Работа в С++

Лекция 1.

История создания и преимущества использования  С++

Безусловно С++ многим обязан языку С, который сохраняется  как его подмножество. Сохранены и все свойственные С средства низкого уровня, предназначенные для решения самых насущных задач системного программирования. С, в свою очередь, многим обязан своему предшественнику языку BCPL. Еще одним источником вдохновения был язык SIMULA-67; именно из него была заимствована концепция классов (вместе c производными классами и виртуальными функциями).  Возможность в С++ перегрузки операций и свобода размещения описаний всюду, где может встречаться оператор, напоминают язык Алгол-68.

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

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

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

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

Изначально С++ был задуман  для того, чтобы Страуструпу и его друзьям не надо было программировать на ассемблере, С или других современных языках   высокого уровня. Основное его предназначение – упростить и сделать более  приятным процесс программирования для отдельного программиста.  До недавнего времени не было плана разработки С++ на бумаге. Проектирование,   реализация и документирование шли параллельно. Никогда не существовало   "проекта С++" или "Комитета по разработке С++". Поэтому язык развивался и продолжает развиваться так, чтобы преодолеть все проблемы, с которыми столкнулись пользователи. Толчками к развитию служат также и обсуждения автором всех проблем с его друзьями и коллегами. 

В связи с лавинообразным процессом увеличения числа пользователей  С++, пришлось сделать следующие изменения. Примерно в 1987 г. стало очевидно,   что работа по стандартизации С++ неизбежна и что следует незамедлительно   приступить к созданию основы для нее.  В результате были предприняты целенаправленные действия, чтобы установить контакт между разработчиками С++ и большинством пользователей.  Применялась обычная и электронная почта, а также было непосредственное общение на конференциях по С++ и   других встречах. Фирма AT&T Bell Laboratories внесла основной вклад в эту работу, предоставив автору право изучать версии справочного руководства по языку вместе с упоминавшимися разработчиками и пользователями.  Не следует   недооценивать этот вклад, т.к. многие из них работают в компаниях, которые можно считать конкурентами фирмы AT&T.  Менее просвещенная компания могла бы просто ничего не делать, и в результате появилось бы несколько несогласованных версий языка.  Около ста представителей из порядка 20 организаций изучали и комментировали то, что стало современной версией   справочного руководства и исходными материалами для ANSI по стандартизации   С++.

Наконец, по инициативе фирмы  Hewlett-Packard в декабре 1989 г. в составе ANSI был образован комитет X3J16. Ожидается, что работы по стандартизации С++ в ANSI (американский стандарт) станут составной частью работ по стандартизации силами ISO (Международной организации по стандартизации).         

С++ развивался одновременно с развитием некоторых фундаментальных классов, представленных в данной книге. Например, автор разрабатывал классы complex, vector и stack, создавая одновременно возможность перегрузки операций.  В результате этих же усилий и благодаря содействию Д. Шапиро появились строковые и списочные классы. Эти классы стали первыми библиотечными классами, которые начали активно использоваться.

Библиотека task стала частью самой  первой программы, написанной на языке "С с классами". Эта программа и используемые в ней классы были созданы для моделирования в стиле Симулы. Библиотека task была существенно переработана Д. Шапиро и продолжает   активно использоваться до настоящего времени. Потоковая библиотека, как   указывалось в первом издании книги, была разработана и применена автором.   Д. Шварц преобразовал ее в потоковую библиотеку ввода-вывода, используя наряду с другими приемами метод манипуляторов Э.Кенига. Класс map был предложен Э.Кенигом.  Он же создал класс   Pool, чтобы использовать для библиотеки предложенный автором   способ распределения памяти для классов. На создание остальных   шаблонов повлияли шаблоны Vector, Map, Slist и sort.                             

Сравнение языков С++ и С. Выбор С в качестве базового языка для С++ объясняется следующими его достоинствами:     

• универсальность, краткость и относительно низкий уровень;
• адекватность большинству задач системного программирования;
• он идет в любой системе и на любой машине;
• полностью подходит для программной среды UNIX.         

В С существуют свои проблемы, но в языке, разрабатываемом "с  нуля" они   появились бы тоже, а проблемы С, по крайней мере, хорошо известны. Более важно то, что ориентация на С позволила использовать язык "С с классами" как полезный (хотя и не очень удобный) инструмент в течение первых месяцев раздумий о введении в С классов в стиле Симулы.         

С++ стал использоваться шире, но по мере роста его возможностей,   выходящих за пределы С, вновь и вновь возникала проблема совместимости. Ясно, что отказавшись от части наследства С, можно избежать некоторых проблем. Это не было сделано по следующим причинам:         

• существуют миллионы строк программ на С, которые можно улучшить с помощью С++, но при условии, что полной переписи их на язык С++ не потребуется;         
• существуют миллионы строк библиотечных функций и служебных программ на С, которые можно было бы использовать в С++ при условиях   совместимости обоих языков на стадии связывания и их большого   синтаксического сходства;         
• существуют сотни тысяч программистов, знающих С; им достаточно   овладеть только новыми средствами С++ и не надо изучать основ языка;         
• поскольку С и С++ будут использоваться одними и теми же людьми на одних и тех же системах многие годы, различия между языками должны быть либо минимальными, либо максимальными, чтобы свести к минимуму количество ошибок и недоразумений.

Описание С++ было переработано так, чтобы гарантировать, что любая допустимая в обоих языках конструкция означала в них одно и то же.  Язык С сам развивался в последние несколько лет, что отчасти было связано с разработкой С++. Стандарт ANSI для С содержит,   например, синтаксис описания функций, позаимствованный из языка "С с   классами". Происходит взаимное заимствование, например, тип указателя   void* был придуман для ANSI С, а впервые реализован в С++. Описание С++ было доработано, чтобы исключить неоправданные расхождения.  Теперь С++ более совместим с языком   С, чем это было вначале ($$R.18).  В идеале С++ должен максимально   приближаться к ANSI C, но не более.  Стопроцентной совместимости никогда не было и не будет, поскольку это нарушит надежность типов и согласованность использования встроенных и пользовательских типов, а эти свойства всегда были одними из главных для С++.         

Для изучения С++ не обязательно  знать С. Программирование на С способствует усвоению приемов и даже трюков, которые при программировании на С++ становятся просто ненужными. Например, явное преобразование типа (приведение), в С++ нужно гораздо реже, чем в С. Тем не менее, хорошие программы на языке С по сути являются программами на С++. Например, все программы из классического описания С являются программами на С++. В процессе изучения С++ будет полезен опыт работы с любым языком со статическими типами.                            

Эффективность и структура.  Развитие языка С++ происходило на базе языка С, и, за небольшим  исключением, С был сохранен в качестве подмножества C++. Базовый язык С был спроектирован таким образом, что имеется очень тесная связь между типами, операциями, операторами и объектами, с которыми непосредственно работает машина, т.е. числами, символами и адресами. За исключением операций new, delete и throw, а также проверяемого блока, для выполнения операторов и выражений С++ не требуется скрытой динамической аппаратной или программной поддержки.         

В С++ используется та же (или  даже более эффективная) последовательность команд для вызова функций и возврата из них, что и в С. Если даже эти довольно эффективные операции становятся слишком дорогими, то вызов функции может быть заменен подстановкой ее тела, причем сохраняется удобная функциональная запись безо всяких расходов на вызов функции.         

Первоначально язык С задумывался как конкурент ассемблера, способный   вытеснить его из основных и наиболее требовательных к ресурсам задач системного программирования. В проекте С++ были приняты меры, чтобы успехи С в этой области не оказались под угрозой. Различие между двумя языками прежде все состоит в степени внимания, уделяемого типам и структурам. Язык С выразителен и в то же время снисходителен по отношению к типам. Язык С++ еще более выразителен, но такой выразительности можно достичь лишь тогда, когда типам уделяют большое внимание. Когда типы объектов известны, транслятор правильно распознает такие выражения, в которых иначе программисту пришлось бы записывать операции с утомительными подробностями.  Кроме того, знание типов позволяет транслятору обнаруживать такие ошибки, которые в противном случае были бы выявлены только при тестировании.  Отметим, что само по себе использование строгой типизации языка для контроля параметров функции, защиты данных от незаконного доступа, определения новых типов и операций не влечет дополнительных расходов памяти и увеличения времени выполнения программы.

В проекте С++ особое внимание уделяется структурированию программы. Это вызвано увеличением размеров программ со времени появления С. Небольшую программу (скажем, не более 1000 строк) можно заставить из упрямства работать, нарушая все правила хорошего стиля программирования. Однако, действуя так, человек уже не сможет справиться с большой программой. Если у вашей программы в 10 000 строк плохая структура, то вы обнаружите, что новые ошибки появляются в ней так же быстро, как удаляются старые. С++ создавался с целью, чтобы большую программу можно было структурировать таким образом, чтобы одному человеку не пришлось работать с текстом в 25000 строк. В настоящее время можно считать, что эта цель полностью достигнута.

Существуют, конечно, программы еще большего размера. Однако те из них, которые действительно используются, обычно можно разбить на несколько практически независимых частей, каждая из которых имеет значительно меньший упомянутого размер. Естественно, трудность написания и сопровождения программы определяется не только числом строк текста, но и сложностью предметной области. Так что приведенные здесь числа, которыми обосновывались наши соображения, не надо воспринимать слишком серьезно.

К сожалению, не всякую часть  программы можно хорошо структурировать, сделать независимой от аппаратуры, достаточно понятной и т.д. В С++ есть средства, непосредственно и эффективно представляющие аппаратные возможности. Их использование позволяет избавиться от беспокойства о надежности и простоте понимания программы. Такие части программы можно скрывать, предоставляя надежный и простой интерфейс с ними.

Естественно, если С++ используется для большой программы, то это означает, что язык используют группы программистов. Полезную роль здесь сыграют свойственные языку модульность, гибкость и строго типизированные интерфейсы. В С++ есть такой же хороший набор средств для создания больших программ, как во многих языках.  Но когда программа становится еще больше, проблемы по ее созданию и сопровождению перемещаются из области языка в более глобальную область программных средств и управления проектом.

Может возникнуть подозрение, что запись программы с использованием подробной системы типов, увеличит размер текста. Для программы на С++ это не так: программа на С++, в которой описаны типы формальных параметров функций, определены классы и т.п., обычно бывает даже короче своего эквивалента на С, где эти средства не используются. Когда в программе на С++ используются библиотеки, она также оказывается короче своего эквивалента на С, если, конечно, он существует.

Философские замечания. Язык программирования решает две взаимосвязанные задачи: позволяет программисту записать подлежащие выполнению действия и формирует понятия, которыми программист оперирует, размышляя о своей задаче. Первой цели идеально отвечает язык, который очень "близок машине". Тогда со всеми ее основными "сущностями" можно просто и эффективно работать на этом языке, причем делая это очевидным для программиста способом. Именно это имели в виду создатели С. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к поставленной задаче", что на нем непосредственно и точно выражаются понятия, используемые в решении задачи. Именно это имелось в виду, когда первоначально определялись средства, добавляемые к С.