Основы алгоритмизации и программирования. Лекция 10

Мем в начале

Содержание лекции
Многофайловые программы
Причины использования многофайловых программ
Взаимодействие между файлами
Примеры
Вопросы из теста

Причины использования
Разделение кодовой базы
Разделение работы над проектом на несколько разработчиков
Удобство организации архитектуры программы
Сокращение кодовой базы
Упрощение внесения правок

Взаимодействие между файлами
Взаимодействие между скомпилированными по отдельности, но скомпонованными вместе исходными файлами (.cpp)
Взаимодействие с заголовочными файлами (.h)

Взаимодействие исходных файлов
Три основных элемента исходных файлов:
Переменные
Функции
Классы
Для каждого типа элементов есть свои правила межфайлового взаимодействия.

Межфайловые переменные
Объявление переменной – декларация её типа и имени.
Переменная определяется, когда происходит резервация места под не в памяти.
int some_var;
extern int some_var;

Межфайловые переменные
// File A
int global_var;
// File B
global_var = 3; // Error!

Межфайловые переменные
// File A
int global_var;
// File B
extern int global_var; // Declaration in File B
global_var = 3; // Good!
// But:
extern int global_var = 27; // extern will be ignored!

Статические переменные
// File A
static int global_var; // Only visible in A
// File B
static int global_var; // Only visible in B
В этом случае статическая переменная имеет внутреннее связывание. Нестатические глобальные переменные имеют внешнее связывание.
Для сужения области видимости можно использовать также пространства имен.
Полезно: Внутренняя и внешняя линковка в C++

Совет
Не использовать глобальных переменных
Если очень хочется, и по логике программы переменная используется только в текущем файле, то лучше сделать переменную статической.
В контексте глобальных переменных слово static просто сужает область видимости до одного файла.

Константы
Переменная, определенная с помощью const, в общем случае не видна за пределами одного файла.
Но если очень нужно:
// File A
extern const int const_var = 99;
// File B
extern const int const_var;

Межфайловые функции
Объявление функции задает ее имя, тип возвращаемых данных и типы всех аргументов.
Определение функции — это объявление плюс тело функции (тело функции — код, содержащийся внутри фигурных скобок).
Всё, что нужно знать при вызове – это имя, тип и типы аргументов. Все это есть в объявлении функции.

Пример
// File A
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
// File B
int add(int, int);
int main() {
cout << add(10, 10) << endl;
return 0;
}

Заголовочные файлы
Указанный после директивы #include файл просто вставляется в исходный (например, iostream).
Пример:
#include
#include "add.h"

Заголовочные файлы
// sum.h
extern int not_found = 404;
int sum(int, int);
// sum.cpp
int sum(int a, int b) { return a + b; }
// main.cpp
#include "sum.h"
int main() {
cout << sum(10, 10) << endl;
cout << not_found << endl;
// 20
// 404
}

Заголовочные файлы
В заголовочном файле можно хранить объявления, но не определения переменных или функций.
В противном случае, использование этого файла в других (если только данные не static или const) приведет к ошибке компоновщика «повторные определения».

Ошибка повторения включений
// example.h
#if !defined(EXAMPLE_H)
#define EXAMPLE_H
int global_var;
int sum(int a, int b) { return a + b;
}
#endif

Пространства имен
Пространства имен предоставляют более гибкий подход к вопросу управления видимостью переменных и функций.
Пространство имен — это некая именованная область файла.

Пример
namespace geo {
const double PI = 3.14159;
double L(double radius) { return 2 * PI * radius;
}
}
int main() {
cout << geo::PI << endl;
cout << geo::L(10) << endl;
// 3.14159
// 62.8318
}

Пример: using
namespace geo {
const double PI = 3.14159;
double L(double radius) {
return 2 * PI * radius;
}
}
L(100); // Not works!
using namespace geo;
L(100); // Works!

Неоднократное определение пространств имен
namespace geo {
const double PI = 3.14159;
}
// Other code ...
namespace geo {
double L(double radius) {
return 2 * PI * radius;
}
}

Пример
// geo.h
namespace geo {
const double PI = 3.14159;
double L(double radius);
}
// geo.cpp
#include "geo.h«
double geo::L(double radius) { return 2 * PI * radius; }
// main.cpp
#include "geo.h«
int main() {
cout << geo::PI << endl;
cout << geo::L(10) << endl;
}

Статические и динамические библиотеки
Библиотека — это фрагмент кода, который можно многократно использовать (переиспользовать) в разных программах.
Библиотека в C++ состоит из:
Заголовочный файл, который объявляет функционал библиотеки.
Предварительно скомпилированный бинарный файл, содержащий реализацию функционала библиотеки.
Есть 2 типа библиотек: статические и динамические.

Статическая библиотека
Статическая библиотека состоит из подпрограмм, которые непосредственно компилируются и линкуются с разрабатываемой программой.
При компиляции программы, которая использует статическую библиотеку, весь необходимый функционал статической библиотеки становится частью исполняемого файла.
В Windows статические библиотеки имеют расширение .lib (library), в Linux .a (archive).

Статическая библиотека
Преимущество:
Всего лишь один (исполняемый) файл, чтобы пользователи могли запустить и использовать программу. Статические библиотеки становятся частью программы
Недостатки:
Копия библиотеки становится частью каждого исполняемого файла, что может привести к увеличению размера файла
Для обновления статической библиотеки придется перекомпилировать каждый исполняемый файл, который её использует

Динамическая библиотека
Динамическая библиотека состоит из подпрограмм, которые подгружаются в разрабатываемую программу во время её выполнения.
При компиляции программы, которая использует динамическую библиотеку, эта библиотека не становится частью исполняемого файла.
В Windows динамические библиотеки имеют расширение .dll (dynamic link library), в Linux .so (shared object).

Динамическая библиотека
Преимущества:
Разные программы могут совместно использовать одну копию динамической библиотеки, что значительно экономит используемое пространство
Можно обновить ​​до более новой версии без необходимости перекомпиляции всех исполняемых файлов, которые её используют.
Недостаток:
Механизм взаимодействия может быть непонятен для новичков

Использование библиотек

Библиотеки импорта
Библиотека импорта (import library) – это библиотека, которая автоматизирует процесс подключения и использования динамической библиотеки.
В Windows это обычно делается через небольшую статическую библиотеку (.lib) с тем же именем, что и динамическая библиотека (.dll).
В Linux общий объектный файл (с расширением .so) дублируется сразу как динамическая библиотека и библиотека импорта.

Пример
// math.h
#if !defined(MATH_H)
#define MATH_H
int round(double r);
#endif
// math.cpp
#include "math.h"
int round(double r) {
return (r > 0.0) ? (r + 0.5) : (r - 0.5);
}

Пример
#include "math.h"
#include
using namespace std;
int main() {
double number;
cout << "Enter the number to round: ";
cin >> number;
cout << round(number) << endl;
}

Пример: запускаем как обычно
g++ -c app.cpp -o app.o
g++ -c math.cpp -o math.o
g++ app.o math.o -o app.out
./app.out
// Enter the number to round: 11.11
// 11

Пример: статическая библиотека
Получаем файл библиотеки:
ar cr libmath.a math.o
Используем полученный файл библиотеки:
g++ app.o libmath.a -o app.out
g++ app.o -L. -lmath -o app.out
Проверяем:
./app.out

Пример: динамическая библиотека
Создаем файл динамической библиотеки:
g++ -shared -o libmath.so math.o
Используем полученный файл библиотеки:
g++ app.o libmath.so -o app.out
g++ app.o -L. -lmath -o app.out
Проверяем:
./app.out
./app.out: error while loading shared libraries: libmath.so: cannot open shared object file: No such file or directory

В чем проблема?
Пользователь должен подсказать операционной системе, где искать необходимые библиотеки (libmath.so).
В случае с Linux:
Добавить путь к библиотеке к переменной окружения LD_LIBRARY_PATH
Использовать флаг -rpath, чтобы указать путь к динамической библиотеке при сборке исполняемого файла

Исправленный пример
export LD_LIBRARY_PATH = $LD_LIBRARY_PATH:/c/dev/OAIP/static_example/
./app.out
Или
g++ app.o -L. -lmath -o app.out -Wl,-rpath,/c/dev/OAIP/static_example/
./app.out

Пример вопроса на экзамене
Глобальная переменная определена в файле A. Чтобы получить доступ к ней из файла B, необходимо:
Определить ее в файле B, используя extern;
Определить ее в файле B, используя static;
Расслабиться;
Должно быть константой;
Объявить ее в файле B, используя extern.

Пример задачи на экзамене
Создать библиотеку для нахождения параметров треугольников (тип треугольника, площадь, периметр и т.п.).
Использовать заголовочные файлы и пространства имен.