Шаблон tuple (кортеж) подобен шаблону pair (пара) (см. раздел 11.2.3). У каждого экземпляра шаблона pair могут быть члены разных типов, но их всегда только два. Члены экземпляров шаблона tuple также могут иметь разные типы, но количество их может быть любым. Каждый конкретный экземпляр шаблона tuple имеет фиксированное количество членов, но другой экземпляр типа может отличаться количеством членов.

Тип tuple особенно полезен, когда необходимо объединить некие данные в единый объект, но нет желания определять структуру для их хранения. Список операций, поддерживаемых типом tuple, приведен в табл. 17.1. Тип tuple, наряду с сопутствующими ему типами и функциями, определен в заголовке tuple.

Таблица 17.1. Операции с кортежами

Тип tuple можно считать структурой данных на "скорую руку".

 

17.1.1. Определение и инициализация кортежей

При определении кортежа следует указать типы каждого из его членов:

tuple threeD; // все три члена установлены в 0

tuple, int, list>

 someVal("constants", {3.14, 2.718}, 42, {0,1,2,3,4,5});

При создании объекта кортежа можно использовать либо стандартный конструктор кортежа, инициализирующий каждый член по умолчанию (см. раздел 3.3.1), либо предоставить инициализатор для каждого члена, как при инициализации кортежа someVal. Этот конструктор кортежа является явным (см. раздел 7.5.4), поэтому следует использовать прямой синтаксис инициализации:

tuple threeD = {1,2,3}; // ошибка

tuple threeD{1,2,3};    // ok

В качестве альтернативы, подобно функции make_pair() (см. раздел 11.2.3), можно использовать библиотечную функцию make_tuple(), создающую объект кортежа:

// кортеж, представляющий транзакцию приложения книжного магазина:

//  ISBN, количество, цена книги

auto item = make_tuple("0-999-78345-X", 3, 20.00);

Подобно функции make_pair(), функция make_tuple() использует типы, предоставляемые в качестве инициализаторов, для вывода типа кортежа. В данном случае кортеж item имеет тип tuple.

Доступ к членам кортежа

В типе pair всегда есть два члена, что позволяет библиотеке присвоить им имена first (первый) и second (второй). Для типа tuple такое соглашение об именовании невозможно, поскольку у него нет ограничений на количество членов. В результате члены остаются безымянными. Вместо имен для обращения к членам кортежа используется библиотечный шаблон функции get. Чтобы использовать шаблон get, следует определить явный аргумент шаблона (см. раздел 16.2.2), задающий позицию члена, доступ к которому предстоит получить. Функция get() получает объект кортежа и возвращает ссылку на его заданный член:

auto book = get<0>(item);      // возвращает первый член item

auto cnt = get<1>(item);       // возвращает второй член item

auto price = get<2>(item)/cnt; // возвращает последний член item

get<2>(item) *= 0.8;           // применяет 20%-ную скидку

Значение в скобках должно быть целочисленным константным выражением (см. разделе 2.4.4). Как обычно, счет начинается с 0, а значит, первым членом будет get<0>.

Если подробности типов в кортеже неизвестны, для выяснения количества и типов его членов можно использовать два вспомогательных шаблона класса:

typedef decltype(item) trans; // trans - тип кортежа item

// возвращает количество членов в объекте типа trans

size_t sz = tuple_size::value;             // возвращает 3

// cnt имеет тот же тип, что и второй член item

tuple_element<1, trans>::type cnt = get<1>(item); // cnt - это int

Для использования шаблонов tuple_size и tuple_element необходимо знать тип объекта кортежа. Как обычно, проще всего определить тип объекта при помощи спецификатора decltype (см. раздел 2.5.3). Здесь спецификатор decltype используется для определения псевдонима для типа кортежа item, который и используется при создании экземпляров обоих шаблонов.

Шаблон tuple_size обладает открытой статической переменной-членом value, содержащей количество членов в указанном кортеже. Шаблон tuple_element получает индекс, а также тип кортежа. Он обладает открытым типом-членом type, содержащим тип указанного члена кортежа заданного типа. Подобно функции get(), шаблон tuple_element ведет отсчет индексов начиная с нуля.

Операторы сравнения и равенства

Операторы сравнения и равенства кортежей ведут себя подобно соответствующим операторам контейнеров (см. раздел 9.2.7). Эти операторы выполняются для членов двух кортежей, слева и справа. Сравнить два кортежа можно только при совпадении количества их членов. Кроме того, чтобы использовать операторы равенства или неравенства, должно быть допустимо сравнение каждой пары членов при помощи оператора ==; а для использования операторов сравнения допустимым должно быть использование оператора <. Например:

tuple duo("1", "2");

tuple twoD(1, 2);

bool b = (duo == twoD); // ошибка: нельзя сравнить size_t и string

tuple threeD(1, 2, 3);

b = (twoD < threeD);    // ошибка: разное количество членов

tuple origin(0, 0);

b = (origin < twoD);    // ok: b — это true

Поскольку кортеж определяет операторы < и ==, последовательности кортежей можно передавать алгоритмам, а также использовать кортеж как тип ключа в упорядоченном контейнере.

Упражнения раздела 17.1.1

Упражнение 17.1. Определите кортеж, содержащий три члена типа int, и инициализируйте их значениями 10, 20 и 30.

Упражнение 17.2. Определите кортеж, содержащий строку, вектор строки и пару из строки и целого числа (типы string, vector и pair).

Упражнение 17.3. Перепишите программы TextQuery из раздела 12.3 так, чтобы использовать кортеж вместо класса QueryResult. Объясните, что на ваш взгляд лучше и почему.

 

17.1.2. Использование кортежей для возвращения нескольких значений

Обычно кортеж используют для возвращения из функции нескольких значений. Например, рассматриваемый книжный магазин мог бы быть одним из нескольких магазинов в сети. У каждого магазина был бы транзакционный файл, содержащий данные по каждой проданной книге. В этом случае могло бы понадобиться просмотреть все продажи данной книги по всем магазинам.

Предположим, для каждого магазина имеется файл транзакций. Каждый из этих транзакционных файлов в магазине будет содержать все транзакции для каждой группы книг. Предположим также, что некая другая функция читает эти транзакционные файлы, создает вектор vector для каждого магазина и помещает эти векторы в вектор векторов:

// каждый элемент в файле содержит транзакции

//  для определенного магазина

vector> files;

Давайте напишем функцию, которая будет просматривать файлы в поисках магазина, продавшего заданную книгу. Для каждого магазина, у которого есть соответствующая транзакция, необходимо создать кортеж для содержания индекса этого магазина и двух итераторов. Индекс будет позицией соответствующего магазина в файлах, а итераторы отметят первую и следующую после последней записи по заданной книге в векторе vector этого магазина.

Функция, возвращающая кортеж

Для начала напишем функции поиска заданной книги. Аргументами этой функции будет только что описанный вектор векторов и строка, представляющая ISBN книги. Функция будет возвращать вектор кортежей с записями по каждому магазину, где была продана по крайней мере одна заданная книга:

// matches имеет три члена: индекс магазина и итераторы в его векторе

typedef tuple::size_type,

              vector::const_iterator,

              vector::const_iterator> matches;

// files хранит транзакции по каждому магазину

// findBook() возвращает вектор с записями для каждого магазина,

// продавшего данную книгу

vector

findBook(const vector> &files,

         const string &book) {

 vector ret; // изначально пуст

 // для каждого магазина найти диапазон, соответствующий книге

 // (если он есть)

 for (auto it = files.cbegin(); it != files.cend(); ++it) {

  // найти диапазон Sales_data с тем же ISBN

  auto found = equal_range(it->cbegin(), it->cend(),

                           book, compareIsbn);

  if (found.first != found.second) // у этого магазина есть продажи

   // запомнить индекс этого магазина и диапазона соответствий

   ret.push_back(make_tuple(it - files.cbegin(),

                            found.first, found.second));

 }

 return ret; // пуст, если соответствий не найдено

}

Цикл for перебирает элементы вектора files, которые сами являются векторами. В цикле for происходит вызов библиотечного алгоритма equal_range(), работающего как одноименная функция-член ассоциативного контейнера (см. раздел 11.3.5). Первые два аргумента функции equal_range() являются итераторами, обозначающими исходную последовательность (см. раздел 10.1). Третий аргумент — значение. По умолчанию для сравнения элементов функция equal_range() использует оператор <. Поскольку тип Sales_data не имеет оператора <, передаем указатель на функцию compareIsbn() (см. раздел 11.2.2).

Алгоритм equal_range() возвращает пару итераторов, обозначающих диапазон элементов. Если книга не будет найдена, то итераторы окажутся равны, означая, что диапазон пуст. В противном случае первый член возвращенной пары обозначит первую соответствующую транзакцию, а второй — следующую после последней.

Использование возвращенного функцией кортежа

После создания вектора магазинов с соответствующей транзакцией эти транзакции необходимо обработать. В данной программе следует сообщить результаты общего объема продаж для каждого магазина, у которого была такая продажа:

void reportResults(istream &in, ostream &os,

                   const vector> &files) {

 string s; // искомая книга

 while (in >> s) {

  auto trans = findBook(files, s);

  // магазин, продавший эту книгу

  if (trans.empty()) {

   cout << s << " not found in any stores" << endl;

   continue; // получить следующую книгу для поиска

  }

  for (const auto &store : trans) // для каждого магазина с

                                  // продажей

   // get возвращает указанный элемент кортежа в store

   os << "store " << get<0>(store) << " sales: "

      << accumulate(get<1>(store), get<2>(store),

         Sales_data(s))

      << endl;

 }

}

Цикл while последовательно читает поток istream по имени in, чтобы запустить обработку следующей книги. Вызов функции findBook() позволяет выяснить, присутствует ли строка s, и присваивает результаты вектору trans. Чтобы упростить написание типа trans, являющегося вектором кортежей, используем ключевое слово auto.

Если вектор trans пуст, значит, по книге s никаких продаж не было. В таком случае выводится сообщение и происходит возврат к циклу while, чтобы обработать следующую книгу.

Цикл for свяжет ссылку store с каждым элементом вектора trans. Поскольку изменять элементы вектора trans не нужно, объявим ссылку store ссылкой на константу. Для вывода результатов используем get: get<0> — индекс соответствующего магазина; get<1> — итератор на первую транзакцию; get<2> — на следующую после последней.

Поскольку класс Sales_data определяет оператор суммы (см. раздел 14.3), для суммирования транзакций можно использовать библиотечный алгоритм accumulate() (см. раздел 10.2.1). Как отправную точку суммирования используем объект класса Sales_data, инициализированный конструктором Sales_data(), получающим строку (см. раздел 7.1.4). Этот конструктор инициализирует переменную-член bookNo переданной строкой, а переменные-члены units_sold и revenue — нулем.

Упражнения раздела 17.1.2

Упражнение 17.4. Напишите и проверьте собственную версию функции findBook().

Упражнение 17.5. Перепишите функцию findBook() так, чтобы она возвращала пару, содержащую индекс и пару итераторов.

Упражнение 17.6. Перепишите функцию findBook() так, чтобы она не использовала кортеж или пару.

Упражнение 17.7. Объясните, какую версию функции findBook() вы предпочитаете и почему.

Упражнение 17.8. Что будет, если в качестве третьего параметра алгоритма accumulate() в последнем примере кода этого раздела передать объект класса Sales_data?

 

В разделе 4.8 приводились встроенные операторы, рассматривающие целочисленный операнд как коллекцию битов. Для облегчения использования битовых операций и обеспечения возможности работы с коллекциями битов, размер которых больше самого длинного целочисленного типа, стандартная библиотека определяет класс bitset (набор битов). Класс bitset определен в заголовке bitset.

 

17.2.1. Определение и инициализация наборов битов

Список конструкторов типа bitset приведен в табл. 17.2. Тип bitset — это шаблон класса, который, подобно классу array, имеет фиксированный размер (см. раздел 3.3.6). При определении набора битов следует указать в угловых скобках количество битов, которые он будет содержать:

bitset<32> bitvec(1U); // 32 бита; младший бит 1, остальные биты 0

Размер должен быть указан константным выражением (см. раздел 2.4.4). Этот оператор определяет набор битов bitvec, содержащий 32 бита. Подобно элементам вектора, биты в наборе битов не имеют имен. Доступ к ним осуществляется по позиции. Нумерация битов начинается с 0. Таким образом, биты набора bitvec пронумерованы от 0 до 31. Биты, расположенные ближе к началу (к 0), называются младшими битами (low-order), а ближе к концу (к 31) — старшими битами (high-order).

Таблица 17.2. Способы инициализации набора битов

Инициализация набора битов беззнаковым значением

При использовании для инициализации набора битов целочисленного значения оно преобразуется в тип unsigned long long и рассматривается как битовая схема. Биты в наборе битов являются копией этой схемы. Если размер набора битов превосходит количество битов в типе unsigned long long, то остальные старшие биты устанавливаются в нуль. Если размер набора битов меньше количества битов, то будут использованы только младшие биты предоставленного значения, а старшие биты вне размера объекта набора битов отбрасываются:

// bitvec1 меньше инициализатора; старшие биты инициализатора

// отбрасываются

bitset<13> bitvec1(0xbeef); // биты 1111011101111

// bitvec2 больше инициализатора; старшие биты bitvec2

//  устанавливаются в нуль

bitset<20> bitvec2(0xbeef); // биты 00001011111011101111

// на машинах с 64-битовым long long, 0ULL - это 64 бита из 0,

// a ~0ULL - 64 единицы

bitset<128> bitvec3(~0ULL); // биты 0...63 - единицы; 63...121 - нули

Инициализация набора битов из строки

Набор битов можно инициализировать из строки или указателя на элемент в символьном массиве. В любом случае символы непосредственно представляют битовую схему. Как обычно, при использовании строки для представления числа символы с самыми низкими индексами в строке соответствуют старшим битам, и наоборот:

bitset<32> bitvec4("1100"); // биты 2 и 3 - единицы, остальные - 0

Если строка содержит меньше символов, чем битов в наборе, старшие биты устанавливаются в нуль.

Соглашения по индексации строк и наборов битов прямо противоположны: символ строки с самым высоким индексом (крайний правый символ) используется для инициализации младшего бита в наборе битов (бит с индексом 0). При инициализации набора битов из строки следует помнить об этом различии.

Необязательно использовать всю строку в качестве исходного значения для набора битов, вполне можно использовать часть строки:

string str("1111111000000011001101");

bitset<32> bitvec5(str, 5, 4); // четыре бита, начиная с str[5] - 1100

bitset<32> bitvec6(str, str.size()-4); // использует четыре последних

                                       // символа

Здесь набор битов bitvec5 инициализируется подстрокой str, начиная с символа str[5], и четырьмя символами далее. Как обычно, крайний справа символ подстроки представляет бит самого низкого порядка. Таким образом, набор bitvec5 инициализируется битами с позиции 3 до 0 и получает значение 1100, а остальные биты — 0. Инициализатор набора битов bitvec6 передает строку и отправную точку, поэтому он инициализируется символами строки str, начиная с четвертого и до конца строки str. Остаток битов набора bitvec6 инициализируется нулями. Эти инициализации можно представить так:

Упражнения раздела 17.2.1

Упражнение 17.9. Объясните битовую схему, которую содержит каждый из следующих объектов bitset:

(a) bitset<64> bitvec(32);

(b) bitset<32> bv(1010101);

(c) string bstr; cin >> bstr; bitset<8> bv(bstr);

 

17.2.2. Операции с наборами битов

Операции с наборами битов (табл. 17.3) определяют различные способы проверки и установки одного или нескольких битов. Класс bitset поддерживает также побитовые операторы, которые рассматривались в разделе 4.8. Применительно к объектам bitset эти операторы имеют тот же смысл, что и таковые встроенные операторы для типа unsigned.

Таблица 17.3. Операции с наборами битов

Некоторые из функций, count(), size(), all(), any() и none(), не получают аргументов и возвращают информацию о состоянии всего набора битов. Другие, set(), reset() и flip(), изменяют состояние набора битов. Функции-члены, изменяющие набор битов, допускают перегрузку. В любом случае версия функции без аргументов применяет соответствующую операцию ко всему набору, а версии функций, получающих позицию, применяют операцию к заданному биту:

bitset<32> bitvec(1U); // 32 бита; младший бит 1, остальные биты - 0

bool is_set = bitvec.any();      // true, установлен один бит

bool is_not_set = bitvec.none(); // false, установлен один бит

bool all_set = bitvec.all();     // false, только один бит установлен

size_t onBits = bitvec.count();  // возвращает 1

size_t sz = bitvec.size();       // возвращает 32

bitvec.flip();  // инвертирует значения всех битов в bitvec

bitvec.reset(); // сбрасывает все биты в 0

bitvec.set();   // устанавливает все биты в 1

Функция any() возвращает значение true, если один или несколько битов объекта класса bitset установлены, т.е. равны 1. Функция none(), наоборот, возвращает значение true, если все биты содержат нуль. Новый стандарт ввел функцию all(), возвращающую значение true, если все биты установлены. Функции count() и size() возвращают значение типа size_t (см. раздел 3.5.2), равное количеству установленных битов, или общее количество битов в объекте соответственно. Функция size() — constexpr, а значит, она применима там, где требуется константное выражение (см. раздел 2.4.4).

Функции flip(), set(), reset() и test() позволяют читать и записывать биты в заданную позицию:

bitvec.flip(0);   // инвертирует значение первого бита

bitvec.set(bitvec.size() - 1); // устанавливает последний бит

bitvec.set(0, 0); // сбрасывает первый бит

bitvec.reset(i);  // сбрасывает i-й бит

bitvec.test(0);   // возвращает false, поскольку первый бит сброшен

Оператор индексирования перегружается как константный. Константная версия возвращает логическое значение true, если бит по заданному индексу установлен, и значение false в противном случае. Неконстантная версия возвращает специальный тип, определенный классом bitset, позволяющий манипулировать битовым значением в позиции, заданной индексом:

bitvec[0] = 0;          // сбрасывает бит в позиции 0

bitvec[31] = bitvec[0]; // устанавливает последний бит в то же

                        //  состояние, что и первый

bitvec[0].flip();       // инвертирует значение бита в позиции 0

~bitvec[0];             // эквивалентная операция; инвертирует бит

                        // в позиции 0

bool b = bitvec[0];     // преобразует значение bitvec[0] в тип bool

Возвращение значений из набора битов

Функции to_ulong() и to_ullong() возвращают значение, содержащее ту же битовую схему, что и объект класса bitset. Эти функции можно использовать, только если размер набора битов меньше или равен размеру типа unsigned long для функции to_ulong() и типа unsigned long long для функции to_ullong() соответственно:

unsigned long ulong = bitvec3.to_ulong();

cout << "ulong = " << ulong << endl;

Если значение в наборе битов не соответствует заданному типу, эти функции передают исключение overflow_error (см. раздел 5.6).

Операторы ввода-вывода типа bitset

Оператор ввода читает символы из входного потока во временный объект типа string. Чтение продолжается, пока не будет заполнен соответствующий набор битов, или пока не встретится символ, отличный от 1 или 0, или не встретится конец файла, или ошибка ввода. Затем этой временной строкой (см. раздел 17.2.1) инициализируется набор битов. Если прочитано меньше символов, чем насчитывает набор битов, старшие биты, как обычно, устанавливаются в 0.

Оператор вывода выводит битовую схему объекта bitset:

bitset<16> bits;

cin >> bits; // читать до 16 символов 1 или 0 из cin

cout << "bits: " << bits << endl; // вывести прочитанное

Использование наборов битов

Для иллюстрации применения наборов битов повторно реализуем код оценки из раздела 4.8, использовавший тип unsigned long для представления результатов контрольных вопросов (сдал/не сдал) для 30 учеников:

bool status;

// версия, использующая побитовые операторы

unsigned long quizA = 0; // это значение используется

                         //  как коллекция битов

quizA |= 1UL << 27;      // отметить ученика номер 27 как сдавшего

status = quizA & (1UL << 27); // проверить оценку ученика номер 27

quizA &= ~(1UL << 27);        // ученик номер 27 не сдал

// эквивалентные действия с использованием набора битов

bitset<30> quizB;   // зарезервировать по одному биту на студента; все

                    // биты инициализированы 0

quizB.set(27);      // отметить ученика номер 27 как сдавшего

status = quizB[27]; // проверить оценку ученика номер 27

quizB.reset(27);    // ученик номер 27 не сдал

Упражнения раздела 17.2.2

Упражнение 17.10. Используя последовательность 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, инициализируйте набор битов, у которого установлена 1 в каждой позиции, соответствующей числу в этой последовательности. Инициализируйте по умолчанию другой набор битов и напишите небольшую программу для установки каждого из соответствующих битов.

Упражнение 17.11. Определите структуру данных, которая содержит целочисленный объект, позволяющий отследить (сдал/не сдал) ответы на контрольную из 10 вопросов. Какие изменения (если они вообще понадобятся) необходимо внести в структуру данных, если в контрольной станет 100 вопросов?

Упражнение 17.12. Используя структуру данных из предыдущего вопроса, напишите функцию, получающую номер вопроса и значение, означающее правильный/неправильный ответ, и изменяющую результаты контрольной соответственно.

Упражнение 17.13. Создайте целочисленный объект, содержащий правильные ответы (да/нет) на вопросы контрольной. Используйте его для создания оценок контрольных вопросов для структуры данных из предыдущих двух упражнений.

 

Регулярное выражение (regular expression) — это способ описания последовательности символов. Это чрезвычайно мощное средство программирования. Однако описание языков, используемых для определения регулярных выражений, выходит за рамки этой книги. Лучше сосредоточиться на использовании библиотеки регулярных выражений языка С++ (библиотеки RE), являющейся частью новой библиотеки. Библиотека RE определена в заголовке regex и задействует несколько компонентов, перечисленных в табл. 17.4.

Таблица 17.4. Компоненты библиотеки регулярных выражений

Если вы еще не знакомы с использованием регулярных выражений, то имеет смысл просмотреть этот раздел и выяснить, на что способны регулярные выражения.

Класс regex представляет регулярное выражение. Кроме инициализации и присвоения, с классом regex допустимо немного операций. Они перечислены в табл. 17.6.

Функции regex_match() и regex_search() определяют, соответствует ли заданная последовательность символов предоставленному объекту класса regex. Функция regex_match() возвращает значение true, если вся исходная последовательность соответствует выражению; функция regex_search() возвращает значение true, если в исходной последовательности выражению соответствует подстрока. Есть также функция regex_replace(), описываемая в разделе 17.3.4.

Аргументы функции regex описаны в табл. 17.5. Эти функции возвращают логическое значение и допускают перегрузку: одна версия получает дополнительный аргумент типа smatch. Если он есть, эти функции сохраняют дополнительную информацию об успехе обнаружения соответствия в предоставленном объекте класса smatch.

 

17.3.1. Использование библиотеки регулярных выражений

В качестве довольно простого примера рассмотрим поиск слов, нарушающих известное правило правописания "i перед е, кроме как после с":

// найти символы ei, следующие за любым символом, кроме с

string pattern("[^с]ei");

// искомая схема должна присутствовать в целом слове

pattern = "[[:alpha:]]*" + pattern + "[[:alpha:]]*";

regex r(pattern); // создать regex для поиска схемы

smatch results; // определить объект для содержания результатов поиска

// определить строку, содержащую текст, соответствующий и не

// соответствующий схеме

string test_str = "receipt freind theif receive";

// использовать r для поиска соответствия в test_str

if (regex_search(test_str, results, r)) // если соответствие есть

 cout << results.str() << endl; // вывести соответствующее слово

Таблица 17.5. Аргументы функций regex_search() и regex_match()

Таблица 17.6. Операции с классом regex (и wregex )

Начнем с определения строки для хранения искомого регулярного выражения. Регулярное выражение [^с] означает любой символ, отличный от символа 'c', a [^c]ei — любой такой символ, сопровождаемый символами 'ei'. Эта схема описывает строки, содержащие только три символа. Необходимо найти целое слово, содержащее эту схему. Для соответствия слову необходимо регулярное выражение, которое будет соответствовать символам, расположенным прежде и после заданной трехсимвольной схемы.

Это регулярное выражение состоит из любого количества символов, сопровождаемых первоначальной трехсимвольной схемой и любым количеством дополнительных символов. По умолчанию объекты класса regex используют язык регулярных выражений ECMAScript. На языке ECMAScript схема [[:alpha:]] соответствует любому алфавитному символу, а символы + и * означают "один или несколько" и "нуль или более" соответственно. Таким образом, схема [[:alpha:]]* будет соответствовать любому количеству символов.

Регулярное выражение, сохраненное в строке pattern, используется для инициализации объекта r класса regex. Затем определяется строка, которая будет использована для проверки регулярного выражения. Строка test_str инициализируется словами, которые соответствуют схеме (например, "freind" и "theif"), и словами, которые ей не соответствуют (например, "receipt" и "receive"). Определим также объект results класса smatch, передаваемый функции regex_search(). Если соответствие будет найдено, то объект results будет содержать подробности о том, где оно найдено.

Затем происходит вызов функции regex_search(). Если она находит соответствие, то возвращает значение true. Для вывода части строки test_str, соответствующей заданной схеме, используется функция-член str() объекта results. Функция regex_search() прекращает поиск, как только находит в исходной последовательности соответствующую подстроку. В результате вывод будет таким:

freind

Поиск всех соответствий во вводе представлен в разделе 17.3.2.

Определение параметров объекта regex

При определении объекта класса regex или вызове его функции assign() для присвоения ему нового значения можно применить один или несколько флагов, влияющих на работу объекта класса regex. Эти флаги контролируют обработку, осуществляемую этим объектом. Последние шесть флагов, указанных в табл. 17.6, задают язык, на котором написано регулярное выражение. Установлен должен быть только один из флагов определения языка. По умолчанию установлен флаг ECMAScript, задающий использование объектом класса regex спецификации ЕСМА-262, являющейся языком регулярных выражений большинства веб-браузеров.

Другие три флага позволяют определять независимые от языка аспекты обработки регулярного выражения. Например, можно указать, что поиск регулярного выражения не будет зависеть от регистра символов.

В качестве примера используем флаг icase для поиска имен файлов с указанными расширениями. Большинство операционных систем распознают расширения без учета регистра символов: программа С++ может быть сохранена в файле с расширением .cc, .Cc, .cC или .CC. Давайте напишем регулярное выражение для распознавания любого из них наряду с другими общепринятыми расширениями файлов:

// один или несколько алфавитно-цифровые символов, сопровождаемых

// и "cpp", "cxx" или "cc"

regex r("[[:alnum:]]+\\.(cpp|схх|cc)$", regex::icase);

smatch results;

string filename;

while (cin >> filename)

 if (regex_search(filename, results, r))

  cout << results.str() << endl; // вывод текущего соответствия

Это выражение будет соответствовать строке из одного или нескольких символов или цифр, сопровождаемых точкой и одним из трех расширений файла. Регулярное выражение будет соответствовать расширению файлов независимо от регистра.

Подобно тому, как специальные символы есть в языке С++ (см. раздел 2.1.3), у языков регулярных выражений, как правило, тоже есть специальные символы. Например, точка (.) обычно соответствует любому символу. Как и в языке С++, для обозначения специального характера символа его предваряют символом наклонной черты. Поскольку наклонная черта влево является также специальным символом в языке С++, в строковом литерале языка С++, означающем наклонную черту влево следует использовать вторую наклонную черту влево. Следовательно, чтобы представить точку в регулярном выражении, необходимо написать \\..

Ошибки в определении и использовании регулярного выражения

Регулярное выражение можно считать самостоятельной "программой" на простом языке программирования. Этот язык не интерпретируется компилятором С++, и "компилируется" только во время выполнения, когда объект класса regex инициализируется или присваивается. Как и в любой написанной программе, в регулярных выражениях вполне возможны ошибки.

Важно понимать, что правильность синтаксиса регулярного выражения проверяется во время выполнения.

Если допустить ошибку в записи регулярного выражения, то передача исключения (см. раздел 5.6) типа regex_error произойдет только во время выполнения. Подобно всем стандартным типам исключений, у исключения regex_error есть функция what(), описывающая произошедшую ошибку (см. раздел 5.6.2). У исключения regex_error есть также функция-член code(), возвращающая числовой код (зависящий от реализации), соответствующий типу произошедшей ошибки. Стандартные сообщения об ошибках, которые могут быть переданы библиотекой RE, приведены в табл. 17.7.

Таблица 17.7. Причины ошибок в регулярном выражении

Например, в схеме вполне можно пропустить по неосторожности скобку:

try {

 // ошибка: пропущена закрывающая скобка после alnum; конструктор

 // передаст исключение

 regex r("[[:alnum:]+\\.(cpp|схх|cc)$", regex::icase);

 } catch (regex_error e)

 { cout << e.what() << "\ncode: " << e.code() << endl; }

При запуске на системе авторов эта программа выводит следующее:

regex_error(error_brack):

The expression contained mismatched [ and ].

code: 4

Компилятор определяет функцию-член code() для возвращения позиции ошибок, перечисленных в табл. 17.7, счет которых, как обычно, начинается с нуля.

Совет. Избегайте создания ненужных регулярных выражений

Как уже упоминалось, представляющая регулярное выражение "программа" компилируется во время выполнения, а не во время компиляции. Компиляция регулярного выражения может быть на удивление медленной операцией, особенно если используется расширенная грамматика регулярного выражения или выражение слишком сложно. В результате создание объекта класса regex и присвоение нового регулярного выражения уже существующему объекту класса regex может занять много времени. Для минимизации этих дополнительных затрат не создавайте больше объектов класса regex , чем необходимо. В частности, если регулярное выражение используются в цикле, его следует создать вне цикла, избежав перекомпиляции при каждой итерации.

Классы регулярного выражения и тип исходной последовательности

Поиск возможен в любой из исходных последовательностей нескольких типов. Входные данные могут быть обычными символами типа char или wchar_t, и эти символы могут храниться в библиотечной строке или в массиве символов (или в его версии для wchar_t, или wstring). Библиотека RE определяет отдельные типы, соответствующие этим разным типам исходных последовательностей.

Предположим, например, что класс regex содержит регулярное выражение типа char. Для типа wchar_t библиотека определяет также класс wregex, поддерживающий все операции класса regex. Единственное различие в том, что инициализаторы класса wregex должны использовать тип wchar_t вместо типа char.

Типы соответствий и итераторов (они рассматриваться в следующих разделах) более специфичны. Они отличаются не только типом символов, но и тем, является ли последовательность библиотечным типом или массивом: класс smatch представляет исходные последовательности типа string; класс cmatch — символьные массивы; wsmatch — строки Unicode (wstring); wcmatch — массивы символов wchar_t.

Таблица 17.8. Библиотечные классы регулярных выражений

Важный момент: используемый тип библиотеки RE должен соответствовать типу исходной последовательности. Соответствие классов видам исходных последовательностей приведено в табл. 17.8. Например:

regex r("[[:alnum:]]+\\.(cpp|схх|cc)$", regex::icase);

smatch results; // будет соответствовать последовательности типа

                //  string, но не char*

if (regex_search("myfile.cc", results, r)) // ошибка: ввод char*

 cout << results.str() << endl;

Компилятор С++ отклонит этот код, поскольку тип аргумента и тип исходной последовательности не совпадают. Если необходимо искать в символьном массиве, то следует использовать объект класса cmatch:

cmatch results; // будет соответствовать последовательности символьного

                // массива

if (regex_search("myfile.cc", results, r))

 cout << results.str() << endl; // вывод текущего соответствия

Обычно программы используют исходные последовательности типа string и соответствующие ему версии компонентов библиотеки RE.

Упражнения раздела 17.3.1

Упражнение 17.14. Напишите несколько регулярных выражений, предназначенных для создания различных ошибок. Запустите программу и посмотрите, какие сообщения выводит ваш компилятор для каждой ошибки.

Упражнение 17.15. Напишите программу, используя схему поиска слов, нарушающих правило "i перед е, кроме как после c". Организуйте приглашение для ввода пользователем слова и вывод результата его проверки. Проверьте свою программу на примере слов, которые нарушают и не нарушают это правило.

Упражнение 17.16. Что будет при инициализации объекта класса regex в предыдущей программе значением "[^c]ei"? Проверьте свою программу, используя эту схему, и убедитесь в правильности своих ожиданий.

 

17.3.2. Типы итераторов классов соответствия и

regex

Программа проверки правила "i перед е, кроме как после с" из раздела 17.3.1 выводила только первое соответствие в исходной последовательности. Используя итератор sregex_iterator, можно получить все соответствия. Итераторы класса regex являются адаптерами итератора (см. раздел 9.6), привязанные к исходной последовательности и объекту класса regex. Как было описано в табл. 17.8, для каждого типа исходной последовательности используется специфический тип итератора. Операции с итераторами описаны в табл. 17.9.

Когда итератор sregex_iterator связывается со строкой и объектом класса regex, итератор автоматически позиционируется на первое соответствие в заданной строке. Таким образом, конструктор sregex_iterator() вызывает функцию regex_search() для данной строки и объекта класса regex. При обращении к значению итератора возвращается объект класса smatch, соответствующий результатам самого последнего поиска. При приращении итератора для поиска следующего соответствия в исходной строке вызывается функция regex_search().

Таблица 17.9. Операции с итератором sregex_iterator

Использование итератора sregex_iterator

В качестве примера дополним программу поиска нарушения правила "i перед е, кроме как после с" в текстовом файле. Подразумевается, что file класса string содержит все содержимое исходного файла, на котором осуществляется поиск. Новая версия программы будет использовать ту же схему, что и ранее, но для поиска применим итератор sregex_iterator:

// найти символы ei, следующие за любым символом, кроме с

string pattern("[^с]ei");

// искомая схема должна присутствовать в целом слове

pattern = "[[:alpha:]]*" + pattern + "[[ :alpha:]]*";

regex r(pattern, regex::icase); // игнорируем случай выполнения

                                // соответствия

// будет последовательно вызывать regex_search() для поиска всех

// соответствий в файле

for (sregex_iterator it(file.begin(), file.end(), r), end_it;

     it != end_it; ++it)

 cout << it->str() << endl; // соответствующее слово

Цикл for перебирает все соответствия r в строке file. Инициализатор в цикле for определяет итераторы it и end_it. При определении итератора it конструктор sregex_iterator() вызывает функцию regex_search() для позиционирования итератора it на первое соответствие в строке file.

Пустой итератор sregex_iterator, end_it действует как итератор после конца. Приращение в цикле for "перемещает" итератор, вызвав функцию regex_search(). При обращении к значению итератора возвращается объект класса smatch, представляющий текущее соответствие. Для вывода соответствующего слова вызывается функция-член str().

Данный цикл for как бы перепрыгивает с одного соответствия на другое, как показано на рис. 17.1.

Рис. 17.1. Использование итератора sregex_iterator

Использование данных соответствия

Если запустить этот цикл для строки test_str из первоначальной программы, вывод был бы таким:

freind

theif

Однако вывод только самого слова, соответствующего заданному выражению, не очень полезен. При запуске программы для большой исходной последовательности, например для текста этой главы, имело бы смысл увидеть контекст, в котором встретилось слово. Например:

hey read or write according to the type

        >>> being <<<

handled. The input operators ignore whi

Кроме возможности вывода части исходной строки, в которой встретилось соответствие, классы соответствия предоставляют более подробную информацию о соответствии. Возможные операции с этими типами перечислены в табл. 17.10 и 17.11.

Более подробная информация о smatch и ssub_match приведена в следующем разделе, а пока достаточно знать, что они предоставляют доступ к контексту соответствия. У типов соответствия есть функции-члены prefix() и suffix(), возвращающие объект класса ssub_match, представляющий часть исходной последовательности перед и после текущего соответствия соответственно. У класса ssub_match есть функции-члены str() и length(), возвращающие соответствующую строку и ее размер соответственно. Используя эти функции, можно переписать цикл программы проверки правописания:

// тот же заголовок цикла for, что и прежде

for (sregex_iterator it(file.begin(), file.end(), r), end_it;

      it != end_it; ++it) {

 auto pos = it->prefix().length(); // размер префикса

 pos = pos > 40 ? pos - 40 : 0;    // необходимо до 40 символов

 cout << it->prefix().str().substr(pos) // последняя часть префикса

      << "\n\t\t>>> " << it->str() << " <<<\n" // соответствующее

                                               // слово

      << it->suffix().str().substr(0, 40) // первая часть суффикса

      << endl;

}

Таблица 17.10. Операции с типом smatch

Более подробная информация о smatch и ssub_match приведена в следующем разделе, а пока достаточно знать, что они предоставляют доступ к контексту соответствия. У типов соответствия есть функции-члены prefix() и suffix(), возвращающие объект класса ssub_match, представляющий часть исходной последовательности перед и после текущего соответствия соответственно. У класса ssub_match есть функции-члены str() и length(), возвращающие соответствующую строку и ее размер соответственно. Используя эти функции, можно переписать цикл программы проверки правописания:

// тот же заголовок цикла for, что и прежде

for (sregex_iterator it(file.begin(), file.end(), r), end_it;

     it != end_it; ++it) {

 auto pos = it->prefix().length(); // размер префикса

 pos = pos > 40 ? pos - 40 : 0;    // необходимо до 40 символов

 cout << it->prefix().str().substr(pos) // последняя часть префикса

      << "\n\t\t>>> " << it->str () << " <<<\n" // соответствующее

                                                // слово

      << it->suffix().str().substr(0, 40) // первая часть суффикса

      << endl;

}

Сам цикл работает, как и прежде. Изменился процесс в цикле for, представленный на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Объект класса smatch, представляющий некое соответствие

Здесь происходит вызов функции prefix(), возвращающий объект класса ssub_match, представляющий часть строки file перед текущим соответствием. Чтобы выяснить, сколько символов находится в части строки file перед соответствием, вызовем функцию length() для этого объекта класса ssub_match. Затем скорректируем значение pos так, чтобы оно было индексом 40-го символа от конца префикса. Если у префикса меньше 40 символов, устанавливаем pos в 0, означая, что выведен весь префикс. Функция substr() (см. раздел 9.5.1) используется для вывода от данной позиции до конца префикса.

После вывода символов, предшествующих соответствию, выводится само соответствие с некоторым дополнительным оформлением, чтобы соответствующее слово выделилось в выводе. После вывода соответствующей части выводится до 40 следующих после соответствия символов строки file.

Упражнения раздела 17.3.2

Упражнение 17.17. Измените свою программу так, чтобы она находила все слова в исходной последовательности, нарушающие правило "i перед е, кроме как после с".

Упражнение 17.18. Пересмотрите свою программу так, чтобы игнорировать слова, содержащие сочетание "ei", но не являющиеся ошибочными, такие как "albeit" и "neighbor".

 

17.3.3. Использование подвыражений

Схема в регулярном выражении зачастую содержит одно или несколько подвыражений (subexpression). Подвыражение — это часть схемы, которая сама имеет значение. Для обозначения подвыражения в регулярном выражении, как правило, используют круглые скобки.

Например, в схеме для поиска соответствий расширений файлов языка С++ (см. раздел 16.1.2) круглые скобки используются для группировки возможных расширений. Каждый раз, когда альтернативы группируются с использованием круглых скобок, одновременно объявляется, что эти альтернативы формируют подвыражение. Это выражение можно переписать так, чтобы оно предоставило доступ к имени файла, являющемуся той частью схемы, которая предшествует точке:

// r содержит два подвыражения:

//  первое - часть имени файла перед точкой,

// второе - расширение файла

regex r("([[:alnum:]]+)\\.(cpp|схх|cc)$", regex::icase);

Теперь в схеме два заключенных в скобки подвыражения:

• ([[:alnum:]]+) — представляет последовательность из одного или нескольких символов;

• (cpp|схх|cc) — представляет расширения файлов.

Теперь программу из раздела 16.1.2 можно переписать так (изменив оператора вывода), чтобы выводить только имя файла:

if (regex_search(filename, results, r))

 cout << results.str(1) << endl; // вывести первое подвыражение

В первоначальной программе для поиска схемы r в строке filename использовался вызов функции regex_search(), а также объект results класса smatch для содержания результата поиска соответствия. Если вызов успешен, выводится результат. Но в этой программе выводится str(1), т.е. соответствие для первого подвыражения.

Кроме информации об общем соответствии, объекты соответствия предоставляют доступ к каждому соответствию подвыражению в схеме. К соответствиям подвыражению обращаются по позиции. Первое соответствие подвыражению, расположенное в позиции 0, представляет соответствие для всей схемы. После него располагается каждое подвыражение. Следовательно, имя файла, являющееся первым подвыражением в схеме, находится в позиции 1, а расширение файла — в позиции 2.

Например, если именем файла будет foo.cpp, то results.str(0) содержит строку "foo.cpp"; results.str(1) — "foo", a results.str(2) — "cpp".

В этой программе требуется часть имени перед точкой, что является первым подвыражением, поэтому следует вывести results.str(1).

Подвыражения для проверки правильности данных

Подвыражения обычно используются для проверки данных, которые должны соответствовать некоему определенному формату. Например, в Америке номера телефонов имеют десять цифр, включая код города и местный номер из семи цифр. Код города зачастую, но не всегда, заключен в круглые скобки. Остальные семь цифр могут быть отделены тире, точкой или пробелом либо не отделяться вообще. Данные в некоторых из этих форматов могли бы быть приемлемы, а в других — нет. Процесс будет состоять из двух этапов: сначала используем регулярное выражение для поиска последовательностей, которые могли бы быть номерами телефонов, а затем вызовем функцию для окончательной проверки правильности данных.

Прежде чем написать схему номеров телефона, необходимо рассмотреть еще несколько аспектов языка регулярных выражений на языке ECMAScript.

• \{d} представляет одиночную цифру, а \{d}{n} — последовательность из n цифр. (Например, \{d}{3} соответствует последовательности из трех цифр.)

• Набор символов в квадратных скобках позволяет задать соответствие любому из трех символов. (Например, [-.] соответствует тире, точке или пробелу. Обратите внимание: у точки в квадратных скобках нет никакого специального смысла.)

• Компонент, следующий за символом '?', не обязательный. (Например, \{d}{3}[-. ]?\{d}{4} соответствует трем цифрам, сопровождаемым опциональными тире, точкой или пробелом и еще четырьмя цифрами. Этой схеме соответствовало бы 555-0132, или 555.0132, или 555 0132, или 5550132).

• Как и в языке С++, в ECMAScript символ за наклонной чертой означает, что он представляет себя, а не специальное значение. Поскольку данная схема включает круглые скобки, являющиеся специальными символами в языке ECMAScript, круглые скобки, являющиеся частью схемы, следует представить как \( или \).

Поскольку наклонная черта влево является специальным символом в языке С++, когда он встречается в схеме, следует добавить вторую наклонную черту, чтобы указать языку С++, что имеется в виду символ \. Следовательно, чтобы представить регулярное выражение \{d}{3}, нужно написать \\{d}{3}.

Для проверки номеров телефонов следует обратиться к компонентам схемы. Например, необходимо проверить, что если номер использует открывающую круглую скобку для кода города, то он использует также закрывающую скобку после него. В результате такой номер, как (908.555.1800, следует отклонить.

Для определения такого соответствия необходимо регулярное выражение, использующее подвыражения. Каждое подвыражение заключается в пару круглых скобок:

// все выражение состоит из семи подвыражений: (ddd) разделитель ddd

// разделитель dddd

// подвыражения 1, 3, 4 и 6 опциональны; а 2, 5 и 7 содержат цифры

"(\\()?(\\d{3})(\\))?([-. ])?(\\d{3})([-. ]?)(\\d{4})";

Поскольку схема использует круглые скобки, а также из-за использования наклонных черт, эту схему трудно прочитать (и написать!). Проще всего прочитать ее по каждому отдельному (заключенному в скобки) подвыражению.

1. (\\()? необязательная открывающая скобка для кода города.

2. (\\d{3}) код города.

3. (\\))? необязательная закрывающая скобка для кода города.

4. ([-. ])? необязательный разделитель после кода города.

5. (\\d{3}) следующие три цифры номера.

6. ([-. ])? другой необязательный разделитель.

7. (\\d{4}) последние четыре цифры номера.

Следующий код использует эту схему для чтения файла и находит данные, соответствующие общей схеме телефонных номеров. Для проверки допустимости формата номеров используется функция valid():

string phone =

 "(\\()?(\\d{3})(\\))?([-. ])?(\\d{3})([-. ]?)(\\d{4})";

regex r(phone); // объект regex для поиска схемы

smatch m;

string s;

// прочитать все записи из входного файла

while (getline(cin, s)) {

 // для каждого подходящего номера телефона

 for (sregex_iterator it(s.begin(), s.end(), r), end_it;

                      it != end_it; ++it)

  // проверить допустимость формата номера

  if (valid(*it))

   cout << "valid: " << it->str() << endl;

  else

   cout << "not valid: " << it->str() << endl;

}

Операции с типом соответствия

Напишем функцию valid(), используя операции типа соответствия, приведенные в табл. 17.11. Не следует забывать, что схема pattern состоит из семи подвыражений. В результате каждый объект класса smatch будет содержать восемь элементов ssub_match. Элемент [0] представляет общее соответствие, а элементы [1]На самом деле препроцессору. Компилятор получит готовый промежуточный файл, в состав которого войдет содержимое подключенной библиотеки. — Примеч. ред .
 - [7] представляют каждое из соответствующих подвыражений.

Таблица 17.11. Операции с типом соответствия

Когда происходит вызов функции valid(), известно, что общее соответствие имеется, но неизвестно, какие из необязательных подвыражений являются частью этого соответствия. Переменная-член matched класса ssub_match, соответствующая определенному подвыражению, содержит значение true, если это подвыражение является частью общего соответствия.

В правильном номере телефона код города либо полностью заключается в скобки, либо не заключается в них вообще. Поэтому действие функции valid() зависит от того, начинается ли номер с круглой скобки или нет:

bool valid(const smatch& m) {

 // если перед кодом города есть открывающая скобка

 if (m[1]На самом деле препроцессору. Компилятор получит готовый промежуточный файл, в состав которого войдет содержимое подключенной библиотеки. — Примеч. ред .
.matched)

  // за кодом города должна быть закрывающая скобка

  // и остальная часть номера непосредственно или через пробел

  return m[3]Согласно другой трактовке, исключение — это объект системного или пользовательского класса, создаваемого операционной системой или кодом программы в ответ на обстоятельства, либо не допускающие дальнейшего нормального выполнения программы, либо определенные пользователем. Обработка исключений в приложении позволяет корректно выйти из затруднительной ситуации. — Примеч. ред .
.matched

         && (m[4]Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
.matched == 0 || m[4]Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
.str() == " ");

 else

  // здесь после кода города не может быть закрывающей скобки

  // но разделители между другими двумя компонентами должны быть

  // корректны

  return !m[3]Согласно другой трактовке, исключение — это объект системного или пользовательского класса, создаваемого операционной системой или кодом программы в ответ на обстоятельства, либо не допускающие дальнейшего нормального выполнения программы, либо определенные пользователем. Обработка исключений в приложении позволяет корректно выйти из затруднительной ситуации. — Примеч. ред .
.matched

         && m[4]Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
.str() == m[6].str();

}

Начнем с проверки соответствия первому подвыражению (т.е. открывающей скобки). Это подвыражение находится в элементе m[1]На самом деле препроцессору. Компилятор получит готовый промежуточный файл, в состав которого войдет содержимое подключенной библиотеки. — Примеч. ред .
. Если это соответствие есть, то номер начинается с открывающей скобки. В таком случае номер будет допустимым, только если подвыражение после кода города также будет соответствующим (т.е. будет закрывающая скобка после кода города). Кроме того, если скобки в начале номера корректны, то следующим символом должен быть пробел или первая цифра следующей части номера.

Если элемент m[1]На самом деле препроцессору. Компилятор получит готовый промежуточный файл, в состав которого войдет содержимое подключенной библиотеки. — Примеч. ред .
не соответствует (т.е. открывающей скобки нет), то подвыражение после кода города также должно быть пустым. Если это так и если остальные разделители совпадают, то номер допустим, но не в противном случае.

Упражнения раздела 17.3.3

Упражнение 17.19. Почему можно вызывать функцию m[4]Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
.str() без предварительной проверки соответствия элемента m[4]Здесь и везде в оригинале именно adapt o r, а не adapt e r. — Примеч. ред .
?

Упражнение 17.20. Напишите собственную версию программы для проверки номеров телефонов.

Упражнение 17.21. Перепишите программу номеров телефонов из раздела 8.3.2 так, чтобы использовать функцию valid(), определенную в этом разделе.

Упражнение 17.22. Перепишите программу номеров телефонов так, чтобы она позволила разделять три части номера телефона любыми символами.

Упражнение 17.23. Напишите регулярное выражение для поиска почтовых индексов. У них может быть пять или девять цифр. Первые пять цифр могут быть отделены от остальных четырех тире.

 

17.3.4. Использование функции

regex_replace()

Регулярные выражения зачастую используются не только для поиска, но и для замены одной последовательности другой. Например, может потребоваться преобразовать американские номера телефонов в формат "ddd.ddd.dddd", где код города и три последующие цифры разделены точками.

Когда необходимо найти и заменить регулярное выражение в исходной последовательности, используется функция regex_replace(). Подобно функции поиска, функция regex_replace(), описанная в табл. 17.12, получает входную символьную последовательность и объект класса regex. Следует также передать строку, которая описывает необходимый вывод.

Таблица 17.12. Функции замены регулярного выражения

Строку замены составляют подлежащие включению символы вместе с подвыражениями из соответствующей подстроки. В данном случае следует использовать второе, пятое и седьмое подвыражения из строки замены. Первое, третье, четвертое и шестое подвыражения игнорируются, поскольку они использовались в первоначальном форматировании номера, но не являются частью формата замены. Для ссылки на конкретное подвыражение используется символ $, сопровождаемый индексом подвыражения:

string fmt = "$2.$5.$7"; // переформатировать номера в ddd.ddd.dddd

Схему регулярного выражения и строку замены можно использовать следующим образом:

regex r(phone); // regex для поиска схемы

string number = "(908) 555-1800";

cout << regex_replace(number, r, fmt) << endl;

Вывод этой программы будет таким:

908.555.1800

Замена только части исходной последовательности

Куда интересней использование обработки регулярных выражений для замены номеров телефонов в большом файле. Предположим, например, что имеется файл имен и номеров телефонов, содержащий такие данные:

morgan (201) 555-2368 862-555-0123/

drew (973)555.0130

lee (609) 555-0132 2015550175 800.555-0000

Их следует преобразовать в такой формат:

morgan 201.555.2368 862.555.0123

drew 973.555.0130

lee 609.555.0132 201.555.0175 800.555.0000

Это преобразование можно осуществить следующим образом:

int main() {

 string phone =

  "(\\()?(\\d{3})(\\))?([-. ])?(\\d{3})([-. ])?(\\d{4})";

 regex r(phone); // regex для поиска схемы

 smatch m;

 string s;

 string fmt = "$2.$5.$7"; // переформатировать номера в ddd.ddd.dddd

 // прочитать каждую запись из входного файла

 while (getline(cin, s))

  cout << regex_replace(s, r, fmt) << endl;

 return 0;

}

Каждая запись читается в строку s и передается функции regex_replace(). Эта функция находит и преобразует все соответствия исходной последовательности.

Флаги, контролирующие соответствия и формат

Кроме флагов обработки регулярных выражений, библиотека определяет также флаги, позволяющие контролировать процесс поиска соответствия и форматирования при замене. Их значения приведены в табл. 17.13. Эти флаги могут быть переданы функции regex_search(), или функции regex_match(), или функциям-членам формата класса smatch.

Таблица 17.13. Флаги соответствия

Флаги соответствия и формата имеют тип match_flag_type. Их значения определяются в пространстве имен regex_constants. Подобно пространству имен placeholders, используемому с функциями bind() (см. раздел 10.3.4), пространство имен regex_constants определено в пространстве имен std. Для использования имени из пространства regex_constants его следует квалифицировать именами обоих пространств имен:

using std::regex_constants::format_no_copy;

Это объявление указывает, что когда код использует флаг format_no_copy, необходим объект из пространства имен std::regex_constants. Вместо этого можно использовать и альтернативную форму using, рассматриваемую в разделе 18.2.2:

using namespace std::regex_constants;

Использование флагов формата

По умолчанию функция regex_replace() выводит всю исходную последовательность. Части, которые не соответствуют регулярному выражению, выводятся без изменений, а соответствующие части оформляются, как указано строкой формата. Это стандартное поведение можно изменить, указав флаг format_no_copy в вызове функции regex_replace():

// выдать только номера телефона: используется новая строка формата

string fmt2 = "$2.$5.$7 "; // поместить пробел как разделитель после

                           // последнего числа

// указать regex_replace() копировать только заменяемый текст

cout << regex_replace(s, r, fmt2, format_no_copy) << endl;

С учетом того же ввода эта версия программы создает такой вывод:

201.555.2368 862.555.0123

973.555.0130

609.555.0132 201.555.0175 800.555.0000

Упражнения раздела 17.3.4

Упражнение 17.24. Напишите собственную версию программы для переформатирования номеров телефонов.

Упражнение 17.25. Перепишите свою программу телефонных номеров так, чтобы она выводила только первый номер для каждого человека.

Упражнение 17.26. Перепишите свою программу телефонных номеров так, чтобы она выводила только второй и последующие номера телефонов для людей с несколькими номерами телефонов.

Упражнение 17.27. Напишите программу, которая переформатировала бы почтовый индекс с девятью цифрами как ddddd-dddd.

 

Программы нередко нуждаются в источнике случайных чисел. До нового стандарта языки С и С++ полагались на простую библиотечную функцию языка С по имени rand(). Эта функция создает псевдослучайные целые числа, равномерно распределенные в диапазоне от нуля до зависимого от системы максимального значения, которое по крайней мере не меньше 32767.

У функции rand() несколько проблем: многим, если не всем, программам нужны случайные числа в совершенно другом диапазоне, отличном от используемого функцией rand(). Некоторые приложения требуют случайных чисел с плавающей запятой, другим нужны числа с неоднородным распределением. Когда разработчики пытаются преобразовывать диапазон, тип или распределение чисел, созданных функцией rand(), их случайность зачастую теряется.

Библиотека случайных чисел, определенная в заголовке random, решает эти проблемы за счет набора взаимодействующих классов: классов процессора случайных чисел (random-number engine) и классов распределения случайного числа (random-number distribution). Эти классы описаны в табл. 17.14. Процессор создает последовательность беззнаковых случайных чисел, а распределение использует процессор для создания случайных чисел определенного типа в заданном диапазоне, распределенном согласно указанному вероятностному распределению.

Таблица 17.14. Компоненты библиотеки случайных чисел

Программы С++ больше не должны использовать библиотечную функцию rand(). Для этого следует использовать класс default_random_engine наряду с соответствующим объектом распределения.

 

17.4.1. Процессоры случайных чисел и распределения

Процессоры случайных чисел — это классы объектов функции (см. раздел 14.8), определяющие оператор вызова, не получающий никаких аргументов и возвращающий случайное беззнаковое число. Вызвав объект типа процессора случайных чисел, можно получить простые случайные числа:

default_random_engine е; // создает случайное беззнаковое число

for (size_t i = 0; i < 10; ++i)

 // e() "вызывает" объект для создания следующего случайного числа

 cout << е() << " ";

На системе авторов эта программа выводит:

16807 282475249 1622650073 984943658 1144108930 470211272 ...

Здесь был определен объект е типа default_random_engine. В цикле for происходит вызов объекта е, возвращающий следующее случайное число.

Библиотека определяет несколько процессоров случайных чисел, отличающихся производительностью и качеством случайности. Каждый компилятор определяет один из этих процессоров как стандартный процессор случайных чисел (default random engine) (тип default_random_engine). Этот тип предназначен для процессоров с наиболее общеприменимыми свойствами (табл. 17.15). Список типов и функций процессоров, определенных стандартом, приведен в разделе А.3.2.

В большинстве случаев вывод процессора сам по себе непригоден для использования, поскольку, как уже упоминалось, это простые случайные числа. Проблема в том, что эти числа обычно охватывают диапазон, отличный от необходимого. Правильное преобразование диапазона случайного числа на удивление трудно.

Типы распределения и процессоры

Чтобы получить число в определенном диапазоне, используется объект типа распределения:

// однородное распределение от 0 до 9 включительно

uniform_int_distribution u(0,9);

default_random_engine e; // создает случайные беззнаковые целые числа

for (size_t i = 0; i < 10; ++i)

 // u использует e как источник чисел

 // каждый вызов возвращает однородно распределенное значение

 //  в заданном диапазоне

 cout << u(e) << " ";

Вывод таков:

0 1 7 4 5 2 0 6 6 9

Здесь u определяется как объект типа uniform_int_distribution. Этот тип создает однородно распределенные беззнаковые значения. При определении объекта этого типа можно задать минимум и максимум необходимых значений. Определение u(0, 9) указывает, что необходимы числа в диапазоне от 0 до 9 включительно. Распределение случайного числа использует включающие диапазоны, позволяющие получить любое возможное целочисленное значение в нем.

Подобно типам процессоров, типы распределения также являются классами объектов функции. Типы распределения определяют оператор вызова, получающий процессор случайных чисел как аргумент. Объект распределения использует свой аргумент процессора для создания случайного числа, которое объект распределения сопоставит с определенным распределением.

Обратите внимание на то, что объект процессора передается непосредственно, u(e). Если бы вызов был написан как u(е()), то произошла бы попытка передать следующее созданное е значение в u, что привело бы к ошибке при компиляции. Поскольку некоторые распределения вызывают процессор несколько раз, передается сам процессор, а не очередной результат его вызова.

Когда упоминается генератор случайных чисел (random-number generator), имеется в виду комбинация объекта распределения с объектом процессора.

Сравнение процессора случайных чисел и функции rand()

Читатели, знакомые с библиотечной функцией rand() языка С, вероятно заметили, что вывод вызова объекта default_random_engine подобен выводу функции rand(). Процессоры предоставляют целые беззнаковые числа в определенном системой диапазоне. Функция rand() имеет диапазон от 0 до RAND_MAX. Диапазон процессора возвращается при вызове функций-членов min() и max() объекта его типа:

cout << "min: " << e.min() << " max: " << e.max() << endl;

На системе авторов эта программа выводит следующее

min: 1 max: 2147483646

Таблица 17.15. Операции с процессором случайного числа

Процессоры создают последовательности чисел

У генераторов случайных чисел есть одно свойство, которое зачастую вызывает сомнения у новичков: даже при том, что создаваемые числа случайны, при каждом запуске данный генератор возвращает ту же последовательность чисел. Факт неизменности последовательности очень полезен во время проверки. С другой стороны, разработчики, использующие генераторы случайных чисел, должны учитывать этот факт.

Предположим, например, что необходима функция, создающая вектор из 100 случайных целых чисел, равномерно распределенных в диапазоне от 0 до 9. Могло бы показаться, что эту функцию следует написать следующим образом:

// безусловно неправильный способ создания

//  вектора случайных целых чисел

// эта функция выводит те же 100 чисел при каждом вызове!

vector bad_randVec() {

 default_random_engine e;

 uniform_int_distribution u(0,9);

 vector ret;

 for (size_t i = 0; i < 100; ++i)

  ret.push_back(u(e));

 return ret;

}

Однако при каждом вызове эта функция возвратит тот же вектор:

vector v1(bad_randVec());

vector v2(bad_randVec());

// выводит equal

cout << ((v1 == v2) ? "equal" : "not equal") << endl;

Этот код выводит "equal", поскольку векторы v1 и v2 имеют те же значения.

Для правильного написания этой функции объекты процессора и распределения следует сделать статическими (см. раздел 6.1.1):

// возвращает вектор из 100 равномерно распределенных случайных чисел

vector good_randVec() {

 // поскольку процессоры и распределения хранят состояние, их следует

 // сделать статическими, чтобы при каждом вызове создавались новые

 // числа

 static default_random_engine е;

 static uniform_int_distribution u(0,9);

 vector ret;

 for (size_t i = 0; i < 100; ++i)

  ret.push_back(u(e));

 return ret;

}

Поскольку объекты e и u являются статическими, они хранят свое состояние на протяжении вызовов функции. Первый вызов будет использовать первые 100 случайных чисел из последовательности, созданной вызовом u(e), а второй вызов создаст следующие 100 чисел и т.д.

Каждый генератор случайных чисел всегда создает ту же последовательность чисел. Функция с локальным генератором случайных чисел должна сделать объекты процессора и распределения статическими. В противном случае функция будет создавать ту же последовательность при каждом вызове.

Начальное число генератора

Тот факт, что генератор возвращает ту же последовательность чисел, полезен во время отладки. Но после проверки программы необходимо заставить ее создавать разные случайные результаты при каждом запуске. Для этого предоставляется начальное число (seed). Начальное число — это значение, которое процессор может использовать для начала создания чисел с нового пункта в последовательности.

Начальное число генератора можно задать одним из двух способов: предоставить его при создании объекта процессора либо вызвать функцию-член seed() класса процессора:

default_random_engine e1; // использует стандартное начальное число

default_random_engine e2(2147483646); // использует заданное значение

                                      // начального числа

// e3 и e4 создадут ту же последовательность,

//  поскольку они используют то же начальное число

default_random_engine e3; // использует стандартное начальное число

e3.seed(32767); // вызывает функцию seed() для установки нового

                //  значения начального числа

default_random_engine e4(32767); // устанавливает начальное число 32767

for (size_t i = 0; i != 100; ++i) {

 if (e1() == e2())

  cout << "unseeded match at iteration: " << i << endl;

 if (e3() ! = e4())

  cout << "seeded differs at iteration: " << i << endl;

Здесь определены четыре процессора. Первые два, e1 и e2, имеют разные начальные числа и должны создавать разные последовательности. У двух вторых, e3 и e4, то же значение начального числа. Эти два объекта создадут ту же последовательность.

Выбор подходящего начального числа, как и почти все при создании хороших наборов случайных чисел, на удивление сложен. Вероятно, наиболее распространен подход вызова системной функции time(). Эта функция, определенная в заголовке ctime, возвращает количество секунд, начиная с заданной эпохи. Функция time() получает один параметр, являющийся указателем на структуру для записи времени. Если этот указатель нулевой, функция только возвращает время:

default_random_engine e1(time(0)); // почти случайное начальное число

Поскольку функция time() возвращает время как количество секунд, такое начальное число применимо только для приложений, создающих начальное число на уровне секунд или больших интервалов.

Функция time() обычно не используется как источник начального числа, если программа многократно запускается как часть автоматизированного процесса, поскольку она могла бы быть запущена с тем же начальным числом несколько раз.

Упражнения раздела 17.4.1

Упражнение 17.28. Напишите функцию, создающую и возвращающую равномерно распределенную последовательность случайных беззнаковых целых чисел при каждом вызове.

Упражнение 17.29. Позвольте пользователю предоставлять начальное число как необязательный аргумент функции, написанной в предыдущем упражнении.

Упражнение 17.30. Снова пересмотрите предыдущую функцию, позволив ей получать минимальное и максимальное значения для возвращаемых случайных чисел.

 

17.4.2. Другие виды распределений

Процессоры создают беззнаковые числа, и у каждого числа в диапазоне процессора есть та же вероятность быть созданным. Приложения зачастую нуждаются в числах других типов или распределений. Библиотека удовлетворяет обе эти потребности, определяя различные классы распределений, которые, будучи использованы с процессором, дают желаемый результат. Список операций, поддерживаемых типами распределения, приведен в табл. 17.16.

Таблица 17.16. Операции с распределениями

Создание случайных вещественных чисел

Программы нередко нуждаются в источнике случайных значений с плавающей точкой. В частности, в диапазоне от нуля до единицы.

Наиболее распространен неправильный способ получения случайного числа с плавающей точкой из функции rand() за счет деления результата ее выполнения на значение RAND_MAX, являющееся заданным системой верхним пределом случайного числа, возвращаемого функцией rand(). Этот подход неправильный потому, что у случайных целых чисел обычно меньшая точность, чем у чисел с плавающей запятой, поэтому некоторые значения с плавающей точкой никогда не будут получены.

Новые библиотечные средства позволяют легко получить случайное число с плавающей точкой. Достаточно определить объект типа uniform_real_distribution и позволить библиотеке соотнести случайные целые числа с числам с плавающей запятой. Подобно типу uniform_int_distribution, здесь также можно задать минимальные и максимальные значения при определении объекта:

default_random_engine е; // создает случайные беззнаковые целые числа

// однородное распределение от 0 до 1 включительно

uniform_real_distribution u(0,1);

for (size_t i = 0; i < 10; ++i)

 cout << u(e) << " ";

Этот код почти идентичен предыдущей программе, которая создавала беззнаковые значения. Но поскольку здесь использован другой тип распределения, данная версия дает другие результаты:

0.131538 0.45865 0.218959 0.678865 0.934693 0.519416 ...

Использование типа по умолчанию для результата распределения

За одним исключением, рассматриваемым в разделе 17.4.2, типы распределения являются шаблонами с одним параметром типа шаблона, представляющим тип создаваемых распределением чисел. Эти типы всегда создают либо тип с плавающей точкой, либо целочисленный тип.

У каждого шаблона распределения есть аргумент шаблона по умолчанию (см. раздел 16.1.3). Типы распределения, создающие значения с плавающей точкой, по умолчанию создают значения типа double. Распределения, создающие целочисленные результаты, используют по умолчанию тип int. Поскольку у типов распределения есть только один параметр шаблона, при необходимости использовать значение по умолчанию следует не забыть расположить за именем шаблона пустые угловые скобки, чтобы указать на применение типа по умолчанию (см. раздел 16.1.3):

// пустые <> указывают на использование

//  для результата типа по умолчанию

uniform_real_distribution<> u(0,1); // по умолчанию double

Создание чисел с неравномерным распределением

Кроме корректного создания случайных чисел в заданном диапазоне, новая библиотека позволяет также получить числа, распределенные неравномерно. Действительно, библиотека определяет 20 типов распределений! Эти типы перечисляются в разделе А.3.

Для примера создадим серию нормально распределенных значений и нарисуем полученное распределение. Поскольку тип normal_distribution создает числа с плавающей запятой, данная программа будет использовать функцию lround() из заголовка cmath для округления каждого результата до ближайшего целого числа. Создадим 200 чисел с центром в значении 4 и среднеквадратичным отклонением 1,5. Поскольку используется нормальное распределение, можно ожидать любых чисел, но приблизительно 1% из них будет в диапазоне от 0 до 8 включительно. Программа подсчитает, сколько значений соответствует каждому целому числу в этом диапазоне:

default_random_engine е;        // создает случайные целые числа

normal_distribution<> n(4,1.5); // середина 4, среднеквадратичное

                                // отклонение 1.5

vector vals(9);       // девять элементов со значением 0

for (size_t i = 0; i != 200; ++i) {

 unsigned v = lround(n(e));     // округление до ближайшего целого

 if (v < vals.size())           // если результат в диапазоне

  ++vals[v]; // подсчитать, как часто встречается каждое число

}

for (size_t j = 0; j != vals.size(); ++j)

 cout << j << ": " << string(vals[j], '*') << endl;

Начнем с определения объектов генератора случайных чисел и вектора vals. Вектор vals будет использован для расчета частоты создания каждого числа в диапазоне 0…9. В отличие от большинства других программ, использующих вектор, создадим его сразу с необходимым размером. Так, каждый его элемент инициализируется значением 0.

В цикле for происходит вызов функции lround(n(е)) для округления возвращенного вызовом n(е) значения до ближайшего целого числа. Получив целое число, соответствующее случайному числу с плавающей точкой, используем его для индексирования вектора счетчиков. Поскольку вызов n(е) может создавать числа и вне диапазона от 0 до 9, проверим полученное число на принадлежность диапазону прежде, чем использовать его для индексирования вектора vals. Если число принадлежит диапазону, увеличиваем соответствующий счетчик.

Когда цикл заканчивается, вывод содержимого вектора vals выглядит следующим образом:

0: ***

1: ********

2: ********************

3: **************************************

4: **********************************************************

5: ******************************************

6: ***********************

7: *******

8: *

Выведенные строки содержат столько звездочек, сколько раз встретилось соответствующее значение, созданное генератором случайных чисел. Обратите внимание: эта фигура не совершенно симметрична. Если бы она была симметрична, то возникли бы подозрения в качестве генератора случайных чисел.

Класс bernoulli_distribution

Как уже упоминалось, есть одно распределение, которое не получает параметр шаблона. Это распределение bernoulli_distribution, являющееся обычным классом, а не шаблоном. Это распределение всегда возвращает логическое значение true с заданной вероятностью. По умолчанию это вероятность .5.

В качестве примера распределения этого вида напишем программу, которая играет с пользователем. Игру начинает один из игроков (пользователь или программа). Чтобы выбрать первого игрока, можно использовать объект класса uniform_int_distribution с диапазоном от 0 до 1. В качестве альтернативы этот выбор можно сделать, используя распределение Бернулли. С учетом, что игру начинает функция play(), для взаимодействия с пользователем может быть использован следующий цикл:

string resp;

default_random_engine e; // e имеет состояние, поэтому располагается

                         // вне цикла!

bernoulli_distribution b; // по умолчанию четность 50/50

do {

 bool first = b(e); // если true, программа ходит первой

 cout << (first ? "We go first"

         : "You get to go first") << endl;

 // играть в игру, угадывая, кто ходит первым

 cout << ((play(first)) ? "sorry, you lost"

         : "congrats, you won") << endl;

 cout << "play again? Enter 'yes' or 'no'" << endl;

} while (cin >> resp && resp[0] == 'y');

Для повторного запроса на продолжение игры используем цикл do while (см. раздел 5.4.4).

Поскольку процессоры возвращают ту же последовательность чисел (см. раздел 17.4.1), их объявляют за пределами циклов. В противном случае при каждой итерации создавался бы новый процессор, выдающий каждый раз те же значения. Распределения также могут хранить состояние и также должны определяться вне циклов.

Одна из причин использования в этой программе распределения bernoulli_distribution заключается в том, что это предоставит программе лучший шанс пойти первой:

bernoulli_distribution b(.55); // предоставить программе небольшое

                               // преимущество

Такое определение b предоставит программе 55/45 шансов на первый ход.

Упражнения раздела 17.4.2

Упражнение 17.31. Что случилось бы в программе игры данного раздела, будь объекты b и е определены в цикле do?

Упражнение 17.32. Что случилось бы, будь строка resp определена в цикле?

Упражнение 17.33. Напишите версию программы преобразования слова из раздела 11.3.6, допускающую несколько преобразований для заданного слова и случайно выбирающую применяемое преобразование.

 

Глава 8 познакомила вас с базовой архитектурой и наиболее часто используемой частью библиотеки ввода-вывода. В этом разделе рассматриваются три более специализированных средства, поддерживаемых библиотекой ввода-вывода: управление форматом, не форматированный ввод-вывод и произвольный доступ.

 

17.5.1. Форматированный ввод и вывод

Кроме флага состояния (см. раздел 8.1.2), каждый объект iostream имеет также флаг формата, контролирующий подробности формата ввода и вывода. Флаг формата контролирует такие аспекты, как формат записи целочисленных значений, точность значений с плавающей запятой, ширина выводимого элемента и т.д.

Библиотека определяет набор перечисленных в табл. 17.17 и 17.18 манипуляторов (manipulator) (см. раздел 1.2), изменяющих флаг формата потока. Манипулятор — это функция или объект, влияющие на состояние потока и применяемые как операнд оператора ввода или вывода. Как и операторы ввода и вывода, манипулятор возвращает потоковый объект, к которому он применяется; таким образом, можно объединить манипуляторы и данные в один оператор.

Таблица 17.17. Манипуляторы, определенные в объекте iostream

*Означает стандартное состояние потока

Таблица 17.18. Манипуляторы, определенные в объекте iomanip

Ранее в программах уже использовался манипулятор endl, который "записывался" в поток вывода как будто это значение. Но манипулятор endl — не обычное значение; он выполняет операцию: выводит символ новой строки и сбрасывает буфер.

Большинство манипуляторов изменяет флаг формата

Манипуляторы используются для двух общих категорий управления выводом: контроль представления числовых значений, а также контроль количества и расположения заполнителей. Большинство манипуляторов, изменяющих флаг формата, предоставлены парами для установки и сброса; один манипулятор устанавливает флаг формата в новое значение, а другой сбрасывает его, восстанавливая стандартное значение.

Манипуляторы, изменяющие флаг формата потока, обычно оставляют флаг формата измененным для всего последующего ввода-вывода.

Тот факт, что манипулятор вносит постоянное изменение во флаг формата, может оказаться полезным, когда имеется ряд операций ввода-вывода, использующих одинаковое форматирование. Действительно, некоторые программы используют эту особенность манипуляторов для изменения поведения одного или нескольких правил форматирования ввода или вывода. В таких случаях факт изменения потока является желательным.

Но большинство программ (и что еще важней, разработчиков) ожидают, что состояние потока будет соответствовать стандартным библиотечным значениям. В этих случаях оставленный в нестандартном состоянии поток может привести к ошибке. В результате обычно лучше отменить изменение состояния, как только оно больше не нужно.

Контроль формата логических значений

Хорошим примером манипулятора, изменяющего состояние формата своего объекта, является манипулятор boolalpha. По умолчанию значение типа bool выводится как 1 или 0. Значение true выводится как целое число 1, а значение false как 0. Это поведение можно переопределить, применив к потоку манипулятор boolalpha:

cout << "default bool values: " << true << " " << false

     << "\nalpha bool values: " << boolalpha

     << true << " " << false << endl;

Эта программа выводит следующее:

default bool values: 1 0

alpha bool values: true false

Как только манипулятор boolalpha "записан" в поток cout, способ вывода логических значений изменяется. Последующие операции вывода логических значений отобразят их как "true" или "false".

Чтобы отменить изменение флага формата потока cout, применяется манипулятор noboolalpha:

bool bool_val = get_status();

cout << boolalpha    // устанавливает внутреннее состояние cout

     << bool_val

     << noboolalpha; // возвращает стандартное внутреннее состояние

Здесь формат вывода логических значений изменен только для вывода значения bool_val. Как только это значение будет выведено, поток немедленно возвращается в первоначальное состояние.

Определение базы целочисленных значений

По умолчанию целочисленные значения выводятся и читаются в десятичном формате. Используя манипуляторы hex, oct и dec, базу записи числа можно изменить на восьмеричную, шестнадцатеричную и обратно на десятичную базу:

cout << "default: " << 20 << " " << 1024 << endl;

cout << "octal: " << oct << 20 << " " << 1024 << endl;

cout << "hex: " << hex << 20 << " " << 1024 << endl;

cout << "decimal: " << dec << 20 << " " << 1024 << endl;

После компиляции и запуска на выполнение эта программа выводит следующее:

default: 20 1024

octal: 24 2000

hex: 14 400

decimal: 20 1024

Обратите внимание, как и манипулятор boolalpha, эти манипуляторы изменяют флаг формата. Они срабатывают сразу после применения и влияют на весь последующий вывод целочисленных значений, пока формат не изменит применение другого манипулятора.

Манипуляторы hex, oct и dec влияют на вывод только целочисленных операндов, но не значений с плавающей запятой.

Индикация базы числа в выводе

По умолчанию при выводе числа нет никакого визуального уведомления об используемой базе. Например, 20 — это действительно 20, или восьмеричное представление числа 16? Когда числа выводятся в десятичном режиме, они отображаются, как и ожидается. Если необходимо выводить восьмеричные или шестнадцатеричные значения, вероятней всего, придется использовать также манипулятор showbase. Он заставляет поток вывода использовать те же соглашения, что и при определении базы целочисленных констант.

• Предваряющий 0x означает шестнадцатеричный формат.

• Предваряющий 0 означает восьмеричный формат.

• Отсутствие любого индикатора означает десятичное число.

Здесь предыдущая программа пересмотрена для использования манипулятора showbase:

cout << showbase; // отображать базу при выводе целочисленных значений

cout << "default: " << 20 << " " << 1024 << endl;

cout << "in octal: " << oct << 20 << " " << 1024 << endl;

cout << "in hex: " << hex << 20 << " " << 1024 << endl;

cout << "in decimal: " << dec << 20 << " " << 1024 << endl;

cout << noshowbase; // возвратить состояние потока

Вывод пересмотренной программы проясняет смысл:

default: 20 1024

in octal: 024 02000

in hex: 0x14 0x400

in decimal: 20 1024

Манипулятор noshowbase возвращает поток cout в прежнее состояние, когда индикатор базы не отображается.

По умолчанию шестнадцатеричные значения выводятся в нижнем регистре с x, также в нижним регистре. Манипулятор uppercase позволяет отобразить X и шестнадцатеричные цифры a-f в верхнем регистре:

cout << uppercase << showbase << hex

     << "printed in hexadecimal: " << 20 << " " << 1024

     << nouppercase << noshowbase << dec << endl;

Этот оператор создает следующий вывод:

printed in hexadecimal: 0X14 0X400

Манипуляторы nouppercase, noshowbase и dec применяются для возвращения потока в исходное состояние.

Контроль формата значений с плавающей точкой

Контролировать можно три аспекта вывода числа с плавающей запятой.

• Количество выводимых цифр точности.

• Выводится ли число в шестнадцатеричном формате, как фиксированное десятичное число или в экспоненциальном представлении.

• Выводится ли десятичная точка для целочисленных значений с плавающей запятой.

По умолчанию значения с плавающей запятой выводятся с шестью цифрами точности; десятичная точка не отображается при отсутствии дробной части; в зависимости от величины значения используется фиксированный десятичный формат или экспоненциальная форма. Библиотека выбирает формат, увеличивающий удобочитаемость числа. Очень большие и очень маленькие значения выводятся в экспоненциальном представлении. Другие значения выводятся в фиксированном десятичном формате.

Определение точности

По умолчанию точность контролирует общее количество отображаемых цифр. При выводе значение с плавающей запятой округляется (а не усекается) до текущей точности. Таким образом, если текущая точность четыре, то число 3.14159 становится 3.142; если точность три, то оно выводится как 3.14.

Для изменения точности можно воспользоваться функцией-членом precision() объекта ввода-вывода или манипулятором setprecision. Функция-член precision() перегружена (см. раздел 6.4). Одна ее версия получает значение типа int и устанавливает точность в это новое значение. Она возвращает предыдущее значение точности. Другая версия не получает никаких аргументов и возвращает текущее значение точности. Манипулятор setprecision получает аргумент, который и использует для установки точности.

Манипулятор setprecision и другие манипуляторы, получающие аргументы, определяются в заголовке iomanip.

Следующая программа иллюстрирует различные способы контроля точности при выводе значения с плавающей точкой:

// cout.precision() сообщает текущее значение точности

cout << "Precision: " << cout.precision()

     << ", Value: " << sqrt(2.0) << endl;

// cout.precision (12) запрашивает вывод 12 цифр точности

cout.precision(12);

cout << "Precision: " << cout.precision()

     << ", Value: " << sqrt(2.0) << endl;

// альтернативный способ установки точности с использованием

// манипулятора

setprecision cout << setprecision(3);

cout << "Precision: " << cout.precision()

     << ", Value: " << sqrt(2.0) << endl;

Эта программа выводит следующее:

Precision: 6, Value: 1.41421

Precision: 12, Value: 1.41421356237

Precision: 3, Value: 1.41

Программа использует библиотечную функцию sqrt(), определенную в заголовке cmath. Функция sqrt() перегружена и может быть вызвана с аргументами типа float, double или long double. Она возвращает квадратный корень своего аргумента.

Определение формы записи чисел с плавающей запятой

Если нет реальной необходимости контролировать представление числа с плавающей запятой (например, для вывода данных в столбик, отображения денежных данных или процентов), лучше позволить библиотеке выбирать форму записи самостоятельно.

Используя соответствующий манипулятор, можно заставить поток использовать научную, фиксированную или шестнадцатеричную форму записи. Манипулятор scientific задает использование экспоненциального представления. Манипулятор fixed задает использование фиксированных десятичных чисел.

Новая библиотека позволяет выводить значения с плавающей точкой в шестнадцатеричном формате при помощи манипулятора hexfloat. Новая библиотека предоставляет еще один манипулятор, defaultfloat. Он возвращает поток в стандартное состояние, при котором выбор формы записи осуществляется на основании выводимого значения.

Эти манипуляторы изменяют также заданное для потока по умолчанию значение точности. После применения манипуляторов scientific, fixed или hexfloat значение точности контролирует количество цифр после десятичной точки. По умолчанию точность определяет количество цифр до и после десятичной точки. Манипуляторы fixed и scientific позволяют выводить числа, выстроенные в столбцы, с десятичной точкой в фиксированной позиции относительно дробной части:

cout << "default format: " << 100 * sqrt(2.0) << '\n'

     << "scientific: " << scientific << 100 * sqrt(2.0) << '\n'

     << "fixed decimal: " << fixed << 100 * sqrt(2.0) << '\n'

     << "hexadecimal: " << hexfloat << 100 * sqrt(2.0) << '\n'

     << "use defaults: " << defaultfloat << 100 * sqrt(2.0)

     << "\n\n";

Получается следующий вывод:

default format: 141.421

scientific: 1.414214e+002

fixed decimal: 141.421356

hexadecimal: 0x1.1ad7bcp+7

use defaults: 141.421

По умолчанию шестнадцатеричные цифры и символ е, используемый в экспоненциальном представлении, выводятся в нижнем регистре. Манипулятор uppercase позволяет выводить эти значения в верхнем регистре.

Вывод десятичной точки

По умолчанию, когда дробная часть значения с плавающей точкой равна 0, десятичная точка не отображается. Манипулятор showpoint требует отображать десятичную точку всегда:

cout << 10.0 << endl;        // выводит 10

cout << showpoint << 10.0    // выводит 10.0000

     << noshowpoint << endl; // возвращает стандартный формат

                             //  десятичной точки

Манипулятор noshowpoint восстанавливает стандартное поведение. У вывода следующих выражений будет стандартное поведение, подразумевающее отсутствие десятичной точки, если дробная часть значения с плавающей точкой отсутствует.

Дополнение вывода

При выводе данных в столбцах зачастую необходим довольно подробный контроль над форматированием данных. Библиотека предоставляет несколько манипуляторов, обеспечивающих контроль, который может понадобиться.

• Манипулятор setw задает минимальное пространство для следующего числового или строкового значения.

• Манипулятор left выравнивает текст по левому краю вывода.

• Манипулятор right выравнивает текст по правому краю (принято по умолчанию).

• Манипулятор internal контролирует положение знака отрицательных значений. Выравнивает знак по левому краю, а значение по правому, дополняя пространство между ними пробелами.

• Манипулятор setfill позволяет задать альтернативный символ для дополнения вывода. По умолчанию принят пробел.

Манипуляторы setw и endl не изменяют внутреннее состояние потока вывода. Они определяют только последующий вывод.

Эти манипуляторы иллюстрирует следующая программа:

int i = -16;

double d = 3.14159;

// дополняет первый столбец, обеспечивая минимум 12 позиций вывода

cout << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n'

     << "d: " << setw(12) << d << "next col" << '\n';

// дополняет первый столбец и выравнивает все столбцы по левому краю

cout << left

     << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n'

     << "d: " << setw(12) << d << "next col" << '\n'

     << right; // восстанавливает стандартное выравнивание

// дополняет первый столбец и выравнивают все столбцы по правому краю

cout << right

     << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n'

     << "d: " << setw(12) << d << "next col" << '\n';

// дополняет первый столбец и помещает дополнение в поле

cout << internal

     << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n'

     << "d: " << setw(12) << d << "next col" << '\n';

// дополняет первый столбец, используя символ # как заполнитель

cout << setfill('#')

     << "i: " << setw(12) << i << "next col" << '\n'

     << "d: " << setw(12) << d << "next col" << '\n'

     << setfill(' '); // восстанавливает стандартный символ заполнения

Вывод этой программы таков:

i:          -16next col

d:      3.14159next col

i: -16         next col

d: 3.14159     next col

i:          -16next col

d:      3.14159next col

i: -         16next col

d:      3.14159next col

i: -#########16next col

d: #####3.14159next col

Контроль формата ввода

По умолчанию операторы ввода игнорируют символы отступа (пробел, табуляция, новая строка, новая страница и возврат каретки).

char ch;

while (cin >> ch)

 cout << ch;

Этот цикл получает следующую исходную последовательность:

a b     с

d

Он выполняется четыре раза, читая символы от а до d, пропуская промежуточные пробелы, возможные символы табуляции и новой строки. Вывод этой программы таков:

abcd

Манипулятор noskipws заставляет оператор ввода читать, не игнорируя отступ. Для возвращения к стандартному поведению применяется манипулятор skipws:

cin >> noskipws; // установить cin на чтение отступа

while (cin >> ch)

 cout << ch;

cin >> skipws; // возвратить cin к стандартному игнорированию отступа

При том же вводе этот цикл делает семь итераций, читая отступы как символы во вводе. Его вывод таков:

a b     с

d

Упражнения раздела 17.5.1

Упражнение 17.34. Напишите программу, иллюстрирующую использование каждого манипулятора из табл. 17.17 и 17.18.

Упражнение 17.35. Напишите версию программы вывода квадратного корня, но выводящую на сей раз шестнадцатеричные цифры в верхнем регистре.

Упражнение 17.36. Измените программу из предыдущего упражнения так, чтобы различные значения с плавающей точкой выводились в столбце.

 

17.5.2. Не форматированные операции ввода-вывода

До сих пор в программах использовались только операции форматированного ввода-вывода (formatted IO). Операторы ввода и вывода (<< и >>) форматируют читаемые и выводимые данные согласно их типу. Операторы ввода игнорируют отступ; операторы вывода применяют дополнение, точность и т.д.

Библиотека предоставляет также набор низкоуровневых функций не форматированного ввода-вывода (unformatted IO). Эти функции позволяют работать с потоком как с последовательностью неинтерпретируемых байтов.

Однобайтовые операции

Некоторые из не форматированных операций имеют дело с обработкой потока по одному байту за раз. Они описаны в табл. 17.19 и читают данные, не игнорируя отступ. Например, функции не форматированного ввода-вывода get() и put() позволяют читать и записывать символы по одному:

char ch;

while (cin.get(ch))

 cout.put(ch);

Эта программа сохраняет отступ во вводе. Ее вывод идентичен вводу. Она работает так же, как и предыдущая программа, использовавшая манипулятор noskipws.

Таблица 17.19. Однобайтовые низкоуровневые функции ввода-вывода

Возвращение во входной поток

Иногда необходимо читать отдельные символы так, чтобы знать, к чему быть готовым. В таких случаях символы желательно возвращать в поток. Библиотека предоставляет три способа сделать это, и у каждого из них есть свои отличия.

• Функция peek() возвращает копию следующего символа во входном потоке, но не изменяет поток. Возвращенное значение остается в потоке.

• Функция unget() создает резервную копию входного потока, чтобы независимо от того, какое значение было последним возвращенным, оно все еще оставалось в потоке. Функцию unget() можно вызвать, даже не зная, какое значение было извлечено из потока последним.

• Функция putback() — это более специализированная версия функции unget(): она возвращает последнее прочитанное из потока значение, но получает аргумент, который должен совпадать с последним прочитанным значением.

Таким образом, они гарантируют возможность вернуть в поток как минимум одно значение перед следующим чтением. Следовательно, гарантированно не получится вызвать функции putback() или unget() последовательно, без промежуточной операции чтения.

Возвращение значения типа int из операций ввода

Функция peek() и версия функции get() без аргументов возвращают прочитанный символ из входного потока как значение типа int. Этот факт может удивить; казалось бы, более естественным было бы возвращение типа char.

Причина возвращения этими функциями типа int в том, чтобы позволить им возвратить маркер конца файла. Полученный набор символов позволяет использовать каждое значение в диапазоне типа char и представлять фактические символы. Но в этом диапазоне нет никакого специального значения для представления конца файла.

Функции, возвращающие тип int, преобразуют возвращаемый символ в тип unsigned char, а затем преобразуют это значение в тип int. В результате, даже если в наборе символов будут символы, соответствующие отрицательным значениям, возвращенный этими функциями тип int будет иметь положительное значение (см. раздел 2.1.2). Библиотека использует отрицательное значение для представления конца файла, гарантируя таким образом его отличие от любого настоящего символьного значения. Чтобы не обязывать разработчиков знать фактическое возвращаемое значение, заголовок iostream определяет константу EOF, которую можно использовать для проверки, не является ли возвращенное функцией get() значение концом файла. Вот почему для содержания значения, возвращаемого этими функциями, используется переменная типа int.

int ch; // возвращаемое fromget() значение содержится в int, а не char

// цикл чтения и записи всех данных во вводе

while ((ch = cin.get()) != EOF)

 cout.put(ch);

Эта программа работает так же, как и прежняя, но здесь для чтения ввода используется функция get().

Внимание! Низкоуровневые функции подвержены ошибкам

Обычно рекомендуется использовать высокоуровневые абстракции, предоставляемые библиотекой. Функции ввода-вывода, возвращающие значение типа int , являются хорошим подтверждением правильности этой рекомендации.

Обычной ошибкой программирования является присвоение значения,возвращаемого функцией get() или peek() , возвращающей тип int , переменной типа char , а не int . Это, безусловно, будет ошибкой, но компилятор ее не обнаружит. То, что произойдет в результате этой ошибки, зависит от конкретной машины и введенных данных. Например, если машина интерпретирует символ как беззнаковое целое число, приведенный ниже цикл окажется бесконечным.

char ch; // применение типа char здесь приведет к катастрофе!

// значение, возвращенное функцией get() объекта с in,

// преобразуется из int в char, а затем сравнивается с int

while ((ch = cin.get()) != EOF)

 cout.put(ch);

Проблема в том, что когда функция get() возвращает значение EOF , оно преобразуется в беззнаковое значение типа unsigned char . Это преобразованное значение не будет равно целочисленному значению EOF , поэтому цикл не закончится никогда. Такие ошибки обычно обнаруживаются при проверке.

Но нельзя быть уверенным в том, что на тех машинах, где символы интерпретируются как знаковый топ, поведение цикла будет аналогичным. Ведь результат переполнения переменной беззнакового типа зависит от компилятора. На большинстве машин этот цикл будет работать нормально, если только во вводимых данных не встретится символ, соответствующий значению EOF . Поскольку в обычных данных такие символы маловероятны, низкоуровневые операторы ввода-вывода могут пригодиться при чтении только бинарных значений, которые не соответствуют непосредственно обычным символам и числовым значениям. На машине автора, например, цикл преждевременно завершается в случае ввода символа, значением которого является '\377' . Когда значение '\377' на машине автора преобразуется в тип signed char , получается значение -1. Если во введенных данных встретится это значение, оно будет рассматриваться как символ (преждевременного) конца файла.

При чтении и записи типизированных значений такие ошибки не возникают. Поэтому по возможности следует использовать предоставляемые библиотекой высокоуровневые операторы, что гораздо безопасней.

Многобайтовые операции

Некоторые операции не форматированного ввода-вывода работают с порциями данных за раз. Эти операции могут быть полезны, если важна скорость, но, как и другие низкоуровневые операции, они подвержены ошибкам. В частности эти операции требуют резервирования и управления символьными массивами (см. раздел 12.2), используемыми для сохранения и возвращения данных. Многобайтовые операции перечислены в табл. 17.20.

Таблица 17.20. Многобайтовые низкоуровневые операции ввода-вывода

Функции get() и getline() имеют схожие, но не идентичные параметры. В каждом случае sink — это символьный массив, в который помещаются данные. Обе функции читают, пока не будет выполнено одно из следующих условий:

• Прочитано size - 1 символов.

• Встретился конец файла.

• Встретился символ разделения.

Эти функции отличаются обработкой разделителя: функция get() оставляет разделитель как следующий символ потока istream, а функция getline() читает и отбрасывает разделитель. В любом случае разделитель не сохраняется в массиве sink.

Весьма распространенная ошибка: намереваться удалить разделитель из потока, но забыть сделать это.

Определение количества читаемых символов

Некоторые из операций читают из ввода неизвестное количество байтов. Для определения количества символов, прочитанных последней операцией не форматированного ввода, можно вызвать функцию gcount(). Имеет смысл вызывать функцию gcount() перед любым вмешательством в операции не форматированного ввода. В частности, операции с единичными символами, возвращающими их в поток, также являются операциями не форматированного ввода. Если функции peek(), unget() или putback() будут вызваны перед вызовом функции gcount(), то будет возвращено значение 0.

Упражнения раздела 17.5.2

Упражнение 17.37. Используйте не форматированную версию функции getline() для чтения файла по строке за раз. Проверьте программу на примере файла с пустыми строками, а также со строками, длинна которых больше символьного массива, переданного функции getline().

Упражнение 17.38. Дополните программу из предыдущего упражнения так, чтобы выводить каждое прочитанное слово в отдельной строке.

 

17.5.3. Произвольный доступ к потоку

Некоторые из потоковых классов обеспечивают произвольный доступ к данным связанного с ними потока. Положение в потоке можно изменить так, чтобы прочитать сначала последнюю строку, затем первую и т.д. Для установки (seek) необходимой позиции и сообщения (tell) текущей позиции в потоке библиотека предоставляет пару функций.

Произвольный доступ для чтения и записи напрямую зависит от системы. Чтобы выяснить способ применения этой возможности, следует обратиться к документации на систему.

Хотя функции seek() и tell() определены для всех потоковых классов, возможные для них действия определяются видом объекта, с которым связан поток. В большинстве систем поток, с которым связан потоковый объект cin, cout, cerr или clog, не обеспечивает возможности произвольного доступа — в конце концов, как можно перейти на десять позиций обратно, если запись осуществляется непосредственно в объект cout? Применить функции seek() и tell(), конечно, можно, но во время выполнения это приведет к ошибке и переходу потока в недопустимое состояние.

Поскольку классы istream и ostream обычно не обеспечивают произвольного доступа, в остальной части этого раздела речь идет только о классах fstream и sstream.

Функции установки и сообщения

Для обеспечения произвольного доступа типы ввода-вывода обладают маркером (marker), который указывает позицию следующей операции чтения или записи. Они обладают также двумя функциями: одна устанавливает (seek) маркер в новую позицию, а вторая сообщает (tell) текущую позицию маркера. Фактически в библиотеке определены две пары функций установки и сообщения, которые описаны в табл. 17.21. Одна пара функций используется потоками ввода, а вторая — потоками вывода. Версии для ввода и вывода различаются суффиксом. Суффикс g (getting) означает получение данных (чтение), а суффикс p (putting) — помещение данных (запись).

Таблица 17.21. Функции установки и сообщения

Вполне логично, что для класса istream, а также производных от него классов ifstream и istringstream (см. раздел 8.1) можно использовать только версии g, а для классов ostream и классов ofstream и ostringstream, производных от него, можно использовать только версии p. Классы iostream, fstream и stringstream способны читать и записывать данные в поток, поэтому для них можно использовать обе версии, g и p.

Существует только один маркер

Тот факт, что библиотека различает версии функций seek() и tell() для чтения и записи, может ввести в заблуждение. Хотя библиотека и различает эти функции, в файле существует только один маркер, т.е. нет разных маркеров для чтения и записи.

Когда речь идет о потоке только ввода или вывода, различие не столь очевидно. В таких потоках можно использовать версии только g или p. Если попытаться вызвать функцию tellp() для объекта класса ifstream, компилятор сообщит об ошибке. Аналогично он поступит при попытке вызвать функцию seekg() для объекта класса ostringstream.

Типы fstream и stringstream допускают чтение и запись в тот же поток. У них есть один буфер для хранения подлежащих чтению и записи данных, а также один маркер, обозначающий текущую позицию в буфере. Библиотечные функции версий g и p используют тот же маркер позиции.

Поскольку существует только один маркер, для переустановки маркера при каждом переключении между чтением и записью следует применять функцию seek().

Перемещение маркера

Имеются две версии функции установки позиции: одна обеспечивает переход к указанной позиции в файле, а другая осуществляет смещение от текущей позиции.

// установка маркера в заданную позицию

seekg(new_position); // установить маркер чтения в позицию pos_type

seekp(new_position); // установить маркер записи в позицию pos_type

// смещение позиции на указанную дистанцию от текущей

seekg(offset, from); // установить дистанцию смещения маркера чтения

seekp(offset, from); // от from; offset имеет тип off_type

Возможные значения параметра from перечислены в табл. 17.21.

Аргументы new_position и offset этих функций имеют машинно-зависимые типы pos_type и off_type соответственно. Они определены в классах istream и ostream. Тип pos_type представляет позицию файла, а тип off_type — смещение от этой позиции. Значение типа off_type может быть положительным или отрицательным, что соответствует смещению вперед или назад.

Доступ к маркеру

Функции tellg() и tellp() возвращают значение типа pos_type, обозначающее текущую позицию в потоке. Эти функции обычно используются для того, чтобы запомнить позицию и впоследствии вернуться к ней:

// запомнить текущую позицию записи в переменную mark

ostringstream writeStr; // поток вывода в строку

ostringstream::pos_type mark = writeStr.tellp();

// ...

if (cancelEntry)

 // возврат к отмеченной позиции

 writeStr.seekp(mark);

Чтение и запись в тот же файл

Рассмотрим пример программы, которая читает файл и записывает в его конец новую строку, содержащую относительную позицию начала каждой строки. Предположим, например, что работать придется со следующим файлом.

Abcd

efg

hi

j

Модифицированный программой файл должен выглядеть следующим образом.

Abcd

efg

hi

j

5 9 12 14

Обратите внимание: программа не записывает смещение для первой строки, она всегда начинается с позиции 0. Обратите также внимание на то, что смещения должны также учитывать невидимый символ новой строки, завершающий каждую строку. И наконец, последнее число в выводе — смещение для строки, с которой начинается вывод. При включении этого смещения в вывод можно отличить свой вывод от первоначального содержимого файла. Можно прочитать последнее число в полученном файле и установить смещение так, чтобы получить позицию начала вывода.

Наша программа будет читать файл построчно. Для каждой строки значение счетчика будет увеличиваться на размер только что прочитанной строки. Этот счетчик содержит смещение, с которого начинается следующая строка:

int main() {

 // открыть файл для ввода и вывода, а затем перейти в его конец

 // аргументы режима файла приведены в табл. 8.4

 fstream inOut("copyOut",

  fstream::ate | fstream::in | fstream::out);

 if (!inOut) {

  cerr << "Unable to open file!" << endl;

  return EXIT_FAILURE; // EXIT_FAILURE см. p. 6.3.2

 }

 // inOut открыт в режиме ate, поэтому исходной позицией файла будет

 // его конец

 auto end_mark = inOut.tellg(); // запомнить позицию первоначального

                                // конца файла

 inOut.seekg(0, fstream::beg);  // перейти к началу файла

 size_t cnt = 0;                // счетчик количества байтов

 string line;                   // содержит каждую строку ввода

 // пока нет ошибки и исходные данные читаются

 while (inOut && inOut.tellg() != end_mark

        && getline(inOut, line)) { // и можно получить следующую строку

  cnt += line.size() + 1;          // добавить 1 для новой строки

  auto mark = inOut.tellg();       // запомнить позицию чтения

  inOut.seekp(0, fstream::end);    // установить маркер записи в конец

  inOut << cnt;                    // записать общую длину

  // вывести разделитель, если это не последняя строка

  if (mark != end_mark) inOut << " ";

  inOut.seekg(mark); // восстановить позицию чтения

 }

 inOut.seekp(0, fstream::end); // перейти к концу

 inOut << "\n"; // вывести символ новой строки в конце файла

 return 0;

}

Эта программа открывает поток fstream в режимах in, out и ate (см. табл. 8.4). Первые два режима означают, что предполагается чтение и запись в тот же файл. Режим ate означает, что начальной позицией открытого файла будет его конец. Как обычно, необходимо удостовериться, что файл открыт корректно, если это не так, следует выйти из программы (см. раздел 6.3.2).

Поскольку программа пишет в свой исходный файл, нельзя использовать конец файла как признак прекращения чтения. Цикл должен закончиться по достижении конца первоначального ввода. В результате сначала следует запомнить первоначальную позицию конца файла. Так как файл открыт в режиме ate, поток inOut уже установлен в конец. Сохраним текущую (т.е. первоначальную) позицию конца файла в переменной end_mark. Запомнив конечную позицию, маркер чтения следует установить в начало файла, чтобы можно было приступить к чтению данных.

Цикл while имеет три условия выхода: сначала проверяется допустимость потока; если это так, то проверяется, не достигнут ли конец исходных данных. Для этого текущая позиция чтения, возвращаемая функцией tellg(), сравнивается с позицией, заранее сохраненной в переменной end_mark. И наконец, если обе проверки пройдены успешно, происходит вызов функции getline(), которая читает следующую строку из файла. Если вызов функции getline() успешен, выполняется тело цикла.

Тело цикла начинается с запоминания текущей позиции в переменной mark. Она сохраняется для возвращения после записи следующего относительного смещения. Вызов функции seekp() переводит маркер записи в конец файла. Выводится значение счетчика, а затем функция seekg() возвращается к позиции, сохраненной в переменной mark. Восстановив положение маркера, можно снова проверить условие выхода из цикла while.

Каждая итерация цикла выводит смещение следующей строки. Поэтому последняя итерация цикла заботится о записи смещения последней строки. Однако в конец файла следует еще записать символ новой строки. Как и в других случаях записи, для позиционирования в конец файла перед выводом новой строки происходит вызов функции seekp().

Упражнения раздела 17.5.3

Упражнение 17.39. Напишите собственную версию программы, представленной в этом разделе.

 

Обработка исключений (exception handling) позволяет независимо разработанным частям программы взаимодействовать и решать проблемы, возникающие во время выполнения. Исключения позволяют отделять код обнаружения проблемы от кода ее решения. Часть программы, ответственная за обнаружение проблемы, может передать информацию о возникшей ситуации другой части программы, которая специально предназначена для решения подобных проблем.

Основы концепции применения исключений в языке С++ представлены в разделе 5.6. В данном разделе эта тема рассматривается подробней. Эффективное использование обработки исключений требует понимания происходящего при передаче исключения, его обработки и смысла объектов, сообщающих о том, что пошло не так.

 

18.1.1. Передача исключений

В языке С++ исключение передается (raise) выражением throw (передача исключения). Тип выражения throw, вместе с текущей цепочкой вызова, определяет, какой обработчик (handler) будет обрабатывать исключение. Выбирается ближайший обработчик в цепочке вызовов, соответствующий типу переданного объекта. Тип и содержимое этого объекта позволяют передающей части программы сообщать обрабатывающей части о том, что пошло не так.

Когда выполняется оператор throw, расположенные после него выражения игнорируются. Оператор throw передает управление соответствующему блоку catch. Блок catch может быть локальным для той же функции или функции, непосредственно или косвенно вызвавшей ту, в которой произошла ошибка, приведшая к передаче исключения. Тот факт, что управление передается из одного места в другое, имеет два важных следствия.

• Функции можно преждевременно покидать по цепочке вызовов.

• По достижении обработчика созданные цепочкой вызова объекты будут уничтожены.

Поскольку операторы после оператора throw не выполняются, он похож на оператор return: он обычно является частью условного оператора или последним (или единственным) оператором функции.

Прокрутка стека

При передаче исключения выполнение текущей функции приостанавливается и начинается поиск соответствующей директивы catch. Поиск начинается с проверки того, расположен ли оператор throw непосредственно в блоке try (try block). Если это так, проверяется соответствие переданного объекта одному из обработчиков того блока catch, с которым связан данный блок try. Если соответствие в блоке catch найдено, исключение обрабатывается. В противном случае осуществляется выход из текущей функции, ее память освобождается, а локальные объекты удаляются. Затем поиск продолжается в вызывающей функции.

Если обращение к передавшей исключение функции находится в блоке try, проверяются обработчики того блока catch, который связан с ним. Если соответствие найдено, исключение обрабатывается. В противном случае осуществляется выход и из вызывающей функции, а поиск продолжается в той функции, которая вызвала ее, и так далее.

Этот процесс, известный как прокрутка стека (stack unwinding), продолжается по цепи обращений вложенных функций до тех пор, пока не будет найден соответствующий исключению обработчик catch, а если он найден не будет, то до конца функции main().

Как только способный обрабатывать исключение блок catch будет найден, выполнение продолжится в этом обработчике. По завершении работы обработчика выполнение продолжится с точки, расположенной непосредственно после последней директивы блока catch.

Если соответствующий блок catch не найден, программа завершает работу. Исключения предназначены для событий, препятствующих нормальному продолжению выполнения программы. Поэтому переданное исключение не может остаться необработанным. Если соответствующий блок catch не найден, программа вызывает библиотечную функцию terminate(), которая прекращает выполнение программы.

Необработанное исключение завершает программу.

Объекты автоматически удаляются при прокрутке стека

В ходе прокрутки стека происходит преждевременный выход из функции, содержащей оператор throw, а возможно, и из других функций по цепи обращений. Как правило, функции создают локальные объекты, которые при выходе из функции удаляются. При выходе из функции в связи с передачей исключения компилятор гарантирует правильное удаление локальных объектов. Когда завершается работа любой функции, ее локальное хранилище освобождается. Перед освобождением памяти удаляются все локальные объекты, которые были созданы до передачи исключения. Если локальный объект имеет тип класса, для него автоматически вызывается деструктор. Как обычно, для удаления объектов встроенного типа компилятор ничего не делает.

Если исключение происходит в конструкторе, значит, объект находится еще на стадии создания и может быть закончен только частично. Некоторые из его членов, возможно, уже инициализированы, а другие, возможно, нет. Даже если объект создан только частично, следует гарантировать корректное удаление составляющих его членов.

Точно так же исключение могло бы произойти во время инициализации элементов массива или контейнера библиотечного типа. Корректное удаление элементов, созданных прежде, чем произошло исключение, также следует гарантировать.

Деструкторы и исключения

Тот факт, что деструктор запущен, но код в функции, освобождающий ресурс, может быть пропущен, влияет на структуру создаваемых программ. Как упоминалось в разделе 12.1.4, если блок резервирует ресурс, а исключение происходит перед кодом, который его освобождает, освобождающий ресурс код не будет выполнен. С другой стороны, ресурсы, распределенные объектом класса, обычно освобождаются их деструктором. Использование классов для контроля резервирования ресурсов гарантирует правильность их освобождаются, если функция завершается нормально или в результате исключения.

Факт запуска деструктора во время прокрутки стека влияет на то, как следует создавать деструкторы. Во время прокрутки стека исключение уже передано, но еще не обработано. Если во время прокрутки стека передается новое исключение и не обрабатывается в передавшей его функции, то вызывается функция terminate(). Поскольку деструкторы могут быть вызваны во время прокрутки стека, они никогда не должны передавать исключений, которые не обрабатывает сам деструктор. Таким образом, если деструктор выполняет операцию, которая могла бы передать исключение, он должен заключить ее в блок try и обработать локально в деструкторе.

На практике, поскольку деструкторы освобождают ресурсы, маловероятно, что они передадут исключения. Все типы стандартной библиотеки гарантируют, что их деструкторы не будут передавать исключение.

Во время прокрутки стека для локальных объектов классов выполняются деструкторы. Поскольку деструкторы выполняются автоматически, они не должны передавать исключений. Если во время прокрутки стека деструктор передаст исключение, которое он не обрабатывает, то программа будет завершена.

Объект исключения

Компилятор использует выражения передачи исключения для инициализации копией (см. раздел 13.1.1) специального объекта известного как объект исключения (exception object). В результате, у выражения в блоке throw должен быть полный тип (см. раздел 7.3.3). Кроме того, если у выражения тип класса, то его деструктор, конструктор копий и конструктор перемещения должны быть доступны. Если выражение имеет тип массива или функции, выражение преобразовывается в соответствующий ему тип указателя.

Объект исключения располагается в управляемой компилятором области памяти, которая будет гарантировано доступна для любого обработчика. Объект исключения удаляется после того, как исключение будет полностью обработано.

Как уже упоминалось, при передаче исключения осуществляется выход из всех блоков по цепочке вызовов, пока не будет найден соответствующий обработчик. При выходе из блока вся память, используемая его локальными объектами, освобождается. В результате передача указателя на локальный объект почти наверняка будет ошибкой. Причина этой ошибки та же, что и у ошибки возвращения из функции указателя на локальный объект (см. раздел 6.3.2). Если указатель указывает на объект в блоке, выход из которого осуществляется перед обработчиком, то этот локальный объект будет удален до обработчика.

При передаче исключения его выражение определяет статический тип (тип времени компиляции) (см. раздел 15.2.3) объекта исключения. Этот момент важно иметь в виду, поскольку большинство приложений передают исключения, тип которых исходит из иерархии наследования. Если выражение throw обращается к значению указателя на тип базового класса и этот указатель указывает на объект производного класса, то переданный объект отсекается (см. раздел 15.2.3) и передается только часть базового класса.

Передача указателя требует, чтобы объект, на который указывает указатель, существовал на момент выполнения соответствующего обработчика.

Упражнения раздела 18.1.1

Упражнение 18.1. Каков тип объекта исключения в следующих операторах throw?

(a) range_error r("error"); (b) exception *p = &r;

    throw r;                    throw *p;

Что было бы, будь оператор throw в случае (b) написан как throw p?

Упражнение 18.2. Объясните, что случится, если исключение произойдет в указанном месте:

void exercise(int *b, int *e) {

 vector v(b, e);

 int *p = new int[v.size()];

 ifstream in("ints");

 // исключение происходит здесь

}

Упражнение 18.3. Существуют два способа исправить предыдущий код. Опишите и реализуйте их.

 

18.1.2. Обработка исключения

Объявление исключения (exception declaration) в директиве catch (catch clause) выглядит как список параметров функции, только с одним параметром. Как и в списке параметров, имя параметра обработчика можно пропустить, если у блока catch нет необходимости в доступе к переданному исключению.

Тип объявления определяет виды исключений, обрабатываемых обработчиком. Тип должен быть завершенным (см. раздел 7.3.3). Тип может быть ссылкой на l-значение, но не ссылкой на r-значение (см. раздел 13.6.1).

При входе в блок catch параметр в объявлении исключения инициализируется объектом исключения. Подобно параметру функции, если тип параметра обработчика не является ссылочным, параметр обработчика копирует объект исключения; изменения, внесенные в параметр в обработчике, осуществляются с его локальной копией, а не с самим объектом исключения. Если параметр имеет ссылочный тип, то, как любой ссылочный параметр, параметр обработчика будет только другим именем объекта исключения. Изменения, внесенные в ссылочный параметр, осуществляются с самим объектом исключения.

Подобно объявлению параметра функции, параметр обработчика, имеющий тип базового класса, может быть инициализирован объектом исключения типа производного класса. Если у параметра обработчика будет не ссылочный тип, то объект исключения будет отсечен (см. раздел 15.2.3), как и при передаче такого объекта обычной функции по значению. С другой стороны, если параметр является ссылкой на тип базового класса, то параметр будет связан с объектом исключения обычным способом.

Также, подобно параметрам функции, статический тип объявления исключения определяет действия, которые может выполнить обработчик. Если у параметра обработчика будет тип базового класса, то обработчик не сможет использовать члены, определенные в производном классе.

Обычно обработчики, получающие исключения типа, связанного наследственными отношениями, определяют свой параметр как ссылку.

Поиск соответствующего обработчика

Блок catch, найденный в ходе поиска соответствующего обработчика, не обязательно является наиболее подходящим данному исключению. В результате исключение будет обработано первым найденным блоком catch, который сможет это сделать. Как следствие, в списке директив catch наиболее специализированные обработчики следует располагать в начале.

Поскольку поиск директивы catch осуществляется в порядке их объявления, при использовании исключений из иерархии наследования блоки catch для обработки исключений производного типа следует располагать перед обработчиком для исключения базового типа.

Правила поиска соответствующего исключению блока catch значительно жестче, чем правила поиска аргументов, соответствующих типам параметров. Большинство преобразований здесь недопустимо — тип исключения должен точно соответствовать обработчику, допустимо лишь несколько различий.

• Допустимо преобразование из неконстантного типа в константный, т.е. переданный неконстантный объект исключения может быть обработан блоком catch, ожидающим ссылку на константный.

• Допустимо преобразование из производного типа в базовый.

• Массив преобразуется в указатель на тип массива; функция преобразуется в соответствующий указатель на тип функции.

Никакие другие преобразования при поиске соответствующего обработчика недопустимы. В частности, невозможны ни стандартные арифметические преобразования, ни преобразования, определенные для классов.

В наборе директив catch с типами, связанными наследованием, обработчики для более производных типов следует располагать прежде наименее производных.

Повторная передача исключения

Вполне возможна ситуация, когда один блок кода catch (обработчик) не сможет полностью обработать исключение. После некоторых корректирующих действий обработчик может решать, что это исключение следует обработать в функции, которая расположена далее по цепи вызовов. Обработчик может передавать исключение другому, внешнему обработчику, который принадлежит функции, вызвавшей данную. Это называется повторной передачей исключения (rethrow). Повторную передачу осуществляет оператор throw, после которого нет ни имени типа, ни выражения.

throw;

Пустой оператор throw может присутствовать только в обработчике или в функции, вызов которой осуществляется из обработчика (прямо или косвенно). Если пустой оператор throw встретится вне обработчика, будет вызвана функция terminate().

Повторная передача не определяет нового исключения; по цепочке передается текущий объект исключения.

Обычно обработчик вполне может изменить содержимое своего параметра. Если после изменения своего параметра обработчик повторно передаст исключение, то эти изменения будут переданы далее, только если параметр обработчика объявлен как ссылка:

catch (my_error &eObj) { // спецификатор ссылочного типа

 eObj.status = errCodes::severeErr; // изменение объекта исключения

 throw; // переменная-член status объекта исключения имеет

        // значение severeErr

} catch (other_error eObj) { // спецификатор нессылочного типа

 eObj.status = errCodes::badErr; // изменение только локальной копии

 throw; // значение переменной-члена status объекта исключения

        // при повторной передаче не изменилось

}

Обработчик для всех исключений

Иногда необходимо обрабатывать все исключения, которые могут произойти, независимо от их типа. Обработка каждого возможного исключения может быть проблематична: иногда неизвестно, исключения каких типов могут быть переданы. Даже когда все возможные типы известны, предоставление отдельной директивы catch для каждого возможного исключения может оказаться весьма утомительным. Для обработки всех исключений в объявлении исключения используется многоточие. Такие обработчики, называемые обработчиками для всех исключений (catch-all), имеют форму catch(...). Такая директива соответствует исключениям любого типа.

Обработчик catch(...) зачастую используется в комбинации с выражением повторной передачи. Обработчик осуществляет все локальные действия, а затем повторно передает исключение:

void manip() {

try {

 // действия, приводящие к передаче исключения

} catch (...) {

 // действия по частичной обработке исключения

 throw;

}

Директива catch(...) применяется самостоятельно или в составе нескольких директив catch.

Если директива catch(...) используется в комбинации с другими, она должна располагаться последней. Любой обработчик, следующий за обработчиком для всех исключений, никогда не будет выполнен.

Упражнения раздела 18.1.2

Упражнение 18.4. Заглянув вперед в иерархию наследования на рис. 18.1, объясните, что неправильно в следующем блоке try. Исправьте его:

try {

 // использовать стандартную библиотеку С++

} catch(exception) {

 // ...

} catch(const runtime_error &re) {

 // ...

} catch(overflow_error eobj) { /* ... */ }

Упражнение 18.5. Измените следующую функцию main() так, чтобы обрабатывались исключения любых типов, представленных на рис. 18.1:

int main() {

 // использовать стандартную библиотеку С++

}

Обработчики должны выводить сообщения об ошибках, связанных с исключением, прежде, чем вызывать функцию abort() (определенную в заголовке cstdlib) для завершения функции main().

Упражнение 18.6. С учетом следующих типов исключений и директивы catch напишите выражение throw, создающее объект исключения, который может быть обработан каждым блоком catch:

(a) class exceptionType { };

    catch (exceptionType *pet) { }

(b) catch (...) { }

(c) typedef int EXCPTYPE;

    catch (EXCPTYPE) { }

 

18.1.3. Блок

try

функции и конструкторы

В принципе исключения могут произойти в любой точке программы. В частности, исключение может произойти в процессе инициализации в конструкторе. Инициализация в конструкторе выполняется прежде, чем его тело. Блок catch в теле конструктора не может обработать исключение, которое было передано при инициализации, поскольку блок try в теле конструктора еще не был задействован в момент передачи исключения.

Для обработки исключения, переданного при инициализации, конструктор следует оформить как блок try функции (function try block). Блок try функции позволяет ассоциировать группу директив catch с фазой инициализации конструктора (или фазой удаления деструктора), а равно с телом конструктора (или деструктора). В качестве примера заключим конструктор Blob() (см. раздел 16.1.2) в блок try функции:

template

Blob::Blob(std::initializer list il) try :

 data(std::make_shared>(il)) {

 /* пустое тело */

} catch(const std::bad_alloc &e) { handle_out_of_memory(e); }

Обратите внимание на ключевое слово try, предшествующее двоеточию, начинающему список инициализации конструктора, и фигурную скобку, формирующую (в данном случае пустое) тело конструктора. Обработчик, связанный с этим блоком try, применяется для обработки исключения, переданного либо из списка инициализации, либо из тела конструктора.

Следует заметить, что исключение может произойти при инициализации параметров конструктора. Такие исключения не являются частью блока try функции. Блок try функции обрабатывает только те исключения, которые происходят, когда конструктор начнет выполняться. Как и при любом другом вызове функции, если исключение происходит во время инициализации параметра, оно является частью вызывающего выражения и обрабатывается в контексте вызывающей стороны.

Единственный способ для конструктора обработать исключение из списка инициализации заключается в оформлении конструктора как блока try функции.

Упражнения раздела 18.1.3

Упражнение 18.7. Определите классы Blob и BlobPtr из главы 16 так, чтобы для их конструкторов использовались блоки try функции.

 

18.1.4. Спецификатор исключения

noexcept

И для пользователей, и для компилятора может быть полезно знать, что функция не будет передавать исключения. Это упрощает написание кода, вызывающего эту функцию. Кроме того, если компилятор знает, что никаких исключений не будет, он может (иногда) оптимизировать код, что недоступно при возможности передачи.

По новому стандарту функция может пообещать не передавать исключения при помощи спецификации noexcept. Ключевое слово noexcept после списка параметров функции означает, что функция не будет передавать исключений:

void recoup (int) noexcept; // не будет передавать исключений

void alloc(int);            // может передавать исключения

Эти объявления заявляют, что функция recoup() не будет передавать исключений, а функция alloc() могла бы. Считается, что к функции recoup() применена спецификация запрета передачи исключения (nonthrowing specification).

Спецификатор noexcept должен присутствовать во всех объявлениях и в соответствующем определении функции или ни в одном из них. Спецификатор предшествует замыкающему типу (см. раздел 6.3.3). Спецификатор noexcept можно определить также в объявлении и определении указателя на функцию. Он неприменим к псевдониму типа или определению типа (typedef). В функции-члене спецификатор noexcept следует за квалификатором const или квалификатором ссылки, но предшествует квалификаторам final, override и = 0 у виртуальной функции.

Нарушение спецификации исключения

Важно понимать, что компилятор не проверяет спецификацию noexcept во время компиляции. Фактически компилятору не разрешено отклонять функцию со спецификатором noexcept просто потому, что она содержит оператор throw или вызывает функцию, которая может передавать исключение (однако хорошие компиляторы предупреждают о таких случаях):

// эта функция компилируется, хоть она и нарушает свою спецификацию

// исключения

void f() noexcept   // обещание не передавать исключений

{

 throw exception(); // нарушает спецификацию исключения

}

В результате вполне вероятно, что функция, обещавшая не передавать исключений, фактически передаст его. Если такая функция передаст исключение, для соблюдения обещания во время выполнения вызывается функция terminate(). Результат прокрутки стека непредсказуем. Таким образом, спецификатор noexcept следует использовать в двух случаях: если есть уверенность, что функция не будет передавать исключений, или если совершенно неизвестно, как справиться с ошибкой.

Спецификация запрета передачи исключения фактически обещает вызывающей стороне такой функции, что ей не придется иметь дела с исключениями. Функция либо не передаст исключения, либо вся программа закончит работу; в любом случае вызывающей стороне не нести ответственность за исключения.

Во время компиляции компилятор может вообще не проверять спецификации исключения.

Совместимость с прежней версией. Спецификации исключения

У прежних версий языка С++ была более сложная схема спецификаций исключения, позволяющая определять типы исключений, которые могла бы передавать функция. Функция может определить ключевое слово throw , сопровождаемое заключенным в скобки списком типов, которые могла бы передать функция. Спецификатор throw располагается в том же месте, где и спецификатор noexcept в текущем языке.

Этот подход никогда широко не использовался и не рекомендован в текущем стандарте. Хотя один случай использования более сложной старой схемы распространен довольно широко. Функция, обозначенная как throw() , обещает не передавать никаких исключений:

void recoup(int) noexcept; // recoup() не передает ничего

void recoup(int) throw();  // эквивалентное объявление

Эти объявления функции recoup() эквивалентны. Оба указывают, что функция recoup() не будет передавать исключений.

Аргументы спецификации noexcept

Спецификатор noexcept получает необязательный аргумент, тип которого должен быть преобразуем в тип bool: если аргументом будет true, то функция не будет передавать исключений; если false — то может:

void recoup(int) noexcept(true); // не будет передавать исключений

void alloc(int) noexcept(false); // может передавать исключения

Оператор noexcept

Аргументы спецификатора noexcept зачастую создаются с использованием оператора noexcept. Оператор noexcept — унарный, возвращающий константное логическое выражение r-значения, означающее способность данного выражения передавать исключения. Подобно оператору sizeof (см. раздел 4.9), оператор noexcept не вычисляет свой операнд.

Например, следующее выражение возвращает значение true:

noexcept(recoup(i)) // true, если вызов функции recoup() не может

                    // передать исключение, и false в противном случае

поскольку функция recoup() объявлена со спецификатором noexcept. В более общем виде выражение noexcept(е) возвращает значение true, если у всех вызванных е функций нет спецификаций передачи и сама е не содержит операторов throw. В противном случае выражение noexcept(е) возвращает значение false.

Оператор noexcept можно использовать для формирования спецификатора исключения следующим образом:

void f() noexcept(noexcept(g())); // f() имеет тот же спецификатор

                                  // исключения, что и g()

Если функция g() обещает не передавать исключений, то f() также не будет. Если g() не имеет спецификатора исключения или имеет спецификатор, позволяющий передачу исключений, то функция f() также может передавать их.

Ключевое слово noexcept имеет два значения: это спецификатор исключения, когда оно следует за списком параметров функции, и оператор, который зачастую используется как логический аргумент для спецификатора исключения noexcept.

Спецификации исключения и указатели, виртуальные функции, функции управления копированием

Хотя спецификатор noexcept не является частью типа функции, наличие у функции спецификатора исключения влияет на ее использование.

Указатель на функцию и функция, на которую указывает этот указатель, должны иметь одинаковые спецификации. Таким образом, если объявлен указатель со спецификатором запрета передачи исключения, то использовать этот указатель можно только для указания на функции с подобным спецификатором. Указатель на функцию, способную передавать исключение, определенный явно или неявно, может указывать на любую функцию, даже если она обещает не передавать исключения:

// recoup() и pf1() обещают не передавать исключений

void (*pf1)(int) noexcept = recoup;

// ok: recoup() не будет передавать исключений; и не имеет значения,

// что pf2() может

void (*pf2)(int) = recoup;

pf1 = alloc; // ошибка: alloc() может передать исключение, но pf1()

             // обещала, что не будет

pf2 = alloc; // ok: pf2() и alloc() могли бы передать исключение

Если виртуальная функция обещает не передавать исключений, унаследованные виртуальные функции также должны обещать не передавать исключений. С другой стороны, если базовая функция позволяет передачу исключения, то производным функциям стоит быть ограниченным строже и обещать не передавать их:

class Base {

public:

 virtual double f1(double) noexcept; // не передает исключения

 virtual int f2() noexcept(false);   // может передавать

 virtual void f3();                  // может передавать

};

class Derived : public Base {

public:

 double f1(double);         // ошибка: Base::f1() обещает не передавать

 int f2() noexcept (false); // ok: та же спецификация, как у Base::f2()

 void f3() noexcept;        // ok: Derived:f3() ограничена строже

};

Когда компилятор синтезирует функции-члены управления копированием, он создает для них спецификацию исключения. Если все соответствующие функции-члены всех базовых классов обещают не передавать исключений, то синтезируемые функции-члены также будут noexcept. Если какая-нибудь функция, вызванная синтезируемым членом, может передать исключение, то этот синтезируемый член помечается как noexcept(false). Кроме того, если разработчик не предоставил спецификацию исключения для деструктора, который он определяет, компилятор синтезирует ее сам. Компилятор создает ту же спецификацию, которую он создал бы, будь то синтезируемый деструктор для этого класса.

Упражнения раздела 18.1.4

Упражнение 18.8. Пересмотрите написанные классы и добавьте соответствующие спецификации исключения к их конструкторам и деструкторам. Если вы полагаете, что некоторые из ваших деструкторов могли бы передавать исключения, изменить код так, чтобы это было невозможно.

 

18.1.5. Иерархии классов исключений

Классы исключений (см. раздел 5.6.3) стандартной библиотеки формируют иерархию наследования (см. главу 15), представленную на рис. 18.1.

Рис. 18.1. Иерархия классов исключений стандартной библиотеки

Единственными функциями, определенными типом exception, являются конструктор копий, оператор присвоения копий, виртуальный деструктор и виртуальная функция-член what(). Она возвращает указатель типа const char* на символьный массив с нулевым символом в конце и, как гарантируется, не передает никаких исключений.

Классы исключений exception, bad_cast и bad_alloc определяют также стандартный конструктор. Классы runtime_error и logic_error не имеют стандартного конструктора, но имеют конструкторы, получающие символьную строку в стиле С или аргумент библиотечного типа string. Эти аргументы предназначены для дополнительной информации об ошибке. Функция what() этих классов возвращает сообщение, использованное для инициализации объекта исключения. Поскольку функция what() виртуальная, при обработке ссылки на базовый тип вызов функции what() выполнит ту версию, которая соответствует динамическому типу объекта исключения.

Классы исключения для приложения книжного магазина

В приложениях иерархию исключений зачастую дополняют, определяя классы, производные от класса exception (или другого библиотечного класса, производного от него). Такие классы представляют исключения, специфические для данного приложения.

Если бы предстояло создать реальное приложение книжного магазина, его классы были бы гораздо сложнее, чем в примерах этой книги. Одной из причин усложнения является обработка исключений. Фактически пришлось бы создать собственную иерархию исключений, отражающую вероятные проблемы, специфические для данного приложения. В этом проекте могли бы понадобиться следующие классы:

// гипотетический класс исключения для приложения книжного магазина

class out_of_stock: public std::runtime_error {

public:

 explicit out_of_stock(const std::string &s):

  std::runtime_error(s) { }

};

class isbn_mismatch: public std::logic_error {

public:

 explicit isbn_mismatch(const std::string &s):

  std::logic_error(s) { }

 isbn_mismatch(const std::string &s,

  const std::string &lhs, const std::string &rhs):

  std::logic_error(s), left(lhs), right(rhs) { }

 const std::string left, right;

};

Здесь специфические для приложения классы исключения определены как производные от стандартного класса исключения. Любую иерархию классов, включая иерархию исключений, можно рассматривать как слоистую структуру. По мере углубления иерархии каждый слой становится более специализированным. Например, первым и наиболее общим слоем иерархии является класс exception. При получении объекта этого типа будет известно только то, что в приложении произошла какая-то ошибка.

Второй слой специализирует исключение на две обширные категории: ошибки времени выполнения и логические ошибки. Ошибки времени выполнения могут быть обнаружены только при запуске программы. Логические ошибки, в принципе, могут быть обнаружены в приложении.

Классы исключений книжного магазина представляют даже более специализированный слой. Класс out_of_stock представляет проблему времени выполнения, специфическую для данного приложения. Он используется для оповещения о нарушении порядка выполнения. Класс исключения isbn_mismatch представляет собой более специализированную форму класса logic_error. В принципе программа может обнаружить несоответствие ISBN, вызвав функцию isbn().

Использование собственных типов исключений

Собственные классы исключений применяются точно так же, как и классы стандартной библиотеки. Одна часть программы передает объект одного из этих классов, а другая получает и обрабатывает его, устраняя проблему. Например, для перегруженного оператора суммы класса Sales_item можно создать класс исключения isbn_mismatch, передаваемого в случае обнаружения ошибки несовпадения ISBN.

// передает исключение, если isbn объектов не совпадают

Sales_data&

Sales_data::operator+=(const Sales_data& rhs) {

 if (isbn() != rhs.isbn())

  throw isbn_mismatch("wrong isbns", isbn(), rhs.isbn());

 units_sold += rhs.units_sold;

 revenue += rhs.revenue;

 return *this;

}

Обнаружив эту ошибку, использующий оператор += код сможет передать соответствующее сообщение об ошибке и продолжить работу.

// применение исключения в приложении книжного магазина

Sales_data item1, item2, sum;

while (cin >> item1 >> item2) { // прочитать две транзакции

 try {

  sum = item1 + item2; // вычислить их сумму

  // использовать сумму

 } catch (const isbn_mismatch &e) {

  cerr << e.what() << ": left isbn(" << e.left

       << ") right isbn (" << e.right << ")" << endl;

 }

}

Упражнения раздела 18.1.5

Упражнение 18.9. Определите описанные в этом разделе классы исключений приложения книжного магазина и перепишите составной оператор присвоения класса Sales_data так, чтобы он передавал исключение.

Упражнение 18.10. Напишите программу, использующую оператор суммы класса Sales_data для объектов с разными ISBN. Напишите две версии программы: способную обрабатывать исключении и не обрабатывающую их. Сравните поведение программ, чтобы ознакомиться с тем, что происходит при отсутствии обработки исключения.

Упражнение 18.11. Почему так важно, чтобы функция what() не передавала исключений?

 

В больших программах обычно используют библиотеки от независимых разработчиков. В таких библиотеках обычно определено множество глобальных имен классов, функций и шаблонов. Когда приложение использует библиотеки от многих разных поставщиков, некоторые из этих имен почти неизбежно совпадут. Библиотеки, помещающие имена в глобальное пространство имен, вызывают загромождение пространства имен (namespace pollution).

Традиционно программисты избегают загромождения пространства имен, используя для глобальных сущностей очень длинные имена, зачастую содержащие префикс, означающий библиотеку, в которой определено имя:

class cplusplus_primer_Query { ... };

string cplusplus_primer_make_plural(size_t, string&);

Это решение далеко от идеала: программистам неудобно писать и читать программы, использующие длинные имена.

Пространства имен (namespace) предоставляют намного более контролируемый механизм предотвращения конфликтов имени. Пространства имен разделяют глобальное пространство имен. Пространство имен — это область видимости. При определении имен библиотеки в пространстве имен, авторы (и пользователи) библиотеки могут избежать ограничений, присущих глобальным именам.

 

18.2.1. Определение пространств имен

Определение пространства имен начинается с ключевого слова namespace, сопровождаемого именем пространства имен. После имени пространства имен следуют заключенные в фигурные скобки объявления и определения. В пространство имен может быть помещено любое объявление, которое способно присутствовать в глобальной области видимости, включая классы, переменные (с инициализацией), функции (с их определениями), шаблоны и другие пространства имен.

namespace cplusplus_primer {

 class Sales_data { /* ... */};

 Sales_data operator+(const Sales_data&,

                      const Sales_data&);

 class Query { /* ... */ };

 class Query_base { /* ... */};

} // подобно блокам, пространства имен не завершаются точкой с запятой

Этот код определяет пространство имен cplusplus_primer с четырьмя членами: тремя классами и перегруженным оператором +.

Подобно другим именам, имя пространства имен должно быть уникальным в той области видимости, в которой оно определено. Пространства имен могут быть определены в глобальной области видимости или в другом пространстве имен. Они не могут быть определены в функциях или классах.

Область видимости пространства имен не заканчивается точкой с запятой.

Каждое пространство имен является областью видимости

Как и в случае любой области видимости, каждое имя в пространстве имен должно относиться к уникальной сущности в пределах данного пространства имен. Поскольку разные пространства имен вводят разные области видимости, в разных пространствах имен могут быть члены с одинаковым именем.

К именам, определенным в пространстве имен, другие члены данного пространства имен могут обращаться непосредственно, включая области видимости, вложенные в пределах этих членов. Код вне пространства имен должен указывать пространство имен, в котором определено имя:

cplusplus_primer::Query q =

 cplusplus_primer::Query("hello");

Если другое пространство имен (например, AddisonWesley) тоже содержит класс Query и этот класс необходимо использовать вместо определенного в пространстве имен cplusplus_primer, приведенный выше код придется изменить следующим образом:

AddisonWesley::Query q = AddisonWesley::Query("hello");

Пространства имен могут быть разобщены

Как упоминалось в разделе 16.5, в отличие от других областей видимости, пространство имен может быть определено в нескольких частях. Вот определение пространства имен:

namespace nsp {

 // объявления

}

Этот код определяет новое пространство имен nsp или добавляет члены к уже существующему. Если пространство имен nsp еще не определенно, то создается новое пространство имен с этим именем. В противном случае это определение открывает уже существующее пространство имен и добавляет в него новые объявления.

Тот факт, что определения пространств имен могут быть разобщены, позволяет составить пространство имен из отдельных файлов интерфейса и реализации. Таким образом, пространство имен может быть организовано таким же образом, как и определения собственных классов или функций.

• Члены пространства имен, являющиеся определениями классов, объявлениями функций и объектов, составляющих часть интерфейса класса, могут быть помещены в файлы заголовка. Эти заголовки могут быть подключены в те файлы, которые используют эти члены пространства имен.

• Определения членов пространства имен могут быть помещены в отдельные файлы исходного кода.

Организовав пространство имен таким образом, можно также удовлетворить требование, согласно которому различные сущности, включая не подлежащие встраиванию функции, статические переменные-члены, переменные и т.д., должны быть определены в программе только один раз. Это требование распространяется и на имена, определенные в пространстве имен. Отделив интерфейс и реализацию, можно гарантировать, что имена функций и другие имена будут определены только один раз и именно это объявление будет многократно использоваться впоследствии.

Для представления несвязанных типов в составных пространствах имен следует использовать отдельные файлы.

Определение пространства имен cplusplus_primer

Используя эту стратегию для отделения интерфейса от реализации, определим библиотеку cplusplus_primer в нескольких отдельных файлах. Объявления класса Sales_data и связанных с ним функций поместим в файл заголовка Sales_data.h, а таковые для класса Query (см. главу 15) — в заголовок Query.h и т.д. Соответствующие файлы реализации были бы в таких файлах, как Sales_data.cc и Query.cc:

// ---- Sales_data.h ----

// директивы #include должны быть перед открытием пространства имен

#include

namespace cplusplus_primer {

 class Sales_data { /* ... */};

 Sales_data operator+(const Sales_data&,

                      const Sales_data&);

 // объявления остальных функций интерфейса класса Sales_data

}

// ---- Sales_data.cc ----

// все директивы #include перед открытием пространства имен

#include "Sales_data.h"

namespace cplusplus_primer {

 // определения членов класса Sales_data и перегруженных операторов

}

Использующая эту библиотеку программа включила бы все необходимые заголовки. Имена в этих заголовках определены в пространстве имен cplusplus_primer:

// ---- user.cc ----

// имена заголовка Sales_data.h находятся в пространстве

// имен cplusplus_primer

#include "Sales_data.h"

int main() {

 using cplusplus_primer::Sales_data;

 Sales_data trans1, trans2;

 // ...

 return 0;

}

Подобная организация программы придает библиотеке свойство модульности, необходимое как разработчикам, так и пользователям. Каждый класс организован в виде двух файлов: интерфейса и реализации. Пользователь одного класса вовсе не должен использовать при компиляции другие классы. Их реализацию можно скрыть от пользователей, разрешив при этом компилировать и компоновать файлы Sales_data.cc и user.cc в одну программу, причем без опасений по поводу возникновения ошибок во время компиляции или компоновки. Кроме того, разработчики библиотеки могут работать над реализацией каждого класса независимо.

В использующую эту библиотеку программу следует подключить все необходимые заголовки. Имена в этих заголовках определены в пространстве имен cplusplus_primer.

Следует заметить, что директивы #include обычно не помещают в пространство имен. Если попробовать сделать это, то произойдет попытка определения всех имен в этом заголовке как членов окружающего пространства имен. Например, если бы файл Sales_data.h открыл пространство имен cplusplus_primer прежде, чем включить заголовок string, то в программе была бы ошибка, поскольку это привело бы к попытке определить пространство имен std в пространстве имен cplusplus_primer.

Определение членов пространства имен

Если объявления находятся в области видимости, то код в пространстве имен может использовать короткую форму имен, определенных в том же (или вложенном) пространстве имен:

#include "Sales_data.h"

namespace cplusplus_primer { // повторное открытие cplusplus_primer

 // члены, определенные в пространстве имен, могут использовать имена

 // без уточнений

 std::istream&

  operator>>(std::istream& in, Sales_data& s) { /* ... */}

}

Член пространства имен может быть также определен вне определения пространства имен. Для этого применяется подход, подобный определению членов класса вне его. Объявление пространства имен должно находиться в области видимости, а в определении следует указать пространство имен, которому принадлежит имя.

// члены пространства имен, определенные вне его, должны использовать

// полностью квалифицированные имена

cplusplus_primer::Sales_data

cplusplus_primer::operator+(const Sales_data& lhs,

                            const Sales_data& rhs) {

 Sales_data ret(lhs);

 // ...

}

Подобно членам класса, определенным вне самого класса, когда встречается полностью определенное имя, оно находится в пределах пространства имен. В пространстве имен cplusplus_primer можно использовать другие имена членов пространства имен без квалификации. Таким образом, хотя класс Sales_data является членом пространства имен cplusplus_primer, для определения параметров его функций можно использовать его имя без квалификации.

Хотя член класса пространства имен может быть определен вне его определения, такие определения должны присутствовать в окружающем пространстве имен. Таким образом, оператор operator+ класса Sales_data можно определить в пространстве имен cplusplus_primer или в глобальной области видимости. Но он не может быть определен в несвязанном пространстве имен.

Специализация шаблона

Специализация шаблона должна быть определена в том же пространстве имен, которое содержит первоначальный шаблон (см. раздел 16.5). Подобно любым другим именам пространства имен, пока специализация объявлена в пространстве имен, ее можно определить вне пространства имен:

// специализацию нужно объявить как член пространства std

namespace std {

 template <> struct hash;

}

// добавив объявление для специализации к пространству std,

// специализацию можно определить вне пространства имен std

template <> struct std::hash {

 size_t operator()(const Sales_data& s) const {

  return hash()(s.bookNo) ^

         hash()(s.units_sold) ^

         hash()(s.revenue);

 }

 // другие члены как прежде

};

Глобальное пространство имен

Имена, определенные в глобальной области видимости (т.е. имена, объявленные вне любого класса, функции или пространства имен), определяются в глобальном пространстве имен (global namespace). Глобальное пространство имен неявно объявляется и существует в каждом приложении. Каждый файл, который определяет сущность в глобальной области видимости (неявно), добавляет ее имя к глобальному пространству имен.

Для обращения к членам глобального пространства имен применяется оператор области видимости (оператор ::) (scope operator). Поскольку глобальное пространство имен неявно, у него нет имени.

Форма записи при обращении к члену глобального пространства имен имеет следующий вид.

:: член_имя

Вложенные пространства имен

Вложенное пространство имен (nested namespace) — это пространство имен, определенное в другом пространстве имен:

namespace cplusplus_primer {

 // первое вложенное пространство имен: определение части

 // библиотеки Query

 namespace QueryLib {

  class Query { /* ... */ };

  Query operator&(const Query&, const Query&);

  // ...

 }

 // второе вложенное пространство имен: определение части

 // библиотеки Sales_data

 namespace Bookstore {

  class Quote { /* ... */ };

  class Disc_quote : public Quote { /* ... */ };

  // ...

 }

}

Вложенное пространство имен — это вложенная область видимости, ее область видимости вкладывается в пределы содержащего ее пространства имен. Имена вложенных пространств имен подчиняются обычным правилам: имена, объявленные во внутреннем пространстве имен, скрывают объявления того же имени во внешнем пространстве. Имена, определенные во вложенном пространстве имен, являются локальными для внутреннего пространства имен. Код во внешних частях окружающего пространства имен может обратиться к имени во вложенном пространстве имен только через его квалифицированное имя. Например, имя класса QueryLib, объявленного во вложенном пространстве имен, выглядит следующим образом:

cplusplus_primer::QueryLib::Query

Встраиваемые пространства имен

Новый стандарт ввел новый вид вложенного пространства имен — встраиваемое пространство имен (inline namespace). В отличие от обычных вложенных пространств имен, имена из встраиваемого пространства имен применяются так, как будто они являются непосредственными членами окружающего пространства имен. Таким образом, нет необходимости в квалификации имен из встраиваемого пространства имен. Для доступа к ним достаточно использовать имя окружающего пространства имен.

Для определения встраиваемого пространства имен ключевое слово namespace предваряется ключевым словом inline:

inline namespace FifthEd {

 // пространство имен для кода Primer Fifth Edition

}

namespace FifthEd { // неявно встраиваемая

 class Query_base { /* ... */};

 // другие объявления, связанные с классом Query

}

Это ключевое слово должно присутствовать в первом определении пространства имен. Если пространство имен вновь открывается позже, ключевое слово inline не обязательно, но может быть повторено.

Встраиваемые пространства имен зачастую используются при изменении кода от одного выпуска приложения к следующему. Например, весь код текущего издания Вводного курса можно поместить во встраиваемое пространство имен. Код предыдущих версий был бы в обычных, а не встраиваемых пространствах имен:

namespace FourthEd {

 class Item_base { /* ... */};

 class Query_base { /* ... */};

 // другой код из Fourth Edition

}

Общее пространство имен cplusplus_primer включило бы определения обоих пространств имен. Например, с учетом того, что каждое пространство имен было определено в заголовке с соответствующим именем, пространство имен cplusplus_primer можно определить следующим образом:

namespace cplusplus_primer {

#include "FifthEd.h"

#include "FourthEd.h"

}

Поскольку пространство имен FifthEd встраиваемое, код обращающийся к имени из пространства имен cplusplus_primer::, получит версию из этого пространства имен. Если понадобится код прежнего издания, к нему можно обратиться как к любому другому вложенному пространству имен, указав все имена окружающих пространств имен, например: cplusplus_primer::FourthEd::Query_base.

Безымянные пространства имен

У безымянного пространства имен (unnamed namespace) сразу за ключевым словом namespace следует блок объявлений, разграниченных фигурными скобками. У переменных, определенных в безымянном пространстве имен, статическая продолжительность существования: они создаются перед их первым использованием и удаляются по завершении программы.

Безымянное пространство имен может быть разобщено в пределах данного файла, но не охватывающих файлов. У каждого файла есть собственное безымянное пространство имен. Если два файла содержат безымянные пространства имен, эти пространства имен не связаны. Оба безымянных пространства имен могут определить одинаковое имя, и эти определения будут относиться к разным сущностям. Если заголовок определяет безымянное пространство имен, то имена в этом пространстве определяют сущности, локальные для каждого файла, включенного в заголовок.

В отличие от других пространств имен, безымянное пространство является локальным для конкретного файла и никогда не охватывает несколько файлов.

Имена, определенные в безымянном пространстве имен, используются непосредственно; в конце концов, для их квалификации нет никакого имени пространства имен. Для обращения к членам безымянных пространств имен невозможно использовать оператор области видимости.

Имена, определенные в безымянном пространстве имен, находятся в той же области видимости, что и область видимости, в которой определено пространство имен. Если безымянное пространство имен определяется в наиболее удаленной области видимости файла, то имена в безымянном пространстве имен должны отличаться от имен, определенных в глобальной области видимости:

int i; // глобальное объявление для i

namespace {

 int i;

}

// неоднозначность: определено глобально и в не вложенном, безымянном

// пространстве имен

i = 10;

Во всем остальном члены безымянного пространства имен являются обычными сущностями программы. Безымянное пространство имен, как и любое другое пространство имен, может быть вложено в другое пространство имен. Если безымянное пространство имен вкладывается, то к содержащимся в нем именам обращаются обычным способом, используя имена окружающего пространства имен:

namespace local {

 namespace {

  int i;

 }

}

// ok: i определено во вложенном безымянном пространстве имен

//  отдельно от глобального i

local::i = 42;

Безымянные пространства имен вместо статических файловых объектов

До введения пространств имен в стандарт С++, чтобы сделать имена локальными для файла, их приходилось объявлять статическими ( static ). Применение статических файловых объектов (file static) унаследовано от языка С. В языке С объявленный статическим глобальный объект был невидим вне того файла, в котором он объявлен.

В соответствии со стандартом С++ применение объявлений статических файловых объектов не рекомендуется. Вместо них используются безымянные пространства имен.

Упражнения раздела 18.2.1

Упражнение 18.12. Организуйте программы, написанные в упражнениях каждой из глав, в их собственные пространства имен. Таким образом, пространство имен chapter15 содержало бы код для программы запросов, a chapter10 — код приложения TextQuery. Используя эту структуру, откомпилируйте примеры кода приложения Query.

Упражнение 18.13. Когда используются безымянные пространства имен?

Упражнение 18.14. Предположим, имеется следующее объявление оператора operator*, являющегося членом вложенного пространства имен mathLib::MatrixLib:

namespace mathLib {

 namespace MatrixLib {

  class matrix { /* ... */ };

  matrix operator*

   (const matrix &, const matrix &);

  // ...

 }

}

Как определить этот оператор в глобальной области видимости?

 

18.2.2. Использование членов пространства имен

Обращение к члену пространства имен в формате имя_пространства_имен :: имя_члена является чересчур громоздким, особенно когда имя пространства имен слишком длинное. К счастью, существуют способы, которые облегчают использование имен членов пространства имен. Один из этих способов, объявление using (см. раздел 3.1), уже использовался в программах, приведенных выше. Другие способы, псевдонимы пространств имен и директивы using будут описаны в этом разделе.

Псевдонимы пространства имен

Псевдоним пространства имен (namespace alias) применяется в качестве короткого синонима имени пространства имен. Например, длинное имя пространства имен может иметь следующий вид:

namespace cplusplus_primer { /* ... */ };

Ему может быть назначен более короткий синоним следующим образом:

namespace primer = cplusplus_primer;

Объявление псевдонима пространства имен начинается с ключевого слова namespace, за которым следует имя псевдонима пространства имен (короткое), сопровождаемое знаком =, первоначальное имя пространства имен и точка с запятой. Если имя первоначального пространства имен еще не было определено как пространство имен, произойдет ошибка.

Псевдоним пространства имен может быть также применен к вложенному пространству имен:

namespace Qlib = cplusplus_primer::QueryLib;

Qlib::Query q;

Пространство имен может иметь множество синонимов или псевдонимов. Все псевдонимы и первоначальное имя пространства имен равнозначны в применении.

Объявления using (напоминание)

Имена, представленные в объявлении using, подчиняются обычным правилам области видимости. Имя видимо от точки объявления using и до конца области видимости, в которой оно объявлено. Сущности внутренней области видимости скрывают одноименные сущности внешней. Короткие имена могут использоваться только в той области видимости, в которой они объявлены, а также в областях видимости, вложенных в нее. По завершении области видимости следует использовать полные имена.

Объявление using может присутствовать в глобальной и локальной области видимости, а также в области видимости пространства имен или класса. Объявление using в области видимости класса ограничено именами, определенными в базовом классе определяемого класса (см. раздел 15.5).

Директива using

Подобно объявлению using, директива using (using directive) позволяет использовать не квалифицированную форму имен. Однако, в отличие от объявления using, здесь не сохраняется контроль над видимостью имен, поскольку все они видимы.

Директива using начинается с ключевого слова using, за которым следует ключевое слово namespace, сопровождаемое именем пространства имен. Если имя пространства не было определено ранее, произойдет ошибка. Директива using может присутствовать в глобальной, локальной области видимости или в пространстве имен. Она не может присутствовать в области видимости класса.

Предоставление директив using для таких пространств имен, как std, которые приложение не контролирует, возвращает все проблемы конфликта имени, присущие использованию нескольких библиотек.

Директива using и область видимости

Область видимости имен, указанных директивой using, гораздо сложнее, чем в случае объявления using. Объявление using помещает имя непосредственно в ту же область видимости, в которой находится само объявление using. Объявление using подобно локальному псевдониму для члена пространства имен.

Директива using не объявляет локальные псевдонимы для имен членов пространства имен. Вместо этого она поднимает члены пространства имен в ближайшую область видимости, которая содержит и пространство имен, и саму директиву using.

Различие в области видимости между объявлением using и директивой using проистекает непосредственно из принципа действия этих средств. В случае объявления using само имя просто становится доступным в локальной области видимости. Директива using, напротив, делает доступным все содержимое пространства имен. Вообще, пространство имен способно включать определения, которые не могут присутствовать в локальной области видимости. Как следствие, директива using рассматривается как присутствующая в ближайшей области видимости окружающего пространства имен.

Рассмотрим самый простой случай. Предположим, что в глобальной области видимости определено пространство имен А и функция f(). Если функция f() имеет директиву using для пространства имен А, функция f() будет вести себя так, как будто имена пространства имен А присутствовали в глобальной области видимости до определения функции f().

// пространство имен А и функция f() определены в глобальной области

// видимости

namespace А {

 int i, j;

}

void f() {

 using namespace A; // переводит имена из области видимости А в

                    // глобальную область видимости

 cout << i * j << endl; // использует i и j из пространства имен A

 // ...

}

Пример директив using

Рассмотрим следующий пример:

namespace blip {

 int i = 16, j = 15, k = 23; // другие объявления

}

int j = 0; // ok: j в пространстве имен blip скрыта

void manip() {

 // директива using; имена пространства имен blip "добавляются" к

 // глобальной области видимости

 using namespace blip; // конфликт между ::j и blip::j

 // обнаруживается только при использовании j

 ++i;        // присваивает blip::i значение 17

 ++j;        // ошибка неоднозначности: global j или blip::j?

 ++::j;      // ok: присваивает глобальной j значение 1

 ++blip::j;  // ok: присваивает blip::j значение 16

 int k = 97; // локальная k скрывает blip::k

 ++k;        // присваивает локальной k значение 98

}

Директива using в функции manip() делает все имена пространства имен blip доступными непосредственно. То есть функция manip() может обращаться к этим членам, используя краткую форму имен.

Члены пространства имен blip выглядят так, как будто они были определены в одной области видимости. Если пространство имен blip определено в глобальной области видимости, его члены будут выглядеть так, как будто они объявлены в глобальной области видимости.

Когда пространство имен вводится в окружающую область видимости, имена в пространстве имен вполне могут вступить в конфликт с другими именами, определенными (включенными) в той же области видимости. Например, в функции manip() член j пространства имен blip вступает в конфликт с глобальным объектом j. Такие конфликты разрешимы, но для использования имени следует явно указать, какая версия имеется в виду. Любое использование имени j в пределах функции manip() ведет к неоднозначности.

Чтобы использовать такое имя, как j, следует применить оператор области видимости, позволяющий указать требуемое имя. Для указания переменной j, определенной в глобальной области видимости, нужно написать ::j, а для определенной в пространстве имен blip — blip::j.

Поскольку имена находятся в разных областях видимости, локальные объявления в пределах функции manip() могут скрыть некоторые из имен пространства имен. Локальная переменная k скрывает член пространства имен blip::k. Обращение к переменной k в пределах функции manip() вполне однозначно, это обращение к локальной переменной k.

Заголовки и объявления using или директивы

Заголовок, содержащий директиву или объявление using в своей области видимости верхнего уровня, вводит свои имена в каждый файл, который подключает заголовок. Обычно заголовки должны определять только те имена, которые являются частью его интерфейса, но не имена, используемые в его реализации. В результате файлы заголовка не должны содержать директив или объявлений using, кроме как в функциях или пространствах имен (см. раздел 3.1).

Внимание! Избегайте директив using

Директивы using , вводящие в область видимости все имена из пространства имен, обманчиво просты в использовании. Единственный оператор делает видимыми имена всех членов пространства имен. Хоть этот подход может показаться простым, он создает немало проблем. Если в приложении использовано много библиотек и директива using сделает видимыми имена, определенные в них, то вновь возникнет проблема загромождения глобального пространства имен.

Кроме того, не исключено, что при выходе новой версии библиотеки вполне работоспособная в прошлом программа перестанет компилироваться. Причиной этой проблемы может быть конфликт имен новой версии с именами, которые использовались прежде.

Еще одна вызванная директивой using проблема неоднозначности обнаруживается только в момент применения. Столь позднее обнаружение означает, что конфликты могут возникать значительно позже применения определенной библиотеки. То есть при использовании в программе новой библиотеки могут возникнуть не обнаруженные ранее конфликты.

Поэтому лучше не полагаться на директиву using и использовать объявление using для каждого конкретного имени пространства имен, используемого в программе. Это уменьшит количество имен, вводимых в пространство имен. Кроме того, ошибки неоднозначности, причиной которых является объявление using , обнаруживаются в точке объявления, а это существенно упрощает их поиск.

Директивы using на самом деле полезны в файлах реализации самого пространства имен.

Упражнения раздела 18.2.2

Упражнение 18.15. Объясните различия между объявлением и директивой using.

Упражнение 18.16. Объясните следующий код с учетом того, что объявления using для всех членов пространства имен Exercise находятся в области, помеченной как позиция 1 . Что, если вместо этого они располагаются в позиции 2 ? Теперь ответьте на тот же вопрос, но замените объявления using директивой using для пространства имен Exercise.

namespace Exercise {

 int ivar = 0;

 double dvar = 0;

 const int limit = 1000;

}

int ivar = 0;

// позиция 1

void manip() {

 // позиция 2

 double dvar = 3.1416;

 int iobj = limit + 1;

 ++ivar;

 ++::ivar;

}

Упражнение 18.17. Напишите код для проверки ответов на предыдущий вопрос.

 

18.2.3. Классы, пространства имен и области видимости

Поиск имен, используемых в пространстве имен, происходит согласно обычным правилам поиска в языке С++: сначала во внутренней, а затем во внешней области видимости. Имя, используемое в пространстве имен, может быть определено в одном из окружающих пространств имен, включая глобальное пространство имен. Однако учитываются только те имена, которые были объявлены перед точкой использования в блоках, которые все еще открыты.

namespace A {

 int i;

 namespace В {

  int i; // скрывает A::i в В

  int j;

  int f1() {

   int j;    // j локальна для f1() и скрывает A::B::j

   return i; // возвращает B::i

  }

 } // пространство имен В закрыто, и его имена больше не видимы

 int f2() {

  return j; // ошибка: j не определена

 }

 int j = i; // инициализируется значением A::i

}

Когда класс расположен в пространстве имен, процесс поиска остается обычным: когда имя используется функцией-членом, его поиск начинается в самой функции, затем в пределах класса (включающий базовые классы), а потом в окружающих областях видимости, одной или несколькими из которых могли бы быть пространства имен:

namespace A {

 int i;

 int k;

 class C1 {

 public:

  C1(): i(0), j(0) { }   // ok: инициализирует C1::i и C1::j

  int f1() { return k; } // возвращает A::k

  int f2() { return h; } // ошибка: h не определена

  int f3();

 private:

  int i; // скрывает A::i в C1

  int j;

 };

 int h = i; // инициализируется значением A::i

}

// член f3() определен вне класса C1 и вне пространства имен A

int A::C1::f3() { return h; } // ok: возвращает A::h

За исключением определений функций-членов, расположенных в теле класса (см. раздел 7.4.1), области видимости всегда просматриваются снизу вверх: имя должно быть объявлено прежде его применения. Следовательно, оператор return функции f2() не будет откомпилирован. Он попытается обратиться к имени h из пространства имен А, но там оно еще не определено. Если бы это имя h было определено в пространстве имен А прежде определения класса C1, его использование было бы вполне допустимо. Аналогично использование имени h в функции f3() вполне допустимо, поскольку функция f3() определена уже после определения А::h.

Порядок просмотра областей видимости при поиске имени определяется по полностью квалифицированному имени функции. Полностью квалифицированное имя указывает в обратном порядке области видимости, в которых происходит поиск.

Спецификаторы A::C1::f3() указывают обратный порядок, в котором просматриваются области видимости класса и пространств имен. Первая область видимости — это функция f3(). Далее следует область видимости ее класса C1. Область видимости пространства имен А просматривается в последнюю очередь, перед переходом к области видимости, содержащей определение функции f3().

#magnify.png Зависимый от аргумента поиск и параметры типа класса

Рассмотрим простую программу:

std::string s;

std::cin >> s;

Как известно, этот вызов эквивалентен следующему (см. раздел 14.1):

operator>>(std::cin, s);

Функция operator>> определена библиотекой string, которая в свою очередь определяется в пространстве имен std. Но все же оператор >> можно вызвать без спецификатора std:: и без объявления using.

Непосредственно обратиться к оператору вывода можно потому, что есть важное исключение из правила сокрытия имен, определенных в пространстве имен. Когда объект класса передается функции, компилятор ищет пространство имен, в котором определяется класс аргумента в дополнение к обычному поиску области видимости. Это исключение применимо также к вызовам с передачей указателей или ссылок на тип класса.

В этом примере, когда компилятор встречает "вызов" оператора operator>>, он ищет соответствующую функцию в текущей области видимости, включая области видимости, окружающие оператор вывода. Кроме того, поскольку выражение вывода имеет параметры типа класса, компилятор ищет также в пространствах имен, в которых определяются типы cin и s. Таким образом, для этого вызова компилятор просмотрит пространство имен std, определяющее типы istream и string. При поиске в пространстве имен std компилятор находит функцию вывода класса string.

Это исключение из правил поиска позволяет функции, не являющейся членом класса, быть концептуально частью интерфейса к классу и использоваться без отдельного объявления using. Без этого исключения из правил поиска для оператора вывода всегда пришлось бы предоставлять соответствующее объявление using:

using std::operator>>; // чтобы позволить cin >> s

Либо пришлось бы использовать форму записи вызова функции, включающую спецификатор пространства имен:

std::operator>>(std::cin, s); // ok: явное использование std::>>

He было бы никакого способа использовать синтаксис оператора. Любое из этих объявлений выглядит неуклюже и существенно затруднило бы использование библиотеки ввода-вывода.

Поиск и функции std::move() и std::forward()

Многим, возможно, даже большинству программистов С++ никогда не понадобится зависимый от аргумента поиск. Обычно, если приложение определяет имя, уже определенное в библиотеке, истинно одно из двух: либо обычные правила перегрузки определят, относится ли данный конкретный вызов к библиотечной версии функции, или к версии приложения, или приложение никогда не сможет использовать библиотечную функцию.

Теперь рассмотрите библиотечные функции move() и forward(). Обе являются шаблонами функций, и библиотека определяет их версии с одним параметром функции в виде ссылки на r-значение. Как уже упоминалось, параметру ссылки на r-значение в шаблоне функции может соответствовать любой тип (см. раздел 16.2.6). Если приложение определяет функцию по имени move(), получающую один параметр, то (вне зависимости от типа параметра) версия функции move() из приложения вступит в конфликт с библиотечной версией. Это справедливо и для функции forward().

В результате конфликты имен для функций move() (и forward()) более вероятны, чем для других библиотечных функций. Кроме того, поскольку функции move() и forward() осуществляют весьма специфические для типа манипуляции, вероятность того, что в приложении специально необходимо переопределить поведение этих функций, довольно мала.

Тот факт, что конфликты имен с этими функциями более вероятны (и менее вероятно, что намеренными), объясняет, почему их имена всегда следует использовать полностью квалифицированными (см. раздел 12.1.5). Форма записи std::move(), а не просто move() гарантирует применение версии из стандартной библиотеки.

#magnify.png Дружественные объявления и зависимый от аргумента поиск

Напомним, что на момент, когда класс объявляет функцию дружественной (см. раздел 7.2.1), объявление функции необязательно должно быть видимым. Если объявление функции еще не видимо, результатом объявления ее дружественной окажется помещение объявления данной функции или класса в окружающую область видимости. Комбинация этого правила и зависимого от аргумента поиска может привести к неожиданным результатам:

namespace A {

 class С {

  // два друга; ничего не объявлено кроме дружественных отношений

  // эти функции неявно являются членами пространства имен A

  friend void f2(); // не будет найдено, если не объявлено иное

  friend void f(const C&); // найдено зависимым от аргумента

                           // поиском

 };

}

Здесь функции f() и f2() являются членами пространства имен А. Зависимый от аргумента поиск позволяет вызвать функцию f(), даже если для нее нет никакого дополнительного объявления:

int main() {

 A::C cobj;

 f(cobj); // ok: находит A::f() по объявлению дружественным в A::C

 f2();    // ошибка: A::f2() не объявлена

}

Поскольку функция f() получает аргумент типа класса и неявно объявляется в том же пространстве имен, что и C, при вызове она будет найдена. Так как у функции f2() никакого параметра нет, она не будет найдена.

Упражнения раздела 18.2.3

Упражнение 18.18. С учетом следующего типичного определения функции swap() в разделе 13.3 определите, какая ее версия используется, если mem1 имеет тип string. Что, если mem1 имеет тип int? Объясните, как будет проходить поиск имен в обоих случаях.

void swap(T v1, T v2) {

 using std::swap;

 swap(v1.mem1, v2.mem1);

 // обмен остальных членов типа Т

}

Упражнение 18.19. Что, если бы вызов функции swap() был бы таким

std::swap(v1.mem1, v2.mem1)?

 

18.2.4. Перегрузка и пространства имен

Пространства имен могут повлиять на подбор функции (см. раздел 6.4) двумя способами. Один из них вполне очевиден: объявление или директива using может добавить функцию в набор кандидатов. Второй способ менее очевиден.

#magnify.png Зависимый от аргумента поиск и перегрузка

Как упоминалось в предыдущем разделе, поиск имен функций, имеющих один или несколько аргументов типа класса, осуществляется также и в пространстве имен, в котором определен класс каждого аргумента. Это правило влияет также и на выбор кандидатов. Каждое пространство имен, в котором определен класс, используемый в качестве типа параметра (а также те, в которых определены его базовые классы), участвует в поиске функции-кандидата. Все функции этих пространств имен, которые имеют имя, совпадающее с использованным при вызове, будут добавлены в набор кандидатов. Эти функции будут добавлены даже тогда, когда они не видимы в точке обращения:

namespace NS {

 class Quote { /* ... */ };

 void display(const Quote&) { /* ... */ }

}

// Базовый класс Bulk_item объявлен в пространстве имен NS

class Bulk_item : public NS::Quote { /* ... */ };

int main() {

 Bulk_item book1;

 display(book1);

 return 0;

}

Аргумент book1 функции display() имеет тип класса Bulk_item. Функциями-кандидатами для этого вызова функции display() будут не только функции с объявлениями, видимыми на момент вызова, но и те, которые объявлены в пространстве имен класса Bulk_item и его базового класса Quote. Таким образом, функция display(const Quote&), объявленная в пространстве имен NS, будет добавлена в набор функций кандидатов.

Перегрузка и объявления using

Чтобы уяснить взаимодействие объявлений using и перегрузки, важно помнить, что объявление using объявляет только имя, а не конкретную функцию (см. раздел 15.6):

using NS::print(int); // ошибка: нельзя указать список параметров

using NS::print;      // ok: в объявлении using указывают только имена

Когда объявление using используется для функции, все версии этой функции переводятся в текущую область видимости.

Объявление using подключает все версии перегруженной функции, чтобы не нарушить интерфейс пространства имен. Ведь предоставляя разные версии функции, автор библиотеки имел на то весомую причину. Разрешив пользователям игнорировать некоторые (но не все) функции из набора перегруженных версий, можно получить довольно странное поведение программы.

Функции, предоставленные объявлением using, перегружают любые другие объявления одноименных функций, уже находящихся в данной области видимости.

Если объявление using расположено в локальной области видимости, эти имена скрывают существующие объявления для того имени во внешней области видимости. Если объявление using вводит функцию в область видимости, в которой уже есть функция с тем же именем и тем же списком параметров, объявление using окажется ошибочным. В противном случае объявление using создаст дополнительный перегруженный экземпляр данной функции. В результате набор функций-кандидатов увеличится.

Перегрузка и директивы using

Директива using переводит члены пространства имен в окружающую область видимости. Если имя функции пространства имен совпадает с именем функции той области видимости, в которую помещено пространство имен, эта функция будет добавлена в набор перегруженных функций.

namespace libs_R_us {

 extern void print(int);

 extern void print(double);

}

// обычное объявление

void print(const std::string &);

// директива using добавила имена в набор функций-кандидатов для вызова

// функции print():

using namespace libs_R_us;

// кандидатами на вызов print() в настоящий момент являются:

// print(int) from libs_R_us

// print(double) from libs_R_us

// print(const std::string &) declared explicitly

void fooBar(int ival) {

 print("Value: "); // вызов глобальной print(const string &)

 print(ival);      // вызов libs_R_us::print(int)

}

В отличие от объявления using, не будет ошибки, если директива using предоставит функцию с теми же параметрами, что и у существующей функции. Подобно другим конфликтам, вызванным директивами using, не будет никаких проблем, если не пытаться вызывать функцию без уточнения, относится ли она к пространству имен или к текущей области видимости.

Перегрузка при нескольких директивах using

Если в коде присутствует несколько директив using, частью набора функций-кандидатов станут соответствующие функции из каждого пространства имен.

namespace AW {

 int print(int);

}

namespace Primer {

 double print(double);

}

// директивы using создают набор перегруженных функций из разных

// пространств имен

using namespace AW;

using namespace Primer;

long double print(long double);

int main() {

 print(1);   // вызов AW::print(int)

 print(3.1); // вызов Primer::print(double)

 return 0;

}

Набор перегруженных функций print() в глобальной области видимости содержит функции print(int), print(double) и print(long double). Все они составят набор перегруженных функций, рассматриваемых при вызове функции print() в функции main(), даже в том случае, если первоначально эти функции были объявлены в различных областях видимости пространства имен.

Упражнения раздела 18.2.4

Упражнение 18.20. С учетом следующего кода укажите, какие из функций (если они есть) соответствуют обращению к функции compute(). Перечислите функции-кандидаты и подходящие функции. Какая последовательность преобразований типов (если есть) будет применена к аргументу, чтобы он точно соответствовал параметру каждой подходящей функции?

namespace primerLib {

 void compute();

 void compute(const void *);

}

using primerLib::compute;

void compute(int);

void compute(double, double = 3.4);

void compute(char*, char* = 0);

void f() {

 compute(0);

}

Что произойдет в случае, если объявления using будут расположены в функции main() перед обращением к функции compute()? Ответьте на те же вопросы, что и в предыдущем упражнении.

 

Множественное наследование (multiple inheritance) — это способность получить класс как производный непосредственно от нескольких базовых классов (см. раздел 15.2.2). Полученный в результате класс наследует свойства всех своих базовых классов. Несмотря на простоту концепции, одновременное использование нескольких базовых классов может создать достаточно много сложностей как на этапе проектирования, так и на этапе реализации.

Для исследования множественного наследования используем пример иерархии из животного мира. Животные расположены на разных уровнях абстракции. Есть индивидуальные животные, различающееся по именам, такие как Ling-ling (Линг-линг), Mowgli (Маугли) и Balou (Балу). Каждое животное можно отнести к определенному виду; Линг-линг, например, это гигантская панда. Виды в свою очередь относятся к определенным семействам. Гигантская панда принадлежит к семейству медведей, а каждое семейство является членом сообщества животного мира.

Каждый уровень абстракции содержит разнообразные данные и функции. Определим класс ZooAnimal как абстрактный, призванный содержать информацию, которая является общей для всех животных и предоставляет открытый интерфейс. Класс Bear (Медведь) будет содержать информацию, которая является специфической для семейства медведей, и т.д.

Кроме классов животных, здесь можно определить дополнительные классы, которые инкапсулируют различные абстракции, например, животных, подвергающихся опасности. В данной реализации класс Panda (Панда) будет получен в результате множественного наследования от классов Bear и Endangered (Подвергающийся опасности).

 

18.3.1. Множественное наследование

Список наследования производного класса может содержать несколько базовых классов:

class Bear : public ZooAnimal { /* ... */ };

class Panda : public Bear, public Endangered { /* ... */ };

У каждого базового класса есть необязательный спецификатор доступа (см. раздел 15.5). Как обычно, если спецификатор доступа отсутствует, по умолчанию подразумевается спецификатор private (закрытый), если используется ключевое слово class, и public (открытый), если используется ключевое слово struct (см. раздел 15.5).

Как и при одиночным наследовании, список наследования может включить только те классы, которые были определены и не были определены как final (см. раздел 15.2.2). Язык С++ не налагает никаких ограничений на количество базовых классов, из которых может быть получен производный класс. Однако базовый класс может присутствовать в списке наследования только один раз.

При множественном наследовании классы наследуют состояние каждого из базовых классов

При множественном наследовании объект производного класса внутренне содержит объекты каждого из своих базовых классов (см. раздел 15.2.2). Например, на рис. 18.2 у объекта Panda есть часть класса Bear (которая сама содержит часть ZooAnimal), часть класса Endangered и нестатические переменные-члены, если таковые имеются, объявленные в пределах класса Panda.

Рис. 18.2. Концептуальная структура объекта класса Panda

Конструкторы производного класса инициализируют все объекты базовых классов

Создание объекта производного класса подразумевает создание и инициализацию внутренних объектов всех его базовых классов. В случае одиночного наследования из (единого) базового класса (см. раздел 15.2.2) в списке инициализации конструктора производного класса можно передать значения только для прямых базовых классов:

// явная инициализация объектов обоих базовых классов

Panda::Panda(std::string name, bool onExhibit)

 : Bear(name, onExhibit, "Panda"),

   Endangered(Endangered::critical) { }

// неявное применение стандартного конструктора класса Bear для

// инициализации его внутреннего объекта

Panda::Panda()

 : Endangered(Endangered::critical) { }

Список инициализации конструктора позволяет передать аргументы каждому из прямых базовых классов, однако порядок выполнения конструкторов (constructor order) зависит от порядка их расположения в списке наследования класса. Порядок их расположения в списке инициализации конструктора не имеет значения. Объект класса Panda инициализируется следующим образом.

• Внутренний объект класса ZooAnimal, самого первого базового класса иерархии класса Panda, непосредственного базового для класса Bear создается первым.

• Внутренний объект класса Bear, первого непосредственного базового класса для класса Panda, инициализируется следующим.

• Внутренний объект класса Endangered, второго непосредственного базового класса для класса Panda, инициализируется следующим.

• Последней инициализируется наиболее производная часть класса Panda.

Унаследованные конструкторы и множественное наследование

По новому стандарту производный класс может наследовать свои конструкторы от одного или нескольких своих базовых классов (см. раздел 15.7.4). Нельзя наследовать тот же конструктор (т.е. конструктор с тем же списком параметров) от более чем одного базового класса:

struct Base1 {

 Base1() = default;

 Base1(const std::string&);

 Base1(std::shared_ptr);

};

struct Base2 {

 Base2() = default;

 Base2(const std::string&);

 Base2(int);

};

// ошибка: D1 пытается унаследовать D1::D1(const string&) от обоих

// базовых классов

struct D1: public Base1, public Base2 {

 using Base1::Base1; // наследует конструкторы от Base1

 using Base2::Base2; // наследует конструкторы от Base2

};

Класс, унаследовавший тот же конструктор от нескольких базовых классов, должен определить собственную версию этого конструктора:

struct D2: public Base1, public Base2 {

 using Base1::Base1; // наследует конструкторы от Base1

 using Base2::Base2; // наследует конструкторы от Base2

 // D2 должен определить собственный конструктор, получающий string

 D2(const string &s) : Base1(s), Base2(s) { }

 D2() = default; // необходимо, поскольку D2 определяет собственный

                 // конструктор

};

Деструкторы и множественное наследование

Как обычно, деструктор в производном классе отвечает за освобождение ресурсов, зарезервированных этим классом. Автоматически освобождаются члены только производного класса и всех базовых классов. Тело синтезируемого деструктора пусто.

Деструкторы всегда выполняются в порядке, обратном вызову конструкторов. В данном примере порядок вызова деструкторов будет следующим: ~Panda(), ~Endangered(), ~Bear(), ~ZooAnimal().

Функции копирования и перемещения при множественном наследовании

Как и в случае одиночного наследования, классы с несколькими базовыми классами, определяющими собственные конструкторы копирования, перемещения и операторы присвоения, должны копировать, перемещать и присваивать весь объект (см. раздел 15.7.2). Базовые части класса, производного от нескольких базовых, автоматически копируются, перемещаются и присваиваются, только если производный класс использует синтезируемые версии этих функций-членов. В синтезируемых функциях-членах управления копированием каждый базовый класс неявно создается, присваивается или удаляется с использованием соответствующего члена базового класса.

Например, если класс Panda использует синтезируемые функции-члены, то инициализация объекта ling_ling вызовет конструктор копий класса Bear, который в свою очередь вызовет конструктор копий класса ZooAnimal прежде, чем выполнить конструктор копий класса Bear:

Panda ying_yang("ying_yang");

Panda ling_ling = ying_yang; // использует конструктор копий

Как только часть Bear объекта ling_ling создана, выполняется конструктор копий класса Endangered, создающий соответствующую часть объекта. И наконец, выполняется конструктор копий класса Panda. Аналогично для синтезируемого конструктора перемещения.

Синтезируемый оператор присвоения копии ведет себя так же, как и конструктор копий. Сначала он присваивает часть Bear (и его часть ZooAnimal) объекта, затем часть Endangered и наконец часть Panda. Оператор присвоения при перемещении ведет себя подобным образом.

Упражнения раздела 18.3.1

Упражнение 18.21. Объясните следующие объявления. Найдите все ошибки и объясните их причину:

(a) class CADVehicle : public CAD, Vehicle { ... };

(b) class DblList: public List, public List { ... };

(c) class iostream: public istream, public ostream { ... };

Упражнение 18.22. С учетом следующей иерархии класса, в которой у каждого класса определен стандартный конструктор:

class A { ... };

class B : public A { ... };

class C : public B { ... };

class X { ... };

class Y { ... };

class Z : public X, public Y { ... };

class MI : public C, public Z { ... };

Каков порядок выполнения конструкторов при создании следующего объекта?

MI mi;

 

18.3.2. Преобразования и несколько базовых классов

При одиночном наследовании указатель или ссылка на производный класс могут быть автоматически преобразованы в указатель или ссылку на базовый класс (см. раздел 15.2.2 и раздел 15.5). Это справедливо и для множественного наследования. Указатель или ссылка на производный класс могут быть преобразованы в указатель или ссылку на любой из его базовых классов. Например, указатель или ссылка на класс ZooAnimal, Bear или Endangered может указывать или ссылаться на объект класса Panda.

// функции, получающие ссылки на класс, базовый для класса Panda

void print(const Bear&);

void highlight(const Endangered&);

ostream& operator<<(ostream&, const ZooAnimal&);

Panda ying_yang("ying_yang");

print(ying_yang);          // передает объект класса Panda как

                           // ссылку на объект класса Bear

highlight(ying_yang);      // передает объект класса Panda как

                           // ссылку на объект класса Endangered

cout << ying_yang << endl; // передает объект класса Panda как

                           // ссылку на объект класса ZooAnimal

Компилятор даже не пытается как-то различать базовые классы. Преобразования в каждый из базовых классов происходят одинаково успешно. Рассмотрим, например, перегруженную версию функции print():

void print(const Bear&);

void print(const Endangered&);

Вызов функции print() без квалификации для объекта класса Panda приведет к ошибке во время выполнения.

Panda ying_yang("ying_yang");

print(ying_yang); // ошибка: неоднозначность

Поиск на основании типа указателя или ссылки

Как и при одиночном наследовании, статический тип объекта, указателя или ссылки определяет, какие из членов можно использовать. Если используется указатель класса ZooAnimal, для применения будут пригодны только те функции, которые определены в этом классе. Части интерфейса класса Panda, специфические для классов Bear, Panda и Endangered, окажутся недоступны. Аналогично указатель или ссылка на класс Bear применимы только для доступа к членам классов Bear и ZooAnimal, а указатель или ссылка на класс Endangered ограничены лишь членами класса Endangered.

В качестве примера рассмотрим следующие вызовы с учетом того, что эти классы определяют виртуальные функции, перечисленные в табл. 18.1.

Bear *pb = new Panda("ying_yang");

pb->print();     // ok: Panda::print()

pb->cuddle();    // ошибка: не является частью интерфейса Bear

pb->highlight(); // ошибка: не является частью интерфейса Bear

delete pb;       // ok: Panda::~Panda()

Когда объект класса Panda используется при помощи указателя или ссылки на класс Endangered, части объекта класса Panda, специфические для классов Panda и Bear, становятся недоступными.

Endangered *ре = new Panda("ying_yang");

pe->print();     // ok: Panda::print()

pe->toes();      // ошибка: не является частью интерфейса Endangered

pe->cuddle();    // ошибка: не является частью интерфейса Endangered

pe->highlight(); // ok: Panda::highlight()

delete pe;       // ok: Panda::~Panda()

Таблица 18.1. Виртуальные функции иерархии классов ZooAnimal / Endangered

Упражнения раздела 18.3.2

Упражнение 18.23. Используя иерархию из упражнения 18.22, а также определенный ниже класс D и c учетом наличия у каждого класса стандартного конструктора, укажите, какие из следующих преобразований недопустимы (если таковые вообще имеются)?

class D : public X, public С { ... };

D *pd = new D;

(a) X *px = pd; (b) A *pa = pd;

(с) B *pb = pd; (d) C *pc = pd;

Упражнение 18.24. Выше представлена последовательность вызовов через указатель на класс Bear, указывающих на объект класса Panda. Объясните каждый вызов, подразумевая, что вместо него используется указатель на класс ZooAnimal, указывающий на объект класса Panda.

Упражнение 18.25. Предположим, существуют два базовых класса, Base1 и Base2, в каждом из которых определена виртуальная функция-член по имени print() и виртуальный деструктор. От этих базовых классов были получены следующие классы, в каждом из которых переопределена функция print().

class D1 : public Base1 { /* ... */ };

class D2 : public Base2 { /* ... */ };

class MI : public D1, public D2 {/* ... */ };

Используя следующие определения, укажите, какая из функций используется при каждом вызове:

Base1 *pb1 = new MI;

Base2 *pb2 = new MI;

D1 *pd1 = new MI;

D2 *pd2 = new MI;

(a) pb1->print(); (b) pd1->print(); (c) pd2->print();

(d) delete pb2;   (e) delete pd1;   (f) delete pd2;

 

18.3.3. Область видимости класса при множественном наследовании

При одиночном наследовании область видимости производного класса вкладывается в пределы его прямых и косвенных базовых классов (см. раздел 15.6). Поиск имен осуществляется по всей иерархии наследования. Имена, определенные в производном классе, скрывают совпадающие имена в базовом классе.

При множественном наследовании поиск осуществляется одновременно во всех прямых базовых классах. Если имя находится в нескольких базовых классах, происходит ошибка неоднозначности.

В рассматриваемом примере, если имя используется через указатель, ссылку или объект класса Panda, деревья иерархии Endangered и Bear/ZooAnimal исследуются параллельно. Если имя находится в нескольких иерархиях, то возникнет неоднозначность. Для класса вполне допустимо наследовать несколько членов с тем же именем. Но если это имя необходимо использовать, следует указать, какая именно версия имеется в виду.

Когда у класса есть несколько базовых классов, производный класс вполне может унаследовать одноименный член от двух и более своих базовых классов. При использовании этого имени без уточнения класса происходит неоднозначность.

Например, если классы ZooAnimal и Endangered определяют функцию-член max_weight(), а класс Panda не определяет ее, то следующий вызов ошибочен:

double d = ying_yang.max_weight();

В результате наследования класс Panda получает две функции-члена max_weight(), что совершенно допустимо. Наследование создает потенциальную неоднозначность. Ее вполне можно избежать, если объект Panda не будет вызывать функцию-член max_weight(). Ошибки также можно избежать, если явно указать требуемую версию функции: ZooAnimal::max_weight() или Endangered::max_weight(). Ошибка неоднозначности произойдет только при попытке использования функции без уточнения.

Неоднозначность двойного наследования функции-члена max_weight вполне очевидна и логична. Удивительно узнать то, что ошибка произошла бы, даже если у двух наследованных функций были разные списки параметров. Точно так же эта ошибка произошла бы даже в случае, если бы функция max_weight() была закрытой в одном классе и открытой или защищенной в другом. И наконец, если бы функция max_weight() была определена в классе Bear, а не в классе ZooAnimal, то вызов все равно был бы ошибочен.

Как обычно, поиск имени осуществляется под контролем соответствия типов (см. раздел 6.4.1). Когда компилятор находит имя функции max_weight() в двух разных областях видимости, он оповещает об ошибке неоднозначности.

Проще всего избежать потенциальных неоднозначностей, определив версию такой функции в производном классе. Например, снабдив класс Panda функцией max_weight(), можно решить все проблемы:

double Panda::max_weight() const {

 return std::max(ZooAnimal::max_weight(),

                 Endangered::max_weight());

}

Упражнения раздела 18.3.3

Упражнение 18.26. С учетом иерархии кода для упражнений объясните, почему ошибочен следующий вызов функции print()? Исправьте структуру MI так, чтобы позволить этот вызов.

MI mi;

mi.print(42);

Упражнение 18.27. С учетом иерархии кода для упражнений и того, что в структуру MI добавлена приведенная ниже функция foo(), ответьте на следующие вопросы:

int ival;

double dval;

void MI::foo(double cval) {

 int dval;

 // варианты вопросов упражнения располагаются здесь ...

}

(a) Перечислите все имена, видимые из функции MI::foo().

(b) Видимы ли какие-нибудь имена из больше чем одного базового класса?

(c) Присвойте локальному экземпляру переменной dval сумму переменных-членов dval объектов классов Base1 и Derived.

(d) Присвойте значение последнего элемента вектора MI::dvec переменной-члену Base2::fval.

(e) Присвойте переменной-члену cval класса Base1 первый символ строки sval класса Derived.

Код для упражнений раздела 18.3.3

struct Base1 {

 void print(int) const; // по умолчанию открыты

protected:

 int ival;

 double dval;

 char cval;

private:

 int *id;

};

struct Base2 {

 void print(double) const; // по умолчанию открыты

protected:

 double fval;

private:

 double dval;

};

struct Derived : public Base1 {

 void print(std::string) const; // по умолчанию открыты

protected:

 std::string sval;

 double dval;

};

struct MI : public Derived, public Base2 {

 void print(std::vector); // по умолчанию открыты

protected:

 int *ival;

 std::vector dvec;

};

 

18.3.4. Виртуальное наследование

Хотя список наследования класса не может включать тот же базовый класс несколько раз, класс вполне может унаследовать тот же базовый класс многократно. Тот же базовый класс может быть унаследован косвенно, от двух его собственных прямых базовых классов, либо он может унаследовать некий класс и прямо, и косвенно, через другой из его базовых классов.

Например, библиотечные классы ввода-вывода istream и ostream происходят от общего абстрактного базового класса basic_ios. Этот класс содержит буфер потока и управляет флагом состояния потока. Класс iostream, способный и читать, и писать в поток, происходит непосредственно и от класса istream, и от класса ostream. Поскольку оба класса происходят от класса basic_ios, класс iostream наследует этот базовый класс дважды: один раз от класса istream и один раз от класса ostream.

По умолчанию объект производного класса содержит отдельные части, соответствующие каждому классу в его цепи наследования. Если тот же базовый класс наследуется несколько раз, то у объекта производного класса будет больше одного внутреннего объекта этого типа.

Для такого класса, как iostream, это стандартное поведение не работает. Объект класса iostream должен использовать тот же буфер и для чтения, и для записи, а его флаг должен отражать состояние операций и ввода, и вывода. Если у объекта класса iostream будут две копии объекта класса basic_ios, то их совместное использование невозможно.

В языке С++ для решения этой проблемы используется виртуальное наследование (virtual inheritance). Виртуальное наследование позволяет классу указать, что его базовый класс будет использоваться совместно. Совместно используемый внутренний объект базового класса называется виртуальным базовым классом (virtual base class). Независимо от того, сколько раз тот же базовый виртуальный класс присутствует в иерархии наследования, объект производного класса содержит только один совместно используемый внутренний объект этого виртуального базового класса.

Разные классы Panda

В прошлом велись дебаты о принадлежности вида панда к семейству енотов или медведей. Чтобы отобразить эти сомнения, изменим класс Panda так, чтобы он происходил и от класса Bear, и от класса Raccoon. Чтобы избавить класс Panda от двух частей базового класса ZooAnimal, определим наследование классов Bear и Raccoon от класса ZooAnimal как виртуальное. Новая иерархия представлена на рис. 18.3.

Рис. 18.3. Виртуальное наследование в иерархии класса Panda

Глядя на новую иерархию, можно заметить неочевидный аспект виртуального наследования. Виртуальное наследование должно быть осуществлено прежде, чем в нем возникнет потребность. Например, в этих классах потребность в виртуальном наследовании возникает только при определении класса Panda. Но если бы классы Bear и Raccoon не определили бы свое происхождение от класса ZooAnimal как виртуальное, конструкция класса Panda была бы неудачна.

На практике необходимость наличия промежуточного базового класса при виртуальном наследовании редко создает проблемы. Обычно иерархия классов, в которой используется виртуальное наследование, разрабатывается сразу и одним лицом (или группой разработчиков). Ситуации, когда разработку виртуального базового класса необходимо поручить независимому производителю, чрезвычайно редки, а разработчик нового базового класса не может внести изменения в существующую иерархию.

Виртуальное наследование влияет на те классы, которые происходят от виртуального базового класса впоследствии; оно не влияет на класс производный непосредственно.

Использование виртуального базового класса

Базовый класс объявляется виртуальным при помощи ключевого слова virtual в списке наследования:

// порядок расположения ключевых слов public и virtual несуществен

class Raccoon : public virtual ZooAnimal { /* ... */ };

class Bear : virtual public ZooAnimal { /* ... */ };

Здесь класс ZooAnimal объявлен виртуальным базовым для классов Bear и Raccoon.

Спецификатор virtual заявляет о готовности совместно использовать единый экземпляр указанного базового класса в последующих производных классах. Нет никаких особых ограничителей на классы, используемые как виртуальные базовые классы.

Для наследования от класса, имеющего виртуальный базовый класс, не нужно ничего особенного:

class Panda : public Bear,

              public Raccoon, public Endangered {

};

Здесь класс Panda наследует класс ZooAnimal через два своих базовых класса — Raccoon и Bear. Но поскольку эти классы происходят от класса ZooAnimal виртуально, у класса Panda есть только одна часть базового класса ZooAnimal.

Для базовых классов поддерживаются стандартные преобразования

Объектом производного класса можно манипулировать как обычно, при помощи указателя или ссылки на базовый класс, хотя он и является виртуальным. Например, все следующие преобразования для базового класса объекта класса Panda вполне допустимы:

void dance(const Bear&);

void rummage(const Raccoon&);

ostream& operator<<(ostream&, const ZooAnimal&);

Panda ying_yang;

dance(ying_yang);   // ok: передает объект Panda как Bear

rummage(ying_yang); // ok: передает объект Panda как Raccoon

cout << ying_yang;  // ok: передает объект Panda как ZooAnimal

Видимость членов виртуальных базовых классов

Поскольку виртуальному базовому классу соответствует только один совместно используемый внутренний объект, к членам объекта этого базового класса можно обратиться непосредственно и однозначно. Кроме того, если член виртуального базового класса переопределяется только в одной ветви наследования, к этому переопределенному члену класса можно обратиться непосредственно. Если член переопределяется больше чем одним базовым классом, то производный класс вообще должен определить собственную версию этого члена.

Предположим, например, что класс В определяет члены по имени x; класс D1 виртуально наследует класс В, как и класс D2; а класс D происходит от классов D1 и D2. Из области видимости класса D член x видим через оба своих базовых класса. Есть три возможности использовать член x через объект класса D:

• Если член x не будет определен ни в классе D1, ни в D2, то будет использован член класса В; никакой неоднозначности нет. Объект класса D содержит только один экземпляр члена x.

• Если x является членом класса В и одного (но не обоих) из классов D1 или D2, никакой неоднозначности снова нет: версия в производном классе имеет приоритет перед совместно используемым виртуальным базовым классом B.

• Если член x определяется и в классе D1, и в классе D2, то прямой доступ к этому члену неоднозначен.

Как и в иерархии с невиртуальным множественным наследованием, подобная неоднозначность лучше всего устраняется переопределением члена в производном классе.

Упражнения раздела 18.3.4

Упражнение 18.28. Рассмотрим следующую иерархию класса. Можно ли в классе vmi обращаться к унаследованным членам без уточнения? Какие из них требуют полностью квалифицированных имен? Объясните, почему.

struct Base {

 void bar(int); // по умолчанию открыты

protected:

 int ival;

};

struct Derived1 : virtual public Base {

 void bar(char); // по умолчанию открыты

 void foo(char);

protected:

 char cval;

};

struct Derived2 : virtual public Base {

 void foo(int); // по умолчанию открыты

protected:

 int ival;

 char cval;

};

class VMI : public Derived1, public Derived2 { };

 

18.3.5. Конструкторы и виртуальное наследование

При виртуальном наследовании виртуальный базовый класс инициализируется конструктором самого последнего производного класса. В рассматриваемом примере при создании объекта класса Panda инициализацию членов базового класса ZooAnimal контролирует конструктор класса Panda.

Чтобы понять это правило, рассмотрим происходящее при применении обычных правил инициализации. В этом случае объект виртуального базового класса мог бы быть инициализирован несколько раз. Он был бы инициализирован вдоль каждой ветви наследования, содержащей этот виртуальный базовый класс. В данном примере, если бы к классу ZooAnimal применялись обычные правила инициализации, то части Bear и Raccoon инициализировали бы часть ZooAnimal объекта класса Panda.

Конечно, каждый базовый класс в иерархии объекта мог бы в некоторый момент быть "более производным". Поскольку вполне можно создавать независимые объекты класса, производного от виртуального базового класса, конструкторы в этом классе должны инициализировать его виртуальный базовый класс. Например, когда в рассматриваемой иерархии создается объект класса Bear (или Raccoon), никакого дальнейшего применения производного класса нет. В данном случае конструкторы класса Bear (или Raccoon) непосредственно инициализируют базовую часть ZooAnimal, как обычно:

Bear::Bear(std::string name, bool onExhibit) :

 ZooAnimal(name, onExhibit, "Bear") { }

Raccoon::Raccoon(std::string name, bool onExhibit) :

 ZooAnimal(name, onExhibit, "Raccoon") { }

Когда создается объект класса Panda, он является наиболее производным типом и контролирует инициализацию совместно используемого базового класса ZooAnimal. Даже при том, что класс ZooAnimal не является прямым базовым классом для класса Panda, часть ZooAnimal инициализирует конструктор класса Panda:

Panda::Panda(std::string name, bool onExhibit)

 : ZooAnimal(name, onExhibit, "Panda"),

   Bear(name, onExhibit),

   Raccoon(name, onExhibit),

   Endangered(Endangered::critical),

   sleeping_flag(false) { }

Как создается объект при виртуальном наследовании

Порядок создания объекта с виртуальным базовым классом немного отличается от обычного: сначала инициализируется часть виртуального базового класса с использованием инициализаторов, предоставленных в конструкторе для наиболее производного класса. Как только создана часть виртуального базового класса, создаются части прямых базовых классов в порядке их расположения в списке наследования.

Например, объект класса Panda создается так.

• Сначала создается часть виртуального базового класса ZooAnimal. При этом используются инициализаторы из списка инициализации конструктора класса Panda.

• Затем создается часть Bear.

• Затем создается часть Raccoon.

• Следующей создается часть прямого базового класса Endangered.

• Наконец создается часть Panda.

Если конструктор класса Panda не инициализирует явно часть базового класса ZooAnimal, будет использован стандартный конструктор класса ZooAnimal. Если у класса ZooAnimal нет стандартного конструктора, произойдет ошибка.

Части виртуальных базовых классов всегда создаются до частей обычных базовых классов, независимо от того, где они располагаются в иерархии наследования.

Порядок выполнения конструкторов и деструкторов

У класса может быть несколько виртуальных базовых классов. В этом случае части виртуальных классов создаются в порядке их расположения в списке наследования. Например, в следующей иерархии наследования у класса TeddyBear (МедвежонокТедди) есть два виртуальных базовых класса: прямой виртуальный базовый класс ToyAnimal (ИгрушечноеЖивотное) и косвенный базовый класс ZooAnimal, от которого происходит класс Bear:

class Character { /* ... */ };

class BookCharacter : public Character { /* ... */ };

class ToyAnimal { /* ... */ };

class TeddyBear : public BookCharacter,

 public Bear, public virtual ToyAnimal

 { / * ... * / };

Чтобы выявить наличие виртуальных базовых классов, прямые базовые классы просматриваются в порядке объявления. Если это так, то сначала создаются части виртуальных базовых классов, затем выполняются конструкторы обычных, не виртуальных базовых классов в порядке их объявления. Таким образом, чтобы создать объект класса TeddyBear, конструкторы его частей вызываются в следующем порядке:

ZooAnimal();     // виртуальный базовый класс Bear

ToyAnimal();     // прямой виртуальный базовый класс

Character();     // косвенный базовый класс первого не виртуального

                 // базового класса

BookCharacter(); // первый прямой не виртуальный базовый класс

Bear();          // второй прямой не виртуальный базовый класс

TeddyBear();     // наиболее производный класс

Тот же порядок создания используется в синтезируемом конструкторе копий и конструкторах перемещения, в синтезируемых операторах присвоения члены присваиваются в том же порядке. Вызов деструкторов базовых классов осуществляется в порядке, обратном порядку вызова конструкторов. Часть TeddyBear будет удалена сначала, а часть ZooAnimal — последней.

Упражнения раздела 18.3.5

Упражнение 18.29. Имеется следующая иерархия классов:

class Class { ... };

class Base : public Class { ... };

class D1 : virtual public Base { ... };

class D2 : virtual public Base { ... };

class MI : public D1, public D2 { ... };

class Final : public MI, public Class { ... };

(a) Каков порядок вызова конструкторов и деструкторов объектов класса Final?

(b) Сколько внутренних объектов класса Base находится в объекте класса Final? А сколько внутренних объектов класса Class?

(c) Какие из следующих случаев присвоения приведут к ошибке во время компиляции?

Base *pb; Class *pc; MI *pmi; D2 *pd2;

(a) pb = new Class; (b) pc = new Final;

(c) pmi = pb;       (d) pd2 = pmi;

Упражнение 18.30. Определите в классе Base стандартный конструктор, конструктор копий и конструктор с параметром типа int. Определите те же три конструктора в каждом производном классе. Каждый конструктор должен использовать свой аргумент для инициализации своей части Base.

 

Некоторые приложения нуждаются в специализированном распределении памяти, которое не могут обеспечить стандартные средства управления памятью. Разработчики таких приложений вынуждены вникать в подробности резервирования памяти, например, применения оператора new для помещения объекта в специфические виды памяти. Для этого они могут перегрузить операторы new и delete так, чтобы самостоятельно контролировать распределение памяти.

 

19.1.1. Перегрузка операторов

new

и

delete

Хотя говорят, что можно "перегрузить операторы new и delete", перегрузка этих операторов весьма отличается от способа перегрузки других операторов. Чтобы понять, как их можно перегрузить, следует сначала узнать больше о том, как работают выражения new и delete.

Выражение new используется так:

// выражение new

string *sp = new string("a value"); // зарезервировать и

                                    //  инициализировать строку

string *arr = new string[10]; // зарезервировать десять строк,

                              // инициализированных значением по

                              // умолчанию

Фактически здесь три этапа: сначала выражение вызывает библиотечную функцию operator new() (или operator new[]()). Эта функция резервирует не типизированную область памяти достаточного размера для содержания объекта (или массива объектов) определенного типа. Затем компилятор запускает соответствующий конструктор, чтобы создать объект (объекты) из переданных инициализаторов. И наконец, возвращается указатель на вновь зарезервированный и созданный объект.

Выражение delete применяется для удаления динамически созданного объекта:

delete sp;     // удалить *sp и освободить память,

               //  на которую указывает sp

delete [] arr; // удалить элементы массива и освободить память

Здесь два этапа: сначала для объекта, на который указывает указатель sp, или для элементов массива, на который указывает имя arr, выполняется соответствующий деструктор. Затем компилятор освобождает память, вызвав библиотечную функцию operator delete() или operator delete[]() соответственно.

Приложения, которые собираются самостоятельно контролировать распределение памяти, определяют собственные версии функций operator new() и operator delete(). Даже при том, что библиотека содержит определения этих функций, вполне можно определить их собственные версии, и компилятор не пожалуется на двойное определение. Вместо этого компилятор использует пользовательскую версию, а не определенную библиотекой.

При определении глобальных функций operator new() и operator delete() вся ответственность за динамическое распределение памяти ложится на разработчика. Эти функции должны быть корректны, так как являются жизненно важной частью всей программы.

Функции operator new() и operator delete() можно определить в глобальной области видимости или как функции-члены. Когда компилятор встречает выражение new или delete, он ищет соответствующую вызову функцию оператора. Если резервируемый (освобождаемый) объект имеет тип класса, то компилятор ищет сначала в пределах класса, включая все его базовые классы. Если у класса есть функции-члены operator new() и operator delete(), эти функции и используются в выражении new или delete. В противном случае компилятор ищет соответствующую функцию в глобальной области видимости. Если компилятор находит пользовательскую версию функции, он ее и использует для выполнения выражения new или delete. В противном случае используется версия из стандартной библиотеки.

Чтобы заставить выражение new или delete обойти функцию, предоставленную классом, и использовать таковую из глобальной области видимости, можно использовать оператор области видимости. Например, выражение ::new имеет в виду функцию operator new() только из глобальной области видимости. Аналогично для выражения ::delete.

Интерфейс функций operator new() и operator delete()

Библиотека определяет восемь перегруженных версий функций operator new() и operator delete(). Первые четыре версии оператора new способны передавать исключение bad_alloc. Следующие четыре версии оператора new не передают исключений:

// версии, способные передавать исключения

void *operator new(size_t);              // резервирует объект

void *operator new[](size_t);            // резервирует массив

void *operator delete(void*) noexcept;   // освобождает объект

void *operator delete[](void*) noexcept; // освобождает массив

// версии, обещающие не передавать исключений; см. p. 12.1.2

void *operator new(size_t, nothrow_t&) noexcept;

void *operator new[](size_t, nothrow_t&) noexcept;

void *operator delete(void*, nothrow_t&) noexcept;

void *operator delete[](void*, nothrow_t&) noexcept;

Тип nothrow_t является структурой, определенной в заголовке new. У этого типа нет никаких членов. Заголовок new определяет также константный объект nothrow, который пользователи могут передавать как сигнал, что необходима версия оператора new, не передающего исключения (см. раздел 12.1.2). Будучи деструктором, функция operator delete() не должна передавать исключения (см. раздел 18.1.1). При перегрузке этих операторов следует определить, будут ли они передавать исключения. Для этого используется спецификатор исключения noexcept (см. раздел 18.1.4).

Приложение может определить свою собственную версию любой из этих функций. Если это так, то следует определить эти функции в глобальной области видимости или как функцию-член класса. Когда эти функции операторов определены как члены класса, они неявно являются статическими (см. раздел 7.6). Нет никакой необходимости объявлять их статическими явно, хотя сделать это вполне допустимо. Функции-члены операторов new и delete должны быть статическими, поскольку они используются до создания объекта (operator new) или после его удаления (operator delete). Поэтому у них нет никаких переменных-членов, которыми они могли бы манипулировать.

У функций operator new() и operator new[]() должен быть тип возвращаемого значения void*, а их первый параметр должен иметь тип size_t. У этого параметра не может быть аргумента по умолчанию. Функция operator new() используется при резервировании объекта; функция operator new[]() вызывается при резервировании массива. Когда компилятор вызывает функцию operator new(), он инициализирует параметр типа size_t количеством байтов, необходимых для содержания объекта заданного типа; при вызове функции operator new[]() передается количество байтов, необходимых для хранения массива заданного количества элементов.

При определении собственной версии функции operator new() можно определить дополнительные параметры. Чтобы использующие такие функции выражения new могли передать аргументы этим дополнительным параметрам, следует применять размещающую форму оператора new (см. раздел 12.1.2). Хотя обычно вполне можно определить собственную версию функции operator new(), чтобы получить необходимый набор параметров, нельзя определить эту функцию в следующей форме:

void *operator new(size_t, void*); // эта версия не может быть

                                   // переопределена

Данная конкретная форма зарезервирована для использования библиотекой и не может быть переопределена.

У функций operator delete() и operator delete[]() должен быть тип возвращаемого значения void и первый параметр типа void*. Выполнение выражения delete вызывает соответствующую функцию оператора и инициализирует ее параметр типа void* указателем на область памяти, подлежащую освобождению.

Когда функции operator delete() и operator delete[]() определяются как члены класса, у них может быть второй параметр типа size_t. Этот дополнительный параметр инициализируется размером (в байтах) объекта, заданного первым параметром. Параметр типа size_t используется при удалении объектов, являющихся частью иерархии наследования. Если у базового класса есть виртуальный деструктор (см. раздел 15.7.1), то передаваемый функции operator delete() размер зависит от динамического типа объекта, на который указывает удаляемый указатель. Кроме того, выполняемая версия функции operator delete() также будет зависеть от динамического типа объекта.

Терминология. Выражение new или функция operator new()

Имена библиотечных функций operator new() и operator delete() могут ввести в заблуждение. В отличие от других функций операторов (таких как operator= ), эти функции не перегружают операторы new и delete . Фактически переопределить поведение операторов new и delete нельзя.

В процессе выполнения оператор new вызывает функцию operator new() , чтобы зарезервировать область памяти, в которой он затем создает объект. Оператор delete удаляет объект, а затем вызывает функцию operator delete() , чтобы освободить использованную объектом память.

Функции malloc() и free()

Если определяются собственные глобальные функции operator new() и operator delete(), они должны резервировать и освобождать память так или иначе. Даже если эти функции определяются для использования специализированной системы резервирования памяти, может иметь смысл (для проверки) иметь способность резервировать память тем же способом, что и обычная реализация.

В этом случае можно использовать функции malloc() и free(), унаследованные языком С++ от языка С. Они определяются в заголовке cstdlib.

Функция malloc() получает параметр типа size_t, задающий количество резервируемых байтов. Она возвращает указатель на зарезервированную область памяти или значение 0, если зарезервировать память не удалось. Функция free() получает параметр типа void*, являющийся копией указателя, возвращенного функцией malloc(), и возвращает занятую память операционной системе. Вызов free(0) не делает ничего.

Вот простейший код функций operator new() и operator delete():

void *operator new(size_t size) {

 if (void *mem = malloc(size))

  return mem;

 else

  throw bad_alloc();

}

void operator delete(void *mem) noexcept { free(mem); }

Для других версий функции operator new() и operator delete() код аналогичен.

Упражнения раздела 19.1.1

Упражнение 19.1. Напишите собственную версию функции operator new(size_t), используя функцию malloc(), и версию функции operator delete(void*), используя функцию free().

Упражнение 19.2. По умолчанию класс allocator использует функцию operator new() для резервирования места и функцию operator delete() для ее освобождения. Перекомпилируйте и повторно запустите программу StrVec (см. раздел 13.5), используя собственные версии функций из предыдущего упражнения.

 

19.1.2. Размещающий оператор

new

Хотя функции operator new() и operator delete() предназначены для использования выражениями new, они являются обычными библиотечными функциями. Поэтому обычный код вполне может вызвать их непосредственно.

В прежних версиях языка (до того, как класс allocator (см. раздел 12.2.2) стал частью библиотеки), когда необходимо было отделить резервирование от инициализации, использовались функции operator new() и operator delete(). Эти функции ведут себя аналогично функциям-членам allocate() и deallocate() класса allocator — резервируют и освобождают память, но не создают и не удаляют объекты.

В отличие от класса allocator, нет функции construct(), позволяющей создавать объекты в памяти, зарезервированной функцией operator new(). Вместо этого для создания объекта используется размещающий оператор new (placement new) (см. раздел 12.1.2). Как уже упоминалось, эта форма оператора new предоставляет дополнительную информацию функции резервирования. Размещающий оператор new можно использовать для передачи адреса области. Тогда выражения размещающего оператора new будут иметь следующую форму:

new ( адрес_области ) тип

new ( адрес_области ) тип ( инициализаторы )

new ( адрес_области ) тип [ размер ]

new ( адрес_области ) тип [ размер ] { список инициализации }

где адрес_области является указателем, а инициализаторы представляют собой разделяемый запятыми список инициализаторов (возможно, пустой), используемый для создания вновь зарезервированного объекта.

Будучи вызванным с адресом, но без других аргументов, размещающий оператор new использует вызов operator new(size_t, void*) для "резервирования" памяти. Эта версия функции operator new() не допускает переопределения (см. раздел 19.1.1). Она не резервирует память, а просто возвращает свой аргумент указателя. Затем обычное выражение new заканчивает свою работу инициализацией объекта по данному адресу. В действительности размещающий оператор new позволяет создать объект в заданной адресом предварительно зарезервированной области памяти.

При передаче одного аргумента, являющегося указателем, выражение размещающего оператора new создает объект, но не резервирует память.

Хотя существует несколько способов использования размещающего оператора new, он похож на функцию-член construct() класса allocator, но с одним важным отличием. Передаваемый функции construct() указатель должен указывать на область, зарезервированную тем же объектом класса allocator. Указатель, передаваемый размещающему оператору new, не обязан указывать на область памяти, зарезервированной функцией operator new(). Как будет продемонстрировано в разделе 19.6, переданный выражению размещающего оператора new указатель даже не обязан указывать на динамическую память.

Явный вызов деструктора

Подобно тому, как размещающий оператор new является низкоуровневой альтернативой функции-члену allocate() класса allocator, явный вызов деструктора аналогичен вызову функции destroy().

Вызов деструктора происходит таким же образом, как и любой другой функции-члена объекта: через указатель или ссылку на объект:

string *sp = new string("a value"); // резервирует и инициализирует

                                    // строку

sp->~string();

Здесь деструктор вызывается непосредственно. Для получения объекта, на который указывает указатель sp, используется оператор стрелки. Затем происходит вызов деструктора, имя которого совпадает с именем типа, но с предваряющим знаком тильды (~).

Подобно вызову функции destroy(), вызов деструктора освобождает заданный объект, но не освобождает область, в которой располагается этот объект. При желании эту область можно использовать многократно.

Вызов деструктора удаляет объект, но не освобождает память.

 

Идентификацию типов времени выполнения (run-time type identification RTTI) обеспечивают два оператора.

• Оператор typeid, возвращающий фактический тип заданного выражения.

• Оператор dynamic_cast, безопасно преобразующий указатель или ссылку на базовый тип в указатель или ссылку на производный.

Будучи примененными к указателям или ссылкам на тип с виртуальными функциями, эти операторы используют динамический тип (см. раздел 15.2.3) объекта, с которым связан указатель или ссылка.

Эти операторы полезны в случае, когда в производном классе имеется функция, которую необходимо выполнить через указатель или ссылку на объект базового класса, и эту функцию невозможно сделать виртуальной. Обычно по возможности лучше использовать виртуальные функции. Когда применяется виртуальная функция, компилятор автоматически выбирает правильную функцию согласно динамическому типу объекта.

Но определить виртуальную функцию не всегда возможно. В таком случае может пригодиться один из операторов RTTI. С другой стороны, эти операторы более склонны к ошибкам, чем виртуальные функции-члены: разработчик должен знать, к какому типу следует привести объект, и обеспечить проверку успешности приведения.

Динамическое приведение следует использовать осторожно. При каждой возможности желательно создавать и использовать виртуальные функции, а не прибегать к непосредственному управлению типами.

 

19.2.1. Оператор

dynamic_cast

Оператор dynamic_cast имеет следующую форму:

dynamic_cast< тип *>(е)

dynamic_cast< тип &>(е)

dynamic_cast< тип &&>(е)

где тип должен быть типом класса, у которого (обычно) есть виртуальные функции. В первом случае е — допустимый указатель (см. раздел 2.3.2); во втором — l-значение, а в третьем — не должен быть l-значением.

Во всех случаях тип указателя е должен быть либо типом класса, открыто унаследованным от типа назначения, либо открытым базовым классом типа назначения, либо самим типом назначения. Если указатель е будет одним из этих типов, то приведение окажется успешным. В противном случае приведение закончится ошибкой. При неудаче приведения к типу указателя оператор dynamic_cast возвращает 0. При неудаче приведения к типу ссылки он передает исключение типа bad_cast.

Приведение dynamic_cast для типа указателя

Для примера рассмотрим класс Base, обладающий по крайней мере одной виртуальной функцией-членом, и класс Derived, открыто унаследованный от класса Base. Если имеется указатель bp на класс Base, то во время выполнения можно привести его к указателю на тип Derived следующим образом:

if (Derived *dp = dynamic_cast(bp)) {

 // использование объекта Derived, на который указывает dp

} else { // bp указывает на объект Base

 // использование объекта Base, на который указывает dp

}

Если bp указывает на объект класса Derived, то приведение инициализирует указатель dp так, чтобы он указывал на объект класса Derived, на который указывает указатель bp. В данном случае для кода в операторе if вполне безопасно использовать функции класса Derived. В противном случае результатом приведения будет 0. Если указатель dp нулевой, условие оператора if не выполняется. В этом случае блок директивы else осуществляет действия, соответствующие классу Base.

Оператор dynamic_cast применим и к нулевому указателю; результат — пустой указатель требуемого типа.

Обратите внимание на то, что указатель dp определен в условии. При определении переменной в условии приведение и соответствующая проверка осуществляются как единая операция. Кроме того, указатель dp недоступен вне оператора if. Если приведение потерпит неудачу, то несвязанный указатель не будет доступен для использования в последующем коде, где уже будет забыто успешно ли приведение или нет.

Выполнение оператора dynamic_cast в условии гарантирует, что приведение и проверка его результата будут осуществлены в одном выражении.

Приведение dynamic_cast для типа ссылки

Приведение dynamic_cast для ссылочного типа отличается от такового для типа указателя способом сообщения об ошибке. Поскольку нет такого понятия, как пустая ссылка, для них невозможно использовать ту же стратегию сообщений об ошибке, что и для указателей. Когда приведение к ссылочному типу терпит неудачу, передается исключение std::bad_cast, определенное в библиотечном заголовке typeinfo.

Предыдущий пример можно переписать так, чтобы использовать ссылки следующим образом:

void f(const Base &b) {

 try {

  const Derived &d = dynamic_cast(b);

  // использование объекта Derived, на который ссылается b

 } catch (bad_cast) {

  // обработка события неудачи приведения

 }

}

Упражнения раздела 19.2.1

Упражнение 19.3. С учетом следующей иерархии классов, где каждый класс определяет открытый стандартный конструктор и виртуальный деструктор:

class A {/*...*/};

class В : public A { /* ... */ };

class С : public В { /* ... */ };

class D : public В, public A { /* ... */ };

укажите ошибочные операторы dynamic_cast (если таковые имеются).

(a) A *pa = new C;

    В *pb = dynamic_cast(pa);

(b) В *pb = new В;

    C *pc = dynamic_cast(pb);

(c) A *pa = new D;

    В *pb = dynamic_cast(pa);

Упражнение 19.4. Используя классы, определенные в первом упражнении, перепишите следующий код так, чтобы преобразовать выражение *pa в тип C&:

if (C *pc = dynamic_cast(pa))

 // используются члены класса С

} else {

 // используются члены класса A

}

Упражнение 19.5. Когда стоит использовать оператор dynamic_cast вместо виртуальной функции?

 

19.2.2. Оператор

typeid

Второй оператор поддержки RTTI — это оператор typeid. Оператор typeid позволяет выяснить текущий тип объекта.

Выражение typeid имеет форму typeid(е), где е — любое выражение или имя типа. Результатом оператора typeid является ссылка на константный объект библиотечного типа type_info или типа, открыто производного от него. В разделе 19.2.4 этот тип рассматривается более подробно. Класс type_info определен в заголовке typeinfo.

Оператор typeid применим к выражениям любого типа. Как обычно, спецификатор const верхнего уровня (см. раздел 2.4.3) игнорируется, и если выражение является ссылкой, то оператор typeid возвращает тип, на который ссылается ссылка. Но при применении к массиву или функции стандартное преобразование в указатель (см. раздел 4.11.2) не осуществляется. Таким образом, результат выражения typeid(a), где а является массивом, описывает тип массива, а не тип указателя.

Когда операнд не имеет типа класса или является классом без виртуальных функций, оператор typeid возвращает статический тип операнда. Когда операнд является l-значением типа класса, определяющим по крайней мере одну виртуальную функцию, тип результата вычисляется во время выполнения.

Использование оператора typeid

Чаще всего оператор typeid используют для сравнения типов двух выражений или для сравнения типа выражения с определенным типом:

Derived *dp = new Derived;

Base *bp = dp; // оба указателя указывают на объект Derived

// сравнить типы двух объектов во время выполнения

if (typeid(*bp) == typeid(*dp)) {

 // bp и dp указывают на объекты того же типа

}

// проверить, совпадает ли тип времени выполнения с указанным типом

if (typeid(*bp) == typeid(Derived)) {

 // bp на самом деле указывает на класс Derived

}

В первом операторе if сравниваются динамические типы объектов, на которые указывают указатели bp и dp. Если оба указателя указывают на тот же тип, то условие истинно. Точно так же второй оператор if истин, если указатель bp в настоящее время указывает на объект класса Derived.

Обратите внимание: операндами оператора typeid являются проверяемые объекты (*bp), а не указатели (bp).

// результат проверки всегда ложный: тип bp - указатель на класс Base

if (typeid(bp) == typeid(Derived)) {

 // код, который никогда не будет выполнен

}

Это условие сравнивает тип Base* с типом Derived. Хотя указатель указывает на объект типа класса, обладающего виртуальными функциями, сам указатель не является объектом типа класса. Тип Base* может быть вычислен и вычисляется во время компиляции. Этот тип не совпадает с типом Derived, поэтому условие всегда будет ложно, независимо от типа объекта, на который указывает указатель bp.

Применение оператора typeid к указателю (в отличие от объекта, на который указывает указатель) возвращает статический тип времени компиляции указателя.

Оператор typeid требует, чтобы проверка во время выполнения определила, обрабатывается ли выражение. Компилятор обрабатывает выражение, только если у типа есть виртуальные функции. Если у типа нет никаких виртуальных функций, то оператор typeid возвращает статический тип выражения; статический тип известен компилятору и без вычисления выражения.

Если динамический тип выражения может отличаться от статического, то выражение следует вычислить (во время выполнения), чтобы определить результирующий тип. Это различие имеет значение при выполнении оператора typeid(*p). Если p указывает на тип без виртуальных функций, то указатель p не обязан быть допустимым указателем. В противном случае выражение *p вычисляется во время выполнения, тогда указатель p обязан быть допустимым. Если указатель p пуст, то выражение typeid(*p) передаст исключение bad_typeid.

Упражнения раздела 19.2.2

Упражнение 19.6. Напишите выражение для динамического приведения указателя на тип Query_base к указателю на тип AndQuery (см. раздел 15.9.1). Проверьте приведение, используя объект класса AndQuery и класса другого запроса. Выведите сообщение, подтверждающее работоспособность приведения, и убедитесь, что вывод соответствует ожиданиям.

Упражнение 19.7. Напишите то же приведение, но приведите объект класса Query_base к ссылке на тип AndQuery. Повторите проверку и удостоверьтесь в правильности работы приведения.

Упражнение 19.8. Напишите выражение typeid, чтобы убедиться, указывают ли два указателя на класс Query_base на тот же тип. Затем проверьте, не является ли этот тип классом AndQuery.

 

19.2.3. Использование RTTI

В качестве примера случая, когда может пригодиться RTTI, рассмотрим иерархию класса, для которого желательно реализовать оператор равенства (см. раздел 14.3.1). Два объекта равны, если у них тот же тип и то же значение для заданного набора переменных-членов. Каждый производный тип может добавлять собственные данные, которые придется включать в набор проверяемых на равенство.

Казалось бы, эту проблему можно решить, определив набор виртуальных функций, которые проверяют равенство на каждом уровне иерархии. Сделав оператор равенства виртуальным, можно было бы определить одну функцию, которая работает со ссылкой на базовый класс. Этот оператор мог бы передать свою работу виртуальной функции equal(), которая и осуществляла бы все необходимые действия.

К сожалению, виртуальные функции не очень хороши для решения этой задачи. Параметры виртуальной функции должны иметь одинаковые типы и в базовом, и в производных классах (см. раздел 15.3). Если бы пришлось определить виртуальную функцию equal(), то ее параметр был бы ссылкой на базовый класс. Если параметр является ссылкой на базовый класс, то функция equal() сможет использовать только члены из базового класса. Функция equal() никак не могла бы сравнить члены, определенные в производном классе.

Оператор равенства должен возвращать значение false при попытке сравнить объекты разных типов. Например, если попытаться сравнивать объект базового класса с объектом производного, оператор == должен возвратить значение false.

С учетом этого наблюдения можно прийти к выводу, что решить данную проблему можно с использованием RTTI. Определим оператор равенства, параметр которого будет ссылкой на тип базового класса. Оператор равенства будет использовать оператор typeid для проверки наличия у операндов одинакового типа. Если тип операндов разный, оператор возвратит значение false. В противном случае он возвратит виртуальную функцию equal(). Каждый класс определит функцию equal() так, чтобы сравнить переменные-члены собственного типа. Эти операторы получают параметр типа Base&, но приводят операнд к собственному типу, прежде чем начать сравнение.

Иерархия класса

Чтобы сделать концепцию более конкретной, предположим, что рассматриваемые классы выглядят следующим образом:

class Base {

 friend bool operator==(const Base&, const Base&);

public:

 // члены интерфейса для класса Base

protected:

 virtual bool equal(const Base&) const;

 // данные и другие члены реализации класса Base

};

class Derived: public Base {

public:

 // данные и другие члены реализации класса Base

protected:

 bool equal(const Base&) const;

 // данные и другие члены реализации класса Derived

};

Оператор равенства, чувствительный к типу

Рассмотрим, как можно было бы определить общий оператор равенства:

bool operator==(const Base &lhs, const Base &rhs) {

 // возвращает false, если типы не совпадают; в противном случае вызов

 // виртуальной функции equal()

 return typeid(lhs) == typeid(rhs) && lhs.equal(rhs);

}

Этот оператор возвращает значение false, если операнды имеют разный тип. Если они имеют одинаковый тип, оператор делегирует реальную работу по сравнению операндов виртуальной функции equal(). Если операнды являются объектами класса Base, вызывается функция Base::equal(), а если объектами класса Derived — то функция Derived::equal().

Виртуальная функция equal()

Каждый класс иерархии должен иметь собственную версию функции equal(). Начало у функций всех производных классов будет одинаковым: они приводят аргумент к типу собственного класса:

bool Derived::equal(const Base &rhs) const {

 // известно, что типы равны, значит, приведение не передаст

 // исключения

 auto r = dynamic_cast(rhs);

 // действия по сравнению двух объектов класса Derived и возвращению

 // результата

}

Приведение всегда должно быть успешным, ведь оператор равенства вызывает эти функции только после проверки того, что два операнда имеют одинаковый тип. Однако приведение необходимо, чтобы функция могла обращаться к производным членам правого операнда.

Функция equal() базового класса

Эта функция гораздо проще других:

bool Base::equal(const Base &rhs) const {

 // действия по сравнению двух объектов класса Base

}

Здесь нет никакой необходимости в приведении аргументов перед применением. Оба они, и *this и параметр, являются объектами класса Base, поэтому все доступные для него функции содержатся в классе объекта.

 

19.2.4. Класс

type_info

Точное определение класса type_info зависит от компилятора, но стандарт гарантирует, что класс будет определен в заголовке typeinfo и предоставлять, по крайней мере, те функции, которые перечислены в табл. 19.1.

Этот класс обладает также открытым виртуальным деструктором, поскольку он предназначен для использования в качестве базового класса. Если компилятор позволяет предоставить дополнительную информацию о типе, для этого следует воспользоваться классом, производным от класса type_info.

Таблица 19.1. Функции класса type_info

У класса type_info нет стандартного конструктора, а оператор присвоения, конструктор копий и перемещения определены как удаленные (см. раздел 13.1.6). Поэтому нельзя определять, копировать или присваивать объекты типа type_info. Единственный способ создания объектов класса type_info — это оператор typeid.

Функция-член name() возвращает символьную строку в стиле С, содержащую имя класса объекта. Значение, используемое для данного типа, зависит от компилятора и не обязательно соответствует имени класса, использованному в программе. Единственное, что гарантирует функция name(), — это уникальность возвращаемой ей строки для данного типа.

Рассмотрим пример:

int arr[10];

Derived d;

Base *p = &d;

cout << typeid(42).name() << ", "

     << typeid(arr).name() << ", "

     << typeid(Sales_data).name() << ", "

     << typeid(std::string).name() << ", "

     << typeid(p).name() << " , "

     << typeid(*p).name() << endl;

При запуске на машине авторов эта программа выводит следующее

i, A10_i, 10Sales_data, Ss, P4Base, 7Derived

Класс type_info зависит от компилятора. Некоторые компиляторы предоставляют и другие функции-члены, которые возвращают дополнительную информацию о типах, используемых в программе. Чтобы выяснить реальные возможности класса type_info для конкретного компилятора, необходимо обратиться к его документации.

Упражнения раздела 19.2.4

Упражнение 19.9. Напишите программу, подобную приведенной в конце этого раздела, для вывода имен, используемых компилятором для общих типов. Если ваш компилятор создает вывод, подобный нашему, напишите функцию, которая преобразует эти строки в более понятную для человека форму.

Упражнение 19.10. С учетом приведенной ниже иерархии классов, в которой каждый класс обладает открытым стандартным конструктором и виртуальным деструктором, укажите, какие имена типов отобразят следующие операторы?

class A { /* ... */ };

class В : public A { /* ... */ };

class С : public В { /* ... */ };

(a) A *pa = new С;

    cout << typeid(pa).name() << endl;

(b) С cobj;

    A& ra = cobj;

    cout << typeid(&ra).name() << endl;

(c) B *px = new B;

    A& ra = *px;

    cout << typeid(ra).name() << endl;

 

Указатель на член класса (pointer to member) — это указатель, способный указывать на нестатический член класса. Обычно указатель указывает на объект, но указатель на член класса идентифицирует только член класса объекта, а не весь объект. Статические члены класса не являются частью конкретного объекта, поэтому для указания на них не нужен никакой специальный синтаксис. Указатели на статические члены являются обычными указателями.

Тип указателя на член класса объединяет тип класса и тип члена этого класса. Такие указатели инициализируют как указывающие на определенный член класса, не указывая объект, которому принадлежит этот член. При применении указателя на член класса предоставляется объект, член класса которого предстоит использовать.

Для демонстрации работы указателей на члены класса воспользуемся упрощенной версией класса Screen из раздела 7.3.1:

class Screen {

public:

 typedef std::string::size_type pos;

 char get_cursor() const { return contents[cursor]; }

 char get() const;

 char get(pos ht, pos wd) const;

private:

 std::string contents;

 pos cursor;

 pos height, width;

};

 

19.4.1. Указатели на переменные-члены

Подобно любым указателям, при объявлении указателя на член класса используется символ *, означающий, что объявляемое имя является указателем. В отличие от обычных указателей, указатель на член класса включает также имя класса, содержащего этот член. Следовательно, символу * должна предшествовать часть имяКласса :: , означающая, что определяемый указатель способен указывать на член класса имяКласса . Например:

// pdata может указывать на член типа string константного (или не

// константного) объекта класса Screen

const string Screen::*pdata;

Приведенный выше код объявляет pdata "указателем на член класса Screen, обладающий типом const string". Переменные-члены константного объекта сами являются константами. Объявление указателя pdata как указателя на тип const string позволяет использовать его для указания на член любого объекта класса Screen, константного или нет. Взамен указатель pdata применим только для чтения, но не для записи в член класса, на который он указывает.

При инициализации (или присвоении) указателя на член класса следует заявить, на который член он указывает. Например, можно заставить указать pdata указывать на переменную-член contents неопределенного объекта класса Screen следующим образом:

pdata = &Screen::contents;

Здесь оператор обращения к адресу применяется не к объекту в памяти, а к члену класса Screen.

Конечно, по новому стандарту проще объявить указатель на член класса при помощи ключевых слов auto или decltype:

auto pdata = &Screen::contents;

Использование указателей на переменные-члены

Важно понять, что при инициализации или присвоении указателя на член класса он еще не указывает на данные. Он идентифицирует определенный член класса, но не содержащий его объект. Объект предоставляется при обращении к значению указателя на член класса.

Подобно операторам доступа к членам (member access operator), . и ->, существуют два оператора доступа к указателю на член класса, .* и ->*, позволяющие предоставить объект и обращаться к значению указателя для доступа к члену этого объекта:

Screen myScreen, *pScreen = &myScreen;

// .* обращение к значению pdata для доступа к содержимому члена данного

// объекта класса myScreen

auto s = myScreen.*pdata;

// ->* обращение к значению pdata для доступа к содержимому члена

// объекта, на который указывает pScreen

s = pScreen->*pdata;

Концептуально эти операторы выполняют два действия: обращаются к значению указателя на член класса, чтобы получить доступ к необходимому члену; затем, подобно операторам обращения к членам, они обращаются к члену данного объекта непосредственно (.*) или через указатель (->*).

Функция, возвращающая указатель на переменную-член

К указателям на члены применимы обычные средства управления доступом. Например, член contents класса Screen является закрытым. В результате указатель pdata выше должен использоваться в члене класса Screen, его дружественном классе, либо произойдет ошибка.

Поскольку переменные-члены обычно являются закрытыми, как правило, нельзя получать указатель на саму переменную-член. Вместо этого, если такой класс, как Screen, желает предоставить доступ к своему члену contents, то он определил бы функцию, возвращающую указатель на эту переменную-член:

class Screen {

public:

 // data() - статический член, возвращающий указатель на член класса

 static const std::string Screen::*data()

  { return &Screen::contents; }

 // другие члены, как прежде

};

Здесь в класс Screen добавлена статическая функция-член, возвращающая указатель на переменную-член contents класса Screen. Тип возвращаемого значения этой функции совпадает с типом первоначального указателя pdata. Читая тип возвращаемого значения справа налево, можно заметить, что функция data() возвращает указатель на член класса Screen, имеющий тип string и являющийся константой. Тело функции применяет оператор обращения к адресу к переменной-члену contents. Таким образом, функция возвращает указатель на переменную-член contents класса Screen.

Когда происходит вызов функции data(), возвращается указатель на член класса:

// data() возвращает указатель на член contents класса Screen

const string Screen::*pdata = Screen::data();

Как и прежде, указатель pdata указывает на член класса Screen, но не на фактические данные. Чтобы использовать указатель pdata, следует связать его с объектом типа Screen:

// получить содержимое объекта myScreen

auto s = myScreen.*pdata;

Упражнения раздела 19.4.1

Упражнение 19.11. В чем разница между обычным указателем на данные и указателем на переменную-член?

Упражнение 19.12. Определите указатель на член класса, способный указывать на член cursor класса Screen. Получите через этот указатель значение Screen::cursor.

Упражнение 19.13. Определите тип, способный представить указатель на член bookNo класса Sales_data.

 

19.4.2. Указатели на функции-члены

Вполне можно также определить указатель, способный указывать на функцию-член класса. Подобно указателям на переменные-члены, самый простой способ создания указателя на функцию-член — это использовать ключевое слово auto для автоматического выведения типа:

// указатель pmf способен указывать на функцию-член класса Screen,

// возвращающую тип char и не получающую никаких аргументов

auto pmf = &Screen::get_cursor;

Как и указатель на переменную-член, указатель на функцию-член объявляется с использованием синтаксиса имяКласса ::* . Подобно любому другому указателю на функцию (см. раздел 6.7), указатель на функцию-член определяет тип возвращаемого значения и список типов параметров функции, на которую может указывать этот указатель. Если функция-член является константной (см. раздел 7.1.2) или ссылочной (см. раздел 13.6.3), следует также добавить квалификатор const или квалификатор ссылки.

Подобно обычным указателям на функцию, если функция-член перегружена, следует явно указать, какая именно функция имеется в виду (см. раздел 6.7). Например, указатель на версию функции get() с двумя параметрами можно объявить так:

char (Screen::*pmf2)(Screen::pos, Screen::pos) const;

pmf2 = &Screen::get;

Круглые скобки вокруг части Screen::* в этом объявлении необходимы из-за приоритета. Без круглых скобок компилятор воспримет следующий код как (недопустимое) объявление функции:

// ошибка: у функции, не являющейся членом класса p, не может быть

// спецификатора const

char Screen::*p(Screen::pos, Screen::pos) const;

Это объявление пытается определить обычную функцию по имени p, которая возвращает указатель на член класса Screen типа char. Поскольку объявляется обычная функция, за объявлением не может быть спецификатора const.

В отличие от обычных указателей на функцию, нет никакого автоматического преобразования между функцией-членом и указателем на этот член:

// pmf указывает на член класса Screen, не получающий аргументов и

// возвращающий тип char

pmf = &Screen::get; // нужно явно использовать оператор обращения к

                    // адресу

pmf = Screen::get;  // ошибка: нет преобразования в указатель для

                    // функций-членов

Использование указателя на функцию-член

Как и при использовании указателя на переменную-член, для вызова функции-члена через указатель на член класса используются операторы .* и ->*:

Screen myScreen, *pScreen = &myScreen;

// вызов функции, на которую указывает указатель pmf объекта,

//  на который указывает указатель pScreen

char c1 = (pScreen->*pmf)();

// передает аргументы 0, 0 версии функции get() с двумя параметрами

// объекта myScreen

char c2 = (myScreen.*pmf2)(0, 0);

Вызовы (myScreen->*pmf)() и (pScreen.*pmf2)(0,0) требуют круглых скобок, поскольку приоритет оператора вызова выше, чем приоритет оператора указателя на член класса.

Без круглых скобок вызов myScreen.*pmf() был бы интерпретирован как myScreen.*(pmf()).

Этот код требует вызвать функцию pmf() и использовать ее возвращаемое значение как операнд оператора указателя на член класса (.*). Но pmf — не функция, поэтому данный код ошибочен.

Из-за разницы приоритетов операторов вызова объявления указателей на функции-члены и вызовы через такие указатели должны использовать круглые скобки: (С::*p)(parms) и (obj.*p) (args).

Использование псевдонимов типов для указателей на члены

Псевдонимы типа или typedef (см. раздел 2.5.1) существенно облегчают чтение указателей на члены. Например, следующий код определяет псевдоним типа Action как альтернативное имя для типа версии функции get() с двумя параметрами:

// Action - тип, способный указывать на функцию-член класса Screen,

// возвращающую тип char и получающую два аргумента типа pos

using Action =

 char (Screen::*)(Screen::pos, Screen::pos) const;

Action — это другое имя для типа "указатель на константную функцию-член класса Screen, получающую два параметра типа pos и возвращающую тип char". Используя этот псевдоним, можно упростить определение указателя на функцию get() следующим образом:

Action get = &Screen::get; // get указывает на член get() класса Screen

Подобно любым другим указателям на функцию, тип указателя на функцию-член можно использовать как тип возвращаемого значения или как тип параметра функции. Подобно любому другому параметру, у параметра указателя на член класса может быть аргумент по умолчанию:

// action() получает ссылку на класс Screen и указатель на его

// функцию-член

Screen& action(Screen&, Action = &Screen::get);

Функция action() получает два параметра, которые являются ссылками на объект класса Screen, и указатель на функцию-член класса Screen, получающую два параметра типа pos и возвращающую тип char. Функцию action() можно вызвать, передав ей указатель или адрес соответствующей функции-члена класса Screen:

Screen myScreen;

// эквивалентные вызовы:

action(myScreen);      // использует аргумент по умолчанию

action(myScreen, get); // использует предварительно определенную

                       // переменную get

action(myScreen, &Screen::get); // передает адрес явно

Псевдонимы типа облегчают чтение и написание кода, использующего указатели.

Таблицы указателей на функцию-член

Как правило, перед использованием указатели на функции и указатели на функции-члены хранят в таблице функций (см. раздел 14.8.3). Когда у класса есть несколько членов того же типа, такая таблица применяется для выбора одного из набора этих членов. Предположим, что класс Screen дополнен несколькими функциями-членами, каждая из которых перемещает курсор в определенном направлении:

class Screen {

public:

 // другие члены интерфейса и реализации, как прежде

 Screen& home(); // функции перемещения курсора

 Screen& forward();

 Screen& back();

 Screen& up();

 Screen& down();

};

Каждая из этих новых функций не получает никаких параметров и возвращает ссылку на вызвавший ее объект класса Screen.

Можно определить функцию move(), способную вызвать любую из этих функций и выполнить указанное действие. Для поддержки этой новой функции в класс Screen добавлен статический член, являющийся массивом указателей на функции перемещения курсора:

class Screen {

public:

 // другие члены интерфейса и реализации, как прежде

 // Action - указатель, который может быть присвоен любой из

 // функций-членов перемещения курсора

 using Action = Screen&(Screen::*)();

 // задать направление перемещения;

 // перечисления описаны в разделе 19.3

 enum Directions { HOME, FORWARD, BACK, UP, DOWN };

 Screen& move(Directions);

private:

 static Action Menu[]; // таблица функций

};

Массив Menu содержит указатели на каждую из функций перемещения курсора. Эти функции будут храниться со смещениями, соответствующими перечислителям перечисления Directions. Функция move() получает перечислитель и вызывает соответствующую функцию:

Screen& Screen::move(Directions cm) {

 // запустить элемент по индексу cm для объекта this

 return (this->*Menu[cm])(); // Menu[cm] указывает на функцию-член

}

Вызов move() обрабатывается следующим образом: выбирается элемент массива Menu по индексу cm. Этот элемент является указателем на функцию-член класса Screen. Происходит вызов функции-члена, на которую указывает этот элемент от имени объекта, на который указывает указатель this.

Когда происходит вызов функции move(), ему передается перечислитель, указывающий направление перемещения курсора:

Screen myScreen;

myScreen.move(Screen::HOME); // вызывает myScreen.home

myScreen.move(Screen::DOWN); // вызывает myScreen.down

Остается только определить и инициализировать саму таблицу:

Screen::Action Screen::Menu[] = { &Screen::home,

                                  &Screen::forward,

                                  &Screen::back,

                                  &Screen::up,

                                  &Screen::down,

};

Упражнения раздела 19.4.2

Упражнение 19.14. Корректен ли следующий код? Если да, то что он делает? Если нет, то почему?

auto pmf = &Screen::get_cursor; pmf = &Screen::get;

Упражнение 19.15. В чем разница между обычным указателем на функцию и указателем на функцию-член?

Упражнение 19.16. Напишите псевдоним типа, являющийся синонимом для указателя, способного указать на переменную-член avgprice класса Sales_data.

Упражнение 19.17. Определите псевдоним типа для каждого отдельного типа функции-члена класса Screen.

 

19.4.3. Использование функций-членов как вызываемых объектов

Как уже упоминалось, для вызова через указатель на функцию-член, нужно использовать операторы .* и ->* для связи указателя с определенным объектом. В результате, в отличие от обычных указателей на функцию, указатель на функцию-член класса не является вызываемым объектом; эти указатели не поддерживают оператор вызова функции (см. раздел 10.3.2).

Поскольку указатель на член класса не является вызываемым объектом, нельзя непосредственно передать указатель на функцию-член алгоритму. Например, если необходимо найти первую пустую строку в векторе строк, вполне очевидный вызов не сработает:

auto fp = &string::empty; // fp указывает на функцию empty()

                          // класса string

// ошибка: для вызова через указатель на член класса следует

//  использовать оператор .* или ->*

find_if(svec.begin(), svec.end(), fp);

Алгоритм find_if() ожидает вызываемый объект, но предоставляется указатель на функцию-член fp. Этот вызов не будет откомпилирован, поскольку код в алгоритме find_if() выполняет примерно такой оператор:

// проверяет применимость данного предиката к текущему элементу,

// возвращает true

if (fp(*it)) // ошибка: для вызова через указатель на член класса

             //  следует использовать оператор ->*

Использование шаблона function для создания вызываемого объекта

Один из способов получения вызываемого объекта из указателя на функцию-член подразумевает использование библиотечного шаблона function (см. раздел 14.8.3):

function fcn = &string::empty;

find_if(svec.begin(), svec.end(), fcn);

Здесь шаблону function указано, что empty() — это функция, которая может быть вызвана со строкой и возвращает значение типа bool. Обычно объект, для которого выполняется функция-член, передается неявному параметру this. Когда шаблон function используется при создании вызываемого объекта для функции-члена, следует преобразовать код так, чтобы сделать этот неявный параметр явным.

Когда объект шаблона function содержит указатель на функцию-член, класс function знает, что для вызова следует использовать соответствующий оператор указателя на член класса. Таким образом, можно предположить, что у функции find_if() будет код наподобие следующего:

// если it является итератором в функции find_if(), то *it - объект

// в заданном диапазоне

if (fcn(*it)) // fcn - имя вызываемого объекта в функции find_if()

Его и выполнит шаблон класса function, используя соответствующий оператор указателя на член класса. Класс function преобразует этот вызов в такой код:

// если it является итератором в функции find_if(), то *it - объект

// в заданном диапазоне

if (((*it).*p)()) // p - указатель на функцию-член в функции fcn

При определении объекта шаблона function следует указать тип функции, сигнатура которой определяет представляемые вызываемые объекты. Когда вызываемой объект является функцией-членом, первый параметр сигнатуры должен представить (обычно неявный) объект, для которого будет выполнена функция-член. Передаваемая шаблону function сигнатура должна определять, будет ли объект передан как указатель или как ссылка.

При определении вызываемого объекта fcn() было известно, что нужно вызвать функцию find_if() для последовательности строковых объектов. Следовательно, от шаблона function требовалось создать вызываемый объект, получающий объекты класса string. Если бы вектор содержал указатели на тип string, от шаблона function требовалось бы ожидать указатель:

vector pvec;

function fp = &string::empty;

// fp получает указатель на string и использует оператор ->* для вызова

// функции empty()

find_if(pvec.begin(), pvec.end(), fp);

Использование шаблона mem_fn для создания вызываемого объекта

Чтобы использовать шаблон function, следует предоставить сигнатуру вызова члена, который предстоит вызвать. Но можно позволить компилятору вывести тип функции-члена при использовании другого библиотечного средства, шаблона mem_fn, определенного, как и шаблон function, в заголовке functional. Как и шаблон function, шаблон mem_fn создает вызываемый объект из указателя на член класса. В отличие от шаблона function, шаблон mem_fn выведет тип вызываемого объекта из типа указателя на член класса:

find_if(svec.begin(), svec.end(), mem_fn(&string::empty));

Здесь шаблон mem_fn(&string::empty) создает вызываемый объект, получающий строковый аргумент и возвращающий логическое значение.

Вызываемый объект, созданный шаблоном mem_fn, может быть вызван для объекта или указателя:

auto f = mem_fn(&string::empty); // f получает string или string*

f(*svec.begin()); // ok: передача объекта string; f использует .* для

                  // вызова empty()

f(&svec[0]);      // ok: передача указателя на string; f использует .->

                  // для вызова empty()

Фактически шаблон mem_fn можно считать как будто создающим вызываемый объект с перегруженным оператором вызова функции — один получает тип string*, а другой — string&.

Использование функции bind() для создания вызываемого объекта

Для создания вызываемого объекта из функции-члена можно также использовать функцию bind() (см. раздел 10.3.4):

// связать каждую строку из диапазона

//  с неявным первым аргументом empty()

auto it = find_if(svec.begin(), svec.end(),

           bind(&string::empty, _1));

Подобно шаблону function, при использовании функции bind() следует сделать явным обычно неявный параметр функции-члена, представляющий объект, с которым будет работать функция-член. Подобно шаблону mem_fn, первый аргумент вызываемого объекта, создаваемого функцией bind(), может быть либо указателем, либо ссылкой на тип string:

auto f = bind(&string::empty, _1);

f(*svec.begin()); // ok: аргумент - строка f, использует .* для вызова

                  // функции empty()

f(&svec[0]); // ok: аргумент - указатель на строку f использует .->

             // для вызова функции empty()

Упражнения раздела 19.4.3

Упражнение 19.18. Напишите функцию, использующую алгоритм count_if() для подсчета количества пустых строк в заданном векторе.

Упражнение 19.19. Напишите функцию, получающую вектор vector и находящую первый элемент, средняя цена которого превосходит заданное значение.

 

Для поддержки низкоуровневого программирования язык С++ определяет набор средств, применение которых снижает переносимость приложений. Непереносимое (nonportable) средство специфично для определенных машин. Использующие такие средства программы зачастую требуют переделки кода при переносе с одной машины на другую. Одной из причин невозможности переноса является тот факт, что размеры арифметических типов на разных машинах разные (см. раздел 2.1.1).

В этом разделе рассматриваются два дополнительных средства, снижающих переносимость, унаследованных языком С++ от языка С: речь идет о битовых полях и спецификаторе volatile. Также будут рассмотрены директивы компоновки, которые тоже снижают переносимость.

 

19.8.1. Битовые поля

Класс может определить (нестатическую) переменную-член как битовое поле (bit-field). Битовое поле хранит определенное количество битов. Обычно битовые поля используются при необходимости передать двоичные данные другой программе или аппаратному устройству.

Расположение в памяти битовых полей зависит от конкретной машины.

У битового поля должны быть целочисленный тип или тип перечисления (см. раздел 19.3). Для битового поля обычно используют беззнаковый тип, поскольку поведение битового поля знакового типа зависит от реализации. Чтобы объявить член класса битовым полем, после его имени располагают двоеточие и константное выражение, указывающее количество битов:

typedef unsigned int Bit;

class File {

 Bit mode: 2;       // mode имеет 2 бита

 Bit modified: 1;   // modified имеет 1 бит

 Bit prot_owner: 3; // prot_owner имеет 3 бита

 Bit prot_group: 3; // prot_group имеет 3 бита

 Bit prot_world: 3; // prot_world имеет 3 бита

 // функции и переменные-члены класса File

public:

 // режимы файла определены как восьмеричные

 // литералы; см. p. 2.1.3

 enum modes { READ = 01, WRITE = 02, EXECUTE = 03 };

 File &open(modes);

 void close();

 void write();

 bool isRead() const;

 void setWrite();

}

Битовое поле mode имеет размер в два бита, битовое поле modified — только один, а другие — по три бита. Битовые поля, определенные в последовательном порядке в теле класса, если это возможно, упаковываются в смежных битах того же целого числа. Таким образом достигается уплотнение хранилища. Например, пять битовых полей в приведенном выше объявлении будут сохранены в одной переменной типа unsigned int, ассоциированной с первым битовым полем mode. Способ упаковки битов в целое число зависит от машины.

К битовому полю не может быть применен оператор обращения к адресу (&), поэтому не может быть никаких указателей на битовые поля классов.

Для битовых полей обычно лучше подходит беззнаковый тип. Поведение битовых полей, хранимых в переменной знакового типа, определяет конкретная реализация.

Использование битовых полей

К битовым полям обращаются так же, как и к другим переменным-членам класса:

void File::write() {

 modified = 1;

 // ...

}

void File::close() {

 if (modified)

  // ... сохранить содержимое

}

Для манипулирования битовыми полями с несколькими битами обычно используют встроенные побитовые операторы (см. раздел 4.8):

File &File::open(File::modes m) {

 mode |= READ; // установить бит READ по умолчанию

 // другая обработка

 if (m & WRITE) // если открыто для чтения и записи

  // процесс открытия файла в режиме чтения/записи

 return *this;

}

Классы, определяющие члены битовых полей, обычно определяют также набор встраиваемых функций-членов для проверки и установки значений битовых полей:

inline bool File::isRead() const { return mode & READ; }

inline void File::setWrite() { mode |= WRITE; }

 

19.8.2. Спецификатор

volatile

Смысл спецификатора volatile полностью зависит от конкретной машины и может быть выяснен только в документации компилятора. При переносе на новые машины или компиляторы программы, использующие спецификатор volatile, обычно приходится переделывать.

Программы, которым приходится работать непосредственно с аппаратными средствами, зачастую имеют элементы данных, значением которых управляют процессы, не контролируемые самой программой. Например, программа могла бы содержать переменную, значение которой изменяет системный таймер. Такой объект должен быть объявлен со спецификатором volatile, тогда его значение может быть изменено способами, не контролируемыми или не обнаруживаемыми компилятором. Ключевое слово volatile — это приказ компилятору не выполнять оптимизацию для таких объектов.

Спецификатор volatile используется аналогично спецификатору const, т.е. как дополнительный модификатор типа:

volatile int display_register; // значение int может измениться

volatile Task *curr_task;   // curr_task указывает на объект volatile

volatile int iax[max_size]; // каждый элемент в iax volatile volatile

Screen bitmapBuf;           // каждый член bitmapBuf volatile

Между спецификаторами типа const и volatile нет никакой взаимосвязи. Тип может быть и const, и volatile, тогда у него есть оба качества.

Точно так же класс может определить константные функции-члены, а может и асинхронно-изменяемые (volatile). Только асинхронно-изменяемые функции-члены могут быть вызваны асинхронно-изменяемым (volatile) объектом.

Взаимодействие указателей со спецификатором const описано в разделе 2.4.2. Аналогичное взаимодействие существует между указателями и спецификатором volatile. Можно объявлять асинхронно-изменяемые указатели на объекты, указатели на асинхронно-изменяемые объекты и асинхронно-изменяемые указатели на асинхронно-изменяемые объекты.

volatile int v;    // v - асинхронно-изменяемый объект типа int

int *volatile vip; // vip - асинхронно-изменяемый указатель на тип int

volatile int *ivp; // ivp - указатель на асинхронно-изменяемый тип int

// vivp - асинхронно-изменяемый указатель на асинхронно-изменяемый

// объект типа int

volatile int *volatile vivp;

int *ip = &v; // ошибка: нужен указатель на volatile

*ivp = &v;    // ok: ivp - указатель на volatile

vivp = &v;    // ok: vivp - volatile указатель на volatile

Подобно константам, адрес асинхронно-изменяемого объекта можно присвоить (или скопировать указатель на асинхронно-изменяемый тип) только асинхронно-изменяемому указателю. При инициализации ссылки на асинхронно-изменяемый объект следует использовать только асинхронно-изменяемые ссылки.

Синтезируемые функции управления копированием не применимы к асинхронно-изменяемым объектам

Между константными и асинхронно-изменяемыми объектами есть одно важное различие: для инициализации и присвоения асинхронно-изменяемых объектов не применимы синтезируемые версии операторов присвоения, копирования и перемещения. Синтезируемые функции-члены управления копированием получают параметры, типами которых являются константные ссылки на класс. Однако асинхронно-изменяемый объект не может быть передан при помощи обычной или константной ссылки.

Если класс должен обеспечить копирование, перемещение или присвоение асинхронно-изменяемых объектов в (или из) асинхронно-изменяемый операнд, в нем следует определить его собственные версии операторов копирования и перемещения. Например, объявив параметры как ссылки const и volatile, можно обеспечить копирование или присвоение из любого вида типа Foo:

class Foo {

public:

 Foo(const volatile Foo&); // копирование из объекта volatile

 // присвоение объекта volatile обычному объекту

 Foo& operator=(volatile const Foo&);

 // присвоение объекта volatile объекту volatile

 Foo& operator=(volatile const Foo&) volatile;

 // остальная часть класса Foo

};

Хотя для объектов volatile вполне можно определить функции копирования и присвоения, возникает вполне резонный вопрос: имеет ли смысл копировать объект volatile? Ответ зависит от причины использования такого объекта в конкретной программе.

 

19.8.3. Директивы компоновки:

extern "C"

Иногда в программах С++ необходимо применять функции, написанные на другом языке программирования. Как правило, это язык С. Подобно любому имени, имя функции, написанной на другом языке, следует объявить. Это объявление должно указать тип возвращаемого значения и список параметров. Компилятор проверяет обращения к внешним функциям на другом языке точно так же, как и обращения к обычным функциям языка С++. Однако для вызова функций, написанных на других языках, компилятор обычно вынужден создавать иной код. Чтобы указать язык для функций, написанных на языке, отличном от С++, используются директивы компоновки (linkage directive).

Комбинация кода С++ с кодом, написанным на любом другом языке, включая язык С, требует доступа к компилятору этого языка, совместимому с вашим компилятором С++.

Объявление функций, написанных на языке, отличном от С++

Директива компоновки может существовать в двух формах: одиночной и составной. Директивы компоновки не могут располагаться в определении класса или функции. Некоторые директивы компоновки должны присутствовать в каждом объявлении функции.

В качестве примера рассмотрим некоторые из функций языка С, объявленные в заголовке cstdlib:

// гипотетические директивы компоновки, которые могли бы

//  присутствовать в заголовке С++

// одиночная директива компоновки

extern "С" size_t strlen(const char *);

// составная директива компоновки

extern "С" {

 int strcmp(const char*, const char*);

 char *strcat(char*, const char*);

}

Первая форма состоит из ключевого слова extern, сопровождаемого строковым литералом и "обычным" объявлением функции.

Строковый литерал указывает язык, на котором написана функция. Используемый компилятор обязан поддерживать директивы компоновки для языка С. Компилятор может поддерживать директивы компоновки и для других языков, например extern "Ada", extern "FORTRAN" и т.д.

Директивы компоновки и заголовки

Та же директива компоновки может быть применена к нескольким функциям одновременно. Для этого их объявления заключают в фигурные скобки после директивы компоновки. Эти фигурные скобки служат для группировки объявлений, к которым применяется директива компоновки. Эти фигурные скобки игнорируются, а имена функций, объявленных в их пределах, видимы, как будто функции были объявлены вне фигурных скобок.

Составная форма объявления применима ко всему файлу заголовка. Например, заголовок cstring языка С++ может выглядеть следующим образом.

// составная директива компоновки

extern "С" {

#include // функции языка С, манипулирующие строками

                    //  в стиле С

}

Когда директива #include заключена в фигурные скобки составной директивы компоновки, все объявления обычных функций в файле заголовка будут восприняты как написанные на языке, указанном в директиве компоновки. Директивы компоновки допускают вложенность, т.е. если заголовок содержит функцию с директивой компоновки, на данную функцию это не повлияет.

Функции, унаследованные языком С++ от языка С, могут быть определены как функции языка С, но это не является обязательным условием для каждой реализации языка С++.

Указатели на функции, объявленные в директиве extern "С"

Язык, на котором написана функция, является частью ее типа. Чтобы объявить указатель на функцию, написанную на другом языке программирования, следует использовать директиву компоновки. Кроме того, указатели на функции, написанные на других языках, следует объявлять с той же директивой компоновки, что и у самой функции:

// pf указывает на функцию С, возвращающую void и получающую int

extern "С" void (*pf) (int);

Когда указатель pf используется для вызова функции, созданный при компиляции код подразумевает, что происходит обращение к функции С.

Тип указателя на функцию С не совпадает с типом указателя на функцию С++. Указатель на функцию С не может быть инициализирован (или присвоен) значением указателя на функцию С++ (и наоборот). Как и при любом другом несовпадении типов, попытка присвоения указателя с другой директивой компоновки приведет к ошибке:

void (*pf1)(int);            // указатель на функцию С++

extern "С" void (*pf2)(int); // указатель на функцию С

pf1 = pf2; // ошибка: pf1 и pf2 имеют разные типы

Некоторые компиляторы С++ могут допускать присвоение, приведенное выше, хотя, строго говоря, оно некорректно.

Директивы компоновки применимы ко всем объявлениям

Директива компоновки, использованная для функции, применяется также и к любым указателям на нее, используемым как тип возвращаемого значения или параметр.

// f1() - функция С, ее параметр также является указателем на функцию С

extern "С" void f1(void(*)(int));

Это объявление свидетельствует о том, что f1() является функцией языка С, которая не возвращает никаких значений. Она имеет один параметр в виде указателя на функцию, которая ничего не возвращает и получает один параметр типа int. Эта директива компоновки применяется как к самой функции f1(), так и к указателю на нее. Когда происходит вызов функции f1(), ей необходимо передать имя функции С или указатель на нее.

Поскольку директива компоновки применяется ко всем функциям в объявлении, для передачи функции С++ указателя на функцию С необходимо использовать определение типа (см. раздел 2.5.1):

// FC - указатель на функцию С

extern "С" typedef void FC(int);

// f2 - функция С++, параметром которой является указатель на функцию С

void f2(FC *);

Экспорт функций, созданных на языке С++, в другой язык

Используя директиву компоновки в определении функции, написанной на языке С++, эту функцию можно сделать доступной для программы, написанной на другом языке.

// функция calc() может быть вызвана из программы на языке С

extern "С" double calc(double dparm) { /* ... */ }

Код, создаваемый компилятором для этой функции, будет соответствовать указанному языку.

Следует заметить, что типы параметров и возвращаемого значения в функциях для разных языков зачастую ограничены. Например, почти наверняка нельзя написать функцию, которая передает объекты нетривиального класса С++ программе на языке С. Программа С не будет знать о конструкторах, деструкторах или других специфических для класса операциях.

Поддержка препроцессора при компоновке на языке С

Чтобы позволить компилировать тот же файл исходного кода на языке С или С++, при компиляции на языке С++ препроцессор автоматически определяет имя __cplusplus (два символа подчеркивания). Используя эту переменную, при компиляции на С++ можно условно включить код, компилируемый только на С++:

#ifdef __cplusplus

// ok: компилируется только в С++

extern "С"

#endif

int strcmp(const char*, const char*);

Перегруженные функции и директивы компоновки

Взаимодействие директив компоновки и перегрузки функций зависит от конкретного языка. Если язык поддерживает перегрузку функций, то компилятор, обрабатывая директивы компоновки для того языка, вероятней всего, выполнит ее.

Язык С не поддерживает перегрузку функций, поэтому нет ничего удивительного в том, что директива компоновки языка С может быть определена только для одной из функций в наборе перегруженных функций:

// ошибка: в директиве extern "С" указаны две одноименные функции

extern "С" void print(const char*);

extern "С" void print(int);

Если одна из функций в наборе перегруженных функций является функцией языка С, все остальные функции должны быть функциями С++:

class SmallInt { /* ... */ };

class BigNum { /* ... */ };

// функция С может быть вызвана из программ С и С++

// версия функции С++, перегружающая предыдущую функцию, может быть

// вызвана только из программ на языке С++

extern "С" double calc(double);

extern SmallInt calc(const SmallInt&);

extern BigNum calc(const BigNum&);

Версия функции calc() для языка С может быть вызвана как из программ на языке С, так и из программ на языке С++. Дополнительные функции с параметрами типа класса могут быть вызваны только из программ на языке С++, причем порядок объявления не имеет значения.

Упражнения раздела 19.8.3

Упражнение 19.26. Объясните эти объявления и укажите, допустимы ли они:

extern "С" int compute(int *, int);

extern "С" double compute(double *, double);