, чем при использовании целого числа. Для наборов определены операции сравнения на равенство (==) и неравенство (!=) с атрибутами этого же типа, т.е. if (current != night) // выполнить работу Вообще говоря, внутреннее представление значений набора – целые числа. По умолчанию элементам набора соответствуют последовательные целые числа, начиная с 0. Этим можно пользоваться в программе. Во-первых, можно задать, какое число какому атрибуту набора будет соответствовать: enum { morning = 4, day = 3, evening = 2, night = 1 }; // последовательные числа начиная с 1 enum { morning = 1, day, evening, night }; // используются числа 0, 2, 3 и 4 enum { morning, day = 2, evening, night }; Во-вторых, атрибуты наборов можно использовать в выражениях вместо целых чисел. Преобразования из набора в целое и наоборот разрешены. Однако мы не рекомендуем так делать. Для работы с целыми константами лучше применять символические обозначения констант, а наборы использовать по их прямому назначению. |
|
До сих пор мы говорили о встроенных типах, т.е. типах, определенных в самом языке. Классы - это типы, определенные в конкретной программе. Определение класса включает в себя описание, из каких составных частей или атрибутов он состоит и какие операции определены для класса.
Предположим, в программе необходимо оперировать комплексными числами. Комплексные числа состоят из вещественной и мнимой частей, и с ними можно выполнять арифметические операции.
class Complex {
public:
int real; // вещественная часть
int imaginary; // мнимая часть
void Add(Complex x);
// прибавить комплексное число
};
Приведенный выше пример - упрощенное определение класса Complex, представляющее комплексное число. Комплексное число состоит из вещественной части - целого числа real и мнимой части, которая представлена целым числом imaginary. real и imaginary - это атрибуты класса. Для класса Complex определена одна операцияили метод - Add.
Определив класс, мы можем создать переменную типа Complex:
Complex number;
Переменная с именем number содержит значение типа Complex, то есть содержит объект класса Complex. Имея объект, мы можем установить значения атрибутовобъекта:
number.real = 1;
number.imaginary = 2;
Операция "." обозначает обращение к атрибуту объекта. Создав еще один объект класса Complex, мы можем прибавить его к первому:
Complex num2;
number.Add(num2);
Как можно заметить, метод Add выполняется с объектом. Имя объекта (или переменной, содержащей объект, что, в сущности, одно и то же), в данном случае, number, записано первым. Через точку записано имя метода - Add с аргументом - значением другого объекта класса Complex, который прибавляется к number. Методы часто называются сообщениями. Но чтобы послать сообщение, необходим получатель. Таким образом, объекту number посылается сообщение Add с аргументом num2. Объект number принимает это сообщение и складывает свое значение со значением аргумента сообщения.
Данные рассуждения будут яснее, если мы определим, как выполняется операция сложения.
void
Complex::Add(Complex x)
{
this->real = this->real + x.real;
this->imaginary = this->imaginary +
x.imaginary;
}
Первые две строки говорят о том, что это метод Add класса Complex. В фигурных скобках записано определение операции или метода Add. Это определение означает следующее: для того чтобы прибавить значение объекта класса Complex к данному объекту, надо сложить вещественные части и запомнить результат в атрибуте вещественной части текущего объекта. Точно так же следует сложить мнимые части двух комплексных чисел и запомнить результат в атрибуте текущего объекта, обозначающем мнимую часть.
Запись this-> говорит о том, что атрибут принадлежит к тому объекту, который выполняет метод Add (объекту, получившему сообщение Add). В большинстве случаев this-> можно опустить. В записи определения метода какого-либо класса упоминание атрибута класса без всякой дополнительной информации означает, что речь идет об атрибуте текущего объекта.
Теперь приведем этот небольшой пример полностью:
// определение класса комплексных чисел
class Complex {
public:
int real; // вещественная часть
int imaginary; // мнимая часть
void Add(Complex x);
// прибавить комплексное число
};
// определение метода сложения
void
Complex::Add(Complex x)
{
real = real + x.real;
imaginary = imaginary + x.imaginary;
}
int
main()
{
Complex number;
number.real = 1;
// первый объект класса Complex
number.imaginary = 3;
Complex num2;
// второй объект класса Complex
num2.real = 2;
num2.imaginary = 1;
number.Add(num2);
// прибавить значение второго
// объекта к первому
return 1;
}
|
|
Массивы
Массив – это коллекция нескольких величин одного и того же типа. Простейшим примером массива может служить набор из двенадцати целых чисел, соответствующих числу дней в каждом календарном месяце:
int days[12];
days[0] = 31; // январь
days[1] = 28; // февраль
days[2] = 31; // март
days[3] = 30; // апрель
days[4] = 31; // май
days[5] = 30; // июнь
days[6] = 31; // июль
days[7] = 31; // август
days[8] = 30; // сентябрь
days[9] = 31; // октябрь
days[10] = 30; // ноябрь
days[11] = 31; // декабрь
В первой строчке мы объявили массив из 12 элементов типа int и дали ему имя days. Остальные строки примера – присваивания значений элементам массива. Для того, чтобы обратиться к определенному элементу массива, используют операцию индексации []. Как видно из примера, первый элемент массива имеет индекс 0, соответственно, последний – 11.
При объявлении массива его размер должен быть известен в момент компиляции, поэтому в качестве размера можно указывать только целую константу. При обращении же к элементу массива в роли значения индекса может выступать любая переменная или выражение, которое вычисляется во время выполнения программы и преобразуется к целому значению.
Предположим, мы хотим распечатать все элементы массива days. Для этого удобно воспользоваться циклом for.
for (int i = 0; i < 12; i++) {
cout << days[i];
}
Следует отметить, что при выполнении программы границы массива не контролируются. Если мы ошиблись и вместо 12 в приведенном выше цикле написали 13, то компилятор не выдаст ошибку. При выполнении программа попытается напечатать 13-е число. Что при этом случится, вообще говоря, не определено. Быть может, произойдет сбой программы. Более вероятно, что будет напечатано какое-то случайное 13-е число. Выход индексов за границы массива – довольно распространенная ошибка, которую иногда очень трудно обнаружить. В дальнейшем при изучении классов мы рассмотрим, как можно переопределить операцию [] и добавить контроль за индексами.
Отсутствие контроля индексов налагает на программиста большую ответственность. С другой стороны, индексация – настолько часто используемая операция, что наличие контроля, несомненно, повлияло бы на производительность программ.
Рассмотрим еще один пример. Предположим, что имеется массив из 100 целых чисел, и его необходимо отсортировать, т.е. расположить в порядке возрастания. Сортировка методом "пузырька" – наиболее простая и распространенная – будет выглядеть следующим образом:
int array[100];
. . .
for (int i = 0; i < 99; i++ ) {
for (int j = i + 1; j < 100; j++) {
if (array[j] < array[i] ) {
int tmp = array[j];
array[j] = array[i];
array[i] = tmp;
}
}
}
В приведенных примерах у массивов имеется только один индекс. Такие одномерные массивы часто называются векторами. Имеется возможность определить массивы с несколькими индексами или размерностями. Например, объявление
int m[10][5];
представляет матрицу целых чисел размером 10 на 5. По-другому интерпретировать приведенное выше объявление можно как массив из 10 элементов, каждый из которых – вектор целых чисел длиной 5. Общее количество целых чисел в массиве m равно 50.
Обращение к элементам многомерных массивов аналогично обращению к элементам векторов: m[1][2] обращается к третьему элементу второй строки матрицы m.
Количество размерностей в массиве может быть произвольным. Как и в случае с вектором, при объявлении многомерного массива все его размеры должны быть заданы константами.
При объявлении массива можно присвоить начальные значения его элементам (инициализировать массив). Для вектора это будет выглядеть следующим образом:
int days[12] = { 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31 };
При инициализации многомерных массивов каждая размерность должна быть заключена в фигурные скобки:
double temp[2][3] = {
{ 3.2, 3.3, 3.4 },
{ 4.1, 3.9, 3.9 } };
Интересной особенностью инициализации многомерных массивов является возможность не задавать размеры всех измерений массива, кроме самого последнего. Приведенный выше пример можно переписать так:
double temp[][3] = {
{ 3.2, 3.3, 3.4 },
{ 4.1, 3.9, 3.9 } };
// Вычислить размер пропущенной размерности
const int size_first = sizeof (temp) / sizeof
(double[3]);
СтруктурыСтруктуры – это не что иное, как классы, у которых разрешен доступ ко всем их элементам (доступ к определенным атрибутам класса может быть ограничен). Пример структуры: struct Record { int number; char name[20]; }; Так же, как и для классов, операция "." обозначает обращение к элементу структуры. В отличие от классов, можно определить переменную-структуру без определения отдельного типа: struct { double x; double y; } coord; Обратиться к атрибутам переменной coord можно coord.x и coord.y. Битовые поля В структуре можно определить размеры атрибута с точностью до бита. Традиционно структуры используются в системном программировании для описания регистров аппаратуры. В них каждый бит имеет свое значение. Не менее важной является возможность экономии памяти – ведь минимальный тип атрибута структуры это байт (char), который занимает 8 битов. До сих пор, несмотря на мегабайты и даже гигабайты оперативной памяти, используемые в современных компьютерах, существует немало задач, где каждый бит на счету. Если после описания атрибута структуры поставить двоеточие и затем целое число, то это число задает количество битов, выделенных под данный атрибут структуры. Такие атрибуты называют битовыми полями. Следующая структура хранит в компактной форме дату и время дня с точностью до секунды. struct TimeAndDate { unsigned hours :5; // часы от 0 до 24 unsigned mins :6; // минуты unsigned secs :6; // секунды от 0 до 60 unsigned weekDay :3; // день недели unsigned monthDay :6; // день месяца от 1 до 31 unsigned month :5; // месяц от 1 до 12 unsigned year :8; // год от 0 до 100 }; Одна структура TimeAndDate требует всего 39 битов, т.е. 5 байтов (один байт — 8 битов). Если бы мы использовали для каждого атрибута этой структуры тип char, нам бы потребовалось 7 байтов. ОбъединенияОсобым видом структур данных является объединение. Определение объединения напоминает определение структуры, только вместо ключевого слова struct используется union: union number { short sx; long lx; double dx; }; В отличие от структуры, все атрибуты объединения располагаются по одному адресу. Под объединение выделяется столько памяти, сколько нужно для хранения наибольшего атрибута объединения. Объединения применяются в тех случаях, когда в один момент времени используется только один атрибут объединения и, прежде всего, для экономии памяти. Предположим, нам нужно определить структуру, которая хранит "универсальное" число, т.е. число одного из предопределенных типов, и признак типа. Это можно сделать следующим образом: struct Value { enum NumberType { ShortType, LongType, DoubleType }; NumberType type; short sx; // если type равен ShortType long lx; // если type равен LongType double dx; // если type равен DoubleType }; Атрибут type содержит тип хранимого числа, а соответствующий атрибут структуры – значение числа. Value shortVal; shortVal.type = Value::ShortType; shortVal.sx = 15; Хотя память выделяется под все три атрибута sx, lx и dx, реально используется только один из них. Сэкономить память можно, используя объединение: struct Value { enum NumberType { ShortType, LongType, DoubleType }; NumberType type; union number { short sx; // если type равен ShortType long lx; // если type равен LongType double dx; // если type равен DoubleType } val; }; Теперь память выделена только для максимального из этих трех атрибутов (в данном случае dx). Однако и обращаться с объединением надо осторожно. Поскольку все три атрибута делят одну и ту же область памяти, изменение одного из них означает изменение всех остальных. На рисунке поясняется выделение памяти под объединение. В обоих случаях мы предполагаем, что структура расположена по адресу 1000. Объединение располагает все три своих атрибута по одному и тому же адресу.
Замечание. Использование наследования классов, позволяет во многих случаях добиться того же эффекта без использования объединений, причем программа будет более надежной. |
УказателиУказатель – это производный тип, который представляет собой адрес какого-либо значения. В языке Си++ используется понятие адреса переменных. Работа с адресами досталась Си++ в наследство от языка Си. Предположим, что в программе определена переменная типа int: int x; Можно определить переменную типа "указатель" на целое число: int* xptr; и присвоить переменной xptr адрес переменной x: xptr = &x; Операция &, примененная к переменной, – это операция взятия адреса. Операция *, примененная к адресу, – это операция обращения по адресу. Таким образом, два оператора эквивалентны: int y = x; // присвоить переменной y значение x int y = *xptr; // присвоить переменной y значение, // находящееся по адресу xptr С помощью операции обращения по адресу можно записывать значения: *xptr = 10; // записать число 10 по адресу xptr После выполнения этого оператора значение переменной x станет равным 10, поскольку xptr указывает на переменную x. Указатель – это не просто адрес, а адрес величины определенного типа. Указатель xptr – адрес целой величины. Определить адреса величин других типов можно следующим образом: unsigned long* lPtr; // указатель на целое число без знака char* cp; // указатель на байт Complex* p; // указатель на объект класса Complex Если указатель ссылается на объект некоторого класса, то операция обращения к атрибуту класса вместо точки обозначается "->", например p->real. Если вспомнить один из предыдущих примеров: void Complex::Add(Complex x) { this->real = this->real + x.real; this->imaginary = this->imaginary + x.imaginary; } то this – это указатель на текущий объект, т.е. объект, который выполняет метод Add. Запись this-> означает обращение к атрибуту текущего объекта. Можно определить указатель на любой тип, в том числе на функцию или метод класса. Если имеется несколько функций одного и того же типа: int foo(long x); int bar(long x); можно определить переменную типа указатель на функцию и вызывать эти функции не напрямую, а косвенно, через указатель: int (*functptr)(long x); functptr = &foo; (*functptr)(2); functptr = &bar; (*functptr)(4); Для чего нужны указатели? Указатели появились, прежде всего, для нужд системного программирования. Поскольку язык Си предназначался для "низкоуровневого" программирования, на нем нужно было обращаться, например, к регистрам устройств. У этих регистров вполне определенные адреса, т.е. необходимо было прочитать или записать значение по определенному адресу. Благодаря механизму указателей, такие операции не требуют никаких дополнительных средств языка. int* hardwareRegiste =0x80000; *hardwareRegiste =12; Однако использование указателей нуждами системного программирования не ограничивается. Указатели позволяют существенно упростить и ускорить ряд операций. Предположим, в программе имеется область памяти для хранения промежуточных результатов вычислений. Эту область памяти используют разные модули программы. Вместо того, чтобы каждый раз при обращении к модулю копировать эту область памяти, мы можем передавать указатель в качестве аргумента вызова функции, тем самым упрощая и ускоряя вычисления. struct TempResults { double x1; double x2; } tempArea; // Функция calc возвращает истину, если // вычисления были успешны, и ложь – при // наличии ошибки. Вычисленные результаты // записываются на место аргументов по // адресу, переданному в указателе trPtr bool calc(TempResults* trPtr) { // вычисления if (noerrors) { trPtr->x1 = res1; trPtr->x2 = res2; return true; } else { return false; } } void fun1(void) { . . . TempResults tr; tr.x1 = 3.4; tr.x2 = 5.4; if (calc(&tr) == false) { // обработка ошибки } . . . } В приведенном примере проиллюстрированы сразу две возможности использования указателей: передача адреса общей памяти и возможность функции иметь более одного значения в качестве результата. Структура TempResults используется для хранения данных. Вместо того чтобы передавать эти данные по отдельности, в функцию calc передается указатель на структуру. Таким образом достигаются две цели: большая наглядность и большая эффективность (не надо копировать элементы структуры по одному). Функция calc возвращает булево значение – признак успешного завершения вычислений. Сами же результаты вычислений записываются в структуру, указатель на которую передан в качестве аргумента.Упомянутые примеры использования указателей никак не связаны с объектно-ориентированным программированием. Казалось бы, объектно-ориентированное программирование должно уменьшить зависимость от низкоуровневых конструкций типа указателей. На самом деле программирование с классами нисколько не уменьшило потребность в указателях, и даже наоборот, нашло им дополнительное применение, о чем мы будем рассказывать по ходу изложения. Адресная арифметика С указателями можно выполнять не только операции присваивания и обращения по адресу, но и ряд арифметических операций. Прежде всего, указатели одного и того же типа можно сравнивать с помощью стандартных операций сравнения. При этом сравниваются значения указателей, а не значения величин, на которые данные указатели ссылаются. Так, в приведенном ниже примере результат первой операции сравнения будет ложным: int x = 10; int y = 10; int* xptr = &x; int* yptr = &y; // сравниваем указатели if (xptr == yptr) { cout << "Указатели равны" << endl; } else { cout << "Указатели не равны" << endl; } // сравниваем значения, на которые указывают // указатели if (*xptr == *yptr) { cout << "Значения равны" << endl; } else { cout << "Значения неравны" << endl; } Однако результат второй операции сравнения будет истинным, поскольку переменные x и y имеют одно и то же значение. Кроме того, над указателями можно выполнять ограниченный набор арифметических операций. К указателю можно прибавить целое число или вычесть из него целое число. Результатом прибавления к указателю единицы является адрес следующей величины типа, на который ссылается указатель, в памяти. Поясним это на рисунке. Пусть xPtr – указатель на целое число типа long, а cp – указатель на типchar. Начиная с адреса 1000, в памяти расположены два целых числа. Адрес второго — 1004 (в большинстве реализаций Си++ под тип long выделяется четыре байта). Начиная с адреса 2000, в памяти расположены объекты типа char.
Размер памяти, выделяемой для числа типа long и для char, различен. Поэтому адрес при увеличении xPtr и cp тоже изменяется по-разному. Однако и в том, и в другом случае увеличение указателя на единицу означает переход к следующей в памяти величине того же типа. Прибавление или вычитание любого целого числа работает по тому же принципу, что и увеличение на единицу. Указатель сдвигается вперед (при прибавлении положительного числа) или назад (при вычитании положительного числа) на соответствующее количество объектов того типа, на который показывает указатель. Вообще говоря, неважно, объекты какого типа на самом деле находятся в памяти — адрес просто увеличивается или уменьшается на необходимую величину. На самом деле значение указателя ptr всегда изменяется на число, кратное sizeof(*ptr). Указатели одного и того же типа можно друг из друга вычитать. Разность указателей показывает, сколько объектов соответствующего типа может поместиться между указанными адресами. Связь между массивами и указателями Между указателями и массивами существует определенная связь. Предположим, имеется массив из 100 целых чисел. Запишем двумя способами программу суммирования элементов этого массива: long array[100]; long sum = 0; for (int i = 0; i < 100; i++) sum += array[i]; То же самое можно сделать с помощью указателей: long array[100]; long sum = 0; for (long* ptr = &array[0]; ptr < &array[99] + 1; ptr++) sum += *ptr; Элементы массива расположены в памяти последовательно, и увеличение указателя на единицу означает смещение к следующему элементу массива. Упоминание имени массива без индексов преобразуется в адрес его первого элемента: for (long* ptr = array; ptr < &array[99] + 1; ptr++) sum += *ptr; Хотя смешивать указатели и массивы можно, мы бы не стали рекомендовать такой стиль, особенно начинающим программистам. При использовании многомерных массивов указатели позволяют обращаться к срезам или подмассивам. Если мы объявим трехмерный массив exmpl: long exmpl[5][6][7] то выражение вида exmpl[1][1][2] – это целое число, exmpl[1][1] – вектор целых чисел (адрес первого элемента вектора, т.е. имеет тип *long), exmpl[1] – двухмерная матрица или указатель на вектор (тип (*long)[7]). Таким образом, задавая не все индексы массива, мы получаем указатели на массивы меньшей размерности. Безтиповый (нетипизированный) указатель Особым случаем указателей является безтиповый (нетипизированный) указатель. Ключевое слово void используется для того, чтобы показать, что указатель означает просто адрес памяти, независимо от типа величины, находящейся по этому адресу: void* ptr; Для указателя на тип void не определена операция ->, не определена операция обращения по адресу *, не определена адресная арифметика. Использование безтиповых указателей ограничено работой с памятью при использовании ряда системных функций, передачей адресов в функции, написанные на языках программирования более низкого уровня, например на ассемблере. В программе на языке Си++ безтиповый указатель может применяться там, где адрес интерпретируется по-разному, в зависимости от каких-либо динамически вычисляемых условий. Например, приведенная ниже функция будет печатать целое число, содержащееся в одном, двух или четырех байтах, расположенных по передаваемому адресу: void printbytes(void* ptr, int nbytes) { if (nbytes == 1) { char* cptr = (char*)ptr; cout << *cptr; } else if (nbytes == 2) { short* sptr = (short*)ptr; cout << *sptr; } else if (nbytes == 4) { long* lptr = (long*)ptr; cout << *lptr; } else { cout << "Неверное значение аргумента"; } } В примере используется операция явного преобразования типа. Имя типа, заключенное в круглые скобки, стоящее перед выражением, преобразует значение этого выражения к указанному типу. Разумеется, эта операция может применяться к любым указателям. Нулевой указатель В программах на языке Си++ значение указателя, равное нулю, используется в качестве "неопределенного" значения. Например, если какая-то функция вычисляет значение указателя, то чаще всего нулевое значение возвращается в случае ошибки. long* foo(void); . . . long* resPtr; if ((resPtr = foo()) != 0) { // использовать результат } else { // ошибка } В языке Си++ определена символическая константа NULL для обозначения нулевого значения указателя. Такое использование нулевого указателя было основано на том, что по адресу 0 данные программы располагаться не могут, он зарезервирован операционной системой для своих нужд. Однако во многом нулевой указатель – просто удобное соглашение, которого все придерживаются. |
|
Строки и литералы Для того чтобы работать с текстом, в языке Си++ не существует особого встроенного типа данных. Текст представляется в виде последовательности знаков (байтов), заканчивающейся нулевым байтом. Иногда такое представление называют Си-строки, поскольку оно появилось в языке Си. Кроме того, в Си++ можно создать классы для более удобной работы с текстами (готовые классы для представления строк имеются в стандартной библиотеке шаблонов). Строки представляются в виде массива байтов: char string[20]; string[0] = 'H'; string[1] = 'e'; string[2] = 'l'; string[3] = 'l'; string[4] = 'o'; string[5] = 0; В массиве string записана строка "Hello". При этом мы использовали только 6 из 20 элементов массива. Для записи строковых констант в программе используются литералы. Литерал – это последовательность знаков, заключенная в двойные кавычки: "Это строка" "0123456789" "*" Заметим, что символ, заключенный в двойные кавычки, отличается от символа, заключенного в апострофы. Литерал "*" обозначает два байта: первый байт содержит символ звездочки, второй байт содержит ноль. Константа '*' обозначает один байт, содержащий знак звездочки. С помощью литералов можно инициализировать массивы: char alldigits[] = "0123456789"; Размер массива явно не задан, он определяется исходя из размера инициализирующего его литерала, в данном случае 11 (10 символов плюс нулевой байт). При работе со строками особенно часто используется связь между массивами и указателями. Значение литерала – это массив неизменяемых байтов нужного размера. Строковый литерал может быть присвоен указателю на char: const char* message = "Сообщение программы"; Значение литерала – это адрес его первого байта, указатель на начало строки. В следующем примере функция CopyString копирует первую строку во вторую: void CopyString(char* src, char* dst) { while (*dst++ = *src++) ; *dst = 0; } int main() { char first[] = "Первая строка"; char second[100]; CopyString(first, second); return 1; } Указатель на байт (тип char*) указывает на начало строки. Предположим, нам нужно подсчитать количество цифр в строке, на которую показывает указатель str: #include <ctype.h> int count = 0; while (*str != 0) { // признак конца строки – ноль if (isdigit(*str++)) count++; // проверить байт, на который // указывает str, и сдвинуть // указатель на следующий байт } При выходе из цикла while переменная count содержит количество цифр в строке str, а сам указатель str указывает на конец строки – нулевой байт. Чтобы проверить, является ли текущий символ цифрой, используется функция isdigit. Это одна из многих стандартных функций языка, предназначенных для работы с символами и строками. С помощью функций стандартной библиотеки языка реализованы многие часто используемые операции над символьными строками. В большинстве своем в качестве строк они воспринимают указатели. Приведем ряд наиболее употребительных. Прежде чем использовать эти указатели в программе, нужно подключить их описания с помощью операторов #include <string.h> и #include <ctype.h>. char* strcpy(char* target, const char* source); Копировать строку source по адресу target, включая завершающий нулевой байт. Функция предполагает, что памяти, выделенной по адресу target, достаточно для копируемой строки. В качестве результата функция возвращает адрес первой строки. char* strcat(char* target, const char* source); Присоединить вторую строку с конца первой, включая завершающий нулевой байт. На место завершающего нулевого байта первой строки переписывается первый символ второй строки. В результате поадресу target получается строка, образованная слиянием первой со второй. В качестве результата функция возвращает адрес первой строки. int strcmp(const char* string1, const char* string2); Сравнить две строки в лексикографическом порядке (по алфавиту). Если первая строка должна стоять по алфавиту раньше, чем вторая, то результат функции меньше нуля, если позже – больше нуля, и ноль, если две строки равны. size_t strlen(const char* string); Определить длину строки в байтах, не считая завершающего нулевого байта. В следующем примере, использующем приведенные функции, в массиве result будет образована строка "1 января 1998 года, 12 часов": char result[100]; char* date = "1 января 1998 года"; char* time = "12 часов"; strcpy(result, date); strcat(result, ", "); strcat(result, time); Как видно из этого примера, литералы можно непосредственно использовать в выражениях. Определить массив строк можно с помощью следующего объявления: char* StrArray[5] = { "one", "two", "three", "four", "five" }; |
|