Помоги проекту - поделись книгой:
Джесс Либерти
Освой самостоятельно C++ за 21 день.
Об авторе
Джесс Либерти (Jesse Liberty) — автор шести книг, посвященных языку C++ и объектно-ориентированному анализу и проектированию, а также постоянный автор журнала C++ Report. Он возглавляет компанию Liberty Associates, Inc. (http://www.libertyassociates.com), которая предоставляет услуги по обучению в Internet объектно-ориентированной разработке программных продуктов, а также занимается наставничеством, консультированием и контрактным программированием.
Джесс удостоился звания заслуженного программиста (Distinguished Software Engineer at AT&T) и работал в должности вице-президента отдела разработки Ситибанка (Citibank's Development Division). Он живет в окрестностях Кембриджа (шт. Массачусетс) с женой Стеси (Stacey) и дочерьми Робин (Robin) и Речел (Rachel). С ним можно связаться через Internet по адресу: jliberty@libertyassociates.com. Джесс осуществляет поддержку книги через свой же Web-узел по адресу: http://www.libertyassociates.com — щелкните на гиперссылке Books and Resources (Книги и ресурсы).
Посвящение
Немеркнущей памяти Давида Ливайна (David Levine) посвящается.
Благодарности
Третье издание этой книги — еще одна возможность выразить благодарность всем тем, без чьей поддержки и помощи написать ее в буквальном смысле было бы невозможно. Прежде всего, эти слова вновь относятся к Стейси, Робин и Рейчел Либерти.
Хочу также поблагодарить моих редакторов в издательстве Sams, профессионалов высшего класса. Огромное спасибо Крису Денни (Chris Denny) и Брэду Джонс (Brad Jones) за их работу над предыдущими изданиями книги. Особую признательность хочу выразить Трейси Данкельбергер (Tracy Dunkelberger), Холли Олендер (Holly Allender), Сину Диксону (Sean Dixon), Хезер Толбот (Heather Talbot), Барбаре Хече (Barbara Hacha) и Моне Браун (Mona Brown).
Кроме того, я очень благодарен Скипу Джилбреху (Skip Gilbrech) и Дэвиду Мак-Кьюну (David McCune), научившим меня программировать, а также Стиву Роджерсу (Steve Rogers) и Стефану Заджибойло (Stephen Zagieboylo), обучившим меня языку C++. Хотелось бы сказать спасибо многим читателям, которые помогли мне отыскать ошибки и описки в первых изданиях книги: Гордону Андерсону (Gordon Anderson), Ричарду Асчери (Richard Ascheri), Рону Барлоу (Ron Barlow), Эйрай Блэчер (Ari Blachor), Чарльзу Кампузано (Charles Campuzano), Тэмми Церконе (Tammy Cercone), Михаэлю Чомишевски (Michael Chomiczewski), Раймонду Чорчу (С. Raymond Church), Чарльзу Дешу (Charles I. Desch), Чарльзу Дингмену (Charles Dingman), Джону Эмбоу (John Embow), Джею Эриксону (Jay Erikson), Марку Фидлеру (Mark Fiedler), Адаму Фордайсу (Adam Fordyce), Роберту Франсису (Robert Francis), Кристоферу Гарьипи (Christopher Gariepy), Грегу Гордону (Greg Gordon), Чарльзу Хейзгеве (Charles Hasegawa), Элиоту Кирсли (Elliot Kearsley), Андре Р. Кинни (Andrew R. Kinnie), Лари Кирби (Lari Kirby), Джо Корти (Joe Korty), Ричарду Ли (Richard Lee), Роджеру Лейнингеру (Roger Leininger), Рубену Лопезу (Ruben Lopez), Рэю Люшу (Ray Lush), Франку Маррено (Frank Marrero), Джоан Мэтью (Joan Mathew), Джеймсу Мэтью (James Mayhew), Шерлиль Мак-Кена (Sheryl McKenna), Джудит Милз (Judith Mills), Терри Милнеру (Terry Milner), Патрику Муру (Patrick Moore), Крису Нили (Chris Neely), Гари Пейджу (Gary Page), Джеймсу Парсонзу (James Parsons), Нирелу Петелу (Neeral Patel), Раулю ван Пруйену (Raoul van Prooijen), Карену Ризеру (Karen Risser), Дэну Роджерсу (Dan Rogers), Ральфу Руссо (Ralph Russo), Грегори Саффорду (Gregory Safford), Джо Скелоуну (Joe Scalone), Роберту Сайксу (Robert Sikes), Сэму Сабо (Sam Suboh), Уолтеру Сану (Walter Sun), Полу Саттону (Paul Sutton), Джеймсу Томпсону (James Thompson), Орландо Ванину (Orlando Vanin), Паскалю Вердье (Pascal Verdieu), Стефану Вейну (Stephen Wain), Джерри Уайерсу (Jerry Wares), Джеку Уайту (Jack White), Скотту Вильсону (Scott Wilson), Нику Витхауз (Nick Witthaus), Микаэлле Зулли (Michelle Zulli) и особенно Дональду Зи (Donald Xie).
Наконец, хочу поблагодарить миссис Калиш (Mrs. Kalish), которая в 1965 году научила своих шестиклассников (в том числе и меня) операциям в двоичной арифметике: в то время ни она, ни я не знали, зачем это может понадобиться.
Введение
Цель этой книги — помочь читателю научиться программировать на языке C++. Всего за 21 день вы узнаете о таких необходимых для этого вещах, как управление вводом-выводом, циклы, массивы, объектно-ориентированное программирование, шаблоны и создание приложений на C++. Все темы поданы в хорошо организованных уроках, которые выстроены в порядке усложнения. Для иллюстрации рассматриваемых тем во все главы включены листинги программ, дополненные результатами работы этих программ и подробным анализом инструкций. Для удобства ссылки на инструкции при анализе программ все их строки пронумерованы.
Чтобы помочь вам быстрее усвоить наши уроки, в конце каждого из них представлена подборка часто задаваемых вопросов и ответы на них, а также тест для самоконтроля и упражнения. В правильности своих ответов на вопросы теста и упражнения вы сможете убедиться, заглянув в приложение Г.
Для кого эта книга
Чтобы, опираясь на материал этой книги, научиться программировать на языке C++, вам вовсе не обязательно иметь предыдущий опыт программирования. Изложение здесь начинается с исходной точки, и, работая с книгой, вы изучите не только сам язык, но и концепции, положенные в основу программирования на C++. Верным и надежным гидом на пути к знаниям будут многочисленные примеры синтаксиса и подробнейший анализ всех приведенных здесь программ. Начинаете ли вы с нуля или у вас уже есть некоторый опыт программирования — в любом случае четкая организация этой книги создаст все условия для быстрого и простого изучения языка C++.
Неделя №1
Основные вопросы
При подготовке к первой неделе изучения основ программирования на языке C++ вам понадобится компилятор, текстовый редактор и эта книга. Если у вас нет ни компилятора C++, Ни текстового редактора, вы можете работать с этой книгой теоретически, но результат не будет таким высоким, как при выполнении всех предлагаемых здесь упражнений на компьютере.
Лучший способ научиться программировать — самому писать программы! В конце каждой главы вы найдете раздел практических занятий, который содержит вопросы для самопроверки и набор упражнений. Не пожалейте времени, чтобы ответить на все вопросы и выполнить все упражнения. Сверьте полученные результаты с правильными ответами, приведенными в приложении Г. Книга организована так, что последующие главы построены с учетом материала, изложенного в предыдущих занятиях, поэтому прежде чем двигаться вперед, убедитесь в том, что вы до конца понимаете уже прочитанный материал.
Несколько слов для программистов на языке C
Материал, изложенный в первых пяти занятиях, вероятно, будет вам знаком. Тем не менее, вам стоит просмотреть содержимое этих занятий и выполнить упражнения, чтобы удостовериться в полном понимании основ, необходимых для усвоения более сложных тем. И только после этого переходите к чтению занятия 6.
Что дальше
В течение первой недели вам предстоит освоить материал, необходимый для первых шагов в программировании вообще и на языке C++ в частности. На первых двух занятиях вы ознакомитесь с базовыми концепциями программирования и с ходом выполнения программ. На занятии 3 вы получите представление о переменных и константах, а также о том, как использовать данные в программах. На занятии 4 рассматриваются возможные ветвления программ на основе используемых данных и условий, проверяемых во время работы программы. На занятии 5 вы узнаете о том, что представляют собой функции и как их использовать, а занятие 6 познакомит вас с классами и объектами. На занятии 7 вы получите более подробную информацию о ходе выполнения программ, а к концу первой недели сможете писать настоящие объектно-ориентированные программы.
День 1-й. Первые шаги
Введение
Добро пожаловать на страницы книги Освой самостоятельно C++ за 21 день! Предлагаю незамедлительно отправиться в путь, если вы хотите стать профессиональным программистом на языке C++. Сегодня вы узнаете:
• Почему C++ стал стандартом в области разработки программных продуктов.
• Каковы этапы разработки программы на языке C++.
• Как написать, скомпилировать и скомпоновать свою первую программу на языке.
Краткий экскурс в историю языка C++
Эволюция языков программирования с момента появления первых электронных компьютеров, построенных для выполнения расчетов траектории движения артиллерийских снарядов во время второй мировой войны, была довольно драматической. Раньше программисты работали с самыми примитивными компьютерными командами, представлявшими собой часть машинного языка. Эти команды состояли из длинных строк единиц и нулей. Вскоре были изобретены ассемблеры, которые могли отображать машинные команды в мнемоническом представлении, более понятном для человека (например, команды ADD или MOV).
Со временем появились такие языки высокого уровня, как BASIC и COBOL. Благодаря этим языкам появилась возможность программировать, используя логические конструкции из слов и предложений, например Let I = 100. Эти команды переводились в машинный язык интерпретаторами и компиляторами. Интерпретатор по мере чтения программы последовательно превращает ее команды (или код) в команды машинного языка. Компилятор же целиком переводит программный код (листинг программы) в некоторую промежуточную форму — объектный файл. Этот этап называется компиляцией. Затем компилятор вызывает программу компоновки, которая превращает объектный файл в исполняемый файл программы.
С интерпретатором работать проще, так как команды программы выполняются в той последовательности, в которой они записаны, что облегчает контроль за выполнением программы. Компилятор же вносит дополнительные этапы компиляции и компоновки программы, в результате чего получается исполняемый файл, недоступный для анализа и редактирования. Однако скомпилированные программы выполняются быстрее, так как перевод команд программы на машинный язык уже произошел на этапе компиляции.
Еще одно преимущество компилируемых языков программирования, таких как C++, состоит в том, что полученные программы могут выполняться на компьютерах без компилятора. При работе же с интерпретируемыми языками для выполнения готовой программы нужно обязательно иметь соответствующую программу-интерпретатор.
В некоторых языках (например, Visual Basic) роль интерпретатора выполняет динамическая библиотека. Интерпретатором языка Java является виртуальная машина (Virtual Machine, или VM). В качестве виртуальной машины обычно используется браузер (такой как Internet Explorer или Netscape).
В течение многих лет основным достоинством программы считалась ее краткость и быстрота выполнения. Программу стремились сделать как можно меньше, поскольку память стоила весьма недешево, да и заинтересованность в высокой скорости выполнения объяснялась высокой стоимостью процессорного времени. Но по мере того как компьютеры становились все портативнее, дешевле (особенно ощутимо дешевела память) и быстрее, приоритеты менялись. Сегодня стоимость рабочего времени программиста намного превышает стоимость большинства компьютеров, используемых в бизнесе. Сейчас большим спросом пользуются профессионально написанные и легко эксплуатируемые программы. Простота эксплуатации означает, что при изменении требований, связанных с решением конкретных задач, программа легко перенастраивается без больших дополнительных затрат.
Программы
Слово программа используется в двух значениях: для обозначения отдельных блоков команд (или исходного кода), написанных программистом, и для обозначения исполняемого программного продукта как единого целого. Это различие в понятиях может ввести читателя в заблуждение, поэтому постараемся явно определять, что имеется в виду: исходный код или исполняемый продукт.
Итак, программу можно определить либо как набор написанных программистом команд, либо как выполняемый на компьютере продукт.
Исходный текст программы можно превратить в выполняемую программу двумя способами. В одном случае интерпретаторы переводят исходный код в машинные команды, и компьютер сразу же их выполняет. В качестве альтернативного варианта компиляторы переводят исходный код в исполняемый файл программы, который затем можно использовать самостоятельно. Хотя с интерпретаторами работать легче, большинство серьезных программ создается с использованием компиляторов, поскольку скомпилированный код выполняется намного быстрее. Примером компилируемого языка программирования служит C++.
Решение многих проблем
С течением времени проблемы, ставящиеся перед программистами, меняются. Двадцать лет назад программы создавались в основном для обработки больших объемов данных. При этом зачастую как те, кто писал программы, так и те, кто их использовал, были профессионалами в компьютерной области знаний. Сегодня многое изменилось. С компьютером нередко работают те, кто даже понятия не имеет о его аппаратном и программном обеспечении. Компьютеры стали инструментом, который используется людьми, больше заинтересованными в решении своих деловых проблем, чем в глубоком освоении компьютера.
По иронии судьбы, чтобы облегчить новому поколению пользователей работу с программами, сложность самих этих программ значительно повысилась. Канули в лету те дни, когда пользователи вводили "таинственные знаки" (т.е. команды) в ответ на понятные только посвященным подсказки-приглашения, в результате получая поток "сырых", т.е. совершенно необработанных данных. В современных программах используются высокоорганизованные, дружественные по отношению к пользователю интерфейсы, оснащенные многочисленными окнами, меню, диалоговыми окнами и мириадами визуальных графических средств, с которыми все уже хорошо знакомы. Программы, написанные для поддержки этого нового уровня взаимодействия человека с компьютером, гораздо сложнее написанных всего лишь десять лет назад.
С развитием всемирной информационной сети Web для компьютеров началась новая эра проникновения на рынок. Пользователей компьютеров сейчас больше, чем когда бы то ни было, и при этом их претензии чрезвычайно высоки. Даже по прошествии всего нескольких лет с момента выхода первого издания этой книги программы заметно увеличились и усложнились, а необходимость использования методов объектно-ориентированного программирования для решения проблем, ставящихся перед современными программистами, стала просто очевидной.
С изменением требований к программированию, претерпели изменение как языки, так и технология написания программ. Хотя в истории эволюции программирования есть много интересного, в этой книге мы остановимся на переходе от процедурного программирования к объектно-ориентированному.
Процедурное, структурированное и объектно-ориентированное программирование
До недавних пор программы рассматривались как последовательности процедур, выполнявших некоторые действия над данными. Процедура, или функция, представляет собой набор определенных команд, выполняемых друг за другом. Данные были отделены от процедур, и главным в программировании было проследить, какая функция, какую вызывает и какие данные при этом меняются. Чтобы внести ясность в эту потенциально запутанную ситуацию, были разработаны принципы структурированного программирования.
Основная идея структурированного программирования вполне соответствует принципу "разделяй и властвуй". Компьютерную программу можно представить состоящей из набора задач. Любая задача, которая слишком сложна для простого описания, должна быть разделена на несколько более мелких составных задач, и это деление необходимо продолжать до тех пор, пока задачи не станут достаточно простыми для понимания.
В качестве примера возьмем вычисление средней заработной платы всех служащих компании. Это не такая уж простая задача. Однако ее можно разбить на ряд подзадач.
1. Выясняем, сколько зарабатывает каждый служащий.
2. Подсчитываем количество людей в компании.
3. Суммируем все зарплаты.
4. Делим суммарную зарплату на количество служащих в компании.
Суммирование зарплат тоже можно разделить на несколько этапов.
1. Читаем запись каждого служащего.
2. Получаем доступ к информации о зарплате.
3. Прибавляем очередное значение зарплаты к накопительной сумме.
4. Читаем запись следующего служащего.
В свою очередь, операцию чтения записи каждого служащего можно разбить на еще более мелкие подоперации.
1. Открываем файл служащих.
2. Переходим к нужной записи.
3. Считываем данные с диска.
Структурированное программирование остается довольно успешным способом решения сложных проблем. Однако к концу 1980-х годов слишком очевидными стали некоторые недостатки структурированного программирования.
Во-первых, не было реализовано естественное желание думать о данных (например, записях служащих) и действиях над ними (сортировке, редактировании и т.п.) как о едином целом. Процедурное программирование, наоборот, отделяло структуры данных от функций, которые манипулировали этими данными.
Во-вторых, программисты обнаружили, что они постоянно переизобретают новые решения старых проблем. Такая ситуация часто называется изобретением колеса (или велосипеда). Желание иметь возможность многократного использования рутинных блоков, повторяющихся во многих программах, вполне естественно. Это чем-то напоминает сборку приемника из радиодеталей. Конструктору не нужно каждый раз изобретать диоды и транзисторы. Он просто использует стандартные, заранее подготовленные радиодетали. Но для разработчиков программных продуктов такой возможности долгое время не было.
Внедрение в практику дружеского пользовательского интерфейса с рамочными окнами, меню и экранными кнопками определило новый подход к программированию. Программы стали выполняться не последовательно от начала до конца, а отдельными блоками в ответ на выполнение некоторого события. При возникновении определенного события (например, щелчка на кнопке или выбора из меню команды) программа должна отреагировать на него соответствующим образом. При таком подходе программы становятся все более интерактивными, что необходимо учитывать при их разработке.
Новый термин:
Объектно-ориентированное программирование стремится отвечать этим требованиям, предоставляя технологию управления элементами любой сложности, создавая условия для многократного использования программных компонентов и объединяя данные с методами манипуляции ими.
Суть объектно-ориентированного программирования состоит в том, чтобы обращаться с данными и процедурами, которые выполняют действия над этими данными, как с единым объектом, т.е. самодостаточным элементом, который в чем-то идентичен другим таким же объектам, но в то же время отличается от них определенными уникальными свойствами.
Язык C++ и объектно-ориентированное программирование
В языке C++ полностью поддерживаются принципы объектно-ориентированного программирования, включая три кита, на которых оно стоит: инкапсуляцию, наследование и полиморфизм.
Инкапсуляция
Когда инженер использует в своей разработке резистор, он не изобретает его заново, а идет на склад (в магазин, к коллеге — возможны варианты) и в соответствии с заданными параметрами подбирает себе нужную деталь. При этом его не очень-то волнует, как устроен данный конкретный резистор, лишь бы он работал в соответствии с заводскими характеристиками.
Именно это свойство скрытости или автономности объектов, используемых во внешних конструкциях, называется инкапсуляцией. С помощью инкапсуляции можно обеспечить сокрытие данных. Это очень важная характеристика, благодаря которой пользователь может не задумываться о внутренней работе используемого объекта. Подобно тому, как использование холодильника не требует знаний о принципах работы рефрижератора, применение хорошо разработанного программного объекта позволяет не заботиться о взаимоотношениях его внутренних переменных-членов.
Еще раз приведем аналогию: для эффективного использования резистора инженеру совсем не обязательно знать принципы его работы и внутреннее устройство. Все свойства резистора инкапсулированы (т.е. скрыты) в самом резисторе, важно только, чтобы он правильно справлялся со своими функциями.
В языке C++ свойство инкапсуляции поддерживается посредством создания нестандартных (пользовательских) типов данных, называемых классами. О том, как создаются классы, вы узнаете на занятии 6. После создания хорошо определенный класс действует как полностью инкапсулированный объект, т.е. его можно использовать в качестве целого программного модуля. Настоящая же внутренняя работа класса должна быть скрыта. Пользователям хорошо определенного класса не нужно знать, как этот класс работает; им нужно знать только одно — как его использовать.
Наследование и многократное использование
Когда инженеры из компании Acme Motors решили сконструировать новый автомобиль, у них было два варианта: они могли начать с нуля или модифицировать существующую модель Star. Возможно, эта модель почти идеальна, но хотелось бы добавить турбокомпрессор и шестискоростную передачу. Главный инженер выбрал второй вариант, т.е. не начинать с нуля, а построить другую модель автомобиля Star, усовершенствовав ее за счет дополнительных возможностей. При этом он предложил назвать новую модель Quasar, Quasar — это разновидность модели Star, но оснащенная новыми деталями.
Язык C++ поддерживает наследование. Это значит, что можно объявить новый тип данных (класс), который является расширением существующего. Об этом новом подклассе говорят, что он унаследован от существующего класса, и называют его производным. Модель Quasar произведена от модели Star, и поэтому она наследует все ее качества, но при необходимости может их расширить. О наследовании и его применении в языке C++ речь пойдет на занятиях 11 и 15.
Полиморфизм
Новая модель Quasar, в отличие от Star, может по-другому реагировать на нажатие акселератора. В модели Quasar можно добавить инжекторную систему впрыскивания топлива в двигатель и турбокомпрессор вместо использования карбюратора в модели Star. Однако пользователю не обязательно знать об этих отличиях. Он может просто надавить на газ и ожидать соответствующей реакции автомобиля, за рулем которого он сидит.
Язык C++ поддерживает возможность вносить изменения в выполнение одноименных функций для разных объектов благодаря так называемому полиморфизму функций и классов. Поли означает много, морфе — форма, следовательно, полиморфизм означает многообразие форм. Подробно это понятие рассматривается на занятиях 10 и 13.
Эволюция языка C++
Когда назрела идея объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования, Бьярн Страуструп (Bjarne Stroustrup) взял язык С (наиболее популярный для разработки коммерческих программных продуктов) и расширил его, обогатив средствами, необходимыми для объектно-ориентированного программирования.
Хотя язык C++ справедливо называют продолжением С и любая работоспособная программа на языке С будет поддерживаться компилятором C++, при переходе от С к C++ был сделан весьма существенный скачок. Язык C++ выигрывал от своего родства с языком С в течение многих лет, поскольку программисты могли легко перейти от С к использованию C++. Однако многие программисты обнаружили, что для того, чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами языка C++, им нужно отказаться от некоторых своих прежних знаний и приобрести новые, а именно: изучить новый способ концептуализации и решения проблем программирования.
Нужно ли сначала изучить язык C
У многих возникает вопрос: "Поскольку C++ является продолжением языка С, нужно ли сначала осваивать С?" Страуструп и большинство других программистов, использующих C++, считают, что это не только не нужно, но гораздо лучше этого вовсе не делать.
Эта книга не предполагает наличия у читателя предварительного опыта программирования. Но если вы знакомы с программированием на С, первые пять глав вам достаточно лишь просмотреть. Только начиная с занятия 6, мы приступим к настоящей разработке объектно-ориентированных программ.
C++ и Java
C++ в настоящее время считается господствующим языком, используемым для разработки коммерческих программных продуктов. В последние годы это господство слегка заколебалось благодаря аналогичным претензиям со стороны такого языка программирования, как Java, но маятник общественного мнения качнулся в другую сторону, и многие программисты, которые бросили C++ ради Java, в последнее время поспешили вернуться к своей прежней привязанности. В любом случае эти два языка так похожи, что изучив один из них, вы на 90% освоите другой.
Стандарт ANSI
Аккредитованный комитет стандартов (Accredited Standards Committee), действующий под руководством Американского национального института стандартов (American National Standards Institute — ANSI), создал международный стандарт для языка C++.
Стандарт C++ также именуется в настоящее время как ISO — International Standards Organization (Международная организация по стандартизации). Кроме того, когда говорят о стандарте языка C++, иногда имеют в виду или NCITS (National Committee for Information Technology Standards — Национальный комитет по стандартам на информационные технологии), или X3 (старое название комитета NCITS), или ANSI/ISO. В этой книге мы будем придерживаться стандарта ANSI, поскольку это наиболее популярный термин.
Примечание:
Стандарт ANSI — это попытка гарантировать, что язык C++ будет аппаратно независимым (т.е. переносимым с компьютера на компьютер). Это значит, что программа, написанная в соответствии со стандартом ANSI для компилятора компании Microsoft, будет компилироваться без ошибок с использованием компилятора другого производителя. Более того, поскольку приведенные в этой книге программы являются ANSI- совместимыми, они должны компилироваться без ошибок на компьютерах, работающих на платформах Mac, Windows или Alpha.
Для большинства изучающих язык C++ стандарт ANSI остается прозрачным. Тем не менее соответствие программного продукта общепринятым стандартам ANSI важно для профессиональных программистов. Мы позаботились о том, чтобы все программы, вошедшие в эту книгу, были ANSI-совместимыми.
Поделиться книгой: