Язык программирования C++ для профессионалов

Язык программирования C++ для профессионалов

2-е издание, исправленное

Страуструп Б.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Язык программирования C++ для профессионалов/ Б. Страуструп - М.: Национальный Открытый
Университет “ИНТУИТ”, 2016

Курс дает описание языка C++, его ключевых понятий и основных приемов программирования на
нем. Это завершенное руководство, написанное создателем языка, которое содержит описание всех
средств С++, в том числе управление исключительными ситуациями, шаблоны типа
(параметризованные типы данных) и множественное наследование.
C++ является языком программирования общего назначения. Естественная для него область
применения - системное программирование, понимаемое в широком смысле этого слова. Кроме того,
С++ успешно используется во многих областях приложения, далеко выходящих за указанные рамки.
Реализации С++ теперь есть на всех машинах, начиная с самых скромных микрокомпьютеров - до
самых больших супер-ЭВМ, и практически для всех операционных систем. Поэтому книга дает лишь
описание собственно языка, не объясняя особенности конкретных реализаций, среды
программирования или библиотек.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2006-2016
(c) Страуструп Б., 2006-2016

3

О курсе

Курс, созданный по книге Б. Страуструпа “Язык программирования С++”, дает
описание языка, его ключевых понятий и основных приемов программирования на
нем. Это завершенное руководство, написанное создателем языка, которое содержит
описание всех средств С++, в том числе управление исключительными ситуациями,
шаблоны типа (параметризованные типы данных) и множественное наследование.

Книга делится на три части. Первые десять лекций являются учебником, служащим
введением в язык, включая подмножество собственно С. В трех последующих лекциях
обсуждаются вопросы проектирования и создания программного обеспечения с
помощью С++. Книга завершается полным справочным руководством по языку.

В книге вы найдете:

законченный учебник и руководство по языку.
полное освещение средств языка, нацеленных на абстрактные типы данных и
объектно-ориентированное программирование.
обсуждение программистских и технических вопросов, возникающих в процессе
проектирования и создания больших программных систем.
описание способов построения библиотек высокого класса.
примеры реализации ключевых типов данных, определяемых пользователем,
таких как графические объекты, ассоциативные массивы и потоки ввода- вывода.

Эта книга будет хорошим помощником опытному программисту, решившему
использовать С++ для нетривиальных задач. Ее можно считать ключевой в любом
собрании книг по С++.

Об авторе книги:

Бьерн Страуструп является разработчиком языка С++ и создателем первого
транслятора. Он - сотрудник научно-исследовательского вычислительного центра
AT&T Bell Laboratories в Мюррей Хилл (Нью-Джерси, США). Он получил звание
магистра математики и вычислительной техники в университете г. Аарус (Дания), а
докторское звание по вычислительной технике в кэмбриджском университете
(Англия). Он специализируется в области распределенных систем, операционных
систем, моделирования и программирования. Вместе с М. А. Эллис он является
автором полного руководства по языку С++ - “Руководство по С++ с примечаниями”.

Предисловие

“А дорога идет все дальше и дальше” (Бильбо Бэгинз)

Как было обещано в первом издании книги, запросы пользователей определили
развитие С++. Его направлял опыт широкого круга пользователей, работающих в
разных областях программирования. За шесть лет, отделяющих нас от первого издания
описания С++, число пользователей возросло в сотни раз. За эти годы были усвоены

4

многие уроки, были предложены и подтвердили практикой свое право на
существование различные приемы программирования. О некоторых из них и пойдет
речь ниже.

Сделанные за эти шесть лет расширения языка прежде всего были направлены на
повышение выразительности С++ как языка абстракции данных и объектноориентированного программирования вообще и как средства для создания
высококачественных библиотек с пользовательскими типами данных в частности.
Библиотекой высокого качества мы считаем библиотеку, позволяющую пользователю
определять с помощью классов понятия, работа с которыми сочетает удобство,
эффективность и надежность. Под надежностью понимается то, что класс
предоставляет защищенный по типам интерфейс между пользователями библиотеки и
ее разработчиками. Эффективность предполагает, что использование классов не влечет
за собой больших накладных расходов по памяти или времени по сравнению с
“ручными” программами на С.

Эта книга является полным описанием языка С++. Лекции с 1 по 10 представляют
собой учебник, знакомящий с языком. В лекциях с 11 по 13 обсуждаются вопросы
проектирования и развития программного обеспечения. Завершается книга справочным
руководством по языку С++. Естественно, что все расширения языка и способы их
использования, которые появились после выхода в свет первого издания, являются
частью изложения. К ним относятся уточненные правила для разрешения перегрузки
имени, средства управления памятью и средства контроля доступа, надежная по типам
процедура связывания, статические и постоянные функции-члены, абстрактные
классы, множественное наследование, шаблоны типов и обработка особых ситуаций.

С++ является языком программирования общего назначения. Естественная для него
область применения - системное программирование, понимаемое в широком смысле
этого слова. Кроме того, С++ успешно используется во многих областях приложения,
далеко выходящих за указанные рамки. Реализации С++ теперь есть на всех машинах,
начиная с самых скромных микрокомпьютеров - до самых больших супер-ЭВМ, и
практически для всех операционных систем. Поэтому книга дает лишь описание
собственно языка, не объясняя особенности конкретных реализаций, среды
программирования или библиотек.

Читатель найдет в книге много примеров с классами, которые, несмотря на
несомненную пользу, можно считать игрушечными. Такой стиль изложения позволяет
лучше выделить основные понятия и полезные приемы, тогда как в настоящих,
законченных программах они были бы скрыты массой деталей. Для большинства
предложенных здесь классов, как то связанные списки, массивы, строки символов,
матрицы, графические классы, ассоциативные массивы и т.д., - приводятся версии “со
100% гарантией” надежности и правильности, полученные на основе классов из самых
разных коммерческих и некоммерческих программ. Многие из “промышленных”
классов и библиотек получились как прямые или косвенные потомки игрушечных
классов, приводимых здесь как примеры.

В этом издании книги по сравнению с первым больше внимания уделено задаче
обучения. Вместе с тем, уровень изложения в равной мере учитывает и опытных

5

программистов, ни в чем не умаляя их знаний и профессионализма. Обсуждение
вопросов проектирования сопровождается более широкой подачей материала,
выходящей за рамки описаний конструкций языка и способам их использования. В
этом издании приводится больше технических деталей и повышена строгость
изложения. В особенности это относится к справочному руководству, которое вобрало
в себя многолетний опыт работы в этом направлении. Предполагалось создать книгу с
достаточно высоким уровнем изложения, которая бы служила программистам не
только книгой для чтения. Итак, перед вами книга с описанием языка С++, его
основных принципов и методов программирования. Надеемся, что она доставит вам
радость.

Выражение признательности

Кроме лиц, перечисленных в соответствующем разделе предисловия к первому
изданию книги, мне хотелось бы выразить свою благодарность Элу Эхо, Стиву
Бароффу, Джиму Коплину, Тому Хансену, Петеру Джаглу, Брайану Кернигану, Эндрю
Кенигу, Биллу Леггету, Лоррейн Мингаччи, Уоррену Монтгомери, Майку Моубри,
Робу Мюррею, Джонатану Шапиро, Майку Вилоту и Петеру Вейнбергу за
комментарии черновых вариантов второго издания книги. В развитии языка С++ за
период от 1985 до 1991 гг. принимали участие многие специалисты. Я могу упомянуть
лишь нескольких из них: Эндрю Кенига, Брайана Кернигана, Дага Макилроя и
Джонатана Шапиро. Кроме того, выражаю признательность многим участникам
создания справочного руководства С++, предложившим свои варианты, а также тем, с
кем довелось нести тяжкую ношу в течение первого года работы комитета X3J16 по
стандартизации языка С++.

Мюррей-Хилл, шт.Нью Джерси Бьерн Страуструп

Предварительные замечания

“О многом - молвил Морж,- пришла пора поговорить “. Л.Кэрролл

Данная лекция содержит краткий обзор книги и некоторые дополнительные замечания
о языке С++. Замечания касаются истории создания С++, идей, которые оказали
существенное влияние на разработку языка, и некоторых мыслей по поводу
программирования на С++. Эта лекция не является введением; приведенные замечания
не являются необходимыми для понимания последующих лекций. Некоторые из них
предполагают знакомство читателя с С++.

Структура книги

Книга состоит из трех частей. Лекции с 1 по 10 являются учебником по языку. В
лекциях с 11 по 13 обсуждаются вопросы проектирования и развития программного
обеспечения с учетом возможностей С++. В конце книги приведено полное справочное
руководство по языку. Исчерпывающее описание конструкций С++ содержится только

6

там. Учебная часть книги содержит примеры, советы, предостережения и упражнения,
для которых не нашлось места в руководстве.

Книга в основном посвящена вопросу, как с помощью языка C++ структурировать
программу, а не вопросу, как записать на нем алгоритм. Следовательно, там, где можно
было выбирать, предпочтение отдавалось не профессиональным, но сложным для
понимания, а тривиальным алгоритмам. Так в одном из примеров используется
пузырьковая сортировка, хотя алгоритм быстрой сортировки больше подходит для
настоящей программы. Часто написать ту же программу, но с более эффективным
алгоритмом, предлагается в виде упражнения.

Лекция 1 содержит краткий обзор основных концепций и конструкций С++. Она
позволяет познакомиться с языком в общих чертах. Подробные объяснения
конструкций языка и способов их применения содержатся в последующих главах.
Обсуждаются в первую очередь средства, обеспечивающие абстракцию данных и
объектно-ориентированное программирование. Основные средства процедурного
программирования упоминаются кратко.

В лекциях 2, 3 и 4 описываются средства С++, которые не используются для
определения новых типов: основные типы, выражения и структуры управления.
Другими словами, эти главы содержат описание той части языка, которая по сути
представляет С. Изложение в указанных лекциях идет в углубленном виде.

Лекции 5 - 8 посвящены средствам построения новых типов, которые не имеют
аналогов в С. В лекции 5 вводится основное понятие - класс. В ней показано, как
можно определять пользовательские типы (классы), инициализировать их, обращаться
к ним, и, наконец, как уничтожать их. Лекция 6 посвящена понятию производных
классов, которое позволяет строить из простых классов более сложные. Оно дает также
возможность эффективной и безопасной (в смысле типа) работы в тех ситуациях, когда
типы объектов на стадии трансляции неизвестны. В лекции 7 объясняется, как можно
определить унарные и бинарные операции для пользовательских типов, как задавать
преобразования таких типов, и каким образом можно создавать, копировать и удалять
объекты, представляющие пользовательские типы. Лекции 8 посвящена шаблонам
типа, т.е. такому средству С++, которое позволяет определить семейство типов и
функций.

В лекции 9 обсуждается обработка особых ситуаций, рассматриваются возможные
реакции на ошибки и методы построения устойчивых к ошибкам систем. В лекции 10
определяются классы ostream и istream, предоставляемые стандартной библиотекой
для потокового ввода-вывода.

Лекции 11 - 13 посвящены вопросам, связанным с применением С++ для
проектирования и реализации больших программных систем. В лекции 11 в основном
рассматриваются вопросы проектирования и управления программными проектами. В
лекции 12 обсуждается взаимосвязь между языком С++ и проблемами проектирования.
В лекции 13 показаны способы создания библиотек.

Завершается книга справочным руководством по С++.

7

Ссылки на различные части книги даются в виде $2.3.4, что означает раздел 3.4 лекции
2. Для обозначения справочного руководства применяется буква R, например, $.8.5.5.

Замечания по реализации

Существует несколько распространяемых независимых реализаций С++. Появилось
большое число сервисных программ, библиотек и интегрированных систем
программирования. Имеется масса книг, руководств, журналов, статей, сообщений по
электронной почте, технических бюллетеней, отчетов о конференциях и курсов, из
которых можно получить все необходимые сведения о последних изменениях в С++,
его использовании, сервисных программах, библиотеках, новых трансляторах и т.д.
Если вы серьезно рассчитываете на С++, стоит получить доступ хотя бы к двум
источникам информации, поскольку у каждого источника может быть своя позиция.

Большинство программных фрагментов, приведенных в книге, взяты непосредственно
из текстов программ, которые были транслированы на машине DEC VAX 11/8550 под
управлением 10-й версии системы UNIX [25]. Использовался транслятор, являющийся
прямым потомком транслятора С++, созданного автором. Здесь описывается “чистый С
++”, т.е. не используются никакие зависящие от реализации расширения.
Следовательно, примеры должны идти при любой реализации языка. Однако, шаблоны
типа и обработка особых ситуаций относятся к самым последним расширениям языка,
и возможно, что ваш транслятор их не содержит.

Упражнения

Упражнения даются в конце каждой лекции. Чаще всего они предлагают написать
программу. Решением может считаться программа, которая транслируется и правильно
работает хотя бы на нескольких тестах. Упражнения могут значительно различаться по
сложности, поэтому дается приблизительная оценка степени их сложности. Рост
сложности экспоненциальный, так что, если на упражнение (*1) у вас уйдет пять
минут, то (*2) может занять час, а (*3) - целый день. Однако время написания и
отладки программы больше зависит от опыта читателя, чем от самого упражнения. На
упражнение (*1) может потребоваться целый день, если перед запуском программы
читателю придется ознакомиться с новой вычислительной системой. С другой
стороны, тот, у кого под рукой окажется нужный набор программ, может сделать
упражнение (*5) за один час.

Любую книгу по программированию на языке С можно использовать как источник
дополнительных упражнений при изучении лекций 2 - 4. В книге Ахо ([1]) приведено
много общих структур данных и алгоритмов в терминах абстрактных типов данных.
Эту книгу также можно использовать как источник упражнений при изучении лекций 5
- 8. Однако, использованному в ней языку не достает функций-членов и производных
классов. Поэтому определяемые пользователем типы на С++ можно написать более
элегантно.

8

Замечания по проекту языка

При разработке языка С++ одним из важнейших критериев выбора была простота.
Когда возникал вопрос, что упростить: руководство по языку и другую документацию
или транслятор, - то выбор делали в пользу первого. Огромное значение придавалось
совместимости с языком С, что помешало удалить его синтаксис.

В С++ нет типов данных и элементарных операций высокого уровня. Например, не
существует типа матрица с операцией обращения или типа строка с операцией
конкатенации. Если пользователю понадобятся подобные типы, он может определить
их в самом языке. Программирование на С++ по сути сводится к определению
универсальных или зависящих от области приложения типов. Хорошо продуманный
пользовательский тип отличается от встроенного типа только способом определения,
но не способом применения.

Из языка исключались возможности, которые могут привести к накладным расходам
памяти или времени выполнения, даже если они непосредственно не используются в
программе. Например, было отвергнуто предложение хранить в каждом объекте
некоторую служебную информацию. Если пользователь описал структуру,
содержащую две величины, занимающие по 16 разрядов, то гарантируется, что она
поместится в 32-х разрядный регистр.

Язык С++ проектировался для использования в довольно традиционной среде, а
именно: в системе программирования С операционной системы UNIX. Но есть вполне
обоснованные доводы в пользу использования С++ в более богатой программной
среде. Такие возможности, как динамическая загрузка, развитые системы трансляции и
базы данных для хранения определений типов, можно успешно использовать без
ущерба для языка.

Типы С++ и механизмы упрятывания данных рассчитаны на определенный
синтаксический анализ, проводимый транслятором для обнаружения случайной порчи
данных. Они не обеспечивают секретности данных и защиты от умышленного
нарушения правил доступа к ним. Однако, эти средства можно свободно использовать,
не боясь накладных расходов памяти и времени выполнения программы. Учтено, что
конструкция языка активно используется тогда, когда она не только изящно
записывается на нем, но и вполне по средствам обычным программам.

Историческая справка

Безусловно С++ многим обязан языку С [8], который сохраняется как его
подмножество. Сохранены и все свойственные С средства низкого уровня,
предназначенные для решения самых насущных задач системного программирования.
С, в свою очередь, многим обязан своему предшественнику языку BCPL [13].
Комментарий языка BCPL был восстановлен в С++. Если читатель знаком с языком
BCPL, то может заметить, что в С++ по-прежнему нет блока VALOF. Еще одним
источником вдохновения был язык SIMULA-67 [2,3]; именно из него была

9

заимствована концепция классов (вместе c производными классами и виртуальными
функциями). Оператор inspect из SIMULA-67 намеренно не был включен в С++.
Причина - желание способствовать модульности за счет использования виртуальных
функций. Возможность в С++ перегрузки операций и свобода размещения описаний
всюду, где может встречаться оператор, напоминают язык Алгол-68 [24].

С момента выхода в свет первого издания этой книги язык С++ подвергся
существенным изменениям и уточнениям. В основном это касается разрешения
неоднозначности при перегрузке, связывании и управлении памятью. Вместе с тем,
были внесены незначительные изменения с целью увеличить совместимость с языком
С. Были также введены некоторые обобщения и существенные расширения, как то:
множественное наследование, функции-члены со спецификациями static и const,
защищенные члены (protected), шаблоны типа и обработка особых ситуаций. Все эти
расширения и доработки были нацелены на то, чтобы С++ стал языком, на котором
можно создавать и использовать библиотеки. Все изменения описываются в
[10,18,20,21 и 23].

Шаблоны типов появились частично из-за желания формализовать макросредства, а
частично были инспирированы описанием генерических объектов в языке Ада (с
учетом их достоинств и недостатков) и параметризированными модулями языка CLU.
Механизм обработки особых ситуаций появился отчасти под влиянием языков Ада и
CLU [11], а отчасти под влиянием ML [26]. Другие расширения, введенные за период
между 1985 и 1991 г.г. (такие как множественное наследование, статические функциичлены и чистые виртуальные функции), скорее появились в результате обобщения
опыта программирования на С++, чем были почерпнуты из других языков.

Более ранние версии языка, получившие название “С с классами” [16], использовались,
начиная с 1980 г. Этот язык возник потому, что автору потребовалось написать
программы моделирования, управляемые прерываниями. Язык SIMULA-67 идеально
подходит для этого, если не учитывать эффективность. Язык “С с классами”
использовался для больших задач моделирования. Строгой проверке подверглись тогда
возможности написания на нем программ, для которых критичны ресурсы времени и
памяти. В этом языке недоставало перегрузки операций, ссылок, виртуальных функций
и многих других возможностей. Впервые С++ вышел за пределы исследовательской
группы, в которой работал автор, в июле 1983 г., однако тогда многие возможности С
++ еще не были разработаны.

Название С++ (си плюс плюс) , было придумано Риком Маскитти летом 1983 г. Это
название отражает эволюционный характер изменений языка С. Обозначение ++
относится к операции наращивания С. Чуть более короткое имя С+ является
синтаксической ошибкой. Кроме того, оно уже было использовано как название совсем
другого языка. Знатоки семантики С находят, что С++ хуже, чем ++С. Язык не получил
названия D, поскольку он является расширением С, и в нем не делается попыток
решить какие-либо проблемы за счет отказа от возможностей С. Еще одну интересную
интерпретацию названия С++ можно найти в приложении к [12].

Изначально С++ был задуман для того, чтобы автору и его друзьям не надо было
программировать на ассемблере, С или других современных языках высокого уровня.

10