Переменные и выражения

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.

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 a = 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 (см. приложение 3).

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 (напомню, 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).

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, если она 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 из блока, в котором описана переменная. Время ее жизни — с момента описания до конца блока. Для глобальных переменных этот спецификатор не используется, а для 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. Подробнее об употреблении внешних переменных рассказывается в разделе «Внешние объяв­ления».

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 регистрах 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 с; // 4 локальная статическая переменная с

а = 1; // 5 присваивание глобальной переменной

int а; // 6 локальная переменная а

а = 2; // 7 присваивание локальной переменной

:: а = 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).

СОВЕТ

Не жалейте времени на придумывание подходящих имен. Имя должно отражать смысл хранимой величины, быть легко распознаваемым и, желательно, не содержать символов, которые можно перепутать друг с другом, например, 1, 1 (строчная L) или I (прописная i). Для разделения частей имени можно использовать знак подчеркивания. Не давайте переменным имена, демонстрирующие знание иностранного слэнга — ведь «как вы лодку назовете, так она и поплывет». Как правило, переменным с большой областью видимости даются более длинные имена (желательно с префиксом типа), а для переменных, вся жизнь которых проходит на протяжении нескольких строк исходного текста, хватит и одной буквы с комментарием при объявлении.

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.

Операции

В таблице 1.5 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. Полный список операций приведен в приложении 1.

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 1.5. Основные операции языка C++

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.

#include < stdio.h> int main(){

int x = 3, у = 3;

printf(" Значение префиксного выражения: %d\n)", ++х);

printf(" Значение постфиксного выражения: %d\n", у++);

printf(" Значение х после приращения: %d\n", x);

printf(" Значение у после приращения: %d\n", у);

return 0;

Результат работы программы:

Значение префиксного выражения: 4

Значение постфиксного выражения: 3

Значение х после приращения: 4

Значение у после приращения: 4

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 типа, 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 отделения (%). Операция делени я применима к операндам арифметического типа. Если оба операнда целочисленные, результат операции округляется до целого числа, в противном случае тип результата определяется правилами преобразования (см. раздел «Выражения» и приложение 3). Операция остатка от деления применяется только к целочисленным операндам. Знак результата зависит от реализации.

#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.

ВНИМАНИЕ

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.

#include < iostream.h>

int main(){

cout < < " \n 6 & 5 = " < < (6 & 5);

cout < < " \n 6 | 5 - " < < (6 | 5);

cout < < " \n 6 ^ 5 = " < < (6 ^ 5);

return 0;

}

Результат работы программы:

6 & 5 = 4

6 | 5 = 7

6*5=3

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 пулю, 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, с = 7;

a = b; b = а; с = с + 1;

cout < < " a = " < < a;

cout < < " \t b = " < < b;

cout < < " \t с = " < < с;

return 0; }

Результат работы программы:

a=5 b=5 c=8

ВНИМАНИЕ

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;

He рассмотренные в этом разделе операции будут описаны позже.

Выражения

Как уже говорилось выше, выражения состоят из операндов, знаков операций и скобок и используются для вычисления некоторого значения определенного 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 (у +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 (в 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 величин (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. Правила преобразований приведены в приложении 3.

Программист может задать преобразования типа явным образом (об этом рассказывается в разделе «Преобразования типов»).

Итак, мы потратили достаточно много времени, рассматривая самый нижний уровень конструкций, составляющих язык программирования, и теперь пора начинать строить из них нечто более осмысленное — сначала отдельные операторы, а затем программы. Даже самая простая программа должна создаваться по определенным правилам, тогда она будет надежна, эффективна и красива. Изучением этих правил мы и займемся в следующем разделе.

Создание простейших программ подробно рассматривается на первом семинаре практикума [11].