c++book1

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

Здесь три ошибки: a определено дважды (int a; является определением, которое означает int a=0;), b описано дважды с разными типами, а c описано дважды, но не определено. Эти виды ошибок не могут быть обнаружены компилятором, который за один раз видит только один файл. Компоновщик, однако, их обнаруживает.

Следующая программа не является С++ программой (хотя C программой является):

//file1.c: int a;

int f() (* return a; *)

//file2.c:

int a;

int g() (* return f(); *)

Во-первых, file2.c не С++, потому что f() не была описана, и поэтому компилятор будет недоволен. Во-вторых, (когда file2.c фиксирован) программа не будет скомпонована, поскольку a определено дважды.

Имя можно сделать локальным в файле, описав его static. Например:

// file1.c:

static int a = 6;

static int f() (* /* ... */ *)

// file2.c:

static int a = 7;

static int f() (* /* ... */ *)

Поскольку каждое a и f описано как static, получающаяся в результате программа является правильной. В каждом файле своя a и своя f().

Когда переменные и функции явно описаны как static, часть программы легче понять (вам не надо никуда больше заглядывать). Использование static для функций может, помимо этого, выгодно влиять на расходы по вызову функции, поскольку дает оптимизирующему компилятору более простую работу.

Рассмотрим два файла:

// file1.c:

const int a = 6;

inline int f() (* /* ... */ *) struct s (* int a,b; *)

// file1.c:

const int a = 7;

inline int f() (* /* ... */ *) struct s (* int a,b; *)

Раз правило "ровно одно определение" применяется к константам, inlineфункциям и определениям функций так же, как оно применяется к функциям и переменным, то file1.c и file2.c не могут быть частями одной С++ программы. Но если

111

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

это так, то как же два файла могут использовать одни и те же типы и константы? Коротко, ответ таков: типы, константы и т.п. могут определяться столько раз, сколько нужно, при условии, что они определяются одинаково. Полный ответ несколько более сложен (это объясняется в следующем разделе).

4.3 Заголовочные Файлы

Типы во всех описаниях одного и того же объекта должны быть согласованными. Один из способов это достичь мог бы состоять в обеспечении средств проверки типов в компоновщике, но большинство компоновщиков - образца 1950-х, и их нельзя изменить по практическим соображениям*. Другой подход состоит в обеспечении того, что исходный текст, как он передается на рассмотрение компилятору, или согласован, или содержит информацию, которая позволяет компилятору обнаружить несогласованности. Один несовершенный, но простой способ достичь согласованности состоит во включении заголовочных файлов, содержащих интерфейсную информацию, в исходные файлы, в которых содержится исполняемый код и/или определения данных.

--------------------

* Легко изменить один компоновщик, но сделав это и написав программу, которая зависит от усовершенствований, как вы будете переносить эту программу в другое место? (прим. автора)

Механизм включения с помощью #include - это чрезвычайно простое средство обработки текста для сборки кусков исходной программы в одну единицу (файл) для ее компиляции. Директива

#include "to_be_included"

замещает строку, в которой встретилось #include, содержимым файла "to_be_included". Его содержимым должен быть исходный текст на С++, поскольку дальше его будет читать компилятор. Часто включение обрабатывается отдельной программой, называемой C препроцессором, которую команда CC вызывает для преобразования исходного файла, который дал программист, в файл без директив включения перед тем, как начать собственно компиляцию. В другом варианте эти директивы обрабатывает интерфейсная система компилятора по мере того, как они встречаются в исходном тексте. Если программист хочет посмотреть на результат директив включения, можно воспользоваться командой

CC -E file.c

для препроцессирования файла file.c точно также, как это сделала бы CC перед запуском собственно компилятора. Для включения файлов из стандартной директории включения вместо кавычек используются угловые скобки < и >. Например:

#include <stream.h> //из стандартной директории включения

#define "myheader.h" // из текущей директории

Использование <> имеет то преимущество, что в программу фактическое имя директории включения не встраивается (как правило, сначала просматривается /usr/include/CC, а потом usr /include). К сожалению, пробелы в директиве include существенны:

#include < stream.h > // не найдет <stream.h>

112

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

Может показаться, что перекомпилировать файл заново каждый раз, когда он куда-либо включается, расточительно, но время компиляции такого файла обычно слабо отличается от времени, которое необходимо для чтения его некоторой заранее откомпилированной формы. Причина в том, что текст программы является довольно компактным представлением программы, и в том, что включаемые файлы обычно содержат только описания и не содержат программ, требующих от компилятора значительного анализа.

Следующее эмпирическое правило относительно того, что следует, а что не следует помещать в заголовочные файлы, является не требованием языка, а просто предложением по разумному использованию аппарата #include.

В заголовочном файле могут содержаться:

Определения типов struct point (* int x, y; *)

Описания функций extern int strlen(const char*); Определения inline-функ-й inline char get()(*return *p++;*)

Описания данных extern int a;

Определения констант const float pi = 3.141593

Перечисления enum bool (* false, true *); Директивы include #include <signal.h> Определения макросов #define Case break;case

Комментарии /* проверка на конец файла */

но никогда:

Определения обычных функций char get() (* return *p++; *) Определения данных int a;

Определения сложных константных объектов const tbl[]=(*/*

... */ *)

В системе UNIX принято, что заголовочные файлы имеют суффикс (расширение)

.h. Файлы, содержащие определение данных или функций, должны иметь суффикс .c. Такие файлы часто называют, соответственно, ".h файлы" и ".c файлы". В #4.7 описываются макросы. Следует заметить, что в С++ макросы гораздо менее полезны, чем в C, поскольку С++ имеет такие языковые конструкции, как const для определения констант и inline для исключения расходов на вызов функции.

Причина того, почему в заголовочных файлах допускается определение простых констант, но не допускается определение сложных константных объектов, прагматическая. В принципе, сложность тут только в том, чтобы сделать допустимым дублирование определений переменных (даже определения функций можно было бы дублировать). Однако для компоновщиков старого образца слишком трудно проверять тождественность нетривиальных констант и убирать ненужные повторы. Кроме того, простые случаи гораздо более обиходны и потому более важны для генерации хорошего кода.

4.3.1 Один Заголовочный Файл

Проще всего решить проблему разбиения программы на несколько файлов поместив функции и определения данных в подходящее число исходных файлов и описав типы, необходимые для их взаимодействия, в одном заголовочном файле,

113

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

который включается во все остальные файлы. Для программы калькулятора можно использовать четыре .c файла: lex.c, syn.c, table.c и main.c, и заголовочный файл dc.h, содержащий описания всех имен, которые используются более чем в одном .c файле:

// dc.h: общие описания для калькулятора

enum token_value (*

NAME, NUMBER, END,

PLUS='+', MINUS='-', MUL='*', DIV='/', PRINT=';', ASSIGN='=', LP='(', RP=')'

*);

extern int no_of_errors; extern double error(char* s);

extern token_value get_token(); extern token_value curr_tok; extern double number_value; extern char name_string[256];

extern double expr(); extern double term(); extern double prim();

struct name (* char* string; name* next; double value;

*);

extern name* look(char* p, int ins = 0);

inline name* insert(char* s) (* return look(s,1); *)

Если опустить фактический код, то lex.c будет выглядеть примерно так:

// lex.c: ввод и лексический анализ

#include "dc.h" #include <ctype.h>

token_value curr_tok; double number_value; char name_string[256];

token_value get_token() (* /* ... */ *)

Заметьте, что такое использование заголовочных файлов гарантирует, что каждое описание в заголовочном файле объекта, определенного пользователем, будет в какойто момент включено в файл, где он определяется. Например, при компиляции lex.c компилятору будет передано:

extern token_value get_token(); // ...

token_value get_token() (* /* ... */ *)

114

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

Это обеспечивает то, что компилятор обнаружит любую несогласованность в типах, указанных для имени. Например, если бы get_token() была описана как возвращающая token_value, но при этом определена как возвращающая int, компиляция lex.c не прошла бы изза ошибки несоответствия типов.

Файл syn.c будет выглядеть примерно так:

// syn.c: синтаксический анализ и вычисление

#include "dc.h"

double prim() (* /* ... */ *) double term() (* /* ... */ *) double expr() (* /* ... */ *)

Файл table.c будет выглядеть примерно так:

// table.c: таблица имен и просмотр

#include "dc.h"

extern char* strcmp(const char*, const char*); extern char* strcpy(char*, const char*); extern int strlen(const char*);

const TBLSZ = 23; name* table[TBLSZ];

name* look(char* p; int ins) (* /* ... */ *)

Заметьте, что table.c сам описывает стандартные функции для работы со строками, поэтому никакой проверки согласованности этих описаний нет. Почти всегда лучше включать заголовочный файл, чем описывать имя в .c файле как extern. При этом может включаться "слишком много", но это обычно не оказывает серьезного влияния на время, необходимое для компиляции, и как правило экономит время программиста. В качестве примера этого, обратите внимание на то, как strlen() заново описывается в main() (ниже). Это лишние нажатия клавиш и возможный источник неприятностей, поскольку компилятор не может проверить согласованность этих двух определений. На самом деле, этой сложности можно было бы избежать, будь все описания extern помещены в dc.h, как и предлагалось сделать. Эта "небрежность" сохранена в программе, поскольку это очень типично для C программ, очень соблазнительно для программиста, и чаще приводит, чем не приводит, к ошибкам, которые трудно обнаружить, и к программам, с которыми тяжело работать. Вас предупредили!

Иmain.c, наконец, выглядит так:

//main.c: инициализация, главный цикл и обработка ошибок

#include "dc.h"

int no_of_errors;

double error(char* s) (* /* ... */ *)

115

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

extern int strlen(const char*);

main(int argc, char* argv[]) (* /* ... */ *)

Важный случай, когда размер заголовочных файлов становится серьезной помехой. Набор заголовочных файлов и библиотеку можно использовать для расширения языка множеством обще- и специальноприкладных типов (см. Главы 5-8). В таких случаях не принято осуществлять чтение тысяч строк заголовочных файлов в начале каждой компиляции. Содержание этих файлов обычно "заморожено" и изменяется очень нечасто. Наиболее полезным может оказаться метод затравки компилятора содержанием этих заголовочных фалов. По сути, создается язык специального назначения со своим собственным компилятором. Никакого стандартного метода создания такого компилятора с затравкой не принято.

4.3.2 Множественные Заголовочные Файлы

Стиль разбиения программы с одним заголовочным файлом наиболее пригоден в тех случаях, когда программа невелика и ее части не предполагается использовать отдельно. Поэтому то, что невозможно установить, какие описания зачем помещены в заголовочный файл, несущественно. Помочь могут комментарии. Другой способ - сделать так, чтобы каждая часть программы имела свой заголовочный файл, в котором определяются предоставляемые этой частью средства. Тогда каждый .c файл имеет соответствующий .h файл, и каждый .c файл включает свой собственный (специфицирующий то, что в нем задается) .h файл и, возможно, некоторые другие .h файлы (специфицирующие то, что ему нужно).

Рассматривая организацию калькулятора, мы замечаем, что error() используется почти каждой функцией программы, а сама использует только <stream.h>. Это обычная для функции ошибок ситуация, поэтому error() следует отделить от main():

// error.h: обработка ошибок

extern int no_errors;

extern double error(char* s);

// error.c

#include <stream.h> #include "error.h"

int no_of_errors;

double error(char* s) (* /* ... */ *)

При таком стиле использования заголовочных файлов .h файл и связанный с ним

.c файл можно рассматривать как модуль, в котором .h файл задает интерфейс, а .c файл задает реализацию.

Таблица символов не зависит от остальной части калькулятора за исключением использования функции ошибок. Это можно сделать явным:

// table.h: описания таблицы имен

116

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

struct name (* char* string; name* next; double value;

*);

extern name* look(char* p, int ins = 0);

inline name* insert(char* s) (* return look(s,1); *)

// table.c: определения таблицы имен

#include "error.h" #include <string.h> #include "table.h"

const TBLSZ = 23; name* table[TBLSZ];

name* look(char* p; int ins) (* /* ... */ *)

Заметьте, что описания функций работы со строками теперь включаются из <string.h>. Это исключает еще один возможный источник ошибок.

// lex.h: описания для ввода и лексического анализа

enum token_value (*

NAME, NUMBER, END,

PLUS='+', MINUS='-', MUL='*', DIV='/', PRINT=';', ASSIGN='=', LP='(', RP=')'

*);

extern token_value curr_tok; extern double number_value; extern char name_string[256];

extern token_value get_token();

Этот интерфейс лексического анализатора достаточно беспорядочен. Недостаток в надлежащем типе лексемы обнаруживает себя в необходимости давать пользователю get_token() фактические лексические буферы number_value и name_string.

// lex.c: определения для ввода и лексического анализа

#include <stream.h> #include <ctype.h> #include "error.h" #include "lex.h"

token_value curr_tok; double number_value; char name_string[256];

token_value get_token() (* /* ... */ *)

117

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

Интерфейс синтаксического анализатора совершенно прозрачен: // syn.c: описания для синтаксического анализа и вычисления

extern double expr(); extern double term(); extern double prim();

//syn.c: определения для синтаксического анализа и

//вычисления

#include "error.h" #include "lex.h" #include "syn.h"

double prim() (* /* ... */ *) double term() (* /* ... */ *) double expr() (* /* ... */ *)

Главная программа, как всегда, тривиальна:

// main.c: главная программа

#include <stream.h> #include "error.h" #include "lex.h" #include "syn.h" #include "table.h" #include <string.h>

main(int argc, char* argv[]) (* /* ... */ *)

Сколько заголовочных файлов использовать в программе, зависит от многих факторов. Многие из этих факторов сильнее связаны с тем, как ваша система работает с заголовочными файлами, нежели с С++. Например, если в вашем редакторе нет средств, позволяющих одновременно видеть несколько файлов, использование большого числа файлов становится менее привлекательным. Аналогично, если открывание и чтение 10 файлов по 50 строк в каждом требует заметно больше времени, чем чтение одного файла в 500 строк, вы можете дважды подумать, прежде чем использовать в небольшом проекте стиль множественных заголовочных файлов. Слово предостережения: набор из десяти заголовочных файлов плюс стандартные заголовочные файлы обычно легче поддаются управлению. С другой стороны, если вы разбили описания в большой программе на логически минимальные по размеру заголовочные файлы (помещая каждое описание структуры в свой отдельный файл и т.д.), у вас легко может получиться неразбериха из сотен файлов.

4.3.3 Сокрытие Данных

Используя заголовочные файлы пользователь может определять явный интерфейс, чтобы обеспечить согласованное использование типов в программе. С другой стороны, пользователь может обойти интерфейс, задаваемый заголовочным файлом, вводя в .c файлы описания extern.

118

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

Заметьте, что такой стиль компоновки не рекомендуется:

//file1.c: // "extern" не используется int a = 7;

const c = 8;

void f(long) (* /* ... */ *)

//file2.c: // "extern" в .c файле extern int a;

extern const c; extern f(int);

int g() (* return f(a+c); *)

Поскольку описания extern в file2.c не включаются вместе с определениями в файле file1.c, компилятор не может проверить согласованность этой программы. Следовательно, если только загрузчик не окажется гораздо сообразительнее среднего, две ошибки в этой программе останутся, и их придется искать программисту.

Пользователь может защитить файл от такой недисциплинированной компоновки, описав имена, которые не предназначены для общего пользования, как static, чтобы их областью видимости был файл, и они были скрыты от остальных частей программы. Например:

// table.c: определения таблицы имен

#include "error.h" #include <string.h> #include "table.h"

const TBLSZ = 23;

static name* table[TBLSZ];

name* look(char* p; int ins) (* /* ... */ *)

Это гарантирует, что любой доступ к table действительно будет осуществляться именно через look(). "Прятать" константу TBLSZ не обязательно.

4.4Файлы как Модули

Впредыдущем разделе .c и .h файлы вместе определяли часть программы. Файл

.h является интерфейсом, который используют другие части программы, .c файл задает реализацию. Такой объект часто называют модулем. Доступными делаются только те имена, которые необходимо знать пользователю, остальные скрыты. Это качество часто называют сокрытием данных, хотя данные - лишь часть того, что может быть скрыто. Модули такого вида обеспечивают большую гибкость. Например, реализация может состоять из одного или более .c файлов, и в виде .h файлов может быть предоставлено несколько интерфейсов. Информация, которую пользователю знать не обязательно, искусно скрыта в .c файлах. Если важно, что пользователь не должен точно знать, что содержится в .c файлах, не надо делать их доступными в исходом виде. Достаточно эквивалентных им выходных файлов компилятора (.o файлов).

119

Учебник по C++. Скачан с сайта http://bizkit.land.ru . Самая полная коллекция в Сети.

Иногда возникает сложность, состоящая в том, что подобная гибкость достигается без формальной структуры. Сам язык не распознает такой модуль как объект, и у компилятора нет возможности отличить .h файлы, определяющие имена, которые должны использовать другие модули (экспортируемые), от .h файлов, которые описывают имена из других модулей (импортируемые).

В других случаях может возникнуть та проблема, что модуль определяет множество объектов, а не новый тип. Например, модуль table определяет одну таблицу, и если вам нужно две таблицы, то нет простого способа задать вторую таблицу с помощью понятия модуля. Решение этой проблемы приводится в Главе 5.

Каждый статически размещенный объект по умолчанию инициализируется нулем, программист может задать другие (константные) значения. Это только самый примитивный вид инициализации. К счастью, с помощью классов можно задать код, который выполняется для инициализации перед тем, как модуль какимлибо образом используется, и/или код, который запускается для очистки после последнего использования модуля, см. #5.5.2.

4.5 Как Создать Библиотеку

Фразы типа "помещен в библиотеку" и "ищется в какой-то библиотеке" используются часто (и в этой книге, и в других), но что это означает для С++ программы? К сожалению, ответ зависит от того, какая операционная система используется; в этом разделе объясняется, как создать библиотеку в 8-ой версии системы UNIX. Другие системы предоставляют аналогичные возможности.

Библиотека в своей основе является множеством .o файлов, полученных в результате компиляции соответствующего множества .c файлов. Обычно имеется один или более .h файлов, в которых содержатся описания для использования этих .o файлов. В качестве примера рассмотрим случай, когда нам надо задать (обычным способом) набор математических функций для некоторого неопределенного множества пользователей. Заголовочный файл мог бы выглядеть примерно так:

extern double sqrt(double); // подмножество <math.h> extern double sin(double);

extern double cos(double); extern double exp(double); extern double log(double);

а определения этих функций хранились бы, соответственно, в файлах sqrt.c, sin.c, cos.c, exp.c и log.c.

Библиотеку с именем math.h можно создать, например, так:

$ CC -c sqrt.c sin.c cos.c exp.c log.c

$ ar cr math.a sqrt.o sin.o cos.o exp.o log.o $ ranlib math.a

Вначале исходные файлы компилируются в эквивалентные им объектные файлы. Затем используется команда ar, чтобы создать архив с именем math.a. И, наконец, этот

120