Философские замечания

Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к машине", что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. С таким умыслом первоначально задумывался C. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к решаемой задаче", чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко. С таким умыслом предварительно задумывались средства, добавленные к C для создания C++.

Связь между языком, на котором мы думаем/программируем, и задачами и решениями, которые мы можем представлять в своем воображении, очень близка. По этой причине ограничивать свойства языка только целями исключения ошибок программиста в лучшем случае опасно. Как и в случае с естественными языками, есть огромная польза быть по крайней мере двуязычным. Язык предоставляет программисту набор концептуальных инструментов; если они не отвечают задаче, то их просто игнорируют. Например, серьезные ограничения концепции указателя заставляют программиста применять вектора и целую арифметику, чтобы реализовать структуры, указатели и т.п. Хорошее проектирование и отсутствие ошибок не может гарантироваться чисто за счет языковых средств.

Система типов должна быть особенно полезна в нетривиальных задачах. Действительно, концепция классов в C++ показала себя мощным концептуальным средством.

Размышления о программировании на C++

В идеальном случае подход к разработке программы делится на три части: вначале получить ясное понимание задачи, потом выделить ключевые идеи, входящие в ее решение, и наконец выразить решение в виде программы. Однако подробности задачи и идеи решения часто становятся ясны только в результате попытки выразить их в виде программы - именно в этом случае имеет значение выбор языка программирования.

В большинстве разработок имеются понятия, которые трудно представить в программе в виде одного из основных типов или как функцию без ассоциированных с ней статических данных. Если имеется подобное понятие, опишите класс, представляющий его в программе. Класс - это тип; это значит, что он задает поведение объектов его класса: как они создаются, как может осуществляться работа с ними, и как они уничтожаются. Класс также задает способ представления объектов; но на ранних стадиях разработки программы это не является (не должно являться) главной заботой. Ключом к написанию хорошей программы является разработка таких классов, чтобы каждый из них представлял одно основное понятие. Обычно это означает, что программист должен сосредоточиться на вопросах: Как создаются объекты этого класса? Могут ли эти объекты копироваться и/или уничтожаться? Какие действия можно производить над этими объектами? Если на такие вопросы нет удовлетворительных ответов, то во-первых, скорее всего, понятие не было "ясно", и может быть неплохо еще немного подумать над задачей и предлагаемым решением вместо того, чтобы сразу начинать "программировать вокруг" сложностей.

Проще всего иметь дело с такими понятиями, которые имеют традиционную математическую форму: числа всех видов, множества, геометрические фигуры и т.п. На самом деле, следовало бы иметь стандартные библиотеки классов, представляющих такие понятия, но к моменту написания это не имело места. C++ еще молод, и его библиотеки не развились еще до той же степени, что и сам язык.

Понятие не существует в пустоте, всегда есть группы связанных между собой понятий. Организовать в программе взаимоотношения между классами, то есть определить точную взаимосвязь между различными понятиями, часто труднее, чем сначала спланировать отдельные классы. Лучше, чтобы не получилось неразберихи, когда каждый класс (понятие) зависит от всех остальных. Рассмотрим два класса, A и B. Взаимосвязи вроде "A вызывает функции из B", "A создает объекты B" и "A имеет члены B" редко вызывают большие сложности, а взаимосвязь вроде "A использует данные из B" обычно можно исключить (просто не используйте открытые данные-члены). Неприятными, как правило, являются взаимосвязи, которые по своей природе имеют вид "A есть B и...".

Одним из наиболее мощных интеллектуальных средств, позволяющих справляться со сложностью, является иерархическое упорядочение, то есть организация связанных между собой понятий в древовидную структуру с самым общим понятием в корне. В C++ такие структуры представляются производными классами. Часто можно организовать программу как множество деревьев (лес?). То есть, программист задает набор базовых классов, каждый из которых имеет свое собственное множество производных классов. Для определения набора действий для самой общей интерпретации понятия (базового класса) часто можно использовать виртуальные функции (#7.2.8). Интерпретацию этих действий можно, в случае необходимости, усовершенствовать для отдельных специальных классов (производных классов).

Естественно, такая организация имеет свои ограничения. В частности, множество понятий иногда лучше организуется в виде ациклического графа, в котором понятие может непосредственно зависеть от более чем одного другого понятия; например, "A есть B и C и...". В C++ нет непосредственной поддержки этого, но подобные связи можно представить, немного потеряв в элегантности и сделав малость дополнительной работы (#7.2.5).

Иногда для организации понятий некоторой программы оказывается непригоден даже ациклический граф; некоторые понятия оказываются взаимозависимыми по своей природе. Если множество взаимозависимых классов настолько мало, что его легко себе представить, то циклические зависимости не должны вызвать сложностей. Для представления множеств взаимозависимых классов с C++ можно использовать идею friend классов (#5.4.1).

Если вы можете организовать понятия программы только в виде общего графа (не дерева или ациклического направленного графа), и если вы не можете локализовать взаимные зависимости, то вы, по всей видимости, попали в затруднительное положение, из которого вас не выручит ни один язык программирования. Если вы не можете представить какой-либо просто формулируемой зависимости между основными понятиями, то скорее всего справиться с программой не удастся.

Напомню, что большую часть программирования можно легко и очевидно выполнять, используя только простые типы, структуры данных, обычные функции и небольшое число классов из стандартной библиотеки. Весь аппарат, входящий в определение новых типов, не следует использовать за исключением тех случаев, когда он действительно нужен.

Вопрос "Как пишут хорошие программы на C++" очень похож на вопрос "Как пишут хорошую английскую прозу?" Есть два вида ответов: "Знайте, что вы хотите сказать" и "Практикуйтесь. Подражайте хорошему языку." Оба совета оказываются подходящими к C++ в той же мере, сколь и для английского - и им столь же трудно следовать.

Правила Правой Руки (*¹)

Здесь приводится набор правил, которых вам хорошо бы придерживаться изучая C++. Когда вы станете более опытны, вы можете превратить их в то, что будет подходить для вашего рода деятельности и вашего стиля программирования. Они умышленно сделаны очень простыми, поэтому подробности в них опущены. Не воспринимайте их чересчур буквально. Написание хороших программ требует ума, вкуса и терпения. Вы не собираетесь как следует понять это с самого начала; поэкспериментируйте!

[1] Когда вы программируете, вы создаете конкретное представление идей вашего решения некоторой задачи. Пусть структура отражает эти идеи настолько явно, насколько это возможно:

[a] Если вы считайте "это" отдельным понятием, сделайте его классом.

[b] Если вы считайте "это" отдельным объектом, сделайте его объектом некоторого класса.

[c] Если два класса имеют общим нечто существенное, сделайте его базовым классом. Почти все классы в вашей программе будут иметь нечто общее; заведите (почти) универсальный базовый класс, и разработайте его наиболее тщательно.

[2] Когда вы определяете класс, который не реализует некоторый математический объект, вроде матрицы или комплексного числа, или тип низкого уровня, вроде связанного списка, то:

[a] Не используйте глобальные данные.

[b] Не используйте глобальные функции (не члены).

[c] Не используйте открытые данные-члены.

[d] Не используйте друзей, кроме как чтобы избежать [a], [b] или [c].

[e] Не обращайтесь к данным-членам или другим объектам непосредственно.

[f] Не помещайте в класс "поле типа"; используйте виртуальные функции.

[g] Не используйте inline-функции, кроме как средство существенной оптимизации.