ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫНА ЯЗЫКЕ C++
Методические указания
к выполнению курсового проекта
для студентов очной формы обучения
по специальности 10.05.03 –
«Информационная безопасность автоматизированных систем»
Брянск 2017
УДК 004.432.2
Языки программирования. Разработка программы на языке C++ [Электронный ресурс]: методические указания к выполнению курсового проекта для студентов очной формы обучения по специальности 10.05.03 – «Информационная безопасность автоматизированных систем». – Брянск: БГТУ, 2017. – 15с.
Разработали:
А.П. Горлов, канд.техн.наук., доц.
М.Л. Гулак, канд.техн.наук., доц.
Рекомендовано кафедрой «Системы информационной безопасности» БГТУ (протокол № 4 от 22.12.2017).
Научный редактор М.Ю. Рытов
Компьютерный набор А.П. Горлов
Методические указания публикуются в авторской редакции
| Подписано в печать 25.12.17 г. Формат 60х84 1/16. Усл. печ.л. 0,87 Уч.-изд.л. 0,87 |
Брянский государственный технический университет
Кафедра «Системы информационной безопасности», 58-83-54
241035, Брянск, бульвар 50 лет Октября, 7.
ЦЕЛЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Цель курсового проекта - закрепление и углубление знаний, полученных при изучении курса «Языки программирование» посредством разработки программного обеспечения для компьютера.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.
2.
C++ – компилируемый, статически типизированный язык программирования общего назначения.
Поддерживает такие парадигмы программирования, как процедурное программирование, объектно-ориентированное программирование, обобщённое программирование. Язык имеет богатую стандартную библиотеку, которая включает в себя распространённые контейнеры и алгоритмы, ввод-вывод, регулярные выражения, поддержку многопоточности и другие возможности. C++ сочетает свойства как высокоуровневых, так и низкоуровневых языков. В сравнении с его предшественником — языком C, — наибольшее внимание уделено поддержке объектно-ориентированного и обобщённого программирования.
C++ широко используется для разработки программного обеспечения, являясь одним из самых популярных языков программирования. Область его применения включает создание операционных систем, разнообразных прикладных программ, драйверов устройств, приложений для встраиваемых систем, высокопроизводительных серверов, а также развлекательных приложений (игр). Существует множество реализаций языка C++, как бесплатных, так и коммерческих и для различных платформ. Например, на платформе x86 это GCC, Visual C++, Intel C++ Compiler, Embarcadero (Borland) C++ Builder и другие. C++ оказал огромное влияние на другие языки программирования, в первую очередь на Java и C#.
Синтаксис C++ унаследован от языка C. Одним из принципов разработки было сохранение совместимости с C. Тем не менее, C++ не является в строгом смысле надмножеством C; множество программ, которые могут одинаково успешно транслироваться как компиляторами C, так и компиляторами C++, довольно велико, но не включает все возможные программы на C.
Язык возник в начале 1980-х годов, когда сотрудник фирмы Bell Labs Бьёрн Страуструп придумал ряд усовершенствований к языку C под собственные нужды. Когда в конце 1970-х годов Страуструп начал работать в Bell Labs над задачами теории очередей (в приложении к моделированию телефонных вызовов), он обнаружил, что попытки применения существующих в то время языков моделирования оказываются неэффективными, а применение высокоэффективных машинных языков слишком сложно из-за их ограниченной выразительности. Так, язык Симула имеет такие возможности, которые были бы очень полезны для разработки большого программного обеспечения, но работает слишком медленно, а язык BCPL достаточно быстр, но слишком близок к языкам низкого уровня и не подходит для разработки большого программного обеспечения.
Вспомнив опыт своей диссертации, Страуструп решил дополнить язык C (преемник BCPL) возможностями, имеющимися в языке Симула. Язык C, будучи базовым языком системы UNIX, на которой работали компьютеры Bell, является быстрым, многофункциональным и переносимым. Страуструп добавил к нему возможность работы с классами и объектами. В результате практические задачи моделирования оказались доступными для решения как с точки зрения времени разработки (благодаря использованию Симула-подобных классов), так и с точки зрения времени вычислений (благодаря быстродействию C). В первую очередь в C были добавлены классы (с инкапсуляцией), наследование классов, строгая проверка типов, inline-функции и аргументы по умолчанию. Ранние версии языка, первоначально именовавшегося «C with classes» («Си с классами»), стали доступны с 1980 года.
Разрабатывая C с классами, Страуструп написал программу cfront – транслятор, перерабатывающий исходный код C с классами в исходный код простого C. Это позволило работать над новым языком и использовать его на практике, применяя уже имеющуюся в UNIX инфраструктуру для разработки на C. Новый язык, неожиданно для автора, приобрёл большую популярность среди коллег и вскоре Страуструп уже не мог лично поддерживать его, отвечая на тысячи вопросов.
К 1983 году в язык были добавлены новые возможности, такие как виртуальные функции, перегрузка функций и операторов, ссылки, константы, пользовательский контроль над управлением свободной памятью, улучшенная проверка типов и новый стиль комментариев (//). Получившийся язык уже перестал быть просто дополненной версией классического C и был переименован из C с классами в «C++». Его первый коммерческий выпуск состоялся в октябре 1985 года.
До начала официальной стандартизации язык развивался в основном силами Страуструпа в ответ на запросы программистского сообщества. Функцию стандартных описаний языка выполняли написанные Страуструпом печатные работы по C++ (описание языка, справочное руководство и так далее). Лишь в 1998 году был ратифицирован международный стандарт языка C++: ISO/IEC 14882:1998 «Standard for the C++ Programming Language»; после принятия технических исправлений к стандарту в 2003 году — следующая версия этого стандарта — ISO/IEC 14882:2003.
Стандарт C++ состоит из двух основных частей: описание ядра языка и описание стандартной библиотеки.
Первое время язык развивался вне формальных рамок, спонтанно, по мере встававших перед ним задач. Развитию языка сопутствовало развитие кросс-компилятора cfront. Новшества в языке отражались в изменении номера версии кросс-компилятора. Эти номера версий кросс-компилятора распространялись и на сам язык, но применительно к настоящему времени речь о версиях языка C++ не ведут. Лишь в 1998 язык стал стандартизированным.
C++ поддерживает как комментарии в стиле C (/* комментарий */), так и однострочные (// вся оставшаяся часть строки является комментарием), где // обозначает начало комментария, а ближайший последующий символ новой строки, который не предварён символом \ (либо эквивалентным ему обозначением??/), считается окончанием комментария. Плюс этого комментария в том, что его не обязательно заканчивать, то есть обозначать окончание комментария.
Спецификатор inline для функций. Функция, определённая внутри тела класса, является inline по умолчанию. Данный спецификатор является подсказкой компилятору и может встроить тело функции в код вместо её непосредственного вызова.
Квалификаторы const и volatile. В отличие от С, где const обозначает только доступ на чтение, в C++ переменная с квалификатором const должна быть инициализирована. volatile используется в описании переменных и информирует компилятор, что значение данной переменной может быть изменено способом, который компилятор не в состоянии отследить. Для переменных, объявленных volatile, компилятор не должен применять средства оптимизации, изменяющие положение переменной в памяти (например, помещающие её в регистр) или полагающиеся на неизменность значения переменной в промежутке между двумя присваиваниями ей значения. В многоядерной системе volatile помогает избегать барьеров памяти 2-го типа.
Пространства имён (namespace). Пример:
namespace Foo
{
const int x=5;
}
const int y = Foo::x;
Специальным случаем является безымянное пространство имён. Все имена, описанные в нём, доступны только в текущей единице трансляции и имеют локальное связывание. Пространство имён std содержит в себе стандартные библиотеки C++.
Для работы с памятью введены операторы new, new[], delete и delete[]. В отличие от библиотечных malloc и free, пришедших из C, данные операторы производят инициализацию объекта. Для классов это вызов конструктора, для POD типов инициализацию можно либо не проводить(new Pod;), либо провести инициализацию нулевыми значениями (new Pod(); new Pod{};).
Типы
В C++ доступны следующие встроенные типы. Типы C++ практически полностью повторяют типы в C:
Символьные: char, wchar_t (char16_t и char32_t, в стандарте C++11).
Целочисленные знаковые: signed char, short int, int, long int (и long long, в стандарте C++11).
Целочисленные беззнаковые: unsigned char, unsigned short int, unsigned int, unsigned long int(и unsigned long long, в стандарте C++11).
С плавающей точкой: float, double, long double.
Логический: bool, имеющий значения true или false.
Операции сравнения возвращают тип bool. Выражения в скобках после if, while приводятся к типу bool.
Язык ввёл понятие ссылок, а начиная с одиннадцатой версии стандарта rvalue ссылки и forwarding ссылки. (см. Ссылка (C++))
C++ добавляет к C объектно-ориентированные возможности. Он вводит классы, которые обеспечивают три самых важных свойства ООП: инкапсуляцию, наследование и полиморфизм.
В стандарте C++ под классом (class) подразумевается пользовательский тип, объявленный с использованием одного из ключевых слов class, struct или union, под структурой (structure) подразумевается класс, определённый через ключевое слово struct, и под объединением (union) подразумевается класс, определённый через ключевое слово union.
В теле определения класса можно указать как объявления функций, так и их определение. В последнем случае функция является встраиваемой (inline)). Нестатические функции-члены могут иметь квалификаторы const и volatile, а также ссылочный квалификатор (& или &&).
Стандартная библиотека языка
Стандартная библиотека C++ включает в себя набор средств, которые должны быть доступны для любой реализации языка, чтобы обеспечить программистам удобное пользование языковыми средствами и создать базу для разработки как прикладных приложений самого широкого спектра, так и специализированных библиотек. Стандартная библиотека C++ включает в себя часть стандартной библиотеки C. Стандарт C++ содержит нормативную ссылку на стандарт C от 1990 года и не определяет самостоятельно те функции стандартной библиотеки, которые заимствуются из стандартной библиотеки C.
Доступ к возможностям стандартной библиотеки C++ обеспечивается с помощью включения в программу (посредством директивы #include) соответствующих стандартных заголовочных файлов. Всего в стандарте C++11 определено 79 таких файлов. Средства стандартной библиотеки объявляются как входящие в пространство имён std. Заголовочные файлы, имена которых соответствуют шаблону «cX», где X — имя заголовочного файла стандартной библиотеки C без расширения (cstdlib, cstring, cstdio и пр.), содержат объявления, соответствующие данной части стандартной библиотеки C. Стандартные функции библиотеки C также находятся в пространстве имён std.
Состав
Стандартная библиотека включает в себя следующие разделы:
Поддержка языка. Включает средства, которые необходимы для работы программ, а также сведения об особенностях реализации. Выделение памяти, RTTI, базовые исключения, пределы значений для числовых типов данных, базовые средства взаимодействия со средой, такие как системные часы, обработка сигналов UNIX, завершение программы.
Стандартные контейнеры. В стандартную библиотеку входят шаблоны для следующих контейнеров: динамический массив(vector), статический массив(array), одно- и двунаправленные списки(list, forward_list), стек(stack), дек(deque), ассоциативные массивы(map, multimap), множества(set, multiset), очередь с приоритетом(priority_queue).
Основные утилиты. В этот раздел входит описание основных базовых элементов, применяемых в стандартной библиотеке, распределителей памяти и поддержка времени и даты в стиле C.
Итераторы. Обеспечивают шаблоны итераторов, с помощью которых в стандартной библиотеке реализуется стандартный механизм группового применения алгоритмов обработки данных к элементам контейнеров.
Алгоритмы. Шаблоны для описания операций обработки, которые с помощью механизмов стандартной библиотеки могут применяться к любой последовательности элементов, в том числе к элементам в контейнерах. Также в этот раздел входят описания функций bsearch() и qsort() из стандартной библиотеки C.
Строки. Шаблоны строк в стиле C++. Также в этот раздел попадает часть библиотек для работы со строками и символами в стиле C.
Ввод-вывод. Шаблоны и вспомогательные классы для потоков ввода-вывода общего вида, строкового ввода-вывода, манипуляторы (средства управления форматом потокового ввода-вывода в стиле C++).
Локализация. Определения, используемые для поддержки национальных особенностей и форматов представления (дат, валют и т. д.) в стиле C++ и в стиле C.
Диагностика. Определения ряда исключений и механизмов проверки утверждений во время выполнения (assert). Поддержка обработки ошибок в стиле C.
Числа. Определения для работы с комплексными числами, математическими векторами, поддержка общих математических функций, генератор случайных чисел.
Контейнеры, строки, алгоритмы, итераторы и основные утилиты, за исключением заимствований из библиотеки C, собирательно называются STL (Standard Template Library — стандартная шаблонная библиотека). Изначально эта библиотека была отдельным продуктом и её аббревиатура расшифровывалась иначе, но потом она вошла в стандартную библиотеку C++ в качестве неотъемлемого элемента. В названии отражено то, что для реализации средств общего вида (контейнеров, строк, алгоритмов) использованы механизмы обобщённого программирования (шаблоны C++ — template). В работах Страуструпа подробно описываются причины, по которым был сделан именно такой выбор. Основными из них являются бо́льшая универсальность выбранного решения (шаблонные контейнеры, в отличие от объектных, могут легко использоваться для не объектных типов и не требуют наличия общего предка у типов элементов) и его техническая эффективность (как правило, операции шаблонного контейнера не требуют вызовов виртуальных функций и могут легко встраиваться (inline), что в итоге даёт выигрыш в производительности).
Начиная со стандарта C++11 добавились следующие возможности:
· Добавлена библиотека <regex>, реализующая общепринятые механизмы поиска и подстановки с помощью регулярных выражений.
· Добавлена поддержка многопоточности.
· Атомарные операции
· unordered варианты ассоциативных массивов и множеств.
· Умные указатели, обеспечивающие автоматическое освобождение выделенной памяти.
Отличия от языка C