《C++程序設(shè)計語言》課件第2章

第2章C++?語言概述2.1C++語言及程序設(shè)計范型2.2過程程序設(shè)計范型2.3模塊化程序設(shè)計范型2.4數(shù)據(jù)抽象2.5面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型2.6類屬/通用程序設(shè)計范型小結(jié)練習(xí)題

2.1C++?語言及程序設(shè)計范型

2.1.1C++?語言的概念

C++?語言是從C語言演化而來的，C是C++?的子集，但C++?不是C，它比C更好，表達(dá)能力更強。常聽到這樣一種說法：C++?是一種面向?qū)ο笳Z言。其實，這種說法有失偏頗。準(zhǔn)確地說：C++?是一種通用的、支持多種程序設(shè)計范型的混合型語言。

所謂通用，是指C++?不限于某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域或某類特定的應(yīng)用/系統(tǒng)程序，它適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域及各種類型軟件(系統(tǒng)軟件/應(yīng)用軟件)的開發(fā)。C++?之所以不僅僅是一種面向?qū)ο笳Z言，而是一種混合型語言，這是因為它不僅支持?jǐn)?shù)據(jù)抽象、面向過程、面向模塊、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計范型，而且還支持類屬/通用程序設(shè)計范型，因此，它是一種支持多范型的混合型語言。2.1.2程序設(shè)計范型

C++是一種支持多種程序設(shè)計范型的混合型語言。為了準(zhǔn)確地理解C++?語言支持各種程序設(shè)計范型的語言機制，我們首先闡述程序設(shè)計范型的概念。

所謂程序設(shè)計范型(ProgrammingParadigm)，是人們在程序設(shè)計時所采用的基本方式模型。程序設(shè)計范型決定了程序設(shè)計時采用的思維方式、使用的工具，同時又有一定的應(yīng)用范疇(即受一定的應(yīng)用領(lǐng)域約束)。過程程序設(shè)計、模塊化程序設(shè)計、函數(shù)程序設(shè)計、邏輯程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等，都是我們常見的、不同的程序設(shè)計范型。每一種程序設(shè)計語言都以支持某種/某些程序設(shè)計范型為基礎(chǔ)，并以此而設(shè)計和發(fā)明。某一種語言支持某種程序設(shè)計范型的真正含義在于：第一，在該語言中具有相應(yīng)的語言設(shè)施(Facilities)，使得用該語言能更容易、不需耗費額外的時空代價或程序員的努力，便能更安全和有效地實施這種范型；第二，該語言的實現(xiàn)(指語言的編譯與運行環(huán)境)配有編譯時和(或)運行時的檢查機制，以防止或阻止程序員無意識地背離這種程序設(shè)計范型。值得注意的是，并非一種語言所擁有的機制越多越好，它擁有的機制只需足以支持某種或某些程序范型即可。換句話說，一種語言機制的優(yōu)劣在于它對所支持的程序設(shè)計范型的支持力度。

C++?語言是一種支持多種程序設(shè)計范型的語言，它支持：

面向過程程序設(shè)計范型；

面向模塊程序設(shè)計范型；

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型；

類屬/通用程序設(shè)計范型。為了正確地理解與掌握某種程序設(shè)計范型，學(xué)習(xí)時應(yīng)將關(guān)注點集中在以下方面：

該范型的程序設(shè)計或組織理念；

支持該范型相應(yīng)的語言機制；

語言的類型系統(tǒng)對該機制所提供的支持。

只有準(zhǔn)確地理解程序設(shè)計范型的概念，我們才能準(zhǔn)確地理解C++，進而達(dá)到正確、恰當(dāng)?shù)厥褂肅++的各種語言機制。2.1.3第一個C++程序及C++?程序結(jié)構(gòu)

讓我們從一個最簡單的C++?程序開始，來看看C++?語言的一些基本特性及程序結(jié)構(gòu)。

例如，在屏幕上打印輸出一行字符串的程序如下：

#include<iostream> //包含標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出頭文件iostream

usingnamespacestd; //引入C++?標(biāo)準(zhǔn)命名空間名std

intmain()

{

cout<<“WelcometoC++!”<<endl; //屏幕打印輸出“Welcometo

C++!”

return0; //程序成功返回

}程序運行輸出結(jié)果：

WelcometoC++!

任何一個C++?程序都由一個主函數(shù)(main函數(shù))和若干(或零)個其它函數(shù)/類組成。主函數(shù)main()是程序執(zhí)行的入口點。C++?程序中其它非標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)/類的名字由編程者自行命名(須符合C++?語言中標(biāo)識符的語法規(guī)則，C++?標(biāo)識符的語法規(guī)則詳見后續(xù)章節(jié))。

C++?中的每個函數(shù)都由函數(shù)的返回類型(如示例中main函數(shù)的int)、函數(shù)名、一對圓括號()括起的包含若干函數(shù)參數(shù)列表(或函數(shù)參數(shù)列表為空)及函數(shù)體構(gòu)成。每一對花括號{}表征函數(shù)體的開始與結(jié)束。另外，一對花括號{}亦可表示一個C++?語句塊(詳細(xì)內(nèi)容見后續(xù)章節(jié))。函數(shù)體的內(nèi)容可由零個或多個C++?語句構(gòu)成。

每個C++?語句須以分號結(jié)束，分號是C++?語句不可分割的一部分，如示例中的cout<<“WelcometoC++!”<<endl;和return?0;?均為C++語句(輸出與函數(shù)返回語句)，以//開頭的為C++?的單行注釋語句。

示例中的#include<iostream>為C++的預(yù)處理指令(PreprocessorDirective),它告訴C++編譯器在程序中要包括C++?標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流頭文件。有關(guān)<iostream>頭文件的內(nèi)容我們將在后續(xù)章節(jié)中介紹。標(biāo)準(zhǔn)C++?引入了一個可以由程序員命名的作用域，即命名空間(Namespace)。在每一個命名空間中可將一些相關(guān)的實體(如變量、函數(shù)、對象、類等)放入其中，以解決程序中常見的同名沖突問題。std為C++?標(biāo)準(zhǔn)類庫的一個命名空間名，其中存放了C++?標(biāo)準(zhǔn)庫中所定義的各種實體名。程序中的usingnamespacestd;語句稱為using指令，它將std命名空間中的實體名的作用域引入到該程序中。

C++?的輸入/輸出是用字符流(Stream)對象完成的，cout即為標(biāo)準(zhǔn)的輸出流(Ostream)對象，其默認(rèn)值為屏幕。cout<<"WelcometoC++!"<<endl;語句的功能是將字符串"WelcometoC++!"打印輸出到屏幕上并換行?！癳ndl”稱為流操縱算子，它發(fā)送一個換行符并刷新輸出緩沖區(qū)。“<<”為C++?流插入運算符(StreamInsertionOperator)，這是一個二元運算符，它將第二操作數(shù)以字符流的形式輸出到第一操作數(shù)流對象cout中。

2.2過程程序設(shè)計范型

2.2.1過程程序設(shè)計范型介紹

每一種程序設(shè)計語言都是為支持某種/某些程序設(shè)計范型而設(shè)計的。支持過程程序設(shè)計范型的典型代表是20世紀(jì)60年代誕生的Pascal語言。所謂過程程序設(shè)計范型，即

確定程序中所需要的過程；

采用過程處理中所找到的最好的算法。在該程序設(shè)計范型中，過程程序設(shè)計的核心是確定程序設(shè)計時所需的過程(Procedure)，其程序的組件粒度是過程，每個過程是語言中的過程(Procedure)或函數(shù)(Function)單元，它完成某一個/類特定的任務(wù)。該范型的側(cè)重點在于處理過程——執(zhí)行預(yù)期計算所需要的算法。

通常，程序設(shè)計語言支持這種范型的主要語言機制是向函數(shù)/過程傳遞參數(shù)及從函數(shù)/過程返回值。

該程序設(shè)計范型從程序的組織形式看，算法本身用函數(shù)/過程的調(diào)用來實現(xiàn)程序所要完成的任務(wù)。下面是一個計算平方根的程序片斷，從中我們可體會到什么是過程程序設(shè)計范型。

//計算某個雙精度數(shù)平方根函數(shù)的定義：

doublesqrt(doublearg)

{

//計算平方根的程序代碼

}

voidf()

{

doubleroot2=sqrt(2);//sqrt函數(shù)的調(diào)用

//...

}

C++語言支持過程程序設(shè)計范型的主要語言機制有：

函數(shù)、向函數(shù)傳遞參數(shù)及從函數(shù)返回值；

變量的定義與聲明；

算術(shù)運算符與關(guān)系運算符；

條件判斷語句與循環(huán)語句；

指針與數(shù)組。

C++?語言的子集C語言所提供的各種語言機制即用于支持過程程序設(shè)計范型。下面我們對C++?支持過程程序設(shè)計范型的各語言機制作一概述。2.2.2變量和算術(shù)運算符

C++?是一種強類型語言，C++?中每個名字(例如變量名或函數(shù)名)和表達(dá)式都須有一個類型，以表明它所能進行的操作。例如，變量定義語句

intx;

就表明變量x的類型為int。在C++?中遵循變量先定義(或聲明)后引用的原則，即在C++?程序中，每個變量都必須先定義或聲明，之后才能引用。

C++中提供了四大類基本的數(shù)據(jù)類型，它們是：

bool//布爾類型，其值為true或false

char//字符類型，例如?'a'、'8'?等

int//整數(shù)類型，例如1、45和1234等

double//雙精度浮點數(shù)類型，例如3.14和2.45e-3等

上述C++?的基本類型與邏輯運算、字符、整型及浮點型概念相對應(yīng)。注意：C++?語言不是一種跨平臺的語言，其類型的大小與實現(xiàn)語言的具體平臺相關(guān)。一般而言，char通常占用特定機器的一個字節(jié)，int一般對應(yīng)著機器的一個字，double通常大于int類型，而bool類型一般不小于機器的一個字節(jié)。

C++?提供了如下的算術(shù)和關(guān)系運算。

(1)算術(shù)運算符：

+ //加，一元正號和二元加－ //減，一元負(fù)號和二元減

* //乘

/ //整數(shù)除或浮點除

% //取?；蚍Q求余

(2)關(guān)系運算符：

== //等于，注意和賦值號?=?的區(qū)別

!= //不等于

< //小于

> //大于

<= //小于等于

>= //大于等于在進行賦值與算術(shù)運算時，C++?能在基本類型之間進行相容/有意義的類型轉(zhuǎn)換。因此，在C++?表達(dá)式中，各種基本類型的量可自由地混合使用，表達(dá)式的最終類型為參與表達(dá)式運算量最高的類型(即占有存儲字節(jié)量最大者)。例：

voidsome_function()//void類型指函數(shù)無返回值

{

doubled=2.2; //C++?將一個浮點數(shù)字面值默認(rèn)為double類型

inti=7;

d=d+i;

//d+i的類型為double

i=d*i;

//將double類型d*i的值進行隱式類型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為

int后賦給i

}2.2.3條件判斷與循環(huán)

C++?中提供了兩種條件判斷語句，它們是if和switch語句。

幾乎沒有不包含循環(huán)的程序。C++?中提供了三種循環(huán)語句，它們是for、while和do語句。

上述語句的語法及語義詳見第4章內(nèi)容。2.2.4指針與數(shù)組

指針類型是一種特殊的由某種類型構(gòu)造出來的類型，指針類型變量只能存放特定類型(即所指)的對象的地址。

數(shù)組類型是由若干個(個數(shù)固定)同質(zhì)元素構(gòu)造的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種類型的變量給批量同類數(shù)據(jù)的組織與處理提供了便利。指針與數(shù)組的詳細(xì)內(nèi)容見后續(xù)章節(jié)。

2.3模塊化程序設(shè)計范型

隨著程序規(guī)模的增大和復(fù)雜性的提高，程序設(shè)計的重點已從過程程序設(shè)計轉(zhuǎn)移到對數(shù)據(jù)的組織，即程序的組織以數(shù)據(jù)為中心，處理為外圍。這樣的程序組織方式是順應(yīng)需求并有一定道理的。因為應(yīng)用中數(shù)據(jù)(結(jié)構(gòu))的穩(wěn)定性常常強于對數(shù)據(jù)操作(用過程表示)的穩(wěn)定性；另外，這種程序組織方式亦大大提高了程序的可擴充性與可維護性。將一組相關(guān)的過程及它們所操作的數(shù)據(jù)組織在一起，這種組織結(jié)構(gòu)稱為模塊(Module)。

模塊化程序設(shè)計范型是：

確定程序中所需要的模塊；

將程序劃分成模塊，使得數(shù)據(jù)隱藏在程序的各模塊之中。

在該范型中，程序組件粒度是模塊。這種程序設(shè)計范型始于1972年P(guān)arnas提出的“信息隱蔽原理”。其基本思想是：將相關(guān)的數(shù)據(jù)和對此數(shù)據(jù)操作的過程/函數(shù)聚集在某一模塊中，模塊對外只提供接口/界面，將其實現(xiàn)隱藏起來，其它模塊不能隨意訪問該模塊中的內(nèi)容。支持該范型的典型代表是NiklausWirth發(fā)明的Modula、Modula-2語言。

下面我們定義一個堆棧模塊，以此來展示采用該范型C++?中模塊的定義與使用方法。

堆棧模塊Stack的用戶界面/接口可按C++?提供的名字空間機制進行聲明：

C++中支持模塊化程序設(shè)計范型的主要機制有：

名字空間(Namespace),一種模塊化機制(Mechanism)；

分別編譯(SeparateCompilation),模塊的接口和實現(xiàn)可分別編譯；

范圍解析(::)，如Stack::push(charc)和Stack::pop()；

異常處理(ExceptionHandling)。

在C++中通過名字空間namespace、范圍解析、分別編譯和異常處理機制，實現(xiàn)了模塊接口與實現(xiàn)的分離、模塊中數(shù)據(jù)的表示與對數(shù)據(jù)操作的分離、用戶代碼與Stack實現(xiàn)的完全分離。

stack.h、stack.cpp和user.cpp三文件之間的關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1stack.h、stack.c和user.c之間的關(guān)系

2.4數(shù)據(jù)抽象

模塊用函數(shù)的接口隱蔽了模塊中的數(shù)據(jù)及函數(shù)的處理細(xì)節(jié)(即封裝)，使得可以在保持模塊接口不變的前提下，改變模塊中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)的處理細(xì)節(jié)不影響使用模塊的用戶，這對于大系統(tǒng)是很有好處的。

一個系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的優(yōu)劣關(guān)鍵在于其抽象程度的高低，封裝充分體現(xiàn)了抽象的理念。

所謂抽象(Abstract)，是對一種事物或一個系統(tǒng)的簡化描述，它使外界集中注意力于該事物或系統(tǒng)的本質(zhì)方面，而忽略其細(xì)節(jié)。模塊化是一切成功的大型程序的一個最基本的特征。但是，對于清晰地表示復(fù)雜的大型系統(tǒng)而言，僅僅模塊化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。模塊雖然實現(xiàn)了信息隱藏，但模塊本身不是類型，它缺少語言基本類型的一些能力。例如，模塊不具有生成多個模塊實例(Instance)的能力，它的數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和清除規(guī)則與具體的設(shè)計相關(guān)，而基本類型變量(或數(shù)據(jù))的產(chǎn)生和清除有確定的規(guī)則，容易理解和使用。

應(yīng)用中，如果我們需要若干個堆棧模塊實例，則應(yīng)該自定義一個堆棧管理器，其界面如下：有了上述定義，一個Stack::stack用起來就像是一個基本類型。下面是用戶使用stack的一段代碼：上述定義的Stack::stack實際上扮演著一個假堆棧類型的角色。這種假堆棧類型的最大問題是：當(dāng)堆棧模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，這種堆棧模塊實例的生成與賦值等操作亦會隨之變化，這偏離于信息隱藏原則；另一方面，這種假類型的實例生成與消除亦表現(xiàn)得不夠自然，如在上述示例中，堆棧實例的生成/消除須顯式地調(diào)用create()/destroy()；更重要的是這種假類型沒有給語言環(huán)境提供任何類型信息，使得編譯器或運行環(huán)境無法進行類型檢查。

解決上述問題的思路是把模塊與類型結(jié)合起來，賦予它與語言基本類型類似的能力，這種概念叫做數(shù)據(jù)抽象。這樣的體現(xiàn)數(shù)據(jù)抽象概念的類型叫做抽象數(shù)據(jù)類型(AbstractDataType，ADT)或用戶自定義類型(User-DefinedType)。

準(zhǔn)確地說，所謂數(shù)據(jù)抽象，即

確定所需要的類型；

為每一種類型提供一組完整的操作集。

C++語言支持抽象數(shù)據(jù)類型(用戶自定義類型)的主要設(shè)施有：

Class(一般意義上的類)；

ConcreteType(有實例的類，即可以產(chǎn)生對象的類)；

AbstractType(抽象類，即無實例的類(只定義了結(jié)構(gòu)和接口的類))；

VirtualFunction(虛擬函數(shù))。

下面是利用抽象數(shù)據(jù)類型定義的Stack類的界面：

classStack

{

char*v;

inttop;

intmax_size;

public:

Stack(ints);

~Stack();

voidpush(charc);

charpop();

};

2.5面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型

在一個軟件系統(tǒng)中存在著大量的類，在不同的類之間可能存在共性和個性。如果我們把共性集中定義在某個類中，把個性分別定義在其它的類中，再明確表示它們之間的這種共性與個性的關(guān)系，就可以：在需要修改共性部分時，這種修改可以自動地傳播到所有的類；在需要修改個性部分時，這種修改只影響到一個相關(guān)的類。

以層次化形式表示共性和個性關(guān)系的方式稱為繼承性(Inheritance)。在一個系統(tǒng)中，表示繼承性的一組類形成了類層次結(jié)構(gòu)(ClassHierarchy)。同時支持ADT和繼承性的程序設(shè)計范型，即為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型。

準(zhǔn)確地說，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型中程序設(shè)計的理念是：

確定程序中所需要的類；

為每一個類提供一組完整的操作集；

用繼承性將類之間的共性顯式地表示出來。

C++?中支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型的主要機制有：

Class(一般意義上的類)；

ConcreteTypes(有實例的類，即可以產(chǎn)生對象的類)；

AbstractTypes(抽象類，即無實例的類(只定義了結(jié)構(gòu)和接口的類))；

VirtualFunctions(虛擬函數(shù))；

DerivedClasses(派生類)。

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型是當(dāng)今軟件業(yè)界公認(rèn)的主流開發(fā)技術(shù)。這種范型不僅支持軟件的快速開發(fā)，而且大大提高了軟件的重用(Reuse)，特別是極大地增強了軟件的可擴充性和可維護性。

支持該范型的典型語言有20世紀(jì)70年代產(chǎn)生的smalltalk語言、當(dāng)今流行的Java語言及C#?語言等。下面我們給出一個小型的應(yīng)用實例，以此說明該范型的精粹。

數(shù)據(jù)抽象是系統(tǒng)良好設(shè)計的基本特征。僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)抽象，即只有用戶自定義類型對于一個系統(tǒng)而言往往缺乏其應(yīng)有的靈活性。

假定在某個圖形系統(tǒng)里定義了一個Shape類型，它能支持圓、三角形和正方形。又假設(shè)我們已定義了Point(點類)、Color(顏色類)和Kind(類別)類型：對于Shape類的draw()方法(Method)而言，必須知道系統(tǒng)中所有圖形的種類，一旦增加或刪除系統(tǒng)中圖形的種類，就必須修改類型域Kind的信息及draw()方法的代碼。這樣做不僅極易導(dǎo)致程序錯誤，而且極大地限定了圖形系統(tǒng)對特定圖形的增加和刪除。

出現(xiàn)上述問題的根本癥結(jié)在于我們沒有將圖形系統(tǒng)中各種圖形的共性抽象出來并加以組織。下面我們給出問題的解決方案：在圖形系統(tǒng)中將其共性(每種圖形其共性都是一種形狀，屬于Shape類型)抽象出來，并采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想將這種共性與各自圖形的特性表達(dá)出來。

首先，我們定義一個抽象類(含有純虛函數(shù)的類)Shape，圖形系統(tǒng)中所有的圖形都屬于Shape。在Shape中，我們僅定義了各種圖形類進行draw()和rotate()操作的調(diào)用接口，而沒有定義其實現(xiàn)，這可用C++提供的純虛函數(shù)機制實現(xiàn)：有了Shape，對圖形系統(tǒng)中具有特性的各種圖形，如Circle類，我們可定義如下:此時，類型Circle被稱為自Shape派生而來，它是Shape類的子類/派生類(Subclass/DerivedClass)，Shape稱為基類/超類(BaseClass/SuperClass)。Circle類繼承了Shape類的所有特征，并具有它自己的特性。在一個系統(tǒng)中，若將其中的類以層次化的方式組織起來，將使我們受益匪淺!?在上例的圖形系統(tǒng)中，當(dāng)我們需要增加一種新的圖形類時，我們不需要修改已有的Shape類代碼，僅需從Shape類派生出一個新類即可。

C++中抽象類、繼承機制、純虛函數(shù)等都是進行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計極為重要的、相輔相成的語言機制。在進行大型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計時，關(guān)鍵是尋找系統(tǒng)中類的共性及將系統(tǒng)中的類以層次化的方式加以組織。

2.6類屬/通用程序設(shè)計范型

通常，在應(yīng)用中我們可能需要其它類型的堆棧，例如int/float等類型的堆棧，而不僅僅是上節(jié)定義的字符類型堆棧。如何滿足用戶的這種需求呢？

堆棧是一種通用的概念，它與char、int及float類型等無關(guān)。如果能抽取堆棧這一共性概念，用參數(shù)機制表達(dá)各類堆棧(char型堆棧、int型堆棧等)的特性，我們就達(dá)到了更高一級的抽象。這種抽象正是類屬/通用程序設(shè)計范型的理念。這種程序設(shè)計范型是指：

確定程序中所需要的算法；

將它們參數(shù)化，使之能適用于各種類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

上述所謂的算法即表達(dá)共性概念