В любой программе требуется производить вычисления. Для вычисления значений используются выражения, которые состоят из операндов, знаков операций и скобок. Операнды задают данные для вычислений. Операции задают действия, которые необходимо выполнить. Каждый операнд является, в свою очередь, выражением или одним из его частных случаев, например, константой или переменной. Операции выполняются в соответствии с приоритетами. Для изменения порядка выполнения операций используются круглые скобки.
Рассмотрим составные части выражений и правила их вычисления.
4.5.1.Переменные.Переменная — это именованная область памяти, в которой хранятся данные определенного типа. У переменной есть имя и значение. Имя служит для обращения к области памяти, в которой хранится значение. Во время выполнения программы значение переменной можно изменять. Перед использованием любая переменная должна быть описана.
Пример описания целой переменной с именем а и вещественной переменной х:
int a;
float x;
Общий вид оператора описания переменных:
[класс памяти] [const] тип имя [инициализатор];
Рассмотрим правила задания составных частей этого оператора.
· Необязательный класс памяти может принимать одно из значений auto, extern, static и register. О них рассказывается чуть ниже.
· Модификатор const показывает, что значение переменной изменять нельзя. Такую переменную называют именованной константой, или просто константой.
· При описании можно присвоить переменной начальное значение, это называется инициализацией. Инициализатор можно записывать в двух формах со знаком равенства:
= значение
или в круглых скобках:
( значение ).
Константа должна быть инициализирована при объявлении. В одном операторе можно описать несколько переменных одного типа, разделяя их запятыми.
Примеры:
short int а = 1; // целая переменная а
const char С = 'С'; // символьная константа С
char s. sf = 'f ; // инициализация относится только к sf
char t (54);
float с = 0.22, x(3), sum;
Если тип инициализирующего значения не совпадает с типом переменной, выполняются преобразования типа по определенным правилам.
Описание переменной, кроме типа и класса памяти, явно или по умолчанию задает ее область действия. Класс памяти и область действия зависят не только от собственно описания, но и от места его размещения в тексте программы.
Область действия идентификатора - это часть программы, в которой его можно использовать для доступа к связанной с ним области памяти. В зависимости от области действия переменная может быть локальной или глобальной.
Если переменная определена внутри блока (напомним, что блок ограничен фигурными скобками), она называется локальной, область ее действия - от точки описания до конца блока, включая все вложенные блоки. Если переменная определена вне любого блока, она называется глобальной и областью ее действия считается файл, в котором она определена, от точки описания до его конца.
Класс памяти определяет время жизни и область видимости программного объекта (в частности, переменной). Если класс памяти не указан явным образом, он определяется компилятором исходя из контекста объявления.
Время жизни может быть постоянным (в течение выполнения программы) и временным (в течение выполнения блока).
ПРИМЕРМОЖНО ВСТАВИТЬ про видимость
Областью видимости идентификатора называется часть текста программы, из которой допустим обычный доступ к связанной с идентификатором областью памяти. Чаще всего область видимости совпадает с областью действия. Исключением является ситуация, когда во вложенном блоке описана переменная с таким же именем. В этом случае внешняя переменная во вложенном блоке невидима хотя он и входит в ее область действия. Тем не менее к этой переменной, а глобальная, можно обратиться, используя операцию доступа к области видимости «::».
Для задания класса памяти используются следующие спецификаторы:
auto - автоматическая переменная. Память под нее выделяется в стеке и при необходимости инициализируется каждый раз при выполнении оператора, содержащего ее определение. Освобождение памяти происходит при выходе в котором описана переменная. Время ее жизни - с момента описания до конца блока. Для глобальных переменных этот спецификатор не использует локальных он принимается по умолчанию, поэтому задавать его явным образом большого смысла не имеет.
extern - означает, что переменная определяется в другом месте программы (в другом файле или дальше по тексту). Используется для создания переменных доступных во всех модулях программы, в которых они объявлены (Если переменная в том же операторе инициализируется, спецификатор extern).
static - статическая переменная. Время жизни — постоянное. Инициализируется один раз при первом выполнении оператора, содержащего определение переменной. В зависимости от расположения оператора описания статические переменные могут быть глобальными и локальными. Глобальные статические переменные видны только в том модуле, в котором они описаны.
register - аналогично auto, но память выделяется по возможности в регистре процессора. Если такой возможности у компилятора нет, переменные обрабатываются как auto.
int a; // 1 глобальная переменная а
int main(){
int b; // 2 локальная переменная b
extern int x; // 3 переменная х определена в другом месте
static int c; // 4 локальная статическая переменная с
a = 1; // 5 присваивание глобальной переменной"
int a; // 6 локальная переменная а
a = 2; // 7 присваивание локальной переменной
::a = 3; // 8 присваивание глобальной переменной
return 0;
}
int x = 4; // 9 определение и инициализация х
В этом примере глобальная переменная а определена вне всех блоков. Память под нее выделяется в сегменте данных в начале работы программы, областью действия является вся программа. Область видимости - вся программа, кроме строк 6-8, так как в первой из них определяется локальная переменная с тем же именем, область действия которой начинается с точки ее описания и заканчивается при выходе из блока. Переменные b и с — локальные, область их видимости — блок, но время жизни различно: память под b выделяется в стеке при входе в блок и освобождается при выходе из него, а переменная с располагается в сегменте данных и существует все время, пока работает программа.
Если при определении начальное значение переменных явным образом не задается, компилятор присваивает глобальным и статическим переменным нулевое значение соответствующего типа. Автоматические переменные не инициализируются.
Имя переменной должно быть уникальным в своей области действия (например, в одном блоке не может быть двух переменных с одинаковыми именами).
Описание переменной может выполняться в форме объявления или определения. Объявление информирует компилятор о типе переменной и классе памяти, а определение содержит, кроме этого, указание компилятору выделить память в соответствии с типом переменной. В C++ большинство объявлений являются одновременно и определениями. В приведенном выше примере только описание 3 является объявлением, но не определением.
Переменная может быть объявлена многократно, но определена только в одном месте программы, поскольку объявление просто описывает свойства переменной, а определение связывает ее с конкретной областью памяти.
4.5.2.Операции. В таблице 5.2 приведен список основных операций, определенных в языке C++, в соответствии с их приоритетами (по убыванию приоритетов, операции с разными приоритетами разделены чертой). Остальные операции будут вводиться по мере изложения
В соответствии с количеством операндов, которые используются в операциях, они делятся на унарные (один операнд), бинарные (два операнда) и тернарную (три операнда).
Все приведенные в таблице операции, кроме условной и sizeof, могут быть перегружены.
Таблица 5.2. Основные операции языка C++
Операция
Краткое описание
Унарные операции
++
увеличение на 1
--
уменьшение на I1
sizeof
размер
-
поразрядное отрицание
|
логическое отрицание
-
арифметическое отрицание (унарный минус)
+
унарный плюс
&
взятие адреса
*
разадресания
new
выделение памяти
delete
освобождение памяти
(type)
преобразование типа
Бинарные и тернарная операции
*
умножение
/
деление
%
остаток от деления
+
сложение
-
вычитание
<<
сдвиг влево
>>
сдвиг вправо
<
меньше
<=
меньше или равно
>
Больше
>=
больше или равно
=
Равно
!=_
не равно
&
поразрядная конъюнкция (И)
-
поразрядное исключающее ИЛИ
|
поразрядная дизъюнкция (ИЛИ)
&&
£&
логическое И
||
логическое ИЛИ
?:
условная операция (тернарная)
=
присваивание
*=
умножение с присваиванием
/=
деление с присваиванием
%=
остаток отделения с присваиванием
+=
сложение с присваиванием
-=
вычитание с присваиванием
<<<<=
сдвиг влево с присваиванием
>>=
сдвиг вправо с присваиванием
&=
поразрядное И с присваиванием
|=
поразрядное ИЛИ с присваиванием
^=
поразрядное исключающее ИЛИ с присваиванием
Пробелы между символами внутри операции не допускаются.
Рассмотрим основные операции подробнее.
Операции увеличения и уменьшения на 1 (++ и --). Эти операции, называемые также инкрементом и декрементом, имеют две формы записи - префиксную, когда операция записывается перед операндом, и постфиксную. В префиксной форме сначала изменяется операнд, а затем его значение становится результирующим значением выражения, а в постфиксной форме значением выражения является исходное значение операнда, после чего он изменяется.
Операндом операции инкремента в общем случае является так называемое L-значение (L-value). Так обозначается любое выражение, адресующее некоторый участок памяти, в который можно занести значение. Название произошло от операции присваивания, поскольку именно ее левая (Left) часть определяет, в какую область памяти будет занесен результат операции. Переменная является частным случаем L-значения.
Операция определения размера sizeof предназначена для вычисления размера объекта или типа в байтах, и имеет две формы:
sizeof выражение
sizeof ( тип )
Пример:
#include <iostream.h>
int main(){
float x = 1;
cout «"sizeof (float):"«sizeof (float);
cout<<"\nsizeof x :" « sizeof x;
cout<<"\nsizeof (x + 1.0) :" « sizeof (x + 1.0);
return 0;
}
Результат работы программы:
sizeof (float) : 4
sizeof x : 4
sizeof (x + 1.0) : 8
Последний результат связан с тем, что вещественные константы по умолчанию имеют тип double, к которому, как к более длинному, приводится тип переменной х и всего выражения. Скобки необходимы для того чтобы выражение, стоящее в них, вычислялось раньше операции приведения тина, имеющей больший приоритет, чем сложение.
Операции отрицания (-, ! и ~). Арифметическое отрицание (унарный минус -) изменяет знак операнда целого или вещественного типа на противоположный. Логическое отрицание (!) дает в результате значение 0, если операнд есть истина (не нуль), и значение 1, если операнд равен нулю. Операнд должен быть целого или вещественного типа, а может иметь также тип указатель. Поразрядное отрицание (~), часто называемое побитовым, инвертирует каждый разряд в двоичном представлении целочисленного операнда.
Деление (/) и остаток от деления (%). Операция деления применима к операндам арифметического типа. Если оба операнда целочисленные, результат операции округляется до целого числа, в противном случае тип результата определяется правилами преобразования. Операция остатка от деления применяется только к целочисленным операндам. Знак результата зависит от реализации.
Пример
#include <stdio.h>
int main(){
int x = 11, у = 4;
float z = 4;
printf("Результаты деления: %d %f\n", x/y, x/z);
printf("Остаток: %d\n", x%y);
return 0;
}
Результат работы программы:
Результаты деления: 2 2.750000
Остаток: 3
Операции сдвига (<<и >>)применяются к целочисленным операндам. Они сдвигают двоичное представление первого операнда влево или вправо на количество двоичных разрядов, заданное вторым операндом. При сдвиге влево (<<) освободившиеся разряды обнуляются. При сдвиге вправо (>>) освободившиеся биты заполняются нулями, если первый операнд беззнакового типа, и знаковым разрядом в противном случае. Операции сдвига не учитывают переполнение и потерю значимости.
Операции отношения (<, <=, >, >=, = =, !=) сравнивают первый операнд со вторым. Операнды могут быть арифметического типа или указателями. Результатом операции является значение true или false (любое значение, не равное нулю, интерпретируется как true). Операции сравнения на равенство и неравенство имеют меньший приоритет, чем остальные операции сравнения.
Обратите внимание на разницу между операцией проверки на равенство (==) и операцией присваивания (=), результатом которой является значение, присвоенное левому операнду.
Поразрядные операции (&, |, ^)применяются только к целочисленным операндам и работают с их двоичными представлениями. При выполнении операций операнды сопоставляются побитово (первый бит первого операнда с первым битом второго, второй бит первого операнда со вторым битом второго, и т д.).
При поразрядной конъюнкции, или поразрядном И (операция обозначается &) бит результата равен 1 только тогда, когда соответствующие биты обоих операндов равны 1.
При поразрядной дизъюнкции, или поразрядном ИЛИ (операция обозначается |) бит результата равен 1 тогда, когда соответствующий бит хотя бы одного из операндов равен 1.
При поразрядном исключающем ИЛИ (операция обозначается ^) бит результата равен 1 только тогда, когда соответствующий бит только одного из операндов равен 1.
Логические операции (&& и ||). Операнды логических операций И (&&) и ИЛИ (||) могут иметь арифметический тип или быть указателями, при этом операнды в каждой операции могут быть различных типов. Преобразования типов не производятся, каждый операнд оценивается с точки зрения его эквивалентности нулю (операнд, равный нулю, рассматривается как false, не равный нулю - как true).
Результатом логической операции является true или false. Результат операции логическое И имеет значение true только если оба операнда имеют значение true. Результат операции логическое ИЛИ имеет значение true, если хотя бы один из операндов имеет значение true. Логические операции выполняются слева направо. Если значения первого операнда достаточно, чтобы определить результат операции, второй операнд не вычисляется.
Операции присваивания (=, +=, -=, *= и т. д.). Операции присваивания могут использоваться в программе как законченные операторы.
Формат операции простого присваивания (=):
операнд_1 = операнд_2
Первый операнд должен быть L-значением, второй - выражением. Сначала вычисляется выражение, стоящее в правой части операции, а потом его результат записывается в область памяти, указанную в левой части (мнемоническое правило: «присваивание — это передача данных "налево"»). То, что ранее хранилось в этой области памяти, естественно, теряется.
#include <iostream.h>
int main()
{
int a = 3, b=5, c=7;
а = b; b = а; c=c+1;
cout<< “a =”<< a;
cout << “\t b =”<<b;
cout << "\t с =”<<c;
return 0;
Результат работы программы:
a=5
b=5
c=8
Следует заметить, что при присваивании производится преобразование типа выражения к типу L-значения, что может привести к потере информации.
В сложных операциях присваивания ( +=, *=, /= и т п.) при вычислении выражения, стоящего в правой части, используется и L-значение из левой части. Например, при сложении с присваиванием ко второму операнду прибавляется первый и результат записывается в первый операнд, то есть выражение а += b является более компактной записью выражения а = а + b.
Условная операция (?:). Эта операция тернарная, то есть имеет три операнда. Ее формат:
операнд_1 ? операнд_2 : операнд_3
Первый операнд может иметь арифметический тип или быть указателем. Он оценивается с точки зрения его эквивалентности нулю (операнд, равный нулю, рассматривается как false, не равный нулю - как true). Если результат вычисления операнда 1 равен true, то результатом условной операции будет значение второго операнда, иначе - третьего операнда. Вычисляется всегда либо второй операнд, либо третий. Их тип может различаться. Условная операция является сокращенной формой условного оператора if.
#include <stdio.h>
int main(){
int a = 11, b = 4, max;
max = (b > a)? b : a;
printf("Наибольшее число: %d", max);
return 0;
}
Результат работы программы:
Наибольшее число: 11
Другой пример применения условной операции. Требуется, чтобы некоторая целая величина увеличивалась на 1, если ее значение не превышает n, а иначе принимала значение 1:
i=(i < n) ? i+1: 1;
4.5.3.Выражения.Выражение задает порядок выполнения действий над элементами данных и состоит из операндов (константы, переменные, обращения к функциям), знаков операций и круглых скобок. Операции определяют действия, которые надо выполнить над операндами. Операция - атрибут типа.Каждый операнд является, в свою очередь, выражением или одним из его частных случаев - константой или переменной.
Примеры выражений:
(а + 0.12)/6
х && у || !z
(t * sin(x)-1.05e4)/((2 * k + 2) * (2 * k + 3))
Операции выполняются в соответствии с приоритетами. Для изменения порядка выполнения операций используются круглые скобки. Если в одном выражении записано несколько операций одинакового приоритета, унарные операции, условная операция и операции присваивания выполняются справа налево, остальные - слева направо. Например, а = b = с означает а = (b = с), а а+b+с означает (а+b)+с. Порядок вычисления подвыражений внутри выражений не определен: например, нельзя считать, что в выражении (sin(x+2)+cos(y+1)) обращение к синусу будет выполнено раньше, чем к косинусу, и что х+2 будет вычислено раньше, чем y+1.
Результат вычисления выражения характеризуется значением и типом. Например, если а и b - переменные целого типа и описаны так:
int а = 2, b = 5;
то выражение а + b имеет значение 7 и тип int, а выражение а = b имеет значение, равное помещенному в переменную а (и данному случае 5) и тип, совпадающий с типом этой переменной. Таким образом, в C++ допустимы выражения вида а = b = с: сначала вычисляется выражение b = с, а затем его результат становится правым операндом для операции присваивания переменной а.
В выражение могут входить операнды различных типов. Если операнды имеют одинаковый тип, то результат операции будет иметь тот же тип. Если операнды разного типа, перед вычислениями выполняются преобразования типов по определенным правилам, обеспечивающим преобразование более коротких типов в более длинные для сохранения значимости и точности.
Преобразования бывают двух типов:
§ изменяющие внутреннее представление ветчин (с потерей точности или без потери точности);
§ изменяющие только интерпретацию внутреннего представления.
К первому типу относится, например, преобразование целого числа в вещественное (без потери точности) и наоборот (возможно, с потерей точности), ко второму - преобразование знакового целого в беззнаковое.
В любом случае величины типов char, signed char, unsigned char, short int и unsigned short int преобразуются в тип int, если он может представить все значения, или в unsigned int в противном случае.
После этого операнды преобразуются к типу наиболее длинного из них, и он используется как тип результата.
5. Базовые конструкции языка С/С++
Как мы уже говорили, в теории программирования доказано, что программу для решения задачи любой сложности можно составить только из трех структур, называемых следованием, ветвлением и циклом. Этот результат установлен Боймом и Якопини еще в 1966 году путем доказательства того, что любую программу можно преобразовать в эквивалентную, состоящую только из этих структур и их комбинаций.
Следование, ветвление и цикл называют валовыми конструкциями структурного программирования. Следованием называется конструкция, представляющая собой последовательное выполнение двух или более операторов (простых или составных). Ветвление задает выполнение либо одного, либо другого оператора в зависимости от выполнения какого-либо условия. Цикл задает многократно выполнение оператора. Особенностью базовых конструкций является то, что любая из них имеет только один вход и один выход, поэтому конструкции могут вкладываться друг в друга произвольным образом, например, цикл может содержать следование из двух ветвлений, каждое из которых включает вложенные циклы.
Целью использования базовых конструкций является получение программы простой структуры. Такую программу легко читать (а программы чаще приходится читать, чем писать), отлаживать и при необходимости вносить в нее изменения. Структурное программирование часто называли «программированном без goto», и в этом есть большая доля правды: частое использование операторов передачи управления в произвольные точки программы затрудняет прослеживание логики ее работы. С другой стороны, никакие принципы нельзя возводить в абсолют, и есть ситуации, в которых использование goto оправдано и приводит, напротив, к упрощению структуры программы
В большинстве языков высокого уровня существует несколько реализаций базовых конструкций; в C++ есть три вида циклов и два вида ветвлений (на два и на произвольное количество направлений). Они введены для удобства программирования, и в каждом случае надо выбирать наиболее подходящие средства. Главное, о чем нужно помнить даже при написании самых простых программ, - что они должны состоять из четкой последовательности блоков строго определенной конфигурации. «Кто ясно мыслит, тот ясно излагает» - практика давно показала, что программы в стиле «поток сознания» нежизнеспособны, не говоря о том, что они просто некрасивы.
Рассмотрим операторы языка, реализующие базовые конструкции структурного программирования.
5.1.Оператор «выражение»
Любое выражение, завершающееся точкой с запятой, рассматривается как оператор, выполнение которого заключается в вычислении выражения. Частным случаем выражения является пустой оператор ; (он используется, когда по синтаксису оператор требуется, а по смыслу — нет). Примеры:
