C++語言教程：第一章 引論

《C++語言教程》

第一章

引論

C++語言是一個(gè)面向?qū)ο笳Z言，它所支持的面向?qū)ο蟮母拍钊菀讓栴}空間直接映射到程序空間，為程序員提供了一種與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)十分不同的思維方式。因此，學(xué)習(xí)C++語言面臨兩個(gè)問題，如何建立面向?qū)ο蟮乃季S方式?如何用C++語言編程?亦即需要學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法和使用C++語言的編程方法。

1.1面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法是模塊化（或結(jié)構(gòu)化）的程序設(shè)計(jì)方法，步驟為：（1）整個(gè)軟件系統(tǒng)功能逐步細(xì)化為多個(gè)小的功能—功能劃分；（2）多個(gè)小的功能對(duì)應(yīng)由一個(gè)模塊（如函數(shù)，過程，分程序，子程序等）來實(shí)現(xiàn)；（3）多個(gè)模塊合作完成較大的功能，所有模塊的合作完成整個(gè)軟件系統(tǒng)的功能。對(duì)于傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（編程）階段考慮的是模塊，程序本身也是由模塊構(gòu)成的，稱之為面向模塊（面向過程）。

面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)歸納為：對(duì)試圖利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行問題求解和信息處理的領(lǐng)域，盡量使用對(duì)象的概念，將問題空間中的現(xiàn)實(shí)模型映射到程序空間，由此所得到的自然性可望克服軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而得到問題求解和信息處理的更高性能。1.2面向?qū)ο笳Z言的核心概念數(shù)據(jù)類型是一個(gè)抽象的概念，包含有一組數(shù)據(jù)的定義和一組對(duì)該組數(shù)據(jù)操作的定義。數(shù)據(jù)類型分為三種：簡單數(shù)據(jù)類型，用戶定義數(shù)據(jù)類型，抽象數(shù)據(jù)類型。簡單數(shù)據(jù)類型：語言本身提供的，如整型，包含有所有的整數(shù)和對(duì)整數(shù)的操作，對(duì)于一個(gè)整數(shù)的成分（二進(jìn)制表示）是不可見的，也不可直接操作。內(nèi)部類型基本類型：char,int,float,void派生類型:格式：<類型修飾符>基本類型類型修飾符:short,long,singed,unsigned,double例：long(int),double(float),longdouble(float),…bool類型用戶定義數(shù)據(jù)類型：以簡單數(shù)據(jù)類型為基礎(chǔ)，它包含的數(shù)據(jù)成分是多個(gè)簡單數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)成分進(jìn)行直接操作。自定義類型使用typedef格式：typedef<已聲明的類型><新類型名>例如：typedefunsignedcharUCHAR

typedefunsignedlongDWORD枚舉類型格式：

enum<枚舉類型名>{<枚舉值表>}[<枚舉變量表>];例：

enumweekday{

MON=1,TUR,WED,THU,FRI,SAT,SUN

}nowday,oldday;class,struct,union在高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言的程序中，對(duì)于簡單的和用戶定義數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)的定義和操作是分開的，只是在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)，需檢查該操作是否符合對(duì)應(yīng)的類型允許的操作(即類型檢查)。對(duì)于類型的使用，必須通過類型的實(shí)際例子（簡稱實(shí)例或?qū)嶓w，即原來所說的變量或常量）的使用來體現(xiàn)。

例如：

intnum;抽象數(shù)據(jù)類型：在定義數(shù)據(jù)時(shí)，必須同時(shí)定義對(duì)數(shù)據(jù)的操作；它的成分（簡單的或用戶定義的數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)）是不可見的，也不可直接操作，必須通過類型提供的操作進(jìn)行訪問。面向?qū)ο笳Z言中的對(duì)象是“將某組數(shù)據(jù)和使用該組數(shù)據(jù)的一組基本操作或過程封裝在一起，而成的一個(gè)實(shí)體”。實(shí)際上就是抽象數(shù)據(jù)類型的一個(gè)實(shí)例。對(duì)象和抽象數(shù)據(jù)類型的關(guān)系，就像整型變量和整型數(shù)據(jù)類型的關(guān)系。作為克服軟件復(fù)雜性的手段，在面向?qū)ο笾?，利用了如下?duì)象的性質(zhì)：(1)將密切相關(guān)的數(shù)據(jù)和操作封裝起來定義為一個(gè)實(shí)體。(2)定義了一個(gè)實(shí)體后，即使不知道此實(shí)體的功能是怎樣實(shí)現(xiàn)的，也能使用它們（這一點(diǎn)類似于庫函數(shù)）。1.2.1數(shù)據(jù)封裝面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，最核心的概念是數(shù)據(jù)封裝、繼承性和多態(tài)性。抽象是指對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的簡化描述。對(duì)于使用系統(tǒng)的人員，不會(huì)去關(guān)心該系統(tǒng)的組成和工作的原理；他們所關(guān)心的是該系統(tǒng)具有什么樣的功能，如何去使用該系統(tǒng)（既系統(tǒng)提供什么樣的接口，讓人們使用）。抽象的原則，運(yùn)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，稱之為“信息隱蔽”原則；在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言中，使用數(shù)據(jù)封裝機(jī)制實(shí)現(xiàn)信息隱蔽。數(shù)據(jù)封裝將一組數(shù)據(jù)和與這組數(shù)據(jù)有關(guān)的操作集合封裝在一起，形成一個(gè)能動(dòng)的實(shí)體，稱為對(duì)象。用戶不必知道對(duì)象行為的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需根據(jù)對(duì)象提供的外部特性接口訪問對(duì)象。例

classCircle{floatr;//半徑

intx,y;//圓心關(guān)于半徑、圓心和圓的操作；

};類的概念將一組數(shù)據(jù)和這組數(shù)據(jù)有關(guān)的操作集合封裝在一起，建立了一個(gè)定義良好的接口，人們只關(guān)心其使用，不關(guān)心其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。這反應(yīng)了抽象數(shù)據(jù)類型的思想。類本身還是一組對(duì)象共同屬性和操作的抽象。類代表了一般性，而該類的每一個(gè)對(duì)象代表了具體性。1.2.2繼承繼承是面向?qū)ο笳Z言的另一個(gè)重要的概念。在客觀世界中，存在著整體和部分的關(guān)系（apartof）、一般和特殊的關(guān)系(isa或

akindof)，實(shí)現(xiàn)了重用性和擴(kuò)充性。Aisapartof

B.AisakindofB.例：人與學(xué)生的關(guān)系（繼承）點(diǎn)與圓(心)的關(guān)系（包含）點(diǎn)與多邊形(頂點(diǎn))的關(guān)系將一個(gè)人當(dāng)成對(duì)象，對(duì)于人的定義（如名字、年齡、性別等等）和對(duì)人的操作（取名字、打印一個(gè)人的各種信息等等）已經(jīng)封裝在Person類中了；下面將學(xué)生當(dāng)成對(duì)象，學(xué)生是一類特殊的人，基本的信息和操作已經(jīng)Person中定義過了，為了避免重復(fù)定義C++允許用戶將學(xué)生類Student說明為Person類的繼承類。personstudent這樣，Student類就可以不必在考慮對(duì)于人的基本信息的定義和操作了，繼承機(jī)制允許學(xué)生類從人類中繼承人的所有數(shù)據(jù)和操作，學(xué)生類只需要考慮學(xué)生特殊的信息的定義和對(duì)學(xué)生本身的操作即可。1.2.3多態(tài)性

面向?qū)ο罅硗庖粋€(gè)核心概念是多態(tài)性。所謂多態(tài)，是指一個(gè)名字（或符號(hào)）具有多種含義。利用超載（或稱為重載overload）方式實(shí)現(xiàn)多態(tài)性。有函數(shù)和運(yùn)算符超載。

函數(shù)的名字有兩個(gè)作用：

1）代表了該函數(shù)的函數(shù)體（那段代碼）；

2）代表了該函數(shù)的功能。

在傳統(tǒng)的語言中，不允許函數(shù)有同名的情況，考慮的是函數(shù)名的第一個(gè)作用；而在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言中，如果發(fā)現(xiàn)多個(gè)函數(shù)的功能是一致的，盡管他們確實(shí)是不同的函數(shù)，但允許它們具有相同的函數(shù)名字，即存在同名函數(shù)。

對(duì)于函數(shù)重載，若函數(shù)調(diào)用(界面)與哪一個(gè)函數(shù)體(函數(shù)實(shí)現(xiàn))相匹配，是在編譯時(shí)確定的，稱為早期匹配（或靜態(tài)聯(lián)編）。如果函數(shù)調(diào)用與哪一個(gè)函數(shù)體的匹配是在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，稱之為晚期匹配（或動(dòng)態(tài)聯(lián)編）。一般來說，早期匹配執(zhí)行速度比較快，晚期匹配提供靈活性和高度的問題抽象。

1.3按對(duì)象方式思維

面向?qū)ο蟮腃RC方法從以下三個(gè)方面來表述對(duì)象。⑴Classname（對(duì)象取名）對(duì)象取名實(shí)質(zhì)上就是將系統(tǒng)的功能進(jìn)行劃分。⑵Responsibilities（責(zé)任）每個(gè)對(duì)象只負(fù)責(zé)完成設(shè)計(jì)中的一個(gè)小目標(biāo)的功能。⑶Collaborators（合作者）每個(gè)對(duì)象可能會(huì)依賴其他對(duì)象來完成其責(zé)任。這個(gè)對(duì)象所依賴的對(duì)象集合稱為它的合作者。對(duì)象的合作關(guān)系有：

包含、繼承、友元、使用

如何判定“是否已經(jīng)找到合適的對(duì)象”，沒有一定的準(zhǔn)則。

1.4面向?qū)ο蟮乃枷牒头椒?/p>

1.4.1面向?qū)ο笫且环N認(rèn)知方法學(xué)認(rèn)知方法：從一般到特殊的演繹方法從特殊到一般的歸納方法。面向?qū)ο筇峁┝藦囊话愕教厥獾难堇[手段，又提供了從特殊到一般的歸納形式，從而說明它是一種很好的認(rèn)知方法。這種分類、歸納的方法在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)技術(shù)中是很重要的。1.4.2面向?qū)ο笈c軟件

IC“軟件

IC”：一種軟件集成機(jī)制，可以將已經(jīng)成熟的軟件單元制成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的實(shí)體，使它們可以不加改動(dòng)或很少改動(dòng)就可以應(yīng)用于新的軟件系統(tǒng)中。“軟件IC”是一種可重用模塊。

類概念支持

“軟件

IC”

技術(shù)：在面向?qū)ο笳Z言中，類充當(dāng)了系統(tǒng)構(gòu)造的單元，這是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：

類是一類對(duì)象的統(tǒng)一模板，它具有很強(qiáng)的模塊性。類的功能代碼實(shí)現(xiàn)只通過外部接口與外界聯(lián)系，具有很強(qiáng)的獨(dú)立性。

類的可靠性表現(xiàn)在一個(gè)類的出錯(cuò)不會(huì)傳播到其他類中，一個(gè)系統(tǒng)的類如果出錯(cuò)，可以將其刪除，作為一個(gè)降級(jí)的系統(tǒng)使用，而不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。類是對(duì)象一級(jí)的抽象，它將一類對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)封裝起來，使得外界不必清楚其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，只要從它的說明中了解其基本功能就可以使用它。

類之間的連接只有繼承性描述和一組外協(xié)消息，因而清晰、明了。1.4.3面向?qū)ο蠓椒ㄅc結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法1.模塊與對(duì)象

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中，模塊是對(duì)功能的抽象。而對(duì)象是包括數(shù)據(jù)、操作的整體，將數(shù)據(jù)和功能的抽象和統(tǒng)一。可以說，對(duì)象包含了模塊。2.過程調(diào)用與消息傳遞

在結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中，過程為一獨(dú)立實(shí)體，顯式地被它的使用者所見，而且，對(duì)于相同的輸入?yún)?shù)，每一次過程調(diào)用，其輸出結(jié)果是相同的。在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，對(duì)象是一臺(tái)自動(dòng)機(jī)，對(duì)象的狀態(tài)只能由對(duì)象的操作改變它。C++語言用函數(shù)實(shí)現(xiàn)操作。每當(dāng)需要改變狀態(tài)的時(shí)候，只能由其他對(duì)象向該對(duì)象發(fā)送消息(在C++中，借助于成員函數(shù)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)消息發(fā)送)。對(duì)象響應(yīng)消息后，按照消息模式找出匹配的操作，并執(zhí)行該操作。應(yīng)該注意，發(fā)送消息和過程調(diào)用的意義是不同的，發(fā)送消息只是觸發(fā)自動(dòng)機(jī)，同樣的輸入?yún)?shù)，可能因自動(dòng)機(jī)狀態(tài)不同，其輸出結(jié)果也不同。1.4.4對(duì)象是抽象數(shù)據(jù)類型的實(shí)現(xiàn)抽象是一個(gè)系統(tǒng)的簡化描述，它強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的某些特性而忽略了其他特性。對(duì)于用戶來說，所關(guān)心的是程序能做什么，而不是它的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。而抽象恰好可以用來對(duì)用戶所關(guān)心的重要信息予以強(qiáng)調(diào)，而忽略不重要的信息。整個(gè)程序設(shè)計(jì)語言的發(fā)展過程就是抽象層次不斷提高的過程。抽象數(shù)據(jù)類型在程序中是一封閉的單位。它包含的信息有：外部可見的：處理數(shù)據(jù)的各個(gè)操作的界面外部不可見的：數(shù)據(jù)和操作的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)于是，將數(shù)據(jù)類型抽象為提供給外部世界的數(shù)據(jù)和操作集。使用了抽象數(shù)據(jù)類型描述，不再關(guān)心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是什么，而僅僅關(guān)心它具有些什么功能可用。這與信息隱藏原則很符合。

1.6面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言將面向?qū)ο蟮母拍钫阶鳛檎Z言成分的是Simula67。Simula語言在

ALGOL60語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，引入了類、對(duì)象、繼承和共行子程序等概念。當(dāng)今