IL LINGUAGGIO C++ Michele Marchesi. Appunti per un corso. Libri consigliati, da cui sono stati prese idee ed esempi:

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1 IL LINGUAGGIO C++ Michele Marchesi Appunti per un corso Libri consigliati, da cui sono stati prese idee ed esempi: R. Winder, Guida al C++ Corso completo di programmazione, Jackson Libri, 1993 B. Flamig, Turbo C++, a self-teching guide, Wiley, 1991 B. Stroustrup, Il linguaggio C edizione, Addison-Wesley, 1992 M.A. Ellis, B. Stroustrup, The annotated C++ reference manual, Addison- Wesley, 1990 K. Gorlen, S. Orlow, P. Plexico, Data abstraction and OO programming in C++, Wiley, R.B. Murray, C++ Strategies and Tactics, Addison-Wesley, 1993.

2 1. Fondamenti La programmazione Lo sviluppo di un qualsiasi nuovo sistema software è un'attività di risoluzione di problemi che richiede allo sviluppatore di: Analizzare il problema in oggetto. Progettare una soluzione al problema. Realizzare la soluzione. Collaudare la realizzazione. Un programma è un sistema che trasforma i dati inclusi nel programma stesso, o introdotti dall'utente quando il programma è eseguito. Il C++ è un linguaggio imperativo: le istruzioni del linguaggio controllano direttamente l'elaborazione. Vi sono due vedute principali moderne della programmazione imperativa: 1. Le istruzioni eseguono e cambiano i valori dei dati: Tipi di Dati Astratti (ADT). 2. I valori dei dati si passano messaggi l'un l'altro per richiedere trasformazioni di valore: programmazione orientata agli oggetti. I programmi C++ si possono scrivere in entrambi gli stili. Un semplice programma C++ Un programma che stampa Ciao sul terminale. File di intestazione per operazioni di ingresso-uscita #include <iostream.h> La funzione principale. void main() { cout << "Ciao.\n" ; } C++ 1.1

3 Le caratteristiche degne di nota: La maggior parte del codice sorgente è un commento La riga # include <iostream.h> fa sì che sia inclusa un'informazione essenziale per poter eseguire input/output, e cioé la libreria IOSTREAM. Il programma Ciao utilizza la libreria IOSTREAM per far uscire qualcosa con l'istruzione: cout << "Ciao.\n"; dove cout rappresenta il terminale video, << rappresenta l'operazione di uscita e la stringa "Ciao.\n" è ciò che effettivamente viene stampato. Il \n nella stringa rappresenta "ritorno carrello, a capo". Ciò serve a rendere leggibile l'uscita. Il costrutto che comprende l'istruzione di uscita: void main() { cout << "Ciao.\n" ; } è una funzione, quella particolare funzione chiamata main. Tutti i programmi C++ debbono avere una ed una sola funzione chiamata main, che inizia l'esecuzione del programma quando questo gira sul calcolatore. Il void associato alla funzione è il tipo della funzione. Il tipo void ci dice che questa funzione farà soltanto delle azioni ma non restituirà un valore. Le parentesi tonde ( ) dopo il nome della funzione mostrano che è effettivamente una funzione e le parentesi graffe { } delimitano il codice sorgente che costituisce la funzione, cioé in questo caso la singola funzione di uscita. C++ 1.2

4 Aspetto esterno del codice e commenti Il C++, è un linguaggio con formato libero. Al compilatore non importa quanto il codice sorgente sia formattato purché sia sintatticamente corretto. I caratteri di a capo, spazio e tabulazione sono esempi di spazio bianco, e il compilatore tratta tutti gli spazi bianchi contigui come un singolo carattere di spazio bianco. Per gli esseri umani, il codice sorgente deve essere formattato in modo strutturato. Vi sono vari metodi di formattazione "standard" che sono stati proposti per la programmazione in C++. Il criterio principale è quello per cui tutti i frammenti di software vanno scritti nello stesso stile. Il codice sorgente ben formattato, oltre ad aiutare la comprensibilità e la ricerca degli errori, è di solito più corretto e perciò richiede meno correzioni. Le caratteristiche critiche della formattazione sono l'indentazione, le spaziature e il posizionamento delle istruzioni, l'uso di lettere maiuscole e minuscole e l'uso dei commenti. In C++, tutto quello che segue il fino alla fine della riga corrente è un commento. Vi è un'altra forma: il tipo /*...*/, come in C. Tutto ciò che si trova tra questi due simboli, non importa su quante righe di codice, è un commento. Questa forma di commento non è annidabile. Alcuni dei possibili stili di commento: Lo stile di commento "standard" usato negli esercizi per gruppi di commenti. / Una variante molto appariscente. Usata per lo piu' per commenti all'inizio di file o di funzioni. / /* * Uno stile alternativo per blocchi di commenti * usato da molti. Questo stile e' comune * nella programmazione in C. */... C++ 1.3

5 Commento interno come usato negli esercizi cout << "Un uscita.\n" ; Un commento su una riga. /* * Commento interno con asterischi! */ cout << "Altra uscita.\n"; /* Altro commento su una riga */ Astrazione e programmazione Uno dei problemi principali nella scrittura di grandi programmi, è che il programmatore non può comprendere il programma nel suo insieme a meno che il software non sia in qualche modo modulare. Modularità è la scomposizione in parti più piccole che possano essere comprese e su cui si possa ragionare indipendentemente. La scomposizione di un problema complesso in sottoproblemi più semplici è il modo fondamentale usato dagli uomini per affrontare la complessità del mondo che ci circonda. I buoni linguaggi di programmazione forniscono delle caratteristiche per rendere il software modulare. Modularità ed astrazione La modularità viene raggiunta assicurandosi che gli elementi del sistema abbiano contorni ben definiti e ben definite interfacce attraverso le quali gli elementi interagiscono. I moduli interagiscono solamente tramite le proprie interfacce. La corretta separazione delle funzionalità delle varie parti di un sistema permette di considerare i moduli come "scatole nere". In un linguaggio di programmazione l'atto di ignorare i dettagli di un componente di un programma e di ragionare soltanto sulla sua interfaccia si chiama astrazione. Vi sono due tipi di astrazione: una riguarda le azioni, l'astrazione funzionale (talora chiamata astrazione procedurale), e l'altra riguardante i dati, l'astrazione dei dati. C++ 1.4

6 L'astrazione funzionale permette di scomporre un sistema in funzioni,a loro volta scomposte in sottofunzioni. Tutto è basato sulle azioni del programma, cioè sull'elaborazione dei dati. L'astrazione dei dati permette all'utente di costruire strutture dati a partire da strutture più primitive, e poi di poterle utilizzare come se fossero primitive. L'astrazione dei dati di solito comporta il progetto di nuovi tipi di dati (struttura interna del nuovo tipo più operazioni che si possono utilizzare su quel tipo). Un'astrazione dei dati è modulare, cioè i dettagli interni sono nascosti, ma il tipo si può usare tramite l'interfaccia ed è chiamato tipo di dato astratto (Abstract Data Type, ADT). Il C++ supporta il processo di astrazione dei dati col costrutto di classe e supporta l'astrazione funzionale col costrutto di funzione. L'uso delle astrazioni dei dati e funzionale come unità di programmazione accresce la produttività dei programmatori, che devono sviluppare ogni volta soltanto piccoli pezzi di codice. Inoltre l'astrazione riduce il numero di errori introdotti nel software poiché la dimensione e la complessità di ciascuna unità collaudabile indipendentemente risulta piccola. Specifica ed implementazione I termini specifica ed implementazione sono usati per descrivere le parti che compongono la descrizione di un'astrazione. Una specifica presenta delle informazioni circa l'interfaccia di un'astrazione dei dati o funzionale e indica lo scopo dell'astrazione. Essa include tutte le informazioni richieste dal programmatore per usare un'astrazione. La specifica non dà nessuna informazione su come è fatta l'astrazione. Un'implementazione descrive come l'astrazione ottiene le proprietà descritte nella specifica, il suo interno. Le implementazioni possono cambiare, ma se le specifiche rimangono le stesse, il comportamento di tutti i programmi che usano quell'astrazione non viene modificato. C++ 1.5

7 Tipi e supporto per le astrazioni I buoni linguaggi di programmazione sono fortemente tipizzati, cioè ciascun elemento, dato o funzione del programma, ha un tipo. Questa tipizzazione di tutti gli elementi di un programma aiuta il programmatore ad evitare errori, permette ai compilatori di controllare la correttezza di un programma, specialmente quanto viene utilizzato materiale di libreria, ed aiuta la scoperta di errori potenziali. Il C++ è un linguaggio fortemente tipizzato: tutte le strutture dati e le funzioni di un programma devono avere un tipo dichiarato esplicitamente. Il compilatore controlla accuratamente la coerenza dei tipi in tutto il codice sorgente e se scopre un conflitto emette messaggi di errore. Un esempio di astrazione funzionale Il seguente programma è un estensione del programma Ciao che fa uso dell'astrazione funzionale: Un programma che stampa una serie di messaggi sul terminale. Include le informazioni di ingresso-uscita. #include <iostream.h> Una funzione che stampa Ciao. Non ha parametri. void stampaciao() { cout << "Ciao.\n" ; } La parte principale del programma. Stampa molte cose sul terminale per mostrare l'ordine in cui sono fatte le cose. void main() { cout << "Sto per stampare Ciao.\n" ; stampaciao() ; cout << "Ho appena stampato Ciao.\n" ; } Quando il programma viene compilato ed eseguito l'output prodotto è: C++ 1.6

8 prompt> a.out Sto per stampare Ciao. Ciao. Ho appena stampato Ciao. prompt> Questo programma evidenzia il fatto che le istruzioni nella funzione main sono eseguite in maniera sequenziale. Il programma ha tre elementi oltre ai commenti: #include stampaciao main Questa istruzione di controllo è necessaria per permettere al programmatore di usare il sistema predefinito di ingressouscita IOSTREAM. Il file d'intestazione incluso iostream.h contiene tutte le informazioni di tipo per il compilatore, perché il compilatore possa fare tutti i suoi controlli di consistenza. Una funzione di tipo void. Questa funzione è chiamata da main. E' un'esempio di astrazione funzionale anche se banale. All'interno di main la funzione stampaciao è chiamata senza sapere che cosa essa fa internamente. La specifica della funzione era: una funzione che stampa Ciao. e che non restituisce alcun valore. Questa semantica è indicata dal nome della funzione stampaciao. La funzione ha tipo void per evidenziare il fatto che non restituisce alcun valore. Come già detto, questa è la funzione che controlla tutto, ed è la prima funzione che viene eseguita. I tipi di dati primitivi Per poter costruire le astrazioni vi devono essere degli strumenti di costruzione da cui partire. Nel caso della programmazione essi sono i tipi di dati primitivi ed alcune opportune operazioni su questi. C++ 1.7

9 Costanti letterali e variabili In tutti i programmi i dati, primitivi o definiti dall'utente, sono presenti in due forme: costanti letterali e variabili. Le costanti letterali sono rappresentazioni dei valori di un dato tipo. Le variabili sono "scatole" con un nome nelle quali si possono mettere dei valori che possono essere cambiati durante l'esecuzione di un programma. Nel C++ sia le costanti letterali che le variabili sono tipizzate. Le costanti letterali hanno un tipo che dipende dal loro valore. Per le variabili, occorre che il programmatore dia esplicitamente un tipo utilizzando un'istruzione di dichiarazione. Dare un nome alle variabili Così come deve avere un tipo, una variabile deve avere un nome, in modo da poter essere usata dentro un programma. Vi sono le seguenti regole (come in C): I nomi delle variabili devono iniziare con un carattere alfabetico. Si possono utilizzare, come altri caratteri, i caratteri alfabetici minuscoli e maiuscoli, le cifre numeriche ed il carattere _. Alcuni compilatori permettono di usare anche il carattere $ nei nomi delle variabili. I nomi delle variabili possono essere di lunghezza arbitraria. Purtroppo, qualche compilatore insiste col dare un limite superiore alla lunghezza delle variabili. Non si possono utilizzare come nomi di variabili le parole chiave del linguaggio C++: C++ 1.8

10 asm do if register typedef auto double inline return union break else int short unsigned case enum long signed virtual char extern new sizeof void class float operator static volatile const for overload struct while continue friend private switch default goto protected template delete handle public this Queste regole si applicano anche ai nomi delle funzioni, delle classi, delle etichette. ecc. Vi sono due modi principali di dare un nome composto alle variabili. Una possibilità è quella di utilizzare nomi aventi come separatore tra le parole il carattere _, ad esempio: una_variabile, una_funzione_utile e un_tipo L'altro schema consiste nell'utilizzare lettere maiuscole per indicare l'inizio di una nuova parola all'interno di un nome. In tale schema, i nomi delle variabili e delle funzioni iniziano tutti con una lettera minuscola mentre i nomi di un tipo definito dall'utente cominciano con una lettera maiuscola, ad esempio: unavariabile, unafunzioneutile e UnTipo. La maggior parte degli autori del linguaggio C++ usa questo secondo schema, che sta diventando uno standard de facto. In ogni caso, dato il sistema di generazione automatica dei nomi delle funzioni da parte del compilatore C++ (type-safe linkage), occorre evitare di usare il doppio "underscore" nei nomi. L'inizializzazione delle variabili Il linguaggio C++ permette di dare un valore alle variabili quando queste sono definite, cioè le variabili possono essere inizializzate. E' sempre una buona pratica farlo. C++ 1.9

11 E' anche bene non definire una variabile fino a che questa non sia necessaria. L'inizializzazione di una variabile si può effettuare ponendola uguale a un'espressione arbitraria, utilizzante anche variabili e funzioni precedentemente definite: int i = 7 ; float x = 5. + sqrt(i * 7.) ; I tipi primitivi: valori e definizioni Numeri interi I tipi interi in C++ sono: char, short, int e long. Il tipo char serve a rappresentare i caratteri piuttosto che i numeri interi, e quindi sarà descritto separatamente. Il C++ consente anche di utilizzare tipi senza segno, per esempio il tipo unsigned int. Invece di essere numeri complementati a 2, i tipi senza segno implementano numeri modulo 2 n, cioè gli interi sono sempre interi positivi con valore che va da 0 a 2 n -1. Esempi di definizioni: int i = 24, j = 35 ; short int s1 = 5555 ; short s2 = 7463 ; long int l1 = ; long l2 = i ; unsigned int ui = 12, uj = 444 ; unsigned short us = 444 ; unsigned short int ut = us ; unsigned long ul = ; unsigned long int um = ; Lunghezza tipica e campo di valori dei tipi interi C

12 Tipo 16 bit (short e talora int) 32 bit (long e talora int) signed (-2 15 ) (2 15-1) (-2 31 ) (2 31-1) unsigned (2 16-1) (2 32-1) Rappresentazione dei valori interi Le costanti letterali intere sono di solito a base dieci. Vi sono però anche rappresentazioni ottali, ed esadecimali dei valori interi. Le costanti decimali iniziano con una cifra da 1 a 9 e continuano con cifre nell'intervallo da 0 a 9. Esempi di costanti decimali sono: 134, Le costanti letterali ottali sono quelle che cominciano con uno 0 (carattere zero). Le cifre 8 e 9 non possono essere usate. Esempi di costanti letterali ottali sono: 0156, 010, Le costanti letterali esadecimali del C++ iniziano con i due caratteri 0x o 0X (0 poi x). Le cifre degli esadecimali sono da 0 a 9, a-f, A-F, ove a rappresenta il numero 10, b rappresenta 11 ecc. fino a f che rappresenta il 15. Esempi di costanti esadecimali sono: 0xff, -0x24d5, 0x01F4da4. Le costanti letterali hanno assegnato il tipo a seconda del loro valore. Si può forzare che una costante letterale sia di valore long appendendo una L o una l alla costante stessa. Si possono imporre costanti letterali senza segno appendendo una U o una u alla costante stessa. Usando entrambi i simboli si può definire un valore unsigned long. C

13 Caratteri Ci deve essere una corrispondenza riconosciuta tra i valori dei caratteri immagazzinati nella macchina e la notazione scritta comune. Vi sono molte corrispondenze diverse, ma la più comune è il codice ASCII. Così il tipo char è in effetti una forma di intero. C'è perciò una sintassi per rappresentare i caratteri nel codice dei programmi indipendentemente dai codici utilizzati per metterli in corrispondenza ai numeri interi (costanti letterali carattere). Tutti i caratteri stampabili sono rappresentati racchiudendo il carattere stesso tra apici singoli. Le prime quattro lettere dell'alfabeto sono scritte: 'a' 'b' 'c' 'd' Vi sono però alcuni caratteri molto utili che richiedono una speciale sintassi per essere rappresentati. La tabella seguente mostra i cosiddetti codici di "escape" per questi caratteri: Nome del carattere Nome ASCII Rappresentazione C++ a capo NL \n tabulazione orizzontale HT \t tabulazione verticale VT \v spazio indietro BS \b ritorno carrello CR \r form feed FF \f campanello (bell) BEL \a barretta rovesciata \ \\ apice ' \' C

14 Vi sono due altre sequenze di escape che permettono al programmatore di immettere direttamente valori numerici come costanti carattere: Base letterale Rappresentazione Ottale Esadecimale \ooo \xhhh ove ooo indica 1, 2 o 3 cifre ottali senza uno zero iniziale hhh indica 1, 2 o 3 cifre esadecimali, di nuovo senza zero iniziale. Qualunque sia la lunghezza di un char, essa è l'unità di misura standard di lunghezza per tutti i tipi. Nella maggior parte delle macchine i caratteri sono interi di 8 bit. L'intervallo dei loro valori va da -128 a 127. Con l'avvento dei terminali grafici e con l'estensione delle tabelle dei caratteri per comprendere simboli grafici, il tipo unsigned char può essere molto utile. L'intervallo intero va da 0 a 28-1 (0-255). Si tenga presente che anche un char può contenere un carattere di codice v > 127, solo che in tal caso il valore intero in esso contenuto è negativo, e vale v Un unsigned char invece contiene il valore v inalterato. Alcune definizioni di variabili di tipo carattere: char c1 = 'A', c2 = '\160' ; unsigned char u1 = '\xa9' ; C

15 Numeri reali Sono di due tipi: float (in genere di 32 bit) e double (in genere 64 bit). I numeri reali si possono rappresentare in due modi in un programma C++: come sequenza di cifre che comprendono un punto decimale, o in termini di mantissa e di esponente, per esempio:.1, 0.4, 1., 1.3, -.1, -0.4, -1., e4, 1.9e4, 1.4E-3, -1e4, -1.9E4, -1.4e-3 Per default, tutte le costanti reali del C++ sono di tipo double. Se si inizializza una variabile float con tale costante, allora il compilatore garantisce la corretta conversione. Volendo che una costante sia di tipo float, occorre aggiungere una F o una f a tale costante, ma ciò non si può fare nel caso di forma esponenziale. Esempi di definizioni e di inizializzazioni di variabili reali: float f1 = ; float f2 =.32e-3 ; double d1 = ; double d2 = e43 ; Campo di valori dei tipi reali secondo lo standard IEEE Tipo Bit mantissa / Cifre Intervalli dei valori bit caratteristica significative float 23 / 8 circa 7 [-1.7 x , x ], 0, [0.29 x 10-38, 1.7 x ] double 52 / 11 circa 15 [-0.9 x , x ], 0, [0.86 x , 0.9 X ] C

16 Ingresso e uscita dei tipi di dati primitivi A causa del sistema di tipizzazione forte del C++, la libreria IOSTREAM è capace di distinguere il tipo di input o di output. Così nel frammento di programma: cout << x ; cout << y ; il compilatore utilizza i tipi delle variabili x e y per essere sicuro che la libreria IOSTREAM esegua il tipo corretto di uscita. Quello che segue è un breve programma che mostra come definire ed inizializzare un int ed un double. Questi valori sono poi stampati sul video-terminale. Un programma che mostra la definizione, l'inizializzazione e l'uscita delle variabili. #include <iostream.h> void main() { Dichiara due variabili e le inizializza int valint = 4 ; double valreal = ; Fa uscire i valori delle variabili. cout << "valoreintero = " << valint << ", " ; cout << "valorereale = " << valreal << "\n" ; } Si può anticipare che le variabili cout e cin, definite nel file iostream.h, appartengono alle classi ostream e istream, rispettivamente. Esse denotano istanze di tali classi, associate all'unità standard di output e di input. Gli operatori << e >> (che nel linguaggio standard rappresentano operatori "shift" con due operandi interi) sono sovrapposti, cioé ridefiniti, avendo come primo parametro un ostream o un istream, rispettivamente. In tal modo il programma dato sopra funziona. Questi operatori sono stati scelti perché rappresentano delle "freccette" che rendono bene il flusso dei dati verso cout e da cin. C

17 Ingresso dei dati: nella libreria IOSTREAM, cin (di solito) rappresenta la tastiera, e >> rappresenta l'operazione d'ingresso. Le stesse regole riguardanti il controllo di tipo che valgono per l'uscita valgono anche per l'ingresso. Perciò nel programma seguente: Un programma che da' in eco il numero che l'utente digita alla tastiera. #include <iostream.h> void main() { double val ; cout << "Digita un numero: " ; cin >> val ; cout << "Hai battuto: " << val << "\n" ; } la libreria IOSTREAM fa entrare un double poiché riconosce che la variabile val nel quale il valore viene inserito è di tipo double. La concatenazione degli operatori << e >> è possibile perché tali operatori sono associativi a sinistra, ed inoltre perché restituiscono lo stream che hanno come primo argomento: cout << "Hai battuto: " << val << "\n" ; equivale a: ((cout << "Hai battuto: ") << val) << "\n" ; C

18 I puntatori Un puntatore è un dato che non contiene un'entità, ma un puntatore ad un'entità. Esso fornisce un altro meccanismo per accedere all'informazione contenuta in una variabile. Ciò introduce un nuovo termine: de-riferimento (de-referencing). Un puntatore è un riferimento a un dato. Quando usa un puntatore il programmatore deve de-riferire esplicitamente il puntatore per scoprire il valore del dato puntato. È spesso utile pensare in termini di "indirizzo" quando si tratta di puntatori: un puntatore è una variabile che contiene l'indirizzo dell'area di memoria che contiene effettivamente il dato puntato. I puntatori sono un tipo di dato primitivo. Qualunque sia il tipo di dato che è puntato, primitivo o definito dall'utente, un puntatore al dato è qualcosa di primitivo. Dichiarazione e definizione dei puntatori Si consideri il seguente esempio: #include <iostream.h> void main() { Dichiara una variabile int int varint = 46; Dichiara un puntatore e lo fa puntare alla variabile di lavoro. int * pint = &varint; cout << "variabileint = " << varint << "\n" ; *pint = 72 ; cout << "variabileint = " << varint << "\n" ; } La variabile varint è semplicemente una classica variabile intera inizializzata a 46. C

19 La variabile pint è un puntatore a un intero, e lo stabilisce l'* nella definizione. Il pint è inizializzato per puntare a varint, prendendo l'indirizzo a varint usando l'operatore unario &. L'operatore unario * ovunque tranne che in una dichiarazione è l'operatore di de-riferimento, e fa sì che *pint nell'istruzione di assegnazione stia a significare la variabile a cui punta pint. In questo caso, poiché *pint appare alla sinistra di un'assegnazione, la variabile varint ha il proprio valore cambiato. I simboli * e & sono usati qui come operatori unari, ed il compilatore può distinguere il loro uso dai simboli di * (moltiplicazione) e dall'& (and bit a bit) usati come operatori binari. Dopo l'esecuzione delle due definizioni del programma dato prima abbiamo la situazione; varint 46 pint L'istruzione di assegnazione porta al diagramma: varint 72 pint C

20 Il seguente codice: int * p1, p2 ; dichiara un puntatore a un intero, p1, ed un intero, p2. Se p2 doveva essere un puntatore, allora la dichiarazione avrebbe dovuto essere: int * p1, * p2 ; oppure: int * p1 ; int * p2 ; I tipi derivati del C++, oltre al tipo puntatore, sono: Vettori long vl [20] ; Riferimenti (... double & dd...) Tipi enumerati enum colori {rosso, blu, nero}; Tipi di classe class complex {... }; complex s, z; Costanti const int dimbuf = 512; Verranno tutti trattati nel seguito Occupazione di memoria dei tipi primitivi Il linguaggio C++ non prescrive lunghezza e modo di rappresentazione dei tipi primitivi. Esso prescrive solo alcuni vincoli relativi: 1 sizeof(char) sizeof(short) sizeof(int) sizeof(long) sizeof(float) sizeof(double) sizeof(long double) C