Дизайн и эволюция С++

Бьерн Страуструп

Дизайн и эволюция С++

The Design
and Evolution
of C++

Bjarne Stroustrup

An imprint of Addison Wesley Longman, Inc.
Reading, Massachusetts • Harlow, England • Menlo Park, California
Berkeley, California • Don Mills, Ontario • Sydney
Bonn • Amsterdam • Tokyo • Mexico City

Дизайн

и эволюция

С++

Бьерн Страуструп

Серия «Для программистов»

Москва, 2016

ББК 32.973.26018.1

С80

Страуструп Б.

С80
Дизайн и эволюция С++: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, 2016. – 446  с.:
ил. (Серия «Для программистов»).

ISBN 978-597060-419-9

В книге, написанной создателем языка C++ Бьерном Страуструпом,

представлено описание процесса проектирования и разработки языка программирования C++.

Здесь изложены цели, принципы и практические ограничения, наложившие отпечаток на структуру и облик C++, обсужден дизайн недавно добавленных в язык средств: шаблонов, исключений, идентификации типа во
время исполнения и пространств имен. Автор анализирует решения, принятые в ходе работы над языком, и демонстрирует, как правильно применять «реальный объектноориентированный язык программирования».

Книга удобно организована, поучительна, написана с юмором. Описание ключевых идей даст начинающему пользователю ту основу, на которой
позже он выстроит свое понимание всех деталей языка. Опытный программист найдет здесь обсуждение принципиальных вопросов проектирования,
что позволит ему лучше понять язык, с которым он работает.

Права на издание книги были получены по соглашению с Addison Wesley Longman, Inc.

и Литературным агенством Мэтлок (СанктПетербург).

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы

то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность

технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

ISBN 978-0201543308 (англ.)
        Copyright © by AT&T Bell Labs.

ISBN 978-597060-419-9 (рус.)            © Перевод на русский язык, оформление.

        ДМК Пресс, 2016

Содержание

Предисловие .................................................................................................... 13
Благодарности ................................................................................................ 15
Обращение к читателю ............................................................................... 16

Часть I ............................................................................................................ 29

Глава 1. Предыстория C++ ........................................................................ 30
1.1. Язык Simula и распределенные системы ............................................... 30
1.2. Язык C и системное программирование ............................................... 33
1.3. Немного об авторе книги ....................................................................... 33

Глава 2. Язык С with Classes ....................................................................... 36
2.1. Рождение C with Classes ......................................................................... 36
2.2. Обзор языковых возможностей ............................................................. 38
2.3. Классы ...................................................................................................... 39
2.4. Эффективность исполнения ................................................................... 41
2.4.1. Встраивание ...................................................................................... 42
2.5. Модель компоновки ................................................................................ 43
2.5.1. Простые реализации ........................................................................... 46
2.5.2. Модель размещения объекта в памяти .................................................. 48
2.6. Статический контроль типов .................................................................. 49
2.6.1. Сужающие преобразования ................................................................ 50
2.6.2. О пользе предупреждений ................................................................... 51
2.7. Почему C? ................................................................................................ 52
2.8 Проблемы синтаксиса ............................................................................. 54
2.8.1. Синтаксис объявлений в языке C ........................................................... 54
2.8.2. Тэги структур и имена типов ................................................................. 56
2.8.3. Важность синтаксиса .......................................................................... 58
2.9. Производные классы ............................................................................... 58
2.9.1. Полиморфизм без виртуальных функций ................................................ 59
2.9.2. Контейнерные классы без шаблонов ..................................................... 60
2.9.3. Модель размещения объекта в памяти .................................................. 61
2.9.4. Ретроспектива ................................................................................... 62
2.10. Модель защиты ...................................................................................... 62

2.11. Гарантии времени исполнения ............................................................ 65
2.11.1. Конструкторы и деструкторы .............................................................. 65
2.11.2. Распределение памяти и конструкторы ................................................ 66
2.11.3. Функции call и return .......................................................................... 67
2.12. Менее существенные средства ........................................................... 67
2.12.1. Перегрузка оператора присваивания ................................................. 67
2.12.2. Аргументы по умолчанию ................................................................... 68
2.13. Что не реализовано в C with Classes ................................................. 69
2.14. Рабочая обстановка ............................................................................. 70

Глава 3. Рождение С++ ............................................................................... 73
3.1. От C with Classes к C++ .......................................................................... 73
3.2. Цели С++ .................................................................................................. 74
3.3. Компилятор Cfront ................................................................................... 76
3.3.1. Генерирование Скода ........................................................................ 77
3.3.2. Синтаксический анализ C++ ................................................................ 79
3.3.3. Проблемы компоновки ........................................................................ 80
3.3.4. Версии Cfront ..................................................................................... 80
3.4. Возможности языка ................................................................................. 82
3.5. Виртуальные функции .............................................................................. 82
3.5.1. Модель размещения объекта в памяти .................................................. 85
3.5.2. Замещение и поиск подходящей виртуальной функции ............................ 87
3.5.3. Сокрытие членов базового класса ........................................................ 87
3.6. Перегрузка ............................................................................................... 88
3.6.1. Основы перегрузки ............................................................................. 89
3.6.2. Функциичлены и дружественные функции .............................................. 91
3.6.3. Операторные функции ........................................................................ 93
3.6.4. Перегрузка и эффективность ................................................................ 94
3.6.5. Изменение языка и новые операторы .................................................... 96
3.7. Ссылки ...................................................................................................... 96
3.7.1. Lvalue и Rvalue .................................................................................... 98
3.8. Константы ................................................................................................. 99
3.9. Управление памятью ............................................................................. 101
3.10. Контроль типов .................................................................................... 103
3.11. Второстепенные возможности ........................................................... 104
3.11.1. Комментарии ................................................................................. 104
3.11.2. Нотация для конструкторов .............................................................. 104
3.11.3. Квалификация ................................................................................ 105
3.11.4. Инициализация глобальных объектов ................................................ 106
3.11.5. Предложения объявления ................................................................ 109
3.12. Языки C и C++ ...................................................................................... 111
3.13. Инструменты для проектирования языка .......................................... 114

Дизайн и эволюция С++

3.14. Книга «Язык программирования С++» .............................................. 116
3.15. Статья «Whatis?» .................................................................................. 117

Глава 4. Правила проектирования языка C++ ................................ 120
4.1. Правила и принципы ........................................................................... 120
4.2. Общие правила ................................................................................... 121
4.3. Правила поддержки проектирования ............................................... 125
4.4. Технические правила .......................................................................... 128
4.5. Правила поддержки низкоуровневого программирования ........... 132
4.6. Заключительное слово ........................................................................ 134

Глава 5. Хронология 1985–1993 гг. .................................................. 135
5.1. Введение ............................................................................................... 135
5.2. Версия 2.0 ............................................................................................ 136
5.2.1. Обзор возможностей ...................................................................... 137
5.3. Аннотированное справочное руководство ...................................... 138
5.3.1. Обзор ARM ................................................................................... 139
5.4. Стандартизация ANSI и ISO .............................................................. 140
5.4.1. Обзор возможностей ...................................................................... 143

Глава 6. Стандартизация ......................................................................... 144
6.1. Что такое стандарт? ............................................................................ 144
6.1.1. Детали реализации ........................................................................ 145
6.1.2. Тест на реалистичность .................................................................... 146
6.2. Работа комитета .................................................................................. 146
6.2.1. Кто работает в комитете .................................................................. 148
6.3. Как велась работа ............................................................................... 148
6.3.1. Разрешение имен ........................................................................... 149
6.3.2. Время жизни объектов ..................................................................... 153
6.4. Расширения .......................................................................................... 157
6.4.1. Критерии рассмотрения предложений .............................................. 159
6.4.2. Текущее состояние дел .................................................................... 161
6.4.3. Проблемы, связанные с полезными расширениями ............................. 162
6.4.4. Логическая непротиворечивость ....................................................... 163
6.5. Примеры предлагавшихся расширений ........................................... 164
6.5.1. Именованные аргументы ................................................................. 164
6.5.2. Ограниченные указатели ................................................................ 168
6.5.3. Наборы символов ........................................................................... 169

Глава 7. Заинтересованность и использование ............................. 174
7.1. Рост интереса к C++ ............................................................................ 174
7.1.1. Отсутствие маркетинга C++ ............................................................. 175
7.1.2. Конференции ................................................................................. 175

Содержание

7.1.3. Журналы и книги ............................................................................... 176
7.1.4. Компиляторы .................................................................................... 177
7.1.5. Инструментальные средства и среды программирования ...................... 177
7.2. Преподавание и изучение C++ ........................................................... 178
7.3. Пользователи и приложения ................................................................ 183
7.3.1. Первые пользователи ........................................................................ 183
7.3.2. Сферы применения C++ .................................................................... 184
7.4. Коммерческая конкуренция ................................................................. 184
7.4.1. Традиционные языки ......................................................................... 185
7.4.2. Современные языки .......................................................................... 186
7.4.3. Как выдержать конкуренцию .............................................................. 187

Глава 8. Библиотеки .................................................................................... 189
8.1. Введение ................................................................................................. 189
8.2. Проектирование библиотеки C++ ...................................................... 189
8.2.1. Альтернативы при проектировании библиотеки .................................... 190
8.2.2. Языковые средства и построение библиотеки ....................................... 190
8.2.3. Как работать с разнообразными библиотеками ................................... 191
8.3. Ранние библиотеки ............................................................................... 192
8.3.1. Библиотека потокового ввода/вывода ................................................ 193
8.3.2. Поддержка параллельности ............................................................... 196
8.4. Другие библиотеки ................................................................................ 198
8.4.1. Базовые библиотеки ......................................................................... 199
8.4.2. Устойчивость и базы данных ............................................................... 200
8.4.3. Библиотеки для численных расчетов .................................................... 200
8.4.4. Специализированные библиотеки ...................................................... 201
8.5. Стандартная библиотека ..................................................................... 201

Глава 9. Перспективы развития языка С++ ....................................... 203
9.1. Введение ................................................................................................. 203
9.2. Оценка пройденного пути .................................................................... 203
9.2.1. Достигнуты ли основные цели C++? ..................................................... 204
9.2.2. Является ли C++ логически последовательным языком? ......................... 204
9.2.3. Основная недоработка языка ............................................................ 207
9.3. Всего лишь мост? ................................................................................... 208
9.3.1. Мост нужен надолго ......................................................................... 208
9.3.2. Если C++ – это ответ, то на какой вопрос? .......................................... 209
9.4. Что может сделать C++ более эффективным ..................................... 213
9.4.1. Стабильность и стандарты ................................................................. 213
9.4.2. Обучение и приемы .......................................................................... 213
9.4.3. Системные вопросы .......................................................................... 213
9.4.4. За пределами файлов и синтаксиса .................................................... 214
9.4.5. Подведение итогов и перспективы ...................................................... 215

Дизайн и эволюция С++

Часть II ........................................................................................ 217

Глава 10. Управление памятью .............................................................. 218
10.1. Введение .............................................................................................. 218
10.2. Отделение распределения памяти и инициализации ...................... 219
10.3. Выделение памяти для массива .......................................................... 220
10.4. Размещение объекта в памяти .......................................................... 221
10.5. Проблемы освобождения памяти ...................................................... 222
10.5.1.  Освобождение памяти для массивов ................................................. 224
10.6. Нехватка памяти .................................................................................. 225
10.7. Автоматическая сборка мусора ........................................................ 226
10.7.1. Необязательный сборщик мусора ..................................................... 226
10.7.2. Как должен выглядеть необязательный сборщик мусора? ..................... 228

Глава 11. Перегрузка ................................................................................. 230
11.1. Введение .............................................................................................. 230
11.2. Разрешение перегрузки ..................................................................... 230
11.2.1. Детальное разрешение ................................................................... 231
11.2.2. Управление неоднозначностью ........................................................ 233
11.2.3. Нулевой указатель .......................................................................... 236
11.2.4. Ключевое слово overload ................................................................. 238
11.3. Типобезопасная компоновка ............................................................. 239
11.3.1. Перегрузка и компоновка ................................................................ 239
11.3.2. Реализация компоновки в C++ ......................................................... 240
11.3.3. Анализ пройденного пути ................................................................ 241
11.4. Создание и копирование объектов .................................................. 244
11.4.1. Контроль допустимости копирования ................................................ 244
11.4.2. Управление распределением памяти ................................................. 244
11.4.3. Управление наследованием ............................................................. 245
11.4.4. Почленное копирование .................................................................. 246
11.5. Удобство нотации ................................................................................ 248
11.5.1. «Умные» указатели .......................................................................... 248
11.5.2. «Умные» ссылки .............................................................................. 249
11.5.3. Перегрузка операторов инкремента и декремента ............................. 252
11.5.4. Перегрузка >* ............................................................................... 254
11.5.5. Перегрузка оператора «запятая» ..................................................... 254
11.6. Добавление в C++ операторов ........................................................ 254
11.6.1. Оператор возведения в степень ....................................................... 254
11.6.2. Операторы, определяемые пользователем ........................................ 257
11.6.3. Составные операторы ..................................................................... 258
11.7. Перечисления ...................................................................................... 259
11.7.1 Перегрузка на базе перечислений ..................................................... 261
11.7.2. Тип Boolean .................................................................................... 261

Содержание

Глава 12. Множественное наследование .......................................... 263
12.1. Введение .............................................................................................. 263
12.2. Базовые классы ................................................................................... 264
12.3. Виртуальные базовые классы ............................................................ 265
12.3.1. Виртуальные базовые классы и виртуальные функции .......................... 267
12.4. Модель размещения объекта в памяти ............................................. 270
12.4.1. Размещение в памяти объекта виртуального базового класса .............. 272
12.4.2. Виртуальные базовые классы и приведение типов ............................... 273
12.5. Комбинирование методов .................................................................. 274
12.6. Полемика о множественном наследовании .................................... 276
12.7. Делегирование .................................................................................... 279
12.8. Переименование ................................................................................. 280
12.9. Инициализаторы членов и базовых классов .................................... 282

Глава 13. Уточнения понятия класса .................................................... 284
13.1 Введение ............................................................................................... 284
13.2. Абстрактные классы ............................................................................ 284
13.2.1. Абстрактные классы и обработка ошибок ......................................... 284
13.2.2. Абстрактные типы ........................................................................... 286
13.2.3. Синтаксис ...................................................................................... 288
13.2.4. Виртуальные функции и конструкторы ................................................ 288
13.3. Константные функциичлены .............................................................. 291
13.3.1. Игнорирование const при приведении типов ...................................... 291
13.3.2. Уточнение определения const ........................................................... 292
13.3.3. Ключевое слово mutable и приведение типов ..................................... 293
13.4. Статические функциичлены ............................................................... 294
13.5. Вложенные классы ............................................................................... 295
13.6. Ключевое слово inherited ................................................................... 297
13.7. Ослабление правил замещения ........................................................ 299
13.7.1. Ослабление правил аргументов ....................................................... 301
13.8. Мультиметоды ...................................................................................... 303
13.8.1. Когда нет мультиметодов ................................................................. 305
13.9. Защищенные члены ............................................................................. 307
13.10. Улучшенная генерация кода ............................................................ 308
13.11. Указатели на функциичлены ........................................................... 309

Глава 14. Приведение типов ................................................................... 311
14.1. Крупные расширения .......................................................................... 311
14.2. Идентификация типа во время исполнения ...................................... 312
14.2.1. Зачем нужен механизм RTTI ............................................................. 313
14.2.2. Оператор dynamic_cast .................................................................. 313
14.2.3. Правильное и неправильное использование RTTI ................................ 319

Дизайн и эволюция С++