Программирование -> C/C++ -> Введение в язык С++

Глава 3

Выражения и операторы

C++ имеет небольшой, но гибкий набор различных видов операторов для контроля потока управления в программе и богатый набор операций для манипуляции данными. С наиболее общепринятыми средствами вас познакомит один законченный пример. После него приводится резюмирующий обзор выражений и с довольно подробно описываются явное описание типа и работа со свободной памятью. Потом представлена краткая сводка операций, а в конце обсуждаются стиль выравнивания*¹ и комментарии.

3.1 Настольный калькулятор

С операторами и выражениями вас познакомит приведенная здесь программа настольного калькулятора, предоставляющего четыре стандартные арифметические операции над числами с плавающей точкой. Пользователь может также определять переменные. Например, если вводится

  r=2.5
  area=pi*r*r

  2.5
  19.635

3.1.1 Программа синтаксического разбора

Вот грамматика языка, допускаемого калькулятором:

  program:
      END                    // END - это конец ввода
      expr_list END

  expr_list:
      expression PRINT      // PRINT - это или '\n' или ';'
      expression PRINT expr_list

  expression:
      expression + term
      expression - term
      term

  term:
      term / primary
      term * primary
      primary

  primary:
      NUMBER                // число с плавающей точкой в C++
      NAME                  // имя C++ за исключением '_'
      NAME = expression
      - primary
      ( expression )

  enum token_value {
      NAME        NUMBER    END
      PLUS='+'    MINUS='-'    MUL='*'    DIV='/'
      PRINT=';'    ASSIGN='='    LP='('    RP=')'
  };
  token_value curr_tok;

  double expr()                   // складывает  и вычитает
  {
      double left = term();

      for(;;)                     // ``навсегда``
          switch(curr_tok) {
          case PLUS:
              get_token();        // ест '+'
              left += term();
              break;
          case MINUS:
              get_token();        // ест '-'
              left -= term();
              break;
          default:
              return left;
          }
  }

  double expr();    // без этого нельзя

  double term()                    // умножает и складывает
  {
      double left = prim();

      for(;;)
          switch(curr_tok)    {
          case MUL:
              get_token();         // ест '*'
              left *= prim();
              break;
          case DIV:
              get_token();         // ест '/'
              double d = prim();
              if (d == 0) return error("деление на 0");
              left /= d;
              break;
          default:
              return left;
          }
  }

  double prim()                 // обрабатывает primary (первичные)
  {
      switch (curr_tok) {
      case NUMBER:              // константа с плавающей точкой
          get_token();
          return number_value;
      case NAME:
          if (get_token() == ASSIGN) {
              name* n = insert(name_string);
              get_token();
              n->value = expr();
              return n->value;
          }
          return look(name-string)->value;
      case MINUS:               // унарный минус
          get_token();
          return -prim();
      case LP:
          get_token();
          double e = expr();
          if (curr_tok != RP) return error("должна быть )");
          get_token();
          return e;
      case END:
          return 1;
      default:
          return error("должно быть primary");
      }
  }

  srtuct name {
      char* string;
      char* next;
      double value;
  }

  name* look(char*);
  name* insert(char*);

3.1.2 Функция ввода

Чтение ввода - часто самая запутанная часть программы. Причина в том, что если программа должна общаться с человеком, то она должна справляться с его причудами, условностями и внешне случайными ошибками. Попытки заставить человека вести себя более удобным для машины образом часто (и справедливо) рассматриваются как оскорбительные. Задача низкоуровневой программы ввода состоит в том, чтобы читать символы по одному и составлять из них лексические символы более высокого уровня. Далее эти лексемы служат вводом для программ более высокого уровня. У нас ввод низкого уровня осуществляется get_token(). Обнадеживает то, что написание программ ввода низкого уровня не является ежедневной работой; в хорошей системе для этого будут стандартные функции.
Для калькулятора правила ввода сознательно были выбраны такими, чтобы функциям по работе с потоками было неудобно эти правила обрабатывать; незначительные изменения в определении лексем сделали бы get_token() обманчиво простой.
Первая сложность состоит в том, что символ новой строки '\n' является для калькулятора существенным, а функции работы с потоками считают его символом пропуска. То есть, для этих функций '\n' значим только как ограничитель лексемы. Чтобы преодолеть это, надо проверять пропуски (пробел, символы табуляции и т.п.):

  char ch

  do {    // пропускает пропуски за исключением '\n'
      if(!cin.get(ch)) return curr_tok = END;
  } while (ch!='\n' && isspace(ch));

  switch (ch) {
  case ';':
  case '\n':
      cin >> WS;    // пропустить пропуск
      return curr_tok=PRINT;

  case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':
  case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':
  case '.':
      cin.putback(ch);
      cin >> number_value;
      return curr_tok=NUMBER;

  if (isalpha(ch)) {
      char* p = name_string;
      *p++ = ch;
      while (cin.get(ch) && isalnum(ch)) *p++ = ch;
      cin.putback(ch);
      *p = 0;
      return curr_tok=NAME;
  }

  token_value get_token()
  {
      char ch;

      do {    // пропускает пропуски за исключением '\n'
          if(!cin.get(ch)) return curr_tok = END;
      } while (ch!='\n' && isspace(ch));

      switch (ch) {
      case ';':
      case '\n':
          cin >> WS;    // пропустить пропуск
          return curr_tok=PRINT;
      case '*':
      case '/':
      case '+':
      case '-':
      case '(':
      case ')':
      case '=':
          return curr_tok=ch;
      case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':
      case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':
      case '.':
          cin.putback(ch);
          cin >> number_value;
          return curr_tok=NUMBER;
      default:            // NAME, NAME= или ошибка
          if (isalpha(ch)) {
              char* p = name_string;
              *p++ = ch;
              while (cin.get(ch) && isalnum(ch)) *p++ = ch;
              cin.putback(ch);
              *p = 0;
              return curr_tok=NAME;
          }
          error("плохая лексема");
          return curr_tok=PRINT;
      }
  }

3.1.3 Таблица имен

К таблице имен доступ осуществляется с помощью одной функции

  name* look(char* p, int ins =0);

  inline name* insert(char* s) { return look(s,1);}

  srtuct name {
      char* string;
      char* next;
      double value;
  }

  const TBLSZ = 23;
  name* table[TBLSZ];

  int ii = 0;        // хэширование
  char* pp = p;
  while (*pp) ii = ii<<1 ^ *pp++;
  if (ii < 0) ii = -ii;
  ii %= TBLSZ;

  ii <<= 1;
  ii ^= *pp++;

  if (ii < 0) ii = -ii;
  ii %= TBLSZ;

  extern int strlen(const char*);
  extern int strcmp(const char*, const char*);
  extern int strcpy(const char*, const char*);

  name* look(char* p, int ins =0)
  {
      int ii = 0;        // хэширование
      char* pp = p;
      while (*pp) ii = ii<<1 ^ *pp++;
      if (ii < 0) ii = -ii;
      ii %= TBLSZ;

      for (name* n=table[ii]; n; n=n->next)    // поиск
          if (strcmp(p,n->string) == 0) return n;

      if (ins == 0) error("имя не найдено");

      name* nn = new name;                     // вставка
      nn->string = new char[strlen(p)+1];
      strcpy(nn->string,p);
      nn->value = 1;
      nn->next = table[ii];
      table[ii] = nn;
      return nn;
  }

3.1.4 Обработка ошибок

Поскольку программа так проста, обработка ошибок не составляет большого труда. Функция обработки ошибок просто считает ошибки, пишет сообщение об ошибке и возвращает управление обратно:

  int no_of_errors;

  double error(char* s) {
      cerr << "error: " << s << "\n";
      no_of_errors++;
      return 1;
  }

3.1.5 Драйвер

Когда все части программы на месте, нам нужен только драйвер для инициализации и всего того, что связано с запуском. В этом простом примере main() может работать так:

  int main()
  {
      // вставить предопределенные имена:
      insert("pi")->value = 3.1415926535897932385;
      insert("e")->value = 2.7182818284590452354;

      while (cin) {
          get_token();
          if (curr_tok == END) break;
          if (curr_tok == PRINT) continue;
          cout << expr() << "\n";
      }

      return no_of_errors;
  }

  cout << expr() << "\n";

  while (cin) {
      // ...
      if (curr_tok == PRINT) continue;
      cout << expr() << "\n";
  }

  while (cin) {
      // ...
      if (curr_tok == PRINT) goto end_of_loop;
      cout << expr() << "\n";
      end_of_loop
  }

3.1.6 Параметры командной строки

После того, как программа была написана и оттестирована, я заметил, что часто набирать выражения на клавиатуре в стандартный ввод надоедает, поскольку обычно использование программы состоит в вычислении одного выражения. Если бы можно было представлять это выражение как параметр командной строки, не приходилось бы так много нажимать на клавиши.

Как уже говорилось, программа запускается вызовом main(). Когда это происходит, main() получает два параметра: указывающий число параметров, обычно называемый argc, и вектор параметров, обычно называемый argv. Параметры - это символьные строки, поэтому argv имеет тип char*[argc]. Имя программы (так, как оно стоит в командной строке) передается в качестве argv[0], поэтому argc всегда не меньше единицы. Например, в случае команды

  dc 150/1.1934

  argc        2
  argv[0]        "dc"
  argv[1]        "150/1.1934"

  int main(int argc, char* argv[])
  {
      switch(argc) {
      case 1:        // читать из стандартного ввода
          break;
      case 2:        // читать параметр строку
          cin = *new istream(strlen(argv[1]),argv[1]);
          break;
      default:
          error("слишком много параметров");
          return 1;
      }

      // как раньше
  }

  dc "rate=1.1934;150/rate;19.75/rate;217/rate"

3.2 Краткая сводка операций

Операции C++ подробно и систематически описываются в #с.7; прочитайте, пожалуйста, этот раздел. Здесь же приводится краткая сводка и некоторые примеры. После каждой операции приведено одно или более ее общеупотребительных названий и пример ее использования. В этих примерах имя_класса - это имя класса, член - имя члена, объект - выражение, дающее в результате объект класса, указатель - выражение, дающее в результате указатель, выр - выражение, а lvalue - выражение, денотирующее неконстантный объект. Тип может быть совершенно произвольным именем типа (со *, () и т.п.) только когда он стоит в скобках, во всех остальных случаях существуют ограничения.
Унарные операции и операции присваивания правоассоциативны, все остальные левоассоциативны. Это значит, что a=b=c означает a=(b=c), a+b+c означает (a+b)+c, и *p++ означает *(p++), а не (*p)++.

Сводка Операций (часть 1)

::        разрешение области видимости   имя_класса :: член
   ::        глобальное                     :: имя

Сводка Операций (часть 2)

3.2.1 Круглые скобки

Скобками синтаксис C++ злоупотребляет; количество способов их использования приводит в замешательство: они применяются для заключения в них параметров в вызовах функций, в них заключается тип в преобразовании типа (приведении к типу), в именах типов для обозначения функций, а также для разрешения конфликтов приоритетов. К счастью, последнее требуется не слишком часто, потому что уровни приоритета и правила ассоциативности определены таким образом, чтобы выражения "работали ожидаемым образом" (то есть, отражали наиболее привычный способ употребления). Например, значение

  if (i<=0 || max

3.2.2 Порядок вычисления

Порядок вычисления подвыражений в выражении не определен. Например

  int i = 1;
  v[i] = i++;

  ,    &&    ||

  f1(v[i],i++);       // два параметра
  f2( (v[i],i++) )    // один параметр

3.2.3 Увеличение и уменьшение* ⁵

Операция ++ используется для явного выражения приращения вместо его неявного выражения с помощью комбинации сложения и присваивания. По определению ++lvalue означает lvalue+=1, что в свою очередь означает lvalue=lvalue+1 при условии, что lvalue не вызывает никаких побочных эффектов. Выражение, обозначающее (денотирующее) объект, который должен быть увеличен, вычисляется один раз (только). Аналогично, уменьшение выражается операцией --. Операции ++ и -- могут применяться и как префиксные, и как постфиксные. Значением ++x является новое (то есть увеличенное) значение x. Например, y=++x эквивалентно y=(x+=1). Значение x++, напротив, есть старое значение x. Например, y=x++ эквивалентно y=(t=x,x+=1,t), где t - переменная того же типа, что и x.
Операции приращения особенно полезны для увеличения и уменьшения переменных в циклах. Например, оканчивающуюся нулем строку можно копировать так:

  inline void cpy(char* p, const char* q)
  {
      while (*p++ = *q++) ;
  }

  long(p+1) == long(p)+sizeof(T);

3.2.4 Побитовые логические операции

Побитовые логические операции

  &    |    ^    ~    >>    <<

  enum state_value { _good=0, _eof=1, _fail=2, _bad=4};
                   // хорошо, конец файла, ошибка, плохо

  cout.state = _good;

  if (cout.state&(_bad|_fail)) // не good

  cin.state |= _eof;

  cin.state = _eof;

  state_value diff = cin.state^cout.state;

  unsigned short middle(int a) { return (a>>8)&0xffff; }

  &&    ||    !

3.2.5 Преобразование типа

Бывает необходимо явно преобразовать значение одного типа в значение другого. Явное преобразование типа дает значение одного типа для данного значения другого типа. Например:

  float r = float(1);

  char* p = (char*)0777;

  typedef char* Pchar;
  char* p = Pchar(0777);

  Pname n2 = Pbase(n1->tp)->b_name;        // функциональная запись
  Pname n3 = ((Pbase)n2->tp)->b_name;        // запись приведения к
  типу

  ((Pbase)(n2->tp))->b_name

  any_type* p = (any_type*)&some_object;

  int i = 1;
  char* pc = "asdf";
  int* pi = &i;

  i = (int)pc;
  pc = (char*)i;    // остерегайтесь: значение pc может измениться
                    // на некоторых машинах
                    // sizeof(int)

3.2.6 Свободная память

Именованный объект является либо статическим, либо автоматическим см. #2.1.3). Статический объект размещается во время запуска программы и существует в течение всего выполнения программы. Автоматический объект размещается каждый раз при входе в его блок и существует только до тех пор, пока из этого блока не вышли. Однако часто бывает полезно создать новый объект, существующий до тех пор, пока он не станет больше не нужен. В частности, часто полезно создать объект, который можно использовать после возврата из функции, где он создается. Такие объекты создает операция new, а в последствие уничтожать их можно операцией delete. Про объекты, выделенные с помощью операции new, говорят, что они в свободной памяти. Такими объектами обычно являются вершины деревьев или элементы связанных списков, являющиеся частью большей структуры данных, размер которой не может быть известен на стадии компиляции. Рассмотрим, как можно было бы написать компилятор в духе написанного настольного калькулятора. Функции синтаксического анализа могут строить древовидное представление выражений, которое будет использоваться при генерации кода. Например:

  struct enode {
      token_value oper;
      enode* left;
      enode* right;
  };

  enode* expr()
  {
  enode* left = term();

  for(;;)
      switch(curr_tok) {
      case PLUS:
      case MINUS:
          get_token();
          enode* n = new enode;
          n->oper = curr_tok;
          n->left = left;
          n->right = term();
          left = n;
          break;
      default:
          return left;
      }
  }

  void generate(enode* n)
  {
      switch (n->oper) {
      case PLUS:
          // делает нечто соответствующее
          delete n;
      }
  }

  char* save_string(char* p)
  {
      char* s = new char[strlen(p)+1];
      strcpy(s,p);
      return s;
  }

  int main(int argc, char* argv[])
  {
      if (argc < 2) exit(1);
      char* p = save_string(argv[1]);
      delete p;
  }

  int main(int argc, char* argv[])
  {
      if (argc < 2) exit(1);
      int size = strlen(argv[1])+1;
      char* p = save_string(argv[1]);
      delete[size] p;
  }

  void operator new(long);
  void operator delete(void*);

  char* p = new char[100000000];

  #include

  void out_of_store()
  {
      cerr << "операция new не прошла: за пределами памяти\n";
      exit(1);
  }

  typedef void (*PF)();    // тип указатель на функцию

  extern PF set_new_handler(PF);

  main()
  {
      set_new_handler(out_of_store);
      char* p = new char[100000000];
      cout << "сделано, p = " << long(p) << "\n";
  }

  операция new не прошла: за пределами памяти

  include

  main()
  {
      char* p = new char[100000000];
      cout << "сделано, p = " << long(p) << "\n";
  }

  сделано, p = 0

3.3 Сводка операторов

Операторы C++ систематически и полностью изложены в #с.9, прочитайте, пожалуйста, этот раздел. А здесь приводится краткая сводка и некоторые примеры.

Синтаксис оператора

   оператор:
       описание
       {список_операторов opt}
       выражение opt

       if ( выражение ) опреатор
       if ( выражение ) оператор else оператор
       switch ( выражение ) оператор

       while ( выражение ) оператор
       do оператор while (выражение)
       for ( оператор  выражение opt ; выражение opt ) оператор

       case константное_выражение : оператор
       default : оператор
       break ;
       continue ;

       return выражение opt ;

       goto идентификатор ;
       идентификатор : оператор

       список_операторов:
           оператор
           оператор список_операторов

3.3.1 Проверки

Проверка значения может осуществляться или оператором if, или оператором switch:

  if ( выражение ) оператор
  if ( выражение ) оператор else оператор
  switch ( выражение ) оператор

  ==    !=    <    <=    >    >=

  if (a) // ...

  if (a != 0) // ...

  &&    ||    !

  if (p && 1count) // ...

  if (a <= d)
      max = b;
  else
      max = a;

  max = (a<=b) ? b : a;

  switch (val) {
  case 1:
      f();
      break;
  case 2;
      g();
      break;
  default:
      h();
      break;
  }

  if (val == 1)
      f();
  else if (val == 2)
      g();
  else
      h();

  switch (val) {    // осторожно
  case 1:
      cout << "case 1\n";
  case 2;
      cout << "case 2\n";
  default:
      cout << "default: case не найден\n";
  }

  case 1
  case 2
  default: case не найден

  switch (val) {    // осторожно
  case 0:
      cout << "case 0\n";
  case1:
  case 1:
      cout << "case 1\n";
      return;
  case 2;
      cout << "case 2\n";
      goto case1;
  default:
      cout << "default: case не найден\n";
      return;
  }

  case 2
  case 1

  goto case 1;        // синтаксическая ошибка

3.3.2 Goto

C++ снабжен имеющим дурную репутацию оператором goto.

  goto идентификатор;
  идентификатор : оператор

  for (int i = 0; i

3.4 Комментарии и Выравнивание

Продуманное использование комментариев и согласованное использование отступов может сделать чтение и понимание программы намного более приятным. Существует несколько различных стилей согласованного использования отступов. Автор не видит никаких серьезных оснований предпочесть один другому (хотя как и у большинства, у меня есть свои предпочтения). Сказанное относится также и к стилю комментариев.
Неправильное использование комментариев может серьезно повлиять на удобочитаемость программы, Компилятор не понимает содержание комментария, поэтому он никаким способом не может убедиться в том, что комментарий
[1] осмыслен;
[2] описывает программу; и
[3] не устарел.
Непонятные, двусмысленные и просто неправильные комментарии содержатся в большинстве программ. Плохой комментарий может быть хуже, чем никакой.
Если что-то можно сформулировать средствами самого языка, следует это сделать, а не просто отметить в комментарии. Данное замечание относится к комментариям вроде:

  // переменная "v" должна быть инициализирована.

  // переменная "v" должна использоваться только функцией "f()".

  // вызвать функцию init() перед вызовом
  // любой другой функции в этом файле.

  // вызовите функцию очистки "cleanup()" в конце вашей
  программы.

  // не используйте функцию "wierd()".

  // функция "f()" получает два параметра.

  a = b+c;    // a становится b+c
  count++;    // увеличить счетчик

  // tbl.c: Реализация таблицы имен
  /*
      Гауссовское исключение с частичным
      См. Ralston: "A first course ..." стр. 411.
  */

  // swap() предполагает размещение стека AT&T sB20.

  /**************************************

      Copyright (c) 1984 AT&T, Inc.
      All rights reserved

  ****************************************/

3.5 Упражнения

1. (*1) Перепишите следующий оператор for в виде эквивалентного оператора while:

          for (i=0; im
          *p.m
          *a[i]
   

7. (*2) Напишите функции: strlen(), которая возвращает длину строки, strcpy(), которая копирует одну строку в другую, и strcmp(), которая сравнивает две строки. Разберитесь, какие должны быть типы параметров и типы возвращаемых значений, а потом сравните их со стандартными версиями, которые описаны в и в вашем руководстве.
8. (*1) Посмотрите, как ваш компилятор реагирует на ошибки:

          a := b+1;
          if (a = 3) // ...
          if (a&077 == 0) // ...
   

   
   Придумайте ошибки попроще, и посмотрите, как компилятор на них реагирует.
9. (*2) Напишите функцию cat(), получающую два строковых параметра и возвращающую строку, которая является конкатенацией параметров. Используйте new, чтобы найти память для результата. Напишите функцию rev(), которая получает строку и переставляет в ней символы в обратном порядке. То есть, после вызова rev(p) последний символ p становится первым.
10. (*2) Что делает следующая программа?

           void send(register* to, register* from, register count)
           // Полезные комментарии несомненно уничтожены.
           {
               register n=(count+7)/8;
               switch (count%8) {
                   case 0: do {    *to++ = *from++;
                   case 7: do {    *to++ = *from++;
                   case 6: do {    *to++ = *from++;
                   case 5: do {    *to++ = *from++;
                   case 4: do {    *to++ = *from++;
                   case 3: do {    *to++ = *from++;
                   case 2: do {    *to++ = *from++;
                   case 1: do {    *to++ = *from++;
                       while (--n>0);
               }
           }
    

    
    Зачем кто-то мог написать нечто похожее?
11. (*2) Напишите функцию atoi(), которая получает строку, содержащую цифры, и возвращает соответствующее int. Например, atoi("123") - это 123. Модифицируйте atoi() так, чтобы помимо обычной десятичной она обрабатывала еще восьмеричную и шестнадцатиричную записи C++. Модифицируйте atoi() так, чтобы обрабатывать запись символьной константы. Напишите функцию itoa(), которая строит представление целого параметра в виде строки.
12. (*2) Перепишите get_token() (#3.1.2), чтобы она за один раз читала строку в буфер, а затем составляла лексемы, читая символы из буфера.
13. (*2) Добавьте в настольный калькулятор из #3.1 такие функции, как sqrt(), log() и sin(). Подсказка: предопределите имена и вызывайте функции с помощью вектора указателей на функции. Не забывайте проверять параметры в вызове функции.
14. (*3) Дайте пользователю возможность определять функции в настольном калькуляторе. Подсказка: определяйте функции как последовательность действий, прямо так, как их набрал пользователь. Такую последовательность можно хранить или как символьную строку, или как список лексем. После этого, когда функция вызывается, читайте и выполняйте эти действия. Если вы хотите, чтобы пользовательская функция получала параметры, вы должны придумать форму записи этого.
15. (*1.5) Преобразуйте настольный калькулятор так, чтобы вместо статических переменных name_string и number_value использовалась структура символа symbol:

           struct symbol {
               token_value tok;
               union {
                   double number_value;
                   char* name_string;
               };
           };
    

16. (*2.5) Напишите программу, которая выбрасывает комментарии из C++ программы. То есть, читает из cin, удаляет // и /* */ комментарии и пишет результат в cout. Не заботьтесь о приятном виде выходного текста (это могло бы быть другим, более сложным упражнением). Не беспокойтесь о правильности программ. Остерегайтесь // и /* и */ внутри комментариев, строк и символьных констант.
17. (*2) Посмотрите какие-нибудь программы, чтобы понять принцип различных стилей комментирования и выравнивания, которые используются на практике.

    
    *¹ Нам неизвестен русскоязычный термин, эквивалентный английскому indentation. Иногда это называется отступами. (прим. перев.)
    *² игра слов: "for" - "forever" (навсегда). (прим. перев.)
    * ³В языке немного лучше этого с этими исключениями тоже надо бы справляться. (прим. автора)
    * ⁴знака этой операции. (прим. перев.)
    * ⁵Следовало бы переводить как "инкремент" и "декремент", однако мы следовали терминологии, принятой в переводной литературе по C, поскольку эти операции унаследованы от C. (прим. перев.)

    [Назад] [Содержание] [Вперед]