bài giảng môn nguyên lý các ngôn ngữ lập trình C7

Trong những năm 1990, C++ trở thành ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được sử dụng rộng rãi nhất, với chương trình dịch và môi trường phát triển tốt cho các máy trạm Macintoch, PC và dự

TỔNG QUAN

C++ là mở rộng hướng đối tượng của ngôn ngữ C Ban đầu nó được gọi là C với các lớp, và có tên là C++ vào khoảng 1984 Nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Bell quan tâm về mô phỏng tên là Bjarne Stroustrup bắt đầu dự án C++ vào đầu những năm

1980 Mục đích của ông là bổ sung các đối tượng và lớp cho C, sử dụng kinh nghiệm của ông với Simula như cơ sở cho thiết kế Thiết kế và c kinh nghiệm của ông với Simula như cơ sở cho thiết kế Thiết kế và cài đặt C++ ban đầu là nỗ lực của một người, không có mục đích tạo ra sản phẩm thương mại Tuy nhiên, vì mối quan tâm đến đối tượng và cấu trúc chương trình tăng trong những năm 1980, nên C++ trở nên phổ cập và được sử dụng rộng rãi Trong những năm 1990, C++ trở thành ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được sử dụng rộng rãi nhất, với chương trình dịch và môi trường phát triển tốt cho các máy trạm Macintoch, PC và dựa trên Unix

Ngôn ngữ lập trình C được sử dụng để viết hệ điều hành Unix tại Bell Laboratories Cài đặt gốc của C++ là bước tiền xử lý mà chuyển đổi C++ thành C

Mục đích chính của C++ là cung cấp các đặc tính hướng đối tượng trong ngôn ngữ dựa trên C mà không làm mất tính hiệu quả của C Trong quá trình bổ sung đối tượng vào C, một số cải tiến khác đã được thực hiện Mục tiêu thiết kế chính của C++ có thể tóm tắt như sau:

 Trừu tượng dữ liệu và các đặc tính hướng đối tượng

 Kiểm tra kiểu tĩnh tốt hơn

 Tính tương thích ngược lại với C Nói cách khác hầu hết mã C cần được dịch như C++ hợp lệ, không đòi hỏi sự thay đổi đáng kể về mã

 Tính hiệu quả của mã dịch, tuân thủ theo nguyên tắc ‘nếu bạn không sử dụng đặc tính nào đó, bạn không phải trả giá cho nó’

BÀI 7: CÁC ĐỐI TƯỢNG VÀ TÍNH HIỆU QUẢ

THỜI GIAN CHẠY – C++

Nguyên lý này được khẳng định trong mục đích cuối là rất quan trọng và có thể đòi hỏi phải suy nghĩ để đánh giá Nguyên lý này giả thiết chương trình C cần dịch hiệu quả dưới chương trình dịch C++ giống như dưới chương trình dịch C Như vậy có thể

vi phạm nguyên lý này khi cài đặt các số nguyên của C như các đối tượng và sử dụng phương thức tìm kiếm động để tìm hàm số nguyên trong thời gian chạy, như nó có thể giảm đáng kể việc thực thi tính toán số nguyên C Nguyên lý này không có nghĩa là các lệnh C++ mà cũng xuất hiện trong C cần phải được cài đặt chính xác theo cùng một cách trong cả hai ngôn ngữ, nhưng bất cứ thay đổi nào được chấp nhận trong C+ +, không được làm chậm việc thực thi mã dịch trừ khi một số đặc tính chậm hơn của C++ cũng được sử dụng trong chương trinh

Quyết định giữ tính tương thích với C có tác động bao trùm lên thiết ké C++ Những người quen với C biết rằng C có mô hình máy chuyên biệt, bộc lộ nhiều cấu trúc của kiến trúc máy tính bên dưới Cụ thể các thao tác C mà trả về địa chỉ của biến hoặc đặt mẫu bit bất kỳ vào vị trí tùy ý là cho chương trình C có thể dựa trên biểu diễn chính xác của dữ liệu Do đó C++ cần tôn trọng biểu diễn dữ liệu giống như C

Hầu hết các ngôn ngữ hướng đối tượng khác, bao gồm cả những ngôn ngữ thiết kế trước và sau C++, sử dụng thu dọn rác để giảm nhẹ cho lập trình viên khỏi nhiệm vụ định danh các đối tượng không truy cập và giải phóng các bộ nhớ gắn kết Tuy nhiên, không có lý do cố hữu nào, tại sao các đối tượng cần được thu dọn rác Kết nối mạnh nhất là với điểm nhấn gia tăng về tính trừu tượng và tính đúng đắn kiểu Nó cần phải phù hợp với các mục tiêu khác của C++ để xuất dạng gom rác nào đó mà khả thi ở dạng không ảnh hưởng thời gian chạy của chương trình mà không sử dụng các đối tượng gom rác Tuy nhiên, vì có các đặc tính của C mà làm cho gom rác rất khó, khó đặt các đối tượng C++ vào nơi gom rác Không chỉ là bộ đếm gom rác cho triết lý C

để lập trình viên kiểm soát bộ nhớ, mà còn là sự tương tự giữa con trỏ và số nguyên làm cho không thể xây dựng hiệu quả bộ gom rác mà làm việc trên chương trình C++

sử dụng số học con trỏ hoặc chuyển số nguyên thành con trỏ

Một quyết định quan trọng khác là xử lý các đối tượng C++ như khái quát các cấu trúc struct của C Nó buộc phải cho phép các đối tượng được khai báo và thao tác cùng một cách như structs Nói riêng, các đối tượng được đặt trong các bản ghi kích hoạt của hàm hoặc các khối cục bộ, cũng như trên heap, và cần được thao tác trực tiếp (tức

là không qua con trỏ) Đây là một điểm mà C++ đi trệch hướng so với Simula Cụ thể, C++ cho phép dạng gán các đối tượng mà sao một đối tượng sang không gian trước đó được chiếm bởi đối tượng khác, trong khi đó hầu hết các ngôn ngữ đối tượng khác chỉ cho phép gán con trỏ cho đối tượng Một số khía cạnh khác của các đối tượng C++ trên ngăn xếp được khám phá trong các bài tập về nhà

7.1.2 Thành công của C++

C++ là ngôn ngữ được thiết kế rất cẩn thận mà được kế tiếp một cách đáng khâm phục, tuy ràng buộc thiết kế rất khó Đo theo số người sử dụng, C++ không nghi ngờ

gì nữa là ngôn ngữ thành công nhất của thập niên từ khi nó phát triển đến giữa những năm 1980 cho đến khi Java ra đời giữa những năm 1990 Tuy nhiên, mục đích thiết kế

và sự tương thích ngược với C không cho phép có nhiều không gian cho những xem xét bổ sung về mặt thẩm mỹ Một số khía cạnh của C++ trở nên phức tạp và khó hiểu đối với nhiều lập trình viên Mặt khác nhiều lập trình viên C sử dụng chương trình dịch C++ và đánh giá lợi ích của kiểm tra kiểu tốt hơn Có lẽ tóm tắt công bằng cho thành công của C++ là nó được sử dụng rộng rãi, với hầu hết người sử dụng được chọn để lập trình trong một tập các ngôn ngữ mà họ hiểu và cảm thấy thuận tiện cho nhiệm vụ lập trình của họ Nói cách khác, C++ là công cụ lập trình hữu ích mà cho phép người thiết kế tạo ra các chương trình hướng đối tượng tốt, nhưng nó không buộc phong cách lập trình tốt theo cách mà các thiết kế ngôn ngữ khác thường làm Điều này hướng tới khẳng định rằng không có con số thống kê nào chống lại C++ Trên thực tế, nhiều thành công của nó có thể qui về cách mà C++ được thiết kế để cho các lập trình viên các lựa chọn và hạn chế lập trình viên theo một phong cách lập trình riêng nào

Có nhiều hướng dẫn phong cách đã được in mà biện hộ việc sử dụng một số đặc tính của C++ và cảnh báo việc sử dụng những cái khác Những ai mà quan tâm đến việc lập trình nghiêm túc C++ hoặc quan tâm tìm hiểu bao nhiêu lập trình viên dùng ngôn ngữ này, có thể muốn tham quan thư viện hoặc kho sách của chúng và đọc một số hướng dẫn hiện hành

7.2 Tổng quan về C++

Trước khi xem xét các đặc tính của C++ trong mục sau, ta sẽ lướt qua một số bổ sung cho C mà không liên quan đến đối tượng

Có một số khác biệt giữa C++ và C mà không liên quan đến đối tượng Mặc dù chúng

ta quan tâm chủ yếu đến hệ thống đối tượng của C++, nhưng vẫn nên xem xét một thay đổi quan trọng Một số bổ sung thú vị nhất là

 Kiểu bool

 Kiểu tham chiếu và truyền qua tham chiếu (pass-by-reference)

 Tải chồng được định nghĩa bởi người sử dụng

 Templates hàm

 Ngoại lệ

Cũng có một số thay đổi trong lời gọi quản trị bộ nhớ (new và delete thay cho malloc

và free), các thay đổi về stream và file đầu vào và đầu ra, bổ sung giá trị tham số mặc

định trong khai báo hàm, và một số thay đổi nhỏ như bổ sung chú giải vào cuối dòng

và loại bỏ sự cần thiết của từ khóa typedef với các khai báo struct/unions/enum

Ba bổ sung đầu, bool, pass-by-reference và overloading được bàn trong phần cuối của mục này Templates hàm đã xét trong chương trước

Kiểu bool

Trong C, giá trị để kiểm tra logic là số nguyên Chẳng hạn, C Reference Manual định nghĩa phép so sánh và phép toán logic && như sau:

 Phép toán < (nhỏ hơn) trả về 1 nếu toán hạng thứ nhất nhỏ hơn toán hạng thứ hai và 0 trong trường hợp ngược lại

 Phép toán && trả về 1 nếu cả hai toán hạng khác không và 0 - ngược lại Điều này cho phép viết lệnh của C với biểu thức như sau :

mà kết hợp các phép so sánh với số học

Để phân biệt cú pháp giữa Booleans và integers, C++ có kiểu riêng: bool với giá trị

true và false Dựa vào chuyển đổi, điều này không hoàn toàn tách intergers và

Booleans Cụ thể, giá trị nguyên có thể được gán cho biến kiểu bool, với chuyển đổi

ẩn từ số khác 0 vào true và số 0 vào false Tuy nhiên, kiểu bool làm cho dễ đọc nhiều chương trình hơn bằng việc chỉ ra rằng biến hoặc giá trị trả về của hàm sẽ được sử dụng như giá trị Bool thay vì như số nguyên

Các thay đổi C++ có thể được bắt chước trong C bằng khai báo

mà định nghĩa kiểu bool và các giá trị true, false Một sự khác biệt giữa built-in Booleans của C++ và Booleans trong C là khi booleans C++ được in ra, chúng in true

và false chứ không phải 1 và 0

Vì mọi chuyển đổi là ẩn, nên kiểu bool riêng biệt không giúp xử lý lỗi đơn giản thường gặp của lập trình viên trong C Ít nhất là đối với người mới bắt đầu, lệnh điều kiện như sau:

mà là kết quả của lỗi in ấn ; lập trình viên muốn viết

Lý do tại sao kiểm tra kiểu câu lệnh đầu tiên và dịch trong C bỏ qua là vì phép gán số nguyên a=b có kiểu nguyên và có giá trị b Vì lệnh điều kiện C đòi hỏi số nguyên (không phải Boolean), nên không có cảnh báo gắn kết với câu lệnh này Trong đa số các ngôn ngữ với bool khác số nguyên, có thể là lỗi nếu viết if (a=b) c Tuy nhiên, vì Booleans C++ được tự động chuyển đổi thành integers, nên lệnh if (a=b) c vẫn là hợp

lệ trong C++

Vì việc đưa bool vào C++ co tác động rất nhỏ, bạn có thể ngạc nhiên tại sao phải làm như vậy Trước khi kiểu Bool được bổ sung, C/C++ thường chứa các định nghĩa bool, true và false bằng macro, như mô tả trên Tuy nhiên, bool cần được định nghĩa cách khác, với kiểu kết quả có ngữ nghĩa khác đôi chút Chẳng hạn, bool có thể được định nghĩa như int, unsigned int, hoặc short int Nó gây ra vấn đề khi kết hợp các thư viện

mà sử dụng các định nghĩa khác nhau Vì vậy là có ích nếu chuẩn code bằng cách bổ sung kiểu bool xây sẵn trong nó

Reference type và Pass-By-Reference

Trong C, mọi tham số được truyền bằng giá trị Nếu bạn muốn sửa đổi giá trị và truyền như tham số, bạn cần truyền con trỏ cho giá trị Chẳng hạn, đây là code C cho hàm tăng số nguyên:

Trong C++, có thể dùng pass-by-reference như sau:

Tác động tương tự như đối số con trỏ C, nhưng hàm gọi không cung cấp địa chỉ của đối số và hàm được gọi không có con trỏ tham chiếu Sự trừng phạt nhẹ trong sự thuận tiện với đối số con trỏ C là lập trình viên cần phải nhớ hàm đã cho dùng by-value hay pointer trong danh sách tham số Nếu đối số con trỏ thay đổi thành pass-by-reference C++, thì không tính toán địa chỉ nào cần thiết như một phần của lời gọi

và lập trình viên sử dụng hàm từ thư viện có thể tránh hoàn toàn vấn đề này

Lợi ích của reference tường minh đôi khi gọi là pass-by-constant-reference Nếu đối

số hàm không bị thay đổi bởi hàm, thì có thể đặc tả đối số đó cần phải là hằng số, như trong void f (const int & x) Trong thân hàm với tham số x được truyền cách đó, sẽ là không hợp lệ khi gán cho x

Tải chồng do người sử dụng định nghĩa

Như đã bàn trong chương trước, tải chồng cho phép một tên được sử dụng cho nhiều hơn một giá trị Trong C++ có thể khai báo một số hàm với cùng một tên, trong khi các hàm có số và kiểu tham số khác nhau Chẳng hạn, ở đây chương trình C++ với ba kiểu hàm in, mỗi cái được gọi là show:

Vì ba hàm có các kiểu đối số khác nhau, chương trình dịch có thể xác định hàm nào được gọi bằng kiểu của tham số thực tế sử dụng trong lời gọi hàm

C++ không cho phép hàm tải chồng mà có cùng số và cùng kiểu đối số nhưng khác nhau chỉ ở giá trị trả về của chúng vì các hàm C và C++ có thể được gọi như các lệnh Khi hàm được gọi như lệnh, không để ý đến giá trị trả về của hàm, chương trình dịch không có cách nào xác định hàm nào được gọi

Một nguồn gốc gây nhầm lẫn tiềm năng trong C++ được phát sinh từ kết hợp từ tải chồng và chuyển đổi tự động Cụ thể, nếu các tham số thực tế trong lời gọi hàm không sánh một cách chính xác với phương án nào của hàm, chương trình dịch sẽ thử tạo ra một cách sánh nào đó bằng cách thăng cấp và/hoặc chuyển kiểu Trong code ví dụ sau:

lời gọi f(‘a’) sẽ có kết quả trong f(int) thay vì f(int*) vì char có thể được thăng cấp trở thành int Khi hàm được tải chồng và có một số cách chuyển ẩn, rất khó cho lập trình viên có thể hiểu chuyển kiểu và lời gọi nào được sử dụng

Phần quan trọng nhất của C++ là tập các khái niệm hướng đối tượng bổ sung vào C;

có các khái niệm chính sau:

 Classes, mà khai báo kiểu gắn kết với các đối tượng tạo nên từ lớp đó, các thành viên dữ liệu của mỗi đối tượng và các hàm thành viên của lớp

 Objects, mà bao gồm dữ liệu riêng tư và các hàm công khai để truy cập dữ liệu

ẩn đó, giống như trong ngôn ngữ hướng đối tượng khác

 Dynamic lookup, đối với các hàm thành viên mà khai báo ảo Hàm ảo trong lớp suy diễn (lớp con) có thể được cài đặt khác so với hàm ảo có cùng tên trong lớp cơ sở (superclass)

 Encapsulation, dựa trên sự chỉ định rõ của lập trình viên public, private, và protected mà xác định dữ liệu và các hàm khai báo trong lớp có được nhìn thấy bên ngoài định nghĩa lớp không

 Inheritance, sử dụng subclassing: một lớp có thể được định nghĩa bằng việc kế thừa dữ liệu và các hàm khai báo trong lớp khác C++ cho phép kế thừa đơn, ở

đó một lớp có lớp cơ sở (superclass) duy nhất hoặc kế thừa lặp ở đó lớp có nhiều hơn một lớp cơ sở

 Subtyping, dựa trên subclassing: dùng cho một lớp định nghĩa kiểu con của một kiểu được định nghĩa bởi lớp khác, kế thừa cần được sử dụng Tuy nhiên, người lập trình viên có thể quyết định kế thừa có cho kết quả kiểu con hay không

Đây chỉ là tóm tắt ngắn; còn có nhiều tính chất khác của C++ Các mô tả tiếp theo về class, inheritance và object sẽ nếu trong mục sau

Thuật ngữ C++ Mặc dù thuật ngữ C++ khác với thuật ngữ Java, ở đây có sự tương ứng khá gần nhau Thuật ngữ class và object được sử dụng tương tự Thuật ngữ subclass không được thường dùng với C++ Thay vào đó, superclass được gọi là base class và subclass gọi là derived class Thuật ngữ inheritance có nghĩa như nhau trong

cả hai ngôn ngữ

C++ là kết quả của nỗ lực lớn gồm cả phê phán và đề xuất từ nhiều lập trình viên có kinh nghiệm Trong nhiều khía cạnh, ngôn ngữ được thiết kế tốt nhất có thể, với mục tiêu bổ sung đối tượng và kiểm tra kiểu thời gian dịch tốt hơn cho C, không làm mất

đi tính hiệu quả hoặc tương thích ngược Một số phần thiết kế thành công riêng là

 Encapsulation: chú ý cẩn thận đến tính nhìn thấy và ẩn giấu, bao gồm các mức

độ nhìn thấy public, protected, private và các hàm và lớp friend

 Sự tách biệt giữa subtyping và inheritance: các lớp có thể có các lớp cơ sở public hoặc private, cho lập trình viên kiểm soát tường minh nào đó về phân cấp kiểu con kết quả

 Templates

 Kiểm tra kiểu tĩnh tốt hơn C

Cũng có một số các quyết định thành công nhỏ hơn trong C++ Một ví dụ là cách mà phép toán hóa giải phạm vi (được viết như ::) được sử dụng trong kết nối với kế thừa đơn và lặp để hóa giải sự nhập nhằng mà là vấn đề trong các ngôn ngữ khác

Một số chỗ có vấn đề

Ở đây có một số khía cạnh của C++ mà lập trình viên đôi khi thấy khó khăn Một số chỗ chính có vấn đề là

 Ép kiểu và chuyển kiểu, mà có thể phức tạp và khó lường trước trong một số tình huống

 Các đối tượng gắn kết với ngăn xếp và các khía cạnh khác của việc quản lý bộ nhớ đối tượng

 Tải chồng, cơ chế chọn mã phức tạp trong C++ mà có thể tương tác khó đoán với tìm kiếm động (tìm kiếm hàm ảo)

 Kế thừa bội, mà là phức tạp hơn trong C++ so với trong ngôn ngữ khác vì cách các đối tượng và các bảng hàm ảo được cấu hình và truy cập

Các chỗ có vấn đề còn tồn tại không phải vì quên sót mà vì các mục tiêu của C++, theo các kết luận logic của chúng, dẫn đến thiết kế với các tính chất đó Nói cách khác, các vấn đề này không phải là kết quả của sự không cẩn thận hoặc thiếu chú ý,

mà là hệ quả của các quyết định được đưa ra với các suy nghĩ khách quan khác Công bằng mà nói hầu hết chúng đều có nguồn gốc trong C, chứ không phải phần mở rộng C++ cho C Các đặc tính này có thể là nguyên nhân làm cho các lập trình viên ưu thích các ngôn ngữ khác khi so sánh với C và tính hiệu quả tuyệt đối của mã dịch không là bản chất cho ứng dụng

Một số lập trình viên có thể nói rằng không có gom rác, hoặc không có giao diện chuẩn để viết chương trình song song là vấn đề trong C++ Tuy nhiên có các công cụ

mà đơn giản nằm ngoài phạm vi của của thiết kế ngôn ngữ

Ép kiểu và chuyển kiểu Ép kiểu hướng chương trình dịch xử lý biểu thức của một

kiểu như nó là biểu thức của kiểu khác Chẳng hạn, (float) i chỉ dẫn cho chương trình

dịch xử lý biến i như là float, cho dù kiểu của nó là khác và (int*)x buộc x được xử lý như con trỏ đến số nguyên Trong một số tình huống, chương trình dịch C và C++ thực hiện chuyển kiểu ẩn Chẳng hạn, khi biến được gán giá trị của biểu thức, biểu thức có thể được chuyển đến kiểu gắn kết với biến, nếu cần thiết Trong hầu hết các ngôn ngữ hướng đối tượng, chuyển kiểu tự động cho đối tượng từ kiểu này sang kiểu khác không làm thay đổi biểu diễn của đối tượng Chẳng hạn, trong Java đối tượng Point có thể được xử lý như Colored Point mà không thay đổi biểu diễn của đối tượng Point, vì Colored Point cũng được biểu diễn theo cách mà tương thích với biểu diễn của đối tượng Point Tuy nhiên, nếu kế thừa lặp được sử dụng trong C++, chuyển một đối tượng từ subtype sang supertype có thể đòi hỏi sự thay đổi nào đó trong giá trị của con trỏ đến đối tượng Điều này xảy ra có thể dẫn tới lỗi rất khó tìm và buộc lập trình viên phải hiểu biểu diễn bên trong của đối tượng Khái quát hơn, Stroustrup tự nhủ rằng ‘Về cú pháp và ngữ nghĩa, ép kiểu là một đặc tính kỳ dị nhất của C và C++’ trong cuốn The Design and Evolution of C++ (Addison-Wesley, 1994)

Các đối tượng trên ngăn xếp Simula, Smalltalk, Java cho phép các đối tượng được tạo

ra chỉ trên heap, không phải trên ngăn xếp thời gian chạy Trong ngôn ngữ khác này, các đối tượng được truy cập thông qua con trỏ, chứ không phải qua các biến ngăn xếp thông thường mà chứa không gian cho đối tượng có kích thước nào đó Trong khi đó các đối tượng trên ngăn xếp của C++ được cấp và giải phóng một cách hiệu quả như một phần của việc nhập và xuất của các khối cục bộ, ở đây cũng có một số nhược điểm Điểm thô hiển nhiên nhất là cách mà phép gán thực hiện kết hợp với subtyping, cắt (truncating) đối tượng đến kích thước vừa khi phép gán được thực hiện Điều này

có thể thay đổi hành vi của đối tượng, như việc loại bỏ một số thành viên dữ liệu buộc chương trình dịch thay đổi cách các hàm ảo được lựa chọn Mặc dù định nghĩa ngôn