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1、第14章 C++工具,14.1 異常處理 14.2 命名空間 14.3 使用早期的函數庫,在C++發(fā)展的后期，有時C++編譯系統(tǒng)根據實際工作的需要，增加了一些功能，作為工具來使用，其中主要有模板(包括函數模板和類模板)、異常處理、命名空間和運行時類型識別，以幫助程序設計人員更方便地進行程序的設計和調試工作。1997年ANSI C++委員會將它們納入了ANSI C++標準，建議所有的C++編譯系統(tǒng)都能實現這些功能。這些工具是非常有用的，C++的使用者應當盡量使用這些工具。,程序編制者不僅要考慮程序沒有錯誤的理想情況，更要考慮程序存在錯誤時的情況，應該能夠盡快地發(fā)現錯誤，消除錯誤。 程序中常見的錯
2、誤有兩大類: 語法錯誤和運行錯誤。在編譯時，編譯系統(tǒng)能發(fā)現程序中的語法錯誤。 有的程序雖然能通過編譯，也能投入運行。但是在運行過程中會出現異常，得不到正確的運行結果，甚至導致程序不正常終止，或出現死機現象。這類錯誤比較隱蔽，不易被發(fā)現，往往耗費許多時間和精力。這成為程序調試中的一個難點。,14.1 異常處理 14.1.1 異常處理的任務,在設計程序時，應當事先分析程序運行時可能出現的各種意外的情況，并且分別制訂出相應的處理方法，這就是程序的異常處理的任務。 在運行沒有異常處理的程序時，如果運行情況出現異常，由于程序本身不能處理，程序只能終止運行。如果在程序中設置了異常處理機制，則在運行情況出現
3、異常時，由于程序本身已規(guī)定了處理的方法，于是程序的流程就轉到異常處理代碼段處理。用戶可以指定進行任何的處理。 需要說明，只要出現與人們期望的情況不同，都可以認為是異常，并對它進行異常處理。因此，所謂異常處理指的是對運行時出現的差錯以及其他例外情況的處理。,在一個小的程序中，可以用比較簡單的方法處理異常。但是在一個大的系統(tǒng)中，如果在每一個函數中都設置處理異常的程序段，會使程序過于復雜和龐大。因此，C++采取的辦法是: 如果在執(zhí)行一個函數過程中出現異常，可以不在本函數中立即處理，而是發(fā)出一個信息，傳給它的上一級(即調用它的函數)，它的上級捕捉到這個信息后進行處理。如果上一級的函數也不能處理，就再傳
4、給其上一級，由其上一級處理。如此逐級上送，如果到最高一級還無法處理，最后只好異常終止程序的執(zhí)行。,14.1.2 異常處理的方法,這樣做使異常的發(fā)現與處理不由同一函數來完成。好處是使底層的函數專門用于解決實際任務，而不必再承擔處理異常的任務，以減輕底層函數的負擔，而把處理異常的任務上移到某一層去處理。這樣可以提高效率。 C++處理異常的機制是由3個部分組成的，即檢查(try)、拋出(throw)和捕捉(catch)。把需要檢查的語句放在try塊中，throw用來當出現異常時發(fā)出一個異常信息，而catch則用來捕捉異常信息，如果捕捉到了異常信息，就處理它。,例14.1 給出三角形的三邊a,b,c，
5、求三角形的面積。只有a+bc,b+ca,c+ab時才能構成三角形。設置異常處理，對不符合三角形條件的輸出警告信息，不予計算。 先寫出沒有異常處理時的程序: #include #include using namespace std; int main( ) double triangle(double,double,double); double a,b,c; cinabc; while(a0 , double triangle(double a,double b,double c) double area; double s=(a+b+c)/2; area=sqrt(s*(s-a)*(s-b
6、)*(s-c)); return area; 運行情況如下: 6 5 4(輸入a,b,c的值) 9.92157 (輸出三角形的面積) 1 1.5 2 (輸入a,b,c的值) 0.726184 (輸出三角形的面積) 1 2 1 (輸入a,b,c的值) 0 (輸出三角形的面積，此結果顯然不對,因為不是三角形) 1 0 6 (輸入a,b,c的值) (結束),修改程序，在函數traingle中對三角形條件進行檢查，如果不符合三角形條件，就拋出一個異常信息，在主函數中的try-catch塊中調用traingle函數，檢測有無異常信息，并作相應處理。修改后的程序如下: #
7、include #include using namespace std; void main( ) double triangle(double,double,double); double a,b,c; cinabc; try//在try塊中包含要檢查的函數 while(a0 ,catch(double) //用catch捕捉異常信息并作相應處理 cout<
8、le c) //計算三角形的面積的函數 double s=(a+b+c)/2; if (a+b<=c||b+c<=a||c+a<=b) throw a; //當不符合三角形條件拋出異常信息 return sqrt(s*(s-a)*(s-b)*(s-c)); 程序運行結果如下: 6 5 4(輸入a,b,c的值) 9.92157 (計算出三角形的面積) 1 1.5 2 (輸入a,b,c的值) 0.726184 (計算出三角形的面積) 1 2 1 (輸入a,b,c的值) a=1,b=2,c=1, that is not a triangle! (異常處理) end,現在結合程序分
9、析怎樣進行異常處理。 (1) 首先把可能出現異常的、需要檢查的語句或程序段放在try后面的花括號中。 (2) 程序開始運行后，按正常的順序執(zhí)行到try塊，開始執(zhí)行try塊中花括號內的語句。如果在執(zhí)行try塊內的語句過程中沒有發(fā)生異常，則catch子句不起作用，流程轉到catch子句后面的語句繼續(xù)執(zhí)行。 (3) 如果在執(zhí)行try塊內的語句(包括其所調用的函數)過程中發(fā)生異常，則throw運算符拋出一個異常信息。throw拋出異常信息后，流程立即離開本函數，轉到其上一級的函數(main 函數)。 throw拋出什么樣的數據由程序設計者自定，可以是任何類型的數據。,(4) 這個異常信息提供給try-
10、catch結構，系統(tǒng)會尋找與之匹配的catch子句。 (5) 在進行異常處理后，程序并不會自動終止，繼續(xù)執(zhí)行catch子句后面的語句。 由于catch子句是用來處理異常信息的，往往被稱為catch異常處理塊或catch異常處理器。,下面講述異常處理的語法。 throw語句一般是由throw運算符和一個數據組成的，其形式為 throw 表達式; try-catch的結構為 try 被檢查的語句 catch(異常信息類型 變量名) 進行異常處理的語句,說明: (1) 被檢測的函數必須放在try塊中，否則不起作用。 (2) try塊和catch塊作為一個整體出現，catch塊是try-catch
11、結構中的一部分，必須緊跟在try塊之后，不能單獨使用，在二者之間也不能插入其他語句。但是在一個try-catch結構中，可以只有try塊而無catch塊。即在本函數中只檢查而不處理，把catch處理塊放在其他函數中。 (3) try和catch塊中必須有用花括號括起來的復合語句，即使花括號內只有一個語句，也不能省略花括號。 (4) 一個try-catch結構中只能有一個try塊，但卻可以有多個catch塊，以便與不同的異常信息匹配。,(5) catch后面的圓括號中，一般只寫異常信息的類型名， 如 catch(double) catch只檢查所捕獲異常信息的類型，而不檢查它們的值。因此如果需要
12、檢測多個不同的異常信息，應當由throw拋出不同類型的異常信息。 異常信息可以是C++系統(tǒng)預定義的標準類型，也可以是用戶自定義的類型(如結構體或類)。如果由throw拋出的信息屬于該類型或其子類型，則catch與throw二者匹配，catch捕獲該異常信息。 catch還可以有另外一種寫法，即除了指定類型名外，還指定變量名，如 catch(double d),此時如果throw拋出的異常信息是double型的變量a，則catch在捕獲異常信息a的同時，還使d獲得a的值，或者說d得到a的一個拷貝。什么時候需要這樣做呢？有時希望在捕獲異常信息時，還能利用throw拋出的值，如 catch(doub
13、le d) cout<
14、函數中，也可以不在同一函數中。當throw拋出異常信息后，首先在本函數中尋找與之匹配的catch，如果在本函數中無trycatch結構或找不到與之匹配的catch，就轉到離開出現異常最近的trycatch結構去處理。,(8) 在某些情況下，在throw語句中可以不包括表達式，如 throw; 表示“我不處理這個異常，請上級處理”。 (9) 如果throw拋出的異常信息找不到與之匹配的catch塊，那么系統(tǒng)就會調用一個系統(tǒng)函數terminate，使程序終止運行。 例14.2 在函數嵌套的情況下檢測異常處理。 這是一個簡單的例子，用來說明在try塊中有函數嵌套調用的情況下拋出異常和捕捉異常的情況。
15、請自己先分析以下程序。,#include using namespace std; int main( ) void f1( ); try f1( );//調用f1( ) catch(double) cout<
16、ut<
17、如下: OK3!(在f3函數中捕獲異常) end3 (執(zhí)行f3函數中最后一個語句時的輸出) end2 (執(zhí)行f2函數中最后一個語句時的輸出) end1 (執(zhí)行f1函數中最后一個語句時的輸出) end0 (執(zhí)行主函數中最后一個語句時的輸出) (3) 如果在此基礎上再將f3函數中的catch塊改為 catch(double) cout<
18、的函數是否會拋出異常信息以及異常信息可能的類型，C++允許在聲明函數時列出可能拋出的異常類型，如可以將例14.1中第二個程序的第3行改寫為 double triangle(double,double,double) throw(double); 表示triangle函數只能拋出double類型的異常信息。如果寫成 double triangle(double,double,double) throw(int,double,float,char); 則表示triangle函數可以拋出int,double,float或char類型的異常信息。異常指定是函數聲明的一部分，必須同時出現在函數聲明和函數
19、定義的首行中，否則在進行函數的另一次聲明時，編譯系統(tǒng)會報告“類型不匹配”。,14.1.3 在函數聲明中進行異常情況指定,如果在聲明函數時未列出可能拋出的異常類型，則該函數可以拋出任何類型的異常信息。如例14.1中第2個程序中所表示的那樣。 如果想聲明一個不能拋出異常的函數，可以寫成以下形式: double triangle(double,double,double) throw();//throw無參數 這時即使在函數執(zhí)行過程中出現了throw語句，實際上也并不執(zhí)行throw語句，并不拋出任何異常信息，程序將非正常終止。,如果在try塊(或try塊中調用的函數)中定義了類對象，在建立該對象時要
20、調用構造函數。在執(zhí)行try塊 (包括在try塊中調用其他函數) 的過程中如果發(fā)生了異常，此時流程立即離開try塊。這樣流程就有可能離開該對象的作用域而轉到其他函數，因而應當事先做好結束對象前的清理工作，C++的異常處理機制會在throw拋出異常信息被catch捕獲時，對有關的局部對象進行析構(調用類對象的析構函數)， 析構對象的順序與構造的順序相反，然后執(zhí)行與異常信息匹配的catch塊中的語句。,14.1.4 在異常處理中處理析構函數,例14.3 在異常處理中處理析構函數。 這是一個為說明在異常處理中調用析構函數的示例，為了清晰地表示流程，程序中加入了一些cout語句，輸出有關的信息，以便對照
21、結果分析程序。 #include #include using namespace std; class Student public: Student(int n,string nam)//定義構造函數 cout<
22、成員函數 if(num==0) throw num; //如num=0,拋出int型變量num else cout<
23、ud2.get_data( ); //調用stud2的get_data函數 int main( ) cout<
24、constructor-1101 1101 tan in get_data() constructor-0 destructor-0 destructor-1101 num=0,error! main end,在學習本書前面各章時，已經多次看到在程序中用了以下語句: using namespace std; 這就是使用了命名空間std。在本節(jié)中將對它作較詳細的介紹。,14.2 命名空間,命名空間是ANSI C++引入的可以由用戶命名的作用域，用來處理程序中常見的同名沖突。 在C語言中定義了3個層次的作用域，即文件(編譯單元) 、函數和復合語句。C++又引入了類作用域，類是出現在文件內的。在不同
25、的作用域中可以定義相同名字的變量，互不干擾，系統(tǒng)能夠區(qū)別它們。 下面先簡單分析一下作用域的作用，然后討論命名空間的作用。 如果在文件中定義了兩個類，在這兩個類中可以有同名的函數。在引用時，為了區(qū)別，應該加上類名作為限定，如,14.2.1 為什么需要命名空間,class A//聲明A類 public: void fun1( ); //聲明A類中的fun1函數 private: int i; ; void A::fun1( ) //定義A類中的fun1函數 // class B //聲明B類 public: void fun1( ); //B類中也有fun1函數 void f
26、un2( ); ; void B::fun1( ) //定義B類中的fun1函數 // ,這樣不會發(fā)生混淆。 在文件中可以定義全局變量(global variable)，它的作用域是整個程序。如果在文件A中定義了一個變量a int a=3; 在文件B中可以再定義一個變量a int a=5; 在分別對文件A和文件B進行編譯時不會有問題。但是，如果一個程序包括文件A和文件B，那么在進行連接時，會報告出錯，因為在同一個程序中有兩個同名的變量，認為是對變量的重復定義。問題在于全局變量的作用域是整個程序，在同一作用域中不應有兩個或多個同名的實體(entity)，包括變量、函數和類等。,可以通過e
27、xtern聲明同一程序中的兩個文件中的同名變量是同一個變量。如果在文件B中有以下聲明: extern int a; 表示文件B中的變量a是在其他文件中已定義的變量。由于有此聲明，在程序編譯和連接后，文件A的變量a的作用域擴展到了文件B。如果在文件B中不再對a賦值，則在文件B中用以下語句輸出的是文件A中變量 a的值: cout<
28、進來。由于各頭文件是由不同的人設計的，有可能在不同的頭文件中用了相同的名字來命名所定義的類或函數。這樣在程序中就會出現名字沖突。 例14.4 名字沖突。 程序員甲在頭文件header1.h中定義了類Student和函數fun。 //header1.h (頭文件1，設其文件名為cc14-4-h1.h) #include #include using namespace std; class Student//聲明Student類 public: Student(int n,string nam,char s) num=n;name=nam;sex=s; void get_data( ); pri
29、vate:,int num; string name; char sex; ; void Student::get_data( ) //成員函數定義 cout #include cc14-4-h1.h //注意要用雙引號，因為文件一般是放在用戶目錄中的 using namespace std; int main( ) Student stud1(101,Wang,18); //定義類對象stud1 stud1.get_data( ); cout<
30、eader2.h，在其中除了定義其他類以外，還定義了類Student和函數fun，但其內容與頭文件header1.h中的Student和函數fun有所不同。 //header2.h (頭文件2，設其文件名為cc14-4-h2.h) #include #include using namespace std; class Student//聲明Student類 public: Student(int n,string nam,char s) //參數與header1中的student不同 num=n;name=nam;sex=s; void get_data( );,private: int
31、num; string name; char sex; //此項與header1不同 ; void Student::get_data( ) //成員函數定義 cout<
32、.h中的一些內容，因而在程序中又包含了頭文件header2.h。如果主文件(包含主函數的文件)如下:,//main file #include #include cc14-4-h1.h//包含頭文件1 #include cc14-4-h2.h //包含頭文件2 using namespace std; int main( ) Student stud1(101,Wang,18); stud1.get_data(); cout<
33、出現了兩個Student類和兩個fun函數，顯然是重復定義，這就是名字沖突，即在同一個作用域中有兩個或多個同名的實體。,不僅如此，在程序中還往往需要引用一些庫，為此需要包含有關的頭文件。如果在這些庫中包含有與程序的全局實體同名的實體，或者不同的庫中有相同的實體名，則在編譯時就會出現名字沖突。 為了避免這類問題的出現，人們提出了許多方法，例如: 將實體的名字寫得長一些；把名字起得特殊一些，包括一些特殊的字符；由編譯系統(tǒng)提供的內部全局標識符都用下劃線作為前綴，如_complex()，以避免與用戶命名的實體同名；由軟件開發(fā)商提供的實體的名字用特定的字符作為前綴。但是這樣的效果并不理想，而且增加了閱讀
34、程序的難度，可讀性降低了。,C語言和早期的C++語言沒有提供有效的機制來解決這個問題，沒有使庫的提供者能夠建立自己的命名空間的工具。人們希望ANSI C++標準能夠解決這個問題，提供一種機制、一種工具，使由庫的設計者命名的全局標識符能夠和程序的全局實體名以及其他庫的全局標識符區(qū)別開來。,為了解決上面這個問題，ANSI C++增加了命名空間(namespace)。所謂命名空間，實際上就是一個由程序設計者命名的內存區(qū)域。程序設計者可以根據需要指定一些有名字的空間域，把一些全局實體分別放在各個命名空間中，從而與其他全局實體分隔開來。如 namespace ns1//指定命名空間ns1 int a;
35、double b; 現在命名空間成員包括變量a和b，注意a和b仍然是全局變量，僅僅是把它們隱藏在指定的命名空間中而已。,14.2.2 什么是命名空間,如果在程序中要使用變量a和b，必須加上命名空間名和作用域分辨符“::”，如ns1::a，ns1::b。這種用法稱為命名空間限定(qualified)，這些名字(如ns1::a)稱為被限定名(qualified name)。C++中命名空間的作用類似于操作系統(tǒng)中的目錄和文件的關系。 命名空間的作用是建立一些互相分隔的作用域，把一些全局實體分隔開來，以免產生名字沖突。 可以根據需要設置許多個命名空間，每個命名空間名代表一個不同的命名空間域，不同的命名
36、空間不能同名。這樣，可以把不同的庫中的實體放到不同的命名空間中。過去我們用的全局變量可以理解為全局命名空間，獨立于所有有名的命名空間之外，它是不需要用namespace聲明的，實際上是由系統(tǒng)隱式聲明的，存在于每個程序之中。,在聲明一個命名空間時，花括號內不僅可以包括變量，而且還可以包括以下類型: 變量(可以帶有初始化)； 常量； 函數(可以是定義或聲明)； 結構體； 類； 模板； 命名空間(在一個命名空間中又定義一個命名空間，即嵌套的命名空間)。 例如,namespace ns1 const int RATE=0.08;//常量 double pay; //變量 double ta
37、x( ) //函數 return a*RATE; namespace ns2 //嵌套的命名空間 int age; 如果想輸出命名空間ns1中成員的數據，可以采用下面的方法: cout<
38、。 //header1.h (頭文件1) #include #include using namespace std; namespace ns1//聲明命名空間ns1 class Student //在命名空間ns1內聲明Student類 public: Student(int n,string nam,int a),14.2.3 使用命名空間解決名字沖突,num=n;name=nam;age=a; void get_data( ); private: int num; string name; int age; ; void Student::get_data() //定義成
39、員函數 cout #include ,using namespace std; namespace ns2 //聲明命名空間ns2 class Student public: Student(int n,string nam,char s) num=n;name=nam;sex=s; void get_data( ); private: int num; char name20; char sex; ; void Student::get_data( ) cout<
40、return sqrt(a-b); ,//main file (主文件) #include #include cc14-5-h1.h //包含頭文件1 #include cc14-5-h2.h //包含頭文件2 using namespace std; int main( ) ns1::Student stud1(101,Wang,18); //用命名空間ns1中聲明的Student類定義stud1 stud1.get_data( ); //不要寫成ns1::stud1.get_data( ); cout<
41、的fun函數 ns2::Student stud2(102,Li,f); //用命名空間ns2中聲明的Student類定義stud2 stud2.get_data( ); cout<
42、同的命名空間中的同名標識符。即 命名空間名::命名空間成員名 這種方法是有效的，能保證所引用的實體有惟一的名字。但是如果命名空間名字比較長，尤其在有命名空間嵌套的情況下，為引用一個實體，需要寫很長的名字。在一個程序中可能要多次引用命名空間成員，就會感到很不方便。 為此，C++提供了一些機制，能簡化使用命名空間成員的手續(xù)。,14.2.4 使用命名空間成員的方法,（1） 使用命名空間別名 可以為命名空間起一個別名(namespace alias)，用來代替較長的命名空間名。如 namespace Television//聲明命名空間，名為Television 可以用一個較短而易記的別名代替它。如
43、namespace TV = Television;//別名TV與原名Television等價 （2） 使用using 命名空間成員名 using后面的命名空間成員名必須是由命名空間限定的名字。例如 using ns1::Student; using聲明的有效范圍是從using語句開始到using所在的作用域結束。如果在以上的using語句之后有以下語句:,Student stud1(101,Wang,18);//此處的Student相當于ns1::Student 上面的語句相當于 ns1::Student stud1(101,Wang,18); 又如 using ns1::fun;//聲明其
44、后出現的fun是屬于命名空間ns1中的fun cout<
45、dent是哪個命名空間中的Student? 產生了二義性，編譯出錯。,（3） 使用using namespace 命名空間名 能否在程序中用一個語句就能一次聲明一個命名空間中的全部成員呢？ C++提供了using namespace語句來實現這一目的。using namespace語句的一般格式為 using namespace命名空間名； 例如 using namespace ns1; 聲明了在本作用域中要用到命名空間ns1中的成員，在使用該命名空間的任何成員時都不必用命名空間限定。如果在作了上面的聲明后有以下語句: Student stud1(101,Wang,18);//Student隱
46、含指命名空間ns1中的Student cout<
47、ace//命名空間沒有名字 void fun() //定義命名空間成員 cout<
48、之間的同名沖突，應該將不同庫的標識符在不同的命名空間中定義(或聲明)。標準C++庫的所有的標識符都是在一個名為std的命名空間中定義的，或者說標準頭文件(如iostream)中函數、類、對象和類模板是在命名空間std中定義的。 這樣，在程序中用到C++標準庫時，需要使用std作為限定。如 std::cout<
49、明: using namespace std; 這樣，在std中定義和聲明的所有標識符在本文件中都可以作為全局量來使用。但是應當絕對保證在程序中不出現與命名空間std的成員同名的標識符。由于在命名空間std中定義的實體實在太多，有時程序設計人員也弄不清哪些標識符已在命名空間std中定義過，為減少出錯機會，有的專業(yè)人員喜歡用若干個“using 命名空間成員” 聲明來代替“using namespace 命名空間”聲明，如,using std::string; using std::cout; using std::cin; 等。為了減少在每一個程序中都要重復書寫以上的using聲明，程序開發(fā)者往
50、往把編寫應用程序時經常會用到的命名空間std成員的using聲明組成一個頭文件，然后在程序中包含此頭文件即可。,C語言程序中各種功能基本上都是由函數來實現的，在C語言的發(fā)展過程中建立了功能豐富的函數庫，C++從C語言繼承了這份寶貴的財富。在C++程序中可以使用C語言的函數庫。 如果要用函數庫中的函數，就必須在程序文件中包含有關的頭文件，在不同的頭文件中，包含了不同的函數的聲明。 在C++中使用這些頭文件有兩種方法。,14.3 使用早期的函數庫,(1) 用C語言的傳統(tǒng)方法。頭文件名包括后綴.h，如stdio.h，math.h等。由于C語言沒有命名空間，頭文件并不存放在命名空間中，因此在C++程序
51、文件中如果用到帶后綴.h的頭文件時，不必用命名空間。只需在文件中包含所用的頭文件即可。如 #include (2) 用C++的新方法。C++標準要求系統(tǒng)提供的頭文件不包括后綴.h，例如iostream、string。為了表示與C語言的頭文件有聯系又有區(qū)別，C++所用的頭文件名是在C語言的相應的頭文件名(但不包括后綴.h)之前加一字母c。 此外，由于這些函數都是在命名空間std中聲明的，因此在程序中要對命名空間std作聲明。如,#include #include using namespace std; 目前所用的大多數C++編譯系統(tǒng)既保留了C的用法，又提供了C++的新方法。下面兩種用法等價，可以任選。 C傳統(tǒng)方法 C++新方法 #include #include #include #include #include #include using namespace std; 可以使用傳統(tǒng)的C方法，但應當提倡使用C++的新方法。,
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