www.ksi.mff.cuni.cz

Transcript www.ksi.mff.cuni.cz

Programování v C++
David Bednárek
www.ksi.mff.cuni.cz/~bednarek
Pravidla studia
NPRG041
2/2
Z,Zk
Zápis na cvičení
 Elektronický
zápis do jednotlivých skupin
 is.cuni.cz/studium
• Zápis předmětů a rozvrhu - zápis
• Grupíček - výsledky
 Zapsáni musejí být všichni
 Do 18.10.
 Kapacita laboratoře je omezena, skupiny nelze přeplňovat
 Zvláštní skupina pro repetenty
• Repetenti kontaktují cvičícího do 18.10.
 Udělit
zápočet může jen cvičící,
ke kterému je student zapsán
 Kdo nebude do 18.10. zapsán, zápočet v tomto šk. roce nedostane
Udělení zápočtu
 Základní
podmínky společné všem skupinám
 Úspěšné složení zápočtového testu
• 1. a 2. pokusy ve zkouškovém období ... 3. pokusy v dubnu
• 2-3 hodiny v laboratoři, společně pro všechny skupiny
 Vypracování zápočtového programu
• Dohoda o tématu - do listopadu
• Předvedení cvičícímu do 31.3.2014
• Doladění a odevzdání do 23.5.2014
 Další
podmínky udělení zápočtu určuje cvičící
 Cvičící může podmínky individuálně upravit,
pokud se s ním student na začátku semestru dohodne
 Přiměřená účast na cvičeních
 Úspěšné odevzdání domácího úkolu
Zkouška
 Zkouška
bude provedena formou abc-testu
 Vlastnosti a pravidla jazyka C++
 Používání knihoven C++ (kontejnery, algoritmy, iostream)
 Typické konstrukce objektového programování
 Run-time/static polymorphism
 Termíny
 Ve zkouškovém období ZS
 Během výuky v LS
Pravidla pro budoucí neúspěšné
 Zkouška
 Pokud letos složíte zkoušku se známkou výborně nebo velmi dobře
a nedostanete zápočet, bude vám příští rok uznána
• Tento mechanismus je implementován zkoušejícími, nikoliv studijním
oddělěním
 Zápočet
 Pokud nedostanete zápočet, budete příští rok opakovat ty části,
které jste letos nesplnili
• Podmínky splněné letos se automaticky uznávají
• V příštím roce se musíte na začátku semestru přihlásit v SISu k
některému z cvičících a dohodnout se s ním na konkrétních
podmínkách
Historie C++
Historie C++
inspirace
BCPL
B
C
(Cambridge 1966)
(Bell Labs. 1969)
(Bell Labs. 1971)
nadmnožina
téměř nadmnožina
významná změna
K&R C
C with classes
(Kernigan & Ritchie 1978)
(Stroustrup 1979)
The C++ programming language
(Stroustrup 1985)
C++98
(ISO/IEC 14882 1998)
šablony
C++03
(ISO/IEC 14882 2003)
C++TR1
(ISO/IEC 19768 2007)
paralelismus
C++11
C++14
(ISO/IEC 14882 2011)
(2014+)
Historie C++ a C
inspirace
BCPL
B
C
(Cambridge 1966)
(Bell Labs. 1969)
(Bell Labs. 1971)
nadmnožina
téměř nadmnožina
významná změna
K&R C
C with classes
(Kernigan & Ritchie 1978)
(Stroustrup 1979)
The C++ programming language
(Stroustrup 1985)
ANSI C
(ANSI X3J11 1989)
C++98
C99
(ISO/IEC 14882 1998)
šablony
(ISO/IEC 9899 1999)
C++03
(ISO/IEC 14882 2003)
C++TR1
(ISO/IEC 19768 2007)
C11
(ISO/IEC 9899 2011)
paralelismus
C++11
C++14
(ISO/IEC 14882 2011)
(2014+)
Historie C++ - Objective-C
BCPL
B
C
(Cambridge 1966)
(Bell Labs. 1969)
(Bell Labs. 1971)
inspirace
nadmnožina
téměř nadmnožina
významná změna
K&R C
Objective-C
C with classes
(Kernigan & Ritchie 1978)
(Stroustrup 1979)
(Cox & Love 1981)
The C++ programming language
Object-Oriented Programing
(Cox 1986)
(Stroustrup 1985)
ANSI C
(ANSI X3J11 1989)
C++98
C99
(ISO/IEC 14882 1998)
šablony
(ISO/IEC 9899 1999)
C++03
Objective-C 2.0
(ISO/IEC 14882 2003)
(Apple 2006)
C++TR1
(ISO/IEC 19768 2007)
Objective-C++
(Apple 2010)
C11
(ISO/IEC 9899 2011)
paralelismus
C++11
C++14
(ISO/IEC 14882 2011)
(2014+)
Historie C++ - významné příbuzné jazyky
BCPL
B
C
(Cambridge 1966)
(Bell Labs. 1969)
(Bell Labs. 1971)
inspirace
nadmnožina
téměř nadmnožina
významná změna
K&R C
Objective-C
C with classes
(Kernigan & Ritchie 1978)
(Stroustrup 1979)
(Cox & Love 1981)
The C++ programming language
Object-Oriented Programing
(Cox 1986)
(Stroustrup 1985)
ANSI C
(ANSI X3J11 1989)
Java
(Sun 1995)
C++98
C99
(ISO/IEC 9899 1999)
(ISO/IEC 14882 1998)
šablony
C#
(Microsoft 2002)
Objective-C 2.0
C++03
(ISO/IEC 14882 2003)
(Apple 2006)
C++/CLI
(Microsoft 2005)
C++TR1
(ISO/IEC 19768 2007)
Objective-C++
(Apple 2010)
C11
(ISO/IEC 9899 2011)
paralelismus
C++11
C++14
(ISO/IEC 14882 2011)
(2014+)
Historie C++ - použití C v jádrech OS
BCPL
B
C
Unix
(Cambridge 1966)
(Bell Labs. 1969)
(Bell Labs. 1971)
1973
inspirace
nadmnožina
téměř nadmnožina
významná změna
K&R C
C with classes
(Kernigan & Ritchie 1978)
Objective-C
(Stroustrup 1979)
(Cox & Love 1981)
MacOS
The C++ programming language
1984
Object-Oriented Programing
(Cox 1986)
(Stroustrup 1985)
ANSI C
(ANSI X3J11 1989)
Linux
Java
1991
Windows NT
(Sun 1995)
1993
C++98
C99
OS-X
(ISO/IEC 9899 1999)
2000
(ISO/IEC 14882 1998)
šablony
C#
(Microsoft 2002)
Objective-C 2.0
C++03
(ISO/IEC 14882 2003)
(Apple 2006)
C++/CLI
(Microsoft 2005)
C++TR1
(ISO/IEC 19768 2007)
Objective-C++
(Apple 2010)
C11
(ISO/IEC 9899 2011)
paralelismus
C++11
C++14
(ISO/IEC 14882 2011)
(2014+)
Literatura
Literatura
Pro začátečníky - před C++11
 Bruce Eckel:
Thinking in C++ (2000)
Myslíme v jazyku C++ (Grada 2000)
 Miroslav Virius:
Pasti a propasti jazyka C++ (Computer Press 2005)
Programování v C++ (ČVUT 2001)
 Andrew Koenig, Barbara E. Moo:
Accelerated C++ (2000)
 Stanley B. Lippman:
Essential C++ (2000)
Literatura
Pro středně pokročilé - před C++11
 Andrei Alexandrescu, Herb Sutter:
C++ Coding Standards (2005)
 Scott Meyers:
Effective C++ (1998)
More Effective C++ (1996)
Effective STL (2001)
 Herb Sutter:
Exceptional C++ (2000)
More Exceptional C++ (2002)
Exceptional C++ Style (2004)
 Nicolai M. Josuttis:
Object-Oriented Programming in C++ (2002)
The C++ Standard Library (1999)
Literatura
Až si budete myslet, že všechno umíte - před C++11
 Andrei Alexandrescu:
Modern C++ Design (2001)
Moderní programování v C++ (Computer Press 2004)
 David Vandevoorde, Nicolai M. Josuttis:
C++ Templates (2003)
Literatura
C++11
 Scott Meyers: Overview of the New C++ (C++11)
 360 slajdů z přednášek
 Vysvětluje motivaci k novým vlastnostem
 Bjarne
Stroustrup:
The C++ Programming Language - Fourth Edition
 Addison-Wesley. ISBN 978-0321563842. May 2013
 Učebnice celého C++
 Zatím jediná učebnice obsahující C++11
Je lepší C++ nebo Java/C#?
Je lepší C++ nebo Java/C#?
Špatná otázka
Co programovat v C++
Pro které oblasti je C++ lepší než Java/C#?
 Důraz na výkon
 C++ umožňuje programovat způsobem, který neubírá na výkonu
• Když budete programovat v C++ stejným stylem jako v Java/C#,
dostanete přibližně stejný výkon
 Spolupráce
s hardware
 C++ nechystá na programátora nepříjemná překvapení (GC etc.)
 Embedded assembler, spojování s jinými jazyky
 Spolupráce
s OS
 Všechny významné OS mají v C jádro a tudíž i rozhraní OS
 Většina systémových aplikací je v C nebo C++
 Nativní knihovny jazyků Java/C# jsou implementovány v C/C++
 Generické
programování
 Mechanismus šablon v C++ je silnější než v C/C++
 Způsob implementace šablon v C++ neubírá na výkonu
Co programovat v C++
Programování orientované na výkon
 Numerické výpočty
 Převládající jazyky: FORTRAN, C
 Pomalý posun směrem k C++
 Databázové
systémy
 Převládající jazyky: C/C++
• Existují i databázové systémy v Javě
• Spolehlivé srovnání výkonu neexistuje
 Proč
je Java/C# pomalejší?
 Garbage collection
• GC způsobuje mj. problémy s využitím cache
• Programování bez GC je pracnější, ale dává lepší výsledky
 Chybí pokročilé metody optimalizace v překladačích
• Vektorizace, transformace cyklů, ...
 Existují i situace, kdy je Java/C# rychlejší
• Překladače Javy/C# mají jednodušší úlohu
Co programovat v C++
Proč C++ a ne C
 Stávající aplikace/knihovny/OS jsou často v C
 Programování
v C++ je pohodlnější než v C
 Menší pravděpodobnost chyb
 Šablony, operátory, zapouzdření, ...
 Při troše šikovnosti stejný výkon jako v C
 Moduly
psané v C++ a C lze spojovat
extern "C" void do_something_in_C( int x);
void my_Cplusplus_function( int x)
{
do_something_in_C( x);
}
extern "C" void call_me_from_C( int y) { /* C++ code here */ }
Co neprogramovat v C++
Co raději neprogramovat v C++
 Interaktivní
aplikace s GUI
 C++ nemá standardizované rozhraní na GUI
 Nativní rozhraní GUI v OS je většinou archaické C
 Knihovny pro GUI jsou archaické, nepřenositelné nebo obojí
• Qt, GTK+, wxWidgets...
 Garbage Collection při programování GUI citelně chybí
 Pokud je zároveň zapotřebí výkon, nic jiného než C++ nezbývá
 Aplikace
skládané z mnoha cizích součástí
 Standard C++ poskytuje nedostatečné služby OS apod.
 Cizí knihovny obvykle doplňují chybějící části vlastní tvorbou
 Různé implementace chybějících částí mohou být v konfliktu
Proč C++
Proč (stále ještě) učíme C++?
• Většina řadových programátorů v C++ programovat nebude
 MFF
chce vychovávat elitu
 Programování OS, databází, překladačů
 Vědecké výpočty vyžadující výkon
 Hry, robotika,...
 Údržba rozsáhlých a historických softwarových systémů
 Porozumíte-li
tomu, jak funguje C++, budete lépe rozumět
 jiným programovacím jazykům
 architektuře počítačů a operačních systémů
 překladačům
 Zvládnutí
C++ je odznakem zdatnosti matfyzáka
Hello, World!
#include <iostream>
int main( int argc, char * * argv)
{
std::cout << "Hello, world!"
<< std::endl;
return 0;
}
 Vstupní
bod programu
 Dědictví jazyka C
• Žádné třídy ani metody
 Globální funkce main
 Parametry
programu
 Z příkazové řádky
• Děleno na kousky
 Archaické datové typy
• Ukazatel na ukazatel
• Logicky pole polí
 std
- namespace knihoven
 cout - standardní výstup
 globální proměnná
 <<
- výstup do streamu
 přetížený operátor
 endl
- oddělovač řádek
 globální proměnná
Hello, World!
Dělení do modulů
 Rozhraní
modulů je nutno
opsat do zvláštního souboru
 .hpp - hlavičkový soubor
 Definující
i používající modul
tento soubor inkluduje
// world.hpp
#ifndef WORLD_HPP_
#define WORLD_HPP_
void world();
#endif
 textová direktiva #include
// main.cpp
#include "world.hpp"
int main( int argc, char * * argv)
{
world();
return 0;
}
// world.cpp
#include "world.hpp"
#include <iostream>
void world()
{
std::cout << "Hello, world!"
<< std::endl;
}
Hello, World!
// world.hpp
#ifndef WORLD_HPP_
#define WORLD_HPP_
#include <vector>
#include <string>
typedef std::vector< std::string> t_arg;
void world( const t_arg & arg);
#endif
// main.cpp
#include "world.hpp"
int main( int argc, char * * argv)
{
world( t_arg( argv + 1, argv + argc));
return 0;
}
// world.cpp
#include "world.hpp"
#include <iostream>
void world( const t_arg & arg)
{
if ( arg.empty() )
{
std::cout << "Hello, world!"
<< std::endl;
}
}
Architektura
Překladače / interpretry
CPU
CPU
CPU rozumí pouze binárním kódu
CPU
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
1940... – programování ve strojovém kódu
CPU
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
1940... – programování ve strojovém kódu
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
CPU
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
1940... – programování ve strojovém kódu
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
X
CPU
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
X
X
X
X
X
X
X
X
XX
X XX XX
XX
X
XX
X
X X
X
X X
X
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
X
X
X
X
X
X
X
XX
X
X
X
XX
X
XXX
X
X
X
X
X
X
X
1950... – assembler
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
PRINT NOGEN
BEGIN
BEGIN
REGS
SR R2,R2
SR R3,R3
LOOP
AR R2,R3
LA R3,1(R0,R3)
C R3,=F'10'
BNE LOOP
CVD
R2,DBL
ED
RESULT,DBL+6
WTO
RESULT
RETURN
LTORG
RESULT
DC
X'40202120'
DBL
DC
D'0'
END
BEGIN
CPU
assembler
X
CPU
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
X
X
X
X
X
X
X
X
XX
X XX XX
XX
X
XX
X
X X
X
X X
X
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
X
X
X
X
X
X
X
XX
X
X
X
XX
X
XXX
X
X
X
X
X
X
X
1950... – operační systém
PRINT NOGEN
BEGIN
BEGIN
REGS
SR R2,R2
SR R3,R3
LOOP
AR R2,R3
LA R3,1(R0,R3)
C R3,=F'10'
BNE LOOP
CVD
R2,DBL
ED
RESULT,DBL+6
WTO
RESULT
RETURN
LTORG
RESULT
DC
X'40202120'
DBL
DC
D'0'
END
BEGIN
CPU
assembler
X
CPU
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
loader
X
X
X
X
X
X
X
X
XX
X XX XX
XX
X
XX
X
X X
X
X X
X
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
X
X
X
X
X
X
X
XX
X
X
X
XX
X
XXX
X
X
X
X
X
X
X
1950... – operační systém
PRINT NOGEN
BEGIN
BEGIN
REGS
SR R2,R2
SR R3,R3
LOOP
AR R2,R3
LA R3,1(R0,R3)
C R3,=F'10'
BNE LOOP
CVD
R2,DBL
ED
RESULT,DBL+6
WTO
RESULT
RETURN
LTORG
RESULT
DC
X'40202120'
DBL
DC
D'0'
END
BEGIN
X
CPU
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
loader
CPU
assembler
myprog.exe
X
X
X
X
X
X
X
X
XX
X XX XX
XX
X
XX
X
X X
X
X X
X
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
X
X
X
X
X
X
X
XX
X
X
X
XX
X
XXX
X
X
X
X
X
X
X
1950... – překladač
X X
X
X
X
X
XXXX
X
X
X
X
X
X
XX
X X
XX
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
X
X
XX
X
X
X
X
X
X
X
X
X
myprog.exe
XX
X
X
X
X
X
X
X
X
X
loader
X
X X
XX
X
X
X XXX X
X
X
X
X
XX XXXX
X
XXXX
X
XX
XXX
X
X
X
operační
systém
X
X
X
X
X
CPU
překladač Fortran
X
X
X
X
X
X
XX
X
X
X
X
X
X
READ INPUT TAPE 5, 501, IA, IB, IC
501 FORMAT (3I5)
IF (IA) 777, 777, 701
701 IF (IB) 777, 777, 702
702 IF (IC) 777, 777, 703
703 IF (IA+IB-IC) 777,777,704
704 IF (IA+IC-IB) 777,777,705
705 IF (IB+IC-IA) 777,777,799
777 STOP 1
799 S = FLOATF (IA + IB + IC) / 2.0
AREA = SQRT( S * (S - FLOATF(IA))
* (S - FLOATF(IB)) *
+ (S - FLOATF(IC)))
WRITE OUTPUT TAPE 6, 601, IA, IB, IC
, AREA
STOP
END
X
X
CPU
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
X
X
X
X
X
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
CPU
1970... – překladač C
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
loader
#include <stdio.h>
int main(int,char**)
{
printf(
"Hello, world!\n");
}
CPU
překladač C
myprog.exe
Hello,
world!
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
CPU
1980... – překladač C++
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
loader
#include <iostream>
int main(int,char**)
{
std::cout <<
"Hello, world!\n";
}
CPU
překladač C++
myprog.exe
Hello,
world!
1960... – interpret(er)
CPU
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
10 INPUT "What is your name: ", U$
20 PRINT "Hello "; U$
30 INPUT "How do you want: ", N
40 S$ = ""
50 FOR I = 1 TO N
60 S$ = S$ + "*"
70 NEXT I
80 PRINT S$
90 INPUT "Do you want? ", A$
100 IF LEN(A$) = 0 THEN 90
110 A$ = LEFT$(A$, 1)
120 IF A$ = "Y" THEN 30
130 PRINT "Goodbye ";U$
140 END
interpret
operační
systém
X
X
X
X
X
X
X
X
X
XX
X XX XX
XX
X
XX
X
X X
X
X X
X
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
X
X
X
X
X
X
X
XX
X
X
X
XX
X
XXX
X
X
X
X
X
X
X
Interpretace s mezikódem
10 INPUT "What is your name: ", U$
20 PRINT "Hello "; U$
30 INPUT "How do you want: ", N
40 S$ = ""
50 FOR I = 1 TO N
60 S$ = S$ + "*"
70 NEXT I
80 PRINT S$
90 INPUT "Do you want? ", A$
100 IF LEN(A$) = 0 THEN 90
110 A$ = LEFT$(A$, 1)
120 IF A$ = "Y" THEN 30
130 PRINT "Goodbye ";U$
140 END
CPU
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
04FBC41E
77AB2000
1AE04E33
překladač
interpret
operační
systém
X
X
X
X
X
X
X
X
X
XX
X XX XX
XX
X
XX
X
X X
X
X X
X
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
X
X
X
X
X
X
X
XX
X
X
X
XX
X
XXX
X
X
X
X
X
X
X
interpretovaný mezikód (bytecode)
CPU
myprog.class
překladač
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
04FBC41E
77AB2000
1AE04E33
Hello,
world!
CPU
public class
HelloWorld {
public static void
main(String[] args)
{ System.out.println(
"Hello, world!");
}
}
interpret
operační
systém
JIT překladač
CPU
myprog.class
překladač
13 0 1 0
10 0 8 0
9 0 13 0
8 0 16 0
7 0 2 0 0 0 0 12 0
15 0
6 0 2 0 7 0 9 0
6 0 2 0 8 0 8 0
10 0 4 0 0 2 0 7 0
7 0 1 0 2 0 0 5 0 1 0
8 0 0 8 0 7 0
10 0 1 0 0 0 2 0 8 0
11 0 4 0 9 0
13 0 0 2 0 0 0 0 6 0
7 0 0 0 0 8 0 5 0 0
3 0 17 0 0 0 5 0
20 10 0
JIT překladač
CPU
public class
HelloWorld {
public static void
main(String[] args)
{ System.out.println(
"Hello, world!");
}
}
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
Hello,
world!
Srovnání JIT/non-JIT
CPU
překladač
myprog.class
JIT překladač
CPU
public class
HelloWorld {
public static void
main(String[] args)
{ System.out.println(
"Hello, world!");
}
}
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
int main(int,char**)
{
std::cout <<
"Hello, world!\n";
}
CPU
#include <iostream>
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
CPU
překladač
myprog.exe
loader
Srovnání JIT/non-JIT
JIT (Java, C#, C++/CLI)
non-JIT (C++)
Distribuuje se bytecode (.class, .exe)
Distribuuje se (někdy) jako binární instrukce
(.exe)
Distribuce závislá na jazyku a překladači
Distribuce závislá na procesoru a OS
Překladač zná přesně cílovou architekturu,
může pozorovat chování programu
Překladač má dost času na překlad
Dynamické spojování…?
překladač
překladač
myprog.class
mylib.class
JIT překladač
CPU
}
public
class
}
HelloWorld
{
public static void
main(String[] args)
{ mylib.doit();
}
}
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
#include <iostream>
int main()
{ int main()
{
doit();
} std::cout <<
"Hello, world!\n";
}
CPU
operační
systém
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
překladač
myprog.exe
překladač
mylib.dll
loader
Dynamické spojování
překladač
překladač
myprog.class
mylib.class
JIT překladač
CPU
import acme.mylib;
public
class
public
class
HelloWorld
HelloWorld
{ {
public
static
void
public
static
void
main(String[]
args)
main(String[]
args)
{ System.out.println(
{ mylib.doit();
} "Hello, world!");
} }
}
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
// mylib.hpp
CPU
#include "mylib.hpp"
#include <iostream>
int main()
{ int main()
{
doit();
} std::cout <<
"Hello, world!\n";
}
void doit();
01010000 01110100
11010111 10010110
00100010 10110001
operační
systém
“překladač”
myprog.exe
“překladač”
mylib.dll
loader
Překlad jednoduchého programu - statické spojování
// iostream
// iostream
iostream.obj
#include <fstream>
#include <fstream>
namespace std {
namespace std {
extern ofstream
extern ofstream
cout, cerr;
cout, cerr;
};
};
// myprog.cpp
#include <iostream>
int main()
{
std::cout <<
"Hello, world!\n";
}
msvcrt.lib
Kompilátor
myprog.obj
Linker
myprog.exe
Oddělený překlad a spojování modulů
Standardní
Standardní .obj
Standardní
.lib
Uživatelské
.hpp
Uživatelské
.cpp
Kompilátor
Přeložené
.obj
Linker
Spustitelný
soubor .exe
Spojování modulů
myprog.cpp
#include "bee.hpp"
int main(int,char**)
{
return B( 7);
}
myprog.obj
Kompilátor
0000: 01010000 ???????? 11010111
export main(int,argv**)
import B(int)
bee.hpp
myprog.exe
#ifndef bee_hpp
#define bee_hpp
int B( int q);
#endif
Linker
0000: 01010000 00001100 11010111
1100: 10010110 00100010 10110001
bee.cpp
#include "bee.hpp"
int B( int q)
{
return q+1;
}
bee.obj
Kompilátor
0000: 10010110 00100010 10110001
export B(int)
make
Standardní
Standardní .obj
Standardní
.lib
Uživatelské
.hpp
Uživatelské
.cpp
Kompilátor
Přeložené
Make
makefile
.obj
Linker
Spustitelný
soubor .exe
Integrované prostředí
Standardní
Standardní .obj
Standardní
.lib
Uživatelské
.hpp
Uživatelské
.cpp
Kompilátor
Přeložené
Editor
.obj
Linker
Spustitelný
soubor .exe
Debugger
projekt
Statické knihovny
Standardní
Standardní .obj
Standardní
.lib
Uživatelské
.hpp
Uživatelské
.cpp
Kompilátor
Přeložené
.obj
Knihovní
Knihovna
.hpp
Knihovní
.cpp
Linker
Kompilátor
Přeložené
.obj
Spustitelný
soubor .exe
.lib
Librarian
Dynamické knihovny (Microsoft)
Standardní
Standardní .obj
Standardní
.lib
Uživatelské
.hpp
Uživatelské
.cpp
Kompilátor
Přeložené
.obj
Knihovní
Knihovna
.hpp
Knihovní
.cpp
Linker
Kompilátor
Přeložené
.obj
Linker
Spustitelný
soubor .exe
.lib
Knihovna
.dll
Dynamické knihovny (GNU)
Standardní
Standardní
.o
Standardní
.a
Uživatelské
.hpp
Uživatelské
.cpp
Kompilátor
Přeložené
.o
Linker
Kompilátor
Přeložené
.o
Librarian
Spustitelný
soubor
Knihovní
.hpp
Knihovní
.cpp
Knihovna
.so
Deklarace a definice
Deklarace a definice
Deklarace
 Zápis sdělující, že věc (typ/proměnná/funkce/...) existuje
 Identifikátor
 Základní vlastnosti věci
 Umožňuje překladači přeložit kód, který na věc odkazuje
• V některých případech je k tomu zapotřebí i definice
Definice
 Zápis, který určuje všechny vlastnosti věci
 Obsah třídy, inicializace proměnné, kód funkce
 Umožňuje překladači vygenerovat kód a data, která věc reprezentují
za běhu
 Každá
definice je i deklarace
Deklarace umožňují (některá) použití věci bez definice
 Oddělený překlad modulů
 Vyřešení cyklických závislostí
 Zmenšení objemu překládaného zdrojového kódu
Deklarace a definice
One-definition rule #1:
 Jedna překladová jednotka...
• (modul, tj. jedno .cpp včetně inkludovaných hpp)
 ...
smí obsahovat nejvýše jednu definici věci
One-definition rule #2:
 Program...
• (tj. .exe včetně připojených .dll)
 ...
smí obsahovat nejvýše jednu definici proměnné nebo
non-inline funkce
 Definice třídy, typu či inline funkce se v různých modulech opakovat
smějí (typicky vložením téhož .hpp souboru)
• Nejsou-li opakované definice totožné, nebo nesouhlasí-li definice
s deklarací, program je nekorektní
 Diagnostika na úrovni programu není normou požadována a
překladače/linkery ji dělají jen v jednoduchých případech
Deklarace a definice tříd a typů
Deklarace
Definice
Třída
class A;
class A {
...
};
Struktura
struct A;
struct A {
...
};
Unie (v C++
prakticky
nepoužitelné)
union A;
union A {
...
};
Pojmenovaný
typ
typedef
typedef
typedef
typedef
typedef
typedef
typedef
typedef
typedef
A A2;
A * AP;
std::shared_ptr< A> AS;
A AA[ 10];
A AF();
AF * AFP1;
A (* AFP2)();
std::vector< A> AV;
AV::iterator AVI;
Deklarace a definice proměnných
Deklarace
Definice
Globální
proměnná
extern int x, y, z;
int x;
int y = 729;
int z( 729);
Statická položka
třídy
class A {
static int x, y, z;
};
int A::x;
int A::y = 729;
int A::z( 729);
Statická
konstantní
položka třídy
class A {
static const int x = 729;
};
Statická lokální
proměnná
void f() {
static int x;
static int y = 7, z( 7);
}
Nestatická
položka třídy
class A {
int x, y;
};
Nestatická
lokální
proměnná
void f() {
int x;
int y = 7, z( 7);
};
Deklarace a definice funkcí
non-inline
Deklarace (.hpp nebo .cpp)
Definice (.cpp)
Globální funkce
int f( int, int);
int f( int p, int q)
{ return p + q;}
Statická metoda
class A {
static int f( int p);
};
int A::f( int p)
{ return p + 1;
}
Nestatická
metoda
class A {
int f( int p);
};
int A::f( int p)
{ return p + 1;
}
Virtuální metoda
class A {
int A::f( int)
virtual int f( int p); { return 0;
};
}
inline
Deklarace (.hpp nebo .cpp)
inline int f( int p, int q)
{ return p + q;
}
Globální inline
funkce
Nestatická inline
metoda (a)
Nestatická inline
metoda (b)
Definice (.hpp nebo .cpp)
class A {
int f( int p);
};
inline int A::f( int p)
{ return p + 1;
}
class A {
int f( int p) { return p+1;}
};
Umístění dat
Umístění dat
 Statická
alokace = 1 instance na proces
 Globální proměnná
 Statická položka třídy
 Statická lokální proměnná
 [C++11]
thread_local objekty = 1 instance na vlákno
 Zásobníková alokace = 1 instance na každé vyvolání
 Lokální proměnná
 Parametr předávaný hodnotou
 Návratová hodnota funkce
 Pomocná proměnná při výpočtu výrazu
 Dynamická
alokace = řízeno programem
 Dynamicky alokovaná data (new/delete)
Inicializace
 Číselné
typy, ukazatele
 Statická alokace
• Inicializováno nulou
 Zásobníková nebo dynamická alokace
• Neinicializováno!
 Třídy
/ struktury
 Inicializováno konstruktorem
• Lze určit parametry pro konstruktor
 Není-li konstruktor, platí tato pravidla pro jednotlivé části
 Parametr
předávaný hodnotou / návratová hodnota funkce
 Inicializován copy-constructorem
• Není-li definován, je generován překladačem
Okamžik inicializace a destrukce
Inicializace
Destrukce
Globální proměnná
Před vstupem do main
Po výstupu z main
Statická položka třídy
Před vstupem do main
Po výstupu z main
Statická lokální
proměnná
Při prvním průchodu řízení
deklarací
Po výstupu z main
Lokální proměnná
V okamžiku průchodu řízení
deklarací
Při výstupu z bloku
Parametr předávaný
hodnotou
Před voláním funkce
Před návratem z funkce
Návratová hodnota
funkce
V příkazu return
Po návratu z funkce
Pomocná proměnná
při výpočtu výrazu
Když je vypočtena její hodnota
Na konci příkazu (v deklaraci: na
konci bloku)
Dynamicky alokovaná
data
Při volání new
Při volání delete
Nejdůležitější datové typy
Vybrané číselné typy
bool
false, true
char
znak základní sady (např. ASCII, 8 bit)
std::wchar_t
znak rozšířené sady (např. Unicode, 16/32 bit)
int
celé číslo se znaménkem (obvykle 32 bit)
unsigned
celé číslo bez znaménka (obvykle 32 bit)
long long
extra velké celé číslo se znaménkem (64 bit)
unsigned long long
extra velké celé číslo bez znaménka (64 bit)
std::size_t
dostatečně velké číslo pro velikost čehokoliv (32/64 bit)
double
“reálné” číslo (Intel: 64 bit)
long double
přesnější “reálné” číslo (Intel: 80 bit)
std::complex<double>
komplexní číslo dané přesnosti
Další důležité typy
std::string
řetězec (nad char)
std::wstring
řetězec (nad std::wchar_t)
std::istream
vstupní proud (nad char)
std::wistream
vstupní proud (nad std::wchar_t)
std::ostream
výstupní proud (nad char)
std::wostream
výstupní proud (nad std::wchar_t)
struct T { … }
struktura
std::pair<T1,T2>
uspořádaná dvojice s prvky typu T1 a T2
std::vector<T>
pole prvků typu T
std::list<T>
seznam prvků typu T
std::map<K,T>
asociativní pole prvků typu T indexované typem K
std::multimap<K,T>
asociativní pole s opakováním
Složené typy v C++
Složené typy jsou iluze poskytovaná překladačem
 Souvislý úsek paměti dělený na elementární typy
• sizeof(T) = velikost tohoto úseku
• Zarovnání může vynutit nevyužití některých míst
 Veškerá manipulace je překladačem rozložena na manipulaci s
elementárními typy
• V jednoduchých případech (POD) lze kopírovat jako blok bajtů
 Pole:
T a[N]
 N-tice stejných typů
 N musí být překladači známá konstanta
 Třída
(class nebo struct)
 Pojmenované položky různých typů
• Ve složitějších případech režijní informace
 Dědičnost implementována vložením předka
• Virtuální dědičnost vyžaduje nepřímé odkazy na předky
Ukazatel vs. hodnota
Reference, ukazatelé, iterátory

Reference
 Konstrukce jazyka C++
 Použití syntakticky shodné s hodnotou (r.a)
T &
const T &

Ukazatel




Konstrukce jazyka C/C++
Zvláštní operátory pro přístup k hodnotě (*p, p->a)
Ukazatelová aritmetika pro přístup k sousedům v polích
Manuální alokace/dealokace objektů
T *
const T *

Chytré ukazatele
 Třída ve standardních knihovnách C++
 Zvláštní operátory pro přístup k hodnotě (*p, p->a)
 Automatická dealokace při zániku odkazů
std::shared_ptr< T>
std::unique_ptr< T>

Iterátory
 Třídy reprezentující odkazy na prvky kontejneru typu K
 Zvláštní operátory pro přístup k hodnotě (*p, p->a)
 Napodobenina ukazatelové aritmetiky
K::iterator
K::const_iterator
Referenční semantika C#/Java vs. C++
Referenční typy (C#,Java)
Ukazatele na objekty (C++)
class T {
public int a;
}
class T {
public:
int a;
};
class test {
static void f( T z)
{
z.a = 3;
}
static void g()
{
T x = new T();
//vznik
void f( T * z)
{
z->a = 3;
}
void g()
{
T * x = new T;
//vznik
x.a = 1;
x->a = 1;
T y = x;
//druhý odkaz
T * y = x;
//druhý odkaz
y.a = 2;
// x.a == 2
y->a = 2;
// x->a == 2
f( x);
// x.a == 3
f( x);
// x->a == 3
//zrušení zařídí garbage collector
delete x;
//zánik je nutno vyvolat ručně
}
}
}
Referenční semantika C#/Java vs. C++
Referenční typy (C#,Java)
Chytré ukazatele na objekty (C++)
class T {
public int a;
}
class T {
public:
int a;
};
class test {
static void f( T z)
{
z.a = 3;
}
static void g()
{
T x = new T();
//vznik
void f( T * z)
{
z->a = 3;
}
void g()
{
std::shared_ptr< T> x = new T;
//vznik
x.a = 1;
x->a = 1;
T y = x;
//druhý odkaz
std::shared_ptr< T> y = x;
//druhý odkaz
y.a = 2;
// x.a == 2
y->a = 2;
// x->a == 2
f( x);
// x.a == 3
f( x);
// x->a == 3
//zrušení zařídí garbage collector
}
}
//zrušení při zániku posledního odkazu
}
Hodnotová semantika C#/Java vs. C++
Hodnotové typy (C#)
Objekty (C++)
struct T {
int a;
}
class T {
public:
int a;
};
class test {
static void f( T z)
{
z.a = 3;
}
static void g()
{
T x;
//vznik
void f( T z)
{
z.a = 3;
}
void g()
{
T x;
//vznik
x.a = 1;
x.a = 1;
T y = x;
//kopie
T y = x;
//kopie
y.a = 2;
// x.a == 1
y.a = 2;
// x.a == 1
f( x);
// x.a == 1
f( x);
// x.a == 1
//zrušení v okamžiku zániku proměnné
}
}
//zrušení v okamžiku zániku proměnné
}
Hodnotová semantika C#/Java vs. C++
Předání odkazem (C#)
(hodnotové typy)
Předání odkazem (C++)
struct T {
int a;
}
class T {
public:
int a;
};
class test {
static void f( ref T z)
{
z.a = 3;
}
static void g()
{
T x;
//vznik
void f( T & z)
{
z.a = 3;
}
void g()
{
T x;
x.a = 1;
x.a = 1;
f( ref x);
// x.a == 3
}
}
f( x);
// x.a == 3
}
Referenční semantika C#/Java vs. C++
Předání odkazem (C#)
Referenční typy
Předání odkazem (C++)
Reference na ukazatel
Užíváno řídce – nebezpečí chyb
class T {
public int a;
}
class T {
public:
int a;
};
class test {
static void f( ref T z)
{
z = new T();
//vznik
}
static void g()
{
T x = new T();
//vznik
f( ref x);
// x je nyní jiný objekt
void f( T * & z)
{
delete z;
//zánik je nutno vyvolat ručně
z = new T;
//vznik
}
void g()
{
T * x = new T;
//vznik
f( x);
// *x je nyní jiný objekt
//zrušení zařídí garbage collector
}
delete x;
//zánik je nutno vyvolat ručně
}
}
Dynamická alokace
my_class * p = 0;
void f1()
{
p = new my_class( 20, 30);
}
void f2()
{
delete p;
}
 Dynamická
alokace pole
 std::vector je lepší
void f2( std::size_t n)
{
int * q = new int[ n];
q[ n-1] = p->m();
// ...
delete[] q;
}
 Dynamickou
alokaci je
nutné použít, pokud
 Rozsah života objektu se
nekryje s vyvoláním
funkce, nebo
 Alokovaný objekt je třída
s dědičností zařazená do
datové struktury
 Ostatní
případy lze
většinou nahradit použitím
kontejnerů
 Kontejnery skrývají
dynamickou alokaci uvnitř
Chytré ukazatele
void f1()
{
std::unique_ptr< my_class> p
= new my_class( 20, 30);
std::unique_ptr< my_class> q
= std::move( p); // nuluje p
q.reset( new my_class( 10, 20));
// dealokuje původní objekt
} // dealokuje druhý objekt
void f2()
{
std::shared_ptr< my_class> p
= new my_class( 20, 30);
std::shared_ptr< my_class> q
= p;
q.reset( new my_class( 10, 20));
} // dealokuje oba objekty
 Chytré
ukazatele řeší
dealokaci samy
 C++11
 unique_ptr
 vždy jen jediný odkaz
• zajistí překladač
 shared_ptr
 počítání odkazů
• režie za běhu
 Slabší a pomalejší než
Garbage Collection
• problém: cyklické
struktury
Reference
Reference
Hodnotové
typy
(C++,C#,...)
Referenční
typy (C#,Java)
Lokálně
existující
objekty (C++)
Reference na
objekty (C++)
Ukazatele na
objekty (C++)
f(int y);
class T {...}
class T {...}
class T {...}
class T {...}
void g()
{
int x;
//vznik
void g()
{
T x = new T;
//vznik
void g()
{
T x;
//vznik
void g()
{
T x;
//vznik
void g()
{
T * x = new T;
//vznik
int y = z;
//kopie
T y = x;
//druhý odkaz
T y = x;
//kopie
T & y = x;
//odkaz
T * y = x;
//druhý odkaz
y.f();
y.f();
y.f();
y->f();
}
//zrušení při
//výstupu z bloku
}
//zrušení zařídí
//garbage
//collector
}
//zánik při
//výstupu z bloku
}
delete y;
//zánik
//zánik při
//výstupu z bloku
x->f();
//chyba
}
Reference a ukazatelé
 Ukazatel
(*) a reference (&)
 Z hlediska implementace ekvivalentní - ukazatel i reference na
objekt jsou reprezentovány adresou tohoto objektu
 Ukazatel umí navíc:
• Přesměrování jinam
• Speciální hodnotu – nulový ukazatel
• Ukazatelovou aritmetiku – posouvání na sousední objekty v poli
• Dealokaci – operator delete
 Referenci je možno použít jenom jedním z následujících způsobů:
• Typ proměnné
• Typ položky třídy
• Typ parametru funkce
• Typ návratové hodnoty funkce
 Odlišná syntaxe použití:
• Objekt a reference na objekt se syntakticky neliší
• Ukazatel se dereferencuje operátorem *
• Ukazatel na objekt se získá operátorem &
Reference a ukazatelé
Pravidla pro začátečníky
 Kdy použít referenci: T &
 Výstupní parametr
 Návratová hodnota funkce zpřístupňující objekt
• T & vector<T>::at(size_t i)
 Kdy
použít konstantní referenci: const T &
 Obvykle pouze kvůli rychlosti
 Parametr typu struktura/třída
 Návratová hodnota funkce zpřístupňující objekt ke čtení
• const T & vector<T>::at(size_t i) const
 Kdy
použít ukazatel (T *)
 Je-li objekt dynamicky alokován
 Je-li nutná schopnost přesměrování, null, nebo aritmetika
 Nelze-li referenci správně namířit v okamžiku inicializace
 Kdy
použít konstantní ukazatel (const T *)
 Sekundární odkaz na objekt, schopný pouze čtení
Reference a ukazatelé
Pravidla pro pokročilejší
 Vlastník dynamicky alokovaného objektu
 je zodpovědný za jeho zrušení - musí použít ukazatel “T *”
 nelze-li jednoznačně určit vlastníka, použijte “shared_ptr<T>”
 Uživatel
objektu
 Pokud je životnost pozorovatele kratší než životnost objektu
• lze použít referenci – “T &” nebo “const T &”
 Pokud je životnost delší než životnost objektu nebo jinak
komplikovaná
• je nutné použít ukazatel – “T *” nebo “const T *”
Reference
 Novinky
související s existencí reference
 Inicializaci reference nelze nahradit přiřazením
• Třídy obsahující referenci musí mít konstruktor
 Nelze rozlišit skutečné parametry předávané hodnotou a odkazem
 Návratová hodnota funkce může být l-hodnota

a.at( i) = x;
 Zvýšené nebezpečí nekorektních konstrukcí





int & f()
{
int x;
return x; // funkce vrátí referenci na neexistující objekt
}
Vracení odkazem
Funkce jako add nemůže vracet referenci
 add vrací hodnotu různou od všech svých parametrů
 hodnotu parametrů nesmí měnit
 reference nemá na co ukazovat
 Špatné
řešení č. 1: Lokální proměnná
Complex & add( const Complex & a, const Complex & b)
{
Complex r( a.Re + b.Re, a.Im + b.Im);
return r;
}
 BĚHOVÁ
CHYBA: r zaniká při návratu z funkce
Vracení odkazem
Funkce jako add nemůže vracet referenci
 add vrací hodnotu různou od všech svých parametrů
 hodnotu parametrů nesmí měnit
 reference nemá na co ukazovat
 Špatné
řešení č. 2: Dynamická alokace
Complex & add( const Complex & a, const Complex & b)
{
Complex * r = new Complex( a.Re + b.Re, a.Im + b.Im);
return * r;
}
 PROBLÉM:
kdo to odalokuje ?
Vracení odkazem
Funkce jako add nemůže vracet referenci
 add vrací hodnotu různou od všech svých parametrů
 hodnotu parametrů nesmí měnit
 reference nemá na co ukazovat
 Špatné
řešení č. 3: Globální proměnná
Complex g;
Complex & add( const Complex & a, const Complex & b)
{
g = Complex( a.Re + b.Re, a.Im + b.Im);
return g;
}
 CHYBA:
globální proměnná je sdílená
Complex a, b, c, d, e = add( add( a, b), add( c, d));
Vracení odkazem
Funkce jako add musí vracet hodnotou
 add vrací hodnotu různou od všech svých parametrů
 hodnotu parametrů nesmí měnit
 reference nemá na co ukazovat
 Správné
řešení
Complex add( const Complex & a, const Complex & b)
{
Complex r( a.Re + b.Re, a.Im + b.Im);
return r;
}
 Zkrácený (ekvivalentní) zápis
return Complex( a.Re + b.Re, a.Im + b.Im);
Vracení odkazem
Funkce jako add musí vracet hodnotou
Complex add( const Complex & a, const Complex & b)
{
Complex r( a.Re + b.Re, a.Im + b.Im);
return r;
}
 Data
se při vracení z funkce (několikrát) kopírují
z = add( x, y);
 plnění proměnné r [constructor]
 kopie ven z funkce [copy-constructor]
 přiřazení [operator=]
 [C++11] rvalue reference mohou některá kopírování usnadnit
 Řešení
bez kopírování existuje
 za cenu dynamické alokace
 u malých dat (Complex, string) se nevyplatí
Vracení odkazem
Řešení bez kopírování
class ComplexBody
{
public:
ComplexBody( double r, double i)
: re( r), im( i) {}
double re, im;
};
class Complex
{
public:
Complex( double r, double i)
: b( new ComplexBody( r, i)) {}
double re() const { return b->re; }
double im() const { return b->im; }
private:
std::shared_ptr< ComplexBody> b;
};
Complex add(
const Complex & a, const Complex & b)
{
return Complex(
a.re() + b.re(), a.im() + b.im());
return r;
}

Ekvivalent garbage-collection



ComplexBody je sdíleno několika
instancemi Complex a zaniká s
posledním z nich
Garbage-collection metodou markand-sweep bývá rychlejší než počítání
odkazů (shared_ptr)
Pro malé třídy (Complex) je kopírování
levnější než dynamická alokace
Reference a ukazatelé
Pravidla pro vracení hodnot odkazem
 Pokud hodnota, kterou funkce vrací, existuje v nějakém
objektu i po návratu z funkce, lze vrátit odkaz na tento
objekt (konstantní) referencí
T & vector<T>::back();
const T & vector<T>::back() const;
T & T::operator+=(const T & b);
T & T::operator++();// prefixová verze ++ vrací novou hodnotu
 Pokud
se hodnota, kterou funkce vrací, nově spočítala a
není nikde uložena, funkce musí vracet hodnotou
T operator+( const T & a, const T & b);
T T::operator++(int);// postfixová verze ++ vrací starou hodnotu
STL
Standard Template Library
STL
Kontejnery
 Prefabrikáty základních datových struktur
 Šablony parametrizované typem ukládaného objektu
 Všechny
kontejnery pracují s kopiemi vkládaných hodnot
 Typ hodnot musí mít alespoň copy-constructor a destruktor
 Některé druhy kontejnerů či operací s nimi vyžadují i operator= nebo
konstruktor bez parametrů
 Hodnoty
se přidávají a odebírají metodami odpovídajícími
druhu kontejneru
 K hodnotám je možno přistupovat pomocí iterátoru, který
reprezentuje inteligentní ukazatel dovnitř kontejneru
 Prostřednictvím iterátoru je možno měnit uložené hodnoty
STL – Příklad
#include <deque>
typedef std::deque< int> my_deque;
my_deque the_deque;
the_deque.push_back( 1);
the_deque.push_back( 2);
the_deque.push_back( 3);
int x = the_deque.front(); // 1
the_deque.pop_front();
my_deque::iterator ib = the_deque.begin();
my_deque::iterator ie = the_deque.end();
for ( my_deque::iterator it = ib; it != ie; ++it)
{
*it = *it + 3;
}
int y = the_deque.back(); // 6
the_deque.pop_back()
int z = the_deque.back(); // 5
STL – Kontejnery
Sekvenční kontejnery
• Seřazeny podle vzrůstající režie
 [C++11] array< T, N> - pole se staticky danou velikostí
 vector< T> - pole prvků s přidáváním zprava
 basic_string< T> - vektor s terminátorem
• string = basic_string< char> - řetězec (ASCII)
• wstring = basic_string< wchar_t> - řetězec (Unicode)
 deque< T> - fronta s přidáváním a odebíráním z obou stran
 [C++11] forward_list< T> - jednosměrně vázaný seznam
 list< T> - obousměrně vázaný seznam
 Odvozené
kontejnery
• queue< T> - fronta (maskovaná deque)
• priority_queue< T> - prioritní fronta (vylepšený vector)
• stack< T> - zásobník (maskovaný vector)
STL – Kontejnery
Pomocné metody kontejneru
 Test
prázdnosti
bool empty() const
 Počet
prvků
size_t size() const
 nepoužívat pro testy prázdnosti
STL – Kontejnery
Metody kontejneru, vracející iterátory
 Odkaz na začátek kontejneru - první platný prvek
iterator begin()
const_iterator begin() const
 Odkaz za konec kontejneru
iterator end()
const_iterator end() const
- za poslední platný prvek
a const_iterator jsou typy definované uvnitř
kontejneru, zvané iterátory
 iterator
 přístupné konstrukcemi jako vector< int>::iterator
 vlastnosti iterátorů jsou mírně závislé na druhu kontejneru
kontejneru obsahujícího typ T je třída s operátory
definovanými tak, aby se chovala podobně jako "T *"
"(ukazatel na typ T) resp. "const T *"
 Iterátor
 Vytváří se tak iluze, že kontejner je pole
Kategorie iterátorů
 Norma
C++ definuje 5 kategorií
iterátorů





random_access
bidirectional
forward
output
input
 Kategorie
určuje, které
syntaktické konstrukce musí
iterátor umožňovat
Pro
iterátor I jsou definovány tyto operace:
output
*I = x
input
*I /* pouze pro čtení */
random_access,
bidirectional, forward
*I /* čtení i zápis */
všechny
kategorie
++I, I++
random_access,
bidirectional, forward, input
I1 == I2, I1 != I2
 vector,
basic_string a deque
 random_access
 list
 bidirectional
 forward_list
 forward
random_access,
bidirectional
--I, I-random_access
I += n, I + n, n + I
I -= n, I - n, I1 - I2
I[ n]
I1 < I2, I1 > I2, I1 <= I2, I1 >= I2
STL – Iterátory
Operátory definované na iterátorech
 přístup k prvku, na který iterátor ukazuje
T & iterator::operator *() const
const T & const_iterator::operator *() const
 posouvání
iterátoru směrem ke konci
 jednosměrný iterátor
iterator & iterator::operator++()
 posouvání
iterátoru směrem k začátku
 obousměrný iterátor
iterator & iterator::operator--()
 libovolný
posun
 iterátor s přímým přístupem
iterator operator+( iterator, int)
iterator operator-( iterator, int)
STL – Kontejnery
Metody kontejneru pro vkládání
iterator insert( iterator p, T x)
 vsune (kopii) x před prvek, na který ukazuje iterátor p
• vrací iterátor ukazující na vložený prvek
void insert( iterator p, int n, T x)
 vsune n kopií x před prvek, na který ukazuje iterátor p
template< typename other_iterator>
void insert( iterator p, other_iterator b, other_iterator e)
 před prvek, na který ukazuje iterátor p, vsune kopii posloupnosti
prvků ohraničené iterátory b a e
• Tato posloupnost nesmí být uvnitř téhož kontejneru
• Tato posloupnost může být součástí jiného druhu kontejneru
 je-li p == end(), vkládání připojuje na konec kontejneru
 všechny dříve existující iterátory odkazující na tento kontejner jsou
po použití insert neplatné, včetně p
• výjimka: kontejnery list a forward_list iterátory mířící na původní
prvky nebo end() zachovávají
STL – Kontejnery
Konstruktory kontejneru
K()
 Vytvoří prázdný kontejner (array: kontejner dané velikosti)
K( int n, T x = T())
 Vytvoří kontejner s n kopiemi hodnoty x
• Má-li typ T konstruktor bez parametrů, není třeba udávat x
template< typename other_iterator>
K( other_iterator b, other_iterator e)
 Vytvoří kontejner naplněný kopií posloupnosti prvků ohraničené
iterátory b a e
• Tato posloupnost může být součástí jiného druhu kontejneru
STL – Kontejnery
 Původní vkládací metody kopírují vkládané prvky
• Zbytečná práce, nemožnost použití některých typů (unique_ptr)
[C++11] move
 Metody insert a push_back/front mají move varianty
iterator insert( iterator p, T && x)
 Překladač ji použije, je-li parametrem pomocná proměnná...
k.insert( it, a + b); // operator nebo funkce vracejici hodnotou
k.insert( it, T( x, y, z));
// bezejmenny objekt
 ... nebo pokud je použito std::move
k.insert( it, std::move( a));
• Move-semantika: Proměnná a bude (může být) vyprázdněna
 Move-semantika poskytuje úsporu času (a prostoru), pokud typ T
• obsahuje dynamicky alokovaná data
• je na move semantiku připraven (má move-konstruktory)
std::vector< std::string> k;
std::string a = "...";
k.push_back( a + ".kzr");
STL – Kontejnery
 Původní vkládací metody kopírují vkládané prvky
• Zbytečná práce, nemožnost použití některých typů (unique_ptr)
[C++11] emplace
 Metody insert a push_back/front mají emplace varianty
iterator emplace( iterator p, T1 && x1, ..., Tn && xn);
void emplace_back( T1 && x1, ..., Tn && xn);
void emplace_front( T1 && x1, ..., Tn && xn);
 Do kontejneru je přidán nový prvek inicializovaný konstruktorem s
parametry x1, ..., xn
std::vector< std::vector< int> > k;
k.emplace_back( 100, 0);
 Šetří kopírování vkládaného prvku oproti původnímu zápisu
k.push_back( std::vector< int>( 100, 0));
 Šetří i v případě nepřipraveného typu bez move-semantiky
• V případě vector< int> by to kopírování ušetřila sama move-semantika
• Poznámka: rvalue reference v hlavičce emplace funkcí dovolují i lvalue
operandy pomocí skládání referencí a funkce std::forward
STL – Kontejnery
Metody kontejneru pro odebírání
iterator erase( iterator p)
 vyjme prvek, na který ukazuje iterátor p
• p nesmí být rovno end()
• vrací iterátor ukazující na prvek za vyjmutým prvkem (nebo end())
iterator erase( iterator p, iterator e)
 vyjme všechny prvky mezi p a e, včetně p a vyjma e
• p nesmí být rovno end()
• vrací iterátor odkazující na prvek e (původní iterátor e nebude platný)
 všechny iterátory odkazující na tento kontejner jsou po použití erase
neplatné, včetně p a e
• výjimka: kontejnery list a forward_list iterátory mířící na
nesmazané prvky zachovávají
void clear()
{ erase( begin(), end()); }
STL – Kontejnery
Odvozené funkce manipulace s konci kontejneru
 Přidání jednotlivého prvku
void push_front( T x)
{ return insert( begin(), x); }
• list, deque
void push_back( T x)
{ return insert( end(), x); }
• list, deque, vector
 Odebrání
jednotlivého prvku
void pop_front()
{ return erase( begin()); }
• list, deque
void pop_back()
{ return erase( --end()); }
• list, deque, vector
STL – Kontejnery
Odvozené funkce kontejneru pro přístup k prvkům
 Prvky na koncích
• list, deque, vector
• podmínka: ! empty()
T & front()
const T & front() const
 obě provádějí
{ return * begin(); }
T & back()
const T & back() const
 obě provádějí
{ auto it = end(); --it; return * it; }
• [C++11] auto umožňuje deklaraci proměnné bez uvedení typu
• typ si odvodí překladač z inicializace, v tomto případě K::[const_]iterator
STL – Kontejnery
Odvozené funkce kontejneru pro přístup k prvkům
 Prvky uprostřed
 deque, vector, string
 podmínka: n < size()
• at: porušení podmínky vyvolá výjimku
• operator[]: porušení podmínky způsobí nedefinované chování
T & at( int n)
T & operator[]( int n)
const T & at( int n) const
const T & operator[]( int n) const
 všechny provádějí
return * ( begin() + n);
STL - Kontejnery
složitost
operace
na kontejneru
s n prvky
list
deque
vector
basic_string
přídání /
odebrání
jednoho prvku
na začátku
push_front
pop_front
konstantní
konstantní
funkce
neexistuje
funkce
neexistuje
přídání /
odebrání
jednoho prvku
na i-té pozici
insert
erase
konstantní
min( i, n - i)
n-i
n-i
přídání /
odebrání m
prvků na i-té
pozici
insert
erase
m
přesuny mezi
seznamy
(splice) jsou
konstantní
m +min( i, n - i)
m+n-i
m+n-i
přídání /
odebrání
jednoho prvku
na konci
push_back
pop_back
konstantní
konstantní
konstantní
funkce
neexistuje
nalezení i-tého
prvku
begin() + i
funkce
neexistuje
konstantní
konstantní
konstantní
paměťová
náročnost
kontejneru s
prvky velikosti
s
(s + K) * n
K řádově 16 B
q*s*n
q kolem 1.2
q*s*n
q kolem 1.2
q*s*n
q kolem 1.2
Asociativní kontejnery
STL - Kontejnery
Asociativní kontejnery
 Uspořádané
(samovyvažující se stromy)
 set<T> - množina
 multiset<T> - množina s opakováním
 map<K,T> - asociativní pole, tj. parciální zobrazení K -> T
 multimap<K,T> - relace s rychlým vyhledáváním podle klíče K
 [C++11]
Hashované
 [C++11] unordered_set<T> - množina
 [C++11] unordered_multiset<T> - množina s opakováním
 [C++11] unordered_map<K,T> - asociativní pole, tj. parciální
zobrazení K -> T
 [C++11] unordered_multimap<K,T> - relace s rychlým vyhledáváním
podle klíče K
 pair<A,B> - pomocná šablona uspořádané dvojice
• s položkami first, second
STL - Kontejnery
 Uspořádané
kontejnery vyžadují uspořádání na klíčích
 Klíčem se rozumí první parametr šablony kontejneru
 Uspořádání se obvykle definuje operátorem < definovaným na typu
klíče
• Pozor na konstrukce typu set< char *>
 Uspořádání lze rovněž zadat přídavným parametrem šablony
 Definované
uspořádání nemusí být antisymetrická relace
 pokud platí
! (x < y) && ! (y < x)
pak jsou prvky x a y považovány za ekvivalentní
STL - Kontejnery
 Uspořádané
kontejnery vyžadují uspořádání na klíčích
• Vystačí si s operací <
 V nejjednodušším případě to funguje samo
std::map< std::string, int> mapa;
 Pokud typ uspořádání nemá, lze jej definovat obecně
bool operator<( const Klic & a, const Klic & b) { return ...; }
std::map< Klic, int> mapa;
 Pokud obecná definice uspořádání nevyhovuje, lze definovat
uspořádání funktorem pouze pro daný typ kontejneru
struct Usporadani {
bool operator()( const Klic & a, const Klic & b) const { return ...; }
};
std::map< Klic, int, Usporadani> mapa;
 Pokud různé instance kontejneru mají mít různé uspořádání, lze do
funktoru doplnit datové položky
struct Usporadani { Usporadani( bool a); /*...*/ bool ascending; };
std::map< Klic, int, Usporadani> mapa( Usporadani( true));
STL - Kontejnery
 Uspořádání
na klíčích – implementace
• Knihovny definují funktor std::less< K>
template< typename K>
class less { public:
bool operator()( const K & a, const K & b) const { return a < b; }
};
• Šablona kontejneru má typový parametr - typ funktoru
template< typename K, typename T, typename L = std::less< K> >
class map { public:
•
Konstruktor kontejneru dostává hodnotu funktoru
explicit map( const L & c = L())
: cmp_( c)
{ /*...*/ }
/*...*/
private:
•
Kontejner drží jednu instanci funktoru
•
Metody kontejneru volají operátor () na instanci funktoru
L cmp_;
iterator find_( /*...*/) { /*...*/ if ( cmp_( x, y) ) /*...*/ }
};
STL - Kontejnery
 Uspořádání
na klíčích – hashující kontejnery
 Kontejner vyžaduje funktory pro hashování a pro porovnání
template< typename K>
class hash { public:
std::size_t operator()( const K & a) const { /*...*/ }
};
template< typename K>
class equal_to { public:
bool operator()( const K & a, const K & b) const { return a == b; }
};
• Šablona kontejneru má dva další parametry
template< typename K, typename T,
typename H = std::hash< K>, typename E = std::equal_to< K> >
class unordered_map;
•
Konstruktor kontejneru dostává hodnoty funktorů
explicit unordered_map( std::size_t initial_bucket_count = /*...*/,
const H & h = L(), const E & e = E());
STL - Kontejnery
Asociativní kontejnery – procházení
 Kontejnery lze procházet iterátory
 Uspořádané kontejnery jsou prezentovány v uspořádání podle klíčů
• Iterátor je bidirectional
 Hashující kontejnery jsou prezentovány v implementačnědefinovaném pořadí
• Iterátor je forward
 Metody begin() a end() a operátory iterátorů mají stejný význam,
jako u sekvenčních kontejnerů
 Kontejnery
[unordered_][multi]map< K, T> obsahují
uspořádané dvojice - typ std::pair< const K, T>
 Klíč (it->first) nelze modifikovat, hodnotu (it->second) ano
 Procházení
celého asociativního kontejneru se užívá
málokdy
 Iterátory se častěji získávají vyhledáváním
STL - Kontejnery
Asociativní kontejnery – vyhledávání
iterator
iterator
iterator
iterator
iterator
iterator
iterator
iterator
set::find( T x)
multiset::find( T x)
map::find( K x)
multimap::find( K x)
unordered_set::find( T x)
unordered_multiset::find( T x)
unordered_map::find( K x)
unordered_multimap::find( K x)
 pokud v kontejneru existuje prvek s klíčem ekvivalentním x:
• vrací iterátor ukazující na první takový prvek
• multiset, multimap: další takové prvky jsou dostupné operací ++
 jinak vrací end()
 složitost
operace
 uspořadné kontejnery: O( log( size()))
 hashující kontejnery: průměrně O(1), nejhůře O( size())
STL - Kontejnery
Uspořádané kontejnery - intervalové dotazy
iterator
iterator
iterator
iterator
set::lower_bound( T x)
multiset::lower_bound( T x)
map::lower_bound( K x)
multimap::lower_bound( K x)
 vrací první prvek jehož klíč není menší než x, případně end()
iterator
iterator
iterator
iterator
set::upper_bound( T x)
multiset::upper_bound( T x)
map::upper_bound( K x)
multimap::upper_bound( K x)
 vrací první prvek jehož klíč je větší než x, případně end()
 dvojici
takto získaných iterátorů lze využít v jiných funkcích
téhož i jiného kontejneru
 operace mají logaritmickou složitost
STL - Kontejnery
Asociativní kontejnery – vyhledávání s opakováním
pair<iterator,iterator>
pair<iterator,iterator>
pair<iterator,iterator>
pair<iterator,iterator>
multiset::equal_range( T x)
multimap::equal_range( K x)
unordered_multiset::equal_range( T x)
unordered_multimap::equal_range( K x)
 vrací polouzavřený interval [first,second) obsahující prvky s daným
klíčem
• pokud prvky neexistují, vrací prázdný interval na místě, kde by byly
• odpovídá std::make_pair( lower_bound( x), upper_bound( x))
 existuje i pro kontejnery bez opakování
pair<iterator,iterator>
pair<iterator,iterator>
pair<iterator,iterator>
pair<iterator,iterator>
 složitost
set::equal_range( T x)
map::equal_range( K x)
unordered_set::equal_range( T x)
unordered_map::equal_range( K x)
operace
 uspořadné kontejnery: O( log( size()))
 hashující kontejnery: průměrně O(1), nejhůře O( size())
STL - Kontejnery
Asociativní kontejnery - vkládání
 set a map
pair< iterator, bool> set::insert( T x)
pair< iterator, bool> unordered_set::insert( T x)
pair< iterator, bool> map::insert( pair< const K, T> x)
pair< iterator, bool> unordered_map::insert( pair< const K, T> x)
 pokud
prvek ekvivalentní x (resp. x.first) v kontejneru není:
 kopie x se vloží do kontejneru
 vrací pair< iterator, bool>( p, true) kde p je iterátor ukazující na
vložený prvek
 pokud
prvek ekvivalentní x (resp. x.first) v kontejneru již je:
 vrací pair< iterator, bool>( p, false) kde p je iterátor ukazující na
existující prvek ekvivalentní x
 [C++11]
existuje též move-verze insert a emplace
 složitost operace
 uspořadné kontejnery: O( log( size()))
 hashující kontejnery: průměrně O(1), nejhůře O( size())
STL - Kontejnery
Asociativní kontejnery - vkládání
 multiset a multimap
iterator
iterator
iterator
iterator
multiset::insert( T x)
unordered_multiset::insert( T x)
multimap::insert( pair< const K, T> x)
unordered_multimap::insert( pair< const K, T> x)
 kopie x se vloží do kontejneru
 vrací iterátor ukazující na vložený prvek
 [C++11]
existuje též move-verze insert a emplace
 složitost operace
 uspořadné kontejnery: O( log( size()))
 hashující kontejnery: průměrně O(1), nejhůře O( size())
STL - Kontejnery
Asociativní kontejnery - odebírání
 podle klíče
size_type [unordered_][multi]set::erase( T x)
size_type [unordered_][multi]map::erase( K x)
 odebere všechny prvky s klíčem ekvivalentním zadanému x
 vrací počet odebraných prvků
 složitost
operace pro N odebraných prvků
 uspořadné kontejnery: O( log( size()) + N)
 hashující kontejnery: průměrně O(N), nejhůře O( size())
 po
operaci budou iterátory na odebrané prvky neplatné
 asociativní kontejnery neinvalidují iterátory při insert/erase
 vyjma odebraných prvků
STL - Kontejnery
Asociativní kontejnery - odebírání
 podle iterátoru - jeden prvek
void erase( iterator p)
 odebere prvek na který odkazuje iterátor p
• p nesmí být rovno end()
 operace má konstantní složitost
• rozumí se amortizovaná/průměrná složitost
 podle iterátorů - interval
void erase( iterator p, iterator e)
 odebere všechny prvky mezi p a e, včetně p a vyjma e
 složitost operace pro N odebraných prvků
• uspořadné kontejnery: O( log( size()) + N)
• hashující kontejnery: průměrně O(N), nejhůře O( size())
 po
operaci budou iterátory na odebrané prvky neplatné
STL - Kontejnery
map/unordered_map – at/operator [ ]
T & [unordered_]map::at( K x)
 Vrátí referenci na hodnotovou (second) složku prvku s klíčem
ekvivalentním x
 Pokud takový prvek neexistuje, vyvolá výjimku
T & [unordered_]map::operator[]( K x)
{ return (*((insert(make_pair( x, T()))).first)).second; }
 Vrátí referenci na hodnotovou (second) složku prvku s klíčem
ekvivalentním x
 Pokud takový prvek neexistuje, vytvoří jej
• Jeho hodnotová složka bude T()
 Tento operátor je možno používat pro vkládání a přepisování prvků
kontejneru
• Kontejner [unordered_]map se chová jako asociativní pole (PHP)
• Pozor: U sekvenčních kontejnerů automatické přidání nefunguje
 Pozor: Pro čtení nemusí být vhodné – přidává neexistující prvky
Algoritmy
STL – Algoritmy
Šablona funkce for_each
 <algorithm>
template<class InputIterator, class Function>
Function for_each(
InputIterator first,
InputIterator last,
Function f);
 first
a last jsou iterátory, určující procházený úsek nějakého
kontejneru (všetně first, mimo last)
 f je buďto
 globální funkce (ukazatel na funkci), nebo
 funktor, tj. třída obsahující operator()
f (případně metoda operator()) je zavolána na
každý prvek v zadaném intervalu
 Funkce
 prvek se předává jako * iterator, což může být odkazem
 funkce f tedy může modifikovat prvky seznamu
STL – Algoritmy
Šablona funkce for_each
 <algorithm>
template<class InputIterator, class Function>
Function for_each(
InputIterator first,
InputIterator last,
Function f)
{
for (; first != last; ++first)
f( * first);
return f;
}
 Takto napsanou šablonu lze zkompilovat pro jakékoliv f, na které lze
aplikovat operátor (), tedy jak pro funkci, tak pro funktor
STL – Algoritmy
Použití funkce for_each
void my_function( double & x)
{
x += 1;
}
void increment( list< double> & c)
{
for_each( c.begin(), c.end(), my_function);
}
[C++11] Lambda
Nová syntaktická konstrukce generující funktor
void increment( list< double> & c)
{
for_each( c.begin(), c.end(), []( double & x){ x += 1;});
}
STL – Algoritmy
Použití funkce for_each
class my_functor {
public:
double v;
void operator()( double & x) const { x += v; }
my_functor( double p) : v( p) {}
};
void add( list< double> & c, double value)
{
for_each( c.begin(), c.end(), my_functor( value));
}
[C++11] Lambda
void add( list< double> & c, double value)
{
for_each( c.begin(), c.end(), [=]( double & x){ x += value;});
}
STL – Algoritmy
Použití funkce for_each
class my_functor {
public:
double s;
void operator()( const double & x) { s += x; }
my_functor() : s( 0.0) {}
};
double sum( const list< double> & c)
{
my_functor f;
f = for_each( c.begin(), c.end(), f);
return f.s;
}
[C++11] Lambda
double sum( const list< double> & c)
{
double s = 0.0;
for_each( c.begin(), c.end(), [&]( const double & x){ s += x;});
return s;
}
STL – Algoritmy
Použití funkce for_each
class my_functor {
public:
double s;
void operator()( const double & x)
{ s += x; }
my_functor() : s( 0.0) {}
};
double sum( const list< double> & c)
{
my_functor f;
for_each( c.begin(), c.end(), f);
return f.s;
}
 Pozor: f se předává hodnotou - tato implementace vždy vrací 0.0
STL – Algoritmy
Použití funkce for_each
class my_functor {
public:
double s;
void operator()( const double & x)
{ s += x; }
my_functor() : s( 0.0) {}
};
double sum( const list< double> & c)
{
return for_each( c.begin(), c.end(), my_functor()).s;
}
Lambda
Lambda výrazy
Motivace
class ftor {
public:
ftor(int a, int b) : a_(a),b_(b) { }
bool operator()(int x) const { return x*a_<b_; }
private:
int a_, b_;
};
typedef std::vector<int> v_t; v_t v;
v_t::iterator vi=remove_if(v.begin(), v.end(), ftor(m, n));
Řešení
std::vector<int> v;
auto vi=remove_if(v.begin(), v.end(),
[=](int x){ return x*m<n; });
C++11
Lambda výrazy
Lambda výraz
[ capture ]( params ) mutable -> rettype { body }
 Deklaruje
třídu ve tvaru
class ftor {
public:
ftor( TList ... plist) : vlist( plist) ... { }
rettype operator()( params ) const { body }
private:
TList ... vlist;
};
 vlist je určen proměnnými použitými v body
 TList je určen jejich typy a upraven podle capture
 operator() je const pokud není uvedeno mutable
 Lambda výraz
ftor( vlist ...)
je nahrazen vytvořením objektu
C++11
Lambda výrazy – návratový typ a typ funkce
Návratový typ operátoru
 Explicitně definovaný návratový typ
[]() -> int { … }
 Automaticky určen pro tělo lambda funkce ve tvaru
[]() { return V; }
 Jinak void
C++11
Lambda výrazy – capture
Capture
[ capture ]( params ) mutable -> rettype { body }
C++11
 Způsob zpřístupnění vnějších entit
 Určuje typy datových položek a konstruktoru funktoru
 Explicitní
capture
 Programátor vyjmenuje všechny vnější entity v capture
[a,&b,c,&d]
• entity označené & předány odkazem, ostatní hodnotou
 Implicitní
capture
 Překladač sám určí vnější entity, capture určuje způsob předání
[=]
[=,&b,&d]
• předání hodnotou, vyjmenované výjimky odkazem
[&]
[&,a,c]
• předání odkazem, vyjmenované výjimky hodnotou
Lambda výrazy – příklad
int a = 1, b = 1, c = 1;
auto m1 = [a, &b, &c]() mutable {
auto m2 = [a, b, &c]() mutable {
std::cout << a << b << c;
a = 4; b = 4; c = 4;
};
a = 3; b = 3; c = 3;
m2();
};
a = 2; b = 2; c = 2;
m1();
std::cout << a <
template<class InputIterator, class T>
InputIterator find(
InputIterator first,
InputIterator last,
const T & value)
{
for (; first != last; ++first)
if ( * first == value )
break;
return first;
}
STL – Algoritmy
Šablona funkce find_if
 <algorithm>
template<class InputIterator, class Predicate>
InputIterator find_if(
InputIterator first,
InputIterator last,
Predicate pred)
{
for (; first != last; ++first)
if ( pred( * first) )
break;
return first;
}
 Predikát pred může být funkce nebo funktor
STL – Algoritmy
Přehled algoritmů
 Průchod kontejnerem
 for_each
 Čtení
kontejnerů
 find, find_if - první prvek s danou vlastností
 find_end - poslední výskyt druhé sekvence v první
 find_first_of - první výskyt některého prvku druhé sekvence v první
 adjacent_find - první prvek ekvivalentní sousednímu
 count, count_if - počet prvků s danou vlastností
 mismatch - první odlišnost dvou sekvencí
 equal - test shody dvou sekvencí
 search - první výskyt druhé sekvence v první
 search_n - první n-násobný výskyt dané hodnoty
STL – Algoritmy
Přehled algoritmů
 Swap
 swap - výměna obsahu dvou objektů
• Pomocí parciální/explicitní specializace bývá implementována rychleji,
než kopírování
 Modifikace
kontejnerů výměnou prvků
 swap_ranges - výměna obsahu dvou sekvencí (volá swap)
 iter_swap - výměna obsahu dvou jednoprvkových sekvencí
 Modifikace
kontejnerů permutací (voláním swap)
 partition, stable_partition - přemístění prvků s danou vlastností
dopředu
 random_shuffle - náhodná permutace dle zadaného náhodného
generátoru
 reverse - otočení posloupnosti
 rotate, rotate_copy - rotace prvků
STL – Algoritmy
Přehled algoritmů
 Modifikace kontejnerů přiřazením
 copy, copy_backward - kopie první sekvence do druhé
 transform - aplikace zadané unární/binární operace na každý prvek
první/první a druhé sekvence a zapsání výsledku do druhé/třetí
sekvence
 replace, replace_if - nahrazení prvků s danou vlastností jinou
hodnotou
 replace_copy, replace_copy_if - kopie s nahrazením
 fill, fill_n - naplnění sekvence danou hodnotou
 generate, generate_n - naplnění sekvence z daného generátoru
 Modifikace
kontejnerů odebráním
 remove, remove_if - smazání prvků s danou vlastností
 unique, unique_copy - smazání opakujících se sousedních prvků
• vhodné pro setříděné nebo asociativní kontejnery
 Pozor:
Tyto funkce neprodlužují ani nezkracují kontejner
STL – Algoritmy
Přehled algoritmů
 Pozor: Algoritmy neprodlužují ani nezkracují kontejner
vector< int> a, b;
a.push_back( 1); a.push_back( 2); a.push_back( 3);
copy( a.begin(), a.end(), b.begin());
 Pro
// ilegální použití
tyto účely existují "vkládající iterátory"
 <iterator> obsahuje tyto funkce vracející iterátory
• back_inserter( K) - iterátor vkládající na konec kontejneru K
• front_inserter( K) - iterátor vkládající na začátek kontejneru K
• inserter( K, I) - iterátor vkládající před iterátor I do kontejneru K
 tyto iterátory jsou pouze výstupní
• lze je použít jako cíl ve funkcích typu copy
copy( a.begin(), a.end(), back_inserter( b));
STL – Algoritmy
Přehled algoritmů
 min, max - minimum a maximum ze dvou hodnot
 Třídění
a spol.
 sort, stable_sort - třídění
 partial_sort, partial_sort_copy, nth_element - polotovary třídění
 push_heap, pop_heap, make_heap, sort_heap - operace na haldě
 min_element, max_element
 lexicographical_compare
 next_permutation, prev_permutation
 Operace
na setříděných kontejnerech
 lower_bound, upper_bound, equal_range - hledání prvku
 binary_search - test na přítomnost prvku
 includes - test podmnožinovosti
 merge, inplace_merge - sjednocení s opakováním
 set_union, set_intersection - sjednocení, průnik
 set_difference, set_symmetric_difference - množinový rozdíl
Konstruktory a destruktory
Constructors and Destructors
Konstruktory a destruktory
Konstruktor třídy XXX je metoda se jménem XXX
 Typ návratové hodnoty se neurčuje
 Konstruktorů může být více, liší se parametry
 Nesmí být virtuální
 Konstruktor
je volán vždy, když vzniká objekt typu XXX
 Parametry se zadávají při vzniku objektu
 Některé z konstruktorů mají speciální význam
 Některé z konstruktorů může generovat sám kompilátor
 Konstruktor
nelze vyvolat přímo
Destruktor třídy je metoda se jménem ~XXX
 Nesmí mít parametry ani návratovou hodnotu
 Může být virtuální
 Destruktor
je volán vždy, když zaniká objekt typu XXX
 Destruktor může generovat sám kompilátor
 Destruktor
lze vyvolat přímo pouze speciální syntaxí
Speciální metody tříd
 Konstruktor bez parametrů (default constructor)
XXX();
 Používán u proměnných bez inicializace
 Kompilátor se jej pokusí vygenerovat, je-li to třeba a pokud třída nemá
vůbec žádný konstruktor:
• Položky, které nejsou třídami, nejsou generovaným konstruktorem
inicializovány
• Generovaný konstruktor volá konstruktor bez parametrů na všechny
předky a položky
• To nemusí jít např. pro neexistenci takového konstruktoru
 Destruktor
~XXX();
 Používán při zániku objektu
 Kompilátor se jej pokusí vygenerovat, je-li to třeba a třída jej nemá
• To nemusí jít kvůli ochraně přístupu
 Pokud je objekt destruován operátorem delete aplikovaným na ukazatel na
předka, musí být destruktor v tomto předku deklarován jako virtuální
virtual ~XXX();
copy/move
Speciální metody tříd – C++11
copy/move
Speciální metody tříd
 Copy constructor
T( const T & x);
 Move constructor
T( T && x);
 Copy assignment operator
T & operator=( const T & x);
 Move assignment
T & operator=( T && x);
operator
C++11
copy/move
Překladačem definované chování (default)
 Copy constructor
T( const T & x) = default;
 aplikuje copy constructor na složky
 Move constructor
T( T && x) = default;
 aplikuje move constructor na složky
 Copy assignment operator
T & operator=( const T & x) = default;
 aplikuje copy assignment operator na složky
 Move assignment operator
T & operator=( T && x) = default;
 aplikuje move assignment operator na složky
 default
umožňuje vynutit defaultní chování
C++11
copy/move
Podmínky automatického defaultu
 Copy
C++11
constructor/assignment operator
 pokud není explicitně deklarován move constructor ani assignment
operator
• budoucí normy pravděpodobně zakážou automatický default i v
případě přítomnosti druhé copy metody nebo destruktoru
 Move
constructor/assignment operator
 pokud není deklarována žádná ze 4 copy/move metod ani destruktor
copy/move
Nejběžnější kombinace
 Neškodná třída
 Nedeklaruje žádnou copy/move metodu ani destruktor
 Neobsahuje složky vyžadující zvláštní péči (ukazatele)
 Složky
vyžadující zvláštní péči
 Překladačem generované chování (default) nevyhovuje
 Bez podpory move (před C++11)
T( const T & x);
T & operator=( const T & x);
~T();
 Plná podpora copy/move
T( const T & x);
T( T && x);
T & operator=( const T & x);
T & operator=( T && x);
~T();
C++11
copy/move
Další kombinace
 Nekopírovatelná třída
C++11
 Např. dynamicky alokované živé objekty v simulacích
T( const T & x) = delete;
T & operator=( const T & x) = delete;
 delete zakazuje generování překladačem
 Destruktor může ale nemusí být nutný
 Přesouvatelná
nekopírovatelná třída
 Např. unikátní vlastník jiného objektu (viz std::unique_ptr)
T( T && x);
T & operator=( T && x);
~T();
 Pravidla jazyka zakazují generování copy metod překladačem
 Destruktor typicky bývá nutný
Konverze
Speciální metody tříd
Konverzní konstruktory
class XXX {
XXX( YYY);
};
 Zobecnění kopírovacího konstruktoru
 Definuje uživatelskou konverzi typu YYY na XXX
 Je-li tento speciální efekt nežádoucí, lze jej zrušit:
explicit XXX( YYY);
Konverzní operátory
class XXX {
operator YYY() const;
};
 Definuje uživatelskou konverzi typu XXX na YYY
 Vrací typ YYY hodnotou (tedy s použitím kopírovacího konstruktoru
YYY, pokud je YYY třída)
 Kompilátor vždy použije nejvýše jednu uživatelskou konverzi
Konstruktory a spol.
Typické situace
Konstruktory a spol.
POD: Plain-Old-Data
 Položky jsou veřejné
 Inicializace je v zodpovědnosti uživatele
class T {
public:
std::string x_;
};
 Často se používá struct
struct T {
std::string x_;
};
Konstruktory a spol.
Všechny položky jsou neškodné
 Položky mají svoje konstruktory
 Třída nemusí mít žádný konstruktor
class T {
public:
// ...
const std::string & get_x() const { return x_; }
void set_x( const std::string & s) { x_ = s; }
private:
std::string x_;
};
Konstruktory a spol.
Všechny položky jsou neškodné
 Položky mají svoje konstruktory
 Konstruktor se hodí pro pohodlnou inicializaci
 V takovém případě je (většinou) nutný i konstruktor bez parametrů
 Konstruktory s jedním parametrem označeny explicit
class T {
public:
T() {}
explicit T( const std::string & s) : x_( s) {}
T( const std::string & s, const std::string & t)
: x_( s), y_( t)
{}
// ... metody ...
private:
std::string x_, y_;
};
Konstruktory a spol.
Některé položky jsou mírně nebezpečné
 Některé položky nemají vhodné konstruktory
 Číselné typy včetně bool, char
 Konstruktor
je nutný pro inicializaci
 V takovém případě je (většinou) nutný i konstruktor bez parametrů
 Konstruktory s jedním parametrem označeny explicit
class T {
public:
T() : x_( 0), y_( 0) {}
explicit T( int s) : x_( s), y_( 0) {}
T( int s, int t)
: x_( s), y_( t)
{}
// ... metody ...
private:
int x_, y_;
};
Konstruktory a spol.
Některé položky jsou hodně nebezpečné
 Některé položky nemají použitelnou semantiku kopírování
 Ukazatele (E *) na dynamicky alokovaná data
 Semantika definovaná překladačem nevyhovuje
 Je
nutný copy constructor, operator= a destruktor
 Je nutný i jiný konstruktor, např. bez parametrů
class T {
public:
T() : p_( new Data) {}
T( const T & x) : p_( new Data( * x.p_)) {}
T & operator=( const T & x) { T tmp( x); swap( tmp); return * this;}
~T() { delete p_; }
void swap( T & y) { std::swap( p_, y.p_); }
private:
Data * p_;
};
Konstruktory a spol.
Některé položky jsou hodně nebezpečné
 Je nutný copy/move constructor/operator= a destruktor
 Je nutný i jiný konstruktor, např. bez parametrů
C++11
class T {
public:
T() : p_( new Data) {}
T( const T & x) : p_( new Data( * x.p_)) {}
T( T && x) : p_( x.p_) { x.p_ = 0; }
T & operator=( const T & x) { T tmp( x); swap( tmp); return * this;}
T & operator=( T && x)
{ T tmp( std::move( x)); swap( tmp); return * this;}
~T() { delete p_; }
void swap( T & y) { std::swap( p_, y.p_); }
private:
Data * p_;
};
Konstruktory a spol.
Některé položky jsou hodně nebezpečné
 Třída se zakázaným kopírováním
 Ale schopná přesunu
class T {
public:
T() : p_( new Data) {}
T( const T & x) = delete;
T( T && x) : p_( x.p_) { x.p_ = 0; }
T & operator=( const T & x) = delete;
T & operator=( T && x)
{ T tmp( std::move( x)); swap( tmp); return * this;}
~T() { delete p_; }
void swap( T & y) { std::swap( p_, y.p_); }
private:
Data * p_;
};
C++11
Konstruktory a spol.
Použití unique_ptr
 Třída se zakázaným kopírováním
 Ale schopná přesunu
class T {
public:
T() : p_( new Data) {}
private:
std::unique_ptr< Data> p_;
};
C++11
Konstruktory a spol.
Použití unique_ptr
 Třída s povoleným kopírováním
C++11
class T {
public:
T() : p_( new Data) {}
T( const T & x) : p_( new Data( * x.p_)) {}
T( T && x) = default;
T & operator=( const T & x) { T tmp( x); swap( tmp); return * this;}
T & operator=( T && x) = default;
void swap( T & y) { std::swap( p_, y.p_); }
private:
std::unique_ptr< Data> p_;
};
Konstruktory a spol.
Abstraktní třída
 Se zákazem kopírování/přesouvání
class T {
protected:
T() {}
T( const T & x) = delete;
T & operator=( const T & x) = delete;
public:
virtual ~T() {}
};
C++11
Konstruktory a spol.
Abstraktní třída
 Se podporou klonování
class T {
protected:
T() {}
T( const T & x) = default;
T & operator=( const T & x) = delete;
public:
virtual ~T() {}
virtual T * clone() const = 0;
};
C++11
Vznik a zánik objektů
Vznik a zánik objektů
Lokální proměnné
 Pro každý lokální objekt je při jeho vzniku, to jest při průchodu řízení
jeho deklarací, vyvolán specifikovaný konstruktor.
 Při zániku lokálního objektu, to jest při opuštění bloku s jeho
deklarací (jakýmkoli způsobem včetně příkazů return, break,
continue a goto nebo následkem výjimky) je vyvolán jeho destruktor.
 Deklarace lokálního objektu může být kdekoliv uvnitř těla funkce
nebo kteréhokoliv složeného příkazu. Rozsah platnosti objektu je od
místa deklarace po konec nejbližšího složeného příkazu.
 Skoky, které by vstupovaly do bloku a obcházely přitom deklaraci
objektu, jsou zakázány.








void f()
{
XXX a, b;
XXX c( 1), d( a);
XXX e = 1, f = a;
XXX g( 1, 2, 3);
XXX h{ 1, 2, 3};
}
//
//
//
//
//
konstruktor bez parametrů
konstruktory XXX( int), XXX( XXX)
(skoro) ekvivalentní zápis
konstruktor XXX( int, int, int)
nová jednotná syntaxe C++11
Vznik a zánik objektů
 Parametry předávané hodnotou
 Předání parametru je realizováno voláním kopírovacího konstruktoru




Tento konstruktor je volán na místě volání funkce před jejím zavoláním
Kompilátor dokáže tento konstruktor vytvořit vlastními prostředky
Destruktor objektu je vyvolán před návratem z funkce
Pokud je skutečný parametr jiného typu, před voláním kopírovacího
konstruktoru dojde ke konverzi
• Tato konverze může zahrnovat vznik pomocného objektu a tedy volání dalšího
konstruktoru (a destruktoru)








void f( XXX a)
{
}
void g()
{ XXX b;
f( b); // konstruktor XXX( const XXX &)
f( 1); // konstruktor XXX( int) – po něm se volá XXX( const XXX &)
}
Vznik a zánik objektů
Globální proměnné
 Pro každý globální objekt (a statickou položku třídy) je vyvolán
konstruktor (pokud je neprázdný) před vstupem řízení do funkce
main
 Po jejím opuštění (nebo po zavolání funkce exit) je pro každý
globální objekt vyvolán destruktor.
 V rámci jednoho překládaného modulu jsou globální proměnné
inicializovány v pořadí zápisu a destruovány v opačném pořadí.
 Pořadí inicializací mezi moduly není definováno






XXX a( 1), b, c( 2, 3, 4);
XXX d( b); // b již je inicializováno
class C {
static XXX h;
// statická datová položka - deklarace
};
XXX C::h( 1, 2, 3); // statická datová položka - definice
Vznik a zánik objektů
Lokální statické proměnné
 Konstruktory lokálních statických proměnných se volají v okamžiku
prvního vstupu do funkce
 Destruktory jsou volány po výstupu z main v opačném pořadí



f()
{ static XXX e( 1);
}
// lokální statická proměnná
Typické použití - singleton





std::ostream & log_file()
{
static std::ofstream x( "file.log");
return x;
}
// lokální statická proměnná
Vznik a zánik objektů
Dynamicky alokované objekty
 Pro dynamickou alokaci slouží dvojice operátorů new a delete.
 Operátor new alokuje potřebnou oblast paměti pro objekt
specifikovaného typu a vyvolává konstruktor podle zadaných
parametrů. Vrací ukazatel na tento objekt.
 Pokud se z důvodu nedostatku paměti alokace nezdaří:
• Vyvolá se výjimka std::bad_alloc
 Operátor delete vyvolává destruktor objektu a poté dealokuje paměť
zabranou objektem.
• Je odolný proti nulovým ukazatelům






XXX * p, * q;
p = new XXX;
// konstruktor bez parametrů
q = new XXX( 1, p); // XXX( int, XXX *)
/* ... */
delete p;
delete q;
Vznik a zánik objektů
 Dynamická
alokace polí
 Vyvolává pouze konstruktory bez parametrů








int n;
XXX * p;
p = new XXX[ n];
// pole n objektů typu XXX – konstruktory XXX()
XXX * q;
q = new XXX *[ n]; // pole n ukazatelů na XXX – žádné konstruktory
/* ... */
delete[] p;
delete[] q;
Vznik a zánik objektů
Dočasné objekty
 Užití jména třídy jako jména funkce v operátoru volání
způsobí:
 Vyhrazení místa pro tuto třídu na zásobníku, tedy mezi okolními
lokálními proměnnými
 Vyvolání konstruktoru s patřičnými parametry na tomto objektu
 Použití tohoto objektu jako hodnoty v okolním výraze
 Vyvolání destruktoru nejpozději na konci příkazu



XXX a, b;
a = XXX();
b = XXX( 1, 2);
// konstruktor bez parametrů + kopie + destruktor
// konstruktor s parametry + kopie + destruktor
 Speciální
případ této syntaxe je chápán jako typová
konverze (function-style cast)
 Konstruktor s jedním parametrem je nazýván konverzní konstruktor
Dědičnost a virtuální funkce
Dědičnost
class Base { /* ... */ };
class Derived : public Base { /* ... */ }
Třída
Derived je odvozena z třídy Base
Obsahuje všechny datové položky i metody třídy Base
Může k nim doplnit další
•Není vhodné novými zakrývat staré, vyjma virtuálních
Může změnit chování metod, které jsou v Base deklarovány jako
virtuální
class Base {
virtual void f() { /* ... */ }
};
class Derived : public Base {
virtual void f() { /* ... */ }
};
Virtuální funkce
class Base {
virtual void f() { /* ... */ }
virtual void f( int) { /* ... */ }
virtual void g() = 0; // čistě virtuální funkce bez těla
virtual void h() const { /* ... */ }
void j() { /* ... */ }
};
Třída obsahující čistě virtuální funkci nemůže být samostatně
instanciována.
class Derived : public Base {
virtual void f() { /* ... */ }
virtual void f( int) const { /* ... */ }
virtual void g() { /* ... */ }
virtual void h() { /* toto není nové tělo pro Base::h */ }
virtual void j() { /* toto není nové tělo pro Base::j */ }
};
Mechanismus redefinování virtuálních funkcí je vázán na jméno i
parametry včetně „const“
Je možné redefinovat i tělo privátní funkce
Virtuální funkce
class Base {
virtual void f() { /* ... */ }
};
class Derived : public Base {
virtual void f() { /* ... */ }
};
Mechanismus
virtuálních funkcí se uplatní
pouze v přítomnosti ukazatelů nebo referencí
Base * p = new Derived;
p->f();
// volá Derived::f
V jiné situaci není virtuálnost funkcí užitečná
Derived d;
d.f();
// volá Derived::f i kdyby nebyla virtuální
Base b = d; // slicing = kopie části objektu
b.f();
// volá Base::f ikdyž je virtuální
Slicing
je specifikum jazyka C++
Názvosloví
Abstraktní třída
 Definice v C++: Třída obsahující alespoň jednu čistě
virtuální funkci
 Běžná definice: Třída, která sama nebude instanciována
 Představuje rozhraní, které mají z ní odvozené třídy
(potomci) implementovat
Konkrétní třída
 Třída, určená k samostatné instanciaci
 Implementuje rozhraní, předepsané abstraktní třídou, ze
které je odvozena
Dědičnost a destruktor
class Base {
public:
virtual ~Base() {}
};
Base * p = new Derived;
delete p;
 Pokud
class Derived : public Base {
public:
virtual ~Derived() { /* ... */ }
};
je objekt destruován
operátorem delete aplikovaným
na ukazatel na předka, musí
být destruktor v tomto předku
deklarován jako virtuální
Odvozené pravidlo:
 Každá abstraktní třída má mít
virtuální destruktor
 Je to zadarmo
 Může se to hodit
Dědičnost
Mechanismus
dědičnosti v C++ je velmi silný
Bývá používán i pro nevhodné účely
Ideální
použití dědičnosti je pouze toto
ISA hierarchie (typicky pro objekty s vlastní identitou)
•Živočich-Obratlovec-Savec-Pes-Jezevčík
•Objekt-Viditelný-Editovatelný-Polygon-Čtverec
Vztah interface-implementace
•Readable-InputFile
•Writable-OutputFile
•(Readable+Writable)-IOFile
Jiná použití dědičnosti obvykle signalizují chybu v návrhu
•Výjimky samozřejmě existují (traits...)
Dědičnost
ISA hierarchie
•C++: Jednoduchá nevirtuální veřejná dědičnost
class Derived : public Base
•Abstraktní třídy někdy obsahují datové položky
Vztah interface-implementace
•C++: Násobná virtuální veřejná dědičnost
class Derived : virtual public Base1,
virtual public Base2
•Abstraktní třídy obvykle neobsahují datové položky
•Interface nebývají využívány k destrukci objektu
Oba přístupy se často kombinují
class Derived : public Base,
virtual public Interface1,
virtual public Interface2
Nesprávné užití dědičnosti
 Nesprávné
užití dědičnosti č. 1
class Real { public: double Re; };
class Complex : public Real { public: double Im; };
 Porušuje pravidlo "každý potomek má všechny vlastnosti předka"
• např. pro vlastnost "má nulovou imaginární složku"
 Důsledek - slicing:
double abs( const Real & p) { return p.Re > 0 ? p.Re : - p.Re; }
Complex x;
double a = abs( x);
// tento kód LZE přeložit, a to je špatně
 Důvod: Referenci na potomka lze přiřadit do reference na předka
• Complex => Complex & => Real & => const Real &
Nesprávné užití dědičnosti
 Nesprávné
užití dědičnosti č. 1
class Real { public: double Re; };
class Complex : public Real { public: double Im; };
 Slicing nastává i u předávání hodnotou
double abs( Real p) { return p.Re > 0 ? p.Re : - p.Re; }
Complex x;
double a = abs( x);
// tento kód LZE přeložit, a to je špatně
 Důvod: Předání hodnoty x do parametru p je provedeno implicitně
vytvořeným konstruktorem:
Real::Real( const Real & y) { Re = y.Re; }
 Parametr x typu Complex do tohoto konstruktoru lze předat
• Complex => Complex & => Real & => const Real &
Nesprávné užití dědičnosti
 Nesprávné
užití dědičnosti č. 2
class Complex { public: double Re, Im; };
class Real : public Complex { public: Real( double r); };
 Vypadá jako korektní specializace:
"každé reálné číslo má všechny vlastnosti komplexního čísla"
 Chyba: Objekty v C++ nejsou hodnoty v matematice
 Třída Complex má vlastnost "lze do mne přiřadit Complex"
• Tuto vlastnost třída Real logicky nemá mít, s touto dědičností ji mít bude
Nesprávné užití dědičnosti
 Nesprávné
užití dědičnosti č. 2
class Complex { public: double Re, Im; };
class Real : public Complex { public: Real( double r); };
 Vypadá jako korektní specializace:
"každé reálné číslo má všechny vlastnosti komplexního čísla"
 Chyba: Objekty v C++ nejsou hodnoty v matematice
 Třída Complex má vlastnost "lze do mne přiřadit Complex"
• Tuto vlastnost třída Real logicky nemá mít, s touto dědičností ji mít bude
void set_to_i( Complex & p) { p.Re = 0; p.Im = 1; }
Real x;
set_to_i( x);
// tento kód LZE přeložit, a to je špatně
 Důvod: Referenci na potomka lze přiřadit do reference na předka
• Real => Real & => Complex &
Nesprávné užití dědičnosti
 Nesprávné
užití dědičnosti č. 2
class Complex { public: double Re, Im; };
class Real : public Complex { public: Real( double r); };
 Vypadá jako korektní specializace:
"každé reálné číslo má všechny vlastnosti komplexního čísla"
 Chyba: Objekty v C++ nejsou hodnoty v matematice
 Třída Complex má vlastnost "lze do mne přiřadit Complex"
• Tuto vlastnost třída Real logicky nemá mít, s touto dědičností ji mít bude
 Poznámka: při přímem přiřazování tento problém nenastane
Complex y;
Real x;
x = y; // tento kód NELZE přeložit
• Důvod: operátor = se nedědí
Complex & Complex::operator=( const Complex &); // nezdědí se
Real & Real::operator=( const Real &); // nesouhlasí typ argumentu
Šablony
Templates
Šablony tříd - definice
 Šablona
je generická třída parametrizovaná libovolným
počtem formálních parametrů těchto druhů:
 celé číslo – uvnitř šablony se chová jako konstanta, použitelná jako
meze polí
 ukazatel libovolného typu
 libovolný typ – deklarováno zápisem class T nebo typename T,
identifikátor formálního parametru se chová jako identifikátor typu,
použitelný uvnitř šablony v libovolné deklaraci
 šablona třídy s definovanými formálními parametry
 seznam typů ("variadic template")
C++11
 Prefix
definice šablony
template< formální-parametry>
 lze použít před několika formami deklarací; oblastí platnosti
formálních parametrů je celá prefixovaná deklarace
Šablony tříd - instanciace
 Instanciace
šablony: Šablonu lze použít jako typ pouze s
explicitním uvedením skutečných parametrů odpovídajících
druhů:
 celé číslo: celočíselný konstantní výraz
 ukazatel: adresa globální nebo statické proměnné či funkce
kompatibilního typu
 libovolný typ – jméno typu či typová konstrukce (včetně jiné
instanciované šablony)
 šablona s odpovídajícími formálními parametry
 Užití
instanciované šablony:
 Instanciované šablony jsou stejného typu, pokud jsou stejného
jména a jejich skutečné parametry obsahují stejné hodnoty
konstantních výrazů, adresy stejných proměnných či funkcí a stejné
typy
Šablony tříd – závislé typy
Šablony
tříd (včetně těl metod) se při deklaraci kontrolují
pouze syntakticky
•Některé překladače nedělají ani to
Překladač potřebuje odlišit jména typů od ostatních jmen
•U jmen ve tvaru A::B to překladač někdy nedokáže
•Programátor musí pomoci klíčovým slovem typename
template< typename T> class X
{
typedef typename T::B U;
// T::B je typ
typename U::D p;
// T::B::D je typ
typename Y<T>::C q;
// Y<T>::C je typ
void f() { T::D(); }
// T::D není typ
}
je nutné uvést před jmény typu ve tvaru A::B, kde A
je závislé jméno
•Závislé jméno je jméno obsahující přímo či nepřímo parametr
šablony
•typename
Šablony tříd - this
 Pokud
je mezi předkem třídy závislé jméno
 překladač pak neví, které identifikátory jsou zděděny
 uživatel musí pomoci konstrukcí this->
template< typename T> class X
: public T
{
void f() { return this->a; }
}
Šablony funkcí
 Šablona
funkce je generická funkce (globální nebo metoda)
prefixovaná konstrukcí template
 se stejnými druhy formálních parametrů šablony jako u šablon tříd
template< typename T, int k>
int f( T * p, int q);
template< typename T, typename U>
int g( T * p, vector q);
 Šablony
//
//
//
//
parametry
parametry
parametry
parametry
šablony
funkce
šablony
funkce
funkcí lze volat dvěma způsoby
 Explicitně
f< int, 729>( a, b)
 Automaticky
g( a, b)
• Překladač dopočte parametry šablony z typů parametrů funkce
• Všechny formální argumenty šablony by měly být užity v typech
formálních parametrů funkce
Šablony funkcí
 Pod
stejným identifikátorem může být deklarováno několik
různých šablon funkce a navíc několik obyčejných funkcí.
 Obyčejné funkce mají přednost před generickými
template< class T> T max( T a, T b)
{ return a T max( Array< n, T> a)
{ /* ... */ }
 Příklad ze standardních knihoven:
template< class T> void swap( T & a, T & b)
{ T tmp(a); a = b; b = tmp; };
• K tomu řada chytřejších implementací swap pro některé třídy
Šablony – pokročilé konstrukce jazyka
Parciální specializace
 Deklarovanou šablonu lze pro určité kombinace parametrů
předefinovat jinak, než určuje její základní definice
template< int n> class Array< n, bool>
{ /* specializace pro pole typu bool */ };
 Krajním případem parciální specializace je explicitní specializace
Explicitní specializace
template<> class Array< 32, bool> { /* ... */ };

U šablon funkcí nahrazena obyčejnou funkcí
Explicitní instanciace
 Překladač je možné donutit ke kompletní instanciaci šablony
template class Array< 128, char>;
Explicitní specializace
Příklad
template< int N>
struct Fib {
enum { value = Fib< N-1>::value + Fib< N-2>::value };
};
template<> struct Fib< 0> {
enum { value = 1 };
};
template<> struct Fib< 1> {
enum { value = 1 };
};
Kontrolní otázka:
 Jak dlouho trvá výpočet (tj. kompilace) Fib< 1000>::value
Teoretický pohled na šablony
Jiný příklad
template< int N>
struct Fib {
enum { value = Fib< N-1>::value + Fib< N-2>::value };
};
template<> struct Fib< 0> {
enum { value = 1 };
};
template<> struct Fib< 1> {
enum { value = 1 };
};
Kontrolní otázka:
 Jak dlouho trvá výpočet (tj. kompilace) Fib< 1000>::value
 MS Visual C++ 7.1: Build Time 0:00
 Kompilátory ukládají již vytvořené instanciace a nepočítají je znovu
Parciální specializace
Parciální specializace
 Deklarovanou šablonu lze pro určité kombinace parametrů
předefinovat jinak, než určuje její základní definice
• Parciálně specializovat lze šablony funkcí, celé šablony tříd i jednotlivě
těla jejich metod
• Obsah specializace šablony třídy (teoreticky) nemusí nijak souviset se
základní definicí - může mít zcela jiné položky, předky apod.
• Základní definice dokonce nemusí vůbec existovat (ale musí být
deklarována)
template< class X, class Y> class C;
template< class P,
bool cmp( P *, Q
};
template< class Z>
bool set( Z &);
};
template< class X,
X add( Y);
};
// základní deklarace
class Q> class C { // specializace
*);
class C< Z, Z> : public Z { // jiná specializace
class Y> class C { // základní definice
Parciální specializace
Parciální specializace
 Deklarovanou šablonu lze pro určité kombinace parametrů
předefinovat jinak, než určuje její základní definice
• Parciální specializace může mít stejný, menší i větší počet formálních
parametrů než základní definice, jejich hodnoty se odvozují ze
skutečných parametrů šablony (kterých je vždy tolik, kolik určuje
základní definice)
template< class T, class U, int n> class C< T[n], U[n]>
{ /* specializace pro dvě pole stejné velikosti */ };
Parciální specializace
Parciální specializace
 Deklarovanou šablonu lze pro určité kombinace parametrů
předefinovat jinak, než určuje její základní definice
• Parciální specializace může mít stejný, menší i větší počet formálních
parametrů než základní definice, jejich hodnoty se odvozují ze
skutečných parametrů šablony (kterých je vždy tolik, kolik určuje
základní definice)
template< class T, class U, int n> class C< T[n], U[n]>
{ /* specializace pro dvě pole stejné velikosti */ };
 Krajním případem parciální specializace je explicitní specializace
Explicitní specializace
template<> class C< char, int[ 8]> { /* ... */ };
 Explicitní specializace šablony není šablona
 Podléhá trochu jiným (jednodušším) pravidlům
• Překlad se neodkládá
• Těla metod se nepíší do hlavičkových souborů
Parciální specializace
Typická použití parciální a explicitní specializace
 Výhodnější implementace ve speciálních případech
 Šablona je používána přímo z nešablonovaného kódu
 Programátor - uživatel šablony o specializaci nemusí vědět
 Příklad: Implementace vector<char> může být jednodušší
Parciální specializace
Typická použití parciální a explicitní specializace
 Výhodnější implementace ve speciálních případech
 Šablona je používána přímo z nešablonovaného kódu
 Programátor - uživatel šablony o specializaci nemusí vědět
 Příklad: Implementace vector<char> může být jednodušší
 Mírná
změna rozhraní ve speciálních případech
 Šablona je používána přímo z nešablonovaného kódu
 Uživatel by měl být o specializaci informován
 Příklad: vector< bool> nedovoluje vytvořit ukazatel na jeden prvek
Parciální specializace
Typická použití parciální a explicitní specializace
 Výhodnější implementace ve speciálních případech
 Šablona je používána přímo z nešablonovaného kódu
 Programátor - uživatel šablony o specializaci nemusí vědět
 Příklad: Implementace vector<char> může být jednodušší
 Mírná
změna rozhraní ve speciálních případech
 Šablona je používána přímo z nešablonovaného kódu
 Uživatel by měl být o specializaci informován
 Příklad: vector< bool> nedovoluje vytvořit ukazatel na jeden prvek
 Modifikace
chování jiné šablony
 Specializovaná šablona je volána z jiného šablonovaného kódu
 Autor volající šablony předpokládá, že ke specializaci dojde
• Někdy dokonce ani nedefinuje základní obsah volané šablony
 Autor specializace tak upravuje chování volající šablony
 Příklad: šablona basic_string<T> volá šablonu char_traits<T>, ve
které je např. definována porovnávací funkce
Parciální specializace
Modifikace chování jiné šablony
 Specializovaná šablona je volána z jiného šablonovaného kódu
 Autor volající šablony předpokládá, že ke specializaci dojde
• Někdy dokonce ani nedefinuje základní obsah volané šablony
 Autor specializace tak upravuje chování volající šablony
 Příklad: šablona basic_string<T> volá šablonu char_traits<T>, ve
které je např. definována porovnávací funkce
template< class T> struct char_traits;
template< class T> class basic_string { /* ... */
int compare( const basic_string & b) const
{ /*...*/ char_traits< T>::compare( /* ... */) /*...*/ }
};
template<> struct char_traits< char> { /* ... */
static int compare(const char* s1, const char* s2, size_t n)
{ return memcmp( s1, s2, n); }
};
Parciální specializace
Modifikace chování jiné šablony
 Specializovaná šablona je volána z jiného šablonovaného kódu
 Autor volající šablony předpokládá, že ke specializaci dojde
• Někdy dokonce ani nedefinuje základní obsah volané šablony
 Autor specializace tak upravuje chování volající šablony
Traits
 Šablony, ze kterých nejsou vytvářeny objekty
 Obsahují pouze:
 Definice typů
 Statické funkce
 Určeny
k doplnění informací o nějakém typu
 Příklad: char_traits<T> doplňuje informace o typu T, např.
porovnávací funkci
Traits & policies
Traits
 Šablony, ze kterých nejsou vytvářeny objekty
 Obsahují pouze:
 Definice typů
 Statické funkce
 Určeny
k doplnění informací o nějakém typu
 Příklad: char_traits<T> doplňuje informace o typu T, např.
porovnávací funkci
Policy classes
 Třídy, ze kterých obvykle nejsou vytvářeny objekty
 Předávány jako parametr šablonám
 Defaultní hodnotou parametru často bývá šablona traits
 Určeny
k definování určitého chování
 Příklad: Alokační strategie
Triky s šablonami
Porovnání typů s booleovským výstupem
template< class A, class B>
struct Equal {
enum { value = false };
};
template< class A>
struct Equal< A, A> {
enum { value = true };
};
 Equal< X, Y>::value je konstantní výraz
 Použití
template< class T1>
class Test {
enum { T1_is_int = Equal< int, T1>::value};
enum { T1_is_long = Equal< long, T1>::value};
/* ... */
};
Triky s šablonami
Porovnání typů s typovým výstupem
template< class A, class B, class C, class D>
struct IfEqual {
typedef D Result;
};
template< class A, class C, class D>
struct Equal< A, A, C, D> {
typedef C Result;
};
 IfEqual< X, Y, U, V>::Result je typ
• Význam: X == Y ? U : V
 Použití
template< class T1>
class Test {
typedef Equal< T1, unsigned, unsigned long, long>::Result longT1;
/* ... */
};
Triky s šablonami
Kompilační ověření invariantu
template< int x>
struct AssertNot;
template<>
struct AssertNot< 0> {
enum { value = true };
};
template< int x>
struct Assert {
enum { value = AssertNot< ! x>::value };
};
Triky s šablonami
Kompilační ověření invariantu
template< int x>
struct AssertNot;
template<>
struct AssertNot< 0> {
enum { value = true };
};
template< int x>
struct Assert {
enum { value = AssertNot< ! x>::value };
};
 Použití
template< int N> class Array {
enum { check = Assert< (N > 0)>::value };
/* ... */
};
Array< -3> x;
• error C2027: use of undefined type 'AssertNot<x>' with [x=1]
Teoretický pohled na šablony
 Příklad
template< int N>
struct Fact {
enum { value = Fact< N-1>::value * N };
};
template<>
struct Fact< 0> {
enum { value = 1 };
};
Teoretický pohled na šablony
 Příklad
template< int N>
struct Fact {
enum { value = Fact< N-1>::value * N };
};
template<>
struct Fact< 0> {
enum { value = 1 };
};
 Použití
enum { N = 10 };
int permutations[ Fact< N>::value];
Teoretický pohled na šablony
 Příklad
template< int N>
struct Fact {
enum { value = Fact< N-1>::value * N };
};
template<>
struct Fact< 0> {
enum { value = 1 };
};
Kontrolní otázka:
 Kolik je Fact< -1>::value
Teoretický pohled na šablony
 Příklad
template< int N>
struct Fact {
enum { value = Fact< N-1>::value * N };
};
template<>
struct Fact< 0> {
enum { value = 1 };
};
Kontrolní otázka:
 Kolik je Fact< -1>::value
 MS Visual C++ 7.1:
• fatal error C1202: recursive type or function dependency context too
complex
 Řetěz instanciací Fact< -1>, Fact< -2>, Fact< -3>, ... způsobí
přetečení tabulek kompilátoru
Šablony tříd – pravidla použití
 Uvnitř
těla šablony (nebo jako její předky) je možno užívat
libovolné typy včetně:
 Instancí jiných šablon
 Téže šablony s jinými argumenty
 Téže šablony se stejnými argumenty
• V tomto případě se argumenty mohou, ale nemusí opisovat
 Ekvivalentní varianty šablony s copy-constructorem:
template< typename T> class X {
X( const X< T> &);
};
template< typename T> class X {
X( const X &);
};
• Některé překladače připouštějí i tuto variantu
template< typename T> class X {
X< T>( const X< T> &);
};
Šablony tříd – pravidla použití
 Metody
šablon mohou mít těla uvnitř třídy nebo vně
 Vně uvedená těla metod musejí být připojena k šabloně takto:
template< typename T> void X< T>::f( int a, int b)
{ /* ... */ }
 V kvalifikovaném jméně metody je nutné uvést patřičný seznam
argumentů, tj. X< T>::f a nikoliv X::f
metod musejí být viditelná z každého místa, kde jsou
pro nějakou instanci šablony volána
 Těla
 Musejí tedy typicky být v témže hlavičkovém souboru jako sama
šablona.
 Uvedení těla metody vně třídy tedy u šablon typicky nic nepřináší,
může být však vynuceno rekurzivními odkazy mezi šablonami apod.
Šablony tříd – pravidla použití
 Šablona
třídy se překládá až v okamžiku instanciace, tj.
použití s konkrétními parametry
 Překladač instanciuje (tj. překládá) pouze ty metody, které
jsou zapotřebí (tj. jsou volány nebo jsou virtuální)
 Některá těla metod tedy nemusí být pro některé případy parametrů
přeložitelná
template< typename Container> class Proxy {
public:
void pop_front() { c->pop_front(); }
/* ... */
private:
Container * c;
};
// jen pro list/deque
Explicitní instanciace
 Překladač je možné donutit ke kompletní instanciaci šablony
template class Array< 128, char>;
Šablony tříd – triky
Dopředná deklarace šablony
template< typename T> class X;
/* ... zde může být použito X s jakýmikoliv argumenty U...
... pouze v kontextech,
kde kompilátor nepotřebuje znát tělo šablony ...
*/
template< typename T> class X
{ /* ... */
};
Cast
Různé druhy přetypování
Přetypování
Různé varianty syntaxe
 C-style cast
(T)e
 Převzato z C
Přetypování
Různé varianty syntaxe
 C-style cast
(T)e
 Převzato z C
 Function-style
T(e)
cast
 Ekvivalentní (T)e
• T musí být syntakticky identifikátor nebo klíčové slovo označující typ
Přetypování
Různé varianty syntaxe
 C-style cast
(T)e
 Převzato z C
 Function-style
T(e)
cast
 Ekvivalentní (T)e
• T musí být syntakticky identifikátor nebo klíčové slovo označující typ
 Type
conversion operators
 Pro odlišení účelu (síly a nebezpečnosti) přetypování:
const_cast<T>(e)
static_cast<T>(e)
reinterpret_cast<T>(e)
Přetypování
Různé varianty syntaxe
 C-style cast
(T)e
 Převzato z C
 Function-style
T(e)
cast
 Ekvivalentní (T)e
• T musí být syntakticky identifikátor nebo klíčové slovo označující typ
 Type
conversion operators
 Pro odlišení účelu (síly a nebezpečnosti) přetypování:
const_cast<T>(e)
static_cast<T>(e)
reinterpret_cast<T>(e)
 Novinka - přetypování s běhovou kontrolou:
dynamic_cast<T>(e)
Přetypování
const_cast<T>(e)
 Odstranění
konstantnosti
 const U & => U &
 const U * => U *
používáno pro měnění pomocných položek v
logicky konstantních objektech
 Obvykle
 Příklad: Čítač odkazů na logicky konstantní objekt
class Data {
public:
void register_pointer() const
{ const_cast< Data *>( this)->references++; }
private:
/* ... data ... */
int references;
};
 Jiný příklad: datové struktury s amortizovaným vyhledáváním
Přetypování
const_cast<T>(e)
 Odstranění
konstantnosti
 const U & => U &
 const U * => U *
moderních překladačů lze nahradit specifikátorem
mutable
U
 Příklad: Čítač odkazů na logicky konstantní objekt
class Data {
public:
void register_pointer() const
{ references++; }
private:
/* ... data ... */
mutable int references;
};
Přetypování
static_cast<T>(e)
Umožňuje
 Všechny implicitní konverze
 Bezztrátové i ztrátové aritmetické konverze (int <=> double apod.)
 Konverze přidávající modifikátory const a volatile
 Konverze ukazatele na void *
 Konverze odkazu na odvozenou třídu na odkaz na předka:
• Derived & => Base &
• Derived * => Base *
 Aplikace copy-constructoru; v kombinaci s implicitní konverzí též:
• Derived => Base (slicing: okopírování části objektu)
 Aplikace libovolného konstruktoru T::T s jedním parametrem
• Uživatelská konverze libovolného typu na třídu T
 Aplikace konverzního operátoru: operator T()
• Uživatelská konverze nějaké třídy na libovolný typ T
Přetypování
static_cast<T>(e)
Umožňuje
 Všechny implicitní konverze
 Ekvivalentní použití pomocné proměnné tmp deklarované takto:
T tmp(e);
 Používá se tehdy, pokud se vynucením jedné z možných
implicitních konverzí odstraní nejednoznačnost nebo vynutí volání
jiné varianty funkce
class A { /* ... */ }; class B { /* ... */ };
void f( A *); void f( B*);
class C : public A, public B { /* ... */
void g() { f( static_cast< A>( this)); }
};
Přetypování
static_cast<T>(e)
Umožňuje
 Všechny implicitní konverze
 Konverze na void - zahození hodnoty výrazu
 Používá se v makrech a podmíněných výrazech
 Konverze
odkazu na předka na odkaz na odvozenou třídu
• Base & => Derived &
• Base * => Derived *
 Pokud objekt, na nějž konvertovaný odkaz ukazuje, není typu
Derived či z něj odvozený, je výsledek nedefinovaný
• K chybě obvykle dojde později!
 Konverze
celého čísla na výčtový typ
 Pokud hodnota čísla neodpovídá žádné výčtové konstantě, výsledek
je nedefinovaný
 Konverze
void * na libovolný ukazatel
Přetypování
static_cast<T>(e)
Nejčastější použití
 Konverze odkazu na předka na odkaz na odvozenou třídu
class Base { public: enum Type { T_X, T_Y };
virtual Type get_type() const = 0;
};
class X : public Base { /* ... */
virtual Type get_type() const { return T_X; }
};
class Y : public Base { /* ... */
virtual Type get_type() const { return T_Y; }
};
Base *
switch
case
case
}
p = /* ... */;
( p->get_type() ) {
T_X: { X * xp = static_cast< X *>( p); /* ... */ } break;
T_Y: { Y * yp = static_cast< Y *>( p); /* ... */ } break;
Přetypování
reinterpret_cast<T>(e)
Umožňuje
 Konverze ukazatele na dostatečně velké celé číslo
 Konverze celého čísla na ukazatel
 Konverze mezi různými ukazateli na funkce
 Konverze odkazu na odkaz na libovolný jiný typ
• U * => V *
• U & => U &
 Neuvažuje příbuzenské vztahy tříd, neopravuje hodnoty ukazatelů
Většina použití je závislá na platformě
 Příklad: Přístup k reálné proměnné po bajtech
 Typické použití: Čtení a zápis binárních souborů
void put_double( std::ostream & o, const double & d)
{ o.write( reinterpret_cast< char *>( & d), sizeof( double)); }
• Obsah souboru je nepřenositelný
Přetypování
dynamic_cast<T>(e)
Umožňuje
 Konverze odkazu na odvozenou třídu na odkaz na předka:
• Derived & => Base &
• Derived * => Base *
 Implicitní konverze, chová se stejně jako static_cast
 Konverze
odkazu na předka na odkaz na odvozenou třídu
• Base & => Derived &
• Base * => Derived *
 Podmínka: Base musí obsahovat alespoň jednu virtuální funkci
 Pokud konvertovaný odkaz neodkazuje na objekt typu Derived nebo
z něj odvozený, je chování definováno takto:
• Konverze ukazatelů vrací nulový ukazatel
• Konverze referencí vyvolává výjimku std::bad_cast
 Umožňuje přetypování i v případě virtuální dědičnosti
Přetypování
dynamic_cast<T>(e)
Nejčastější použití
 Konverze odkazu na předka na odkaz na odvozenou třídu
class Base { public:
virtual ~Base(); /* alespoň jedna virtuální funkce */
};
class X : public Base { /* ... */
};
class Y : public Base { /* ... */
};
Base * p = /* ... */;
X * xp = dynamic_cast< X *>( p);
if ( xp ) { /* ... */ }
Y * yp = dynamic_cast< Y *>( p);
if ( yp ) { /* ... */ }
Exception handling
Mechanismus výjimek
Exception handling
Srovnání: goto
 Start: příkaz goto
 Cíl: návěští
 Určen při kompilaci
 Skok
může opustit blok
 Proměnné korektně zaniknou
voláním destruktorů
 Cíl
musí být v téže proceduře
int f()
{
if ( something == wrong )
{
goto label;
}
else
{
MyClass my_variable;
if ( anything != good )
{
goto label;
}
/* ... */
}
return 0;
label:
std::cerr
<< "Error"
<< std::endl;
return -1;
}
Exception handling
Srovnání: goto
 Start: příkaz goto
 Cíl: návěští
 Určen při kompilaci
 Skok
může opustit blok
 Proměnné korektně zaniknou
voláním destruktorů
 Cíl
musí být v téže proceduře
Srovnání 2: <csetjmp>
 Pro pokročilé
 Start: volání longjmp
 Cíl: volání setjmp
 Skok může opustit proceduru
 Neřeší lokální proměnné
 Nelze použít v C++
 Předává
hodnotu typu int
int f()
{
if ( something == wrong )
{
goto label;
}
else
{
MyClass my_variable;
if ( anything != good )
{
goto label;
}
/* ... */
}
return 0;
label:
std::cerr
<< "Error"
<< std::endl;
return -1;
}
Exception handling
Mechanismus výjimek
 Start: příkaz throw
 Cíl: try-catch blok
 Určen za běhu
 Skok
může opustit proceduru
 Proměnné korektně zaniknou
voláním destruktorů
 Předává
hodnotu libovolného
typu
 Typ hodnoty se podílí na určení
cíle skoku
void f()
{
if ( something == wrong )
throw 729;
else
{
MyClass my_variable;
if ( anything != good )
throw 123;
/* ... */
}
}
void g()
{
try {
f();
}
catch ( int e ) {
std::cerr
<< "Exception in f(): "
<< e
<< std::endl;
}
}
Exception handling
Mechanismus výjimek
 Start: příkaz throw
 Cíl: try-catch blok
 Určen za běhu
 Skok
může opustit proceduru
 Proměnné korektně zaniknou
voláním destruktorů
 Předává
hodnotu libovolného
typu
 Typ hodnoty se podílí na určení
cíle skoku
 Obvykle se používají pro tento
účel zhotovené třídy
class WrongException { /*...*/ };
class BadException { /*...*/ };
void f()
{
if ( something == wrong )
throw WrongException( something);
if ( anything != good )
throw BadException( anything);
}
void g()
{
try {
f();
}
catch ( const WrongException & e1 ) {
/*...*/
}
catch ( const BadException & e2 ) {
/*...*/
}
}
Exception handling
Mechanismus výjimek
 Start: příkaz throw
 Cíl: try-catch blok
 Určen za běhu
 Skok
může opustit proceduru
 Proměnné korektně zaniknou
voláním destruktorů
 Předává
hodnotu libovolného
typu
 Typ hodnoty se podílí na určení
cíle skoku
 Obvykle se používají pro tento
účel zhotovené třídy
 Mechanismus výjimek
respektuje hierarchii dědičnosti
class AnyException { /*...*/ };
class WrongException
: public AnyException { /*...*/ };
class BadException
: public AnyException { /*...*/ };
void f()
{
if ( something == wrong )
throw WrongException( something);
if ( anything != good )
throw BadException( anything);
}
void g()
{
try {
f();
}
catch ( const AnyException & e1 ) {
/*...*/
}
}
Exception handling
Mechanismus výjimek
 Start: příkaz throw
 Cíl: try-catch blok
 Určen za běhu
 Skok
může opustit proceduru
 Proměnné korektně zaniknou
voláním destruktorů
 Předává
hodnotu libovolného
typu
 Typ hodnoty se podílí na určení
cíle skoku
 Obvykle se používají pro tento
účel zhotovené třídy
 Mechanismus výjimek
respektuje hierarchii dědičnosti
 Hodnotu není třeba využívat
class AnyException { /*...*/ };
class WrongException
: public AnyException { /*...*/ };
class BadException
: public AnyException { /*...*/ };
void f()
{
if ( something == wrong )
throw WrongException();
if ( anything != good )
throw BadException();
}
void g()
{
try {
f();
}
catch ( const AnyException &) {
/*...*/
}
}
Exception handling
Mechanismus výjimek
 Start: příkaz throw
 Cíl: try-catch blok
 Určen za běhu
 Skok
může opustit proceduru
 Proměnné korektně zaniknou
voláním destruktorů
 Předává
hodnotu libovolného
typu
 Typ hodnoty se podílí na určení
cíle skoku
 Obvykle se používají pro tento
účel zhotovené třídy
 Mechanismus výjimek
respektuje hierarchii dědičnosti
 Hodnotu není třeba využívat
 Existuje univerzální catch blok
class AnyException { /*...*/ };
class WrongException
: public AnyException { /*...*/ };
class BadException
: public AnyException { /*...*/ };
void f()
{
if ( something == wrong )
throw WrongException();
if ( anything != good )
throw BadException();
}
void g()
{
try {
f();
}
catch (...) {
/*...*/
}
}
Exception handling
Fáze zpracování výjimky
 Vyhodnocení výrazu v příkaze throw
 Hodnota je uložena "stranou"
 Stack-unwinding
 Postupně se opouštějí bloky a funkce, ve kterých bylo provádění
vnořeno
 Na zanikající lokální a pomocné proměnné jsou volány destruktory
 Stack-unwinding končí dosažením try-bloku, za kterým je catch-blok
odpovídající typu výrazu v příkaze throw
 Provedení
kódu v catch-bloku
 Původní hodnota throw je stále uložena pro případné pokračování:
• Příkaz throw bez výrazu pokračuje ve zpracování téže výjimky počínaje
dalším catch-blokem - začíná znovu stack-unwinding
 Zpracování
definitivně končí opuštěním catch-bloku
 Běžným způsobem nebo příkazy return, break, continue, goto
• Nebo vyvoláním jiné výjimky
Exception handling
Použití mechanismu výjimek
 Vyvolání
a zpracování výjimky je relativně časově náročné
 Používat pouze pro chybové nebo řídké stavy
• Např. nedostatek paměti, ztráta spojení, chybný vstup, konec souboru
 Připravenost
na výjimky také něco (málo) stojí
 Za normálního běhu je třeba zařídit, aby výjimka dokázala najít cíl a
zrušit proměnné
• Výjimky se týkají i procedur, ve kterých není ani throw, ani try-blok
 Většina kompilátorů umí překládat ve dvou režimech "s" a "bez"
• Celý spojovaný program musí být přeložen stejně
Exception handling
Standardní výjimky
 <stdexcept>
 Všechny standardní výjimky jsou potomky třídy exception
 metoda what() vrací řetězec s chybovým hlášením
 bad_alloc:
vyvolává operátor new při nedostatku paměti
 V režimu "bez výjimek" new vrací nulový ukazatel
bad_typeid: Chybné použití RTTI
 Odvozené z třídy logic_error:
 bad_cast,
 domain_error, invalid_argument, length_error, out_of_range
 vyvolávány např. funkcí vector::operator[]
 Odvozené
z třídy runtime_error:
 range_error, overflow_error, underflow_error
Exception handling
Standardní výjimky
 <stdexcept>
 Všechny standardní výjimky jsou potomky třídy exception
 metoda what() vrací řetězec s chybovým hlášením
 bad_alloc:
vyvolává operátor new při nedostatku paměti
 V režimu "bez výjimek" new vrací nulový ukazatel
 bad_cast,
bad_typeid: Chybné použití RTTI
 Odvozené z třídy logic_error:
 domain_error, invalid_argument, length_error, out_of_range
 vyvolávány např. funkcí vector::operator[]
 Odvozené
z třídy runtime_error:
 range_error, overflow_error, underflow_error
 Aritmetické
ani ukazatelové operátory na vestavěných
typech NEHLÁSÍ běhové chyby prostřednictvím výjimek
 např. dělení nulou nebo dereference nulového ukazatele
Exception handling
Typické použití
 Deklarace výjimek
class AnyException { /*...*/ };
class WrongException
: public AnyException { /*...*/ };
class BadException
: public AnyException { /*...*/ };
 Vyvolání
výjimek
void f()
{
if ( something == wrong )
throw WrongException();
if ( anything != good )
throw BadException();
}
 Částečné
ošetření
void g()
{ try {
f();
}
catch (...) {
std::cout << "Exception in g()";
throw;
}
}
 Podrobné
ošetření
int main( /*...*/)
{ try {
g();
h();
}
catch ( WrongException ) {
std::cout << "WrongException";
}
catch ( BadException ) {
std::cout << "BadException";
}
}
Exception handling
Použití se std::exception
 Deklarace výjimek
class WrongException
: public std::exception {
virtual const char * what() const
{ return "WrongException"; }
};
class BadException
: public std::exception {
virtual const char * what() const
{ return "BadException"; }
};
 Vyvolání
výjimek
void f()
{
if ( something == wrong )
throw WrongException();
if ( anything != good )
throw BadException();
}
 Částečné
ošetření
void g()
{ try {
f();
}
catch (...) {
std::cout << "Exception in g()";
throw;
}
}
 Podrobné
ošetření
int main( /*...*/)
{ try {
g();
h();
}
catch ( const std::exception & e ) {
std::cout << e.what();
}
}
Exception-safe programming
 Používat
throw a catch je
jednoduché
 Těžší
je programovat běžný
kód tak, aby se choval korektně
i za přítomnosti výjimek
 Exception-safety
 Exception-safe programming
void f()
{
int * a = new int[ 100];
int * b = new int[ 200];
g( a, b);
delete[] b;
delete[] a;
}
 Pokud new int[ 200] způsobí
výjimku, procedura zanechá
naalokovaný nedostupný blok
 Pokud výjimku vyvolá
procedura g, zůstanou dva
nedostupné bloky
Exception-safe programming
 Používat
throw a catch je
jednoduché
 Těžší
je programovat běžný
kód tak, aby se choval korektně
i za přítomnosti výjimek
 Exception-safety
 Exception-safe programming
T & operator=( const T & b)
{
if ( this != & b )
{
delete body_;
body_ = new TBody( b.length());
copy( body_, b.body_);
}
return * this;
}
 Pokud new TBody způsobí
výjimku, operátor= zanechá v
položce body_ původní
ukazatel, který již míří na
dealokovaný blok
 Pokud výjimku vyvolá
procedura copy, operátor
zanechá třídu v neúplném
stavu
Exception-safe programming
Pravidla vynucená jazykem
 Destruktor
nesmí skončit vyvoláním výjimky
 Výjimka může být vyvolána uvnitř, ale musí být zachycena
nejpozději uvnitř destruktoru
 Zdůvodnění:
 V rámci ošetření výjimek (ve fázi stack-unwinding) se volají
destruktory lokálních proměnných
 Výjimku zde vyvolanou nelze z technických i logických důvodů
ošetřit (ztratila by se původní výjimka)
 Nastane-li taková výjimka, volá se funkce terminate() a program
končí
Exception-safe programming
Pravidla vynucená jazykem
 Destruktor
nesmí skončit vyvoláním výjimky
 Výjimka může být vyvolána uvnitř, ale musí být zachycena
nejpozději uvnitř destruktoru
 Toto
pravidlo jazyka sice platí pouze pro destruktory
lokálních proměnných
 A z jiných důvodů též pro globální proměnné
 Je
však vhodné je dodržovat vždy
 Bezpečnostní zdůvodnění: Destruktory lokálních proměnných často
volají jiné destruktory
 Logické zdůvodnění: Nesmrtelné objekty nechceme
Exception-safe programming
Pravidla vynucená jazykem
 Destruktor
nesmí skončit vyvoláním výjimky
 Konstruktor
globálního objektu nesmí skončit vyvoláním
výjimky
 Zdůvodnění: Není místo, kde ji zachytit
 Stane-li se to, volá se terminate() a program končí
 Jiné konstruktory ale výjimky volat mohou (a bývá to vhodné)
Exception-safe programming
Pravidla vynucená jazykem
 Destruktor
nesmí skončit vyvoláním výjimky
 Konstruktor
globálního objektu nesmí skončit vyvoláním
výjimky
typu v hlavičce catch-bloku nesmí skončit
vyvoláním výjimky
 Copy-constructor
 Zdůvodnění: Catch blok by nebylo možné vyvolat
 Stane-li se to, volá se terminate() a program končí
 Jiné copy-constructory ale výjimky volat mohou (a bývá to vhodné)
Exception-safe programming
Pravidla vynucená jazykem
 Destruktor
nesmí skončit vyvoláním výjimky
 Konstruktor
globálního objektu nesmí skončit vyvoláním
výjimky
typu v hlavičce catch-bloku nesmí skončit
vyvoláním výjimky
 Copy-constructor
Exception-safe programming
Poznámka: Výjimky při zpracování výjimky
 Výjimka
při výpočtu výrazu v throw příkaze
 Tento throw příkaz nebude vyvolán
 Výjimka
v destruktoru při stack-unwinding
 Povolena, pokud neopustí destruktor
 Po zachycení a normálním ukončení destruktoru se pokračuje v
původní výjimce
 Výjimka
uvnitř catch-bloku
 Pokud je zachycena uvnitř, ošetření původní výjimky může dále
pokračovat (přikazem throw bez výrazu)
 Pokud není zachycena, namísto původní výjimky se pokračuje
ošetřováním nové
Exception-safe programming
Kompilátory samy ošetřují některé výjimky
 Dynamická alokace polí
 Dojde-li k výjimce v konstruktoru některého prvku, úspěšně
zkonstruované prvky budou destruovány
• Ve zpracování výjimky se poté pokračuje
Exception-safe programming
Kompilátory samy ošetřují některé výjimky
 Dynamická alokace polí
 Dojde-li k výjimce v konstruktoru některého prvku, úspěšně
zkonstruované prvky budou destruovány
• Ve zpracování výjimky se poté pokračuje
 Výjimka
v konstruktoru součásti (prvku nebo předka) třídy
 Sousední, již zkonstruované součásti, budou destruovány
 Ve zpracování výjimky se poté pokračuje
• Uvnitř konstruktoru je možno výjimku zachytit speciálním try-blokem:
X::X( /* formální parametry */)
try : Y( /* parametry pro konstruktor součásti Y */)
{ /* vlastní tělo konstruktoru */
} catch ( /* parametr catch-bloku */ ) {
/* ošetření výjimky v konstruktoru Y i ve vlastním těle */
}
 Konstrukci objektu nelze dokončit
• Opuštění speciálního catch bloku znamená throw;
Exception-safe programming
Definice
 (Weak)
exception safety
 Funkce (operátor, konstruktor) je (slabě) bezpečná, pokud i v
případě výjimky zanechá veškerá data v konzistentním stavu
 Konzistentní stav znamená zejména:
• Nedostupná data byla korektně destruována a odalokována
• Ukazatele nemíří na odalokovaná data
• Platí další invarianty dané logikou aplikace
Exception-safe programming
Definice
 (Weak)
exception safety
 Funkce (operátor, konstruktor) je (slabě) bezpečná, pokud i v
případě výjimky zanechá veškerá data v konzistentním stavu
 Konzistentní stav znamená zejména:
• Nedostupná data byla korektně destruována a odalokována
• Ukazatele nemíří na odalokovaná data
• Platí další invarianty dané logikou aplikace
 Strong
exception safety
 Funkce je silně bezpečná, pokud v případě, že skončí vyvoláním
výjimky, zanechá data ve stejném stavu, ve kterém byla při jejím
vyvolání
 Nazýváno též "Commit-or-rollback semantics"
Exception-safe programming
Poznámky
 (Weak)
exception safety
 Tohoto stupně bezpečnosti lze většinou dosáhnout
 Stačí vhodně definovat nějaký konzistentní stav, kterého lze vždy
dosáhnout, a ošetřit pomocí něj všechny výjimky
• Konzistentním stavem může být třeba nulovost všech položek
• Je nutné upravit všechny funkce tak, aby je tento konzistentní stav
nepřekvapil (mohou na něj ale reagovat výjimkou)
 Strong
exception safety
 Silné bezpečnosti nemusí jít vůbec dosáhnout, pokud je rozhraní
funkce navrženo špatně
 Obvykle jsou problémy s funkcemi s dvojím efektem
• Příklad: funkce pop vracející odebranou hodnotu
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Nebezpečná implementace:
 Pokud new char způsobí
výjimku, operátor= zanechá v
položce str_ původní ukazatel,
který již míří na dealokovaný
blok
class String {
public:
// ...
private:
char * str_;
};
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Nebezpečná implementace:
 Pokud new char způsobí
výjimku, operátor= zanechá v
položce str_ původní ukazatel,
který již míří na dealokovaný
blok
 K jiné výjimce zde dojít
nemůže:
• std::operator delete výjimky
nikdy nevyvolává
• char je vestavěný typ a nemá
tedy konstruktory které by
mohly výjimku vyvolávat
• strlen a strcpy jsou C-funkce
• Parametry a návratová
hodnota se předávají odkazem
class String {
public:
// ...
private:
char * str_;
};
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Naivní
pokus o opravu:
 Pokud new char způsobí
výjimku, ošetří se
 Objekt se uvede do
konzistentního stavu
 Výjimka se propaguje dál - ven
z funkce
 Problém:
 V catch bloku teoreticky může
vzniknout nová výjimka
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
try {
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
catch ( ... )
{
str_ = new char[ 1];
* str_ = 0;
throw;
}
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Lepší pokus o opravu:
 Pokud new char způsobí
výjimku, ošetří se
 Je
nutné pozměnit invariant
třídy String:
 Položka str_ nyní smí
obsahovat nulový ukazatel
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
try {
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
catch ( ... )
{
str_ = 0;
throw;
}
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Lepší pokus o opravu:
 Pokud new char způsobí
výjimku, ošetří se
 Je
nutné pozměnit invariant
třídy String:
 Položka str_ nyní smí
obsahovat nulový ukazatel
 Takový exemplář String je
považován za konzistentní
 Konzistentnost nemusí
znamenat, že to je z
uživatelského pohledu platná
hodnota
 Může být považována i za
chybovou a každá operace s
takovou hodnotou může
vyvolávat výjimku
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
try {
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
catch ( ... )
{
str_ = 0;
throw;
}
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Ekvivalentní řešení:
 Nulovat str_ po delete
 Pokud new způsobí výjimku, v
str_ zůstane nulový ukazatel
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
str_ = 0;
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Chyba: změnili jsme invariant
 str_ nyní může být nulové
 delete _str je v pořádku
• operator delete je vždy proti
nulovému ukazateli ošetřen
(nedělá nic)
 strlen a strcpy ale fungovat
nebudou
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
str_ = 0;
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Opraveno
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
str_ = 0;
if ( b.str_ )
{
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Vylepšení:
 operator= může vyvolávat
výjimku, pokud se přiřazuje
neplatná hodnota
 Tato výjimka může být
definována např. takto:
#include <exception>
class InvalidString
: public std::exception
{
virtual const char * what() const
{ return "Invalid string";
}
}
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
str_ = 0;
if ( b.str_ )
{
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
else
{
throw InvalidString();
}
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Toto řešení je slabě bezpečné
 Silně bezpečné ale není:
 Pokud dojde k výjimce,
nezachovává se původní stav
dat
 To bude pro uživatele
nepříjemné:
String x, y;
/* ... */
try { x = y + x;
}
catch (...) { /* ... */
}
 Uživatel nedokáže rozlišit mezi
výjimkami v operátorech + a =
 Náš operator= ale v případě
výjimky ztratí hodnotu x
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
delete[] str_;
str_ = 0;
if ( b.str_ )
{
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
else
{
throw InvalidString();
}
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Silně bezpečné řešení
 Pokud dojde k výjimce v new,
nestane se nic
 Ani před throw nenastane
žádná změna
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
if ( b.str_ )
{
char * aux = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( aux, b.str_);
delete[] str_;
str_ = aux;
}
else
{
throw InvalidString();
}
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Silně bezpečné řešení
 Pozorování:
 Toto řešení je "shodou
okolností" imunní proti
this == & b
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( this != & b )
{
if ( b.str_ )
{
char * aux = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( aux, b.str_);
delete[] str_;
str_ = aux;
}
else
{
throw InvalidString();
}
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Silně bezpečné řešení
 Pozorování:
 Toto řešení je "shodou
okolností" imunní proti
this == & b
 Test je možno zrušit
String & String::operator=(
const String & b)
{
if ( b.str_ )
{
char * aux = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( aux, b.str_);
delete[] str_;
str_ = aux;
}
else
{
throw InvalidString();
}
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Silně bezpečné řešení
 Pokud je copy-constructor silně
bezpečný
 Standardní
řešení:
 Copy-constructor naplní lokální
proměnnou c kopií parametru b
• Zde může dojít k výjimce
 Metoda swap vyměňuje obsah
this a proměnné c
• Metoda swap je rychlá a
nevyvolává výjimky
 Před návratem z operatoru se
volá destruktor c
• Tím zaniká původní obsah this
void String::swap( String & x)
{
char * aux = str_;
str_ = x.str_;
x.str_ = aux;
}
String & String::operator=(
const String & b)
{
String c( b);
swap( c);
return * this;
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Silně bezpečné řešení
 Metodu
swap je vhodné
publikovat ve formě globální
funkce
 Některé algoritmy nad
kontejnery obsahujícími String
se tak zrychlí a stanou se
bezpečnými vůči výjimkám
void String::swap( String & x)
{
char * aux = str_;
str_ = x.str_;
x.str_ = aux;
}
String & String::operator=(
const String & b)
{
String c( b);
swap( c);
return * this;
}
void swap( String & x, String & y)
{
x.swap( y);
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 operator=
 Silně bezpečné řešení
swap je vhodné
publikovat ve formě globální
funkce
#include <algorithm>
void String::swap( String & x)
{
swap( str_, x.str_);
}
 Metodu
 Některé algoritmy nad
kontejnery obsahujícími String
se tak zrychlí a stanou se
bezpečnými vůči výjimkám
 Sama
metoda swap může
využívat šablonu swap pro typ
char *
String & String::operator=(
const String & b)
{
String c( b);
swap( c);
return * this;
}
void swap( String & x, String & y)
{
x.swap( y);
}
Exception-safe programming
Příklad: String č. 2
 copy-constructor
 Silně bezpečné řešení
 Pokud tělo dorazí na konec,
budou datové položky korektně
vyplněny
 Tělo může vyvolávat výjimky
• V takovém případě není třeba
datové položky vyplňovat
• Objekt nebude považován za
platný a nebude používán ani
destruován
 Obecně je však třeba ošetřit
try-blokem situace, kdy je v
objektu více dynamicky
alokovaných ukazatelů
String( const String & b)
{
if ( b.str_ )
{
str_ = new char[
strlen( b.str_) + 1];
strcpy( str_, b.str_);
}
else
{
throw InvalidString();
}
}
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
 Slabě
bezpečná implementace:
 Při výjimce v konstruktoru
proměnné s se nestane nic
 operator delete nezpůsobuje
výjimky
struct Box { String v; Box * next; };
class StringStack {
public:
// ...
private:
Box * top_;
};
String StringStack::pop()
{
if ( ! top_ )
throw StackEmpty();
Box * p = top_;
String s = p->v;
top_ = p->next;
delete p;
return s;
}
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
 Slabě
bezpečná implementace
 Není silně bezpečná:
 Funkce vrací hodnotou
 Pokud při vracení dojde k
výjimce v copy-constructoru,
zásobník již bude zkrácen
struct Box { String v; Box * next; };
class StringStack {
public:
// ...
private:
Box * top_;
};
String StringStack::pop()
{
if ( ! top_ )
throw StackEmpty();
Box * p = top_;
String s = p->v;
top_ = p->next;
delete p;
return s;
}
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
 Slabě
bezpečná implementace
 Není silně bezpečná:
 Funkce vrací hodnotou
 Pokud při vracení dojde k
výjimce v copy-constructoru,
zásobník již bude zkrácen
 Tuto výjimku lze ošetřit
try-blokem okolo příkazu return
• Uvést zásobník do původního
stavu
• Ale: co když se uvedení do
původního stavu nezdaří?
String StringStack::pop()
{
if ( ! top_ )
throw StackEmpty();
Box * p = top_;
String s = p->v;
top_ = p->next;
delete p;
try {
return s;
}
catch ( ...)
{
p = new Box;
p->v = s;
p->next = top_;
top_ = p;
throw;
}
}
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
 Nefunkční
implementace
 Není silně bezpečná:
 Funkce vrací hodnotou
 Pokud při vracení dojde k
výjimce v copy-constructoru,
zásobník již bude zkrácen
 Tuto výjimku lze ošetřit
try-blokem okolo příkazu return
 Dokážeme udělat obnovení
původního stavu bez
nebezpečí výjimky
• Ale: jak zrušíme proměnnou p,
když k výjimce nedojde?
String StringStack::pop()
{
if ( ! top_ )
throw StackEmpty();
Box * p = top_;
String s = p->v;
top_ = p->next;
// tady bylo delete p;
try {
return s;
// tady by delete p; nepomohlo
}
catch ( ...)
{
top_ = p;
throw;
}
}
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
 Silně
bezpečná implementace
 Jak zrušíme proměnnou p,
když k výjimce nedojde?
 std::auto_ptr<
T>
 "chytrý" ukazatel na T, který se
chová jako "jediný vlastník
objektu":
• po zkopírování se vynuluje
• při zániku volá delete
 Pozor: auto_ptr má
nestandardní copy-constructor
a operator=
• modifikují svůj parametr
• pro auto_ptr nefungují
kontejnery apod.
#include <memory>
String StringStack::pop()
{
if ( ! top_ )
throw StackEmpty();
std::auto_ptr< Box> p = top_;
top_ = p->next;
try {
return p->v;
}
catch ( ...)
{
top_ = p;
// toto přiřazení nuluje p
throw;
}
}
// při návratu se automaticky zruší * p
// pokud je p nenulové
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
bezpečná implementace
 Uživatel ji nedokáže použít tak,
aby to bylo silně bezpečné
 Silně
 Vracenou hodnotu je nutné
okopírovat
 Nedá se poznat, zda výjimku
vyvolala metoda pop nebo
operator=
• V prvním případě je zásobník
nedotčen, ale ve druhém je již
zkrácen
StringStack stk;
String a;
/* ... */
try {
a = stk.pop();
}
catch (...)
{
/* ??? */
}
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
Řešení A
 Jako v STL
 Rozdělit pop na dvě funkce
 top vrací vrchol zásobníku
• může jej vracet odkazem
• nemodifikuje data
 pop pouze zkracuje
• je silně bezpečná
StringStack stk;
String a;
/* ... */
try {
a = stk.top();
}
catch (...)
{
/* chyba kopírování
nebo prázdný zásobník,
proměnná a nezměněna,
zásobník nedotčen */
}
try {
stk.pop();
}
catch (...)
{
/* chyba zkracování,
proměnná a změněna,
zásobník nedotčen */
}
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
Řešení B
 Namísto vracení hodnoty
funkce pop vyplňuje parametr
předávaný odkazem
 tím se vyloučí nutnost
kombinovat volání pop s dalším
kopírováním
 Pro
uživatele jednodušší,
implementace pop je však těžší
StringStack stk;
String a;
/* ... */
try {
stk.pop( a);
}
catch (...)
{
/* chyba zkracování nebo kopírování,
proměnná a nezměněna,
zásobník nedotčen */
}
Exception-safe programming
Příklad: StringStack::pop
 Zásobník prvků typu String
 Implementován seznamem
Řešení B
 Lze implementovat nad
řešením A
#include <memory>
class StringStack {
public:
/* A */
String & top();
void pop();
/* B */
void pop( String & out)
{
String & t = top();
swap( out, t);
try {
pop();
}
catch (...) {
swap( out, t);
throw;
}
}
};
Exception specifications
Exception specifications
 U každé funkce (operátoru,
metody) je možno určit seznam
výjimek, kterými smí být
ukončena
 Na výjimky ošetřené uvnitř
funkce se specifikace
nevztahuje
 Pokud není specifikace
uvedena, povoleny jsou
všechny výjimky
 Specifikace respektuje
dědičnost, to jest automaticky
povoluje i všechny potomky
uvedené třídy
void a()
{
/* tahle smí všechno */
}
void b() throw ()
{
/* tahle nesmí nic */
}
void c() throw ( std::bad_alloc)
{
/* tahle smí std::bad_alloc */
}
void d() throw ( std::exception, MyExc)
{
/* tahle smí potomky
std::exception a MyExc */
}
Exception specifications
Exception specifications
 Kompilátor zajistí, že nepovolená výjimka neopustí funkci:
 Pokud by se tak mělo stát, volá se unexpected()
• unexpected() smí vyvolat "náhradní" výjimku
 Pokud ani náhradní výjimka není povolena, zkusí se vyvolat
std::bad_exception
 Pokud ani std::bad_exception není povoleno, volá se terminate() a
program končí
Exception specifications
Exception specifications
 Kompilátor zajistí, že
nepovolená výjimka neopustí
funkci
 Toto je běhová kontrola
 Kompilátor smí vydávat
nejvýše varování
 Funkce smí volat jinou, která
by mohla vyvolat nepovolenou
výjimku (ale nemusí)
void f() throw ( std::exception)
{
}
void g() throw ()
{
f(); /* tohle se smí */
}
Exception specifications
Exception specifications
 Kompilátor (a runtime) zajistí, že nepovolená výjimka
neopustí funkci
 Microsoft Visual C++ 7.0 to ovšem neimplementuje
 Kompilátor
to může využít
 Speciálně při volání funkce s prázdným throw () se nemusí
generovat ošetřující kód
 Program se zmenší a možná i zrychlí
 Užitek
pro programátory:
 Komentář
 Ladicí prostředek
Přetěžování funkcí
Implicitní hodnoty parametrů funkcí
C++ dovoluje definování implicitní hodnoty parametrů
 Definovány musí být pro několik posledních parametrů
 Definují se u hlavičky funkce
 U těla funkce se neopakují
 Implicitní
hodnoty řeší kompilátor pouze na straně volání
 Volaná funkce nezjistí, zda jsou hodnoty parametrů určeny
explicitně nebo implicitně
 Implicitní
hodnoty se vyhodnocují jakoby v místě definice
 Nemohou se odvolávat na lokální proměnné ani předchozí
argumenty

void f( int a, int b, int c = 7, int d = 26);

f( 1, 2, 3, 4);
f( 1, 2, 3);
f( 1, 2);


// f( 1, 2, 3, 26);
// f( 1, 2, 7, 26);
Přetěžování funkcí
C++ dovoluje existenci více funkcí téhož jména
ve stejné oblasti platnosti
 Podmínkou je odlišnost v počtu a/nebo typech parametrů
 Odlišnost typu návratové hodnoty nestačí
 Při
volání funkce se konkrétní varianta určuje takto:
 Vyberou se aplikovatelné varianty funkce podle počtu a typu
skutečných parametrů
• Přitom hrají roli implicitní hodnoty parametrů
 Určí se ceny typových konverzí parametrů, zjednodušeně:
• Uživatelská konverze / ztrátová aritmetická konverze jsou
nejdražší
• Konverze potomek -> předek / aritmetická konverze na větší typ
• Konverze non-const -> const / typ <-> reference jsou nejlevnější
 Vybere se nejlacinější aplikovatelná varianta
• Pokud je jich více, kompilátor ohlásí chybu
Přetěžování funkcí












int min( int a, int b)
{ return a < b ? a : b; }
double min( double a, double b)
{ return a < b ? a : b; }
min(
min(
min(
min(
1, 2); // min( int, int) - přesná shoda
1, 2.0); // min( double, double) - levnější varianta
1.0, 2); // min( double, double) - levnější varianta
1.0, 2.0); // min( double, double) - přesná shoda
void f( int, double);
void f( double, int);
f( 1, 2); // chyba: obě varianty jsou stejně drahé
f( 1.0, 2.0); // chyba: obě varianty jsou stejně drahé
Koenig lookup
iostream
Problém: namespace
namespace prostor {
class Souradnice { public: int x, y; };
std::ostream & operator<<(
std::ostream & s, const Souradnice & a)
{
return s << '[' << a.x << ',' << a.y << ']';
}
};
prostor::Souradnice p;
std::cout << p;
// správný operator<< je v namespace prostor,
// který není přímo vidět
iostream
Problém: namespace
namespace prostor {
class Souradnice { public: int x, y; };
std::ostream & operator<<(
std::ostream & s, const Souradnice & a)
{
return s << '[' << a.x << ',' << a.y << ']';
}
};
prostor::Souradnice p;
std::cout << p;
// správný operator<< je v namespace prostor,
// který není přímo vidět
std::cout << std::endl;
// tentýž problém je ale už tady:
// tento operator<< je v namespace std
Koenig lookup
prostor::Souradnice p;
std::cout << p;
// správný operator<< je v namespace prostor,
// který není přímo vidět
std::cout << std::endl;
// tentýž problém je ale už tady:
// tento operator<< je v namespace std
případy jsou překládány správně
 Je k tomu nutná složitá definice vyhledávání identifikátoru
 Oba
 tzv. Koenigovo vyhledávání
 používá se, je-li význam identifikátoru závislý na parametrech
• volání funkce
• použití operátoru
Koenig lookup
Koenigovo vyhledávání (zjednodušeno)
 Argument-dependent name lookup (ISO C++)
 Pro
každý skutečný parametr se z jeho typu T určí množina
asociovaných namespace
 Je-li T číselný, tyto množiny jsou prázdné
 Je-li T union nebo enum, jeho asociovaným namespace je ten, ve
kterém je definován
 Je-li T ukazatel na U nebo pole U, přejímá asociované namespace
od typu U
 Je-li T funkce nebo ukazatel na funkci, přejímá (sjednocením)
asociované namespace všech parametrů a návratového typu
 Je-li T třída, asociovanými namespace jsou ty, v nichž jsou
definovány tato třída a všichni její přímí i nepřímí předkové
 Je-li T instancí šablony, přejímá kromě asociovaných tříd a
namespace definovaných pro třídu také asociované třídy a
namespace všech typových argumentů šablony
Koenig lookup
Koenigovo vyhledávání (zjednodušeno)
 Argument-dependent name lookup (ISO C++)
 Pro
každý skutečný parametr se z jeho typu T určí množina
asociovaných namespace
 Identifikátor funkce se pak vyhledává v těchto prostorech
 Globální prostor a aktuální namespace
 Všechny namespace přidané direktivami using
 Sjednocení asociovaných namespace všech parametrů funkce
 Všechny
varianty funkce nalezené v těchto namespace
jsou rovnocenné
 Mezi nimi se vybírá podle počtu a typu parametrů
• Pokud není jednoznačně určena nejlepší varianta, je to chyba
 Volání
v kontextu třídy: Je-li identifikátor nalezen uvnitř této
třídy nebo některého předka (jako metoda), má přednost
před výše uvedenými variantami (globálními funkcemi)
Přetěžování operátorů
Operator overloading
Přetěžování operátorů
 Většinu
operátorů jazyka C++ lze definovat pro uživatelské
datové typy.
 Nelze předefinovat tyto operátory:
. .* ::
? : sizeof
jeden z operandů musí být třída nebo výčtový typ
nebo reference na ně
 Alespoň
 Nelze tudíž předefinovat operace na číselných typech a ukazatelích
 Předefinováním
nelze měnit prioritu a asociativitu operátorů
 Pro předefinované operátory nemusí platit identity
definované pro základní typy, např.:
 ++a nemusí být ekvivalentní a=a+1
 a[b] nemusí být ekvivalentní *(a+b) ani b[a]
 Pro
předefinované operátory && a || neplatí pravidla o
zkráceném vyhodnocování
Přetěžování operátorů
 Typy
skutečných operandů předefinovaného operátoru
nemusejí přesně odpovídat typům formálních parametrů
operátoru.
 Pro výběr správné varianty mezi předefinovanými operátory platí
stejná pravidla, jako pro přetížené funkce.
 Předefinování
operátorů se provádí definováním metody se
speciálním jménem operatorxxx ve třídě (prvního
operandu), pro kterou má být operátor definován.
 Některé operátory je možno definovat i jako globální funkce
s týmž speciálním jménem.
 Speciální jméno je možno používat i pro explicitní vyvolání
této metody či funkce.
 Operátory, které jsou metodami, jsou s výjimkou operátoru
přiřazení dědičné a smějí být virtuální.
Přetěžování operátorů - Binární operátory
Binární operátor xxx z množiny
+ - * / % << >> < > <= >= <<= >>= ^ & | && || == !=
+= -= *= /= %= ^= &= |= ->*
 lze
pro operandy typu B a C předefinovat dvěma způsoby:
 Globální funkcí
A operator xxx( B, C)
A operator xxx( B &, C &)
A operator xxx( const B &, const C &)
 Metodou
A B::operator xxx( C)
A B::operator xxx( const C &)
A B::operator xxx( const C &) const
Binární operátor [ ]
 lze předefinovat pouze metodou
A B::operator []( C)
A B::operator []( C &)
A B::operator []( const C &) const
Přetěžování operátorů - Unární operátory
Unární operátor xxx z množiny
+ - * & ~ !
a
prefixové operátory
++ - lze
pro operand typu B předefinovat dvěma způsoby:
 Globální funkcí
A operator xxx( B)
A operator xxx( B &)
A operator xxx( const B &)
 Metodou
A B::operator xxx()
A B::operator xxx() const
Přetěžování operátorů - Unární operátory
Postfixové operátory ++ a - lze pro operand typu B předefinovat dvěma způsoby:
 Globální funkcí
A operator xxx( B, int)
A operator xxx( B &, int)
A operator xxx( const B &, int)
 Metodou
A B::operator xxx( int)
A B::operator xxx( int) const
Přetěžování operátorů - Unární operátory
Operátor ->
 je považován za unární operátor a jeho návratovou
hodnotou musí být buďto ukazatel na třídu s uvedenou
položkou, nebo objekt či referenci na objekt, pro který je
znovu definován operátor ->
Přetěžování operátorů - Unární operátory
Operátor volání funkce ()
 smí být definován pouze jako metoda třídy a umožňuje
používat objekty této třídy jako funkce.
 Smí mít libovolný počet parametrů a pro výběr konkrétní
varianty operátoru se použije podobný mechanismus, jako
pro přetížené funkce.
Complex
Komplexní číslo
Complex
class Complex {
public:
Complex() : re_( 0.0), im_( 0.0) {}
Complex( double re, double im = 0.0) : re_( re), im_( im) {}
double Re() const { return re_; }
double Im() const { return im_; }
Complex & operator+=( const Complex & b);
Complex operator-() const; // unární Complex & operator++();
// prefixové ++
Complex operator++( int);
// postfixové ++
// a mnoho dalších...
private:
double re_, im_;
};
Complex operator+( const Complex & a, const Complex & b);
Poučení - konstruktory
 Ve
třídě Complex nejsou odkazy na data uložená jinde
 Vyhovuje chování těchto kompilátorem vytvořených metod:
Complex( const Complex &);
 Kopíruje datové položky
Complex & operator=( const Complex &);
 Kopíruje datové položky
~Complex();
 Nedělá nic
 Tyto
metody není třeba psát vlastní
Poučení - konstruktory
 Ve
třídě Complex jsou datové položky atomických typů
 Ty nemají konstruktory a zůstávají neinicializované
 Nevyhovalo
by tedy chování kompilátorem vytvořeného
konstruktoru bez parametrů:
Complex();
 Nedělá nic
 Navíc
je zde jiný konstruktor, takže kompilátor má
zakázáno konstruktor bez parametrů vytvořit
 Nebylo by tedy možné deklarovat proměnnou typu Complex bez
explicitní inicializace
 Konstruktor
bez parametrů musí být napsán ručně
 Měl by nastavit datové položky na vhodnou hodnotu
Poučení - konstruktory
 Speciální konstruktor
Complex( double re, double im = 0.0);
 Lze zavolat s jedním parametrem
 Slouží
jako konverzní konstruktor
 Implementuje konverzi double => Complex
 Důsledky:
 Bude fungovat přiřazení Complex=double
 Není nutné psát sčítání pro Complex+double:
Complex operator+( const Complex & a, double b) const;
• Dělává se to kvůli rychlosti
 Kompilátor umí použít konverzi (jednu) a najít náhradní metodu:
Complex operator+(const Complex & a, const Complex & b) const;
 Totéž funguje pro sčítání double+Complex
• Pouze pokud je sčítání Complex+Complex globální funkce
• U metod se levý operand nekonvertuje
Poučení - vracení hodnotou
Poučení: operator+ vždy vrací hodnotou
 Vrací novou hodnotu, která jinde neexistuje
return Complex( ...);
Ale: operator+= může vracet odkazem
 Vrací hodnotu levého operandu
return * this;
Poučení – binární operátory +, +=
 Kanonické řešení
class Complex {
public:
Complex( double re, double im = 0.0); // konverzní konstruktor
// ...
Complex & operator+=( const Complex & b)
{
re_ += b.re_;
im_ += b.im_;
return * this;
}
// ...
};
Complex operator+( const Complex & a, const Complex & b)
{
Complex tmp( a);
tmp += b;
return tmp;
}
Poučení – unární operátory -, ++
 Kanonické
řešení
 Unární operátory jsou vždy metodami
• Není zapotřebí schopnost konverze operandů
class Complex {
public:
// ...
Complex operator-() const { return Complex( -re_, -im_); }
Complex & operator++() { _re += 1.0; return * this; }
Complex operator++( int)
{ Complex tmp( * this);
operator++();
return tmp;
}
};
 Prefixové ++, -- vrací odkazem
• Může a nemusí být const
 Postfixové ++, -- vrací hodnotou
Nepoužité slajdy
Globální proměnná
/* abc.hpp */
/* abc.cpp */
extern int x;
int x = 729;
extern const double a[ N];
const double a[ N] = { 1.2, 3.4 };
extern my_class y, z;
my_class y;
my_class z( 10, 20);
Statická položka třídy
/* abc.hpp */
/* abc.cpp */
class a_class
{
private:
static int x;
int a_class::x = 729;
static my_class y;
};
my_class a_class::y;
Statická lokální proměnná
 Typické
použití: Singleton
 Třída, vyskytující se v jediné
instanci
 Zpřístupněna voláním f()
 První volání inicializuje objekt
/* abc.cpp */
my_class & f()
{
static my_class z( 10, 20);
return z;
}
Lokální proměnná
void f()
{
int x = 729;
double u;
for ( int i = 0; i < x; ++i )
{
my_class y( i, 30);
y.f();
}
my_class z;
}
Pomocná proměnná
/* abc.cpp */
void f()
{
my_class x;
x = my_class( 20, 30);
typedef std::complex< double> my_complex;
my_complex p( 1.0, 0.0);
my_complex q = 2.0 * (p + 1.0);
}
Ideální užití dědičnosti a virtuálních funkcí
Abstraktní třída
 Definuje rozhraní objektu jako množinu předepsaných
virtuálních funkcí
class GraphicObject {
public:
virtual ~GraphicObject(); // každá abstraktní třída má mít v.d.
virtual void paint() = 0; // čistě virtuální funkce
virtual void move( int dx, int dy) = 0; // čistě virtuální funkce
};
Příklad: dědičnost a virtuální funkce
ISA hierarchie
Osoba
 Student
 Zaměstnanec
 Učitel
• Matikář
• Fyzikář
• Chemikář
 Ředitel
 Ostatní
• Školník
• Kuchař
 Které
abstraktní třídy potřebujeme?
 Ty, jejichž specifické rozhraní někdo potřebuje
• Třída „Ostatní“ není potřeba
Příklad: dědičnost a virtuální funkce
Virtuální funkce a schopnosti tříd
Osoba (dá se evakuovat)
 Student (platí školné)
 Zaměstnanec (přijímá výplatu)
 Učitel (umí uspořádat třídní schůzku)
• Matikář (umí učit Pythagorovu větu)
• Fyzikář (umí učit Archimedův zákon)
• Chemikář (umí předvést výbuch)
 Ředitel (umí se podepsat)
 Školník (umí odemykat)
 Kuchař (umí počítat knedlíky)
Příklad: dědičnost a virtuální funkce
Násobná dědičnost
Absolvent učitelství na MFF umí
• uspořádat třídní schůzku
• učit Pythagorovu větu
• učit Archimedův zákon
 Implementuje rozhraní Učitel, Matikář, Fyzikář
• Má být potomkem všech těchto tříd
class Matfyzak : virtual public Ucitel,
virtual public Matikar, virtual public Fyzikar
{
virtual void tridni_schuzka() { ... }
virtual void pythagorova_veta() { ... }
virtual void archimeduv_zakon() { ... }
...
}
Příklad: dědičnost a virtuální funkce
Násobná dědičnost
class Matfyzak : virtual public Ucitel,
virtual public Matikar, virtual public Fyzikar
{
virtual void tridni_schuzka() { ... }
virtual void pythagorova_veta() { ... }
virtual void archimeduv_zakon() { ... }
...
}
•
na třídu vedou odkazy z různých míst:
class Trida { ... Ucitel * tridni; ... }
class III : public Trida { ... Matikar * matikar; ... }
class IV : public Trida { ... Fyzikar * fyzikar; ... }
 kdo z nich je vlastník ?
• Nikdo.
 Jednoznačným vlastníkem je seznam zaměstnanců.
Příklad: dědičnost a virtuální funkce
class Matfyzak :
public Zamestnanec,
virtual public Ucitel,
virtual public Matikar,
virtual public Fyzikar
{
virtual void evakuace() { ... }
virtual void vyplata() { ... }
virtual void tridni_schuzka() { ... }
virtual void pythagorova_veta() { ... }
virtual void archimeduv_zakon() { ... }
}
class Trida { ... Ucitel * tridni; ... }
class III : public Trida { ... Matikar * matikar; ... }
class IV : public Trida { ... Fyzikar * fyzikar; ... }
class Skola {
vector< Zamestnanec *> zamestnanci;
vector< Trida *> tridy;
};
Příklad: dědičnost a virtuální funkce
ISA hierarchie
Osoba
 Student
 Zaměstnanec
 Ředitel
 Školník
 Kuchař
 Potřebujeme
třídu Osoba?
 Máme nějaký seznam osob?
Další rozhraní
 Učitel
 Matikář
 Fyzikář
 Chemikář
 Má
být Matikář odvozen z Učitele?
 Mají Matikář a Fyzikář něco společného?
Příklad přesněji: Abstraktní třídy v ISA hierarchii
class Osoba {
public:
virtual ~Osoba() {}
virtual void evakuace() = 0;
protected:
Osoba() {}
private:
Osoba( const Osoba &);
Osoba & operator=( const Osoba &);
};
class Zamestnanec : public Osoba {
public:
virtual void vyplata() = 0;
};
Příklad přesněji: Abstraktní třídy pro rozhraní
class Ucitel {
public:
virtual void tridni_schuzka() = 0;
protected:
virtual ~Osoba() {}
Ucitel() {}
private:
Ucitel( const Ucitel &);
Ucitel & operator=( const Ucitel &);
};
class Matikar : public Ucitel {
public:
virtual void pythagorova_veta() = 0;
};
Příklad přesněji: Konkrétní třída
class Matfyzak :
public Zamestnanec,
virtual public Ucitel,
virtual public Matikar,
virtual public Fyzikar
{
public:
Matfyzak( const string & j ) : jmeno_( j) {}
private:
virtual void evakuace();
virtual void vyplata();
virtual void tridni_schuzka();
virtual void pythagorova_veta();
virtual void archimeduv_zakon();
string jmeno_;
};
void Matfyzak::evakuace() { ... }
...
Příklad přesněji: Kontejner odkazů
class Zamestnanci
{
public:
~Zamestnanci();
private:
typedef vector< Zamestnanec *> my_vector;
my_vector v;
};
Zamestnanci::~Zamestnanci()
{
for ( my_vector::iterator it = v.begin(); it != v.end(); ++it)
delete * it;
}
class Skola {
...
private:
Zamestnanci zamestnanci;
};
Příklad přesněji: Kontejner odkazů na rozhraní
class Ucitele
{
public:
Matikar * najdi_matikare() const;
private:
typedef vector< Ucitel *> my_vector;
my_vector v;
};
Matikar * Ucitele::najdi_matikare() const
{
for ( my_vector::iterator it = v.begin(); it != v.end(); ++it)
{
Matikar * p = dynamic_cast< Matikar *>( * it);
if ( p )
return p;
}
return 0;
}
Základní datové typy
Co umí hardware
Datové typy podporované procesorem
 Celá čísla o 8/16/32/64 bitech
 Několik formátů čísel s pohyblivou čárkou
Co umí hardware
Operace podporované procesorem
 Celočíselná aritmetika a bitové operace
 Operace určuje význam bitů
• Bez znaménka = mod 2N
• Se znaménkem = dvojkový doplněk
 Aritmetika
s pohyblivou čárkou (vč. konverzí)
 Čtení z paměti, zápis do paměti
 Přesouvá pouze podporované datové typy
 Adresou je celé číslo o 32 resp. 64 bitech
• Konstanta (součástí instrukce)
• Registr + konstanta
• Registr
 Zarovnání: Adresa dělitelná velikostí přesouvaných dat (v bajtech)
• Vždy výhodné, někdy nutné
 Překlad adres: Zadaná adresa je virtuální
Elementární typy v C++
Datové typy podporované procesorem
 Celá čísla o 8/16/32/64 bitech
 8: bool, char, signed char, unsigned char
 16: short, unsigned short
 16 nebo 32: wchar_t
 32: int, unsigned int, long, unsigned long, výčtové typy
 64: [C++11] long long, unsigned long long
 32 nebo 64: ukazatel (T *), reference (T &), std::size_t, std::ptrdiff_t
 Počty bitů nejsou stanoveny normou
 Několik
formátů čísel s pohyblivou čárkou
 float, double, long double
Elementární operace v C++
Celočíselná aritmetika a bitové operace
Ukazatelová aritmetika
Aritmetika v pohyblivé čárce
Booleovská algebra a podmíněné výrazy
Přístup do paměti
Formální operace
Elementární operace v C++
Celočíselná aritmetika a bitové operace
• + - * / % ~ << >> & ^ | < > <= >= == !=
• Konverze int na long long apod.
 Typy argumentů určují počet bitů a přítomnost znaménka
 Typy argumentů určují typ výsledku (delší vyhrává, nejméně int)
Ukazatelová aritmetika
Aritmetika v pohyblivé čárce
Booleovská algebra a podmíněné výrazy
Přístup do paměti
Formální operace
Elementární operace v C++
Celočíselná aritmetika a bitové operace
Ukazatelová aritmetika
 Realizováno celočíselnou aritmetikou procesoru
 + - < > <= >= == !=
 Ukazatel +/- číslo
• Posun ukazatele mezi prvky pole
• Překladač doplní vynásobení čísla velikostí typu
 Ukazatel – ukazatel
• Vzdálenost mezi prvky pole
• Překladač doplní vydělení výsledku velikostí typu
Aritmetika v pohyblivé čárce
Booleovská algebra a podmíněné výrazy
Přístup do paměti
Formální operace
Elementární operace v C++
Celočíselná aritmetika a bitové operace
Ukazatelová aritmetika
Aritmetika v pohyblivé čárce
• + - * / < > <= >= == !=
• Konverze int na double apod.
 Typy argumentů určují typ výsledku (delší vyhrává, nejméně double)
Booleovská algebra a podmíněné výrazy
Přístup do paměti
Formální operace
Elementární operace v C++
Celočíselná aritmetika a bitové operace
Ukazatelová aritmetika
Aritmetika v pohyblivé čárce
Booleovská algebra a podmíněné výrazy
 Realizováno podmíněnými skoky nebo bitovými operacemi
 ! && || ? :
 Zaručeno zkrácené vyhodnocování
Přístup do paměti
Formální operace
Elementární operace v C++
Celočíselná aritmetika a bitové operace
Ukazatelová aritmetika
Aritmetika v pohyblivé čárce
Booleovská algebra a podmíněné výrazy
Přístup do paměti
 Ke globálním proměnným (konstantní adresa)
 K lokálním proměnným (vrchol zásobníku + konstanta)
 Dereference ukazatele (*)
• Odpovídá operaci čtení nebo zápisu (podle kontextu)
• V některých kontextech pouze formální operace
 K prvkům třídy (konstantní posunutí)
 K prvkům pole (viz ukazatelová aritmetika)
Formální operace
Elementární operace v C++
Celočíselná aritmetika a bitové operace
Ukazatelová aritmetika
Aritmetika v pohyblivé čárce
Booleovská algebra a podmíněné výrazy
Přístup do paměti
Formální operace
• Reference tj. získání adresy (&)
• Dereference (*) v kontextu předání odkazem
• Konverze T * na U *
• Konverze signed na unsigned apod
 Většinou pouze změna v záznamech překladače
• Některé konverze T * na U * mohou vyžadovat operaci
přičtení/odečtení konstanty
main
Start programu
Start programu z pohledu OS
 „Někdo“ (shell,...) požádá OS o spuštění programu
• Jméno spustitelného souboru
• Parametry (MS: vcelku, unix: po částech)
 OS (loader)
• vytvoří proces, vyhradí základní kvantum paměti
• načte instrukce (a inicializační data) ze souboru do paměti
• doplní referencované DLL, pospojuje odkazy a relokuje
• oživí proces na definovaném místě
 Proces běží a prostřednictvím systémových volání žádá o
• interakci s okolím (soubory, uživatelská rozhraní, komunikace,...)
• přidělení další paměti, vytvoření dalších vláken, ...
• ukončení (s návratovým kódem)
 Proces je zlikvidován (na vlastní žádost nebo po pádu), zabit, ...
• nadřazenému procesu je předán návratový kód
• význam návratového kódu je závislý na konvencích
Start programu
Start programu z pohledu C++ knihoven
 OS (loader)
• oživí proces na definovaném místě v kódu standardní knihovny
 Knihovní kód
• požádá OS o první kvantum paměti pro dynamickou alokaci
• inicializuje struktury dynamické alokace
• naváže standardní vstupy a výstupy na OS
• inicializuje všechny globální proměnné
• zkonvertuje parametry programu
• zavolá main
• uklidí globální proměnné
• zavře všechny otevřené soubory
• požádá o ukončení s návratovým kódem vráceným z main
 Proces je zlikvidován
Funkce main
#include <vector>
#include <string>
#include <iostream>
int main( int argc, char * * argv)
{
std::vector<std::string> arg( argv, argv + argc);
if ( arg.size() > 1 && arg[1] == "--help" )
{
std::cout << "Usage: myprog [OPTION]... [FILE]..." << std::endl;
return -1;
}
// ...
return 0;
}
 Kontejnery počítají pozice od 0 do size()-1
 arg[0] je jméno souboru spouštěného programu
 arg[1] je první parametr
Podmíněný překlad
 V C++ lze programovat tak, aby se program choval stejně na všech
platformách (hardware, překladačích, operačních systémech)
 Pokud se má program chovat jinak, lze použít direktivy #if...
int main( int argv, char * * argc)
{
std::vector<std::string> arg( argv, argv + argc);
#ifdef unix
if ( arg.size() > 1 && arg[1] == "--help" )
#else
if ( arg.size() > 1 && arg[1] == "/HELP" )
#endif
{
std::cout << "Usage: myprog [OPTION]... [FILE]..." << std::endl;
return -1;
}
// ...
return 0;
}
Ladění
 Makro
assert
 Pokud podmínka neplatí,
vypíše pozici ve zdrojovém textu a ukončí program
 Některé překladače (MSVC) v některých režimech (Release) mají
makro assert prázdné
• Nepoužívat assert jako if
#include <cassert>
int main( int argv, char * * argc)
{
std::vector<std::string> arg( argv, argv + argc);
assert( arg.size() > 0 );
// ...
return 0;
}
Preprocesor
 Preprocesor
je dědictví jazyka C z roku 1970
• #include
• #define/#ifndef
• #if...
• assert
 Umí ještě řadu dalších věcí – ty se ale dají v C++ udělat lépe
Paměť procesu
Organizace paměti procesu
IP
R0
R1
...
 Kódový
segment
 Datový segment
 Heap
 Zásobník (stack segment)
SP
 Segmenty (vyjma zásobníku)
nemusejí být souvislé
• Dynamicky-linkované
knihovny sdílené mezi
procesy
• Postupná alokace heapu
Organizace paměti procesu
IP
R0
R1
...
SP
 Kódový
segment
 Připraven kompilátorem –
součást spustitelného souboru
• Kód uživatelských i knihovních
funkcí
• Obvykle chráněn proti zápisu
 Datový
segment
 Heap
 Zásobník
(stack segment)
Organizace paměti procesu
IP
R0
R1
...
SP
 Kódový
segment
 Datový segment
 Připraven kompilátorem –
součást spustitelného souboru
• Explicitně nebo implicitně
(nulami) inicializované globální
proměnné
• Řetězcové konstanty
• Data knihoven
• Pomocná data generovaná
kompilátorem
 Heap
 Zásobník
(stack segment)
Organizace paměti procesu
IP
R0
R1
...
SP
 Kódový
segment
 Datový segment
 Heap
 Vytvářen startovacím modulem
knihoven
• Neinicializovaná dynamicky
alokovaná data
• malloc/free
• C++: new/delete
• Obsazené bloky různé velikosti
+ seznam volných bloků
• Knihovny mohou též požádat
OS o zvětšení segmentu
 Zásobník
(stack segment)
Organizace paměti procesu
IP
R0
R1
...
SP
 Kódový
segment
 Datový segment
 Heap
 Zásobník (stack segment)
 Připraven op. systémem,
knihovny mohou požádat OS o
zvětšení
• Explicitně inicializované nebo
neinicializované lokální
proměnné
• Pomocné proměnné
generované kompilátorem
• Návratové adresy
• Další pomocná data
 Vícevláknové aplikace mají více
zásobníků
Organizace paměti vícevláknového procesu
thread 1
IP
R0
R1
...
 Vlákno




z pohledu OS
IP – Ukazatel instrukcí
SP – Ukazatel zásobníku
Další registry procesoru
(Identifikátor vlákna)
SP
thread 2
 Paměťový
prostor je společný
IP
 Vlákno
R0
R1
...
SP
v paměťovém prostoru
 Zásobník
 Thread-local storage
• Na dně zásobníku, nebo
• lokalizováno dle id vlákna

www.ksi.mff.cuni.cz

Transcript www.ksi.mff.cuni.cz

Directory