* выделение и освобождение памяти под статические объекты производится компилятором автоматически. Программисту не нужно самому заботиться об этом. Выделение и освобождение памяти под динамические объекты целиком и полностью возлагается на программиста. Это достаточно сложная задача, при решении которой легко наделать ошибок. Для манипуляции динамически выделяемой памятью служат операторы new и delete.
Оператор new имеет две формы. Первая форма выделяет память под единичный объект определенного типа:
int *pint = new int(1024);
Здесь оператор new выделяет память под безымянный объект типа int, инициализирует его значением 1024 и возвращает адрес созданного объекта. Этот адрес используется для инициализации указателя pint. Все действия над таким безымянным объектом производятся путем разыменовывания данного указателя, т.к. явно манипулировать динамическим объектом невозможно.
Вторая форма оператора new выделяет память под массив заданного размера, состоящий из элементов определенного типа:
int *pia = new int[4];
В этом примере память выделяется под массив из четырех элементов типа int. К сожалению, данная форма оператора new не позволяет инициализировать элементы массива.
Некоторую путаницу вносит то, что обе формы оператора new возвращают одинаковый указатель, в нашем примере это указатель на целое. И pint, и pia объявлены совершенно одинаково, однако pint указывает на единственный объект типа int, а pia – на первый элемент массива из четырех объектов типа int.
Когда динамический объект больше не нужен, мы должны явным образом освободить отведенную под него память. Это делается с помощью оператора delete, имеющего, как и new, две формы – для единичного объекта и для массива:
// освобождение единичного объекта
delete pint;
// освобождение массива
delete[] pia;
Что случится, если мы забудем освободить выделенную память? Память будет расходоваться впустую, она окажется неиспользуемой, однако возвратить ее системе нельзя, поскольку у нас нет указателя на нее. Такое явление получило специальное название утечка памяти. В конце концов программа аварийно завершится из-за нехватки памяти (если, конечно, она будет работать достаточно долго). Небольшая утечка трудно поддается обнаружению, но существуют утилиты, помогающие это сделать.
Наш сжатый обзор динамического выделения памяти и использования указателей, наверное, больше породил вопросов, чем дал ответов. В разделе 8.4 затронутые проблемы будут освещены во всех подробностях. Однако мы не могли обойтись без этого отступления, так как класс Array, который мы собираемся спроектировать в последующих разделах, основан на использовании динамически выделяемой памяти.
Упражнение 2.3
Объясните разницу между четырьмя объектами:
(a) int ival = 1024;
(b) int *pi = ival;
(c) int *pi2 = new int(1024);
(d) int *pi3 = new int[1024];
Упражнение 2.4
Что делает следующий фрагмент кода? В чем состоит логическая ошибка? (Отметим, что операция взятия индекса ([]) правильно применена к указателю pia. Объяснение этому факту можно найти в разделе 3.9.2.)
int *pi = new int(10);
int *pia = new int[10];
while ( *pi 10 ) {
pia[*pi] = *pi;
*pi = *pi + 1;
}
delete pi;
delete[] pia;
2.3. Объектный подход
В этом разделе мы спроектируем и реализуем абстракцию массива, используя механизм классов С++. Первоначальный вариант будет поддерживать только массив элементов типа int. Впоследствии при помощи шаблонов мы расширим наш массив для поддержки любых типов данных.
Первый шаг состоит в том, чтобы определить, какие операции будет поддерживать наш массив. Конечно, было бы заманчиво реализовать все мыслимые и немыслимые операции, но невозможно сделать сразу все на свете. Поэтому для начала определим то, что должен уметь наш массив:
* обладать некоторыми знаниями о самом себе. Пусть для начала это будет знание собственного размера;
* поддерживать операцию присваивания и операцию сравнения на равенство;
* отвечать на некоторые вопросы, например: какова величина минимального и максимального элемента; содержит ли массив элемент с определенным значением; если да, то каков индекс первого встречающегося элемента, имеющего это значение;
* сортировать сам себя. Пусть такая операция покажется излишней, все-таки реализуем ее в качестве дополнительного упражнения: ведь кому-то это может пригодиться.
* Конечно, мы должны реализовать и базовые операции работы с массивом, а именно:Возможность задать размер массива при его создании. (Речь не идет о том, чтобы знать эту величину на этапе компиляции.)
* Возможность проинициализировать массив некоторым набором значений.
* Возможность обращаться к элементу массива по индексу. Пусть эта возможность реализуется с помощью стандартной операции взятия индекса.
* Возможность обнаруживать обращения к несуществующим элементам массива и сигнализировать об ошибке. Не будем обращать внимание на тех потенциальных пользователей нашего класса, которые привыкли работать со встроенными массивами С и не считают данную возможность полезной – мы хотим создать такой массив, который был бы удобен в использовании даже самым неискушенным программистам на С++.
Кажется, мы перечислили достаточно потенциальных достоинств нашего будущего массива, чтобы загореться желанием немедленно приступить к его реализации. Как же это будет выглядеть на С++? В самом общем случае объявление класса выглядит следующим образом:
class classname {
public:
// набор открытых операций
private:
// закрытые функции, обеспечивающие реализацию
};
class, public и private – это ключевые слова С++, а classname – имя, которое программист дал своему классу. Назовем наш проектируемый класс IntArray: на первом этапе этот массив будет содержать только целые числа. Когда мы научим его обращаться с данными любого типа, можно будет переименовать его в Array.
Определяя класс, мы создаем новый тип данных. На имя класса можно ссылаться точно так же, как на любой встроенный описатель типа. Можно создавать объекты этого нового типа аналогично тому, как мы создаем объекты встроенных типов:
// статический объект типа IntArray
IntArray myArray;
// указатель на динамический объект типа IntArray
IntArray *pArray = new IntArray;
Определение класса состоит из двух частей: заголовка (имя, предваренное ключевым словом class) и тела, заключенного в фигурные скобки. Заголовок без тела может служить объявлением класса.
// объявление класса IntArray
// без определения его
class IntArray;
Тело класса состоит из определений членов и спецификаторов доступа – ключевых слов public, private и protected. (Пока мы ничего не будем говорить об уровне доступа protected.) Членами класса могут являться функции, которые определяют набор действий, выполняемых классом, и переменные, содержащие некие внутренние данные, необходимые для реализации класса. Функции, принадлежащие классу, называют функциями-членами или, по-другому, методами класса. Вот набор методов класса IntArray:
class IntArray {
public:
// операции сравнения: #2b
bool operator== (const IntArray) const;
bool operator!= (const IntArray) const;
// операция присваивания: #2a
IntArray operator= (const IntArray);
int size() const; // #1
void sort(); // #4
int min() const; // #3a
int max() const; // #3b
// функция find возвращает индекс первого
// найденного элемента массива
// или -1, если элементов не найдено
int find (int value) const; // #3c
private:
// дальше идут закрытые члены,
// обеспечивающие реализацию класса
...
}
Номера, указанные в комментариях при объявлениях методов, ссылаются на спецификацию класса, которую мы составили в начале данного раздела. Сейчас мы не будем объяснять смысл ключевого слова const, он не так уж важен для понимания того, что мы хотим продемонстрировать на данном примере. Будем считать, что это ключевое слово необходимо для правильной компиляции программы.
Именованная функция-член (например, min()) может быть вызвана с использованием одной из двух операций доступа к члену класса. Первая операция доступа, обозначаемая точкой (.), применяется к объектам класса, вторая – стрелка (-) – к указателям на объекты. Так, чтобы найти минимальный элемент в объекте, имеющем тип IntArray, мы должны написать:
// инициализация переменной min_val
// минимальным элементом myArray
int min_val = myArray.min();
Чтобы найти минимальный элемент в динамически созданном объекте типа IntArray, мы должны написать:
int min_val = pArray-min();
(Да, мы еще ничего не сказали о том, как же проинициализировать наш объект – задать его размер и наполнить элементами. Для этого служит специальная функция-член, называемая конструктором. Мы поговорим об этом чуть ниже.)
Операции применяются к объектам класса точно так же, как и к встроенным типам данных. Пусть мы имеем два объекта типа IntArray:
IntArray myАrray0, myArray1;
Инструкции присваивания и сравнения с этими объектами выглядят совершенно обычным образом:
// инструкция присваивания -
// вызывает функцию-член myArray0.operator=(myArray1)
myArray0 = myArray1;
// инструкция сравнения -
// вызывает функцию-член myArray0.operator==(myArray1)
if (myArray0 == myArray1)
cout "Ура! Оператор присваивания сработал!\n";
Спецификаторы доступа public и private определяют уровень доступа к членам класса. К тем членам, которые перечислены после public, можно обращаться из любого места программы, а к тем, которые объявлены после private, могут обращаться только функции-члены данного класса. (Помимо функций-членов, существуют еще функции-друзья класса, но мы не будем говорить о них вплоть до раздела 15.2.)
В общем случае открытые члены класса составляют его открытый интерфейс, то есть набор операций, которые определяют поведение класса. Закрытые члены класса обеспечивают его скрытую реализацию.
Такое деление на открытый интерфейс и скрытую реализацию называют сокрытием информации, или инкапсуляцией. Это очень важная концепция программирования, мы еще поговорим о ней в следующих главах. В двух словах, эта концепция помогает решить следующие проблемы:
* если мы меняем или расширяем реализацию класса, то изменения можно выполнить так, что большинство пользовательских программ, использующих наш класс, их "не заметят": модификации коснутся лишь скрытых членов (мы поговорим об этом в разделе 6.18);
* если в реализации класса обнаруживается ошибка, то обычно для ее исправления достаточно проверить код, составляющий именно скрытую реализацию, а не весь код программы, где данный класс используется.
Какие же внутренние данные потребуются для реализации класса IntArray? Необходимо где-то сохранить размер массива и сами его элементы. Мы будем хранить их в массиве встроенного типа, память для которого выделяется динамически. Так что нам потребуется указатель на этот массив. Вот как будут выглядеть определения этих данных-членов:
class IntArray {
public:
// ...
int size() const { return _size; }
private:
// внутренние данные-члены
int _size;
int *ia;
};
Поскольку мы поместили член _size в закрытую секцию, пользователь класса не имеет возможности обратиться к нему напрямую. Чтобы позволить внешней программе узнать размер массива, мы написали функцию-член size(), которая возвращает значение члена _size. Нам пришлось добавить символ подчеркивания к имени нашего скрытого члена _size, поскольку функция-член с именем size() уже определена. Члены класса – функции и данные – не могут иметь одинаковые имена.
Может показаться, что реализуя подобным образом доступ к скрытым данным класса, мы очень сильно проигрываем в эффективности. Сравним два выражения (предположим, что мы изменили спецификатор доступа члена _size на public):
IntArray array;
int array_size = array.size();
array_size = array._size;
Действительно, вызов функции гораздо менее эффективен, чем прямой доступ к памяти, как во втором операторе. Так что же, принцип сокрытия информации заставляет нас жертвовать эффективностью?
На самом деле, нет. С++ имеет механизм встроенных (inline) функций. Текст встроенной функции подставляется компилятором в то место, где записано обращение к ней. (Это напоминает механизм макросов, реализованный во многих языках, в том числе и в С++. Однако есть определенные отличия, о которых мы сейчас говорить не будем.) Вот пример. Если у нас есть следующий фрагмент кода:
for (int index=0; indexarray.size(); ++index)
// ...
то функция size() не будет вызываться _size раз во время исполнения. Вместо вызова компилятор подставит ее текст, и результат компиляции предыдущего кода будет в точности таким же, как если бы мы написали:
for (int index=0; indexarray._size; ++index)
// ...
Если функция определена внутри тела класса (как в нашем случае), она автоматически считается встроенной. Существует также ключевое слово inline, позволяющее объявить встроенной любую функцию.
Мы до сих пор ничего не сказали о том, как будем инициализировать наш массив.
Одна из самых распространенных ошибок при программировании (на любом языке) состоит в том, что объект используется без предварительной инициализации. Чтобы помочь избежать этой ошибки, С++ обеспечивает механизм автоматической инициализации для определяемых пользователем классов – конструктор класса.
Конструктор – это специальная функция-член, которая вызывается автоматически при создании объекта типа класса. Конструктор пишется разработчиком класса, причем у одного класса может быть несколько конструкторов.
Функция-член класса, носящее то же имя, что и сам класс, считается конструктором. (Нет никаких специальных ключевых слов, позволяющих определить конструктор как-то по-другому.) Мы уже сказали, что конструкторов может быть несколько. Как же так: разные функции с одинаковыми именами?
В С++ это возможно. Разные функции могут иметь одно и то же имя, если у этих функций различны количество и/или типы параметров. Это называется перегрузкой функции. Обрабатывая вызов перегруженной функции, компилятор смотрит не только на ее имя, но и на список параметров. По количеству и типам передаваемых параметров компилятор может определить, какую же из одноименных функций нужно вызывать в данном случае. Рассмотрим пример. Мы можем определить следующий набор перегруженных функций min(). (Перегружаться могут как обычные функции, так и функции-члены.)
// список перегруженных функций min()
// каждая функция отличается от других списком параметров
#include string
int min (const int *pia,int size);
int min (int, int);
int min (const char *str);
char min (string);
string min (string,string);
Поведение перегруженных функций во время выполнения ничем не отличается от поведения обычных. Компилятор определяет нужную функцию и помещает в объектный код именно ее вызов. (В главе 9 подробно обсуждается механизм перегрузки.)
Итак, вернемся к нашему классу IntArray. Давайте определим для него три конструктора:
class IntArray {
public:
explicit IntArray (int sz = DefaultArraySize);
IntArray (int *array, int array_size);
IntArray (const IntArray rhs);
// ...
private:
static const int DefaultArraySize = 12;
}
Первый из перечисленных конструкторов
IntArray (int sz = DefaultArraySize);
называется конструктором по умолчанию, потому что он может быть вызван без параметров. (Пока не будем объяснять ключевое слово explicit.) Если при создании объекта ему задается параметр типа int, например
IntArray array1(1024);